小飛蓬入侵對伊犁河谷草原土壤有機碳的影響

杜 田，崔 東，4，張雨露，沙吾麗，劉海軍，閆俊杰，陳 晨

(1.伊犁師范大學，新疆維吾爾自治區(qū)普通高校天然產(chǎn)物化學與應用重點實驗室，新疆伊寧835000;2.伊犁師范大學生物與地理科學學院，新疆伊寧835000;3.伊犁師范大學資源與生態(tài)研究所，新疆伊寧835000;4.中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所，荒漠與綠洲生態(tài)國家重點實驗室，新疆烏魯木齊830011)

有機碳在土壤中的含量變化可以用來衡量土壤特性的變化。由于植物的入侵，使得植物的不同組成結(jié)構(gòu)和群落對土壤造成的影響也不同，從而改變了土壤的理化性質(zhì)。國內(nèi)外針對植物入侵與土壤性質(zhì)方面的影響開展過多項研究，如針對目前祁連山北坡遭受甘肅臭草(Melicaprzewalskyi)入侵的退化草地，由于甘肅臭草的入侵使得土壤特征發(fā)生變化［1］;加拿大一枝黃花(Solidagocanadenis)入侵杭州灣濕地從而提高了土壤pH值及土壤有機碳含量［2］;互花米草(Spartinaalterniflora)入侵閩江河口濕地導致互花米草生物量增加及土壤有機碳及養(yǎng)分發(fā)生變化［3］;紫莖澤蘭(Eupatorium adenophoru)通過入侵改變土壤的微生物群落，加速了養(yǎng)分循環(huán)，使得紫莖澤蘭吸收更多的養(yǎng)分，加速其擴張競爭［4］。Kourtev、Zaman 等［5-7］比較了入侵美國新澤西州的外來植物日本小檗(BerberisthunbergiiDC.)和柔枝莠竹(Microstegiumvimineum(Trin.)A.Camus)對土壤功能、微生物群落結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)兩種外來植物入侵后通過土壤酶和微生物群落對呼吸作用強度起到一定的作用。外來植物頻繁的入侵能夠最大程度破壞農(nóng)林自然生態(tài)系統(tǒng)，這個問題已經(jīng)受到廣泛關(guān)注。我國是世界上受外來植物入侵影響最大的國家之一。中國每年的外來物種數(shù)量多，種類廣，在生態(tài)平衡和生物多樣性方面遭受了巨大的損失［8］。而目前關(guān)于干旱區(qū)植物入侵對土壤性質(zhì)影響方面的研究較少。

小飛蓬(Conyzacanadensis)為菊科植物小白酒草的全草或鮮葉，為越年生或一年生草本植物。2014年8月，小飛蓬被列入《中國外來入侵物種名單(第三批)》［9］中，原產(chǎn)于北美洲，在世界各地廣泛分布，在我國廣泛分布于湖南(24°38＇N～30°08＇N)至黑龍江(43°26＇N～53°33＇N)［10］。該植物可以產(chǎn)生大量瘦果，這種果子有一種叫做介冠毛的物質(zhì)，在風中可以迅速被吹散以覆蓋的形式蔓延在植物上，對農(nóng)作物有著極大危險，為一種常見的野草，通過分泌化感物質(zhì)抑制鄰近的其他植物生長［11-12］。

目前，伊犁河谷已經(jīng)成為小飛蓬入侵較嚴重的地區(qū)之一，但關(guān)于其入侵對伊犁河谷草原土壤生態(tài)環(huán)境的影響目前尚未見報道。因此本研究以小飛蓬自然入侵條件下的伊犁河谷為研究區(qū)域，對入侵區(qū)域的土壤有機碳及活性組分質(zhì)量分數(shù)的垂直分布狀況及其影響因子進行探討，以期能夠解析小飛蓬入侵的土壤生態(tài)學機制，為干旱半干旱區(qū)草原生態(tài)環(huán)境的保護提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于新疆伊犁托乎拉蘇大草原，平均海拔 2 300 m，地理坐標為 81°13＇40″～ 82°42＇20″E，43°35＇10″～44°29＇30″N 之間，年均降水量 340 mm，年均蒸發(fā)量為1 621 mm，極端最高氣溫38.7℃、極端最低氣溫-40.4℃、年平均氣溫9.2℃，平均日照時數(shù)為2 900 h左右，無霜期163 d。土壤隨海拔的升高，由低向高依次分布著灰鈣土、栗鈣土、黑鈣土、灰褐色森林土、亞高山草甸土、高山草甸土［13］。

1.2 樣品采集與處理

本研究采用野外樣地實驗的方法，在2017年8月對小飛蓬入侵較為嚴重的托乎拉蘇大草原進行采樣。選取小飛蓬輕度、中度、重度三種入侵區(qū)域和豬毛蒿生長的樣地各3個，每個樣地設(shè)置為1 m×1 m樣方，共12塊。在每塊樣地內(nèi)，采集3個土壤剖面，每隔20 cm采集1個土壤樣品，采樣深度為60 cm，按自上而下對土壤取樣，采集的樣品裝入自封袋中，共采集108袋土壤樣品，同時記錄采樣點位置及海拔。土樣帶回實驗室，置于通風、陰涼、干燥處風干，過篩備用。土樣基本理化性質(zhì)見表1所示［14］。

1.3 樣品分析與數(shù)據(jù)處理

土壤有機碳(SOC)采用重鉻酸鉀—外加熱法測定;土壤容重采用環(huán)刀法進行測定［15］;土壤水分采用烘干法［15］。

運用Excel 2016軟件進行數(shù)據(jù)處理和分析，利用SPSS 13.0進行統(tǒng)計檢驗。

表1 樣地基本理化性質(zhì)Table 1 Basic physical and chemical properties of plot plots

2 結(jié)果與分析

2.1 小飛蓬不同入侵程度下土壤有機碳的水平分布特征

小飛蓬輕度、中度、重度入侵的植物群落和豬毛蒿0～60 cm土層深度的SOC平均值分別為9.56、11.31、16.70 g·kg-1和 8.23 g·kg-1。在相同土層中SOC含量大小均為:小飛蓬重度入侵＞小飛蓬中度入侵＞小飛蓬輕度入侵＞豬毛蒿(見圖1)。在0～20 cm土層中，與對照組豬毛蒿相比，小飛蓬輕度、中度和重度入侵的土壤有機碳含量分別增長了14.78%、30.43%和76.52%。在20～40 cm土層中，與對照組豬毛蒿相比，小飛蓬輕度入侵的土壤有機碳含量增幅最少，小飛蓬重度入侵的土壤有機碳含量增幅最多，分別為25.49%和81.35%。在40～60 cm土層中，小飛蓬輕度、中度入侵和重度入侵的土壤有機碳含量增幅變化不明顯。在由圖1可知，任一群落類型相同土層中，SOC含量均呈現(xiàn)隨著土層深度的增加而減小的趨勢，且隨小飛蓬入侵程度的加深，SOC含量呈現(xiàn)上升的趨勢。

圖1 小飛蓬不同入侵程度下土壤有機碳(SOC)含量Fig.1 SOCcontent under different degrees of invasion of Conyzacanadensis

小飛蓬輕度入侵變化與小飛蓬中度入侵及豬毛蒿入侵在土壤中SOC變化僅存在很小差異，小飛蓬重度入侵與小飛蓬其他程度入侵呈現(xiàn)明顯差異(P＜0.05)，在表層與中度土層中與其他入侵程度相比，SOC變化幅度較大。在深度土層中隨著入侵程度的加深，土壤 SOC含量增幅變化不明顯，含量較低。

2.2 小飛蓬不同入侵程度下土壤有機碳的垂直分布特征

由圖2可見，小飛蓬輕度、中度、重度入侵階段和豬毛蒿0～60 cm土層深度的SOC分別在5.72～13.2、7.74～15.0、13.3～20.3 g·kg-1和 5.06～11.5 g·kg-1，小飛蓬輕度、中度和重度入侵階段的SOC最大值出現(xiàn)在0～20 cm土層，而對照組豬毛蒿的最大值也出現(xiàn)在0～20 cm土層;小飛蓬輕度入侵、中度入侵和重度入侵SOC剖面垂直分布都表現(xiàn)出持續(xù)降低的趨勢，對照組豬毛蒿也表現(xiàn)出了SOC的持續(xù)降低趨勢，隨著土層深度的增加，表現(xiàn)出了顯著的差異性(P＜0.05)。對照組豬毛蒿0～20 cm土層SOC含量比20～40 cm土層降低40.24%，20～40 cm土層SOC含量比40～60 cm土層降低70.83%。與豬毛蒿相比，在0～20 cm土層和20～40 cm土層，小飛蓬輕度、中度和重度入侵土壤有機碳含量減幅分別為5.55%、6.63%和17.21%，呈現(xiàn)隨著土層深度的增加土壤有機碳含量下降的趨勢。20～40 cm土層和40～60 cm土層對比，小飛蓬輕度、中度和重度入侵土壤有機碳含量相較于豬毛蒿土壤有機碳質(zhì)量分別減少 3.87、4.15 g·kg-1和 4.32 g·kg-1，這說明與豬毛蒿群落相比，小飛蓬在20～40 cm土層深度SOC變化幅度較大，但在40～60 cm土層變化不明顯。

由有機碳含量變化幅度可知小飛蓬入侵對表層土壤有機碳的影響最為劇烈。隨著土層深度加深，土壤有機碳含量變化幅度逐漸減小，小飛蓬入侵對深層土壤有機碳的影響較小。

2.3 土壤有機碳含量與土壤容重以及土壤含水量之間的關(guān)系

小飛蓬入侵伊犁河谷草原不僅造成了0～60 cm土層SOC含量的劇烈變化，而且也對土壤容重與土壤含水量產(chǎn)生了影響(見圖3和圖4)。

由圖3可知，土壤容重在同一土層深度的大小為:豬毛蒿＞小飛蓬輕度入侵＞小飛蓬中度入侵＞小飛蓬重度入侵。由圖4可知，土壤含水量在同一土層深度的大小為:豬毛蒿＞小飛蓬輕度入侵＞小飛蓬中度入侵＞小飛蓬重度入侵。由圖3和圖4可以看出，4個不同群落類型的土壤容重和土壤含水量均隨著土層深度的增加而降低。對伊犁河谷草原4個群落3個土層的土壤容重、土壤含水量和SOC進行相關(guān)性分析(見表2)。結(jié)果表明:伊犁河谷草原的土壤含水量與土壤容重存在極顯著的正相關(guān)性(P＜0.01)，SOC和土壤容重、土壤含水量存在極顯著的負相關(guān)性(P＜0.01)。

圖2 小飛蓬不同入侵程度下有機碳的垂直分布Fig.2 Vertical distribution of SOCunder different degrees of invasion of Conyzacanadensis

3 討 論

3.1 小飛蓬不同入侵程度下有機碳水平分布差異

隨著小飛蓬入侵程度的加深，有機碳(SOC)含量呈現(xiàn)增加的趨勢。在相同土層深度中:小飛蓬重度入侵＞小飛蓬中度入侵＞小飛蓬輕度入侵＞豬毛蒿。

圖3 小飛蓬不同入侵程度下的土壤容重Fig.3 Soil bulk density under different degrees of invasion of Conyzacanadensis

圖4 小飛蓬不同入侵程度下的土壤含水量Fig.4 Soil moisture content under different degrees of invasion of Conyzacanadensis

表2 土壤含水量、土壤容重及SOC含量的相關(guān)性分析Table 2 Soil moisture content，soil bulk density and SOC correlation analysis

這是因為小飛蓬重度入侵的地下根莖及植被明顯多于小飛蓬中度入侵和小飛蓬輕度入侵，而重度入侵小飛蓬植物根系較發(fā)達，大量的死根腐爛分解增加了SOC的含量，因此小飛蓬重度入侵的SOC含量明顯高于小飛蓬中度入侵和小飛蓬輕度入侵。研究表明，外來入侵的植物會引起入侵地土壤養(yǎng)分的增加，從而引起土壤有機碳的增加［16］，如加拿大一枝黃花的入侵增加杭州灣濕地土壤有機碳的含量［2］，入侵的紫莖澤蘭顯著提高了土壤有機碳含量［17］。小飛蓬輕度入侵與對照組豬毛蒿比較，豬毛蒿主根單一，幾乎無植被覆蓋，由于SOC主要來自水中的營養(yǎng)物質(zhì)和生物的殘體，從而致使豬毛蒿對土壤有機碳的滯留能力差，因此輕度入侵小飛蓬的SOC含量高于豬毛蒿。

3.2 小飛蓬不同入侵程度下有機碳垂直分布差異

土壤有機碳在剖面上的垂直分布大都表現(xiàn)為隨著土壤深度的增加而減少［18］，本文所研究的小飛蓬不同入侵階段土壤有機碳在垂直分布上也表現(xiàn)為隨著土壤深度的增加而減少。

輕度入侵小飛蓬、中度入侵小飛蓬、重度入侵小飛蓬和豬毛蒿這4個群落類型的SOC含量在0～20 cm達到最大。這是由于土壤中的有機碳主要由地表枯落物提供，當植物完成自己的生命周期后，枯落物聚集于地表，經(jīng)腐爛分解為有機質(zhì)，進而進入到土壤中，逐漸向下傳遞［19］。因此，表層土壤有機質(zhì)含量最高，中層20～40 cm和深層40～60 cm的有機碳含量低于表層，且越往深處含量越低。隨著小飛蓬入侵程度及土層深度的增加根系分布減少，有機質(zhì)明顯減少，并呈現(xiàn)下降趨勢。Kochy［20］等對土壤有機質(zhì)分布情況進行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)表層土壤有機質(zhì)最先被補給，此時局部微環(huán)境發(fā)生變化，微生物則會推動有機質(zhì)向下轉(zhuǎn)化，逐漸向深處擴散，但含量呈現(xiàn)明顯降低趨勢。

土壤中的有機碳主要來源于植物，植被類型是主要的影響因素，同時也存在其他因素的作用。梁啟鵬等［21］曾就這一問題進行研究，所獲得的結(jié)論與本研究一致。

3.3 小飛蓬不同入侵程度下土壤容重與土壤含水量的變化

根據(jù)圖2和圖3所示情況來看，土壤容重和土壤水分均隨著土層深度的增加呈現(xiàn)下降趨勢。此外，植物的凋落物和殘留體在土壤轉(zhuǎn)化中形成腐殖質(zhì)［22］，一般腐殖質(zhì)多的表層土壤容重較小。在進行采樣時發(fā)現(xiàn)小飛蓬的根系分布相對較淺，主要集中于地表附近，深處根系不發(fā)達，呈現(xiàn)逐漸減少趨勢，那么對土壤的作用也會發(fā)生變化［23］。由于存在上述特點，就使得植物對土壤的作用主要集中在淺層土壤，可以改善局部孔隙狀況。土層深淺與土壤的通氣狀況密切相關(guān)，淺層通氣狀況較好，這也為微生物生長提供了條件，對其分解作用起到了促進，因此近地表處的土壤有機化增加［24］。試驗表明土壤容重隨著土層深度的增加呈現(xiàn)減小的趨勢，這可能與小飛蓬入侵前豬毛蒿的根系分布較深，導致小飛蓬入侵后表層腐殖質(zhì)較少，土壤容重大;深層腐殖質(zhì)較多，土壤容重小。這種變化對土壤孔隙度［25］產(chǎn)生影響，土層越深孔隙度則越小，水分不容易下滲，這與表層土壤疏松吸水性強，表層的植物根莖較多，根莖需要吸收大量的水分以維持植物自身的生長有關(guān)［26］，而深層土壤比較緊實吸水性差，植物根莖不能大量儲存水分。此外由于其他因素的影響，導致水分丟失，下層難以得到補充［27］。

4 結(jié) 論

4種不同群落SOC含量在水平分布上，隨著小飛蓬入侵程度的深入在相同土層深度中SOC的含量大小為:小飛蓬重度入侵＞小飛蓬中度入侵＞小飛蓬輕度入侵＞豬毛蒿樣地;在垂直分布上，土壤有機碳在剖面上的垂直分布大都表現(xiàn)為隨著土壤深度的增加而減少，尤其是在0～20 cm土層SOC含量變化最大，在40～60 cm土層變化不明顯。經(jīng)差異顯著性檢驗，小飛蓬輕度、小飛蓬中度、小飛蓬重度和豬毛蒿這4個不同的入侵階段在垂直分布上都具有顯著性差異(P＜0.05)。

本研究的土壤容重在同一土層深度的大小為:豬毛蒿樣地＞小飛蓬輕度入侵＞小飛蓬中度入侵＞小飛蓬重度入侵，而土壤含水量變化規(guī)律亦是如此。土壤容重和土壤含水量在0～20、20～40、40～60 cm 土層的大小均為:豬毛蒿樣地＞小飛蓬輕度入侵＞小飛蓬中度入侵＞小飛蓬重度入侵。隨著土層深度的增加，土壤容重和土壤含水量均隨著SOC含量的增加而呈現(xiàn)降低的趨勢。

土壤含水量與土壤容重存在極顯著的正相關(guān)性(P＜0.01)，SOC含量和土壤容重存在極顯著的負相關(guān)性(P＜0.01)，SOC含量與土壤含水量存在極顯著的負相關(guān)性(P＜0.01)。