不同封育年限對(duì)退化草原土壤理化性質(zhì)和微生物的影響

楊彥東

(甘肅省碌曲縣草原工作站，瑪艾 747200)

草原具有水土保持、涵養(yǎng)水源、防風(fēng)固沙的作用，同時(shí)對(duì)改善陸地生態(tài)環(huán)境、增加農(nóng)業(yè)系統(tǒng)穩(wěn)定性和發(fā)展畜牧業(yè)具有重要作用[1]。受全球氣候變暖和人類(lèi)過(guò)度放牧牲畜的影響，我國(guó)草地退化嚴(yán)重，土壤荒漠化已成為影響我國(guó)生態(tài)可持續(xù)發(fā)展和畜牧業(yè)發(fā)展的主要問(wèn)題之一。草地封育工程是一種草地恢復(fù)和重建的重要措施之一，指通過(guò)消除人為干擾促進(jìn)草原幼苗的生長(zhǎng)和復(fù)壯[2～3]。大量研究表明，短期的圍欄封育能夠使群落植被的平均高度和生長(zhǎng)量顯著提高，可食牧草比例增加，能夠反映出草原的典型特征，有效遏制草地的退化，對(duì)荒漠化的草原改良和恢復(fù)效果明顯[4～5]。隨著封育年限的增加，草原不同物種間競(jìng)爭(zhēng)增強(qiáng)，造成地上生物量下降，給植被群落帶來(lái)負(fù)面影響，因此合理封育對(duì)退化草原的改良和恢復(fù)至關(guān)重要[6]。對(duì)于大面積退化的天然草原，圍欄封育是保護(hù)和利用草原資源、實(shí)現(xiàn)草原自我修復(fù)、提高草原生產(chǎn)力和顯著提高草原微生物群落多樣性及草原生產(chǎn)效率的有效手段。因此，本研究以碌曲縣退化草原為對(duì)象，研究不同封育年限對(duì)退化草原土壤理化性質(zhì)和微生物的影響，旨在為荒漠草原區(qū)開(kāi)展植被恢復(fù)重建工作提供理論依據(jù)與技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地基本情況

研究區(qū)位于甘肅省碌曲縣的草原區(qū)，位于甘、青、川三省交界處，由盆地和山地兩大地形組成，平均海拔3500m，地勢(shì)西高東低。該區(qū)屬于高原濕潤(rùn)氣候區(qū)，年降水量633～782mm，年太陽(yáng)總輻射量接近5.2萬(wàn)J/cm2，年平均氣溫2.3℃，年總?cè)照諘r(shí)數(shù)2357.8h。畜牧業(yè)是碌曲縣的支柱產(chǎn)業(yè)，有草地總面積39.4萬(wàn)hm2，占全縣土地總面積的83.3%。土壤以草甸土為主，草原植被以禾本科、莎草科和菊科植物為主，覆蓋度90%以上。土壤有機(jī)質(zhì)含量12.56%，pH值8.6，全氮含量1.12%，全磷含量0.24%，全鉀含量1.64%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2015年9月～2020年9月進(jìn)行。圍欄處理設(shè)在放牧場(chǎng)和圍欄封育草場(chǎng)交界處，設(shè)置封育1年(2019年9月～2020年9月封育)、封育3年(2017年9月～2020年9月封育)和封育5年(2015年9月～2020年9月封育)3個(gè)處理，以不進(jìn)行封育的草場(chǎng)作為對(duì)照(CK)，共4個(gè)處理；每個(gè)處理設(shè)置20m×20m樣地，重復(fù)3次。各處理草原均為天然生長(zhǎng)，不進(jìn)行其他人為干涉。2020年10月1日，在各個(gè)處理所設(shè)置的樣方內(nèi)采用5點(diǎn)取樣法進(jìn)行取樣：先除去土壤表層的植被，挖掘土壤剖面，用環(huán)刀分別取0～10cm和10～20cm土層的土壤，用于土壤孔隙度、毛管持水量和容重的測(cè)定；然后再取2kg放入自封袋內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室，其中1kg土壤陰干，過(guò)1mm篩后用于土壤理化性質(zhì)的測(cè)定，另一部分過(guò)2mm篩后用于土壤微生物的測(cè)定。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1土壤理化指標(biāo)的測(cè)定[7]

采用環(huán)刀法測(cè)定土壤孔隙度、毛管持水量和容重；土壤pH值采用電位法測(cè)定；采用電導(dǎo)儀測(cè)定土壤電導(dǎo)率(EC值)。

1.3.2土壤養(yǎng)分的測(cè)定[8]

土壤養(yǎng)分的測(cè)定包含土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤氮、磷、鉀含量和速效氮、速效磷、速效鉀的含量。土壤有機(jī)質(zhì)含量采用重絡(luò)酸鉀法測(cè)定；氮、磷、鉀含量分別采用凱氏定氮法、鉬銻抗比色法和火焰光度法測(cè)定；速效氮、速效磷、速效鉀分別采用凱氏定氮法、鉬銻抗比色法和火焰光度計(jì)測(cè)定。

1.3.3土壤微生物的測(cè)定[9]

將過(guò)2mm篩的土壤用于土壤細(xì)菌、真菌和放線菌數(shù)量的測(cè)定。放線菌數(shù)量采用高氏1號(hào)培養(yǎng)基培養(yǎng)測(cè)定；細(xì)菌采用牛肉膏蛋白胨瓊脂培養(yǎng)基培養(yǎng)測(cè)定；真菌采用馬丁-孟加拉紅培養(yǎng)基平板表面涂抹法測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用Microsoft Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析。采用DPS7.05軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，LSD法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 封育對(duì)退化草原土壤物理性質(zhì)的影響

由表1可知，退化草原土壤容重隨土層深度的增加而增加，但隨封育年限的增加呈逐漸降低趨勢(shì)。與CK處理相比，0～10cm土層封育1年、3 年和5年的土壤容重分別降低了12.42%、18.30%和22.22%，差異顯著；10～20cm土層封育1年、3年和5年的土壤容重分別降低了9.68%、14.84%和17.42%，差異顯著。2個(gè)土層深度土壤容重相比，不同處理(對(duì)照CK、封育1年、封育3年、封育5年)10～20cm土層土壤容重分別比0～10cm增加了1.31%、4.48%、5.60%和7.56%，并隨著封育年限的增加0～10cm土層與10～20cm土層土壤容重的差異越大。由此說(shuō)明，隨著封育年限的增加，對(duì)表層土壤(0～10cm)容重的降低效果更顯著。

表1 不同處理對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響

退化草原土壤孔隙度隨著封育年限的增加逐漸增加，并隨著土層深度的增加而逐漸降低。0～10cm土層深度下，與CK處理相比，不同封育年限土壤總孔隙度分別增加了16.97%、25.01%、30.36%；毛管孔隙度分別增加了17.88%、25.41%、29.18%；非毛管孔隙度分別增加了-10.22%、13.14%、65.69%；毛管持水量分別增加了34.57%、53.46%、66.07%。10～20cm土層深度下，與CK處理相比，不同封育年限土壤總孔隙度分別增加了13.64%、20.91%、24.55%；毛管孔隙度分別增加了12.74%、20.29%、24.08%；非毛管孔隙度分別增加了46.36%、43.63%、41.82%；毛管持水量分別增加了24.82%、41.24%、50.25%。由此可見(jiàn)，封育有利于改善土壤物理性質(zhì)，降低土壤容重，增加土壤總孔隙度、毛管空隙度、毛管持水量和非毛管孔隙度，并隨著封育年限的增加呈增加趨勢(shì)，試驗(yàn)條件下以封育5年的效果最佳。

2.2 封育對(duì)退化草原土壤pH值和EC值的影響

由圖1可知，隨著封育年限的增加土壤pH值呈降低趨勢(shì)，且隨著土層深度的增加呈增加趨勢(shì)。與CK處理相比，封育1年0～10cm土層的土壤pH值降低了4.72%，差異不顯著；封育3年和封育5年0～10cm土層的土壤pH值分別降低了7.67%和18.15%，差異顯著。與CK處理相比，封育1年10～20cm土層的土壤pH值降低了4.12%，差異不顯著；封育3年和封育5年10～20cm土層的土壤pH值分別降低了8.60%和15.86%，差異顯著。而土壤EC值隨著封育年限的增加呈降低趨勢(shì)，隨土層深度的增加變化不顯著。與CK處理相比，0～10cm土層的土壤EC值封育1年增加了1.20%，封育3年降低了3.57%，差異不顯著；封育5年的土壤EC值降低了10.71%，與對(duì)照差異顯著。與CK處理相比，10～20cm土層的土壤EC值封育1年和封育3年分別增加了3.61%和1.21%，差異不顯著；封育5年的土壤EC值降低了25.30%，差異顯著。由此看出，封育改善了土壤酸堿度，降低了土壤pH值，并隨著封育年限的增加而降低。土壤EC值隨封育年限和土層的變化不大，但當(dāng)封育年限達(dá)到一定值(5年)后土壤EC值顯著降低，并隨土層深度的增加而降低。

圖1 不同處理對(duì)土壤pH值和EC值的影響

2.3 封育對(duì)退化草原土壤養(yǎng)分特征的影響

由表2可知，土壤有機(jī)質(zhì)含量隨土層深度的增加變化不顯著，但隨著封育年限的增加呈先增加后降低的趨勢(shì)。與CK處理相比，0～10cm土層的土壤有機(jī)質(zhì)含量封育1年降低了2.63%，差異不顯著；封育3年和封育5年分別增加了22.46%和11.31%，差異顯著。與CK處理相比，10～20cm土層的土壤有機(jī)質(zhì)含量封育1年增加了了2.94%，差異不顯著；封育3年的土壤有機(jī)質(zhì)含量增加了12.22%，封育5年的降低了7.54，差異顯著。隨著封育年限的增加，土壤全氮和堿解氮含量增加，并隨著土層深度的增加而降低，其中封育5年的含量最高。與CK處理相比，0～10cm土層的土壤全氮和堿解氮含量分別增加了12.42%和15.66%，差異顯著；10～20cm土層的土壤全氮和堿解氮含量分別增加了5.30%和1.11%，差異不顯著。土壤全磷、全鉀、速效磷和速效鉀含量隨著封育年限的增加先增加后降低，并隨著土層深度的增加逐漸降低。 與CK處理相比，0～10cm土層封育1年、3年、5年的土壤全磷含量分別增加了34.21%、47.37%、26.32%，土壤全鉀含量分別增加了9.82%、22.32%、11.61%，土壤速效磷含量增加了68.69%、79.37%、18.93%，土壤速效鉀含量分別增加了6.92%、41.94%、7.22%；而10～20cm土層封育1年、3年、5年的土壤全磷含量分別增加了44.44%、27.78%、11.11%，全鉀含量分別增加了3.48%、12.17%、-7.83%，速效磷含量分別增加了55.12%、127.92%、32.86%，速效鉀含量分別增加了6.13%、8.02%、2.35%?？梢?jiàn)，封育有助于提高退化草原土壤有機(jī)質(zhì)含量和增加氮磷鉀含量，并隨著封育年限的增加呈先增加后降低的趨勢(shì)。本試驗(yàn)條件下以封育3年的效果最佳。

表2 不同土層不同處理的土壤養(yǎng)分含量

2.4 封育對(duì)退化草原土壤微生物群落的影響

由表3可知，土壤細(xì)菌、真菌和放線菌數(shù)量隨著封育年限的增加呈先增加后降低的趨勢(shì)。與CK處理相比，不同封育年限(1年、3年、5年)0～10cm土層土壤細(xì)菌數(shù)量分別增加了27.72%、32.34%、14.09%，差異顯著；土壤真菌數(shù)量分別增加了45.86%、68.14%、20.67%，差異顯著；土壤放線菌數(shù)量分別增加了20.14%、37.41%、15.59%，差異顯著。與CK處理相比，不同封育年限(1年、3年、5 年)10～20cm土層土壤細(xì)菌數(shù)量分別增加了7.64%、17.35%、12.03%，差異顯著；土壤真菌數(shù)量分別增加了16.18%、34.75%、3.74%；土壤放線菌數(shù)量分別增加了64.89%、74.22%、26.22%，差異顯著。土壤細(xì)菌、真菌和放線菌數(shù)量隨著土層深度的增加呈降低趨勢(shì)，與表層土壤(0～10cm)微生物相比，不同封育年限(1年、3 年、5年)10～20cm土層土壤細(xì)菌數(shù)量分別降低了40.74%、37.65%、30.96%，差異顯著；土壤真菌數(shù)量分別降低了49.67%、49.36%、45.67%，差異顯著；土壤放線菌數(shù)量分別降低了25.95%、31.59%、41.08%，差異顯著。由此表明，退化草原封育對(duì)土壤微生物群落具有一定的影響，可以增加土壤細(xì)菌、真菌和放線菌的數(shù)量，并隨著封育年限的增加而呈先增加后降低的趨勢(shì)。本試驗(yàn)條件下以封育3年的效果最佳。

表3 不同處理對(duì)土壤微生物群落的影響

3 討論

土壤作為草原生物的重要載體，在草地生態(tài)系統(tǒng)中具有重要作用。土壤孔隙度和土壤容重是土壤重要的物理指標(biāo)，是判斷草地退化程度高低的主要依據(jù)。受土壤質(zhì)地和放牧、人類(lèi)活動(dòng)的影響，草原結(jié)構(gòu)破壞，土壤容重增加，孔隙度降低[10]。本研究結(jié)果表明，隨著封育年限的增加，土壤容重、土壤pH值和EC值逐漸降低，土壤總孔隙度、毛管孔隙度和毛管持水量逐漸增加；土壤有機(jī)質(zhì)、氮磷鉀含量和土壤微生物數(shù)量呈先增加后降低趨勢(shì)。這是因?yàn)榉庥档土巳藶楦蓴_，使草原植被得到了一定程度的恢復(fù)，植被的恢復(fù)使大量枯落物歸還土壤，土壤結(jié)構(gòu)改善，土壤容重降低，土壤養(yǎng)分含量和土壤微生物數(shù)量顯著增加，這與文海燕等[11]的研究結(jié)果相同。土壤全氮和堿解氮含量與對(duì)照相比有所降低，這是由于放牧過(guò)程中家畜的排泄作用所致，就是糞尿中大量的氮素進(jìn)入土壤增加了其氮含量。本研究表明，土壤容重、土壤pH值隨著土層深度的增加而增加，土壤總孔隙度、毛管孔隙度、毛管持水量隨著土層深度的增加而減小；土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤全氮磷鉀、土壤速效氮磷鉀和土壤微生物含量也隨著土層深度的增加而降低，這說(shuō)明土壤有機(jī)質(zhì)和土壤養(yǎng)分、土壤微生物表層聚集相應(yīng)明顯，退化草原封育促進(jìn)了草原植被的生長(zhǎng)，增加了地表植被的覆蓋量和土壤水土保持能力，減少了土壤養(yǎng)分的流失，改善了土壤的理化性質(zhì)，土壤養(yǎng)分也隨之增加，使土壤養(yǎng)分和微生物含量出現(xiàn)“表聚現(xiàn)象”，這與楊靜等[12]的研究結(jié)果相同。研究還發(fā)現(xiàn)，土壤理化性質(zhì)和土壤養(yǎng)分、微生物并非隨著封育年限的增加而呈逐漸增加趨勢(shì)，當(dāng)封育達(dá)到一定年限后草地生態(tài)系統(tǒng)平衡會(huì)因某個(gè)植物或某類(lèi)植物的生長(zhǎng)而被打破，影響草地生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)[13]。草地的退化程度和氣候條件、土壤條件均會(huì)影響封育時(shí)間的長(zhǎng)短，本研究條件下以封育3年對(duì)土壤理化性質(zhì)的改善和對(duì)土壤培肥效果較佳，但對(duì)植被的恢復(fù)情況和對(duì)草原生產(chǎn)力的影響尚待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

4.1退化草原進(jìn)行圍欄封育影響土壤的理化性質(zhì)，隨著封育年限的增加降低土壤酸堿度，提高土壤肥力，效果以封育3年為最佳。

4.2退化草原圍欄封育對(duì)土壤微生物群落具有一定的影響，可以增加0～10cm、10～20cm土壤細(xì)菌、真菌和放線菌的數(shù)量，并隨著封育年限的增加呈先增加后降低的趨勢(shì)，在本試驗(yàn)條件下以封育3年的效果最佳。