管光玉，范燕敏，武紅旗，桂 芳，李康寧，李 飛

（新疆農(nóng)業(yè)大學草業(yè)與環(huán)境科學學院，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］。新疆是僅次于西藏、內(nèi)蒙古的全國第三大牧區(qū)，全區(qū)有天然草地5 725.88萬hm2，占新疆土地面積的34.4%［2］，是新疆生態(tài)環(huán)境的重要組成，對于調(diào)節(jié)氣候、凈化空氣、涵養(yǎng)水源、改良土壤等具有極其重要的生態(tài)功能。放牧是傳統(tǒng)畜牧業(yè)的主要方式，超載過牧是草地退化的主要原因［3］。家畜的采食活動除影響草地土壤的物理結構外，還影響草地營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)，從而使草地土壤的化學成分發(fā)生變化［4］，影響著草地土壤的健康狀況［5］，天山北坡山地草地是重要的放牧場，近年來，過度放牧等不合理利用，導致草地的退化和自然生態(tài)環(huán)境不斷惡化。圍欄封育是對退化草地恢復其質(zhì)量和生態(tài)功能的一項重要措施。

在草地生態(tài)系統(tǒng)恢復方面已有很多實踐和研究，從封育年限、不同放牧強度等方面對草地恢復效果做出更加科學定量化的解釋。其中土壤有機碳（Soil Organic Carbon）受到普遍關注，主要是由于它在很大程度上影響著土壤結構的形成和穩(wěn)定性，起著緩解和調(diào)節(jié)與土壤退化有關的一系列土壤過程，是土壤質(zhì)量評價和土地可持續(xù)利用的重要指標［6］?；钚杂袡C碳是土壤有機碳的活性部分，被認為是土壤中有效性較高、易被土壤微生物分解礦化、對植物養(yǎng)分供應有最直接作用的有機碳［7］。有學者認為，土壤有機碳含量的高低只是一個有機碳積累和礦化分解的平衡結果，不能很好地反映土壤質(zhì)量的變化［8］，而土壤活性有機碳對環(huán)境變化較敏感，可以更好地反映土壤有機碳的有效性，指示土壤質(zhì)量。Blair和Lefroy［7］首次提出了土壤碳庫管理指數(shù)（CPMI）的概念，從土壤總有機碳和活性有機碳兩方面綜合評價土壤質(zhì)量，能夠反映各種管理措施使土壤質(zhì)量下降或更新的程度［9］。目前，國內(nèi)關于土壤活性有機碳的研究，大多集中在不同土地利用（耕作）方式［10-11］和不同的施肥措施對土壤活性有機碳的影響方面［12-14］，而關于封育對草地活性有機碳的穩(wěn)定性及碳庫管理指數(shù)影響的研究還不多見。本研究以圍欄封育8年和自由放牧草地為對象，對比土壤總有機碳和活性有機碳的變化特征，利用土壤碳庫管理指數(shù)綜合評價土壤質(zhì)量的變化，為評價封育措施對土壤質(zhì)量的影響提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于天山北坡典型溫性草甸草原帶，行政上隸屬新疆烏魯木齊縣甘溝鄉(xiāng)（87.214 5°E，43.541 33°N），海拔1 742m，屬于溫帶大陸性氣候。該區(qū)大致南北走向，坡向為半陰坡，坡度28°～33°，地勢起伏較大，土壤類型為栗鈣土。植被以針茅（Stipacapillata）、鐵桿蒿（Artemisiagmelinii）、火 絨 草 （Leontopodiumleontopodioides）、糙 蘇（Phlomisumbrosa）為優(yōu)勢種，主要伴生種有羊茅（Festucaovina）、委陵菜（Potentillaaiscolor）等。由于研究區(qū)靠近居民區(qū)，長期過度放牧造成草地重度退化，自2005年開始圍欄封育，面積約為400 m2。圍欄外為中等放牧強度。

1.2 試驗設計與樣品采集

于2013年5月中旬在山地草甸草原圍欄內(nèi)外采集土壤樣品。由于研究區(qū)位于山坡上，為了消除地形的影響，在山坡的上部、中部和下部分別取3個采樣點，圍欄內(nèi)外對應相同。采集0-5、5-10、10-15、15-20、20-30和30-40cm土層的土壤樣品500g左右，在室內(nèi)揀去可見的新鮮根系，土壤樣品風干后磨細過0.25mm篩，用于測定土壤總有機碳和易氧化活性有機碳。

1.3 測定方法

土壤總有機碳采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法［15］，易氧化活性有機碳采用333mmol·L-1高錳酸鉀氧化［7］。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用碳庫管理指數(shù)反映封育草地土壤質(zhì)量的變化。以放牧草地土壤為參考土壤，計算封育草地土壤碳庫管理指數(shù)［7］。

碳庫管理指數(shù)（CPMI）＝CPI×AI×100%。其中：

碳庫指數(shù)（CPI）＝樣品總有機碳含量（g·kg-1）／參考土壤總有機碳含量（g·kg-1）；

碳庫活度指數(shù)（AI）＝樣品碳庫活度／參考土壤碳庫活度；

碳庫活度（A）＝活性碳含量（g·kg-1）／非活性碳含量（g·kg-1）。

采用統(tǒng)計分析軟件SPSS 18.0對封育和自由放牧草地土壤總有機碳和活性有機碳進行One-way ANOVA分析，判斷利用方式對土壤有機碳含量是否有顯著差異。用平均值和標準誤差表示測定結果，采用微軟Excel 2003繪圖。

2 結果與分析

2.1 封育對土壤總有機碳的影響

封育草地各土層土壤總有機碳較自由放牧有了很大幅度的提高，其中0-5、10-15、20-30、30-40cm土層封育與放牧間差異顯著（P＜0.05），且上升幅度在22.0%～47.7%。封育草地在0-20cm不同土層間總有機碳含量差異顯著；放牧草地土壤總有機碳在表層0-5cm與下層土壤間差異顯著；無論圍欄還是放牧草地，土壤總有機碳含量均隨土層的加深不斷減小，且表層下降顯著（圖1）。初步體現(xiàn)8年的封育增加了地表植被凋落物向土壤的輸入，從而使土壤有機碳得到了提高，且主要表現(xiàn)在土壤表層。

2.2 圍欄封育對土壤易氧化活性有機碳的影響

封育草地土壤易氧化活性有機碳含量較自由放牧草地有不同程度的提高，在28.7%～143.5%；且在0-5和20-30、30-40cm土層差異顯著（P＜0.05），表現(xiàn)其對表層和下層變化反應敏感（圖1）。封育草地易氧化活性有機碳從表層到20cm下降顯著，而放牧草地各土層下降均不顯著，體現(xiàn)了圍欄封育通過增加地表動植物殘體和植物根系，從而使易氧化與分解的部分有機質(zhì)得到了提高。

2.3 封育草地土壤易氧化活性有機碳特征分析

封育草地活性有機碳的分配比例和碳庫活度均高于放牧草地，且都在20-30和30-40cm土層差異顯著（P＜0.05），封育與放牧草地土壤易氧化碳分配比例和碳庫活度在土壤垂直剖面均呈現(xiàn)下降趨勢，但放牧草地更快地向穩(wěn)定碳庫轉變（表1）。表明封育顯著提高了下層土壤活性有機碳的相對含量，致使下層土壤的碳庫活度增加顯著；易礦化的活性有機碳給植物根系提供養(yǎng)分有利于植物生長和草地的恢復。

圖1 封育與放牧對土壤總有機碳和易氧化活性有機碳含量的影響Fig.1 Effects of fencing and grazing on total organic carbon and soil readily oxidizable carbon content

表1 封育與放牧草地土壤易氧化碳分配比例、碳庫活度的比較Table 1 Comparison of fencing and grazing on the soil readily oxidizable carbon distribution ratio，carbon pool activity

2.4 封育對土壤碳庫管理指數(shù)的影響

封育草地碳庫管理指數(shù)由于結合了土壤總碳庫變化和土壤活性碳庫變化，因此反映了封育措施對土壤總有機碳的影響，同時也反映了活性有機碳的變化（以放牧草地為參照）。

退化草地封育后土壤碳庫活度指數(shù)和碳庫指數(shù)均大于對照區(qū)參考值1，二者均隨著土層加深而增大，兩者增加幅度分別在2.0%～90.0%、22.0%～48.0%，且最大值均在30-40cm；相對于放牧草地，封育區(qū)各土層碳庫管理指數(shù)均大于100%，尤其在下層碳庫管理指數(shù)在200%以上（表2）。主要是由于封育后土壤總有機碳含量增加，并且土壤碳素轉化效率逐漸提高，土壤穩(wěn)定性有機碳向活性碳轉化增多，尤其在20cm土層以下更明顯。所以，封育草地AI和CPI均增大，尤其是AI增加更為顯著。因此，CPMI各層均大于100%，且下層更大，表明圍欄封育有效地提高了土壤質(zhì)量。

表2 封育草地土壤碳庫管理指數(shù)相關指標Table 2 Related parameters of carbon pool management index in fencing grassland

3 討論

土壤活性有機碳占土壤總有機碳的比率被稱為活性有機碳的分配比例［16］，雖然土壤活性有機碳分配比例較小，卻與土壤總有機碳及養(yǎng)分關系密切［17］；它主要來源于植物凋落物的分解、根系分泌物、土壤有機質(zhì)的水解、土壤微生物本身及其代謝產(chǎn)物［18］。本研究中封育草地土壤總有機碳和易氧化活性有機碳表現(xiàn)出相同的變化趨勢，且在表層和下層顯著高于放牧草地。主要是由于放牧對植被的影響和植物的補償性生長調(diào)節(jié)機制［19］，使植物對地上部分養(yǎng)分的供應有所增加，而植物根系生物量減少［20］，根系呈現(xiàn)“淺層化”［21-22］。同時，家畜的采食減少了植物的碳積累，土壤養(yǎng)分的輸入量較少，致使土壤下層總有機碳及活性有機碳含量降低，有機碳趨于穩(wěn)定。封育后草地生態(tài)環(huán)境得到改善，外界對植物生長的干擾消失，植被自然恢復，體現(xiàn)在植物高度、蓋度和生物量方面均有顯著增大［23］；植物根系向土壤下層生長，植被地下生物量增加，使下層土壤有機碳尤其是活性有機碳含量顯著升高?？梢姡庥龑ν寥辣韺拥蚵湮锖拖聦痈祷钚杂袡C碳的變化影響顯著，這可能與它的來源有關。

土壤易氧化活性有機碳作為有機質(zhì)的活性部分，對土壤的變化較總有機碳要敏感，可作為指示土壤變化的早期敏感性指標［24］；而在本研究中，土壤總有機碳和活性有機碳都隨著土層的加深而下降，表現(xiàn)出相同的趨勢?？赡苁怯捎谘芯繀^(qū)屬于山地草甸草原，降水比較豐富，封育后草地植被恢復迅速，土壤總有機碳固定量顯著增加；碳素在滿足植被生長的需要后將多余的活性部分轉化為非活性狀態(tài)存儲起來，所以活性有機碳的敏感性可能較封育初期有所降低。經(jīng)過8年封育，草地植被得到顯著恢復，使得土壤質(zhì)量得到改善。同時表明，土壤活性有機碳和總有機碳對封育的反應是復雜的，除土壤本身活性組分狀況外，它還受研究區(qū)的自然狀況（氣候、植被類型）、放牧強度及圍欄時間等具體因素影響。土壤碳庫管理指數(shù)結合了人為影響下土壤有機碳含量和碳庫活度兩方面的變化，既能反映管理措施對土壤有機碳總量變化的影響，也能反映活性有機碳組分的變化［25］，可以很好地反映土壤養(yǎng)分和碳素的動態(tài)變化。本研究中，封育改善了土壤環(huán)境，促進了植被的生長，養(yǎng)分向地表的歸還量增加；同時促進植物根系向土壤下層分布，根系生物量增加，有機碳活性變大，“草”和“土”二者的協(xié)同變化對維持土壤營養(yǎng)物質(zhì)的周轉和生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定有不可或缺的作用。因此，草地各土層有機碳和易氧化活性有機碳均得到了提高，碳庫管理指數(shù)均大于100%，尤其在20-40cm，碳庫管理指數(shù)大于200%?？梢姡寥捞紟旃芾碇笖?shù)在表征土地管理措施上既體現(xiàn)了土壤肥力的變化特征，又反映了土壤活性部分對植物和土壤本身的變化。因此，在指示封育對草地土壤質(zhì)量影響方面更加全面和科學。

4 結論

退化山地草甸草原封育后隨著人為干擾因素的減小和牲畜的啃食踐踏消失，植被生長茂盛，凋落物不斷富集，養(yǎng)分輸入增加，土壤下層碳源的積累和輸入也相應增加。因此，有機碳、活性有機碳含量普遍高于放牧草地，尤其是0-5和20-40cm土層，差異顯著（P＜0.05）。封育草地土壤碳庫管理指數(shù)大于100%，尤其在20-40cm，碳庫管理指數(shù)高于200%，表明圍欄封育有效改善了土壤的質(zhì)量，尤其是下層土壤，進而改善了草地生態(tài)環(huán)境。

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