楊合龍，孫宗玖，2，楊 靜，馬慧敏

(1．新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊830052;2．新疆草地資源與生態(tài)重點實驗室，新疆 烏魯木齊830052)

土壤有機質(zhì)在土壤質(zhì)量構(gòu)成因素中占首要位置［1］，并且在土壤中以有機質(zhì)形式存在的C 占全球陸地總碳庫的2/3 ～3/4［2］，在全球碳循環(huán)過程中起著極其重要的作用［3］。但土壤有機質(zhì)含量只是一個礦化分解和合成的平衡結(jié)果，其變化過程較為漫長，并不能敏感地反映土壤環(huán)境、質(zhì)量的瞬時動態(tài)變化及土壤轉(zhuǎn)化速率［4］。由此，20 世紀(jì)70 －80 年代，研究者對有機質(zhì)分解轉(zhuǎn)化的分組方面進行了更深入的研究，如Blair等［5］認(rèn)為，可以被333 mmol·L－1的高錳酸鉀(KMnO4)氧化的有機碳與土壤有效養(yǎng)分具有密切的關(guān)系，并提出了土壤碳庫管理指數(shù)(CMI)，而Lefroy 和Lisle［6］進一步指出，能被333 mmol·L－1KMnO4氧化的有機質(zhì)稱為活性有機質(zhì)(Labile Organic Matter，LOM)，不能被氧化的為非活性有機質(zhì)(Non-labile Organic Matter，NLOM)。目前，國內(nèi)外許多研究者發(fā)現(xiàn)，LOM 及CMI 與土壤性質(zhì)的關(guān)系密切且對土壤碳變化敏感，可以作為表征土壤肥力及揭示土壤碳庫變化的早期指標(biāo)［7-11］。

作為新疆主要春秋放牧場的伊犁絹蒿(Seriphidium transiliense)荒漠草地［12］，目前退化十分普遍，甚至局部區(qū)域已極度退化或完全被破壞，嚴(yán)重威脅到當(dāng)?shù)匦竽翗I(yè)生產(chǎn)及綠洲生態(tài)安全［13-14］。關(guān)于伊犁絹蒿荒漠草地封育土壤的研究，僅限于短期圍欄時間土壤理化性質(zhì)的研究［15-16］，且有關(guān)封育對土壤有機質(zhì)影響的研究仍存在較大分歧［17-18］，再加上土壤有機質(zhì)含量應(yīng)激變化的“滯后性”，急需尋找一些能代表土壤有機質(zhì)變化的敏感組分來揭示其對封育響應(yīng)的瞬時適應(yīng)機制，而活性有機碳及碳庫管理指數(shù)的提出為其提供了新的視角。因此，以新疆不同封育年限的伊犁絹蒿荒漠為對象，通過對其土壤活性有機碳、碳庫管理指數(shù)及兩者與群落生物量的灰色關(guān)聯(lián)度進行分析，探討不同封育年限下土壤活性有機碳及碳庫管理指數(shù)的響應(yīng)規(guī)律，同時分析其與土壤養(yǎng)分、群落生物量的相關(guān)性或關(guān)聯(lián)度如何，是否能作為封育后土壤與植被變化的瞬時敏感考核指標(biāo)，以期為退化荒漠草地的有效管理、持續(xù)利用及相應(yīng)的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)評價提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1．1 研究區(qū)概況

試驗地位于新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市米東區(qū)蘆草溝鄉(xiāng)的博格達山北坡(87°47' － 87°46' E，43°53'－43°49' N)，海拔840 ～1 110 m;試驗區(qū)為典型溫帶大陸氣候，年降水量236 mm，降水季節(jié)分配不均，集中在春、冬季，年均溫6．4 ℃，冬季寒冷漫長。土壤為灰棕色荒漠土，且土層深厚;地帶性植被為蒿類荒漠草地，生產(chǎn)上多做春秋割草地利用，草地載畜量相對較少。該草地主要優(yōu)勢種有伊犁絹蒿、木地膚(Kochia prostrata)、叉毛蓬(Petrosimonia sibirica)、角果藜(Ceratocarpus arenarius)等，春季有毛梗頂冰花(Gagea albertii)、庭薺(Alyssum desertorum)等短生、類短生植物發(fā)育;地表土壤有一定程度的裸露及踐踏現(xiàn)象，草地整體上處于輕度退化狀態(tài)。

1．2 研究方法

1．2．1 樣地設(shè)置 研究樣地選擇分別于2013、2008及2005 年采用鐵絲網(wǎng)進行圍欄全年禁牧的3 個處理，即封育1、6、9 年，面積均為2 000 m2;圍欄期間未受干擾，且封育區(qū)段基本相連，間距小于10 m，使得試驗區(qū)內(nèi)土壤、地形、氣候及地表生態(tài)過程等基本一致，因此，不同封育時間草地土壤有機質(zhì)的差異，主要由封育引起的植物生長條件及與之有關(guān)的土壤生態(tài)過程造成;同時設(shè)當(dāng)?shù)鼐用駛鹘y(tǒng)自由放牧的未封育區(qū)為對照(CK)，春秋季節(jié)輕度放牧，家畜多為綿羊。

1．2．2 植被調(diào)查及土壤取樣 2013 年9 月底，每個圍欄樣地沿坡向平均分為3 個條帶區(qū)，每個條帶區(qū)分別在上、中、下坡各設(shè)置3 個1 m×1 m 典型樣方，同時圍欄外(對照)對應(yīng)布點，進行草地植被群落特征的測定。每個樣方剪掉地上生物量后，采用挖土塊法，按土層深度0 －5、5 －10、10 －20、20 －30、30 －50 cm 分層取樣，每個土壤取樣點面積20 cm×20 cm，每條帶區(qū)內(nèi)土樣分層混勻，以消除坡度的影響;室內(nèi)剔除植物可見的新鮮根系、石礫等雜物，置于室內(nèi)自然風(fēng)干后磨細過2、1、0．25 mm 篩后保存，用以室內(nèi)分析。4 個處理草地植物群落基本特征及土壤常規(guī)養(yǎng)分均值(0 －50 cm)情況見表1。

表1 研究樣地描述Table 1 Description of the experiment sites

1．2．3 土壤養(yǎng)分及活性有機質(zhì)測定 土壤有機質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法［19］;全量氮、磷、鉀依次采用半微量凱氏定氮法、HClO4-H2SO4熔融－鉬銻抗比色法、酸溶火焰光度計法［19］;堿解氮、速效磷、速效鉀分別采用堿解擴散法，碳酸氫鈉浸提－鉬銻抗比色法，醋酸銨－火焰光度法［19］;土壤易氧化活性有機碳(Readily Oxidizable Carbon，ROC)采用333 mmol·L－1的KMnO4氧化法［5］，土壤非活性有機碳含量就是土壤總有機碳含量減去土壤活性有機碳含量的差值。

1．2．4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

(1)土壤有機碳密度及儲量［20］:

有機碳密度(SOCi)=Ci×Di×Ei×(1－Gi)/100;

總有機碳貯量(SOCt)=

其中，SOCi、Ci、Di、Ei、Gi分別指第i 土層的土壤有機碳密度(kg·m－2)、有機碳含量(g·kg－1)、容重(g·cm－3)、土層厚度(cm)、直徑≥2 mm 的石礫所占的體積百分比(%)，k 為土壤剖面中土層數(shù)量。

(2)土壤碳庫管理指數(shù)的計算［5］:

本研究選擇對照區(qū)(En0)為參考土壤，進行以下相關(guān)計算:

碳庫指數(shù)(Carbon Pool Index，CPI)=樣品總有機碳含量/參考土壤總有機碳含量;

碳庫活度(Activity of Carbon，A)=土壤活性有機碳含量/土壤非活性有機碳含量;

碳庫活度指數(shù)(Activity Index，AI)=樣品碳庫活度/參考土壤碳庫活度;

土壤碳庫管理指數(shù)(Carbon Pool Management Index，CPMI)=碳庫指數(shù)(CPI)×碳庫活度指數(shù)(AI)×100%。

(3)碳素有效率的計算［21-22］:

碳素有效率(ACC)=易氧化有機碳含量(ROC)/土壤有機碳含量(SOC)×100%。

(4)灰色關(guān)聯(lián)度計算［23-25］:

以群落生物量記為參考列{X0(k)}(k = 1，2，3，…，n)，土壤有機碳及活性碳等各項指標(biāo)作為評價指標(biāo)記為比較列{Xi(k)}(k =1，2，3，…，m)，進行以下計算:

標(biāo)準(zhǔn)化變換:分別求出各序列的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，然后將各原始數(shù)據(jù)減去平均值后再除以標(biāo)準(zhǔn)差，即為標(biāo)準(zhǔn)化序列;量綱為1，其均值為0，方差為1。

關(guān)聯(lián)系數(shù)

式中，|X0(k)－Xi(k)|為絕對差值，記為Δ(k);

等權(quán)關(guān)聯(lián)度

權(quán)重系數(shù)

(5)采用SPSS 18．0 進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，以平均值與標(biāo)準(zhǔn)誤表示數(shù)據(jù)結(jié)果，分別對不同封育時間的土壤碳密度、土壤易氧化活性有機碳及其各計算指標(biāo)單因素方差分析及多重比較(Duncan 法)，并對土壤養(yǎng)分與活性有機碳進行相關(guān)性分析(Pearson 法)，用Excel 2003 進行數(shù)據(jù)整理與作圖。

2 結(jié)果與分析

2．1 封育對土壤碳密度與碳儲量的影響

土壤有機碳密度或儲量通過結(jié)合有機碳、容重等能更好地綜合反映碳庫變化或分布情況。在0 －5 cm土層，土壤碳密度隨封育時間呈現(xiàn)“降低－增加”的趨勢(圖1)，且與有機碳變化趨勢一致(表1)，這主要受土壤有機碳含量的影響;封育對5 －30 cm 土層的碳密度影響較小，但在30 －50 cm 波動幅度較大。總有機碳儲量(0 －50 cm)呈現(xiàn)En9(封育9 年)＞En6(封育6年)＞En0(對照)＞En1(封育1 年)，且En9相對于En0、En1、En6分別增加了2．99%、12．27%、1．75%;土壤碳密度在0 －5 cm 呈現(xiàn)En9顯著大于En6(P ＜0．05)，且與En0、En1、En6相比分別增加了11．24%、29．34%、36．51%;總有機碳貯量與5 －50 cm 的各土層碳密度受封育時間的影響并不顯著。

圖1 不同封育年限土壤碳密度與碳儲量的分析Fig．1 Analysis of carbon density and SOCt in different fencing time

2．2 封育對土壤易氧化活性有機碳的影響

在0 － 5 cm 土層，En9的易氧化活性有機碳(ROC)含量均顯著高于En0、En1、En6(P ＜0．05)，且分別增加了35．81%、84．89%、77．15%，而在5 －50 cm各土層在各封育時間的ROC 含量均差異不顯著(P ＞0．05)，但En9均高于其他處理(圖2);0 －5、10 －30 cm 的ROC 均呈現(xiàn)“降低－增加”趨勢，與土壤碳密度變化趨勢一致。0 －50 cm 的土壤ROC 總量表現(xiàn)出En9顯著大于En1(P ＜0．05)，分別比En0、En1、En6增加了45．07%、81．35%、46．70%，且與總有機碳貯量變化趨勢一致。從變化幅度來看，土壤易氧化碳較碳密度對封育響應(yīng)更為敏感。

圖2 不同封育年限土壤易氧化碳的分析Fig．2 Analysis of ROC in different fencing time

表2 不同封育年限土壤碳庫管理指數(shù)分析Table 2 Analysis of CMPI in different fencing time

2．3 封育對土壤碳庫管理指數(shù)的影響

隨封育年限的增加，土壤碳庫活度、碳庫活度指數(shù)基本呈先降后增趨勢，并在En9達到最高，但除20 －30 cm 土層En9碳庫活度及0 －5、20 －30 cm 土層En9碳庫活度指數(shù)顯著高于En1(P ＜0．05)外，其余土層不同封育處理間差異不顯著(P ＞0．05)(表2)。對碳庫指數(shù)而言，0 －5 cm 土層En9顯著高于En1、En6，而30 －50 cm 土層En9顯著低于En6(P ＜0．05)，其余土層各處理間差異不顯著。碳庫管理指數(shù)僅在0 －5 cm 土層表現(xiàn)出顯著差異，且En9顯著高于En0、En1、En6(P ＜0．05)，其余土層各處理間差異不顯著，5 －30 cm 各土層以En9最高，30 －50 cm 土層以En6最高。除20 －30 cm 土層En9顯著高于En1(P ＜0．05)外，其余土層碳素有效率各處理間差異不顯著，且均以En9最高。整體上，碳庫管理指數(shù)可以綜合反映土壤碳庫的變化情況，即封育提高了土壤碳匯能力。

2．4 土壤活性有機碳與土壤養(yǎng)分的相關(guān)性

土壤有機質(zhì)與易氧化活性有機碳、碳庫活度、碳素有效率均呈極顯著相關(guān)(P ＜0．01)，且與易氧化碳相關(guān)系數(shù)為最大(0．94);土壤全鉀與易氧化碳呈極顯著相關(guān)，與碳庫活度、碳素有效率呈顯著相關(guān)(P ＜0．05);土壤全磷與易氧化碳、碳庫活度、碳素有效率極顯著相關(guān);土壤全氮與易氧化碳、碳庫活度、碳素有效率、碳密度極顯著相關(guān)，而土壤堿解氮、速效磷、速效鉀與活性有機碳各指標(biāo)相關(guān)性不顯著(P ＞0．05)(表3)。

2．5 草地群落生物量與活性有機碳的灰色關(guān)聯(lián)度

通過灰色關(guān)聯(lián)度分析表明(表4)，依據(jù)與群落生物量加權(quán)關(guān)聯(lián)度的大小及排序可以看出，土壤活性有機碳各指標(biāo)依次為x5 ＞x4 =x7 =x8 ＞x3 ＞x2 ＞x1＞x6。草地群落生物量一定程度上代表了草地生產(chǎn)力，而與生物量的加權(quán)關(guān)聯(lián)度的均值為0．33，大于均值的為碳庫活度指數(shù)(x5)、碳庫活度(x4)、碳庫管理指數(shù)(x7)、碳素有效率(x8)，有機質(zhì)(x1)及碳庫指數(shù)(x6)關(guān)聯(lián)度小于均值，初步體現(xiàn)土壤有機質(zhì)或碳庫對地表植被生長情況的指示作用有滯后性，而活性碳及其計算指標(biāo)對地表植被有明顯的指示作用。

表3 土壤養(yǎng)分與活性有機碳的相關(guān)性(n=60)Table 3 Correlations of soil nutrients and ROC(n=60)

表4 群落生物量與活性有機碳的灰色關(guān)聯(lián)度Table 4 Grey correlative degree of biomass of community and ROC

3 討論與結(jié)論

目前，由于氣候、植被及土壤等背景值的不同，封育對土壤有機碳、碳密度或碳儲量的影響仍存在一定的爭議。一些相關(guān)研究指出，圍欄封育可以提高土壤碳含量;內(nèi)蒙古典型草原封育后，草地碳氮貯量、碳密度等增加顯著(P ＜0．05)［25-27］。同時，也有研究發(fā)現(xiàn)，土壤養(yǎng)分封育后變化不明顯或減少;Reeder 和Schuman［28］研究表明，放牧草地的土壤碳顯著大于封育;在青藏高原、北美草原以及坎特伯雷高原草地研究發(fā)現(xiàn)，封育對草地土壤影響較?。?9-31］。本研究表明，0 －5 cm 土層土壤碳密度呈封育9 年＞對照＞封育1 年＞封育6 年，這與土壤有機碳隨封育時間變化一致(表1)，但僅在封育9 年與6 年間差異顯著。土壤有機碳密度或碳儲量主要受地表植被類型或凋落物輸入量以及土壤礦質(zhì)化作用環(huán)境等因素的影響，本研究中封育9 年與對照在0 －5 cm 土層具有相對較高的土壤碳密度，這與其地表的優(yōu)勢種受封育環(huán)境及物種相對競爭力影響而轉(zhuǎn)換為半灌木伊犁絹蒿及其較大的根輸入量有關(guān)(表1);而封育6 年樣區(qū)具有相對競爭優(yōu)勢的一年生牧草叉毛蓬相對較多(表1)，導(dǎo)致其根輸入量相對較低且易分解，使其土壤碳密度成為最低值。

土壤活性有機碳是易氧化分解、易被微生物轉(zhuǎn)化和生物直接利用的有機碳組分，可以作為反映土壤有機質(zhì)及質(zhì)量變化并揭示土壤碳庫變化的早期敏感性指標(biāo)，由其計算的碳庫管理指數(shù)能夠很好地反映土壤碳庫的更新變化，已得到國內(nèi)外相關(guān)研究的證實。Biederbeck 等［7］通過動力學(xué)研究指出，土壤有機質(zhì)的短暫波動主要發(fā)生在易氧化、分解的部分，并選擇易氧化碳等作為土壤有機碳的指示因子;邱莉萍等［32］指出，土壤活性有機質(zhì)與有機質(zhì)及多數(shù)土壤性質(zhì)呈極顯著正相關(guān)(P ＜0． 01);徐明崗等［4］、蔡太義等［10］、宇萬太等［11］研究表明，LOM 和CMI 比總有機質(zhì)更能客觀反映土壤肥力和土壤質(zhì)量的變化情況，應(yīng)成為描述土壤質(zhì)量和評價土壤管理及土壤碳庫的動態(tài)變化的良好指標(biāo)。本研究中，易氧化碳在0 －5 cm 呈封育9 年＞對照＞封育6 年＞封育1 年，且封育9 年與其他處理均差異顯著(P ＜0．05)，封育9 年的易氧化碳總量與封育1 年差異顯著;易氧化碳與其總量的變動幅度分別為35．81% ～84．87%、45．07% ～81．35%，而土壤碳密度及碳儲量的變動幅度分別為11．24% ～36．51%、1．75% ～12．27%;碳庫管理指數(shù)是碳庫活度、碳庫指數(shù)等指標(biāo)的結(jié)合，在0 －5 cm 隨封育時間與易氧化碳變化趨勢一致，且封育9 年顯著高于其他處理，同時對照也高于其他處理，變動幅度為35．83% ～93．96%;綜合上述方差與變化幅度分析，可以看出土壤易氧化碳、碳庫管理指數(shù)對封育的響應(yīng)更為敏感。

相關(guān)性分析表明，與土壤有機質(zhì)及全量養(yǎng)分呈極顯著相關(guān)的為易氧化碳(P ＜0．01)，而呈顯著或極顯著相關(guān)的主要有碳庫活度、碳素有效率，體現(xiàn)了上述指標(biāo)可以代表土壤養(yǎng)分的動態(tài)變化;而碳庫管理指數(shù)、碳庫活度指數(shù)、碳庫指數(shù)與有機質(zhì)相關(guān)性不顯著，這可能與參考樣地的有機碳含量密切關(guān)系。同時，灰色關(guān)聯(lián)度分析發(fā)現(xiàn)，群落生物量依次與碳庫活度指數(shù)、碳庫管理指數(shù)等加權(quán)關(guān)聯(lián)度相對最高，而與有機質(zhì)及其計算出的碳庫指數(shù)關(guān)聯(lián)度最小，體現(xiàn)了土壤有機質(zhì)對地表植被的生長情況的指示有明顯滯后性，而碳庫活度指數(shù)、碳庫管理指數(shù)等活性有機碳指標(biāo)能較為敏感準(zhǔn)確地指示草地初級生產(chǎn)力，這與楊濱娟等［9］、蔡太義等［10］的研究結(jié)果一致。

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