楊合龍，孫宗玖，范燕敏，蒲寧寧，陳玉萍，張向向

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 新疆草地資源與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830052)

我國草地資源十分豐富，草地面積3.92億hm2，占國土面積的41.14%，比耕地和林地的總和還多，僅次于澳大利亞，是世界第二草原大國[1]。新疆草地面積為5 725萬hm2，占全疆土地面積的36%，僅次于西藏、內(nèi)蒙古，居全國第3位[2]。放牧是草地利用的基本方式，而家畜在放牧過程中，通過踐踏、采食等活動，對草地植被群落特征與土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生影響[3-4]，且土壤理化性質(zhì)的變化，相對于草地植被群落而言，較為緩慢。然而，作為土壤重要組成成分的土壤有機(jī)質(zhì)，是衡量土壤肥力的重要指標(biāo)之一[5-6]。研究表明[7]，由于土壤有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)、組成等的復(fù)雜性，土壤總碳對于外界環(huán)境反應(yīng)的微小變化總是難以觀測，尤其是對于較短的時(shí)間尺度，人類活動對土壤總碳庫的影響并不顯著，顯示出一定的“滯后性”。

土壤活性有機(jī)碳(Soil Labileorganic Carbon，SLOC)對土壤管理措施的響應(yīng)，以及土壤有機(jī)碳庫的變化反應(yīng)靈敏，因此，被認(rèn)為是反映土壤物理性質(zhì)和土壤肥力變化，以及對土壤管理措施綜合評價(jià)的較好指標(biāo)[8-9]，這為揭示放牧對草地土壤有機(jī)質(zhì)的影響提供了新視角。目前，對于土壤活性有機(jī)碳的研究，國內(nèi)外多集中在不同耕作管理措施、不同林分組成間的比較[10-12]，而有關(guān)草地放牧的應(yīng)用較少[13-14]。為此,在新疆昭蘇草甸草原開展新疆褐牛短期放牧強(qiáng)度控制試驗(yàn)，探討短期放牧強(qiáng)度是否對土壤有機(jī)碳組分[土壤易氧化碳(ROC)、土壤顆粒組分、土壤輕組組分]產(chǎn)生影響，哪些組分可以作為有機(jī)碳短期變動的敏感性指標(biāo)，以期為揭示土壤有機(jī)質(zhì)對放牧的響應(yīng)機(jī)制，預(yù)測早期土壤質(zhì)量的變化提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1研究區(qū)域概況 研究區(qū)位于新疆伊犁州昭蘇馬場特克斯河北岸河灘階地叢生禾草+雜類草草甸草原。地處81.00° N，42.59° E，海拔1 650 m。屬于半干旱、半濕潤的溫帶山區(qū)冷涼氣候類型，年均溫為2.9 ℃。試驗(yàn)期間，2010年降水量597.9 mm，2011年降水量587.2 mm，2012年降水量424.7 mm。試驗(yàn)區(qū)草群結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要有黃花苜蓿(Medicagofalcate)、亞洲百里香(Thymusasiaticus)、針茅(Stipacapillata)、羊茅(Festucaovina)、草原苔草(Carexliparocarpos)，無芒雀麥(Bromusinermis)、黃芪(Astragalussp.)、草原糙蘇(Phlomispratens)等。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)與土壤采集 采用隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，設(shè)置輕度放牧(LG)、中度放牧(MG)、重度放牧(HG)3個(gè)放牧強(qiáng)度，隨機(jī)排列，小區(qū)面積均為7.8 hm2，3次重復(fù)，同時(shí)設(shè)置不放牧區(qū)(CK)1個(gè)。放牧區(qū)每年放牧?xí)r間具體為：2010年放牧季為8月1日-10月4日，2011年放牧季為6月13日-10月4日、2012年放牧季均為6月9日-9月10日。放牧?xí)r選取健康的成年新疆褐牛(4～5歲，母牛)，且各放牧區(qū)間其個(gè)體體質(zhì)量差異不顯著(P>0.05)，輕牧、中牧及重牧的載畜率依次為0.38、0.64、0.90 頭·hm-2。白天新疆褐牛在放牧區(qū)自由采食、飲水，晚上趕回圈舍，不補(bǔ)飼。

2011年10月4日，2012年9月10日分別在各試驗(yàn)小區(qū)布置3個(gè)典型取樣區(qū)段(100 m×50 m)，并在區(qū)段內(nèi)隨機(jī)設(shè)置5個(gè)1 m×1 m的樣方。測定草地群落特征后，用直徑7 cm的土鉆分層取樣(0-10、10-20、20-30 cm)，每樣方內(nèi)隨機(jī)鉆取兩鉆，并將每小區(qū)土樣分土層混勻后，裝入塑料密封袋封口保鮮。土樣帶回室內(nèi)撿除植物殘?bào)w、石礫等雜物后，分成兩部分，一部分過2 mm篩，4 ℃保存；另一部分室內(nèi)風(fēng)干，用于草地碳相關(guān)指標(biāo)的測定。

1.3測定方法 土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀外加熱法測定[15]，易氧化有機(jī)碳采用高錳酸鉀氧化法測定[16]，333 mmol·L-1的高錳酸鉀氧化，易氧化碳分配比例=易氧化碳含量/有機(jī)碳含量×100%。土壤顆粒組分，采用物理手段先分散土壤團(tuán)聚體，然后通過離心、濕篩虹吸等方法，將各粒級分離，然后經(jīng)60 ℃烘干，以測定土壤各粒級所含有機(jī)碳[17-19]，土壤顆粒組分比例=烘干后收集顆粒土的質(zhì)量/原土質(zhì)量(25 g)×100%。土壤輕組組分，采用1.8 g·cm-1NaI重液進(jìn)行密度分組[20-25]，土壤輕組組分比例=烘干后收集顆粒土的質(zhì)量/原土質(zhì)量(25 g)×100%。

1.4數(shù)據(jù)分析 采用SPSS 18.0軟件的One-way ANOVA 及Pearson積差法分別進(jìn)行相關(guān)統(tǒng)計(jì)與分析，并用Excel 2007進(jìn)行圖表制作。

2 結(jié)果與分析

2.1短期放牧強(qiáng)度對土壤有機(jī)碳的影響 同一年度CK、LG、MG、HG間0-30 cm各土層有機(jī)碳含量差異均不顯著(P>0.05)；與CK相比，2011年放牧后0-20 cm各土層有機(jī)碳呈下降趨勢，降幅為0.19%～8.63%，2012年0-30 cm土層降幅為0.52%～15.21%，且均在0-10 cm土層降幅最大。與2011年相比，2012年0-20 cm土層有機(jī)碳含量在各處理間均表現(xiàn)為降低，且10-20 cm土層CK、MG降低顯著(P<0.05)；20-30 cm土層各處理間均為上升，且CK增加顯著(P<0.05)。隨著土層的增加，無論放牧與否，2011年和2012年土壤有機(jī)碳含量均呈降低趨勢(圖1)。

圖1 不同放牧強(qiáng)度下土壤有機(jī)碳含量的對比Fig.1 Comparison of soil organic carbon content under different grazing intensity

2.2短期放牧對土壤易氧化碳的影響

2.2.1土壤易氧化碳含量 土壤易氧化碳，指微生物、土壤酶等對土壤有機(jī)物快速氧化、分解的部分[26]。與CK相比，除HG外,放牧后2011年0-10 cm土層易氧化碳含量均顯著增加(P<0.05)，增幅為32.00%～83.00%，且MG增幅最高，而2012年則變化不顯著(P>0.05)；2012年除MG、HG下10-20 cm土層易氧化碳含量顯著降低(P<0.05)外，20-30 cm土層易氧化碳未表現(xiàn)出顯著增降趨勢(P>0.05)，10-30 cm，2012年較2011年均表現(xiàn)為降低，降幅為1.76%～50.40%(圖2)。與2011年相比，除CK、HG顯著增加(P<0.05)外，2012年0-10 cm土層易氧化碳含量均變化不顯著(P>0.05)；而10-30 cm土層降低顯著(P<0.05)。不同放牧強(qiáng)度下，隨土層深度增加，土壤易氧化碳含量均呈降低趨勢，且2012年各土層深度間降幅明顯。

2.2.2土壤易氧化碳分配比例 土壤活性有機(jī)碳占土壤總有機(jī)碳的比率被稱為該種活性有機(jī)碳的分配比例[27]。與CK相比，除2012年LG外，放牧后0-10 cm土層易氧化碳分配比例呈增加趨勢，增幅為13.58%～98.39%，且在LG、MG下，2011年增加顯著(P<0.05)；10-30 m，各土層易氧化碳分配比例基本呈降低趨勢，降幅為5.12%～25.41%，且2011年20-30 cm的MG，2012年10-20 cm的MG、HG降低顯著(P<0.05)(圖3)。與2011年相比，2012年0-10 cm土層CK、HG易氧化碳分配比例顯著增加，10-20 cm及20-30 cm土層所有放牧強(qiáng)度均顯著降低(P<0.05)。無論放牧與否，2011年和2012年土壤易氧化碳分配比例均隨土層深度的增加呈降低趨勢。

圖2 不同放牧強(qiáng)度下土壤易氧化碳含量的對比Fig.2 Comparison of soil readily oxidizable carbon content under different grazing intensity

圖3 不同放牧強(qiáng)度下土壤易氧化碳分配比例的對比Fig.3 Comparison of soil readily oxidizable carbon distribution ratio under different grazing intensity

圖4 不同放牧強(qiáng)度下土壤顆粒組分比例的對比Fig.4 Comparison of soil particulate component ratio under different grazing intensity

2.3短期放牧對土壤顆粒組分比例的影響 與CK相比，放牧后0-10 cm土壤顆粒組分比例均呈增加趨勢，增幅8.09%～36.80%，且2011年增加顯著(P<0.05)；10-20 cm呈降低趨勢，降幅2.08%～32.88%，且2012年降低顯著(P<0.05)；20-30 cm則增降不顯著。除2011年0-10 cm 土層LG明顯低于MG、HG外， LG、MG、HG間0-30 cm各土層土壤顆粒組分比例差異不顯著(P>0.05)。與2011年相比，2012年0-30 cm各土層土壤顆粒組分比例均下降顯著(P<0.05)(圖4)。

2.4短期放牧對土壤輕組組分比例的影響 連續(xù)兩年放牧結(jié)果表明，與CK相比，放牧后0-30 cm土層土壤輕組組分比例未出現(xiàn)顯著的增加或降低，且LG、MG、HG間差異均不顯著(P>0.05)。與2011年相比，2012年0-10 cm土層輕組組分比例均呈現(xiàn)增加趨勢，且CK、HG年度間差異顯著(P<0.05)，而10-30 cm土層各處理間差異不顯著(P>0.05)。無論放牧與否，土壤輕組組分比例均隨土層深度增加呈降低趨勢，且0-10 cm土層與20-30 cm土層間差異明顯(圖5)。

圖5 不同放牧強(qiáng)度下土壤輕組組分比例的對比Fig.5 Comparison of soil light fraction component ratio under different grazing intensity

2.5土壤有機(jī)碳與有機(jī)碳各組分變動情況分析 與2011年相比，2012年土壤(0-30 cm土層)總有機(jī)碳(TOC)、易氧化碳(ROC)、易氧化碳分配比例(PROC)、輕組組分比例(LFR)分別下降了8.10%、32.06%、38.72%、33.30%，而顆粒組分比例(PFR)上升了31.32%(圖6)。說明有機(jī)碳組分對短期放牧的響應(yīng)較土壤總有機(jī)碳明顯，可以作為反映短期放牧對土壤有機(jī)碳影響的敏感因子，同時(shí)也反映了有機(jī)碳組分要比有機(jī)碳更容易受周圍環(huán)境或者短期放牧等土地管理措施的影響。

2.6土壤有機(jī)碳與土壤活性有機(jī)碳組分的相關(guān)性研究 2011年土壤ROC、LFR與TOC均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)；PROC與TOC呈極顯著負(fù)相關(guān)；ROC與PROC、LFR顯著正相關(guān)(P<0.05)，與PFR呈極顯著正相關(guān)；PROC與LFR呈極顯著相關(guān)(表1)。2012年，TOC與ROC、PROC均呈極顯著正相關(guān)，與LFR呈顯著正相關(guān)性；ROC與PROC呈極顯著正相關(guān)，與LFR呈顯著正相關(guān)；PFR與LFR呈極顯著正相關(guān)。通過兩年有機(jī)碳與各有機(jī)碳組分相關(guān)性分析得出，土壤有機(jī)碳總貯量的變化情況可以通過土壤活性有機(jī)碳(ROC、PROC、LFR)來反映，且各類土壤活性有機(jī)碳組分之間關(guān)系密切。PFR除與ROC(2011年)極顯著相關(guān)外，與有機(jī)碳及其他組分相關(guān)性小，可能與顆粒有機(jī)碳周轉(zhuǎn)期(5～20年)及環(huán)境對顆粒有機(jī)碳性質(zhì)的影響有關(guān)。

圖6 2012年較2011年土壤有機(jī)碳、活性有機(jī)碳組分變動情況Fig.6 Changes of soil organic carbon and active organic carbon of 2012 to 2011

3 討論與結(jié)論

土壤有機(jī)碳的水平主要取決于根系的周轉(zhuǎn)、動物排泄物的碳輸入和通過土壤呼吸的碳輸出，以及地上凋落物的分解[28]。本研究得出，放牧處理與對照區(qū)間0-30 cm土層土壤有機(jī)碳含量均差異不顯著，且各放牧強(qiáng)度間也差異不顯著(P>0.05)。然而與2011年相比，2012年土壤有機(jī)碳在0-20 cm土層呈下降趨勢，且CK、MG在10-20 cm土層間差異顯著(P<0.05)，放牧區(qū)LG、MG和HG分別下降14.89%、15.10%和11.48%，說明短期放牧對土壤有機(jī)碳含量有一定影響，但也不排除有可能是氣候環(huán)境等自然因素對土壤有機(jī)碳的影響，還需要進(jìn)一步長期監(jiān)測。Bauber等[29]也發(fā)現(xiàn)，土壤有機(jī)碳水平在多年放牧后呈現(xiàn)降低趨勢。

表1 土壤有機(jī)碳與活性有機(jī)碳組分相關(guān)性Table 1 Correlations of soil organic carbon and active organic carbon fraction

通過動力學(xué)研究，Biederbeck和Zentner[30]指出，土壤有機(jī)質(zhì)的短期波動，主要在易氧化、分解部分發(fā)生，并選擇可礦化的碳、易氧化碳與微生物量碳作為指示土壤活性有機(jī)碳的因子。本研究得出，與CK相比，2011年LG、MG下0-10 cm土層易氧化碳含量、易氧化碳分配比例顯著增加(P<0.05)，且HG與LG、MG相比，易氧化碳分配比例顯著降低，分別下降了39.02%、42.49%(P<0.05)；2012年各放牧強(qiáng)度下10-20 cm土層易氧化碳含量、易氧化碳分配比例呈顯著降低趨勢(P<0.05)，但各放牧強(qiáng)度間差異不顯著(P>0.05)，這與馬秀枝等[31]研究結(jié)果相一致；與2011年相比，2012年10-30 cm土層易氧化碳含量、易氧化碳分配比例呈顯著下降趨勢(P<0.05)，分別下降53.99%～71.65%、46.72%～73.83%，初步說明易氧化碳與易氧化碳分配比例可作為短期放牧響應(yīng)敏感因子。

土壤輕組和顆粒態(tài)有機(jī)質(zhì)是自然土壤肥力的決定因素[32]，同時(shí)土地管理方式影響最明顯的也是這一部分。本研究發(fā)現(xiàn)，與CK相比，2011年放牧區(qū)的各放牧強(qiáng)度下0-10 cm土層顆粒組分比例呈現(xiàn)上升趨勢(P<0.05)，且LG與MG、HG相比，顆粒組分顯著增加(P<0.05)，依次增加15.57%、13.78%；2012年放牧區(qū)10-20 cm土層呈顯著下降趨勢(P<0.05)，且LG、MG、HG間差異不顯著(P>0.05)。與2011年相比，2012年顆粒組分比例均顯著降低，0-10、10-20和20-30 cm土層降幅分別為26.42%、45.06%和49.64%(P<0.05)，說明了顆粒組分比例可以作為短期放牧響應(yīng)的敏感因子，這與張金波和宋長春[33]在土地利用方式對土壤碳庫影響的敏感性評價(jià)指標(biāo)方面的研究結(jié)果相一致。然而，CK、LG、MG、HG間土壤輕組組分比例差異不顯著，這可能與研究區(qū)域土壤類型、植被類型、氣候環(huán)境等因素影響到輕組組分比例周轉(zhuǎn)期有關(guān)。

楊新國等[34]在對短期圍欄封育對荒漠草原沙化灰鈣土有機(jī)碳組分及物理穩(wěn)定性的影響研究中指出，土壤活性有機(jī)碳的顯著變化部分主要集中在10-20 cm 土層，10-20 cm土層土壤活性有機(jī)碳含量及其相對分配比例可作為圍欄封育早期土壤質(zhì)量變化的指示指標(biāo)。本研究中，與CK相比，2012年放牧區(qū)10-20 cm土層易氧化碳、易氧化碳分配比例、顆粒組分比例均顯著降低(P<0.05)，降幅分別為1.76%～50.4%、25.91%～49.55%、28.7%～32.88%；初步得出，10-20 cm土層易氧化碳、易氧化碳分配比例、顆粒組分比例可作為短期放牧對土壤質(zhì)量變化的指示指標(biāo)。

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