寧夏典型天然草地土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性及其有機(jī)碳分布特征

季 波,時(shí) 龍,徐金鵬,何建龍,王占軍,吳旭東,蔣 齊,*

1 寧夏農(nóng)林科學(xué)院荒漠化治理研究所,銀川 750002 2 寧夏防沙治沙與水土保持重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,銀川 750002 3 北京林業(yè)大學(xué)草業(yè)與草原學(xué)院,北京 100083

土壤團(tuán)聚體作為土壤結(jié)構(gòu)的基本單元和土壤有機(jī)碳存在的重要場(chǎng)所,其穩(wěn)定性和有機(jī)碳含量是土壤質(zhì)量和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵指標(biāo),也直接影響土壤有機(jī)碳的儲(chǔ)備[1- 2],對(duì)維護(hù)土壤碳庫(kù)的穩(wěn)定具有重要作用。同時(shí),土壤有機(jī)碳作為團(tuán)聚體形成必不可少的膠結(jié)物質(zhì),它對(duì)土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重要影響[2,3-4],穩(wěn)定的土壤團(tuán)聚體和良好的土壤結(jié)構(gòu)對(duì)于保持土壤肥力,提高土壤孔隙度、持水性以及降低土壤侵蝕具有非常重要的作用[5-6]。不同的生態(tài)系統(tǒng)其土壤有機(jī)碳存在差異,勢(shì)必影響土壤團(tuán)聚體的組成,進(jìn)而影響土壤有機(jī)碳在不同粒級(jí)團(tuán)聚體中的分配[7]?？梢?土壤團(tuán)聚體的形成與穩(wěn)定與土壤有機(jī)碳,二者緊密相關(guān)[8]。

草地生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)重要的組成部分,其碳儲(chǔ)能力和動(dòng)態(tài)變化在全球碳循環(huán)中扮演著非常重要的作用,碳匯潛力巨大。寧夏地處我國(guó)西北內(nèi)陸農(nóng)牧交錯(cuò)地帶,是我國(guó)“兩屏三帶”生態(tài)安全體系建設(shè)的關(guān)鍵區(qū)域,全區(qū)天然草地面積分布范圍廣且大,是自治區(qū)的半壁河山和綠色生態(tài)屏障。尤其在國(guó)家實(shí)施“退耕還林(草)”及封山禁牧政策以來(lái),寧夏退化天然草地得以恢復(fù),植被覆蓋度大幅提升,生態(tài)環(huán)境大為改善,勢(shì)必會(huì)對(duì)碳儲(chǔ)量及土壤團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。有研究表明,植被覆蓋度越高,土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性也越高[9- 10]。另?yè)?jù)研究顯示,寧夏天然草地0—40 cm土層深度土壤有機(jī)碳含量呈現(xiàn)草甸草原>溫性草原>草原化荒漠>荒漠草原[11],土壤團(tuán)聚體及其有機(jī)碳分布是否也呈現(xiàn)相同的趨勢(shì),且不同草地類型對(duì)土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性是否產(chǎn)生影響,均需進(jìn)一步探尋。因此本研究以寧夏廣泛分布且具有代表性的4種天然草地——溫性草甸草原、溫性草原、溫性荒漠草原和溫性草原化荒漠為研究對(duì)象,系統(tǒng)研究不同草地類型土壤團(tuán)聚體及其有機(jī)碳分布特征,探明不同草地類型對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性及團(tuán)聚體有機(jī)碳分布的影響,為正確認(rèn)識(shí)和評(píng)估溫性天然草地土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的貢獻(xiàn)均具有非常重要的意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

寧夏位于我國(guó)中部偏北,黃河中上游地區(qū),東經(jīng)104°17′—107°39′,北緯 35°14′—39°23′,素有“塞上江南”的美稱[12]。全區(qū)地勢(shì)南高北低,南部為黃土高原的一部分,地勢(shì)較高,海拔在1500—2300 m之間,中部為鄂爾多斯臺(tái)地及丘陵,海拔大約1250 m,北部地勢(shì)相對(duì)較低,海拔在1100—1300 m間[12]。區(qū)內(nèi)屬于典型的大陸性半濕潤(rùn)半干旱氣候,氣溫低、溫差大、冬季漫長(zhǎng)、蒸發(fā)量大,降水稀少且分布不均,主要集中于7—9月份。氣溫呈現(xiàn)由南向北升高,降雨量呈現(xiàn)由南向北減少的現(xiàn)象。寧夏植被屬于我國(guó)溫帶草原區(qū),由于典型的大陸性半濕潤(rùn)半干旱、干旱氣候特點(diǎn),植被分布自南向北呈現(xiàn)從草原向荒漠過渡的特點(diǎn)。其中,溫性草甸草原主要分布于寧夏涇源縣的東部和北部、隆德縣的北部與南部,以及固原地區(qū)的半陰濕地區(qū)和南華山西部等低山及黃土丘陵陰坡區(qū)域。植被種類非常豐富,主要以菊科植物為主,其次是禾本科、豆科和薔薇科等科植物。年降雨量大約在500—650 mm間。土壤主要以山地棕壤、山地灰褐土和黑壚土為主[12]。溫性草原主要分布于寧南黃土丘陵區(qū),降雨量在350—450 mm,土壤以黑壚土和黃綿土為主,植被主要以禾本科、菊科、唇形科和薔薇科植物為主。溫性草原化荒漠主要分布于石嘴山北部,中寧、中衛(wèi)、青銅峽黃河以北及靈武、陶樂縣的鄂爾多斯臺(tái)地邊緣,降雨量在200 mm左右,土壤以淡灰鈣土為主,植被主要以藜科、檉柳科、禾本科和麻黃科等科植物為主?；哪菰饕植荚谕目h、鹽池縣以北、靈武縣、青銅峽市、吳忠市等縣山區(qū)以及賀蘭山東麓洪積傾斜平原區(qū)域,是寧夏地帶性植被面積最大的類型,土壤以灰鈣土為主,年平均降雨量在200—250 mm間,植被主要以菊科、禾本科、豆科、蘿藦科和藜科植物為主。

圖1 寧夏典型天然草地分布及固定樣點(diǎn)分布圖 Fig.1 Distribution of typical natural grassland and fixed sampling plots in Ningxia MS: 草甸草原Meadow steppe; WS: 溫性草原Warm steppe; SD: 草原化荒漠Steppe desert; DS: 荒漠草原Desert steppe

1.2 研究方法

1.2.1樣地設(shè)置和樣品采集

2017年7月,根據(jù)寧夏天然草地分布情況,自南向北,分別在寧夏隆德、彭陽(yáng)、固原、海原、西吉、同心、吳忠、紅寺堡、靈武、鹽池、中寧、中衛(wèi)、賀蘭山、青銅峽和平羅等市縣,選取未受人為影響的4種天然草原類型共計(jì)57個(gè)樣點(diǎn)(圖1)：草甸草原(7個(gè)樣點(diǎn),21個(gè)樣方)、溫性草原(16個(gè)樣點(diǎn),48個(gè)樣方)、溫性草原化荒漠(8個(gè)樣點(diǎn),24個(gè)樣方)和溫性荒漠草原(26個(gè)樣點(diǎn),78個(gè)樣方),依據(jù)每個(gè)樣點(diǎn)的情況,選擇能夠代表整個(gè)樣點(diǎn)植被情況的區(qū)域設(shè)置固定調(diào)查監(jiān)測(cè)樣地約100 m×100 m,采用隨機(jī)設(shè)定樣方的方法,在固定監(jiān)測(cè)樣地內(nèi)設(shè)置1 m×1 m的樣方,采取“四度一量”的方法進(jìn)行地上植被調(diào)查,在取完植被地上生物量的樣方內(nèi)挖取40 cm深土壤剖面,按照0—10 cm、10—20 cm和20—40 cm分層取土壤樣品,同一樣坑的土樣進(jìn)行同層混合,帶回室內(nèi)用于土壤養(yǎng)分和土壤總有機(jī)碳含量的測(cè)試,同時(shí)用10 cm×10 cm×10 cm的鐵盒,分層取原狀土用于土壤團(tuán)聚體測(cè)定。植被調(diào)查和所有土壤樣品采集均設(shè)定3次重復(fù)。4種草地類型植物群落基本特征和土壤養(yǎng)分情況如表1所示。

表1 各草地類型群落及土壤養(yǎng)分基本特征

1.2.2樣品指標(biāo)測(cè)定

土壤pH 值采用酸度計(jì)法測(cè)定,全氮含量采用凱氏定氮法測(cè)定,全磷含量采用鉬銻抗比色法測(cè)定,全鉀含量采用火焰法測(cè)定[13]

土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚的測(cè)定采用干篩法[13]。將土樣通過孔徑依次為5、2、1、0.5、 0.25 mm 的套篩,篩分成不同粒級(jí)的團(tuán)聚體,并稱重計(jì)算每一粒級(jí)的重量比例,最后取平均值。土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的分離測(cè)定依據(jù)約得爾法,并略作修改。從干篩各級(jí)土壤團(tuán)聚體中,按比例配成50 g風(fēng)干土樣,將配好的土樣置于團(tuán)聚體分析儀套篩上部篩網(wǎng)上,套篩孔徑從上到下依次 5、2、1、0.5 mm和 0.25 mm,蒸餾水浸泡10 min,開動(dòng)馬達(dá),使套篩在水中上下振動(dòng)15 min,振速為30次/min,振幅為3 cm。振蕩結(jié)束,將套篩從水中緩慢取出,靜置,稍干,將各級(jí)團(tuán)聚體洗入100 mL燒杯中,50℃烘干至恒重,分別獲取>5 mm、2—5 mm、1—2 mm、0.5—1 mm、0.25—0.5 mm和<0.25 mm 6個(gè)級(jí)別的水穩(wěn)性土壤團(tuán)聚體,稱取各粒級(jí)的質(zhì)量,并通過計(jì)算獲得各粒級(jí)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)[14- 16]。將濕篩分離的各粒級(jí)土壤團(tuán)聚體放入60℃烘箱烘干稱重。

土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性采用平均重量直徑(MWD)和幾何直徑GWD來(lái)衡量。

土壤中總有機(jī)碳含量和每一粒級(jí)土壤樣品中有機(jī)碳含量的測(cè)定,采用Elementar TOC總有機(jī)碳分析儀進(jìn)行測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采用MicrosoftExcel 2010進(jìn)行基礎(chǔ)計(jì)算和分析。采用IBM SPSS statistics軟件進(jìn)行單因素方差 (One-Way ANOVA)分析。繪圖用ArcGIS10.4和origin 2020軟件完成。

各粒級(jí)團(tuán)聚體含量、平均重量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GWD)、團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率以及團(tuán)聚體有機(jī)碳儲(chǔ)量采用如下公式進(jìn)行計(jì)算[14,16]：

各級(jí)團(tuán)聚體含量%=各級(jí)團(tuán)聚體烘干重(g)/土樣的烘干重(g)×100

平均重量直徑(MWD)：

幾何平均直徑(GMD)：

團(tuán)聚體對(duì)有機(jī)碳貢獻(xiàn)率[17]： 團(tuán)聚體對(duì)土壤有機(jī)碳貢獻(xiàn)率(%)=(該粒級(jí)團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量×該級(jí)團(tuán)聚體含量)/土壤總有機(jī)碳含量×100

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體組成特征

由圖2可知,4種草地類型在3個(gè)土層深度各粒徑團(tuán)聚體含量均呈現(xiàn)出隨粒徑減小而先減小后增大的趨勢(shì),且不同粒級(jí)土壤團(tuán)聚體含量在不同草地類型間存在差異。其中,>0.25 mm土壤團(tuán)聚體含量在0—10 cm、10—20 cm和20—40 cm 3個(gè)土層深度均表現(xiàn)為草甸草原>溫性草原>草原化荒漠>荒漠草原,且均表現(xiàn)為草甸草原和溫性草原顯著高于草原化荒漠和荒漠草原(P<0.05),草甸草原和溫性草原二者差異不顯著(P>0.05),在0—10 cm、10—20 cm土層草原化荒漠顯著高于荒漠草原(P<0.05),在20—40 cm土層二者差異不顯著(P>0.05)。且草甸草原、溫性草原和草原化荒漠這3種草地類型在3個(gè)土層深度,土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體均以>0.25 mm土壤大團(tuán)聚體為主,占整個(gè)團(tuán)聚體含量的55.98%—85.57%?；哪菰?—10 cm和10—20 cm土層機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體以<0.25 mm的微團(tuán)聚體為主,占整個(gè)團(tuán)聚體含量的52.54%—61.89%,20—40 cm土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體以>0.25 mm的大團(tuán)聚體為主,但含量?jī)H較<0.25 mm的微團(tuán)聚體含量高3.21%。其中,大團(tuán)聚體含量,在3個(gè)土層深度草甸草原、溫性草原和草原化荒漠均以>5 mm團(tuán)聚體含量最高,含量在29.95%—62.33%,且均表現(xiàn)為草甸草原和溫性草原顯著高于草原化荒漠(P<0.05),荒漠草原大團(tuán)聚含量,在0—10 cm土層以0.25—0.5 mm粒徑含量最高,為17.27%,顯著高于其他3種草地類型(P<0.05),在10—20 cm和20—40 cm土層以>5 mm粒徑含量最高,分別為17.97%和23.49%,但均顯著小于草甸草原和溫性草原(P<0.05)。4種草地類型在3個(gè)土層深度,均以1—2 mm粒徑團(tuán)聚體含量最少,含量在0.86%—4.00%間,且均為草甸草原、溫性草原和草原化荒漠顯著高于荒漠草原(P<0.05)。

圖2 機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體組成特征Fig.2 Characteristics of mechanical-stable aggregates 圖中小寫字母表示同一粒徑不同草地類型土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體質(zhì)量百分?jǐn)?shù)在0.05水平上的差異性

2.2 土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成特征

由圖3可以看出,在0—10 cm、10—20 cm和20—40 cm土層,草甸草原、溫性草原和草原化荒漠土壤各粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量均呈現(xiàn)出隨粒徑減小而先減小后增大的趨勢(shì),而荒漠草原呈現(xiàn)出隨粒徑減小逐漸增大的趨勢(shì),且>0.25 mm的團(tuán)聚體含量較機(jī)械團(tuán)聚體百分比明顯減少。

在3個(gè)土層深度,草甸草原和溫性草原以>0.25 mm為主,含量在67.87%—78.04%間,且顯著高于草原化荒漠和荒漠草原(P<0.05),但草甸草原和溫性草原二者差異不顯著(P>0.05)；草原化荒漠和荒漠草原水穩(wěn)性團(tuán)聚體以<0.25 mm的微團(tuán)聚體為主,含量在55.36%—77.23%間,且在3個(gè)土層,4種草地類型<0.25 mm的團(tuán)聚體含量均為荒漠草原顯著高于其他3種草地類型(P<0.05),但草甸草原和溫性草原差異不顯著(P>0.05)。

其中,大團(tuán)聚體含量,草甸草原、溫性草原和草原化荒漠在3個(gè)土層深度,均以>5 mm團(tuán)聚體含量最高,變化區(qū)間在17.57%—59.41%,且均為草甸草原和溫性草原顯著高于草原化荒漠(P<0.05),但草甸草原和溫性草原二者差異不顯著(P>0.05)；荒漠草原大團(tuán)聚含量,3個(gè)土層均以0.25—0.5 mm粒徑含量最高,在11.51%—13.15%,且均為荒漠草原顯著高于其他3種草地類型(P<0.05)。

圖3 土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成特征Fig.3 Characteristics of water-stable aggregates

2.3 土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性特征

從圖4看出,4種草地類型土壤機(jī)械團(tuán)聚體MWD和GMD明顯高于水穩(wěn)性團(tuán)聚體的MWD和GMD,且不同草地類型間存在差異。其中,0—10 cm土層深度,4種草地類型機(jī)械團(tuán)聚體和水穩(wěn)性團(tuán)聚體MWD和GMD均表現(xiàn)為：溫性草原>草甸草原>草原化荒漠>荒漠草原,且均表現(xiàn)為溫性草原和草甸草原顯著大于草原化荒漠和荒漠草原(P<0.05)。在10—20 cm和20—40 cm土層深度,4種草地類型機(jī)械團(tuán)聚體和水穩(wěn)性團(tuán)聚體MWD和GMD值均表現(xiàn)為：草甸草原>溫性草原>草原化荒漠>荒漠草原,且均表現(xiàn)為草甸草原和溫性草原顯著大于草原化荒漠和荒漠草原(P<0.05)。

2.4 土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量特征

4種草地類型>5 mm、2—5 mm、1—2 mm、0.5—1 mm、0.25—0.5 mm和<0.25 mm6個(gè)粒級(jí)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量在0—10 cm、10—20 cm和20—40 cm 3個(gè)土層深度均表現(xiàn)為：草甸草原>溫性草原>草原化荒漠>荒漠草原,且均表現(xiàn)為草甸草原顯著大于溫性草原、草原化荒漠和荒漠草原,溫性草原顯著大于草原化荒漠和荒漠草原,草原化荒漠顯著大于荒漠草原(P<0.05)(圖5)。

圖4 不同草地類型土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性特征Fig.4 Characteristics of soil aggregate stability in different grassland

圖5 不同草地類型不同土層深度土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量Fig.5 Soil aggregate organic carbon content in different grassland

2.5 不同粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳對(duì)土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率

從圖6看出,草甸草原和溫性草原在0—10 cm、10—20 cm和2—40 cm 3個(gè)土層,均以>0.25 mm的大團(tuán)聚體對(duì)有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率高,分別達(dá)到43.86%、59.26%、58.89%和58.02%、54.03%、57.15%,分別較<0.25 mm的微團(tuán)聚體的貢獻(xiàn)率高40.73%、54.76%、57.40%和46.74%、34.89%、42.41%。其中,大團(tuán)聚體貢獻(xiàn)率中均以>5 mm粒級(jí)團(tuán)聚體的貢獻(xiàn)率為最高,3個(gè)土層貢獻(xiàn)率分別達(dá)到43.86%、59.26%、58.89%和58.02%、54.03%、57.15%。2—5 mm、1—2 mm、0.5—1 mm和0.25—0.5 mm4個(gè)粒級(jí)的貢獻(xiàn)率分別在4.06%—7.07%和2.93%—4.56間。

草原化荒漠和荒漠草原趨勢(shì)與草甸草原和溫性草原正好相反,二者在0—10 cm、10—20 cm和20—40 cm 3個(gè)土層深度,均以<0.25 mm的微團(tuán)聚體貢獻(xiàn)率高,分別達(dá)到了60.37%、55.86%、54.33%和75.61%、78.34%、78.74%,分別較>0.25 mm的大團(tuán)聚體的貢獻(xiàn)率高20.74%、11.73%、8.67%和51.21%、56.68%、57.49%。大團(tuán)聚體的貢獻(xiàn)率中,草原化荒漠以>5 mm粒級(jí)團(tuán)聚體的貢獻(xiàn)率為最高,分別達(dá)到了18.38%、23.35%和31.28%,荒漠草原以0.25—0.5 mm粒級(jí)的貢獻(xiàn)率最高,分別達(dá)到了15.34%、10.18%和10.63%。兩個(gè)草地類型2—5 mm、1—2 mm、0.5—1 mm和0.25—0.5 mm4個(gè)粒級(jí)的貢獻(xiàn)率分別在2.99%—6.46%和0.73%—4.42間。

圖6 不同草地類型不同粒級(jí)土壤團(tuán)聚體對(duì)有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率Fig.6 Contribution of soil aggregates of different grassland to soil organic carbon

3 討論

3.1 不同草地類型土壤團(tuán)聚體組成及穩(wěn)定性差異

土壤團(tuán)聚體作為土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的基本單位和重要指標(biāo), 其大小和數(shù)量影響著土壤質(zhì)量[1]及土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性,探尋其穩(wěn)定性對(duì)于分析區(qū)域土壤健康及有機(jī)碳庫(kù)穩(wěn)定性意義重大[10]。本文研究了寧夏4種天然草地——草甸草原、溫性草原、荒漠草原和草原化荒漠,在0—10 cm、10—20 cm和20—40 cm 3個(gè)土層深度土壤團(tuán)聚體分布特征,發(fā)現(xiàn)土壤團(tuán)聚體分布特征在不同草地類型間存在差異,說(shuō)明草地類型對(duì)土壤團(tuán)聚體的形成及穩(wěn)定性具有影響。不同草地類型其地上植被構(gòu)成、地表枯落物的輸入數(shù)量和質(zhì)量不同,不同的降水條件、溫度及土壤環(huán)境差異使有機(jī)質(zhì)的分解速率也均不同,影響著土壤有機(jī)碳的含量及儲(chǔ)量,進(jìn)而使形成大團(tuán)聚體的膠結(jié)物質(zhì)存在差異,最終表現(xiàn)出土壤團(tuán)聚體組成特征在不同草地類型間存在差異[7]。

土壤>0.25 mm的大團(tuán)聚體數(shù)量與土壤狀況呈正相關(guān),其含量越高,土壤穩(wěn)定性越好,土壤結(jié)構(gòu)和質(zhì)量越佳[7,18]。本研究發(fā)現(xiàn),草甸草原和溫性草原機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體和水穩(wěn)性團(tuán)聚體均以>0.25 mm的大團(tuán)聚體為主,說(shuō)明這兩類草地土壤結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定；荒漠草原和草原化荒漠水穩(wěn)性團(tuán)聚體均以<0.25 mm的微團(tuán)聚體為主,表明這兩類草地類型土壤團(tuán)聚體朝小粒徑方向轉(zhuǎn)變[7]。一方面反映了草地類型對(duì)土壤團(tuán)聚體分布特征具有影響,另一方面也可反映出不同草地類型所分布區(qū)域的降雨、氣溫、植被蓋度及土壤狀況等對(duì)土壤團(tuán)聚體也具有影響。寧夏天然草地分布呈現(xiàn)顯著的地帶性分布特點(diǎn),即草甸草原和溫性草原分布的區(qū)域較荒漠草原和草原化荒漠分布的區(qū)域降雨量高,氣溫低,且根據(jù)實(shí)地調(diào)查分析草甸草原和溫性草原植物群落蓋度和土壤全氮含量均顯著高于草原化荒漠和荒漠草原(表1),可以說(shuō)明降雨量高,氣溫低的條件更利于土壤團(tuán)聚體的形成。分析原因,可能是由于草甸草原和溫性草原分布的區(qū)域降雨量高,土壤地質(zhì)條件良好,地上植被較豐富且產(chǎn)量高,并且在封山禁牧等措施的影響下,人為干擾減弱,大量植物殘?bào)w滯留在地表,為微生物維系生命供應(yīng)了大量富足的養(yǎng)料,使得輸入土壤的有機(jī)碳也高,有利于在大團(tuán)聚體內(nèi)部結(jié)合形成微粒有機(jī)質(zhì), 降低了對(duì)大團(tuán)聚體的破壞,增加了其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,促進(jìn)了土壤團(tuán)聚體的形成?；哪菰植紖^(qū)域土壤以灰鈣土和風(fēng)沙土為主,土壤結(jié)構(gòu)本身松散,特別是表層土壤由于風(fēng)蝕作用強(qiáng)烈,結(jié)構(gòu)更為疏松,不利于土壤團(tuán)聚體形成[5]。

經(jīng)濕篩后,土壤不穩(wěn)定團(tuán)聚體崩解為<0.25 mm的團(tuán)聚體,>0.25 mm的團(tuán)聚體含量較機(jī)械團(tuán)聚體百分比明顯減少。分析原因主要是由于原狀土經(jīng)干篩后主要反映了土壤中非水穩(wěn)性團(tuán)聚體和水穩(wěn)性團(tuán)聚體的狀況,濕篩后土壤在水浸泡作用下大量的非水穩(wěn)性團(tuán)聚體遭到破壞,此時(shí)主要反映了土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的特征。Elliott和Sodhia等研究也認(rèn)為水穩(wěn)定性大團(tuán)聚體的穩(wěn)定性低于水穩(wěn)定性微團(tuán)聚體[19- 21]。

土壤團(tuán)聚體MWD和GMD反映土壤團(tuán)聚體大小分布狀況,其值越大表明土壤團(tuán)聚體的平均粒徑團(tuán)聚度越高,穩(wěn)定性越強(qiáng),土壤結(jié)構(gòu)越好[6,22-23]。本研究表明4種天然草地土壤機(jī)械團(tuán)聚體和水穩(wěn)性團(tuán)聚體MWD和GMD,均表現(xiàn)為草甸草原和溫性草原顯著大于草原化荒漠和荒漠草原(P<0.05)。說(shuō)明草甸草原和溫性草原較草原化荒漠和荒漠草原土壤團(tuán)聚度高,土壤穩(wěn)定性更強(qiáng)。

3.2 不同草地類型土壤各級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量及對(duì)碳儲(chǔ)量貢獻(xiàn)率

有機(jī)碳作為土壤的一個(gè)重要組成部分,其在維持土壤的物理、化學(xué)和生物學(xué)特征中起著關(guān)鍵性的作用,在土壤團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定性中也占有重要作用[19,24- 25]。從本質(zhì)上講,土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性取決于土壤特性,特別是土壤有機(jī)碳的含量[25- 27]。本研究表明,寧夏典型天然草地草甸草原、溫性草原、草原化荒漠和荒漠草原,在0—10 cm、10—20 cm和20—40 cm 3個(gè)土層,不同粒級(jí)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量均表現(xiàn)為：草甸草原>溫性草原>草原化荒漠>荒漠草原,與土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性規(guī)律基本一致。其中,草甸草原和溫性草原均以>0.25 mm的大團(tuán)聚體對(duì)有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率高,且大團(tuán)聚體貢獻(xiàn)率中均以>5 mm粒級(jí)團(tuán)聚體的貢獻(xiàn)率為最高。草原化荒漠和荒漠草原在 3個(gè)土層,均以<0.25 mm的微團(tuán)聚體對(duì)有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率高。Elliott[20]研究認(rèn)為大團(tuán)聚體中碳的含量高是由于有機(jī)質(zhì)把微團(tuán)聚體膠結(jié)成大團(tuán)聚體所致。此外,Tisdall和Oades研究發(fā)現(xiàn)大團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量高,是由于處于分解狀態(tài)的地下根系和土壤菌絲的作用,其不僅可以增加大團(tuán)聚體中有機(jī)碳的濃度, 還可以增加其大團(tuán)聚體的穩(wěn)定性[28-29]。本研究4種草地類型,不同粒級(jí)均以草甸草原有機(jī)碳含量最高,分析可能主要與草地類型及其分布地帶氣候等自然條件有關(guān),草甸草原分布區(qū)降水充沛,其地上生物量相較于其他草地類型也高,這在一定程度上增加了地表碳的輸入,當(dāng)外源有機(jī)碳的輸入增加后, 釋放出大量的活性有機(jī)碳供微生物利用,極大促進(jìn)了土壤生物的活性,對(duì)大團(tuán)聚體內(nèi)部結(jié)合形成有機(jī)物具有促進(jìn)作用, 同時(shí)有機(jī)物的增加又促進(jìn)了團(tuán)聚體的形成,土壤大團(tuán)聚內(nèi)部的保護(hù)環(huán)境,又減小了微生物與其內(nèi)部包被的有機(jī)質(zhì)的接觸,使有機(jī)質(zhì)含量增加,進(jìn)一步使有機(jī)碳產(chǎn)生富集, 從而改變了土壤團(tuán)聚體的有機(jī)碳含量和分配比例[1,30- 31]。

4 結(jié)論

草甸草原和溫性草原機(jī)械穩(wěn)定性和水穩(wěn)性團(tuán)聚體均以>0.25 mm土壤大團(tuán)聚體為主,草原化荒漠和荒漠草原水穩(wěn)性團(tuán)聚體以<0.25 mm的微團(tuán)聚體為主。說(shuō)明寧夏典型天然草地不同草地類型間土壤團(tuán)聚體分布和穩(wěn)定性差異較大,草甸草原和溫性草原較草原化荒漠和荒漠草原土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性更高。

6個(gè)粒級(jí)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量均表現(xiàn)為：草甸草原>溫性草原>草原化荒漠>荒漠草原,且在0—10 cm、10—20 cm和2—40 cm 3個(gè)土層,草甸草原和溫性草原均以>0.25 mm的大團(tuán)聚體對(duì)有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率高,草原化荒漠和荒漠草原均以<0.25 mm的微團(tuán)聚體貢獻(xiàn)率高。