引用本文
张义凡, 陈林, 李学斌, 李月飞, 杨新国. 不同荒漠草原植被根际与非根际土壤养分及碳库管理指数特征.草业学报, 2015,26(8): 24-34
ZHANG Yi-Fan, CHEN Lin, LI Xue-Bin, LI Yue-Fei, YANG Xin-Guo. Soil nutrients and carbon management indexes in the rhizosphere versus non-rhizosphere area of different plant species in desert grassland.ACTA PRATACULTUAE SINICA, 2015,26(8): 24-34  
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不同荒漠草原植被根际与非根际土壤养分及碳库管理指数特征
张义凡1, 陈林1, 李学斌2,*, 李月飞1, 杨新国1
1.宁夏大学西北退化生态系统恢复与重建教育部重点实验室,西北土地退化与生态恢复省部共建国家重点实验室培育基地,西部生态与生物资源开发联合研究中心,宁夏 银川 750021
2.宁夏大学科学技术处,宁夏 银川 750021
*通信作者Corresponding author. E-mail:lixuebin@nxu.edu.cn

作者简介:张义凡(1991-),女,甘肃庆阳人,在读硕士。E-mail:18209674643@163.com

收稿日期: 2017-03-02
基金: 国家自然科学基金项目(41641004,31460123)和研究生创新项目(GIP2017004)资助
摘要

通过对宁夏荒漠草原恢复工程主要植被柠条、沙蒿、短花针茅和蒙古冰草根际与非根际表层(0~5 cm)、亚表层(5~10 cm)和深层(10~15 cm)土壤养分、土壤总碳(soil total organic carbon,Cr)、活性有机碳(active organic carbon,CA)、碳库指数(carbon pool index,CPI)及碳库管理指数(carbon pool management index,CPMI)特征进行分析研究,探讨不同植被恢复对土壤养分、CPMI变化特征的影响。结果表明: 1)4种植被土壤养分均随土壤深度增加呈降低趋势,根际大于非根际,柠条群落根际和非根际表层速效钾(AK)含量高达130.81和111.96 mg/kg,相对于亚表层和深层分别高6.87、31.65 mg/kg和23.57、61.44 mg/kg,随土层深度增加,根际表层,亚表层和深层比非根际土壤分别高18.84、35.55和48.63 mg/kg,表现出了荒漠草原特殊的“肥岛”聚集效应,不同群落间差异显著( P<0.05); 2)4种植被类型土壤总有机碳Cr含量在2.09~17.11 g/kg范围内,土壤碳库管理指数CPMI均表现为根际大于非根际,Cr和CA含量在土壤垂直剖面中的分布相似,具有一定的“聚表效应”,柠条和蒙古冰草群落表层比亚表层碳库活度分别增加了38.41%和29.54%,不同植被类型之间碳库活度表现为蒙古冰草>沙蒿>柠条>短花针茅,植被恢复显著改善了土壤有机质分布状况和土壤碳库质量,明显增强荒漠草原土壤碳汇功能; 3)荒漠草原土壤CPMI 与土壤养分含量显著相关( P<0.05),pH与Cr、CA、CPI和CPMI呈显著负相关( P<0.05),相关系数分别为-0.661、-0.437、-0.661和-0.410,与其他土壤养分指标呈显著或极显著正相关( P<0.05; P<0.01),土壤氮(N)、磷(P)、钾(K)促进了土壤碳库循环周转速率,显著提高土壤质量和生产力。CPMI能够用来作为评价土壤质量和土壤管理措施的有效指标。

关键词: 荒漠草原; 根际与非根际土壤; 土壤养分; 碳库管理指数
doi: 10.11686/cyxb2017077
Soil nutrients and carbon management indexes in the rhizosphere versus non-rhizosphere area of different plant species in desert grassland
ZHANG Yi-Fan1, CHEN Lin1, LI Xue-Bin2,*, LI Yue-Fei1, YANG Xin-Guo1
1.Key Laboratory for Restoration and Reconstruction of Degraded Ecosystem in North-Western China of Ministry of Education, Breeding Base for State Key Laboratory of Land Degradation and Ecological Restoration of North-Western China, Union Research Center for Ecological and Exploitation of Biological Resources in Western China, Ningxia University, Yinchuan 750021, China
2.Science and Technology Department of Ningxia University, Yinchuan 750021, China
Abstract

The main plant species used in the Ningxia Desert Grassland Vegetation Restoration Project are Caragana korshinskii, Artemisia ordosica, Stipa breviflora, and Agropyron mongolicum. The aim of this study was to explore the effects of different types of vegetation restoration on soil nutrients and carbon pool management index (CPMI) characteristics. We collected rhizosphere and non-rhizosphere soil from the surface (0-5 cm), subsurface (5-10 cm), and deep (10-15 cm) soil layers, and determined soil total carbon (Cr), active organic carbon (CA), carbon pool index (CPI) and CPMI. For all four plant species, soil nutrients decreased with increasing soil depth, and these decreases were greater in the rhizosphere soil than in the non-rhizosphere soil. The content of available potassium (AK) in the rhizosphere and non-rhizosphere of the C. korshinskii community was 130.81 and 111.96 mg/kg, respectively. The soil AK content showed a “fat island” aggregation effect on the desert steppe, and showed significant differences among the different communities ( P<0.05). 2) The total organic carbon content in soil ranged from 2.09 to 17.11 g/kg, and was higher in the rhizosphere soil than in the non-rhizosphere soil. The vertical distributions of Cr and CA in the soil profile were similar, and showed a “poly table” effect. The carbon pool activity in the surface layer of the C. korshinskii and A. mongolicum community was 38.41% and 29.54% higher, respectively, than that in the deep layer. The four vegetation types could be ranked, from highest carbon pool activity to lowest, as follows: A. mongolicum> A. ordosica> C. korshinskii> S. breviflora. Vegetation restoration significantly improved the distribution of soil organic matter and the quality of the soil carbon pool, and increased the soil carbon sink function of the desert grassland. 3) The soil CPMI was significantly correlated with soil nutrient content in the desert grassland, and pH was negatively correlated with Cr, CA, CPI, and CPMI (correlation coefficients of -0.661, -0.437, -0.661, and -0.410, respectively). The soil CPMI was significantly or extremely significantly positively correlated with other soil nutrients ( P<0.05; P<0.01). Higher soil N, P, and K contents promoted the soil carbon pool turnover rate, and significantly improved soil quality and productivity. These results show that CPMI serves as an effective index when evaluating soil quality and soil management practices.

Keyword: desert grassland; rhizosphere and non-rhizosphere soil; soil nutrients; carbon pool management index

据世界气象组织(2016)研究报道, 自19世纪60年代以来, 温室气体排放量持续上升, 2015年达到最大值, 对全球气候产生显著影响, 其中CO2的贡献率最大, 由此, “ 气候危机” 的到来引得专家一致关注于全球碳循环的研究。据估计, 全球约有2300 Gt的碳以有机质形式储存于土壤中, 分别是陆地植被(550 Gt)和大气碳库(800 Gt) 的2~4倍[1], 如此巨大的库容使得其极小变幅都会导致全球气候产生明显变化, 同时也对陆地生态系统植被的分布格局、养分供应、生态功能等产生影响[2], 根际作为植物能量和物质代谢最活跃的部位, 生理活动明显影响着土壤性状、植物生长状况[3, 4]和陆地生态系统碳库循环及组分分布格局, 对提高土壤肥力、改善土壤质量具有重要意义[5], 国内外学者对根际与非根际土做了多方面的研究, 张海涵等[6]研究发现, 根际微生物多样性差异显著, 微生物对碳源利用的种类和程度不同; Huang等[7]研究指出, 杉木根际酚类分泌物增多引起严重的自毒作用, 栎林根系固氮菌的分泌具有抑制作用, 均使得根际微生物的数量低于非根际。目前对于根际土壤的研究主要集中在土壤微生物的种类、数量及理化性质差异[8], 而对活性有机碳及碳库稳定性的研究则较少。碳库管理指数(carbon pool management index, CPMI)综合了土壤碳库活度指标, 与土壤物质代谢和养分循环过程密切相关[9, 10], 能对土壤碳库中各组分质和量进行了全面评价, 系统地指示土壤总有机碳、活性有机碳含量[11], 可用于反映土壤有机碳循环过程[12]和指示土壤质量[13], 因此, 探究植被恢复措施对土壤养分及CPMI的影响, 对于工程措施的评价具有重要指导意义。

宁夏东部荒漠草原受地理和气候条件影响, 土壤贫瘠、生态环境条件较差, 地处中国北方农牧交错带, 属于典型的旱生化荒漠草原。植被恢复是该区有效保持水土、减少土壤侵蚀、改善土壤质量、提高生态系统功能与生态建设的重要措施。该区域关于碳库质量的研究大部分集中在土壤碳储量[14]、碳密度[15]及有机碳分布[16]等方面, 而对土壤活性有机碳及碳库管理指数的相关报道甚少, 对深入探究荒漠草原土壤有机碳库变化尚不深入。鉴于此, 本研究以宁夏东部荒漠草原4种典型植被类型为对象, 探讨不同植被恢复对土壤质量及碳库管理指数的影响, 以期为荒漠草原区土壤质量管理及植被恢复策略提供有益参考。

1 材料与方法
1.1 研究区概况

研究区位于宁夏东北部盐池县, 海拔1411~1435 m, 属于典型中温带大陆性气候。年平均气温8.2 ℃, 1月(最冷)平均气温-8.8 ℃, 7月(最热)平均气温22.4 ℃; ≥ 10 ℃年积温2751.7 ℃, ≥ 0 ℃年积温3536.6 ℃, 年日照时数2863.1 h。多年平均降水量230~350 mm, 且降水变率大, 多暴雨, 7-9月降水量占全年降水的65%以上, 潜在年蒸发量2700 mm, 年均无霜期160 d。地带性土壤为灰钙土, 非地带性土壤主要是风沙土、盐碱土和草甸土等, 其中风沙土在中北部分布广泛, 风沙天气多集中于冬春季, 地表沙生特征明显, 植被属荒漠草原。

1.2 采样点设置与样品采集

在宁夏盐池县高沙窝镇草原资源生态监测站附近的退化荒漠草地中选取柠条(Caragana korshinskii)、沙蒿(Artemisia ordosica)、短花针茅(Stipa breviflora)和蒙古冰草(Agropyron mongolicum)4种典型植被为研究对象, 于2015年8月中旬分别在灌木带(柠条)、半灌木带(沙蒿)、草本植物带(短花针茅和蒙古冰草)以“ S” 型多点采样法选取9个采样点, 分别设置大小为5 m× 5 m、2 m× 2 m和1 m× 1 m的样方, 按表层(0~5 cm)、亚表层(5~10 cm)和深层(10~15 cm)进行土壤分层采样, 在样方内采取距离植被根表面小于5 mm土作为根际土, 在采样点1 km范围内选取退化程度严重, 植被盖度小于 1%作为裸地采取对照土壤样品采取对照土壤, 并观测记录样地地表植被分布状况(表1), 采集的土样挑去根系和石砾, 将3个采样点同一层的土壤样品混合均匀后, 自然风干, 过 2 mm土壤筛用于土壤总有机碳、活性有机碳及土壤理化性质的测定。

表1 典型群落样地以及植被特征 Table 1 The experimental plant community and their characteristics of vegetation
1.3 研究方法

1.3.1 样品测定方法 土壤样品基本理化性质的测定采用常规分析方法:电位测定法(水土比5∶ 1)测定土壤pH、烘干法测定含水量(water content, WC)、环刀法测定容重(bulk density, BD)、凯氏定氮法测定全氮(total nitrogen, TN)、碳酸钠熔融-钼锑抗比色法测定土壤全磷(total phosphorus, TP)、碱解扩散法测定碱解氮(active nitrogen, AN)、重铬酸钾外加热法测定速效磷(active phosphorus, AP)、醋酸铵浸提-火焰光度法测定速效钾(active potassium, AK); 土壤总有机碳 (total organic carbon, Cr) 测定用 K2Cr2O7外加热法; 活性有机碳(active organic carbon, CA)采用 333 mmol/L K2MnO4 氧化法测定, 非活性有机碳(no active organic carbon, CNA)为总有机碳与活性碳的差值。

1.3.2 数据计算与分析 不同植被恢复模式土壤碳库管理指数以裸地土壤为参考。计算公式如下[17]:

碳库指数(carbon pool index, CPI)=样品总碳含量(mg/g)÷ 参考土壤总碳含量(mg/g)

碳库活度(active degree, A)=活性碳÷ 非活性碳

碳库活度指数(active index, AI)=样品碳库活度÷ 参考土壤碳库活度

碳库管理指数(carbon pool management index, CPMI)=碳库指数(CPI)× 碳库活度指数(AI)× 100

实验数据采用SPSS 22.0软件进行统计分析, Excel 2010整理和作图。其中, 不同植被类型的差异采用单因素方差分析(One-Way ANOVA)和最小显著差异法(LSD)进行分析比较, 各因子间的相关关系采用Pearson相关系数法进行评价, 所有数据均为3次重复的平均值。

2 结果与分析
2.1 不同植被恢复对土壤理化性质的影响

由表2结果可知, 4种典型植被类型不同生境中除TP以外, 土壤含水量、土壤养分均随土壤深度增加而降低, 且差异显著(P< 0.05), 土壤pH呈相反趋势。土壤含水量在4种植被不同土层间变化幅度较小, 差异不显著(P> 0.05)不同植被间表现为蒙古冰草> 沙蒿> 短花针茅> 柠条; pH值呈现出沙蒿相对高于蒙古冰草和短花针茅, 根际土壤大于非根际, 表现出明显的“ 肥岛” 聚集效应; 对全肥而言, 在同一土层含量均表现为根际> 非根际, 植被类型间养分分布表现为:柠条> 短花针茅> 蒙古冰草> 沙蒿, TN随土壤深度的增加呈减少趋势, 蒙古冰草> 短花针茅> 柠条> 沙蒿, 不同植被间TP呈现出柠条> 短花针茅> 沙蒿> 蒙古冰草, 但不同土层中的分布没有一定的规律性; 表明群落类型对于土壤理化性质具有显著的影响; 速效养分在不同土层中分布相似, 即随深度的增加而减小, 不同群落之间相比, 柠条含量最高, 其根际表层AN含量为60.69 mg/kg, 分别是沙蒿、蒙古冰草和短花针茅的2.945、2.318和2.044倍, 差异显著(P< 0.05), 根际、非根际表层土AP含量差异较大, 分别在5.58~13.70 mg/kg、2.67~10.59 mg/kg范围内, 柠条和蒙古冰草含量相比较高, 柠条和沙蒿不同土层间差异均达到显著(P< 0.05), 草本植物短花针茅和蒙古冰草群落中AP表层与深层差异达到显著水平(P< 0.05), 与亚表层差异不显著(P> 0.05); 在不同植被下AK含量相对较高但表现差异大, 柠条群落AK表层含量高达130.81、111.96 mg/kg, 相对于亚表层和深层高出6.87、31.65 mg/kg和23.57、61.44 mg/kg, 各土层根际比非根际分别高18.84、35.55和48.63 mg/kg, 沙蒿、蒙古冰草和短花针茅植被群落在不同生境、不同土层、不同群落间差异均达到显著水平(P< 0.05)。

表2 不同植被群落类型中的土壤理化指标 Table 2 Soil physio-chemical characters of different typical community types
2.2 不同典型植被恢复对土壤有机碳分布及碳库管理指数的影响

对图1分析可知, 4种典型植被类型土壤总有机碳(Cr)、活性有机碳(CA)含量在土壤垂直剖面中的分布规律相似, 即随土层加深而降低, 具有典型的“ 聚表效应” , 土壤总有机碳(Cr)在2.09~17.11 mg/g范围内, 柠条和短花针茅植被Cr含量相对较大, 与其他2种群落差异显著(P< 0.05), 不同植被类型间Cr差异最大, 短花针茅植被土壤各土层Cr含量最高, 分别达到16.57、8.70、10.30 mg/g; CA在4种植被中分布特征与总有机碳Cr相似, 在同一土层深度, 柠条CA含量最高, 亚表层和深层土壤活性有机碳CA分布较均匀。

土壤碳库活度(A)在不同植被类型间变化趋势不同, 短花针茅与其余3种植被类型变化趋势相反, 碳库活度随土层深度的增加先增加后减小, 亚表层含量达到最高, 在不同土层间土壤碳库活度差异较大, 柠条和蒙古冰草表层比亚表层碳库活度分别增加了38.41%和29.54%, 深层相对亚表层增加了17.95%和30.42%, 在不同植被类型间碳库活度表现为蒙古冰草> 沙蒿> 柠条> 短花针茅。

碳库管理指数(CPMI)能有效地反映土壤质量和肥力状况, 本研究以裸地为对照, 分析不同植被恢复措施下土壤碳库管理指数, 研究结果表明:不同植被恢复措施相对于裸地根际各土层土壤CPMI均呈增长趋势, 除沙蒿以外, 其余植被恢复下非根际CPMI也相对较高, 柠条植被群落根际表层CPMI远远高于亚表层和深层, 非根际亚表层碳库管理指数达到最大, 沙蒿群落中, 土壤CPMI增长较为缓慢, 在非根际则大幅度降低, 短花针茅根际和非根际呈现相同的变化趋势, 随土壤深度的增加而增大, 蒙古冰草较裸地增大幅度较大, 不同生境下变化趋势不同, 表明荒漠草原植被恢复显著改善了土壤有机质状况和土壤碳库质量, 不同植被在碳库循环机制中发挥着不同作用, 不同程度地增强了土壤碳汇功能。

图1 不同植被恢复对土壤有机碳分布及碳库管理指数的影响
a:柠条C. korshinskii 1; b:柠条C. korshinskii 2; c:沙蒿A. ordosica 1; d:沙蒿A. ordosica 2; e:短花针茅S. breviflora 1; f:短花针茅S. breviflora 2; g:蒙古冰草A. mongolicum 1; h:蒙古冰草A. mongolicum 2. 1:根际土Rhizosphere soil; 2:非根际土Non rhizosphere soil.Fig.1 Different typical distribution of vegetation restoration on soil organic carbon and carbon management index

2.3 荒漠草原土壤碳库管理指数与土壤理化性质相关性

由表 3 可知, 土壤理化指标间存在相关性, 土壤含水量和酸碱度与其他养分指标呈负相关关系, pH与TN、AN和AK相关系数分别为-0.546、-0.606和-0.663, 相关性达到了显著水平, 各养分指标间呈正相关, TN与TP、AN、AP和AK均呈极显著正相关(P< 0.01), 最高相关系数达到0.834, TP与TN和AN相关性较高, 相关系数分别为0.711和0.500, 达到显著或极显著水平(P< 0.05; P< 0.01); 土壤活性有机碳和碳库管理指数之间均存在明显相关性(表4), 土壤总有机碳含量与活性有机碳、碳库指数和碳库管理指数均呈极显著相关(P< 0.01), 相关系数分别为0.670、1.000和0.627, 碳库指数与碳库活度(A)、活度指数(AI)呈负相关, 与其他指标均呈极显著正相关, 相关性均达到极显著水平(P< 0.01)。

为进一步表明CPMI与土壤养分之间的相关机理, 对土壤碳库指标与土壤养分做相关性分析(表5)可知, 除含水量和酸碱度以外, Cr、CA、CPI和CPMI均与土壤养分指标呈显著或极显著正相关(P< 0.05; P< 0.01), 酸碱度与Cr、CA、CPI和CPMI呈显著负相关(P< 0.05), 相关系数分别为-0.661、-0.437、-0.661和-0.410。碳库活度和活度指数与TN、TP呈负相关, 与其他养分指标呈正相关, 但相关性不显著(P> 0.05), 由此说明, CPMI较Cr和CA更为快速和准确反映土壤养分的供应状况, 能够作为反映土壤质量变化和评价土壤管理措施的指标之一。

表3 不同植被恢复下土壤理化指标间相关系数 Table 3 The correlation coefficient between the soil physical and chemical indexes under different vegetation restoration
表4 不同植被恢复下土壤活性有机碳及碳库管理指数相关系数 Table 4 Under different vegetation restoration, soil active organic carbon and carbon management index correlation coefficient
表5 不同植被恢复下土壤活性有机碳及碳库管理指数与理化性质相关系数 Table 5 Under different vegetation restoration, soil active organic carbon and carbon management index and physical and chemical properties of the correlation coefficient
3 讨论
3.1 不同典型植被根际与非根际土壤养分元素分布特征

大量研究表明, 土壤各养分元素含量在植物根际与非根际差异较大[18], 本研究中不同植被根际与非根际土壤各养分存在明显的差异(表2), 主要是由于植被的分布影响了地表降雨产、汇流特征和地表水资源再分配过程[19], 在荒漠草原生境中, 植物生长导致灌丛化过程发生, 使得根际土壤养分含量呈现增加趋势, 非根际养分分布较均一, 这种空间异质性随着灌丛斑块自身扩展而趋于增强, 从而导致荒漠草原“ 肥岛效应” 的形成[20], 究其机理源于植被根系分泌的有机酸降低了根际土的pH, 活化了根际土壤难溶性养分, 直接或间接影响和改善根际土的养分有效性, 从而提高了土壤养分含量有效性[21], 再次, 有研究表明[22], 植物生长系统的物种多样性指数随距根际距离增大而减少, 微生物类群形成了明显的过渡带, 同时植被枯落物的分解和矿化, 诱发了土壤微生物的多样性和数量的增加[23], 两者形成一定的反馈体系, 加速了土壤养分循环, 本研究在相同土层根际土出现明显的“ 养分富集” 现象, 与其他学者[24]的研究结果一致; 植被的分布很大程度地增大了生态系统的盖度[25], 雨水节流作用增强, 导致地表径流量减少, 随土层深度的加大, 根系分布减少[26], 加之土壤表层枯落物的累积, 植被盖度越大其凋落物积累越多, 表层归还土壤的养分明显要高于亚表层和深层, 同时, 盐池荒漠草原放牧强度较大, 单位面积粪便排泄量大, 从而使得表层土壤养分含量升高, 这与石永红等[27]关于放牧对土壤理化性质影响的研究结果一致, 土壤TP、AP含量在不同群落中各土层无显著变化, 分布较为均匀, 其与磷元素的存在状态、其分解速率和稳定性有关, 戎郁萍等[28]的研究结果与此相似, 因此, 随土层深度的增加养分含量逐渐减少。

3.2 不同典型群落类型活性有机碳及碳库管理指数特征

土壤活性有机碳是土壤碳库中比例小、移动快、易分解、易氧化、能直接参与土壤生物化学转化过程的组分, 其可敏感地反映土壤有机碳的微小变化[29]。结合表2、图1分析可知, 4种植被群落土壤CA含量与土壤养分及Cr分布规律相似, 均呈根际土大于非根际土, 随土层的加深而减少, 原因在于表层土壤容重较小、通气性好, 水分、有机质、养分含量高, 为根际土微生物的生长繁殖提供了舒适的环境和丰富的能源物质, 诱导微生物的生长发育, 加速了外界有机质向土壤中的输入和土壤中有机碳的分解速率, 这与吴建国等[30]在宁夏六盘山林区发现土壤活性有机质随土壤深度而递减的剖面分布趋势相似。宇万太等[31]、徐明岗等[17]研究指出, 相对于土壤总有机质, 土壤碳库管理指数更能全面地评价土壤肥力和质量变化的指标, CPMI值越大表明土壤的维持状况越好, 土壤质量相对越高[32]。本研究中, 荒漠草原植被根际土CPMI较非根际明显增高, 说明植被生长显著改善了土壤质量、增强了土壤养分的循环和碳汇功能, 同时, 植被类型间CPMI形成较大差异, 沙蒿根际土壤CPMI增长较为缓慢, 非根际土壤CPMI大幅度降低, 短花针茅根际和非根际呈相同的变化趋势, 蒙古冰草CPMI增长幅度较大, 但根际与非根际土之间的变化趋势不同, 柠条植被群落根际表层CPMI远远高于亚表层和深层, 非根际亚表层碳库管理指数达到最大, 主要原因在于柠条属豆科锦鸡儿属, Moore等[33]指出豆科植物有利于土壤微生物的积累, 间接促进了土壤有机碳的储存, 柠条植物作为荒漠草原优选的固沙、保水、绿化和饲料植物, 放牧区的承载量相对较高, 严重的外界干扰使得牲畜粪便和植物凋落物等外源物质的大量输入, 明显加速了土壤有机碳的循环速率[34], 贾举杰等[35]在黄土高原的研究也得出相似的结论。

3.3 土壤碳库管理指数与理化性质的关系

碳库管理指数CPMI与土壤养分指标呈显著或极显著相关(表5), 证实了生态系统土壤CPMI可用来评估土壤碳库及土壤质量的动态变化[31]。结合表2分析, 柠条和蒙古冰草植被类型中土壤CA分布规律与土壤养分分布相似, 即土壤CA与养分含量呈正相关, 这与He等[36]研究结果一致, 土壤养分 N、P、K 在不同的生境中含量存在明显差异, 土壤养分与生物多样性存在相应的互补关系, 即土壤 N、P、K 含量增高时, 促进了土壤碳库的循环和周转速率, 土壤质量和生产力显著升高; 土壤含水量和酸碱度与土壤Cr、CA、CPI和CPMI均负相关, 且酸碱度与Cr、CA、CPI和CPMI呈显著负相关, 土壤含水量的差异导致土壤干湿交替过程和土壤碳库周转速度的不同, 水分含量升高加剧土壤有机碳矿化[37], 与风干土壤相比, 其有机碳矿化量提高 5 倍[38], 李银坤等[39]在华北平原研究指出, 田间持水量在25%~100%范围内, 随着土壤含水量的升高, 有机碳矿化速率呈增加趋势, 增幅逐渐降低, 田间持水量为75%时有机碳净矿化率达到最高, 原因在于土壤中存在大量的易分解糖类和蛋白质等有机物质, 水分含量升高, 微生物酶活性强提高了有机碳矿化速率[40]影响土壤碳库循环及土壤质量; 土壤有机质含量及碳库动态变化与pH存在显著负相关, 在不同植被类型间有明显差异, 戴万宏等[41]的研究得出, 土壤有机质含量随pH升高呈降低趋势, 二者之间呈极显著负相关关系, Curtin等[42]发现土壤pH值升高, 可溶性有机碳含量增加, 促进矿化有机碳氮积累。Moody等[43]研究了森林CA与土壤因子的关系, 结果显示土壤CA含量与pH值之间呈线性负相关。由此说明, 土壤碳库周转和累积是在各种自然因素(如植被和气候等)和人为因素(耕作管理和土地利用等)的影响、土壤微生物参与下, 共同达到一种土壤-植物-气候生态平衡的过程, 土壤酸碱度在此过程中起到重要的作用。

4 结论

荒漠草原4种典型植被类型土壤养分含量随土壤深度增加呈降低趋势, 根际土大于非根际, 表现出了荒漠草原特殊的“ 肥岛” 聚集效应, 在不同的植被类型间, 养分分布差异显著。

4种典型植被类型土壤Cr和CA含量在土壤垂直剖面中的分布相似, 具有一定的“ 聚表效应” , 根际土CPMI均呈增长趋势, 植被生长显著改善了土壤有机质状况和土壤碳库质量, 明显增强荒漠草原土壤碳汇功能。

荒漠草原土壤CPMI 与土壤养分供应含量呈显著相关, 土壤 N、P、K 含量增高时, 促进了土壤碳库循环和周转速率, 显著提高土壤质量和生产力, 土壤含水量和酸碱度与Cr、CA、CPI和CPMI均呈负相关, 土壤CPMI与酸碱度相关性显著, 能够作为反映评价土壤质量和土壤管理措施指标。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
[1] Zhou L, Li B G, Zhou G S. Advances in controlling factors of soil organic carbon. Advances in Earth Science, 2005, 20(1): 99-105.
周莉, 李保国, 周广胜. 土壤有机碳的主导影响因子及其研究进展. 地球科学进展, 2005, 20(1): 99-105. [本文引用:1]
[2] Wang Q K, Zhong M C, Wang S L. A meta-analysis on the response of microbial biomass, dissolved organic matter respiration and Nmine ralization in mineral soil to fire in forest ecosystems. Forest Ecology and Management, 2012, 27(1): 91-97. [本文引用:1]
[3] Ji J Q, Xia Z J, Si H L, et al. Impacts of different varieties and farming methods on rhizosphere soil microorganisms of sweet potato in saline and alkaline. Shand ong Science, 2013, 26(1): 22-27.
纪婧琦, 夏志洁, 司红丽, 等. 不同品种及农作方式对盐碱地甘薯根际微生物的影响. 山东科学, 2013, 26(1): 22-27. [本文引用:1]
[4] Wang C, Wu F, Liu X L, et al. Tobacco rhizosphere microorganism in different fertility of soil. China Tobacco Science, 2005, 26(2): 12-14.
王超, 吴凡, 刘训理, 等. 不同肥力条件下烟草根际微生物的初步研究. 中国烟草科学, 2005, 26(2): 12-14. [本文引用:1]
[5] Zhang B, Yang Y A, Zepp H. Effect of vegetation restoration on soil and water erosion and nutrient losses of a severely eroded clayey Plinthudult in southeastern China. Catena, 2004, 57(1): 77-90. [本文引用:1]
[6] Zhang H H, Tang M, Chen H, et al. Microbial communities in Pinus tabulaeform is mycor rhizosphere under different ecological conditions. Acta Ecologica Sinica, 2007, 27(12): 5463-5470.
张海涵, 唐明, 陈辉, 等. 不同生态条件下油松(Pinus tabulaeformis)菌根根际土壤微生物群落. 生态学报, 2007, 27(12): 5463-5470. [本文引用:1]
[7] Huang Z Q, Liao L P, Wang S L, et al. Allelopathy of phenolics from decomposing stump-roots in replant Chinese fie woodland . Journal of Chemical Ecology, 2000, 26(9): 2211-2219. [本文引用:1]
[8] Li X Y, Zheng X F, Zhou J B. Contents and characteristic of organic carbon and nitrogen in wheat rhizosphere with different soil textures. Chinese Journal of Soil Science, 2012, 43(3): 610-613.
李晓月, 郑险峰, 周建斌. 不同质地小麦根际土壤有机碳, 氮含量及特性研究. 土壤通报, 2012, 43(3): 610-613. [本文引用:1]
[9] Zhang W J, Liao H K, Long J, et al, Effects of Chinese prickly ash orchard on soil organic carbon mineralization and labile organic carbon in Karst Rocky desertification region of Guizhou province. Environmental Science, 2015, 36(3): 1053-1059.
张文娟, 廖洪凯, 龙健, 等. 种植花椒对喀斯特石漠化地区土壤有机碳矿化及活性有机碳的影响. 环境科学, 2015, 36(3): 1053-1059. [本文引用:1]
[10] Wen Y C, Li Y Q, Yuan L, et al. Comprehensive assessment methodology of characteristics of soil fertility under different fertilization regimes in North China. Ransactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2015, 31(7): 91-99.
温延臣, 李燕青, 袁亮, 等. 长期不同施肥制度土壤肥力特征综合评价方法. 农业工程学报, 2015, 31(7): 91-99. [本文引用:1]
[11] Song X Y, Zhang D J, Zhang J, et al. Effects of gap size in Pinus massoniana plantations on different soil labile organic carbon fractions. Acta Ecologica Sinica, 2015, 35(16): 5393-5402.
宋小艳, 张丹桔, 张健, 等. 马尾松( Pinus massoniana)人工林林窗对土壤不同形态活性有机碳的影响. 生态学报, 2015, 35(16): 5393-5402. [本文引用:1]
[12] Wu C S, Zhang M K. Effects of long-term different fertilization on carbon, nitrogen and phosphorus pools in tea garden soils. Chinese Journal of Soil Science, 2015, 46(3): 578-583.
吴崇书, 章明奎. 长期不同施肥对茶园土壤碳氮磷构成的影响. 土壤通报, 2015, 46(3): 578-583. [本文引用:1]
[13] Hu N J, Han X Z, Yang M F, et al. Short-term influence of straw return on the contents of soil organic carbon fractions, enzyme activities and crop yields in rice-wheat rotation farmland . Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2015, 21(2): 371-377.
胡乃娟, 韩新忠, 杨敏芳, 等. 秸秆还田对稻麦轮作农田活性有机碳组分含量、酶活性及产量的短期效应. 植物营养与肥料学报, 2015, 21(2): 371-377. [本文引用:1]
[14] Li X B, Fan R X, Liu X D. Advance in studies on carbon storage and carbon process in grassland ecosystem of China. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(11): 1845-1851.
李学斌, 樊瑞霞, 刘学东. 中国草地生态系统碳储量及碳过程研究进展. 生态环境学报, 2014, 23(11): 1845-1851. [本文引用:1]
[15] Cheng J M, Jin J W, Tian Y, et al. Distribution characteristics of vegetation and soil carbon density of different forests in Ningxia. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2016, 32(13): 109-117.
程积民, 金晶炜, 田瑛, 等. 宁夏森林植被及土壤碳密度分布特征. 农业工程学报, 2016, 32(13): 109-117. [本文引用:1]
[16] Liu W, Cheng J M, Gao Y, et al. Distribution of organic carbon in grassland on loessplateau and its influencing factors. Acta Pedologica Sinica, 2012, 49(1): 68-76.
刘伟, 程积民, 高阳, 等. 黄土高原草地土壤有机碳分布及其影响因素. 土壤学报, 2012, 49(1): 68-76. [本文引用:1]
[17] Xu M G, Yu R, Sun X F, et al. Effects of long-term fertilization on labile organic matter and carbon management index (CMI) of the typical soils of China. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2006, 12(4): 459-465.
徐明岗, 于荣, 孙小凤, 等. 长期施肥对我国典型土壤活性有机质及碳库管理指数的影响. 植物营养与肥料学报, 2006, 12(4): 459-465. [本文引用:2]
[18] Shi W M, Wang X C, Yan W D. Distribution patterns of available P and K in rape rhizosphere in relation to genotypic difference. Plant and Soil, 2004, 261(12): 11-16. [本文引用:1]
[19] Shao X Q, Shen Y Y, Wang K. Effects of conservation tillage on the photosynthesis, transpiration and water use efficiency of summer sown Glucine max. Acta Prataculturae Sinica, 2006, 15(6): 82-86.
邵新庆, 沈禹颖, 王堃. 水土保持耕作对夏种大豆光合, 蒸腾及水分利用效率的影响. 草业学报, 2006, 15(6): 82-86. [本文引用:1]
[20] Sun X L, Kang S R L, Zhang Q, et al. Relationship between species diversity, productivity, climatic factors and soil nutrients in the desert steppe. Acta Prataculturae Sinica, 2015, 24(12): 10-19.
孙小丽, 康萨如拉, 张庆, 等. 荒漠草原物种多样性、生产力与气候因子和土壤养分之间关系的研究. 草业学报, 2015, 24(12): 10-19. [本文引用:1]
[21] An S S, Huang Y M. Study on the ameliorate benefits of Caragana korshinskii shrub wood to soil properties in loess hilly area. Scientia Silvae Sinicae, 2006, 42(1): 70-75.
安韶山, 黄懿梅. 黄土丘陵区柠条林改善土壤作用的研究. 林业科学, 2006, 42(1): 70-75. [本文引用:1]
[22] Ren X, Chu G X, Song R Q, et al, The characteristics of “Fertile Island ” on haloxylon ammodendron at an oasis-desert ecotone in the south edge of Junggar basin. Chinese Journal of Soil Science, 2010, 41(1): 100-104.
任雪, 褚贵新, 宋日权, 等. 准噶尔盆地南缘绿洲-荒漠过渡带梭梭“肥岛”效应特征. 土壤通报, 2010, 41(1): 100-104. [本文引用:1]
[23] Liu R T, Li X B, Xin M, et al, Response of the ground arthropod community to exclosure of desert steppe in semi-arid regions. Acta Prataculturae Sinica, 2012, 21(1): 66-74.
刘任涛, 李学斌, 辛明, 等. 半干旱沙地草场地面节肢动物群落对封育措施的响应. 草业学报, 2012, 21(1): 66-74. [本文引用:1]
[24] Yang Y, Liu B R, Song N P, et al. The effect of planted Caragana density on the spatial distribution of soil nutrients in desert steppe. Acta Prataculturae Sinica, 2014, 23(5): 107-115.
杨阳, 刘秉儒, 宋乃平, 等. 人工柠条灌丛密度对荒漠草原土壤养分空间分布的影响. 草业学报, 2014, 23(5): 107-115. [本文引用:1]
[25] Guo Z S. Limit of vegetation rehabilitation for soil and water conservation in semi-arid region of Loess Plateau: A case study of artificial Caragana korshihskii Kom stand . Science of Soil and Water Conservation, 2009, 7(4): 49-54.
郭忠升. 黄土高原半干旱区水土保持植被恢复限度-以人工柠条林为例. 中国水土保持科学, 2009, 7(4): 49-54. [本文引用:1]
[26] Bi J Q, Du F, Liang Z S, et al. Research on root system of Caragana korshinskii at different site conditions in the hilly regions of loess plateau. Forest Research, 2006, 19(2): 225-230.
毕建琦, 杜峰, 梁宗锁, 等. 黄土高原丘陵区不同立地条件下柠条根系研究. 林业科学研究, 2006, 19(2): 225-230. [本文引用:1]
[27] Shi Y H, Han J G, Shao X Q, et al. Effects of dairy cows grazing on soil physical and chemical properties of alfalfa grass pasture in agro pastoral transitional zone of north China. Chinese Journal of Grassland , 2007, 29(1): 24-30.
石永红, 韩建国, 邵新庆, 等. 奶牛放牧对人工草地土壤理化特性的影响. 中国草地学报, 2007, 29(1): 24-30. [本文引用:1]
[28] Rong Y P, Han J G, Wang P, et al. The effects of grazing intensity on soil physics and chemical properties. Grassland of China, 2001, 23(4): 41-47.
戎郁萍, 韩建国, 王培, 等. 放牧强度对草地土壤理化性质的影响. 中国草地, 2001, 23(4): 41-47. [本文引用:1]
[29] Bastida F, Barber G G, Garca C, et al. Influence of orientation vegetation and seas on soil micro biomass and biochemical characteristics under semiarid conditions. Applied Soil Ecology, 2008, 38(1): 62-70. [本文引用:1]
[30] Wu J G, Zhang X Q, Xu D Y. Changes in soil labile organic carbon under different land use in the liupan mountain forest zone. Acta Phytoecologica Sinica, 2004, 28(5): 657-664.
吴建国, 张小全, 徐德应. 六盘山林区几种土地利用方式下土壤活性有机碳的比较. 植物生态学报, 2004, 28(5): 657-664. [本文引用:1]
[31] Yu W T, Zhao X, Ma Q, et al. Effect of long-term fertilization on available carbon pool and carbon pool management index in an aquic brown soil. Chinese Journal of Soil Science, 2008, 39(3): 539-545.
宇万太, 赵鑫, 马强, 等. 长期定位试验下施肥对潮棕壤活性碳库及碳库管理指数的影响. 土壤通报, 2008, 39(3): 539-545. [本文引用:2]
[32] Luo Y J, Wang Z F, Gao M, et al. Effects of different tillage systems on soil labile organic matter and carbon management index of purple paddy soil. Journal of Soil and Water Conservation, 2007, 21(5): 55-58, 81.
罗友进, 王子芳, 高明, 等. 不同耕作制度对紫色水稻土活性有机质及碳库管理指数的影响. 水土保持学报, 2007, 21(5): 55-58, 81. [本文引用:1]
[33] Moore J M, Klose S, Tabatabai M A. Soil microbial bio-mass carbon and nitrogen as affected by cropping system. Biology and Fertility of Soils, 2000, 31: 200-210. [本文引用:1]
[34] Ma M D, Li Q, Luo C D, et al. Study on soil labile organic carbon under some main forest types in Wolong nature reserve, China. Journal of Soil and Water Conservation, 2009, 23(2): 127-131.
马明东, 李强, 罗承德, 等. 卧龙亚高山主要森林植被类型土壤碳汇的研究. 水土保持学报, 2009, 23(2): 127-131. [本文引用:1]
[35] Jia J J, Li J H, Wang G, et al. Effects of the introduction of legume species on soil nutrients and microbial biomass of aband oned-fields. Journal of Lanzhou University Natural Sciences, 2007, 43(5): 32-36.
贾举杰, 李金花, 王刚, 等. 添加豆科植物对弃耕地土壤养分和微生物量的影响. 兰州大学学报自然科学版, 2007, 43(5): 32-36. [本文引用:1]
[36] He J S, Bazzaz F A, Schmid B. Interactive effects of diversity, nutrients and elevated CO2 on experimental plant communities. Oikos, 2002, 97, 337-348. [本文引用:1]
[37] Wang Y H, Su Y R, Li Y, et al. Response of the turnover of soil organic carbon to the soil moisture in paddy and upland soil. Scientia Agricultura Sinica, 2012, 45(2): 266-274.
王嫒华, 苏以荣, 李杨, 等. 水田和旱地土壤有机碳周转对水分的响应. 中国农业科学, 2012, 45(2): 266-274. [本文引用:1]
[38] Majumder B, Mand al B, Band yopadhyay P K, et al. Organic a-mendments influence soil organic carbon pools and rice-wheatproductivity. Soil Science Society of American Journal, 2008, 72: 775-785. [本文引用:1]
[39] Li Y K, Chen M P, Mei X R, et al. Effects of soil moisture and nitrogen addition on organic carbon mineralization in a high-yield cropland soil of the North China Plain. Acta Ecologica Sinica, 2014, 34(14): 4037-4046.
李银坤, 陈敏鹏, 梅旭荣, 等. 土壤水分和氮添加对华北平原高产农田有机碳矿化的影响. 生态学报, 2014, 34(14): 4037-4046. [本文引用:1]
[40] Min K, Kang H, Lee D. Effects of ammonium and nitrate additions on carbon mineralization in wetland soils. Soil Biology and Biochemistry, 2011, 43(12): 2461-2469. [本文引用:1]
[41] Dai W H, Huang Y, Wu L, et al. Relationships between soil organic matter content (SOM) and pH in topsoil of zonal soils in China. Acta Pedologica Sinica, 2009, 46(5): 851-860.
戴万宏, 黄耀, 武丽, 等. 中国地带性土壤有机质含量与酸碱度的关系. 土壤学报, 2009, 46(5): 851-860. [本文引用:1]
[42] Curtin D, Campbell C A, Jalil A. Effects of acidity on mineralization: pH-dependence of organic matter mineralization in weakly acid soils. Soil Biology and Biochemistry, 1998, 30: 57-64. [本文引用:1]
[43] Moody P W, Yo S A, Aitken R L. Soil organic carbon, permanganate fractions and the chemical properties of acidic soils. Australian Journal of Soil Research, 1997, 35: 1301-1308. [本文引用:1]