封育對寧夏荒漠草原土壤有機(jī)碳礦化的影響

陶利波，王建軍，王國會，于 雙，李惠惠，許冬梅，*

(1.寧夏大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，寧夏 銀川 750021； 2.西北土地退化與生態(tài)恢復(fù)省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，寧夏 銀川 750021； 3.寧夏同心縣同心中學(xué)，寧夏 同心 751300)

封育對寧夏荒漠草原土壤有機(jī)碳礦化的影響

陶利波1，2，王建軍3，王國會1，2，于 雙1，2，李惠惠1，許冬梅1，2，*

(1.寧夏大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，寧夏 銀川 750021； 2.西北土地退化與生態(tài)恢復(fù)省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，寧夏 銀川 750021； 3.寧夏同心縣同心中學(xué)，寧夏 同心 751300)

以空間梯度代替時間梯度，在寧夏鹽池縣選擇未封育及封育3、5、8、11 a的荒漠草原為研究樣地，采用室內(nèi)恒溫培養(yǎng)的方法，測定不同封育年限草地土壤有機(jī)碳礦化潛力。結(jié)果表明，草地土壤有機(jī)碳累積礦化量隨封育年限的延長總體呈增加趨勢，表現(xiàn)為封育11 a草地>封育8 a草地>封育5 a草地>未封育草地>封育3 a草地。不同封育年限草地土壤有機(jī)碳礦化速率均以培養(yǎng)初期最大，隨培養(yǎng)時間的延長迅速下降，但從第7天開始略有上升，第13天時又達(dá)到較高水平，之后開始逐漸下降，至第27天趨于平穩(wěn)。不同封育年限草地土壤潛在礦化碳庫(C0)由高到低為封育11 a草地>封育8 a草地>未封育草地>封育5 a草地>封育3 a草地。封育8 a的草地土壤半衰期最短，顯著(P<0.05)低于其他封育年限及未封育草地。因此，根據(jù)土壤有機(jī)碳礦化特征以及植被恢復(fù)狀況，對封育5 a左右的寧夏荒漠草原可考慮適度利用。

封育；荒漠草原；土壤有機(jī)碳礦化；潛在礦化碳庫

自19世紀(jì)中期以來，全球大氣中的CO2濃度大約以每年0.4%的速度增長[1]。大氣CO2含量升高帶來的氣候變化，尤其是氣候變暖嚴(yán)重威脅人類生存，因此，有效控制大氣CO2含量，減緩氣候變暖是當(dāng)前環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域亟待解決的重大問題。土壤碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫，是植被碳庫的2～3倍、大氣碳儲量的3倍，土壤呼吸釋放的CO2量約占陸地生態(tài)系統(tǒng)與大氣間碳交換總量的2/3，是碳循環(huán)的重要途徑和載體[2-3]。將大氣中CO2固定至土壤中，既可以緩解溫室效應(yīng)，同時還能改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤肥力。因此，以更為有效的方式利用陸地植被、土壤對有機(jī)碳的積累優(yōu)勢來抑制大氣中CO2濃度的快速增長，是在全球綠色、循環(huán)和低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展背景下適宜采取的一種低成本固碳減排的有效措施。

草地作為陸地主體生態(tài)系統(tǒng)類型，其碳儲量達(dá)761 Gt，且90%儲存于土壤中[4]。我國草地面積近4億hm2，占國土面積的41.7%[5]，但長期以來，由于自然環(huán)境的變遷和人為的不合理利用，天然草地退化嚴(yán)重，草地生態(tài)系統(tǒng)面臨嚴(yán)重威脅，我國已經(jīng)成為草地生態(tài)系統(tǒng)退化最嚴(yán)重的國家之一[6]。對退化草地實(shí)施禁牧封育，人為解除放牧壓力，是管理草地的重要手段。因其投入成本低、取得效益快，禁牧封育現(xiàn)已成為退化草地恢復(fù)與重建的重要舉措之一[7]，可使植被蓋度和物種多樣性得到明顯恢復(fù)[8]，土壤細(xì)顆粒組分及有機(jī)碳含量增加[9-10]。

荒漠草原作為寧夏天然草地的主體類型，面積134.44萬hm2，約占全區(qū)草地面積的55.02%，是重要的生態(tài)屏障[11]。由于自然環(huán)境脆弱，加之人為的濫墾、濫挖和過度放牧，土壤沙化及草地退化嚴(yán)重[12]。針對草地退化狀況，寧夏于2003年全面實(shí)施了天然草地禁牧封育，以恢復(fù)草原生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)，努力實(shí)現(xiàn)永續(xù)利用的目的?；诖耍狙芯恳圆煌庥晗薜牟莸貫閷ο?，通過室內(nèi)培養(yǎng)的方法研究寧夏荒漠草原自然恢復(fù)演替過程中土壤有機(jī)碳的礦化潛力，旨在為寧夏荒漠草原碳增匯減排提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)設(shè)在寧夏回族自治區(qū)鹽池縣(106°03′～107°04′ E，37°04′～38°10′ N)，南靠黃土高原，北與毛烏素沙地相連，屬鄂爾多斯臺地，是典型的沙地/黃土過渡地帶。氣候類型屬于典型的中溫帶大陸性氣候，年平均氣溫7.8 ℃，冬冷夏熱，極端最高溫為34.9 ℃，極端最低溫為-24.2 ℃，冬夏兩季氣候迥異，平均溫差28 ℃左右，年均無霜期165 d，年降水量250～350 mm，且從東南向西北遞減。研究區(qū)平均海拔1 295～1 951 m，地勢南高北低，土壤類型以灰鈣土為主，其次是黑壚土和風(fēng)沙土。草地類型包括典型草原和荒漠草原?；哪菰饕锓N有：短花針茅(Stipabreviflora)，牛枝子(Lespedezapotaninii)，蒙古冰草(Agropyronmongolicum)，賴草(Leymussecalinus)等。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集

2015年7月在研究區(qū)分別選取未封育、封育3 a、封育5 a、封育8 a和封育11 a的荒漠草原為研究樣地，每個樣地按照隨機(jī)取樣的方法選取5個點(diǎn)，清理地表覆蓋生物后，挖掘土壤剖面，用200 cm3環(huán)刀采集0～20 cm土樣，并取原狀土1.0 kg，裝入保鮮盒內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室，挑出小石子、根等其他雜物，過2 mm篩，放置于4 ℃冷藏保存，用于有機(jī)碳礦化的測定。

1.2.2 土壤有機(jī)碳礦化速率測定

采用室內(nèi)恒溫培養(yǎng)和堿液吸收法對土壤有機(jī)碳礦化進(jìn)行測定。稱取約25 g冷藏土樣放入500 mL的培養(yǎng)瓶內(nèi)，并將裝有30 mL 0.5 mol·L-1NaOH的小培養(yǎng)瓶放入500 mL培養(yǎng)瓶內(nèi)，用于吸收培養(yǎng)過程中土壤釋放的CO2。保持含水量為60%田間持水量，為了提高土壤的通透性，在所有培養(yǎng)瓶內(nèi)加入3 g石英砂，攪拌混勻，重復(fù)3次。將培養(yǎng)瓶先置于20 ℃恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)4 d，然后置于25 ℃培養(yǎng)箱中，分別在培養(yǎng)的2、4、6、13、20、27、34、41、48、55、62、76 d，取出裝有NaOH溶液的小培養(yǎng)瓶，用已配制好的濃度為0.5 mol·L-1的鹽酸標(biāo)液進(jìn)行滴定，以測定CO2-C釋放量(mg C·g-1)，計算土壤呼吸速率。在試驗(yàn)期間，每隔2 d稱重、補(bǔ)充水分，以保持土壤含水量恒定。

1.2.3 土壤礦化相關(guān)指標(biāo)的計算

采用一級動力學(xué)方程擬合有機(jī)碳分解常數(shù)：

(1)

Ct=C0e-kt；

(2)

T1/2=ln2/k。

(3)

式(1)中：CO2-C為培養(yǎng)期間土壤有機(jī)碳的礦化釋放量(mg C·g-1)；V0為空白標(biāo)定時消耗的標(biāo)準(zhǔn)鹽酸的體積(mL)；V為樣品滴定時消耗的標(biāo)準(zhǔn)鹽酸的體積(mL)；cHCl為標(biāo)準(zhǔn)鹽酸濃度(mol·L-1)；m為試驗(yàn)土樣質(zhì)量(g)；a為土壤含水量(%)[13]。

式(2)中：Ct為t時間土壤有機(jī)碳含量(g·kg-1)；C0為土壤潛在礦化有機(jī)碳量(g·kg-1)；k為分解速率常數(shù)(d-1)[14]。

式(3)中T1/2為土壤有機(jī)碳的半衰期(d)[15]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2007對數(shù)據(jù)做處理，并進(jìn)行曲線擬合。用DPS 9.50統(tǒng)計軟件進(jìn)行ANOVA分析，并用Duncan法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1不同封育年限荒漠草原土壤有機(jī)碳累積礦化量變化

如圖1所示：在培養(yǎng)的0～6 d，不同封育年限草地土壤有機(jī)碳累積礦化量均快速增加，其中封育11 a和封育8 a的草地增長量最大；隨著培養(yǎng)時間的延長，在培養(yǎng)的7～62 d，不同封育年限草地土壤有機(jī)碳累積礦化量增加速度趨于緩慢；在培養(yǎng)的最后階段，即培養(yǎng)的63～76 d，不同封育年限草地土壤有機(jī)碳累積礦化量趨于平穩(wěn)。在整個培養(yǎng)過程中，不同封育年限草地土壤累積礦化量從高到低依次為封育11 a草地>封育8 a草地>封育5 a草地>未封育草地>封育3 a草地。

圖1 不同封育年限草地土壤有機(jī)碳累積礦化量Fig.1 Accumulative amount of soil carbon mineralization of grasslands with different enclosed years

2.2不同封育年限荒漠草原土壤有機(jī)碳礦化速率變化

不同封育年限草地土壤有機(jī)碳礦化速率在開始時都表現(xiàn)為最大值(圖2)，培養(yǎng)初期(0～6 d)，隨著培養(yǎng)時間的延長，有機(jī)碳礦化速率迅速下降；7～13 d，不同封育年限草地土壤有機(jī)碳礦化速率又有所增加，其中封育8 a的草地土壤有機(jī)碳礦化速率增加幅度最大；13 d后不同封育年限草地土壤有機(jī)碳礦化速率開始緩慢下降，至27 d后逐漸趨于平穩(wěn)。

不同封育年限草地土壤有機(jī)碳日均礦化速率不同。在培養(yǎng)前7 d，封育11 a和封育8 a的草地土壤有機(jī)碳礦化速率最大，下降速度也最快，與未封育、封育3 a和封育5 a的草地差異顯著(P<0.05)。在7～13 d，封育8 a的草地有機(jī)碳礦化速率增加最快，封育5 a的草地土壤有機(jī)礦化速率增加最慢，其他封育年限草地有機(jī)碳礦化速率無顯著差異(P>0.05)。在14～27 d，各封育年限草地土壤有機(jī)碳礦化速率逐漸下降，該階段以封育8 a的草地土壤有機(jī)碳礦化速率最大，顯著(P<0.05)高于其他封育年限草地。27 d后，各封育年限草地土壤有機(jī)碳礦化速率趨于平穩(wěn)，且差異不顯著(P>0.05)。

圖2 不同封育年限草地土壤有機(jī)碳礦化速率Fig.2 Soil carbon mineralized rate of grasslands with different enclosed years

2.3不同封育年限荒漠草原土壤有機(jī)碳礦化模型擬合

采用一級動力學(xué)方程對不同封育年限草地土壤有機(jī)碳累積化量進(jìn)行擬合(表1)，效果均較好(R2>0.883 2)。不同封育年限草地土壤潛在礦化碳庫(C0)為5.548 0～7.975 8 g·kg-1，分解速率常數(shù)(K)為0.040 4～0.049 7，半衰期為14.351 4～17.440 7 d。封育11 a的草地土壤潛在礦化碳庫最大，與封育8 a的草地?zé)o顯著差異(P>0.05)，但二者均顯著(P<0.05)高于封育3 a、5 a及未封育草地，封育3 a的草地土壤潛在礦化碳庫最小，顯著(P<0.05)低于其他封育年限及未封育草地。封育8 a、3 a及未封育的草地分解速率常數(shù)較高，顯著(P<0.05)高于封育5 a、11 a的草地。封育8 a的草地土壤半衰期最短，顯著低于其他封育年限及未封育草地(P<0.05)，封育11 a的草地土壤半衰期最大，但與封育5 a的草地之間差異不顯著(P>0.05)。

表1不同封育年限草地土壤有機(jī)碳礦化擬合模型

Table1Mineralization model of soil organic carbon of grasslands with different enclosed years

封育時間Enclosuretime/aC0/(g·kg-1)k/d-1T1/2/dR206.2229b0.0473a15.0445b0.883235.5480c0.0473a15.0445b0.883256.1338b0.0448b15.5693ab0.983287.1689a0.0497a14.3514c0.9739117.9758a0.0404b17.4407a0.9238

同列數(shù)據(jù)后無相同小寫字母的表示差異顯著(P<0.05)。

Data in the same column followed by no same letters indicated significant difference atP<0.05.

3 結(jié)論與討論

土地利用方式是影響土壤礦化過程的重要因素之一，主要改變土壤有機(jī)碳礦化速率[16]。人類對于土地利用方式的改變會直接引起土壤內(nèi)部，如土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)、碳氮含量等養(yǎng)分指標(biāo)的變化[17]。同時，植物群落的改變對土壤微生物種類及其數(shù)量亦會產(chǎn)生重要影響，并進(jìn)而影響土壤有機(jī)碳礦化[18]。不同封育年限草地土壤有機(jī)碳累積礦化量在不同培養(yǎng)時期的變化動態(tài)具有較大差異。王若夢等[18]研究表明，長期封育的大針茅草地土壤累積礦化量大于未封育的天然草地；代景忠等[19]研究長期封育對內(nèi)蒙古草地碳固持效應(yīng)的影響發(fā)現(xiàn)，內(nèi)蒙古草地在封育過程中生產(chǎn)力、生物多樣性、碳和氮貯量等都出現(xiàn)了明顯變化，封育草地顯現(xiàn)出明顯的碳匯效應(yīng)，在培養(yǎng)初期，不同封育年限草地土壤有機(jī)碳累積礦化量迅速增加，隨培養(yǎng)時間延長，增加速度有所放緩，到后期，各封育年限草地土壤有機(jī)碳累積礦化量都達(dá)到相對平穩(wěn)的狀態(tài)。這與本研究結(jié)果一致。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是土壤有機(jī)碳礦化分解初期，其中的易分解組分首先被微生物分解，釋放大量養(yǎng)分，土壤累積礦化量迅速增加；隨著易分解有機(jī)碳含量的減少，微生物開始分解難分解有機(jī)碳，分解速度顯著下降，土壤累積礦化量緩慢增加。本研究中，不同封育年限草地土壤有機(jī)碳礦化量表現(xiàn)為：封育11 a草地>封育8 a草地>封育5 a草地>未封育草地>封育3 a草地。

在不同封育年限的天然草地上，輸入到土壤中的植物凋落物的來源不同，土壤理化性狀也有較大差異，往往導(dǎo)致土壤有機(jī)碳礦化潛力不同[20]。本研究通過對不同封育年限土壤有機(jī)碳的礦化培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)土壤潛在礦化碳庫(C0)以封育11 a的草地最大，其次是封育8 a、5 a和未封育的草地，封育3 a的草地土壤潛在礦化碳庫最??；但封育8 a的草地土壤半衰期最短。由土壤有機(jī)碳累積礦化量、礦化速率和潛在礦化碳庫的動態(tài)變化可知，封育在一定時期內(nèi)可增加荒漠草原土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性，但是隨著封育時間的延長，土壤可礦化碳比重增加，減弱了有機(jī)碳的固持能力，降低了土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性。因此，依據(jù)土壤有機(jī)碳礦化特征，結(jié)合植被恢復(fù)狀況，針對寧夏荒漠草原，封育5 a左右的草地可考慮適度利用。

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(責(zé)任編輯高 峻)

EffectsofenclosureonsoilorganiccarbonmineralizationofdesertsteppeinNingxia

TAO Libo1，2， WANG Jianjun3， WANG Guohui1，2， YU Shuang1，2， LI Huihui1， XU Dongmei1，2，*

(1.SchoolofAgriculture，NingxiaUniversity，Yinchuan750021，China; 2.BreedingBaseforStateKeyLaboratoryofLandDegradationandEcologicalRestorationinNorthwestChina，Yinchuan750021，China; 3.TongxinMiddleSchool，Tongxin751300，China)

In the present study， grazing grassland and grassland enclosed for 3， 5， 8， 11 a of desert steppe were selected as study objects in Yanchi County， Ningxia Province， to study the soil organic carbon mineralization potential by indoor constant temperature incubation. It was shown that with the increase of enclosing year， the accumulative soil organic carbon mineralization showed an increasing trend as 11 a enclosed grassland>8 a enclosed grassland>5 a enclosed grassland>grazing grassland>3 a enclosed grassland. From the 1stday to the 7thday， the mineralization rates decreased rapidly. From the 7thday to the 13thday， the rates rose slowly. Then， the rates decreased until the 27thday to be stable. With different enclosing year， the amount of potential mineralization carbon pools (C0) of the grassland decreased in sequence of 11 a enclosed grassland>8 a enclosed grassland>grazing grassland>5 a enclosed grassland>3 a enclosed grassland. The soil half-life of 8 a enclosed grassland was significantly (P<0.05) lower than others. Therefore， according to the soil organic carbon mineralization characteristics and the situation of vegetation restored， the grassland could be appropriately used after enclosing for 5 years.

enclosure; desert steppe; soil organic carbon mineralization; potential mineralization carbon pool

http://www.zjnyxb.cn陶利波，王建軍，王國會，等. 封育對寧夏荒漠草原土壤有機(jī)碳礦化的影響[J]. 浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報，2017，29(9)： 1549-1554.

S153

：A

：1004-1524(2017)09-1549-06

10.3969/j.issn.1004-1524.2017.09.18

2017-02-24

國家自然科學(xué)基金(31460624)

陶利波(1991—)，男，陜西商洛人，碩士研究生，研究方向?yàn)椴莸厣鷳B(tài)、資源與環(huán)境。E-mail: NXUtaolb@163.com

*通信作者，許冬梅，E-mail: nxxudongmei@163.com