張 強, 鄧 軍, 毛 瑾, 朵 瑩, 程 杰, 郭 梁

1.西北農(nóng)林科技大學 草業(yè)與草原學院, 陜西 楊凌 712100; 2.寧夏云霧山國家級自然保護區(qū)管理局, 寧夏 固原 756000; 3.國家林業(yè)和草原局西北調(diào)查規(guī)劃設(shè)計院, 陜西 西安 710048;4.西北農(nóng)林科技大學 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 5.中國科學院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

圍欄封育作為一種有效且簡便易行的促進退化草地自然恢復的方法，通過人為降低或完全排除家畜對草地生態(tài)系統(tǒng)影響，使草地生態(tài)系統(tǒng)在自身彈性下得以恢復和重建，在干旱半干旱區(qū)，特別是黃土高原植被恢復重建中廣泛應(yīng)用[1]。但有關(guān)退化草地適宜的圍封面積和圍封年限等關(guān)鍵問題卻一直存在較大爭議[2]。相比大量的以植被物種多樣性和生產(chǎn)力等地上指標變化來確定最佳封育年限研究[3-5]，植被恢復過程中土壤養(yǎng)分、土壤微生物量碳和氮含量變化趨勢明顯，其作為評價土壤肥力、土壤質(zhì)量早期變化及植被恢復演替的有效性亟待加強[6]。

生態(tài)化學計量學通過分析多重元素(主要是C，N，P)質(zhì)量平衡對生態(tài)交互作用的影響來探討生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能[7]。土壤C∶N是表征土壤碳氮元素動態(tài)平衡的指標，其往往被用來檢測土壤質(zhì)量，能夠調(diào)控土壤微生物對有機物的分解作用及碳的釋放與吸收[8]。目前，生態(tài)化學計量學研究主要集中在植物葉片及土壤養(yǎng)分方面，而分析圍封年限對根際土養(yǎng)分影響的報道較少。因此，本研究選取中國西部半干旱地區(qū)草原植被恢復的成功典范—寧夏云霧山國家級自然保護區(qū)的試驗區(qū)，對不同封育年限樣地中根際土壤和微生物量碳、氮含量及其化學計量特征進行研究，探討其對封育年限的響應(yīng)規(guī)律，以期為半干旱草地生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)研究以及生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分限制判定等提供依據(jù)，并為確定合理圍封年限提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

選取寧夏回族自治區(qū)固原市的云霧山國家級自然保護區(qū)試驗區(qū)為研究點(106°21′—106°27′E,36°10′—36°17′N)。保護區(qū)自1982年以來一直定位監(jiān)測退化草原恢復情況，至目前已近40 a，積累了豐富的草地群落變化資料。研究區(qū)地處黃土高原西南部，具有典型的半干旱氣候特征，年平均降水量為425 mm，其中7—9月降水量占全年60%以上；年平均氣溫7 ℃，1月份溫度最低，平均最低氣溫-8.2 ℃，8月平均最高氣溫25.2°。土壤主要類型為山地灰褐土。目前研究區(qū)物種數(shù)為313種，優(yōu)勢物種包括長芒草(Stipabungeana)、大針茅(Stipagrandis)、甘青針茅(Stipaprzewalskyi)、百里香(Thymusmongolicus)、白蓮蒿(Artemisiasacrorum)以及星毛委陵菜(Potentillaacaulis)等。

1.2 試驗設(shè)計

2017年8月底，對不同封育年限的草地生態(tài)系統(tǒng)進行了全面的群落調(diào)查及土壤樣品采集，分別為放牧樣地(GE0)、封育10 a樣地(GE10)、封育25 a(GE25)和35 a(GE35)樣地。其中，放牧樣地為全年連續(xù)放牧(4只羊/hm2)。每個樣地隨機設(shè)置有代表性的試驗小區(qū)3個，小區(qū)面積50 m×100 m，每個小區(qū)間隔80～100 m。在每個小區(qū)內(nèi)隨機選取10個采樣點進行土壤樣品采集，齊地去除植物地上部分后，用直徑10 cm的根鉆采集0—20 cm深度土樣，將根系與土壤一齊取出，利用抖落法[9]采集根際土壤，用毛刷收集入無菌自封袋后將10個樣點土樣均勻混合為一個土壤樣品。過2 mm篩后將每份土樣分為兩部分：一部分在4 ℃條件下保存，用于微生物量碳、微生物量氮含量測定，另一部分陰干后在實驗室測定土壤養(yǎng)分有關(guān)指標。

1.3 測定項目與方法

土壤微生物量碳(microbial biomass carbon,MBC)和微生物量氮(microbial biomass nitrogen,MBN)的測定采用氯仿熏蒸浸提法[13]。即稱取25 g相當于烘干土重的新鮮土壤在25.8 ℃下用CHCl3熏蒸24 h，然后將100 ml 0.5 mol/L K2SO4加入土壤中，震蕩1 h(200 r/min)后過濾去除熏蒸劑，同時另外提取25 g未熏蒸土壤。使用Elementar Liqui TOCII分析儀測定提取物的有機碳和氮含量。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

采用Excel 2016進行數(shù)據(jù)整理，共采集土樣120個，表中數(shù)據(jù)為平均值±標準差。采用SPSS 25.0軟件對不同圍封年限的土壤數(shù)據(jù)進行單因素方差分析(one-way ANOVA)檢驗并運用LSD法進行多重比較，顯著性水平為0.05。采用Pearson相關(guān)分析法對不同圍封年限下土壤和微生物量C，N含量及其化學計量的相關(guān)性進行檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同封育年限對土壤及微生物量碳、氮含量的影響

表1 云霧山自然保護區(qū)不同封育年限下土壤及微生物量碳、氮含量變化

2.2 土壤及微生物量碳、氮化學計量關(guān)系對封育年限的響應(yīng)

土壤碳氮比(C∶N)為SOC與TN比值。由圖1可知，研究區(qū)放牧和不同封育年限草地土壤C∶N的變化范圍為7.72～9.16，平均值為8.31，變異系數(shù)為9%，不同封育年限土壤C∶N較為穩(wěn)定，放牧樣地最低，GE25樣地最高，但未達顯著差異水平。封育年限對微生物量C∶N則有顯著影響，隨封育年限延長，微生物量C∶N逐漸下降，GE35最低。qMBC為MBC與SOC的比值，qMBN為MBN與TN的比值，qMBC和qMBN常被用作評價土壤肥力和土壤質(zhì)量變化的有效指標，本研究LSD分析表明封育年限對qMBC影響差異不顯著；qMBN在GE10時最低，GE35最高，顯著高于其他處理?；瘜W計量不平衡性是指土壤碳氮比與微生物量碳氮比的比值，其分析結(jié)果表明，GE0，GE10和GE25之間差異均不顯著，GE35最高，且與前3個階段差異顯著。硝態(tài)氮∶銨態(tài)氮的變化規(guī)律與微生物量C∶N較為相似，隨封育年限增加，其值呈下降趨勢。

注：①圖中不同小寫字母表示差異顯著； ②GE0，GE10，GE25，GE35分別表示放牧地，圍封10 a，圍封25 a，圍封35 a。

2.3 土壤及微生物量碳氮和化學計量特征的耦合關(guān)系

相關(guān)性分析結(jié)果(表2)表明土壤有機碳與總氮和微生物量氮以及MBC∶MBN具有顯著相關(guān)性(p<0.05)，與土壤C∶N，微生物量碳和qMBC之間具有極顯著相關(guān)性(p<0.01)，特別是與qMBC的相關(guān)系數(shù)達到0.8，而與qMBN相關(guān)性較弱。土壤總氮與微生物量碳、微生物量氮和qMBC之間均存在極顯著的線性相關(guān)，但土壤C∶N卻與微生物量碳、氮和qMBC，qMBN以及MBC:MBN之間均無顯著相關(guān)性。微生物量碳與微生物量氮之間具有極顯著相關(guān)性，此外，qMBN與MBC:MBN之間也存在顯著的相關(guān)關(guān)系。

表2 土壤和微生物量C，N含量及化學計量的相關(guān)性

3 討 論

3.1 土壤碳、氮及其化學計量關(guān)系隨封育年限變化規(guī)律

研究表明，在植被演替過程中磷含量相對穩(wěn)定[14]，而土壤有機碳和氮含量作為除磷之外表征土壤質(zhì)量狀況的主要生態(tài)因子，其含量對地上植被生長發(fā)育影響較大，因此在封育植被演替過程中，探討土壤碳、氮及其化學計量關(guān)系變化對于準確評價封育后植被恢復情況具有重要意義。本研究中，封育后土壤碳、氮含量較放牧地相比，均顯著升高，這與前人研究類似[15-16]。土壤氮和有機碳主要來源于生物死亡后分解形成的穩(wěn)定有機質(zhì)[17]，圍封后家畜(主要是綿羊)采食植物被限制，從而極大增加了地上生物量的積累，進而使圍封樣地碳、氮含量較放牧地相比顯著提高[18]。值得注意的是，盡管圍封后土壤有機碳和總氮含量均高于放牧地，但二者值卻在GE25達到峰值后急劇下降，這可能與演替進程中地上群落變化有關(guān)，之前研究表明物種多樣性的峰值通常出現(xiàn)在演替中后期[19]，Zhang等[20]研究發(fā)現(xiàn)半干旱草原封育25 a后地上物種多樣性和地上生物量最高，隨后下降，與本研究中土壤有機碳和總氮含量變化趨勢一致。因此，演替后期地上生物量減少導致土壤有機質(zhì)輸入量降低是造成土壤有機碳和總氮含量在GE25后急劇下降的主要原因。土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮可被植物較快吸收用于自身生長發(fā)育，所以本研究中圍封地和放牧地相比，土壤銨態(tài)氮與硝態(tài)氮含量變化不大，甚至隨著封育演替后期植物對養(yǎng)分需求的增大，硝態(tài)氮含量有所下降。

土壤生態(tài)化學計量作為表征土壤內(nèi)部養(yǎng)分循環(huán)狀況的重要指標，對于揭示元素的可獲得性和平衡機制及生態(tài)恢復過程具有重要意義[21]。本研究中土壤C∶N隨圍封年限變化保持穩(wěn)定，與周正虎和王傳寬[17]整合分析全球生態(tài)系統(tǒng)演替過程中土壤碳、氮動態(tài)變化結(jié)果相一致，說明土壤碳、氮含量在生態(tài)系統(tǒng)演替過程中具有同步性，這也解釋了土壤碳、氮在封育時間上具有顯著的相關(guān)性。然而，也有一些研究發(fā)現(xiàn)土壤C∶N在演替中是可變的，例如張增可等[22]對海島森林不同演替階段土壤和植物碳、氮、磷化學計量特征的研究指出土壤C∶N隨演替進行呈增加趨勢。造成這種差異的原因可能是不同生態(tài)系統(tǒng)所提供的養(yǎng)分含量和質(zhì)量不同，與林地地上部分和根系分解可提供給土壤豐富養(yǎng)分相比，地上生物量和根系相對較低的草地向土壤中添加的C和N較少。研究進一步指出，有機體往往具有較穩(wěn)定的C∶N比例，即使在植物枯枝落葉進入土壤后也存在緊密的C-N耦合[23]。Zeng等[24]對云霧山草原保護區(qū)的研究表明，在30 a的封育禁牧期間，凋落物C∶N和根系C∶N沒有明顯變化。因此，穩(wěn)定的C∶N可能與碳、氮含量緊密耦合的地上凋落物和植物根系相關(guān)。同時，穩(wěn)定的C∶N比也表明，放牧禁牧對該半干旱退化草地土壤C，N平衡影響不大。

3.2 土壤微生物量及其化學計量關(guān)系隨封育年限變化規(guī)律

土壤微生物是土壤有機質(zhì)和養(yǎng)分循環(huán)轉(zhuǎn)化的動力，是土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化過程中一個重要的活性庫或源，能夠有效促進土壤養(yǎng)分有效性和其在陸地生態(tài)系統(tǒng)的循環(huán)[25]。面對土壤碳、氮資源變化，微生物會通過調(diào)節(jié)自身生物量碳和氮以適應(yīng)土壤資源的變異[26]。本研究顯示，圍封后微生物量碳、氮含量與土壤碳、氮含量的變化趨勢一致，均呈現(xiàn)先增加至GE25達到最高后再下降趨勢，但因其變化程度大小不同，引起微生物量C∶N隨封育時間的延長而顯著下降，這一點與土壤C∶N差異較大。本研究的相關(guān)性分析也顯示，土壤C∶N與微生物量C∶N之間不存在顯著相關(guān)關(guān)系。Xu等[27]對陸地生態(tài)系統(tǒng)研究也未發(fā)現(xiàn)微生物C∶N和土壤C∶N具有相關(guān)關(guān)系，支持了本研究的結(jié)論。微生物量C∶N產(chǎn)生這種變化的原因可能與微生物群落結(jié)構(gòu)的改變有關(guān)，Mooshammer等[28]通過整合分析微生物對其資源的適應(yīng)機制后提出微生物可以通過調(diào)整群落結(jié)構(gòu)以非穩(wěn)態(tài)的方式使其生物量組成適應(yīng)其資源。Nicolas等[29]研究發(fā)現(xiàn)微生物量C∶N與真菌∶細菌的比值成正相關(guān)，表明隨圍封時間的延長，研究區(qū)真菌:細菌比值有所下降，亟待開展不同封育年限草地微生物群落特征研究。

3.3 化學計量不平衡性與微生物熵隨封育年限變化規(guī)律

化學計量不平衡性值的高低可以表征資源質(zhì)量水平和微生物的生長效率，化學計量不平衡性越高就表示資源質(zhì)量越差，微生物的生長效率也就越低[28]。本研究發(fā)現(xiàn)，長期封育(GE35)能夠顯著影響化學計量不平衡性，相較放牧地和其他封育年限的化學計量不平衡性，其值在GE35顯著增高，這是微生物調(diào)整其比例適應(yīng)演替后期的結(jié)果，表明過長時間封育會降低資源質(zhì)量水平及有效性。對于封育后的草地，其微生物的許多特性并不能完全由微生物量展現(xiàn)出來，因此，除分析其絕對量之外，微生物熵(即微生物量C，N分別與土壤C，N的比例)的變化能夠較好地反映土壤中活性有機碳、氮所占的比例，從微生物學的角度揭示土壤肥力的差異。Zhou等[30]發(fā)現(xiàn)qMBC會隨土壤C∶N增加而減少，而本研究卻發(fā)現(xiàn)與放牧地相比，圍封處理對qMBC和qMBN無顯著影響，這可能是封育后草地受外界條件干擾較少，微環(huán)境相對穩(wěn)定所致。

4 結(jié) 論

圍封能夠顯著影響土壤有機碳和全氮的含量。隨著封育年限的延長，其含量均呈現(xiàn)出先增加后下降的趨勢，二者值都在GE25時達到峰值。但封育對C∶N影響卻不大，草地在封育后的演替中，土壤有機碳和總氮之間有顯著的相關(guān)性，二者具有同步性。

圍封對土壤微生物量碳、氮及其化學計量特征也具有顯著的影響，微生物量碳和氮對封育時間的響應(yīng)與土壤有氮和有機碳對封育時間響應(yīng)趨勢相一致。封育后，微生物量C∶N顯著下降至GE35最低。GE10，GE25與放牧地相比qMBN和化學計量不平衡性不顯著，但GE35樣地此值卻顯著增加，qMBN與微生物量C具有極顯著的相關(guān)關(guān)系。qMBC對圍封時間無顯著響應(yīng)。

適當?shù)膰鈺r間(GE25)對于草地恢復具有積極作用，但圍封時間過久(GE35)就會對草地恢復產(chǎn)生負面影響，造成資源浪費，因此退化草地在適當圍封后應(yīng)該解封放牧或適當刈去地表植物進行結(jié)構(gòu)調(diào)整。