圍欄封育對草地土壤養(yǎng)分改良效果的研究進展

秦麗萍，白文麗，鄭廷杰

(1.甘肅武威市草原工作站，甘肅 武威 733000；2.甘肅武威市工業(yè)發(fā)展研究中心，甘肅 武威 733000)

草地是我國面積最大的陸地生態(tài)系統(tǒng)，總面積近4億公頃，占全國土地總面積的40%，占全球草原面積的12.4%，居世界第一，在國民經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護中具有重要的地位和作用[1]。然而，受自然、地理、歷史和人為活動等因素的影響，草地生態(tài)環(huán)境日益惡化，植被蓋度降低，生物多樣性減少，調(diào)節(jié)水資源功能下降，易引發(fā)一系列重大生態(tài)問題，直接威脅到國家生態(tài)安全，草地資源和生態(tài)保護刻不容緩。

為了保護和修復退化草地，2004年開始，國家先后實施了一系列草原生態(tài)綜合保護建設工程項目，通過圍欄封育、天然草原補播改良等方式改善草原生態(tài)環(huán)境。其中，圍欄封育以其投資少、見效快的特點，已成為退化草地恢復的重要措施之一，并被世界各國廣泛采用[2-4]。

土壤是植物生長的基本載體，為植被生長提供各種化學元素，土壤中碳、氮、磷、鉀的分布與儲量直接影響到草原生態(tài)作用的發(fā)揮。圍欄封育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[5]，不僅有利于草地植被的恢復[6-7]，也有利于草地土壤結構的改善[8]和土壤養(yǎng)分含量的提高[9]。近幾年，國內(nèi)關于圍欄封育對草地土壤養(yǎng)分改良效果的研究頗多，但尚缺乏對其系統(tǒng)的歸納和深入的分析，本文綜述了近年國內(nèi)圍欄封育對土壤養(yǎng)分改良方面的研究成果，并指出今后的研究方向，以期為促進退化草地封育效益合理性研究和指導草地利用提供一定的基礎資料和科學依據(jù)。

1 圍欄封育對土壤養(yǎng)分的影響

1.1 圍欄封育對有機碳的影響

草地土壤有機碳主要來源于植物、動物、微生物殘體和根系分泌物[10]，是全球碳循環(huán)的重要組成部分，其含量高低是土壤質(zhì)量和健康評價的重要指標[11-12]。圍欄封育降低了人為干擾，促進植被恢復和掉落物的積累，減少了土壤風蝕，從而有利于土壤有機碳含量的增加[13-14]。近年來，眾多學者開展了封育后土壤有機碳含量變化的研究，但由于草地土壤質(zhì)地、氣候條件等因素的影響，封育后土壤有機碳含量的變化存在一定差異性。大部分研究表明，與未封育草地相比，封育顯著或極顯著增加了土壤有機碳含量[15-19]，樊華等[20]發(fā)現(xiàn)封育后土壤有機碳含量提高了307.94%。進一步對不同深度有機碳含量變化的研究進行歸納發(fā)現(xiàn)，由于封育后生物量增大，引起掉落物增加，且主要積累在表層，土壤有機碳含量最高集中在0～30 cm土層，如范燕敏等[21]發(fā)現(xiàn)0～5 cm有機碳含量遠遠高于5 cm以下，李強[22]和楊合龍[23]發(fā)現(xiàn)0～10 cm有機碳含量最高，分別增加了71.5%和12.6%，于雙等[24]發(fā)現(xiàn)5～20 cm有機碳含量最高，陳智勇等[25]發(fā)現(xiàn)0～30 cm土層有機質(zhì)含量最高，何玉惠等[26]發(fā)現(xiàn)0～30 cm土層有機碳平均含量增加了2.44倍?？赡苡捎谕寥劳嘶謴脱萏娴膹碗s性和本底土壤的差異性，李國旗[27]發(fā)現(xiàn)，封育后土壤表層(0～10 cm)有機碳含量有所提高，但差異不顯著，楊靜[28]也發(fā)現(xiàn)，0～5 cm土層有機碳含量無顯著變化。由于植被枯落物養(yǎng)分先在土壤表層聚集，再隨介質(zhì)向土壤下層遷移擴散，隨著土壤深度的增加，有機碳含量大部分呈降低或不變趨勢[29-30]，如孫宗玖等[31]發(fā)現(xiàn)10～30 cm土層有機質(zhì)雖然出現(xiàn)增加的趨勢,但差異不顯著。同時，隨著封育年限的延長，不同地區(qū)、類型草地由于植被類型和氣候條件的差異，土壤有機碳含量變化也不盡相同。相關研究人員指出，封育5年后天山北坡荒漠草地土壤有機碳含量有降低趨勢[21]，封育5～8年，鹽堿草地土壤有機碳含量隨著封育時間的延長而逐漸增加，封育8年最高[22]，伊犁荒漠草地土壤有機碳含量隨著封育年限的增加總體呈現(xiàn)先降后升趨勢，在封育9年達到最高[23]，黃土高原草地封育初期土壤有機碳含量先降后升，12年最低，在20年達到最高，至封育20、30年保持相對平穩(wěn)。

1.2 圍欄封育對氮的影響

草地土壤中的N主要來源于生物固氮，少量來源于大氣沉降、土壤吸附和灌溉水等[10]。在“草一土”系統(tǒng)中，91%～97%的N保留在土壤中，只有3%～9%的N存在于植物物質(zhì)中。在草地封育過程中，研究N含量的變化對指導草地合理利用，保持草地N供給平衡有重要意義。土壤全N的95%來源于有機質(zhì)的轉化，其含量受到有機質(zhì)在土壤中的積累與礦化的影響。與有機碳變化基本一致，大部分研究表明，封育顯著提升了草地土壤全N含量[15-16,18,22,31]，如有研究發(fā)現(xiàn)封育后土壤全N含量增加了230.86%[20]，可能由于植被類型的差異引起對N的固定和利用不同，也有研究者發(fā)現(xiàn)封育對土壤全N含量無顯著影響，甚至有所降低，如楊靜[28]發(fā)現(xiàn)土壤全N含量封育后顯著降低，整體降低8.33%～34.38，張云舒[29]和曹成有[19]發(fā)現(xiàn)封育對土壤全N含量無顯著影響?？赡芘c草原植被根系主要分布在表層有關，封育促進了土壤表層全N含量的提高，李國旗[27]認為封育后土壤全N含量在0～10 cm最高，王玉紅[17]認為封育對退化草地全N的影響主要體現(xiàn)在0～40 cm土層。封育后土壤全N含量隨土層加深含量顯著下降。封育年限對全N含量的影響與有機碳含量變化基本一致。

土壤堿解氮，又稱速效氮，是反映近期土壤氮素供應能力的重要指標。其含量和有機質(zhì)的含量及質(zhì)量有關，有機質(zhì)含量高、熟化程度高，堿解氮含量也越高，反之亦然。大部分研究表明，草地封育顯著提升了土壤堿解氮含量[16,18]，樊華[20]發(fā)現(xiàn)封育后土壤堿解氮含量增加了153.55%，但可能由于受到土壤中本底有機碳及氮含量的影響，范燕敏[21]、曹成有[19]和李以康發(fā)現(xiàn)封育對堿解氮含量無顯著影響。與全N含量變化一致，楊合龍[23]和張云舒[29]發(fā)現(xiàn)土壤表層堿解氮含量最高，也有研究發(fā)現(xiàn)其含量在0～10 cm顯著降低，隨著土層加深呈現(xiàn)直線降低的趨勢。

1.3 圍欄封育對磷和鉀的影響

P和K是土壤肥力和牧草生產(chǎn)不可缺少的營養(yǎng)元素，在健康的系統(tǒng)中，植物和土壤共同保證系統(tǒng)內(nèi)P、K的高效利用與低流失量。土壤全P的40%～60%來源于有機質(zhì)，草地封育后掉落物增加，有機質(zhì)大量沉積，而有機質(zhì)中又含有豐富的P，進而引起土壤全P含量的變化。土壤K主要來源于含鉀礦物質(zhì)、施肥和灌溉等，其含量受母質(zhì)中礦物組成、土壤質(zhì)地和土壤的淋溶作用等的影響較大，封育后植被生物量和土壤黏粒含量增加,土壤團聚性改善,提高了土壤貯存K的能力,從而影響K含量。封育后土壤P和K含量的變化不一，如有研究發(fā)現(xiàn)封育后土壤全P和全K含量均顯著增加，分別提高了53.05%和84.15%[20]，但也有研究者認為封育對土壤全P、K含量影響不大，李永進[15]發(fā)現(xiàn)封育后全K含量顯著降低。孫宗玖[31]發(fā)現(xiàn)土壤表層(0～10 cm)全P、K含量均顯著增加，楊靜[28]發(fā)現(xiàn)封育3年全P和全K含量最高，分別增加54.55%～150%和147.62%～212.00%。

速效P和K是指土壤中較容易被植物吸收利用的養(yǎng)分，是評價土壤養(yǎng)分供應水平的重要指標。速效P受土壤全P含量水平的影響較大，速效K占土壤全K量的0.1%～2%，受地上植被及土壤中的水分、溫度、質(zhì)地等因素的影響。有研究發(fā)現(xiàn)封育后土壤速效P和K含量分別提高了452.2%和143.75%[20]，而宿婷婷[18]認為封育顯著降低了土壤全K含量，范燕敏[21]發(fā)現(xiàn)封育對速效K含量無顯著影響。其含量在空間上的分布和時間上的變化也無一定規(guī)律，孫宗玖[31]發(fā)現(xiàn)0～10 cm土層速效P和K含量均顯著增加，而李國旗[27]卻發(fā)現(xiàn)封育后0～10 cm速效P顯著降低，楊合龍[23]發(fā)現(xiàn)速效P和K含量封育6年達到最高。

2 影響圍欄封育對土壤養(yǎng)分改良效果的因素

2.1 區(qū)域環(huán)境差異

草與土是兩個相互聯(lián)系的系統(tǒng),封育后草地植被特征發(fā)生改變,而不同區(qū)域草地因溫度、水分和蒸發(fā)量等的差異，影響植被生產(chǎn)能力，從而影響土壤養(yǎng)分的改良效果。曾有學者對退化嚴重的青藏高原高寒草地和埃塞俄比亞北部草地封育效果進行研究,發(fā)現(xiàn)封育后土壤有機碳、N含量顯著增加,但Reeder和Schuman卻發(fā)現(xiàn),封育后美國中北部半干旱草地土壤有機碳含量顯著低于放牧區(qū)。因地勢不同引起植被特征和土壤養(yǎng)分沉積的差異，也對封育效果產(chǎn)生一定影響。如王蕙發(fā)現(xiàn)，因上坡比中坡和下坡更容易受到風蝕的侵擾，而中坡和下坡是接受上坡風蝕土壤沉積的主要部位，導致中坡和下坡土壤養(yǎng)分比上坡高，Wolde等的研究也發(fā)現(xiàn)，土壤有機質(zhì)、全N和全P均在下坡達到最大值。

2.2 草地類型及封育前退化程度

不同類型草地土壤質(zhì)地、氣候、植被條件差異性較大，恢復時的演替序列、到達某一演替階段的時間均有所不同，因而也會影響封育對土壤養(yǎng)分的改良效果。國內(nèi)相關研究發(fā)現(xiàn)，溫性草原土壤有機碳恢復能力較強,而荒漠草原土壤彈性差,有機碳的增長速度較慢[14]，高寒草原草地封育3到5年為最佳，而荒漠草地封育7年才能達到自然恢復演替過程中的一個轉折[24]，單桂蓮發(fā)現(xiàn)14年是內(nèi)蒙古典型草原較適宜的封育年限，而黃土高原半干旱草地封育達到17年后，封育年限對土壤養(yǎng)分的影響才逐漸減弱[17]。同時，同種類型草地由于覆被類型不同，導致植被特征和和生物量不同，吸收和固定養(yǎng)分的能力不同，從而對土壤養(yǎng)分改良效果產(chǎn)生很大影響。李景剛發(fā)現(xiàn)大針茅草原封育后土壤的有機碳、全量養(yǎng)分和速效養(yǎng)分含量均有所增加，而羊草草原圍欄后土壤有機質(zhì)和全N含量略有所降低。此外，封育前退化程度不同,草地恢復速度也不同，進而影響封育效益，如馬玉壽認為輕度退化草地一般2～3年可恢復到退化前狀態(tài)，而中度退化草地需要8年時間，對于重度退化草地，要想盡快恢復植被和土壤，還需采取補播、施肥等措施。

2.3 圍欄封育年限

圍欄封育有利于草地土壤結構和養(yǎng)分的恢復,適度圍封既有利于植被的恢復,又有利于土壤養(yǎng)分的改良，但過長時間的封育會導致植被結構的退化，草地生產(chǎn)力的下降，進而影響土壤養(yǎng)分的改良效果。Wei和高陽指出，封育雖然可顯著提高黃土高原半干旱區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)碳密度，但過長時間封育會阻礙草地的更新和固碳潛力的發(fā)展，合理利用才能促進草地生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展。成湘對伊犁絹蒿荒漠草地進行研究發(fā)現(xiàn)，封育年限過長，草地生產(chǎn)力下降，封育8年后進行合理利用,有利于保持群落多樣性并維持較高生物量。呼格吉勒圖也表示，封育時間過長，不利于維持草地較高的生產(chǎn)力。敖伊敏等人研究證實，封育14年植被與土壤之間達到了連續(xù)循環(huán)狀態(tài)，繼續(xù)延長封育年限，各項指標開始下降，蘇建紅也證實長時間圍封會降低土壤磷含量。

2.4 圍欄封育方式

圍欄封育可分為全封、半封和輪封，封育方式不同，退化草地植被和土壤恢復到同樣效果的封育年限也有差別。一般而言，半封和輪封恢復速度慢，封禁時間要較全封長，相關研究發(fā)現(xiàn)，重度退化草地采用全封后，8年左右植被生產(chǎn)力可基本接近原生群落，采用季節(jié)性封育12年左右才可達到較好的恢復效果。但可能由于原生植被不同引起封育效果的差異化，祁明祥對高寒草甸類小嵩草～雜類草草地采用全封和半封兩種封育措施發(fā)現(xiàn)，半封抑制了毒雜草的生長，從經(jīng)濟角度而言，半封育優(yōu)于全封育。

3 展望

近幾年關于圍欄封育對土壤養(yǎng)分改良的研究有大量報道,但多為封育內(nèi)外兩個處理間的對比分析,而不同區(qū)域、類型、退化程度的草地封育后土壤養(yǎng)分改良效果存在較大的差異性,在研究中應考慮多重因素的影響，加大研究深度。盡管圍欄封育對退化草地治理與恢復有重要作用，但草地封育不應是無限期的，應結合地上植被恢復狀況與和土壤養(yǎng)分改良效果，進一步探明退化草原恢復效果達到平衡狀態(tài)的時間點，指導草地進行適度利用，促進草原生態(tài)系統(tǒng)良性發(fā)展。因此，考慮多重因素的影響，采取合理的恢復措施、構建科學的封育效果評價體系、確定合理的封育效果評價指標，明確不同地區(qū)、類型、退化程度草地的最佳封育年限并指導草地合理利用是今后研究的方向。