封育對荒漠草原土壤有機碳及其活性組分的影響

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(1.寧夏大學農(nóng)學院，寧夏 銀川 750021；2.寧夏大學西北土地退化與生態(tài)恢復(fù)省部共建國家重點實驗室培養(yǎng)基地，寧夏 銀川 750021)

草地作為自然生態(tài)系統(tǒng)中的可更新資源，是重要的綠色生態(tài)屏障和畜牧業(yè)生產(chǎn)基地，其功能的正常發(fā)揮對維持區(qū)域乃至全球生態(tài)系統(tǒng)平衡具有極其重要的作用[1]。寧夏草地面積約2.5×106hm2，其中荒漠草原占全區(qū)草地總面積的55%，是該地區(qū)發(fā)展草地畜牧業(yè)的重要保障[2]。然而，寧夏荒漠草原地處干旱半干旱氣候區(qū)，生態(tài)環(huán)境脆弱，抗干擾能力差，除氣候因素外，由于過度放牧、亂采濫挖、亂開墾等人為因素致使草地退化日趨嚴重[3]。針對草地退化問題，各國學者都在積極探索有效地恢復(fù)策略，并認為圍欄封育是草地恢復(fù)經(jīng)濟有效的措施之一[4]。圍欄封育是通過人為降低或完全排除家畜對草地生態(tài)系統(tǒng)的擾動，使草地通過自我更新得以恢復(fù)[5]。退化草地實施圍欄封育后，植被發(fā)生正向演替，物種組成及群落結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，物種多樣性增加。此外，伴隨著植被蓋度增加，侵蝕減少，土壤理化性狀改善，促進了土壤有機碳的積累[6]。

土壤有機碳是陸地系統(tǒng)最重要和最活躍的碳庫[7]，也是土壤質(zhì)量和健康評價的一個重要指標[8]。土壤有機碳及其活性組分作為微生物的能源物質(zhì)，是土壤生態(tài)系統(tǒng)最活躍的部分，參與地球生物化學循環(huán)過程，影響土壤養(yǎng)分的有效性，對維持土壤肥力具有重要作用[9-10]。隨著寧夏禁牧封育政策的實施，關(guān)于封育對寧夏荒漠草原土壤理化性狀[11]、優(yōu)勢種群生態(tài)位特征[12]、土壤團聚體組成及其穩(wěn)定性的影響[13]等方面已有報道，然而，有關(guān)封育荒漠草原土壤活性有機碳的變化報道較少?；诖?，本研究擬以不同封育年限的寧夏荒漠草原為對象，研究荒漠草原自然恢復(fù)演替過程中土壤總有機碳及其活性組分的變化特征，以期為退化草地的管理和恢復(fù)提供科學依據(jù)，為寧夏地區(qū)草地生態(tài)環(huán)境建設(shè)做出貢獻。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于寧夏回族自治區(qū)鹽池縣(N 37°04′-38°10′，E 106°30′-107°47′)，南靠黃土高原，北與毛烏素沙地相連。屬典型的大陸性季風氣候，干旱少雨，風大沙多，平均氣溫7.8 ℃，極端最高溫度為34.9 ℃，極端最低溫度為-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，從東南向西北遞減；地勢南高北低，平均海拔1295～1951 m；土壤類型以灰鈣土為主，其次是黑壚土和風沙土。草地類型由南向北主要包括典型草原和荒漠草原，荒漠草原代表植物主要有：短花針茅(Stipabreviflora)、牛枝子(Lespedezapotaninii)、賴草(Leymussecalinus)、中亞白草(Pennisetumflaccidum)等。

1.2 樣地設(shè)置及土樣采集

2016年9月，采用空間序列代替時間序列的方法，在以牛枝子和短花針茅為建群種的荒漠草原分別選取未封育(F0)、封育3年(F3，2013年開始封育)、封育5年(F5，2011年開始封育)、封育7年(F7，2009年開始封育)和封育10年(F10，2006年開始封育)的荒漠草原作為研究樣地，重復(fù)3次，面積分別為70～100 hm2。各樣地在封育前均處于中度退化，植被、地形、地貌及土壤母質(zhì)等本底條件基本一致(表1)。

在每個樣地按對角線布設(shè)5個取樣點，采用多點混合取樣法，在每個取樣點分別按0～5 cm、5～10 cm、10～20 cm和20～40 cm土層采集土壤樣品，去除雜物及植物根系、凋落物等，帶回實驗室，風干、研磨，分別過0.149和2.00 mm篩，用于總有機碳及其組分含量的測定。

1.3 樣品測定指標及方法

土壤有機碳(soil organic carbon，SOC)采用Rapid CS TOC分析儀測定，顆粒有機碳(particulate organic carbon,POC)采用六偏磷酸鈉分離法測定，可溶性有機碳(dissolved organic carbon,DOC)采用水提取、過濾方法測定[14]，易氧化有機碳(labile organic carbon,LOC)采用高錳酸鉀氧化法測定[15]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

采用Excel 2007和DPS 9.5軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，采用one-way ANOVA法和LSD法進行方差分析和多重比較。

表1 不同封育年限荒漠草原的基本情況Table 1 Basic situation in desert steppes under different years of enclosure

2 結(jié)果與分析

2.1 不同封育年限荒漠草原土壤總有機碳含量的變化

由表2可知，0～5 cm土層土壤有機碳含量隨封育年限的延長呈先下降后上升趨勢，但不同封育年限草地及未封育草地之間差異不顯著(P>0.05)。5～10 cm土層，封育5年的草地土壤有機碳含量最低，為2.24 g·kg-1，顯著低于封育7年的草地(P<0.05)，其他封育年限及未封育草地之間差異不顯著(P>0.05)。10～20 cm土層，土壤有機碳含量隨封育年限的增加呈下降-上升-下降趨勢，以封育3年的草地最低，顯著低于封育7年的草地(P<0.05)。不同封育年限草地20～40 cm土層土壤有機碳變化范圍為2.27～4.20 g·kg-1，以封育3年的草地最低，與未封育及其他封育年限的草地差異顯著(P<0.05)。

表2 不同封育年限荒漠草原土壤有機碳含量的變化 Table 2 Contents of SOC in desert steppes under different years of enclosure (g·kg-1)

注：同列不同字母表示在P<0.05水平上差異顯著。下同。

Note： The different lowercase letters in the same column indicate there was significant difference atP<0.05 level. The same below.

2.2 不同封育年限荒漠草原土壤活性有機碳組分的變化

表3為不同封育年限荒漠草原土壤各剖面活性有機碳含量的變化。0～5 cm土層，土壤顆粒有機碳含量隨封育年限的延長呈先上升后下降趨勢，但不同封育年限及未封育草地之間差異不顯著(P>0.05)。5～10 cm土層，封育3年的草地土壤顆粒有機碳含量顯著低于其他封育年限及未封育草地(P<0.05)。10～20 cm土層，土壤顆粒有機碳呈下降-上升-下降的趨勢，以封育3年的草地最低，顯著低于封育7年的草地(P<0.05)。20～40 cm土層，土壤顆粒有機碳含量變化較為平穩(wěn)，各封育年限及未封育草地之間差異不顯著(P>0.05)。從剖面分布看，不同封育年限荒漠草原0～5 cm表層土壤顆粒有機碳含量最高，平均為1.37 g·kg-1。

0～5 cm、5～10 cm和20～40 cm土層，土壤可溶性有機碳含量隨封育年限的延長呈先降低后增加的趨勢，均以未封育草地最高，封育5、7年的草地較低(P<0.05)。在0～5 cm土層，封育7年的草地可溶性有機碳含量最低，顯著低于未封育及封育3、10年的草地(P<0.05)；在5～10 cm土層，封育5和7年的草地可溶性有機碳含量顯著低于未封育及封育3和10年的草地，未封育草地顯著高于封育10年的草地(P<0.05)；在20～40 cm土層，未封育草地可溶性有機碳含量顯著高于封育3，5和7年的草地(P<0.05)，而封育3年的草地與封育10年的草地之間差異不顯著(P>0.05)。10～20 cm土層，可溶性有機碳含量隨封育年限的延長呈波動性變化，封育7年的草地顯著高于封育5年的草地(P<0.05)。

表3 不同封育年限荒漠草原土壤活性有機碳含量的變化 Table 3 Contents of soil active organic carbon in desert steppes under different years of enclosure (g·kg-1)

0～5 cm土層，土壤易氧化有機碳含量隨封育年限的延長呈先下降后上升趨勢，以未封育草地最高(0.78 g·kg-1)，顯著高于封育3年的草地(0.46 g·kg-1)(P<0.05)。5～10 cm和10～20 cm土層，土壤易氧化有機碳隨封育年限的延長呈下降-上升-下降趨勢。其中，5～10 cm土層以未封育和封育7年的草地較高，顯著高于封育5和10年的草地(P<0.05)；10～20 cm土層，未封育、封育5和7年的草地顯著高于封育10年的草地(P<0.05)。20～40 cm土層，各封育年限及未封育草地之間土壤易氧化有機碳含量差異不顯著(P>0.05)。

圖1 不同封育年限荒漠草原土壤活性有機碳占總有機碳的比例Fig.1 POC, DOC and LOC proportion to total soil organic carbon in desert steppes under different years of enclosure 同一指標不同字母表示在P<0.05水平上差異顯著。The different lowercase letters of the same index indicate there was significant difference at P<0.05 level.

2.3 不同封育年限荒漠草原土壤活性有機碳組分占總有機碳的比例

不同封育年限草地土壤活性有機碳各組分占總有機碳的比例見圖1。隨封育年限的延長，土壤顆粒有機碳占總有機碳的比例呈先增加后降低的趨勢，封育5和7年的草地土壤顆粒有機碳占總有機碳的比例較大，分別為32.5%和32.0%，顯著高于封育3年及未封育的草地(P<0.05)。土壤可溶性有機碳占總有機碳的比例以封育3年的草地較高，較未封育草地增加了2.1%，其他封育年限草地土壤可溶性有機碳占總有機碳的比例較未封育草地均有所下降，但各封育年限及未封育草地之間差異不顯著(P>0.05)。土壤易氧化有機碳占總有機碳的比例隨封育年限的延長總體呈下降趨勢，未封育草地顯著高于封育3，5和10年的草地，封育10年的草地顯著低于未封育、封育3和7年的草地(P<0.05)。

3 討論與結(jié)論

土壤有機碳是土壤的重要組成部分，是揭示土壤肥力和土壤健康程度的重要指標，在土壤生產(chǎn)力評價以及全球碳循環(huán)等方面具有重要作用[16]。植被物種組成、土地利用方式以及管理措施等都會影響土壤有機碳的質(zhì)量、數(shù)量和周轉(zhuǎn)[17]。封育有利于寧夏荒漠草原土壤有機碳的固持，不同封育年限草地0～5 cm表層土壤有機碳含量無顯著差異，5～10 cm、10～20 cm和20～40 cm土層土壤有機碳含量以封育7和10年的草地較高。土壤總有機碳的這種動態(tài)變化表明隨著退化荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)的自然恢復(fù)，植物群落結(jié)構(gòu)改善，土壤風蝕減弱，有效保存了土壤養(yǎng)分。相關(guān)研究也表明，封育可改善草地土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤有機碳儲量[18-19]。

土壤活性有機碳是土壤中易被土壤微生物分解礦化、對植物養(yǎng)分供應(yīng)具有直接作用的那部分有機碳[20]。活性有機碳并非是一種單純的化合物，其含量高低可在不同程度上反映土壤有機碳的有效性，通常可用顆粒有機碳、可溶性有機碳、易氧化有機碳等來表征[21]。各封育年限荒漠草原之間在0～5 cm和20～40 cm土層顆粒有機碳含量無顯著差異，且均以0～5 cm表層土壤較高，這是由于表土層聚集了較多的根系和凋落物，導(dǎo)致以植物殘體和根系分泌物的分解為重要來源的非保護性有機碳含量的增加[22-23]。可溶性有機碳含量在0～5 cm、5～10 cm和20～40 cm土層表現(xiàn)為隨封育時間的延長呈先降低后升高的趨勢，均以未封育草地最高，封育5和7年的草地較低。這可能是在封育初期，由于植被的恢復(fù)，對可溶性有機碳消耗增加，但隨著封育年限的延長，凋落物積累、周轉(zhuǎn)，土壤可溶性有機碳的含量又有所增加。易氧化有機碳總體以未封育和封育7年的草地較高，可能是隨著封育年限的增加，易氧化有機碳在滿足植物生長的需要后將多余部分儲存起來，因而封育7年的荒漠草原易氧化有機碳含量較封育初期有所增加。管光玉等[24-25]研究表明，退化山地草甸封育后，土壤易氧化有機碳的含量較自由放牧草地有所提高，但并非封育時間越長，活性有機碳含量越高。

隨封育年限的延長，土壤顆粒有機碳占總有機碳的比例呈先上升后下降的趨勢，易氧化有機碳占總有機碳的比例總體呈下降的趨勢，可溶性有機碳占總有機碳的比例在各封育年限草地之間差異不顯著。土壤顆粒有機碳、可溶性有機碳及易氧化有機碳占總有機碳的比例隨封育年限的延長變化不盡相同，這可能是由于活性有機碳是土壤有機碳中比較活躍的組分，不同組分在草地生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)中有其特有的利用和轉(zhuǎn)化方式，因而周轉(zhuǎn)速率不同，加之其對環(huán)境條件變化及人為擾動的高度敏感性，導(dǎo)致不同活性組分隨草地封育年限的延長變化不規(guī)律。這與管光玉[24]的研究結(jié)果一致。

本研究表明封育有利于土壤有機碳及其活性組分的積累，能提高土壤質(zhì)量，進而改善退化荒漠草原的生態(tài)環(huán)境。綜合考慮寧夏荒漠草原土壤總有機碳及不同組分含量隨封育年限的變化，本研究所做處理中，封育7年是退化荒漠草原自然恢復(fù)演替過程中的一個轉(zhuǎn)折。