短期封育对白梭梭荒漠和盐生假木贼荒漠土壤营养成分的影响
别尔达吾列提·希哈依1, 董乙强1, 安沙舟1,*, 魏鹏1,2
1.新疆农业大学草业与环境科学学院,新疆 乌鲁木齐 830052
2.新疆畜牧科学院草业研究所,新疆 乌鲁木齐 830011
*通信作者Corresponding author. E-mail: xjasz@126.com

作者简介:别尔达吾列提·希哈依(1991-),男,哈萨克族,新疆阿勒泰人,在读硕士。E-mail: 2411160320@qq.com

摘要

以白梭梭荒漠和盐生假木贼荒漠为对象,采用野外调查取样法,通过对两类不同类型荒漠草地土壤营养成分的测定分析,探讨不同类型荒漠草地土壤营养成分对短期封育的响应规律,为荒漠草地的管理和保护提供科学依据。结果表明:1)盐生假木贼荒漠草地的土壤营养成分含量显著高于白梭梭荒漠草地;2)短期封育对盐生假木贼荒漠草地土壤系统的碳密度、全氮、全磷和全钾含量的影响较小( P>0.05);3)短期封育下,白梭梭荒漠草地土壤碳密度增加了43.46%( P>0.05),但全磷和全钾分别降低了33.53%( P<0.05)和60.30%( P<0.05)。综上所述,短期封育对盐生假木贼荒漠影响较小,而对白梭梭荒漠草地土壤碳密度的积累有利;同时,导致白梭梭荒漠草地土壤全磷和全钾含量有下降趋势,表明封育效果与荒漠植被类型和土壤类型之间存在密切的关系。

关键词: 短期封育; 白梭梭荒漠; 盐生假木贼荒漠; 土壤营养成分
Effects of short-term non-grazing on soil nutrients in Haloxylon persicum desert and Anabasis salsa desert
Bieerdawulieti·XIHAYI1, DONG Yi-qiang1, AN Sha-zhou1,*, WEI Peng1,2
1.College of Pratacultural and Environmental Sciences, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052, China
2.Grassland Research Institute, Xinjiang Academy of Animal Sciences, Urumqi 830011, China
Abstract

This research aims to clarify the effects of un-grazing (UG) on the nutrients composition of soil in Anabasis salsa desert (6 years of enclosure) and Haloxylon persicum desert (7 years of enclosure) and use the method of combination field survey with the laboratory analysis and studied the response of desert the nutrients composition of soil, which provide a scientific basis and management for the local animal husbandry. The results showed that: 1) The soil nutrient concentrations in A. salsa desert were significantly higher than in the H. persicum desert. 2) In A. salsa desert, short-term grazing exclusion (GE) had little effect on the carbon density, total N, total P and total K of the soil system. 3) In H. persicum desert, the carbon density increased by 43.46% ( P>0.05) with GE, but total P and total K were decreased by 33.53% ( P<0.05) and 60.30% ( P<0.05), respectively. In summary, short-term GE has a small effect on soil properties in A. salsa desert, and promoted increased soil carbon density in H. persicum desert, but led to a decline in the total P and total K in H. persicum desert. The results showed that the GE effect differs between desert vegetation types and soil types.

Keyword: short-term un-grazing; Haloxylon persicum desert; Anabasis salsa desert; nutrients composition of soil

草地作为生态系统类型之一, 是一个非常重要的碳库, 储碳量达761 Pg, 其中约89.4%储存在土壤中, 10.6%储存在草地植被中。对草地生态系统碳储量的研究已经成为研究草地的热点问题之一。荒漠草地在新疆分布广泛, 占全疆草地面积的46.9%, 约40%可被家畜利用, 是新疆草原畜牧业发展的重要生产基地[1]。因荒漠类型不同而利用季节不同, 大部分蒿类荒漠草地是重要的春秋牧场, 且是连接冬场和夏场的时间与空间场所; 而白梭梭(Haloxylon persicum)荒漠和盐生假木贼(Anabasis salsa)荒漠是保证家畜过冬的重要场所。然而, 由于近年来气候变暖、开垦、过牧等自然和人为因素的共同影响, 导致该荒漠草地生态系统存在不同程度的退化, 影响了当地畜牧业的可持续发展[2]。因此, 短期封育或禁牧已经成为恢复退化草地的主要方式之一[3, 4]。封育对草地植被-土壤养分和碳储量的影响存在较大争议。一些研究表明, 封育增加了植被碳库[5]以及土壤有机碳储量[6, 7, 8], 长期封育显著提高草地碳氮贮量[9]; 但也有一些研究表明, 封育降低了植被地下生物量-土壤碳密度[5]以及土壤有机碳储量[10], 刘晓琴等[5]对不同封育年限影响高寒草甸植被-土壤营养成分的研究结果表明:土壤碳密度大小为封育1年> 封育6年> 封育16年, 植被地上净初级生产碳密度表现为封育1年> 封育16年> 封育6年。也有一些研究发现封育对草地碳库的影响不显著[11], 对土壤有机碳含量的影响较小[12], 半干旱草地封育后土壤有机碳储量与放牧区相比无显著差异[13]。目前, 关于短期封育对草地的影响研究多集中在草甸、草原和部分蒿类荒漠上, 而对白梭梭荒漠和盐生假木贼荒漠草地的研究较少; 对春秋场、夏场的研究较多, 而对冬场的研究相对较少。基于此, 本研究拟以白梭梭荒漠和盐生假木贼荒漠草地为对象, 通过对封育7年的白梭梭荒漠和封育6年的盐生假木贼荒漠及邻近相应的自由放牧区草地土壤营养成分的测定分析, 探讨其对短期封育的响应规律, 以期深入认识封育对不同类型荒漠草地土壤的影响, 为当地畜牧业的可持续发展提供科学依据。

1 材料与方法
1.1 研究区概况

研究区分别位于准噶尔盆地南缘的阜康市国家级草地固定监测点和准噶尔盆地北缘的福海县国家级草地固定监测点。其中:阜康市的监测点位于北沙窝(N 44° 23'07″, E 88° 08'42″, 海拔465 m); 年均温5.9 ℃, 年均降水量115 mm, 土壤多为风沙土; 建群种为白梭梭, 白茎绢蒿(Seriphidium terrae-albae)为亚优势种, 伴生种有猪毛菜(Salsola collina)。福海县的监测点位于阿克达拉区域(N 46° 58'48″, E 88° 09'34″, 平均海拔667 m); 年均温4.7 ℃, 年均降水量131 mm; 土壤多为盐化或碱化的棕钙土; 建群种为盐生假木贼, 白茎绢蒿为亚优势种, 伴生种有角果藜(Ceratocarpus arenarius)。两区都是准噶尔盆地南北缘重要的冬牧场。

1.2 试验设计和方法

野外调查与取样于2018年9月中旬分别进行。在研究区设置围栏封育(un-grazing, U)和自由放牧(grazing, G)两个处理。阜康市研究区和福海县研究区的围栏封育区面积均为3.33 hm2, 分别已封育7和6年, 属短期封育, 且封育前后草地植被类型、物种组成、地形地貌等基本一致。与封育区毗邻的自由放牧区仍保持中度放牧强度不变。两个区域之间的距离小于50 m。在围栏封育区和自由放牧区分别设置3条样带, 在每条样带上随机挖掘3个土壤剖面, 并在每个剖面上采用分层取样法(0~5 cm, 5~10 cm, 10~20 cm, 20~30 cm, 30~50 cm, 50~70 cm和70~100 cm)进行土壤样品容重的测定。将土壤样品带回实验室自然风干(15 d)后过筛(2、1和0.25 mm)备用。土壤养分中土壤有机质(重铬酸钾容量法)、土壤全氮(HClO4-H2SO4奈氏比色法)、全磷(HClO4-H2SO4钼锑抗比色法)、全钾(HClO4-H2SO4火焰光度计法), 均采用常规分析法进行[14]

土壤碳密度(soil organic carbon density, SOCD): SOCD=SOCi×BDi×Hi×(1-Gi)/100

式中:SOCi表示土壤有机碳(soil organic carbon, g· kg-1)含量, BDi表示容重(bulk density, g· m-3), Hi表示土层厚度(height, cm), Gi为直径≥ 2 mm的石砾所占的体积百分比(%)。

1.3 数据统计与分析

利用SPSS 20.0数据统计软件的One-way ANOVA分析分别对两个荒漠放牧区和封育区土壤营养成分进行差异分析; 采用Excel 2007对数据进行前期处理, 用Sigmaplot 10.0绘图。

2 结果与分析
2.1 封育对土壤碳密度和有机碳的影响

盐生假木贼荒漠和白梭梭荒漠土壤碳密度之间存在一定的差异(图1)。与自由放牧区相比, 盐生假木贼荒漠封育区碳密度土层0~100 cm增加了5.8%(P> 0.05), 白梭梭荒漠的封育区比自由放牧区增加了43.46%(P> 0.05)。从区域上看, 盐生假木贼荒漠围栏内在0~100 cm土层的碳密度比白梭梭荒漠围栏内外分别显著增高102.76%和190.87%(P< 0.05), 而盐生假木贼荒漠围栏外比白梭梭荒漠围栏内外分别显著增高91.64%和174.92%(P< 0.05)。总体上看, 随着土层的增加土壤碳密度呈增加趋势。

图1 封育对土壤碳密度的影响
Fuhai U:福海围栏内; Fuhai G:福海围栏外; Fukang U:阜康围栏内; Fukang G:阜康围栏外。不同小写字母表示同一土层间差异显著(P< 0.05)。下同。
Fig.1 The effects of un-grazing on soil carbon density
Fuhai U: Fuhai un-grazing; Fuhai G: Fuhai grazing; Fukang U: Fukang un-grazing; Fukang G: Fukang grazing. Different lowercase letters within the same soil layer indicate significant difference at 0.05 level. The same below.

随着土层深度的增加, 白梭梭荒漠围栏内外的土壤有机碳呈逐渐下降的变化趋势, 围栏内外的土壤有机碳含量无显著差异(P> 0.05)(图2)。盐生假木贼荒漠围栏内外的土壤有机碳随着土层深度的增加而呈增加趋势, 50~70 cm和70~100 cm土层有机碳分别显著高于上层(P< 0.05)。从两种荒漠草地上看, 阜康的白梭梭荒漠围栏内外土壤有机碳含量显著低于福海的盐生假木贼荒漠。盐生假木贼荒漠和白梭梭荒漠草地中0~100 cm土壤有机碳含量变化范围为1.60~9.99 g· kg-1, 平均值5.80 g· kg-1。其中:盐生假木贼荒漠封育区中0~100 cm土壤有机碳含量变化范围为2.76~9.99 g· kg-1, 平均值6.38 g· kg-1, 盐生假木贼荒漠自由放牧区中0~100 cm土壤有机碳含量变化范围为3.12~9.07 g· kg-1, 平均值6.10 g· kg-1。白梭梭荒漠封育区中0~100 cm土壤有机碳含量变化范围为2.75~4.76 g· kg-1, 平均值3.75 g· kg-1, 白梭梭荒漠自由放牧区中0~100 cm土壤有机碳含量变化范围为1.60~5.03 g· kg-1, 平均值3.31 g· kg-1

图2 封育对土壤有机碳含量的影响Fig.2 The effects of un-grazing on soil organic carbon concentration

2.2 封育对土壤全氮含量的影响

随土层深度的增加, 盐生假木贼荒漠围栏内外土壤全氮含量变化基本呈先降后升的变化趋势, 特别是在10~20 cm土层全氮含量最低, 围栏内在20~30 cm和30~50 cm土层的全氮含量比围栏外分别显著增高45.32%、55.45%(P< 0.05), 在0~100 cm土层围栏内外之间差异不显著(P> 0.05)(图3)。而白梭梭荒漠随土层深度的增加, 全氮含量变化基本呈下降的趋势, 围栏内外之间在0~100 cm土层土壤全氮含量无显著差异(P> 0.05)。从区域上看, 阜康的白梭梭荒漠围栏内外在0~100 cm土层的全氮含量比福海的盐生假木贼荒漠围栏内分别显著降低100.94%和52.76%(P< 0.05), 而与福海的盐生假木贼荒漠围栏外无显著差异。土壤全氮含量的变化范围为0.11~0.37 g· kg-1, 平均值为0.24 g· kg-1, 全氮含量低于我国土壤N元素的平均值1.60 g· kg-1, 其中:盐生假木贼荒漠封育区中0~100 cm土壤全氮含量变化范围0.18~0.37 g· kg-1, 平均值0.28 g· kg-1, 盐生假木贼荒漠自由放牧区中0~100 cm土壤全氮含量变化范围0.14~0.28 g· kg-1, 平均值0.14 g· kg-1; 白梭梭荒漠封育区中0~100 cm土壤全氮含量变化范围0.11~0.17 g· kg-1, 平均值0.14 g· kg-1, 白梭梭荒漠自由放牧区中0~100 cm土壤全氮含量变化范围0.11~0.24 g· kg-1, 平均值0.17 g· kg-1

图3 封育对土壤全氮含量的影响Fig.3 The effects of un-grazing on soil total N

2.3 封育对土壤全磷含量的影响

随着土层深度的增加, 福海盐生假木贼荒漠围栏内外和阜康白梭梭荒漠围栏外土壤中的全磷含量均呈逐渐下降的趋势(图4)。盐生假木贼荒漠围栏外10~20 cm土层中的全磷含量比围栏内显著增高34.37%(P< 0.05), 在0~100 cm土层盐生假木贼荒漠土壤全磷含量围栏内外之间无显著差异(P> 0.05)。白梭梭荒漠全磷含量在土层10~20 cm围栏外较围栏内显著增加43.56%(P< 0.05), 在0~100 cm土层围栏外全磷含量比围栏内显著增加33.53%(P< 0.05)。从两种荒漠草地上看, 白梭梭荒漠围栏内外在0~100 cm土层的全磷含量比盐生假木贼荒漠围栏内分别显著降低99.02%和116.11%(P< 0.05), 而比盐生假木贼荒漠围栏外分别显著降低32.28%和43.64%(P< 0.05)。土壤全磷含量的变化范围为0.06~0.24 g· kg-1, 平均值为0.15 g· kg-1, 土壤全磷含量较低, 其中:盐生假木贼荒漠封育区0~100 cm土壤全磷含量的变化范围为0.09~0.21 g· kg-1, 平均值为0.15 g· kg-1, 盐生假木贼荒漠自由放牧土壤全磷含量变化范围为0.07~0.24 g· kg-1, 平均值为0.16 g· kg-1; 白梭梭荒漠封育区0~100 cm土壤全磷含量的变化范围为0.06~0.08 g· kg-1, 平均值为0.07 g· kg-1, 白梭梭荒漠自由放牧土壤全磷含量变化范围为0.09~0.14 g· kg-1, 平均值为0.11 g· kg-1

图4 封育对土壤全磷含量的影响Fig.4 The effects of un-grazing on soil total P

2.4 封育对土壤全钾含量的影响

盐生假木贼荒漠封育区0~5 cm土层的土壤全钾含量比围栏外显著降低33.10%(P< 0.05), 围栏封育对盐生假木贼荒漠土壤全钾含量(0~100 cm)的影响不显著, 随着土层深度的增加土壤全钾垂直分布变化不大(图5)。白梭梭荒漠围栏外土壤全钾含量随着土层的增加虽有一定的下降趋势, 但围栏内先减后增, 在20~30 cm最低, 0~100 cm土壤全钾围栏外显著比围栏内增高60.30%(P< 0.05)。从区域上看, 福海盐生假木贼荒漠围栏内在0~100 cm的全钾含量比阜康白梭梭荒漠围栏内外分别显著增高74.22%和35.07%(P< 0.05), 而福海盐生假木贼荒漠围栏外在0~100 cm的全钾含量比阜康白梭梭荒漠围栏内外分别显著增高75.71%和38.8%(P< 0.05)。土壤全钾含量的变化范围为2.40~15.42 g· kg-1, 平均值为8.9 g· kg-1, 其中:盐生假木贼荒漠封育区中0~100 cm土壤全钾含量变化范围为11.24~15.24 g· kg-1, 平均值为13.24 g· kg-1, 盐生假木贼荒漠自由放牧区中0~100 cm土壤全钾含量变化范围为12.17~15.42 g· kg-1, 平均值为13.80 g· kg-1; 白梭梭荒漠封育区0~100 cm土壤全钾含量的变化范围为2.40~4.16 g· kg-1, 平均值为为3.31 g· kg-1, 白梭梭荒漠自由放牧土壤全钾含量变化范围为6.36~11.31 g· kg-1, 平均值为8.84 g· kg-1

图5 封育对土壤全钾含量的影响Fig.5 The effects of un-grazing on soil total K

3 讨论与结论

草地土壤碳库是地上、地下植物残体、动物排泄物和微生物及其分泌物经过一定的复杂过程不断分解而形成, 并且碳库含量不断变化, 因此草地土壤碳库含量是草地生态系统中的动态平衡值。在不同的草地类型、气候条件或不同时间的封育下, 土壤碳库积累的数量存在一定的差异。研究表明, 典型草原土壤养分含量随恢复时间的延长而增加[15, 16], 随着封育年限的增加沙质草甸土壤全氮和有机碳含量增加[17]; 前人研究发现典型草原围封7、10、13、20 年后土壤0~30 cm土层的全磷、有机质、全氮含量分别显著高于自由放牧区(围封过程中连续多年刈割利用)[18]。围封不利于土壤有机碳含量的积累[10, 19], Hu等[19]对禁牧影响草地碳库的研究发现随围封年限的增加草地地上生物量、地下生物量和土壤有机碳明显降低, 土壤中C/N增加; 董乙强等[20]研究表明, 与对照未禁牧相比, 围封1、4和11年后伊犁绢蒿(Seriphidium transiliense)荒漠草地土壤0~50 cm土层的有机碳分别降低11.19%、18.99%和17.54%, 全氮分别降低36.03%、41.91%和31.32%, 全钾分别降低13.39%、14.13%和13.96%, 但对土壤全磷的影响不显著。李侠[21]研究表明, 荒漠草原围封3、5、7、10年后, 土壤全氮和有机碳与放牧区相比差异不显著。本研究表明, 短期封育对福海盐生假木贼荒漠草地土壤碳密度、有机碳、全氮、全磷和全钾无显著影响, 与董乙强等[20]和李侠[21]的研究结果部分相似, 原因是:1)可能是短期封育对草地群落多样性和群落数量特征的影响较快, 但对草地土壤碳库的影响较慢; 2)可能与土壤质量密切有关; 3)可能是荒漠草地植被稀少对土壤营养成分的作用不大; 4)可能与围封年限有关。大部分研究结果表明, 土壤营养成分垂直分布从上到下依次递降, 本研究中盐生假木贼荒漠土壤有机碳含量、全氮含量的垂直分布随土层深度的增加而呈先降后升趋势, 上层0~50 cm土壤颜色与下层50~100 cm土壤颜色不同, 可能是上下土壤类型的变化造成先降后升的趋势。土壤母质是全磷的来源之一[22], 因此垂直分布变化较小, 但盐生假木贼荒漠土壤全磷含量随土层深度的增加而呈下降的趋势, 同样, 土壤全磷垂直分布与植物根系的分布密切相关。

另外一些研究结果表明, 随封育年限的增加, 土壤全氮[23]以及土层0~30 cm的土壤有机碳[24]明显下降; 刘晓琴等[5]研究发现, 围封降低了高寒草甸土壤碳密度, 分别为封育1年28636.32 g C· m-2, 封育6年26570.92 g C· m-2, 封育16年26060.71 g C· m-2, 而闫宝龙等[24]研究围封对荒漠草原土壤碳密度的影响表明, 与围封外相比无显著差异。白梭梭荒漠草地有机碳含量垂直分布从上到下递减, 围封提高了阜康的白梭梭荒漠草地土壤碳密度的0.4倍, 与闫宝龙等[24]的研究结果相似; 但Hu等[19]的研究结果相反, 他发现土壤有机碳和土壤全氮含量之间存在耦合关系, 土壤有机碳含量增加而全氮下降, 土壤全氮增加而有机碳含量下降。家畜粪尿是天然草地重要的养分来源, 直接影响土壤营养成分含量, 有研究表明家畜粪尿显著提高土壤磷、钾和氮含量[25, 26]; 适度放牧能提高草地土壤的全钾和全磷含量[27], 白梭梭荒漠围栏内外土壤有机碳含量、全氮含量差异不显著, 但围封使全磷和全钾含量分别显著降低了33.53%(P< 0.05)和60.30%(P< 0.05), 与董乙强等[20]研究结果相似。人为因素(放牧或禁牧)等条件会影响白梭梭荒漠土壤全氮、全磷、全钾含量的积累, 土壤全钾、全磷含量显著下降的原因可能是围封排斥了家畜的粪尿来源, 自由放牧区内家畜的粪尿造成土壤全磷、全钾含量较高。白梭梭荒漠围栏内各土层全钾含量比围栏外显著降低, 围栏内外0~100 cm土壤全钾含量的变化范围分别为2.40~4.16 g· kg-1和6.36~11.31 g· kg-1, 平均值分别为3.31和8.84 g· kg-1, 说明围栏内土壤中严重缺K。白梭梭荒漠土壤有机碳、全氮含量垂直分布基本呈从土壤表层(0~5 cm)到下依次递降。白梭梭荒漠围栏内外之间土壤全磷、全钾含量垂直分布规律不一致, 全磷、全钾含量在围栏内的垂直分布随土层深度的增加而呈先降后升, 特别是在20~30 cm土层全磷、全钾含量最低, 在围栏外全磷、全钾含量垂直分布呈先升高(高点:5~10 cm)后降低(低点:50~70 cm)后再升高(70~100 cm)。

从区域上看, 阜康的白梭梭荒漠草地围栏内外的土壤有机碳、全氮、全磷、全钾显著低于福海的盐生假木贼荒漠, 原因:1)可能与荒漠类型和土壤类型密切有关; 2)可能是白梭梭根系很发达, 分布深而对土层(0~100 cm)的影响较小。盐生假木贼荒漠和白梭梭荒漠草地土壤有机碳含量和土壤全氮含量垂直分布有所不同, 荒漠类型和土壤类型变化造成土壤有机碳含量和土壤全氮含量的空间变异。土壤全氮含量的变化范围为0.11~0.37 g· kg-1, 平均值为0.24 g· kg-1, 全氮含量低于我国土壤N元素的平均值1.60 g· kg-1, 说明该地区荒漠草地土壤严重缺N。土壤全钾含量的平均值为8.9 g· kg-1, 盐生假木贼荒漠围栏内外、白梭梭荒漠围栏内外土壤全钾含量分别为13.24和13.80 g· kg-1、3.31和8.84 g· kg-1, 盐生假木贼荒漠土壤全钾含量显著高于白梭梭荒漠。盐生假木贼荒漠和白梭梭荒漠草地中0~100 cm土壤有机碳含量、全氮、全磷、全钾含量的变化范围分别为1.60~9.99 g· kg-1、0.11~0.37 g· kg-1、0.06~0.21 g· kg-1、2. 40~15.42 g· kg-1, 说明土壤中K元素的存量高于C、N、P。

盐生假木贼荒漠土壤有机碳、全氮、全磷、全钾含量围栏内外之间的变化较稳定。白梭梭荒漠土壤有机碳、全氮含量围栏内外之间无显著差异(P> 0.05), 全磷、全钾含量在围栏内显著降低(P< 0.05), 总体上, 短期封育不利于白梭梭荒漠草地土壤质量的改善。从区域上看, 盐生假木贼荒漠土壤营养成分显著高于(P< 0.05)白梭梭荒漠, 荒漠类型和土壤类型变化造成盐生假木贼荒漠和白梭梭荒漠草地土壤营养成分垂直分布的变化。

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