王國(guó)會(huì)，王建軍，陶利波，許冬梅＊

（1.寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，寧夏 銀川750021；2.寧夏大學(xué)西北土地退化與生態(tài)恢復(fù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，寧夏 銀川750021；3.寧夏同心縣同心中學(xué)，寧夏 同心751300）

土壤結(jié)構(gòu)可通過(guò)調(diào)控土壤碳封存和水質(zhì)的能力來(lái)調(diào)節(jié)環(huán)境質(zhì)量［1］。土壤團(tuán)聚體是構(gòu)成土壤結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)［2-4］，決定土壤的物理穩(wěn)定性，與土壤的抗侵蝕能力及有機(jī)碳的物理保護(hù)等有關(guān)，可作為環(huán)境質(zhì)量變化的重要指征。土壤團(tuán)聚體的組成和分布是影響土壤孔隙狀況和水分轉(zhuǎn)運(yùn)的基礎(chǔ)，尤其是水穩(wěn)定性團(tuán)聚體能夠更為客觀地表征土壤的穩(wěn)定性，滲透性，水分的持留及養(yǎng)分的有效性等［4］。土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性受土地利用方式、耕作措施及植被恢復(fù)狀況等因素的影響［6-8］。由于土地利用方式的改變，＞0.25 mm土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的含量和粘粒分散率呈現(xiàn)明顯的差異［6-7］。植被恢復(fù)有利于改善草地植物群落結(jié)構(gòu)，增加物種多樣性，提高生物量。隨著植被的恢復(fù)，土壤結(jié)構(gòu)改善，團(tuán)聚體粒徑分布更為均勻，植物凋落物和地下生物量增多，土壤微生物活性增加，促進(jìn)了大團(tuán)聚體的形成，使得土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性增強(qiáng)［9-10］。

荒漠草原是寧夏草原的主體類型，是天然的生態(tài)屏障，也是重要的自然資源，在區(qū)域環(huán)境保護(hù)及經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有重要作用。然而，由于自然生態(tài)環(huán)境的脆弱性，加之人類的過(guò)度擾動(dòng)，草地普遍退化。長(zhǎng)期以來(lái)，寧夏一直致力于生態(tài)環(huán)境建設(shè)，并自2003年全面實(shí)施草地圍封禁牧，荒漠草原生態(tài)環(huán)境出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)，植被蓋度、植物生物量及物種多樣性增加，植物群落結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，土壤性狀得到改善、土壤微生物量及酶活性均增加［11-12］。本文通過(guò)研究荒漠草原圍封條件下土壤團(tuán)聚體組成及分布，探討圍欄封育對(duì)草地土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響，為認(rèn)識(shí)和評(píng)估荒漠草原自然恢復(fù)演替過(guò)程中土壤結(jié)構(gòu)和功能的變化提供依據(jù)，為退化草地生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)自然概況

研究區(qū)位于寧夏東部鹽池縣（N 37°04′～38°10′，E 106°03′～107°04′）內(nèi)。全縣南北長(zhǎng)110km，東西寬66km，總面積8661.3km2。平均海拔1600 m，地勢(shì)呈南高北低。屬典型大陸性季風(fēng)氣候，平均氣溫22.4℃，日照充足，溫差大，冬夏兩季氣候迥異，平均溫差28℃左右。常年風(fēng)沙災(zāi)害嚴(yán)重，平均大風(fēng)日數(shù)24.2d。年均降雨量290mm，主要集中在7-9月。

鹽池縣地處典型草原向荒漠草原過(guò)渡的地帶，荒漠草原分布于南北分水嶺干草原線以北，地帶性土壤為灰鈣土，結(jié)構(gòu)較為松散，營(yíng)養(yǎng)成分少且易受侵蝕。面積16.21×104hm2，占全縣草原面積的35.3%。主要物種有短花針茅（StipabrevifloraGriseb.）、牛枝子（LespedezapotaniniiVass.）、蒙古冰草（AgropyronmongolicumKeng.）和賴草（Leymussecalinus（Georgi）Tzvel.）等。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設(shè)置 研究區(qū)設(shè)在寧夏東部風(fēng)沙區(qū)鹽池縣，屬以短花針茅（StipabrevifloraGriseb.）和牛枝子（LespedezapotaniniiVass.）為建群種的荒漠草原，在寧夏荒漠草原區(qū)具有代表性。采用空間序列代替時(shí)間序列的方法，分別選擇未圍封（F0）、圍封3年（F3）、5年（F5）、7年（F7）和10年（F10）的荒漠草原為研究樣地，3次重復(fù)。各樣地在封育前均為自由放牧，并且在植被、地形、地勢(shì)及土壤等方面具有一致性。

1.2.2 樣品采集與處理 采用限定隨機(jī)取樣方法，2015年7月在每個(gè)樣地沿對(duì)角線分別布設(shè)5個(gè)200 m×200m的樣區(qū)，在每個(gè)樣區(qū)內(nèi)隨機(jī)設(shè)置3個(gè)取樣點(diǎn)，分0～10cm，10～20cm和20～40cm土層采集土壤樣品。在采集過(guò)程中保持土塊不受擠壓，樣品不變形，并剝?nèi)ネ翂K外面直接與土鏟接觸變形的部分，保留原狀土，用保鮮盒儲(chǔ)存以測(cè)定土壤團(tuán)聚體等指標(biāo)。

1.2.3 測(cè)定方法 分別采用薩維諾夫干篩法和濕篩法測(cè)定 ＞5mm，5～3mm，3～2mm，2～1mm，1～0.5mm，0.5～0.25mm及＜0.25mm各級(jí)土壤機(jī)械團(tuán)聚體和水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量［13-14］。

1.2.4 團(tuán)聚體破壞率與土壤平均重量直徑的計(jì)算［15］式（1）-（2）中：H為團(tuán)聚體破壞率（%）；Mr＞0.25為粒徑＞0.25mm的團(tuán)聚體質(zhì)量（g·kg-1）；MWD為土壤平均重量直徑（mm）；為某級(jí)團(tuán)聚體平均直徑（mm）；wi為某級(jí)團(tuán)聚體組分的干重（g·kg-1）。

1.2.5 數(shù)據(jù)分析 采用Excel 2003對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行基礎(chǔ)處理，用軟件DPS 9.50進(jìn)行ANOVA分析，并用Duncan法對(duì)各測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 荒漠草原自然恢復(fù)演替過(guò)程中土壤機(jī)械團(tuán)聚體組成的變化

由表1可知，隨粒徑的減小，不同土層團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈先降低后增加的趨勢(shì)。0～10cm和10～20cm土層，各圍封年限草地均以＜0.25mm粒級(jí)團(tuán)聚體含量最高，質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低的為2～1mm和1～0.5mm粒級(jí)團(tuán)聚體；20～40cm土層，各圍封年限草地土壤團(tuán)聚體分布均呈現(xiàn)出以＞5mm粒級(jí)含量最高，1～0.5mm和0.5～0.25mm粒級(jí)最低。隨圍封時(shí)間的延長(zhǎng)，各土層＜0.25mm微團(tuán)聚體含量總體呈下降趨勢(shì)。其中，0～10cm表層土壤各粒級(jí)團(tuán)聚體含量在草地不同恢復(fù)階段呈顯著差異（P＜0.05），圍封10年的草地＜0.25mm微團(tuán)聚體含量顯著低于未圍封及圍封3年、5年、7年的草地（P＜0.05）；不同恢復(fù)階段草地之間10～20cm土層除5～3mm和3～2mm粒級(jí)團(tuán)聚體含量差異不顯著外，其他粒級(jí)團(tuán)聚體含量差異顯著（P＜0.05），其中，＜0.25mm微團(tuán)聚體含量以圍封10年的草地最低，顯著低于圍封3年、5年和7年的草地（P＜0.05）；20～40cm土層不同恢復(fù)階段草地之間＞5 mm，5～3mm，3～2mm，2～1mm粒級(jí)及＜0.25 mm微團(tuán)聚體含量差異均不顯著。表明在草地恢復(fù)過(guò)程中，土壤變化主要發(fā)生在0～20cm表層。從垂直分布看，隨剖面深度的增加，＜0.25mm微團(tuán)聚體含量顯著降低，而大團(tuán)聚體特別是＞5mm粒級(jí)團(tuán)聚體含量則顯著升高（P＜0.05）。

表1 不同圍封年限草地土壤團(tuán)聚體組成Table 1 The composition of different sizes of aggregates in different fencing-year grasslands

2.2 荒漠草原自然恢復(fù)演替過(guò)程中土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體特征

由表2可知，不同恢復(fù)階段草地各土層水穩(wěn)性團(tuán)聚體均以＜0.25mm微團(tuán)聚體為優(yōu)勢(shì)粒徑，含量為41.17%～82.14%，其次是＞3mm粒級(jí)，3～2 mm粒徑團(tuán)聚體含量最低，在0.44%～3.89%之間。0～10cm土層，＜0.25mm微團(tuán)聚體含量大小為F7＜F10＜F5＜F0＜F3，其中，圍封7年的草地顯著低于未圍封及圍封3年、5年和10年的草地（P＜0.05），圍封3年的草地顯著高于圍封5年、7年和10年的草地（P＜0.05），但與未圍封草地之間差異不顯著；10～20cm土層，各圍封草地1～0.5 mm，0.5～0.25mm及＜0.25mm粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量含量差異不顯著，＞3mm粒級(jí)水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量以圍封7年的草地最高，顯著高于未圍封及圍封3年、5年和10年的草地（P＜0.05）；20～40 cm土層，2～1mm和0.5～0.25mm粒級(jí)團(tuán)聚體含量在不同恢復(fù)階段草地之間差異不顯著，圍封10年的草地＜0.25mm微團(tuán)聚體含量顯著低于未圍封和圍封3年的草地（P＜0.05）?？傮w來(lái)看，圍封有利于提高草地土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，且隨時(shí)間的延長(zhǎng)，圍封效應(yīng)增強(qiáng)。

表2 不同封育年限草地土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體的構(gòu)成Table 2 The composition of soil water stable aggregates in different fencing-year grasslands

2.3 荒漠草原自然恢復(fù)演替過(guò)程中團(tuán)聚體平均重量直徑（MWD）和破壞率的變化

荒漠草原土壤濕篩團(tuán)聚體的MWD低于干篩團(tuán)聚體的MWD（表3），這是由于干篩團(tuán)聚體包含非水穩(wěn)性團(tuán)聚體和水穩(wěn)性團(tuán)聚體，在浸泡作用下大量非水穩(wěn)性團(tuán)聚體遭到破壞，因而水穩(wěn)性MWD更能反映問(wèn)題的實(shí)質(zhì)。在0～10cm土層，圍封10年的草地土壤干篩MWD顯著高于未圍封及圍封3年、5年和7年的草地（P＜0.05）；圍封5年的草地濕篩MWD顯著低于圍封10年的草地（P＜0.05）；土壤團(tuán)聚體破壞率以未圍封草地最高，為60.39%，圍封7年和10年的草地最低，顯著低于未圍封，圍封3年和5年的草地（P＜0.05）。在10～20cm土層，圍封10年的草地干篩MWD顯著高于圍封3年、5年的草地（P＜0.05），但與未圍封及圍封7年的草地之間差異不顯著；土壤濕篩MWD和團(tuán)聚體破壞率在不同恢復(fù)階段草地之間差異不顯著。20～40 cm土層，干篩和濕篩團(tuán)聚體MWD在不同恢復(fù)階段草地之間差異均不顯著；團(tuán)聚體破壞率以未圍封和圍封3年的草地較高，顯著高于圍封5年、7年和10年的草地（P＜0.05），圍封10年的草地最低，但與圍封5年和7年的草地之間差異不顯著。

表3 不同圍封年限草地土壤團(tuán)聚體平均重量直徑（MWD）和團(tuán)聚體破壞率Table 3 The MWD and destruction rates of soil aggregates in different fencing-year grasslands

3 討論

穩(wěn)定的土壤團(tuán)聚體可避免有機(jī)碳礦化分解，有效保持土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。了解和掌握土壤團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定機(jī)制有助于調(diào)控有機(jī)碳庫(kù)平衡、控制土壤侵蝕［16-17］。從土壤干篩團(tuán)聚體組成和分布看，各圍封草地＞0.25mm粒徑干篩團(tuán)聚體含量隨著土層的加深而增加，土壤結(jié)構(gòu)更趨穩(wěn)定，這是由于鹽池荒漠草原土壤結(jié)構(gòu)松散，風(fēng)蝕作用強(qiáng)烈，土壤表層結(jié)構(gòu)受到嚴(yán)重破壞，大團(tuán)聚體含量降低，土壤穩(wěn)定性減弱。同一土層，＞0.25mm粒徑干篩團(tuán)聚體含量總體上隨著圍封時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，表明隨圍封年限的增加，荒漠草原土壤穩(wěn)定性逐漸增強(qiáng)。以往的研究也表明，隨著恢復(fù)時(shí)間的延長(zhǎng)，土壤顆粒向大團(tuán)聚體聚集，＞5 mm粒級(jí)團(tuán)聚體顯著增加，土壤結(jié)構(gòu)逐年恢復(fù)［18-20］。但Cambardella等認(rèn)為，圍封禁牧條件下，植物殘?bào)w長(zhǎng)期積累在土壤表層，供微生物維系生命活動(dòng)的能量充足，從而促進(jìn)土壤表層的生物活性，有助于大團(tuán)聚體的形成，增強(qiáng)其機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性［21］。

水穩(wěn)性團(tuán)聚體作為評(píng)價(jià)土壤水穩(wěn)定性的主要指標(biāo)，與土壤抗蝕性密切相關(guān)，可表征土壤的穩(wěn)定性。不同恢復(fù)階段草地各土層水穩(wěn)性團(tuán)聚體均以 ＜0.25 mm為優(yōu)勢(shì)粒徑，但隨草地恢復(fù)演替，各土層 ＜0.25 mm粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量逐漸減少，＞0.25mm粒徑水穩(wěn)定團(tuán)聚體含量逐漸增加，土壤抗侵蝕性增強(qiáng)。楊建國(guó)等的研究表明，隨退化生態(tài)系統(tǒng)植被恢復(fù)，土壤結(jié)構(gòu)改善，土壤中大粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量隨植被恢復(fù)演替逐步增加，土壤抗侵蝕能力增強(qiáng)［22-23］。但也有研究表明植被恢復(fù)并不能有效增加土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量，土壤結(jié)構(gòu)松散，通透性增加［21］。

土壤MWD是反映團(tuán)聚體分布的重要指標(biāo)，土壤穩(wěn)定性變化的一個(gè)基本指標(biāo)就是 MWD，MWD越大，團(tuán)聚體的平均粒徑團(tuán)聚度越高，土壤穩(wěn)定性就越強(qiáng)［24］。圍欄禁牧可以增強(qiáng)荒漠草原土壤團(tuán)聚體水穩(wěn)性，降低團(tuán)聚體破環(huán)率，各土層干篩MWD均以圍封10年的草地最大，而團(tuán)聚體破壞率以圍封7年和10年的草地較低。以往的研究也表明，隨退化生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)，土壤環(huán)境改善，團(tuán)聚體平均重量直徑增加，破壞率降低［25-27］。

4 結(jié)論

圍封有利于改善寧夏荒漠草原土壤結(jié)構(gòu)和功能，隨著圍封時(shí)間的延長(zhǎng)，土壤結(jié)構(gòu)更趨穩(wěn)定。不同封育年限草地0～10cm和10～20cm土層干篩團(tuán)聚體以＜0.25mm粒徑含量最高，20～40cm以＞5 mm團(tuán)聚體為優(yōu)勢(shì)粒徑。隨圍封時(shí)間的延長(zhǎng)，各土層＜0.25mm粒徑干篩團(tuán)聚體含量逐漸下降，均以圍封10年的草地最低；＜0.25mm水穩(wěn)定團(tuán)聚體在0～10cm和20～40cm土層變化顯著，分別以圍封7年和10年的草地最低；各土層干篩MWD均以圍封10年的草地最大，團(tuán)聚體破壞率則以圍封7年、10年的草地較低。