放牧和圍封對(duì)內(nèi)蒙古羊草草原土壤團(tuán)聚體理化性質(zhì)的影響

賈麗英，陳 清，張洛梓，裴 雯

（1.天津師范大學(xué) 天津市水資源與水環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300387；2.天津師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，天津300387）

土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元和物質(zhì)基礎(chǔ)，是由礦物顆粒和有機(jī)物等土壤成分在物理、化學(xué)、生物綜合作用下所形成的直徑小于10 mm的良好結(jié)構(gòu)體[1]，是土壤養(yǎng)分儲(chǔ)存和土壤微生物生存活動(dòng)的場(chǎng)所，在維持土壤的孔隙度和持水性等方面發(fā)揮著重要作用[2-3].土壤團(tuán)聚體的粒級(jí)分布及穩(wěn)定性是評(píng)價(jià)土壤結(jié)構(gòu)的重要因素.放牧是人類對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)最主要的干擾方式[4]，過(guò)度放牧?xí)沟貌菰厣仙锪繙p少，表層土壤疏松，土壤結(jié)構(gòu)退化，顯著影響土壤團(tuán)聚體的粒級(jí)分布及其穩(wěn)定性[5-6].圍封是恢復(fù)退化草地最有效的措施之一[7-8]，長(zhǎng)期圍封可以減少家畜的踐踏，使草地植被得以恢復(fù)，提高土壤微生物的含量，加速土壤養(yǎng)分循環(huán)，促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成，維持土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[9].關(guān)于放牧、圍封對(duì)土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的影響，一些研究發(fā)現(xiàn)，放牧導(dǎo)致土壤大團(tuán)聚體含量顯著減少，微團(tuán)聚體含量增加[1，10]，長(zhǎng)期圍封則導(dǎo)致土壤微團(tuán)聚體含量下降[11]，大團(tuán)聚體含量增加[12-13]；也有研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期圍封不能有效增加大團(tuán)聚體的含量[10].不同研究區(qū)域由于環(huán)境因子、放牧強(qiáng)度不同，研究結(jié)果也不相同[7].目前關(guān)于草原土壤團(tuán)聚體的研究主要集中在放牧或圍封單因素對(duì)草原土壤團(tuán)聚體的影響[4-5，14-16]，而圍封和放牧交互作用對(duì)草原土壤團(tuán)聚體粒級(jí)分布和穩(wěn)定性的影響鮮見(jiàn)報(bào)道.

本研究以2005年圍封的內(nèi)蒙古羊草草原作為野外實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)置放牧和圍封2個(gè)因子，研究放牧強(qiáng)度、圍封水平及其交互作用對(duì)草原土壤團(tuán)聚體的粒級(jí)分布、穩(wěn)定性以及有機(jī)碳、總氮含量等的影響，為評(píng)估當(dāng)前草原管理措施變化對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的影響提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地點(diǎn)位于中國(guó)科學(xué)院內(nèi)蒙古草原生態(tài)系統(tǒng)定位研究站羊草樣地北側(cè)，錫林河流域中部（43°26′~44°29′N，115°32′~117°12′E）.該地區(qū)是典型溫帶草原，屬于半干旱草原氣候；年平均氣溫為0.2℃，夏季溫涼，冬季寒冷；年平均降水量350 mm，降水集中于5—9月份，占全年降水量的80%左右，且降水的年際變化顯著[17].

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與樣品采集

選擇地勢(shì)平坦、植被蓋度均勻且有代表性的中度放牧（MG）樣地和過(guò)度放牧（HG）樣地，從2005年起進(jìn)行圍封，圍封面積為0.2 hm2.該MG和HG樣地在2005年前進(jìn)行了30 a持續(xù)放牧，MG樣地放牧強(qiáng)度約為2只羊/hm2，HG樣地放牧強(qiáng)度約為4只羊/hm2.

實(shí)驗(yàn)設(shè)2個(gè)因子，即放牧強(qiáng)度和圍封水平.放牧強(qiáng)度包括2個(gè)水平，分別為中度放牧和過(guò)度放牧；圍封包括2個(gè)水平，分別為不圍封（NF）和圍封（F）.共4種處理，各設(shè)4個(gè)重復(fù)，每個(gè)小區(qū)面積5 m×8 m.

分別在2014年和2015年8月中旬進(jìn)行土樣采集，圍欄內(nèi)每個(gè)小區(qū)使用直徑為2 cm的土鉆隨機(jī)取0~15 cm的土壤3鉆，3鉆混為一份樣品，過(guò)2 mm篩，混合均勻，采用“四分法”選取部分土壤，裝入封口袋中密封.樣品采集完畢后編號(hào)帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干，剔除樣品中的雜草和石塊，用于分析土壤團(tuán)聚體特征及理化性質(zhì).

1.3 土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體測(cè)定方法

土壤樣品風(fēng)干后采用濕篩法進(jìn)行團(tuán)聚體測(cè)定.取約25 g風(fēng)干后的土樣，將其均勻攤開放在套篩最上層的篩子內(nèi)，自上而下分別通過(guò)0.500、0.250、0.053 mm的套篩，在桶內(nèi)注水，使水漫過(guò)最上層的風(fēng)干土樣，利用土壤團(tuán)聚體分析儀（XY-100型，北京祥宇偉業(yè)儀器設(shè)備有限公司）上下震蕩6 min.震蕩完成后，取出土壤套篩，控干水，將每層篩上的土壤分別沖洗進(jìn)提前備好稱重的鋁盒當(dāng)中，60℃烘干至恒重，分別稱重，記錄＜0.053、0.053~0.250、0.250~0.500以及＞0.500 mm 4種粒級(jí)土壤團(tuán)聚體的質(zhì)量.

1.4 數(shù)據(jù)處理

（1）各級(jí)團(tuán)聚體的質(zhì)量百分比公式為：

團(tuán)聚體的質(zhì)量百分比（%）=某粒級(jí)團(tuán)聚體質(zhì)量/土壤樣品的總質(zhì)量×100 （1）

（2）土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體一般以0.250 mm為界限分為大團(tuán)聚體和微團(tuán)聚體.大團(tuán)聚體比重（R0.25）計(jì)算公式為：

式中：Mr＞0.25為粒徑＞0.250 mm團(tuán)聚體的質(zhì)量（g）；Mr＜0.25為粒徑＜0.250 mm團(tuán)聚體的質(zhì)量（g）；MT為團(tuán)聚體總質(zhì)量（g）.

（3）土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性指標(biāo)采用平均重量直徑（mean weight diameter，MWD）、幾何平均直徑（geometric mean diameter，GMD）來(lái)描述.計(jì)算公式為：

式中：n為粒級(jí)分組的組數(shù)；xi為第i級(jí)團(tuán)聚體粒級(jí)的平均直徑，本研究各粒級(jí)團(tuán)聚體的平均直徑取值分別為大團(tuán)聚體（0.500 mm）、較大團(tuán)聚體（0.375 mm）、微團(tuán)聚體（0.151 5 mm）和黏粉粒組分（0.053 mm）；wi為第i級(jí)團(tuán)聚體的質(zhì)量百分比.

1.5 土壤理化性質(zhì)的測(cè)定

土壤有機(jī)碳（SOC）和總氮（TN）采用元素分析儀（Vario ELⅢ，德國(guó)Elementar公司）進(jìn)行測(cè)定.

1.6 數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)均采用Excel 2019和SPSS 24進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，顯著性分析采用獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)（independent samples T Test）、單因素方差分析（one-way ANOVA）以及多因素方差分析（multivariate analysis of variance）.

2 結(jié)果與分析

2.1 放牧強(qiáng)度、圍封水平對(duì)各粒級(jí)土壤團(tuán)聚體含量的影響

不同放牧強(qiáng)度、圍封水平下各粒級(jí)土壤團(tuán)聚體含量不同，如表1所示.

表1 不同放牧強(qiáng)度、圍封水平下各粒級(jí)土壤團(tuán)聚體的含量Tab.1 Content of each grain size of aggregate under different grazing intensity and enclosure conditions %

通過(guò)對(duì)比不同放牧強(qiáng)度樣地的水穩(wěn)性團(tuán)聚體數(shù)據(jù)可知，在0~15 cm土層，中度放牧樣地和過(guò)度放牧樣地在不同處理?xiàng)l件下土壤團(tuán)聚體含量均以0.053~0.250 mm粒級(jí)最高，約占45.65%~63.12%；其次為0.250~0.500 mm粒級(jí)，含量約占20.18%~23.97%；＜0.053 mm粒級(jí)的土壤團(tuán)聚體含量約占12.96%~19.96%；占比最少的為＞0.500 mm粒級(jí)，約占3.74%~15.76%.放牧強(qiáng)度對(duì)＞0.500、0.053~0.250及＜0.053 mm粒級(jí)的土壤團(tuán)聚體含量均有顯著影響（P＜0.05）.中度放牧樣地＞0.500 mm粒級(jí)的大團(tuán)聚體含量（14.35%）顯著高于過(guò)度放牧樣地該粒級(jí)團(tuán)聚體含量（3.88%）；而中度放牧樣地0.053~0.250 mm粒級(jí)的微團(tuán)聚體含量（46.09%）顯著低于過(guò)度放牧樣地該粒級(jí)微團(tuán)聚體含量（60.58%）；過(guò)度放牧樣地＜0.053 mm粒級(jí)微團(tuán)聚體含量（13.47%）顯著低于中度放牧樣地該粒級(jí)微團(tuán)聚體含量（17.93%）.這說(shuō)明隨著土壤退化程度的增加，大團(tuán)聚體的含量逐漸減少，而＜0.250 mm粒級(jí)的微團(tuán)聚體含量逐漸增加.

圍封使得中度放牧樣地＞0.500 mm粒級(jí)的土壤團(tuán)聚體含量顯著增加，對(duì)其他粒級(jí)無(wú)顯著影響；在過(guò)度放牧樣地進(jìn)行圍封，只有0.053~0.250 mm粒級(jí)的微團(tuán)聚體含量增加了5.09%，而其他粒級(jí)無(wú)明顯變化.放牧強(qiáng)度與圍封的交互作用對(duì)＞0.500、0.250~0.500以及0.053~0.250 mm粒級(jí)的土壤團(tuán)聚體含量均有顯著影響（P＜0.05）.

2.2 放牧強(qiáng)度、圍封水平對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)的影響

不同放牧強(qiáng)度、圍封水平下土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)也存在差異，如表2所示.

表2 不同放牧強(qiáng)度、圍封水平下土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性指標(biāo)Tab.2 Stability index of confining soil aggregates under different grazing intensity and enclosure treatments

由表2可知，各處理組中土壤穩(wěn)定性指標(biāo)MWD和GMD均較小，說(shuō)明本研究中土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體所占比例較小.MWD和GMD呈現(xiàn)相同的變化趨勢(shì)，中度放牧樣地的MWD和GMD均大于過(guò)度放牧樣地的數(shù)值.圍封后，中度放牧樣地MWD和GMD顯著增加，而過(guò)度放牧樣地沒(méi)有顯著變化，放牧強(qiáng)度與圍封的交互作用對(duì)MWD和GMD有顯著影響（P＜0.05）.

2.3 放牧強(qiáng)度、圍封水平對(duì)土壤有機(jī)碳、總氮含量的影響

不同放牧強(qiáng)度、圍封水平下土壤中有機(jī)碳和總氮的含量也有所不同，如表3所示.

表3 不同放牧強(qiáng)度、圍封水平下土壤有機(jī)碳、總氮的含量Tab.3 Soil organic carbon and total nitrogen content under different grazing intensity and enclosure treatments

由表3可知，放牧強(qiáng)度對(duì)土壤的有機(jī)碳和總氮含量均有顯著影響（P＜0.05）.過(guò)度放牧樣地的有機(jī)碳和總氮含量均少于中度放牧樣地的數(shù)值.圍封沒(méi)有顯著影響中度放牧樣地和過(guò)度放牧樣地土壤有機(jī)碳和總氮的含量；放牧強(qiáng)度和圍封的交互作用沒(méi)有使土壤的有機(jī)碳和總氮含量發(fā)生顯著變化.

2.4 各粒級(jí)土壤團(tuán)聚體與穩(wěn)定性指標(biāo)、土壤有機(jī)碳、總氮含量的相關(guān)性

土壤團(tuán)聚體粒級(jí)不同，其穩(wěn)定性指標(biāo)以及土壤中有機(jī)碳和總氮的含量也不同，如表4所示.

表4 各粒級(jí)土壤團(tuán)聚體與穩(wěn)定性指標(biāo)及土壤有機(jī)碳、總氮含量的相關(guān)性Tab.4 Correlation of soil aggregates with stability index，soil organic carbon and total nitrogen

由表4可知，土壤團(tuán)聚體的有機(jī)碳和總氮含量與＞0.500 mm粒徑團(tuán)聚體含量、R0.25呈顯著正相關(guān)，與0.053~0.250 mm粒徑團(tuán)聚體含量呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）.土壤的穩(wěn)定性指標(biāo)MWD和GMD與＞0.500 mm、0.250~0.500 mm、R0.25粒徑團(tuán)聚體均呈顯著正相關(guān)，與0.053~0.250 mm和＜0.053 mm粒徑團(tuán)聚體含量呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05）.這說(shuō)明土壤的大團(tuán)聚體所占比例越大，土壤的有機(jī)碳、總氮含量越高，土壤的穩(wěn)定性越強(qiáng).

3 討論與結(jié)論

3.1 放牧強(qiáng)度對(duì)土壤團(tuán)聚體粒級(jí)分布和穩(wěn)定性的影響

土壤團(tuán)聚體一般分為大團(tuán)聚體（＞0.250 mm）和微團(tuán)聚體（＜0.250 mm）[10]，大團(tuán)聚體的含量越高，土壤的穩(wěn)定性越好[10，18].土壤團(tuán)聚體的有機(jī)碳、氮作為重要的膠結(jié)物質(zhì)，可以改變土壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改變水穩(wěn)性團(tuán)聚體的比例和穩(wěn)定性.本課題組對(duì)比研究了內(nèi)蒙古羊草草原不同放牧強(qiáng)度下土壤團(tuán)聚體的理化性質(zhì)，結(jié)果表明，與中度放牧樣地相比，過(guò)度放牧樣地大團(tuán)聚體的含量顯著降低，微團(tuán)聚體的含量顯著增加，土壤的有機(jī)碳、總氮含量減少.隨著放牧強(qiáng)度的增加，表層土壤持續(xù)遭到踐踏，植被蓋度下降，地上生物量和凋落物減少，減弱了土壤的養(yǎng)分循環(huán)和積累作用，土壤的微生物活動(dòng)減少，進(jìn)而使得土壤的碳輸入減少，固氮作用減弱，土壤團(tuán)聚體的有機(jī)碳和總氮含量顯著降低，從而導(dǎo)致大團(tuán)聚體的含量下降，土壤團(tuán)聚體向微團(tuán)聚體轉(zhuǎn)變[19-20].在青藏高原的高寒草原[1，21]和高寒草甸高原[22-23]、寧夏荒漠草原[4，10，13]、川西北高寒草地[19]、松嫩草原[24]、黃土高原放牧林草地[25]的研究中也得到了相似的結(jié)果.土壤團(tuán)聚體的MWD和GMD與土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性相關(guān)，數(shù)值越大表明土壤團(tuán)聚體的團(tuán)聚度越高，穩(wěn)定性越好[1，26-27].本研究中土壤團(tuán)聚體的MWD和GMD呈現(xiàn)相同的變化趨勢(shì)，中度放牧樣地的MWD和GMD均高于過(guò)度放牧樣地的數(shù)值，這表明隨著放牧強(qiáng)度增加，水穩(wěn)性團(tuán)聚體的MWD和GMD逐漸降低，土壤的穩(wěn)定性降低.這與在三江源高寒草原[1]、青藏高原東緣[19]、黃土高原的天然草地[13]研究結(jié)果基本一致，表明放牧強(qiáng)度是影響土壤團(tuán)聚體粒級(jí)分布和穩(wěn)定性的重要因素.

3.2 圍封對(duì)中度放牧樣地和過(guò)度放牧樣地土壤團(tuán)聚體粒級(jí)分布和穩(wěn)定性的影響

通常在草地采取圍封后，地上的凋落物和生物量會(huì)增加，使得土壤逐漸向良性轉(zhuǎn)變，土壤中大團(tuán)聚體的含量和有機(jī)碳、總氮的含量會(huì)隨著圍封年限增加而逐漸增加[11，13，15，28-32].本研究中，圍封使中度放牧樣地中>0.500 mm粒級(jí)的大團(tuán)聚體含量顯著增加，MWD和GMD升高，可能是因?yàn)橹卸确拍翗拥乇韺油寥赖钠茐亩容^低，土壤有機(jī)質(zhì)分解速度慢，養(yǎng)分流失較少，長(zhǎng)期圍封又會(huì)減少家畜對(duì)草地的踐踏和破壞，促進(jìn)植被生長(zhǎng)，減少土壤有機(jī)質(zhì)的分解，進(jìn)而提高大團(tuán)聚體的含量，改善土壤團(tuán)聚體的結(jié)構(gòu).然而，圍封沒(méi)有使過(guò)度放牧樣地大團(tuán)聚體含量顯著增加，也沒(méi)有使過(guò)度放牧樣地土壤團(tuán)聚體的MWD、GMD以及有機(jī)碳和總氮含量發(fā)生顯著變化.這一結(jié)果和青藏高原的高寒草甸[16，33]、寧夏的荒漠草原[15，28-30]、福建西部的河谷盆地[32]的研究結(jié)果有所不同.較多研究認(rèn)為，4~8 a的短期圍欄禁牧能夠有效促進(jìn)地上植被的生長(zhǎng)，促進(jìn)草原生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)，使較小的團(tuán)聚體通過(guò)有機(jī)物的膠結(jié)作用形成大團(tuán)聚體，進(jìn)而使水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量顯著增加，土壤中的有機(jī)碳和總氮含量增加.本研究中過(guò)度放牧樣地圍封后大團(tuán)聚體含量沒(méi)有增加，可能是因?yàn)檫^(guò)度放牧樣地在圍封前有30 a持續(xù)高強(qiáng)度放牧的歷史，草地退化嚴(yán)重，土壤的有機(jī)質(zhì)含量降低，10 a的圍封時(shí)間可能不足以使土壤有機(jī)質(zhì)和團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)得以恢復(fù).此外，影響土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳和總氮含量的因素有很多，氣候、土壤含水量、土地利用方式、人類活動(dòng)等都會(huì)使土壤團(tuán)聚體的有機(jī)碳和總氮含量對(duì)圍封產(chǎn)生不同程度的響應(yīng)[27].過(guò)度放牧樣地圍封后草原動(dòng)物活動(dòng)減少，排泄物的輸入減少，草原的土壤溫度降低，土壤的含水量降低，生物群落變簡(jiǎn)單，這些因素可能使土壤團(tuán)聚體的有機(jī)碳和總氮含量沒(méi)有顯著增加，大團(tuán)聚體含量沒(méi)有顯著變化.綜上，圍封處理使中度放牧樣地大團(tuán)聚體含量顯著增加，而對(duì)過(guò)度放牧樣地大團(tuán)聚體含量沒(méi)有顯著影響.放牧強(qiáng)度和圍封對(duì)于土壤團(tuán)聚體的影響存在明顯的交互作用.