作者简介:许冬梅(1970-),女,宁夏中卫人,教授,博士。E-mail:nxxudongmei@163.com
以宁夏荒漠草原自然恢复的围封草地为对象,通过野外调查和室内分析,研究了未封育、封育3、5、7和10年的草地总有机碳及其在土壤剖面和不同粒级团聚体中的分布。结果表明,土壤有机碳含量随封育年限的增加呈波动性增加,除0~5 cm土层外,各土层有机碳含量以封育7年、10年的草地较高;就有机碳在不同粒径团聚体中的分布看,0~10 cm表层土壤以封育3年及未封育草地各粒级团聚体有机碳含量较高,而10~40 cm土层各粒级团聚体有机碳随封育年限的延长呈增加趋势,各土层团聚体有机碳含量均以1~0.5 mm与0.5~0.25 mm粒级较高;各粒级团聚体对有机碳的贡献率在0~10 cm表层以<0.25 mm微团聚体最高,10~20 cm土层以>5 mm粒级和<0.25 mm粒级较高,20~40 cm土层以>5 mm粒级最高。综上所述,封育有利于荒漠草原土壤有机碳的固存,退化荒漠草原生态环境恢复在封育7年时出现转折;随土层的加深,团聚体有机碳贡献率对封育的响应减弱,且大团聚体对全土有机碳的贡献率逐渐增大。
Fencing (enclosure) is one of the strategies used to promote the natural restoration of ecological communities on the desert steppe in Ningxia. To explore the effects of enclosure on soil organic carbon and its distribution, field studies were conducted at sites with 3, 5, 7, and 10 years of enclosure. Soil samples were collected to determine the total organic carbon concentration and its distribution at different soil depths and in soil aggregates. The results showed that the soil organic carbon concentrations were higher in 7-year and 10-year enclosed grasslands than in those enclosed for shorter times, except at 0-5 cm depth. The concentrations of soil organic carbon were lower in the 0-5 cm and 5-10 cm soil layers than in the 10-20 cm and 20-40 cm soil layers. The soil organic carbon concentrations in soil aggregate particles at 0-10 cm depth were highest in the 3-year enclosed grassland, while those at 10-40 cm depth increased with longer enclosure times. The maximum soil organic carbon contents were in aggregates with 1-0.5 mm and 0.5-0.25 mm diameters. Aggregates of <0.25 mm, >5 mm or <0.25 mm, and >5 mm made the largest contributions to soil organic carbon content at 0-10 cm depth, 10-20 cm depth and 20-40 cm depth, respectively. The contribution of aggregates to soil organic carbon content decreased with increasing enclosure times. As the soil depth increased, the contribution of aggregates to soil organic carbon content decreased, but the contributions of macroaggregates to soil organic carbon content increased. In conclusion, enclosure was beneficial for carbon sequestration. The restoration of the ecosystem on the degraded desert steppe appeared to undergo a transition at the 7th year of enclosure.
土壤圈是陆地生态系统中储量最大的碳库, 土壤碳储量约是大气碳储量的2倍、植被碳储量的2~3倍[1, 2]。土壤有机碳作为土壤组成的重要部分, 不仅是表征土壤质量的重要生态因子, 而且是陆地生态系统重要的碳库, 是大气CO2巨大的源和汇, 影响全球碳素循环的平衡[3, 4]。
草地是陆地生态系统的重要组分, 也是当前人类活动影响最为严重的区域之一, 由人类强烈扰动引起的草地植被和土壤退化导致温室气体的释放[5]。在退化生态系统中, 通过采用恢复措施改善土壤质量、增加土壤有机碳含量、提高生物量生产以缓解温室效应是可行的[6, 7, 8]。封育可以促进草地土壤有机碳的恢复和积累[9, 10, 11], 退化草地围封后, 土壤有机碳、全氮储量增加, 土壤轻组有机碳、微生物量碳含量也有所提高, 土壤质量得到改善[12, 13, 14]。干旱沙区草地恢复过程中, 有机碳储量增加程度随深度增加有降低趋势, 并且表层土壤有机碳储量远高于深层土壤, 土壤有机碳储量表聚性随固沙植被演变越发明显[8]。
团聚体作为土壤理化性质的中心调节器, 影响有机碳的化学和生物化学固定, 土壤的固碳功能伴随着土壤团聚体的形成、稳定及更新过程[15, 16]。不同管理措施对土壤固碳的影响主要是通过对土壤微团聚体更新与转化的改变, 从而使有机碳的保护机制发生变化所致[17]。Maria等[18]研究表明, < 53 μ m粒径中颗粒有机碳和总有机碳含量是反映短期草地管理措施变化的敏感指标。不同土地利用方式对土壤团聚体稳定性、有机碳分布及大团聚体有机碳的稳定性影响较为明显[19]。草地植被恢复提高了土壤团聚体有机碳含量, 不同粒径团聚体有机碳组分对团聚体稳定性的贡献不同, 5~2 mm和1~0.25 mm团聚体有机碳含量的提高有助于土壤水稳性团聚体的形成[20]。
宁夏是我国“ 两屏三带” 生态安全体系建设的关键区域, 天然草地占国土总面积的47.2%, 其中, 荒漠草原占全区草地总面积的55%, 是重要的碳储库。草地是天然的生态屏障, 也是重要的自然资源, 对促进区域经济发展, 维护区域乃至国家生态安全具有重要的战略地位。然而, 由于长期以来人为的不合理利用及传统落后的生产方式和不相协调的发展模式, 使得草原生态环境日益恶化。随着国家退耕还林还草、天然草地保护等项目工程的启动, 宁夏于2003年全面实施了退耕还草、草地围封禁牧和休牧, 给草场提供了休养生息的机会, 部分草地生态环境得到改善[21]。本研究针对不同封育年限荒漠草原, 研究土壤总有机碳在土壤剖面和不同粒径团聚体中的分布, 分析土壤有机碳库及其稳定性随植被恢复的动态变化及土壤结构与有机碳物理保护作用的关系, 为正确认识和评估封育措施对草地碳循环的影响提供依据。
研究区设在宁夏东部风沙区盐池县, 属短花针茅(Stipa breviflora)和牛枝子(Lespedeza potaninii)为建群种的荒漠草原, 在宁夏荒漠草原区具有代表性。该区地处毛乌素沙地南缘, 北纬37° 52'30″-37° 57'30″, 东经107° 26'15″-107° 33'45″; 海拔1300~1360 m; 年均温7.5 ℃; 年均降水量280 mm, 降水年际变率大, 其中60%以上集中在6-9月; 年蒸发量2710 mm; 土壤为灰钙土, 地带性植被属荒漠草原带, 物种主要有短花针茅、牛枝子、中亚白草(Pennisetum centrasiaticum)、甘草(Glycyrrhiza uralensis)、猪毛蒿(Artemisia scoparia)等。
1.2.1 样品采集 采用空间梯度代替时间梯度的方法, 于2015年7月分别选取类型一致的未封育 (F0)、封育3年 (F3)、5年 (F5)、7年 (F7)、10年 (F10)的荒漠草原为研究样地, 3次重复。在每个样地, 采用限定随机取样方法, 沿对角线布设5个200 m× 200 m的样区, 在每个样区内随机设置3个取样点, 在每个取样点采用多点混合法分0~5 cm、5~10 cm、10~20 cm、20~40 cm土层采集土样, 将同层样品混合均匀, 同时取原状土样用于土壤团聚体测定。
1.2.2 测定方法 采用沙维诺夫干筛法[22]分离出> 5 mm、5~3 mm、3~2 mm、2~1 mm、1~0.5 mm、0.5~0.25 mm、< 0.25 mm不同粒级团聚体; 土壤总有机碳及团聚体有机碳采用重铬酸钾氧化-外加热法测定; 各粒级团聚体对土壤有机碳的贡献率(%)由以下公式计算:
团聚体对土壤有机碳贡献率(%)=(该粒级团聚体中有机碳含量× 该级团聚体含量/土壤总有机碳含量)× 100
采用Excel 2003和SPSS 18.0软件进行统计分析, 采用one-way ANOVA法和LSD法进行方差分析和多重比较。
由图1可以看出, 宁夏荒漠草原0~5 cm表层土壤有机碳含量随封育年限的增加呈先下降后上升趋势, 但各封育年限草地之间有机碳含量差异不显著(P> 0.05)。5~10 cm土层有机碳含量为封育7年草地> 封育3年草地> 未封育草地> 封育10年草地> 封育5年草地, 其中, 封育7年的草地土壤有机碳含量为3.17 g/kg, 显著高于封育5年的草地(P< 0.05), 而封育7年、3年、10年的草地及未封育草地之间差异不显著(P> 0.05), 封育5年、10年、3年的草地及未封育草地之间差异不显著(P> 0.05)。10~20 cm土层有机碳含量变化为封育7年草地> 未封育草地> 封育10年草地> 封育5年草地> 封育3年草地, 变化范围为3.00~4.52 g/kg, 其中, 封育3年的草地有机碳含量显著低于封育7年的草地(P< 0.05)。20~40 cm土层有机碳含量以封育3年的草地最低, 为2.27 g/kg, 显著低于未封育及其他封育年限草地(P< 0.05), 而封育5年、7年、10年的草地及未封育草地之间差异不显著(P> 0.05)。从剖面分布看, 各封育年限草地随土层的加深变化规律不完全相同, 但总体以0~5 cm和5~10 cm表层土壤有机碳含量较低, 而10~20 cm和20~40 cm土层有机碳含量较高。
不同粒级团聚体有机碳含量是土壤有机碳平衡的微观表征。由图2可以看出, 0~5 cm土层各粒级团聚体有机碳含量对封育的响应不同。> 5 mm、5~3 mm及< 0.25 mm粒级团聚体有机碳含量均以封育3年的草地最高, 封育5年的草地最低, 其中, 封育3年的草地> 5 mm团聚体有机碳含量显著高于未封育及封育5年、10年的草地, 5~3 mm与< 0.25 mm团聚体有机碳含量显著高于未封育及其他封育年限的草地(P< 0.05), 而各封育年限及未封育草地之间3~2 mm与2~1 mm团聚体有机碳含量差异不显著(P> 0.05)。1~0.5 mm及0.5~0.25 mm团聚体有机碳含量随封育年限的增加呈先下降后上升趋势, 均以未封育草地最高, 其中1~0.5 mm团聚体有机碳含量封育7年降至最低, 且显著低于未封育及封育3年、10年的草地; 0.5~0.25 mm团聚体有机碳含量封育5年降至最低, 显著低于未封育草地(P< 0.05), 但与封育3年、7年、10年的草地之间差异不显著(P> 0.05)。
5~10 cm土层, 各封育年限及未封育草地之间> 5 mm及< 0.25 mm团聚体有机碳含量差异不显著(P> 0.05); 5~3 mm、3~2 mm及1~0.5 mm粒级团聚体有机碳含量以封育3年的草地最高, 封育5年、7年的草地较低(P< 0.05); 2~1 mm粒级团聚体有机碳含量以未封育草地最高, 显著高于封育5年、10年的草地; 0.5~0.25 mm粒级团聚体有机碳含量至封育3年降至最低, 为3.05 g/kg, 显著低于未封育及封育10年的草地(P< 0.05)。
10~20 cm土层, 不同粒径团聚体有机碳含量总体为封育10年、7年及未封育草地较高, 封育3年、5年的草地较低。其中, 各封育年限及未封育草地之间5~3 mm、3~2 mm及< 0.25 mm团聚体有机碳含量差异不显著(P> 0.05); 未封育和封育7年的草地> 5 mm及2~1 mm团聚体有机碳含量显著高于封育3年的草地(P< 0.05); 1~0.5 mm及0.5~0.25 mm粒级团聚体有机碳含量以封育10年的草地最高, 均显著高于封育3年的草地(P< 0.05)。
20~40 cm土层, 各粒级团聚体有机碳含量总体表现为封育5年、10年的草地较高, 封育3年、7年及未封育草地较低。封育5年、10年的草地> 5 mm、5~3 mm、 3~2 mm、2~1 mm粒级团聚体有机碳含量显著高于封育3年的草地, 1~0.5 mm粒级团聚体有机碳含量显著高于未封育及封育7年的草地, 0.5~0.25 mm粒级团聚体有机碳含量显著高于未封育及封育3年、7年的草地(P< 0.05); < 0.25 mm粒级团聚体有机碳含量以封育5年的草地最高, 显著高于封育7年的草地(P< 0.05)。
综上所述, 不同土层团聚体有机碳含量对封育的响应不同。0~5 cm与5~10 cm土层以未封育及封育3年的草地各粒级团聚体有机碳含量较高; 10~20 cm土层各粒级团聚体有机碳含量则以封育7年、10年的草地较高。20~40 cm土层, 各粒级团聚体有机碳含量以封育5年、10年的草地较高, 表明随封育时间的延长, 土壤有机碳趋于向深层积累。就各粒级团聚体有机碳含量差异看, 1~0.5 mm与0.5~0.25 mm粒级团聚体有机碳含量较其他粒级团聚体有机碳含量高, 尤其是0~5 cm和5~10 cm表层土壤。
由图3可以看出, 各封育年限草地0~5 cm和5~10 cm土层均以< 0.25 mm粒级团聚体对全土有机碳贡献率最高, 且随着封育年限的增加呈先上升后下降的趋势, 其中封育10年的草地< 0.25 mm粒级团聚体对全土有机碳贡献率显著低于其他封育年限及未封育草地(P< 0.05), > 0.25 mm大团聚体对全土有机碳的贡献率分别为51.87%和64.05%, 其他封育年限草地及未封育草地> 0.25 mm大团聚体对全土有机碳的贡献率分别为13.73%~26.50%、22.14%~36.75%, 这主要是由于< 0.25 mm微团聚体占全土的百分含量均最高, 使得其对全土有机碳的贡献率最大, 各封育年限草地1~0.5 mm与0.5~0.25 mm粒级团聚体有机碳含量虽然较高, 但1~0.5 mm与0.5~0.25 mm粒级团聚体占全土百分含量较低, 因而其对全土有机碳的贡献率较低。10~20 cm土层, 各封育年限草地以> 5 mm和< 0.25 mm粒级团聚体对全土有机碳的贡献率较大, 其中, < 0.25 mm微团聚体对全土有机碳的贡献率随封育年限的延长呈先上升后下降趋势, 以封育3年的草地最高, 显著高于封育10年的草地(P< 0.05); 其他粒级团聚体对全土有机碳贡献率较小且各封育年限草地之间差异不显著(P> 0.05)。20~40 cm土层, 不同粒级团聚体对有机碳的贡献率随封育年限的延长变幅不大, 各封育年限草地均以> 5 mm粒级团聚体对全土有机碳贡献率较大, 而< 0.25 mm微团聚体对全土有机碳的贡献率除封育3年的草地为37.50%外, 其他封育年限及未封育草地均低于30%, 较0~20 cm各土层显著降低。从剖面分布看, 随着土层的加深, 大团聚体对全土有机碳的贡献率逐渐增大, 不同粒级团聚体对有机碳的贡献率对封育的响应减弱。
土壤有机碳是表征土壤质量状况的主要生态因子, 土壤有机碳库的变化影响土壤碳向大气的排放量, 进而与全球气候变化密切相关[22, 23]。由人类强烈扰动引起的草地植被和土壤退化导致温室气体的释放[5]。封育有利于宁夏荒漠草原土壤有机碳的固存, 其含量随封育年限的增加呈波动性增加, 除0~5 cm土层外, 各土层有机碳含量以封育7年的草地较高, 且与封育10年的草地之间差异均不显著(P> 0.05), 表明在封育措施下, 退化荒漠草原生态环境恢复在封育7年时出现转折。以往的研究也表明, 封育禁牧有利于不同类型退化草地土壤有机碳的积累, 但并不是封育时间越长有机碳含量越高[24, 25, 26]。不同封育年限草地土壤有机碳含量剖面分布总体以0~5 cm和5~10 cm表层土壤较低, 而10~20 cm和20~40 cm土层较高, 这可能是由于荒漠草原植被盖度较低, 凋落物对表土有机碳固存的贡献较小, 加之风蚀作用导致表层土壤有机碳含量受损。
土壤团聚体是有机碳稳定和保护的载体, 土壤的固碳功能伴随着团聚体组成的变化[16]。不同粒径团聚体稳定和保护有机碳的能力不同, 土壤团聚体有机碳的变化影响土壤总有机碳的消长及土壤结构的稳定[27, 28]。封育对荒漠草原不同土层团聚体有机碳含量的影响不同, 0~10 cm表层土壤以封育3年及未封育草地各粒级团聚体有机碳含量较高, 而10~40 cm土层各粒级团聚体有机碳随封育年限的延长总体呈增加趋势。就有机碳在不同粒径团聚体中的分布看, 各土层1~0.5 mm与0.5~0.25 mm粒级团聚体有机碳含量较高。黄土丘陵区植被恢复过程中同一土层土壤团聚体有机碳含量以0.5~0.25 mm与1~0.5 mm两个粒级最高[29], 也有研究表明土壤团聚体有机碳含量以2~0.25 mm粒级较高[30, 31]。
不同粒级团聚体对土壤有机碳的贡献率是土壤不同粒级团聚体含量和各粒级团聚体有机碳含量的综合表现, 可较为全面、客观地反映土地管理措施对有机碳库的影响[32]。宁夏荒漠草原各封育年限草地0~10 cm表层土壤以< 0.25 mm微团聚体占全土的百分含量均最高, 导致该粒级团聚体对全土有机碳贡献率最高。10~20 cm土层, 各封育年限草地以> 5 mm粒级和< 0.25 mm粒级团聚体对全土有机碳的贡献率较大。20~40 cm土层, 各封育年限草地均以> 5 mm粒级团聚体对全土有机碳贡献率较大, 且不同粒级团聚体有机碳贡献率对封育的响应较小。总体看, 随土层的加深, 封育对团聚体有机碳贡献率的影响减弱, 大团聚体对全土有机碳的贡献率逐渐增大。
The authors have declared that no competing interests exist.
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