封育年限对蒿类荒漠土壤有机碳组分及其碳、氮特征的影响
杨静1, 孙宗玖1,2, 杨合龙1, 董乙强1
1.新疆农业大学草业与环境科学学院,新疆 乌鲁木齐 830052
2.新疆草地资源与生态自治区重点实验室,新疆 乌鲁木齐 830052
孙宗玖(1975-),男,内蒙古敖汉人,教授,博导,博士,主要从事草地培育、管理及草种资源评价等方面的研究工作。E-mail:nmszj@21cn.com

第一作者:杨静(1989-),女,陕西宁强人,在读硕士生,主要从事草地资源与生态研究。E-mail:1252809698@qq.com

摘要

为探明封育条件下草地土壤有机碳组分的响应规律,研究了不同封育年限(0、1、6、9年)对伊犁绢蒿( Seriphidium transiliense)荒漠土壤颗粒碳(POC)、颗粒氮(PON)、轻组碳(LFOC)、轻组氮(LFON)、微生物生物量碳(MBC)、微生物生物量氮(MBN)的影响。结果表明,伊犁绢蒿荒漠0-5、5-10 cm土层POC、PON、LFOC、LFON含量均随封育年限的增加呈先下降再上升趋势,封育6年最低,且仅0-5 cm土层显著低于对照和封育9年处理( P<0.05);除封育6年10-20、30-50 cm土层LFOC及30-50 cm土层LFON显著低于封育1年外,10-50 cm土层各封育处理间POC、PON、LFOC、LFON均差异不显著( P>0.05);0-30 cm土层MBC、MBN含量随封育年限增加基本呈先降再升趋势,封育1年最低,且除5-10 cm土层MBC外,均显著低于封育9年处理;POC、PON、LFOC、LFON、MBC、MBN间呈显著正相关( P<0.05),且PON能够较好地反映土壤质量变化。总之,0-5 cm土层土壤有机碳组分碳、氮含量对封育的响应较为敏感,且土壤MBC、MBN较POC、PON、LFOC、LFON在土壤中的反应更为迅速。

关键词: 围栏年限; 蒿类荒漠; 颗粒有机质; 轻组有机质; 土壤微生物生物量
中图分类号:S812.2 文献标志码:A 文章编号:1001-0629(2016)4-0564-09 doi: 10.11829/j.issn.1001-0629.2015-0604
Effects of enclosure period on carbon and nitrogen characteristics and components of soil organic carbon in Artemisia desert
Yang Jing1, Sun Zong-jiu1,2, Yang He-long1, Dong Yi-qiang1
1.College of Pratacultural and Environmental Science, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052, China
2. Key Laboratory of Grassland Resources and Ecology of Xinjiang, Urumqi 830052, China
Corresponding author: Sun Zong-jiu E-mail:nmszj@21cn.com
Abstract

In order to explore the response of soil organic carbon components to enclosure in rangeland, the soil particulate organic carbon (POC), particulate organic nitrogen (PON), light fraction organic carbon (LFOC), light fraction organic nitrogen (LFON), microbial biomass carbon (MBC) and microbial biomass nitrogen (MBN) of Seriphidium transiliense desert after different enclosure years(including 0 year, 1 years, 6 years and 9 years)were studied. The results showed that the POC, PON, LFOC and LFON contents in soil layer of 0-5 and 5-10 cm in S. transiliense desert firstly decreased then increased with the increase of enclosure years which reached minimum after 6-year enclosure. Only POC, PON, LFOC and LFON contents in 0-5 cm soil layer after 6-year enclosure were significantly lower than those of the control (0 year) and after 9 year enclosure. Except with that LFOC contents in 10-20 cm, 30-50 cm soil layers and LFON content in 30-50 cm soil layer after 6-year enclosure were significantly lower than those after 1 year enclosure, there was no significantly difference between different enclosure years for POC, PON, LFOC, LFON contents in 10-50 cm soil. The MBC and MBN contents in 0-30 cm soil firstly decreased then increased with the increase of enclosure years which reached minimum after 1 year enclosure. Except with MBC content in 5-10 cm soil layers, all other indices were significantly lower than those after 9 years enclosure. There was significantly positive correlation among POC, PON, LFOC, LFON, MBC and MBN, especially PON could more accurately reflect the soil quality changes. In conclusion, carbon and nitrogen content of soil organic carbon components in 0-5 cm soil were more sensitive to enclosure and the soil microbial biomass carbon and nitrogen response more quickly.

Keyword: enclosure year; Artemisia desert; particulate organic matter; light organic matter; soil microbial biomass

新疆拥有天然草地5 725.88万hm2, 其中荒漠草地2 686.8万hm2, 占全疆草地面积的46.93%, 多作为春秋牧场及冬季牧场利用, 在新疆草牧业发展中占有极其重要的地位[1]。伊犁绢蒿(Seriphidium transiliense)荒漠是新疆春秋牧场的重要组成部分, 占全疆荒漠草地面积的4.25%[1]。多年来, 受草畜不平衡和放牧制度不合理的影响, 伊犁绢蒿荒漠草地早牧、超载过牧现象十分普遍, 再加上所处生态环境的脆弱性, 导致其总体退化趋势仍在延续, 成为新疆荒漠草地退化的重灾区[2, 3], 严重影响了新疆草牧业的可持续发展, 亟需恢复治理。封育是当前经济合理的退化草地恢复手段, 主要通过避免家畜、人为干扰等因素的影响, 通过自身的调控, 改善草地植被组成及其数量特征, 恢复土壤养分, 使受损草地达到逐渐复壮的目的[4, 5, 6, 7]

土壤有机质(Soil Organic Matter, SOM)是指示土壤健康状况的重要因子之一, 影响着土壤的其它理化性质, 可作为评价土壤质量的有效指标[8, 9], 但封育对退化草地土壤有机质的影响仍存在一定的争议。内蒙古退化草原封育后土壤有机质含量显著增加, 但封育20年后则显著降低[7]; 封育两年的新疆荒漠草地土壤有机质并未出现明显的增加[6], 而新疆乌鲁木齐米东区芦草沟乡石人村附近的荒漠草地在封育当年土壤有机质出现降低, 之后开始逐渐增加[10]。这可能与研究区域所处的水热条件、草地类型、退化程度、禁牧年限等有关[11], 也可能由于试验区自然土壤的高背景值及土壤类型的多样性导致土壤有机质发生变化所致[12]。研究表明[13, 14], 与SOM比, 土壤活性有机生物组分, 包括土壤微生物生物量(Soil Microbial Biornass, SMB)、轻组有机质(Light Fraction Organic Matter, LFOM)、颗粒有机质(Particulate Organic Matter, POM)等, 对外界环境变化的响应更为敏感, 这为研究封育后土壤有机质的响应提供了新的可能。目前, 有关土壤活性有机质组分的研究主要集中在不同农艺耕作措施、不同土地类型及其转化间的对比分析[15, 16, 17], 且封育对退化草地土壤活性有机组分的研究也日益增多, 并逐渐成为研究的热点[18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25], 但有关不同封育年限对退化草地土壤活性有机组分含量变化影响机制的研究相对较少, 还需进一步加强。因此, 以新疆天山北坡轻度退化的伊犁绢蒿荒漠草地为对象, 研究不同封育年限对其土壤颗粒碳(POC)、土壤颗粒氮(PON)、轻组碳(LFOC)、轻组氮(LFON)及微生物生物量碳(MBC)、微生物生物量氮(MBN)的影响, 分析封育是否会对其产生影响。如果有, 如何响应, 是否可以将上述指标作为土壤早期变化的指示因子, 进而揭示封育条件下草地土壤养分的恢复机制提供新视角, 也可为退化荒漠草地的有效管理、持续利用提供科学依据。

1 材料与方法
1.1 研究区概况

研究区位于新疆天山北坡博格达山低山带, 地处乌鲁木齐市米东区芦草沟乡石人沟村附近(87° 47'-87° 45' E, 43° 54'-43° 49' N), 海拔为840~1 110 m。属于典型温带大陆性气候, 年均温6.4 ℃, 年降水量236 mm, 且降水季节分配不均匀, 集中于春冬两季, 春季降水量占全年的30%, 而冬季寒冷漫长, 有较多积雪。土壤类型为灰漠土, 蒿类半灌木荒漠为该地区地带性植被, 该草地主要优势种有伊犁绢蒿、木地肤(Kochia prostrata)、叉毛蓬(Petrosimonia sibirica)、角果藜(Ceratocarpus arenarius)等, 春季有短生、类短生的毛梗顶冰花(Gagea albertii)、伊犁郁金香(Tulipa iliensis)、庭荠(Alyssum desertorum)、角果毛茛(Ceratocephalus orthoceras)等植物存在。该研究区在生产上主要作春秋牧场, 草地载畜量相对较少, 处于轻度放牧。地表土壤有一定程度的裸露及践踏现象, 草地整体上处于轻度退化状态。

1.2 研究方法

1.2.1 试验设计 采用完全随机试验设计, 设置3个处理, 即封育1年(En1)、封育6年(En6)、封育9年(En9), 分别于2013年、2008年、2005年采用铁丝网进行全年围栏封育, 每个处理面积均为2 000 m2, 围封前及围栏外均为春秋牧场。同时设置对照区(En0), 分布于封育区外围, 放牧时间为每年3月中旬-6月中旬, 9月上旬-11月中旬, 畜种多以绵羊和山羊为主。封育期间各试验区不受干扰, 且小区间距均小于10 m, 保证了封育处理前的土壤、地形、气候及植被等特征与对照区基本一致。

1.2.2 野外取样 2013年9月底, 将每个封育处理区沿坡向均分为3个样区, 每样区分别在上、中、下坡各设置1 m× 1 m典型样方3个, 即每个封育区9个样方, 同时在对照区对应布点, 进行草地植被群落特征的测定(表1)。在剪掉地上部分的每个样方内, 采用挖土块法, 按土层深度0-5、5-10、10-20、20-30、30-50 cm分层取样, 土块面积20 cm× 20 cm。将每个样区的上、中、下坡3个样方的土样进行分层混匀, 带回室内剔除可见新鲜根系、石砾等杂物后, 一部分置于4 ℃冰箱保存, 用于微生物生物量碳、氮的测定, 另一部分置于室内自然风干后保存, 用于颗粒碳、氮, 轻组碳、氮的测定。

表1 研究样地描述 Table 1 Description of the experiment sites

1.2.3 测定方法 土壤颗粒组分采用Cambardella和Elliott[26]方法测定, 20.0 g风干土在100 mL 5 g· L-1(NaPO3)6溶液内充分振荡(90 r· min-1, 18 h)后过53 μ m筛, 冲洗干净, 收集筛上物质, 烘干(60 ℃, 12 h), 获得土壤颗粒组分重量。土壤轻组组分采用轻组分离结合Janzen等[27]的方法, 25.0 g风干土50 mL 1.8 g· cm-3 NaI重液中震荡(90 r· min-1)1 h后离心、过滤、烘干(55 ℃, 16 h), 获得土壤轻组组分质量。将土壤颗粒组分及土壤轻组组分研磨, 过0.25 mm筛, 采用碳氮元素分析仪(Elementar Analyzer 3000, 意大利)进行碳、氮含量测定。

土壤颗粒(或轻组)组分比例=土壤颗粒(轻组)组分质量/供试土样质量× 100%;

土壤颗粒(轻组)碳(氮)含量=土壤颗粒(轻组)组分碳(氮)含量(g· kg-1)× 土壤颗粒(轻组)组分比例。

MBC和MBN的测定:将新鲜土过2 mm筛, 土壤预在25 ℃下的培养箱中培养7~15 d。将经过预培养的土称6份, 其中3份氯仿熏蒸处理。取出熏蒸和未熏蒸土样, 加入40 mL 0.25 mol· L-1 K2SO4溶液, 震荡、过滤, 浸提液中的有机碳用TOC分析仪(Elementar vario TOC cube, 德国)测定(MBC)和(MBN)采用氯仿熏蒸提取-茚三酮比色法。按照下式进行计算。

MBC含量=(未熏蒸土MBC含量-熏蒸土壤MBC含量)/0.45;

MBN含量=5.0× (未熏蒸土MBN含量-熏蒸土MBN含量)。

1.2.4 数据分析 采用SPSS 19.0中的One-way ANOVA、相关性分析(Pearson)及Microsoft excel 2003进行相关统计分析及图表的制作。

2 结果与分析
2.1 封育对土壤颗粒碳氮的影响

随封育年限增加, 0-20 cm土层颗粒碳(POC)、颗粒氮(PON)随封育年限的增加均呈现先降低后增加的趋势, 而20-50 cm土层则呈现降低-增加-降低的变化趋势, 不同土层POC、PON变化有所差异(图1)。0-5 cm土层, En0、En9的POC、PON含量均显著高于En1、En6(P< 0.05), 且POC和PON分别较En1、En6增加了38.73%~47.15%、53.58%~76.16%; 5-50 cm土层不同封育年限处理间POC、PON含量均差异不显著(P> 0.05), 且仅在5-10 cm土层En9的PON含量均大于En0、En1、En6的(P> 0.05), 而其余各土层En0的POC、PON含量均大于En1、En6、En9处理的, 表明封育对土壤颗粒碳、颗粒氮的影响均集中在土壤表层。

图1 封育下伊犁绢蒿荒漠土壤颗粒碳及氮含量的变化Fig.1 Charge of soil particulate organic carbon and nitrogen content of S. transiliense desert under enclosure condition

2.2 封育对土壤轻组碳、氮含量的影响

随封育年限的增加, 0-10 cm土层轻组碳(LFOC)含量、土壤轻组氮(LFON)含量均呈先降低后增加趋势, 而10-50 cm土层LFOC、LFON呈现先增加后降低再增加趋势(图2)。与对照相比, 封育1年后0-5 cm土层LOFC含量由6.18 g· kg-1降低到4.92 g· kg-1, 至封育6年时显著降低到3.68 g· kg-1(P< 0.05), 封育9年时基本恢复到封育前水平; 5-50 cm土层不同封育年限间LOFC含量均差异不显著(P> 0.05), 但10-20、30-50 cm土层En1均显著高于En6(P< 0.05)。对于土壤轻组氮而言, 0-5 cm土层En0、En1、En9的LFON均显著高于En6的(P< 0.05), 且较En6增加了52.49%~82.75%, 30-50 cm土层也表现出En0、En1的显著高于En6的(P< 0.05), 而 5-30 cm各土层封育处理间差异不显著(P> 0.05)。

图2 封育下伊犁绢蒿荒漠土壤轻组碳及氮含量的变化Fig.2 Change of soil light fraction organic carbon and nitrogen content of S. transiliense desert under enclosure condition

2.3 封育对土壤微生物生物量碳、氮的影响

随封育年限增加, 0-50 cm土层微生物生物量碳(MBC)含量(图3), 基本呈先降低后增加趋势, 且除5-10 cm土层各封育年限处理间差异不显著外(P> 0.05), 其余土层均表现为En9的MBC含量显著高于En1(P< 0.05), En0、En6及En9间均差异不显著(P> 0.05)。对于土壤微生物生物量氮(MBN)而言(图3), 0-30 cm土层MBN随封育年限的增加呈现先降低后增加的趋势, 而30-50 cm土层则呈增加趋势, 但增加不显著(P> 0.05)。0-5 cm土层En0、En9的MBN含量显著高于En1, 且较En1增加了39.12%~53.69%; 5-10 cm土层En9显著高于En1, 且较En1增加了95.00%; 20-30 cm 土层En9较En0、En1及En4显著增加了106.92%~211.67%。

图3 封育下伊犁绢蒿荒漠土壤微生物量碳及氮含量的变化Fig.3 Charge of soil microbial biomass organic carbon and nitrogen content of S. transiliense desert under enclosure condition

2.4 封育年限与土壤有机碳组分中碳、氮间的相关分析

相关分析表明(表2), 0-50 cm土层中土壤有机碳组分碳、氮含量与围封年限均存在一定的相关性, 且封育年限与20-30 cm土层MBC、30-50 cm土层MBC和MBN呈显著正相关(P< 0.05), 与30-50 cm土层LFOC、LFON呈显著负相关)。随封育年限增加, 土壤颗粒碳、氮含量并未出现显著性增降趋势, 而30-50 cm土层微生物量碳氮含量呈增加趋势, 而轻组碳氮含量呈降低趋势, 体现出一定的互补作用。

表2 不同土层封育年限与土壤有机碳组分碳、氮间相关性 Table 2 Correlation between enclosure years and soil organic fraction carbon and nitrogen content under different soil depth
3 讨论

颗粒碳(POC)是新鲜动植物残体与腐殖化有机物间过渡的有机碳库, 易受到土壤利用和土壤管理方式的影响[28], 而颗粒氮(PON)是土壤有机氮中非稳定性部分, 是分析土壤氮稳定性的重要组分[29]。宁夏盐池荒漠草原封育5 年后, 0-40 cm土层POC含量与未封育草原相比增加不显著(P> 0.05)[21], 而李侠[22]发现宁夏荒漠草原封育3年5-10 cm土层POC含量显著低于封育5年、7年、10年及未封育草地(P< 0.05), 10-40 cm土层POC虽然随封育年限的增加呈“ 下降-上升-下降” 趋势, 但其变化并不显著(P> 0.05)。本研究表明, 伊犁绢蒿荒漠草地随封育年限增加, POC、PON在0-20 cm土层均呈“ 先降后升” 趋势, 封育6年后至最低, 而在20-50 cm土层的POC、PON则呈“ 降低-增加-降低” 的波动变化, 且未封育草地最高; 这可能是由于放牧状态下一年生植物叉毛蓬、角果藜等不同地表覆被所占比重较大, 使得POC的含量发生明显变化[30]; 再加上放牧易引起草地植物根系的浅层化, 导致土壤表土回归的残体量增加, 同时新疆细毛羊践踏、采食也会加速地上生物量的分解与归还, 导致其土壤表层POC、PON含量维持较高状态; 而封育消除了放牧的干扰, 随着封育年限增加, 草群植物种类组成的改变导致其对土壤养分的需求增加, 半灌木伊犁绢蒿、木地肤的根系逐渐向深层土壤生长, 而一年生植物叉毛蓬、角果藜在群落中的重要值逐渐增大(表1), 草地地上覆被和植被类型的凋落物和腐殖质层及其腐解过程不同, 加之不同植被类型的根系深浅不一[30], 引起封育3~6年0-5 cm土层植物残体的回归量减少, 且其分解量不能及时补充土壤原有凋落残体、枯死细根的分解, 导致0-5 cm土层颗粒碳、氮含量出现降低, 围栏禁牧虽然会增加地上植被的生物量, 但是也会增加通过植被呼吸作用损失的碳量[31], 所以颗粒碳、氮含量直到封育9年才逐渐出现平衡, 开始慢慢积累(图1); 5-50 cm土层由于没有大量的可更替凋落残体的补充, 导致其土壤颗粒碳氮含量并没有出现显著增加或减少; 也可能与恢复演替中地表主要植被类型更替、植物根系对营养元素吸收量和返回量有关[32]。除0-5 cm土层En1、En6显著低于En0、En9(P< 0.05)外, 5-50 cm土层各封育处理间POC、PON差异不显著(P> 0.05), 这与杨新国等[21, 22]的研究结果“ 封育后草地土壤POC含量增降与未封育基本不显著” 相吻合。

土壤轻组碳(LFOC)是由不同分解程度的植物残体及部分微生物结构体组成, 能灵敏指示土壤有机质及肥力的变化[33], 而土壤轻组氮(LFON)作为土壤养分的重要来源, 在氮循环中起着重要作用[27]。研究表明, 封育13年的科尔沁沙漠化草地0-100 cm土层LFON、LFON储藏量比未封育时增加了1.3~1.6倍, 且0-20 cm土层增加更为显著[18]; 封育10年的甘肃景泰沙质草地0-40 cm土层LFON、LFON含量比未封育时也明显增加[23], 但封育8年的甘肃皇城高寒草甸土壤轻组碳、氮含量却变化不显著[24]。本研究表明, 随封育年限增加, 伊犁绢蒿荒漠0-10 cm土层LFOC、LFON含量呈现“ 先降后升” , En6含量达到最低, 且0-5 cm土层En6显著低于En0、En9(P< 0.05), 这也证实了随封育年限的变化, 不同土地覆被类型下LFOC含量差异明显且层次性明显[30]; 10-50 cm土层LFOC、LFON含量呈“ 增加-降低-增加” 趋势, 且仅30-50 cm土层En6的显著低于En0、En1的(P< 0.05), 其余土层各封育处理间差异不显著(P> 0.05), 可能是由于荒漠草地恢复后草群地下生物量逐步向下积累, 再加上10-50 cm土壤微生物活性低, 对根系残体的分解缓慢, 导致其变化不明显; 也可能与草地土壤质地、母质层及30-50 cm土层轻组碳、氮向上转移供给有关, 也可能是围封限制牧草超补偿性生长机制的发挥, 使大量枯落物聚集, 降低了植物生产的周转率[34]; 更深原因还有待进一步探究。

土壤微生物量指土壤中体积小于5~105 μ m3活的微生物总量, 包括土壤微生物生物量碳(MBC)、土壤微生物生物量氮(MBN)[33], 是土壤有机碳、氮组中的最活跃部分, 对外界环境条件变化十分敏感[35]。研究表明, 封育7年的山地荒漠MBC含量显著高于放牧处理[25], 但禁牧8年的高寒草甸MBC、MBN含量变化不显著[24]。本研究表明, 伊犁绢蒿荒漠草地0-50 cm土层MBC及0-30 cm土层MBN均随封育年限增加呈“ 先降后升” 趋势, En1最低; 除5-10 cm土层外, 0-50 cm土层En1的MBC显著低于En9的, 而MBN仅在0-5、5-10 cm土层En9显著高于En1的(P< 0.05), 但0-50 cm土层En9、En6、En0间MBC、MBN基本差异不显著(P> 0.05), 这可能与土壤的植被覆盖度、植被组成(表1)、微生物活跃程度及不同土壤条件下微生物可利用碳、氮来源的不同等有关[36]。伊犁绢蒿荒漠土壤MBC、MBN在En1中含量降低, 可能是由于植被种类发生改变, 其草群地上盖度、密度及生物量均出现不同程度的降低(表1), 其枯落物的质量也减少, 使输入到土壤中的有机碳含量降低, 影响土壤MBC的活动[37]; 而封育后期MBC、MBN含量增加, 可能是由草群地上盖度、密度及生物量的出现增加, 土壤水、热条件得到改善, 同时返还土中的植物残体量及土表层凋落物逐年增加, 促进微生物的繁殖及其活性的提高所致。说明, 长期封育一定程度上可以促进土壤微生物的生长繁殖, 可提高其活性, 进而加速土壤有机质的周转速率, 利于土壤养分的恢复。

研究表明, 伊犁绢蒿荒漠封育后0-5 cm土层机碳组分碳、氮含量变化较明显, MBC、MBN对封育响应较为敏感, POC、PON次之, LFOC、LFON较为缓慢, 这也证实了较高的植被盖度可减少风蚀对土壤有机碳造成的损失[38]。此外, 封育年限仅与20-30 cm土层MBC、30-50 cm土层MBC和MBN呈显著性正相关, 与30-50 cm土层LFOC、LFON呈显著负相关(P< 0.05)。这与前人[39]研究结果相吻合, 可能与这些有机碳组分的来源基本一致有关[40]

4 结论

1)伊犁绢蒿荒漠草地随封育年限增加, POC、PON均在不同土层呈一定的波动趋势, 但各个处理间的变化幅度有差异; 且各封育处理间除0-5 cm外, 封育对其它土层POC、PON含量的影响均不明显(P> 0.05)。

2)伊犁绢蒿荒漠草地0-50 cm土层的LFOC、LFON含量随封育年限增加, 在En6出现了最低值; 且各封育处理间仅0-5 cm土层和30-50 cm土层的LFOC、LFON含量在En6显著降低(P< 0.05)。

3)不同土层MBC及MBN含量均随封育年限增加呈波动变化; MBC在En1最低, 而MBN在En6后逐渐增加, 但各封育处理间对其的影响并不明显, 所以0-50 cm土层En9、En6、En0间MBC、MBN含量变化基本不显著(P> 0.05)。

4)伊犁绢蒿荒漠封育后0-5 cm土层机碳组分碳、氮含量变化较明显, MBC、MBN对封育响应较为敏感, LFOC、LFON较为缓慢。

The authors have declared that no competing interests exist.

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