封育对荒漠草原土壤有机碳及其活性组分的影响
[于双1 
, 陶利波1 , 许冬梅1, 2, * , 许爱云1 , 刘金龙1 ]
, 陶利波, 许爱云引用本文
于双, 陶利波, 许冬梅, 许爱云, 刘金龙. 封育对荒漠草原土壤有机碳及其活性组分的影响. 草业学报, 2019,28(2): 190-196
YU Shuang, TAO Li-bo, XÜ Dong-mei, XÜ Ai-yun, LIU Jin-long. Effects of enclosure on the soil organic carbon and its active components in desert steppe grassland. Acta Prataculturae Sinica,2019,28(2): 190-196
Doi:10.11686/cyxb2018164YU Shuang, TAO Li-bo, XÜ Dong-mei, XÜ Ai-yun, LIU Jin-long. Effects of enclosure on the soil organic carbon and its active components in desert steppe grassland. Acta Prataculturae Sinica,2019,28(2): 190-196
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封育对荒漠草原土壤有机碳及其活性组分的影响
作者简介:于双(1994-),女,蒙古族,内蒙古赤峰人,在读硕士。E-mail: 1299878690@qq.com
摘要
以空间序列代替时间序列的方法,选取未封育、封育3、5、7及10年的荒漠草原为对象,研究封育对荒漠草原土壤总有机碳、颗粒有机碳、水溶性有机碳和易氧化有机碳的影响。结果表明:封育对5~10 cm、10~20 cm和20~40 cm土层总有机碳影响显著( P<0.05),其含量随封育年限的延长总体呈增加的趋势,分布范围为2.24~4.52 g· kg-1,以封育7和10年的荒漠草原较高。封育对荒漠草原土壤颗粒有机碳无显著影响( P>0.05);可溶性有机碳含量在0~5 cm、5~10 cm和20~40 cm土层随封育年限的延长呈先下降后上升的趋势,均以未封育荒漠草原最高,分别为0.59,0.49 和0.56 g·kg-1,封育5和7年的荒漠草原较低;易氧化有机碳含量以封育7年的荒漠草原较高,总含量为2.48 g·kg-1。封育7年是退化荒漠草原自然恢复演替过程中的一个转折。
关键词:
荒漠草原; 封育; 土壤有机碳; 土壤活性有机碳
Effects of enclosure on the soil organic carbon and its active components in desert steppe grassland
Abstract
This experiment used spatially distributed sites which had been fenced for 0, 3, 5, 7 and 10 years in desert steppe grassland in Yanchi County of Ningxia, to form a time series, for field and laboratory study of soil C dynamics. Variables measured included: total soil organic carbon (SOC), soil particulate organic carbon, soil dissolved organic carbon and soil readily oxidizable organic carbon for 10 cm increments of soil depth to 40 cm at each site. The results revealed significant differences ( P<0.05) in total organic carbon at 5-10 cm, 10-20 cm and 20-40 cm soil depth, linked to the number of years of grazing exclusion. The SOC content ranged from 2.24 g·kg-1 to 4.52 g·kg-1, and in general increased with increased enclosure time. Thus, values were higher in desert steppe grasslands of 7 and 10 years grazing exclusion. There were no significant effects of grazing exclusion on soil particulate organic carbon ( P>0.05). The contents of soil dissolved organic carbon were highest in grazed grassland (0.59, 0.49 and 0.56 g·kg-1, respectively, for 0-5 cm, 5-10 cm and 20-40 cm soil depths). Values decreased initially after grazing exclusion, (with lowest values recorded after 5-7 years), and then increased with longer duration of exclusion. The soil readily oxidizable organic carbon content was highest (2.48 g·kg-1) in desert steppe grassland subject to 7 years grazing exclusion. In summary, 7 years is a recovery point in the process of natural restoration and succession of degraded desert steppe by grazing exclusion.
Keyword:
desert steppe; enclosure; soil organic carbon; soil active organic carbon
草地作为自然生态系统中的可更新资源, 是重要的绿色生态屏障和畜牧业生产基地, 其功能的正常发挥对维持区域乃至全球生态系统平衡具有极其重要的作用[1]。宁夏草地面积约2.5× 106 hm2, 其中荒漠草原占全区草地总面积的55%, 是该地区发展草地畜牧业的重要保障[2]。然而, 宁夏荒漠草原地处干旱半干旱气候区, 生态环境脆弱, 抗干扰能力差, 除气候因素外, 由于过度放牧、乱采滥挖、乱开垦等人为因素致使草地退化日趋严重[3]。针对草地退化问题, 各国学者都在积极探索有效地恢复策略, 并认为围栏封育是草地恢复经济有效的措施之一[4]。围栏封育是通过人为降低或完全排除家畜对草地生态系统的扰动, 使草地通过自我更新得以恢复[5]。退化草地实施围栏封育后, 植被发生正向演替, 物种组成及群落结构发生改变, 物种多样性增加。此外, 伴随着植被盖度增加, 侵蚀减少, 土壤理化性状改善, 促进了土壤有机碳的积累[6]。
土壤有机碳是陆地系统最重要和最活跃的碳库[7], 也是土壤质量和健康评价的一个重要指标[8]。土壤有机碳及其活性组分作为微生物的能源物质, 是土壤生态系统最活跃的部分, 参与地球生物化学循环过程, 影响土壤养分的有效性, 对维持土壤肥力具有重要作用[9, 10]。随着宁夏禁牧封育政策的实施, 关于封育对宁夏荒漠草原土壤理化性状[11]、优势种群生态位特征[12]、土壤团聚体组成及其稳定性的影响[13]等方面已有报道, 然而, 有关封育荒漠草原土壤活性有机碳的变化报道较少。基于此, 本研究拟以不同封育年限的宁夏荒漠草原为对象, 研究荒漠草原自然恢复演替过程中土壤总有机碳及其活性组分的变化特征, 以期为退化草地的管理和恢复提供科学依据, 为宁夏地区草地生态环境建设做出贡献。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
研究区位于宁夏回族自治区盐池县(N 37° 04'-38° 10', E 106° 30'-107° 47'), 南靠黄土高原, 北与毛乌素沙地相连。属典型的大陆性季风气候, 干旱少雨, 风大沙多, 平均气温7.8 ℃, 极端最高温度为34.9 ℃, 极端最低温度为-24.2 ℃, 冬夏两季气候迥异, 平均温差28 ℃左右, 年均无霜期165 d; 年降水量250~350 mm, 从东南向西北递减; 地势南高北低, 平均海拔1295~1951 m; 土壤类型以灰钙土为主, 其次是黑垆土和风沙土。草地类型由南向北主要包括典型草原和荒漠草原, 荒漠草原代表植物主要有:短花针茅(Stipa breviflora)、牛枝子(Lespedeza potaninii)、赖草(Leymus secalinus)、中亚白草(Pennisetum flaccidum)等。
1.2 样地设置及土样采集
2016年9月, 采用空间序列代替时间序列的方法, 在以牛枝子和短花针茅为建群种的荒漠草原分别选取未封育(F0)、封育3年(F3, 2013年开始封育)、封育5年(F5, 2011年开始封育)、封育7年(F7, 2009年开始封育)和封育10年(F10, 2006年开始封育)的荒漠草原作为研究样地, 重复3次, 面积分别为70~100 hm2。各样地在封育前均处于中度退化, 植被、地形、地貌及土壤母质等本底条件基本一致(表1)。
 | 表1 不同封育年限荒漠草原的基本情况 Table 1 Basic situation in desert steppes under different years of enclosure |
在每个样地按对角线布设5个取样点, 采用多点混合取样法, 在每个取样点分别按0~5 cm、5~10 cm、10~20 cm和20~40 cm土层采集土壤样品, 去除杂物及植物根系、凋落物等, 带回实验室, 风干、研磨, 分别过0.149和2.00 mm筛, 用于总有机碳及其组分含量的测定。
1.3 样品测定指标及方法
土壤有机碳(soil organic carbon, SOC)采用Rapid CS TOC分析仪测定, 颗粒有机碳(particulate organic carbon, POC)采用六偏磷酸钠分离法测定, 可溶性有机碳(dissolved organic carbon, DOC)采用水提取、过滤方法测定[14], 易氧化有机碳(labile organic carbon, LOC)采用高锰酸钾氧化法测定[15]。
1.4 数据统计
采用Excel 2007和DPS 9.5软件进行数据统计分析, 采用one-way ANOVA法和LSD法进行方差分析和多重比较。
2 结果与分析
2.1 不同封育年限荒漠草原土壤总有机碳含量的变化
由表2可知, 0~5 cm土层土壤有机碳含量随封育年限的延长呈先下降后上升趋势, 但不同封育年限草地及未封育草地之间差异不显著(P> 0.05)。5~10 cm土层, 封育5年的草地土壤有机碳含量最低, 为2.24 g· kg-1, 显著低于封育7年的草地(P< 0.05), 其他封育年限及未封育草地之间差异不显著(P> 0.05)。10~20 cm土层, 土壤有机碳含量随封育年限的增加呈下降-上升-下降趋势, 以封育3年的草地最低, 显著低于封育7年的草地(P< 0.05)。不同封育年限草地20~40 cm土层土壤有机碳变化范围为2.27~4.20 g· kg-1, 以封育3年的草地最低, 与未封育及其他封育年限的草地差异显著(P< 0.05)。
| 表2 不同封育年限荒漠草原土壤有机碳含量的变化 Table 2 Contents of SOC in desert steppes under different years of enclosure (g· kg-1) |
2.2 不同封育年限荒漠草原土壤活性有机碳组分的变化
表3为不同封育年限荒漠草原土壤各剖面活性有机碳含量的变化。0~5 cm土层, 土壤颗粒有机碳含量随封育年限的延长呈先上升后下降趋势, 但不同封育年限及未封育草地之间差异不显著(P> 0.05)。5~10 cm土层, 封育3年的草地土壤颗粒有机碳含量显著低于其他封育年限及未封育草地(P< 0.05)。10~20 cm土层, 土壤颗粒有机碳呈下降-上升-下降的趋势, 以封育3年的草地最低, 显著低于封育7年的草地(P< 0.05)。20~40 cm土层, 土壤颗粒有机碳含量变化较为平稳, 各封育年限及未封育草地之间差异不显著(P> 0.05)。从剖面分布看, 不同封育年限荒漠草原0~5 cm表层土壤颗粒有机碳含量最高, 平均为1.37 g· kg-1。
| 表3 不同封育年限荒漠草原土壤活性有机碳含量的变化 Table 3 Contents of soil active organic carbon in desert steppes under different years of enclosure (g· kg-1) |
0~5 cm、5~10 cm和20~40 cm土层, 土壤可溶性有机碳含量随封育年限的延长呈先降低后增加的趋势, 均以未封育草地最高, 封育5、7年的草地较低(P< 0.05)。在0~5 cm土层, 封育7年的草地可溶性有机碳含量最低, 显著低于未封育及封育3、10年的草地(P< 0.05); 在5~10 cm土层, 封育5和7年的草地可溶性有机碳含量显著低于未封育及封育3和10年的草地, 未封育草地显著高于封育10年的草地(P< 0.05); 在20~40 cm土层, 未封育草地可溶性有机碳含量显著高于封育3, 5和7年的草地(P< 0.05), 而封育3年的草地与封育10年的草地之间差异不显著(P> 0.05)。10~20 cm土层, 可溶性有机碳含量随封育年限的延长呈波动性变化, 封育7年的草地显著高于封育5年的草地(P< 0.05)。
0~5 cm土层, 土壤易氧化有机碳含量随封育年限的延长呈先下降后上升趋势, 以未封育草地最高(0.78 g· kg-1), 显著高于封育3年的草地(0.46 g· kg-1)(P< 0.05)。5~10 cm和10~20 cm土层, 土壤易氧化有机碳随封育年限的延长呈下降-上升-下降趋势。其中, 5~10 cm土层以未封育和封育7年的草地较高, 显著高于封育5和10年的草地(P< 0.05); 10~20 cm土层, 未封育、封育5和7年的草地显著高于封育10年的草地(P< 0.05)。20~40 cm土层, 各封育年限及未封育草地之间土壤易氧化有机碳含量差异不显著(P> 0.05)。
2.3 不同封育年限荒漠草原土壤活性有机碳组分占总有机碳的比例
不同封育年限草地土壤活性有机碳各组分占总有机碳的比例见图1。随封育年限的延长, 土壤颗粒有机碳占总有机碳的比例呈先增加后降低的趋势, 封育5和7年的草地土壤颗粒有机碳占总有机碳的比例较大, 分别为32.5%和32.0%, 显著高于封育3年及未封育的草地(P< 0.05)。土壤可溶性有机碳占总有机碳的比例以封育3年的草地较高, 较未封育草地增加了2.1%, 其他封育年限草地土壤可溶性有机碳占总有机碳的比例较未封育草地均有所下降, 但各封育年限及未封育草地之间差异不显著(P> 0.05)。土壤易氧化有机碳占总有机碳的比例随封育年限的延长总体呈下降趋势, 未封育草地显著高于封育3, 5和10年的草地, 封育10年的草地显著低于未封育、封育3和7年的草地(P< 0.05)。
 | 图1 不同封育年限荒漠草原土壤活性有机碳占总有机碳的比例 同一指标不同字母表示在P< 0.05水平上差异显著。Fig.1 POC, DOC and LOC proportion to total soil organic carbon in desert steppes under different years of enclosure The different lowercase letters of the same index indicate there was significant difference at P< 0.05 level. |
3 讨论与结论
土壤有机碳是土壤的重要组成部分, 是揭示土壤肥力和土壤健康程度的重要指标, 在土壤生产力评价以及全球碳循环等方面具有重要作用[16]。植被物种组成、土地利用方式以及管理措施等都会影响土壤有机碳的质量、数量和周转[17]。封育有利于宁夏荒漠草原土壤有机碳的固持, 不同封育年限草地0~5 cm表层土壤有机碳含量无显著差异, 5~10 cm、10~20 cm和20~40 cm土层土壤有机碳含量以封育7和10年的草地较高。土壤总有机碳的这种动态变化表明随着退化荒漠草原生态系统的自然恢复, 植物群落结构改善, 土壤风蚀减弱, 有效保存了土壤养分。相关研究也表明, 封育可改善草地土壤结构, 增加土壤有机碳储量[18, 19]。
土壤活性有机碳是土壤中易被土壤微生物分解矿化、对植物养分供应具有直接作用的那部分有机碳[20]。活性有机碳并非是一种单纯的化合物, 其含量高低可在不同程度上反映土壤有机碳的有效性, 通常可用颗粒有机碳、可溶性有机碳、易氧化有机碳等来表征[21]。各封育年限荒漠草原之间在0~5 cm和20~40 cm土层颗粒有机碳含量无显著差异, 且均以0~5 cm表层土壤较高, 这是由于表土层聚集了较多的根系和凋落物, 导致以植物残体和根系分泌物的分解为重要来源的非保护性有机碳含量的增加[22, 23]。可溶性有机碳含量在0~5 cm、5~10 cm和20~40 cm土层表现为随封育时间的延长呈先降低后升高的趋势, 均以未封育草地最高, 封育5和7年的草地较低。这可能是在封育初期, 由于植被的恢复, 对可溶性有机碳消耗增加, 但随着封育年限的延长, 凋落物积累、周转, 土壤可溶性有机碳的含量又有所增加。易氧化有机碳总体以未封育和封育7年的草地较高, 可能是随着封育年限的增加, 易氧化有机碳在满足植物生长的需要后将多余部分储存起来, 因而封育7年的荒漠草原易氧化有机碳含量较封育初期有所增加。管光玉等[24, 25]研究表明, 退化山地草甸封育后, 土壤易氧化有机碳的含量较自由放牧草地有所提高, 但并非封育时间越长, 活性有机碳含量越高。
随封育年限的延长, 土壤颗粒有机碳占总有机碳的比例呈先上升后下降的趋势, 易氧化有机碳占总有机碳的比例总体呈下降的趋势, 可溶性有机碳占总有机碳的比例在各封育年限草地之间差异不显著。土壤颗粒有机碳、可溶性有机碳及易氧化有机碳占总有机碳的比例随封育年限的延长变化不尽相同, 这可能是由于活性有机碳是土壤有机碳中比较活跃的组分, 不同组分在草地生态系统物质循环中有其特有的利用和转化方式, 因而周转速率不同, 加之其对环境条件变化及人为扰动的高度敏感性, 导致不同活性组分随草地封育年限的延长变化不规律。这与管光玉[24]的研究结果一致。
本研究表明封育有利于土壤有机碳及其活性组分的积累, 能提高土壤质量, 进而改善退化荒漠草原的生态环境。综合考虑宁夏荒漠草原土壤总有机碳及不同组分含量随封育年限的变化, 本研究所做处理中, 封育7年是退化荒漠草原自然恢复演替过程中的一个转折。
The authors have declared that no competing interests exist.
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