愚廣靈， 李凱輝， 周建勤,3， 李可依， 叢孟菲， 胡 洋，王旭陽(yáng)， 賈宏濤,3

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；2.中國(guó)科學(xué)院巴音布魯克草原生態(tài)系統(tǒng)研究站，新疆 巴音布魯克 841314；3.新疆土壤與植物生態(tài)過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830052）

草地作為一種重要的生態(tài)系統(tǒng)，占全球陸地總面積的25%［1］，占我國(guó)陸地總面積的40%，在控制水土流失、畜牧業(yè)發(fā)展方面發(fā)揮著重要作用［2］。巴音布魯克高寒草地是我國(guó)第一大亞高山草地、第二大高寒草地，是典型的干旱區(qū)高寒草地，也是對(duì)氣候變化最敏感脆弱的生態(tài)系統(tǒng)之一。氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)導(dǎo)致的凍融交替和荒漠化加劇已使大多數(shù)草原產(chǎn)生退化［3-5］，破壞土壤結(jié)構(gòu)。尤其是放牧牲畜的踩踏使得土壤結(jié)構(gòu)特性變異，抗蝕性減弱［6］。禁牧是恢復(fù)退化草地生態(tài)功能的有效途徑［7］，包括恢復(fù)地上生物多樣性和生物量、土壤結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分水平［8］，提高土壤團(tuán)聚體水穩(wěn)定性和抗侵蝕性［9］。圍封提高了草地碳固持能力，且隨圍封年限的增加植物碳儲(chǔ)存量分別提高了5 倍和8.39 倍，土壤碳庫(kù)分別提高了43%和94%［10］。也有研究發(fā)現(xiàn)，與放牧相比，6～8 a的禁牧降低了0～15 cm草地土壤SOC、TN、微生物生物量［11］。

土壤團(tuán)聚體是由礦質(zhì)顆粒和有機(jī)質(zhì)通過(guò)土壤微生物、凍融干濕交替等自然物理過(guò)程協(xié)同作用形成的不同尺度的多孔結(jié)構(gòu)體［12］。有機(jī)碳作為一種粘合劑，在團(tuán)聚體的組成和形成中發(fā)揮著重要的作用［13］。土壤團(tuán)聚體通常作為評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)之一，由不同的部分組成，主要包括大團(tuán)聚體（＞0.25 mm）和小團(tuán)聚體（＜0.25 mm）［14-15］。土壤團(tuán)聚體作為獨(dú)立且最小的結(jié)構(gòu)單元，它們的組成可以調(diào)節(jié)土壤物理、化學(xué)和生物過(guò)程［16］。水穩(wěn)性團(tuán)聚體的數(shù)量和穩(wěn)定性是制約土壤抗蝕性的重要因子［17］。土壤可蝕性是土壤性質(zhì)的一個(gè)重要方面，是評(píng)價(jià)土壤是否易受侵蝕營(yíng)力破壞的性能，是土壤對(duì)侵蝕營(yíng)力分離和搬運(yùn)作用的敏感性表現(xiàn)［18］，是影響土壤侵蝕量的內(nèi)在因素，是定量研究土壤侵蝕的基礎(chǔ)［19］。本文通過(guò)研究3種不同類(lèi)型草地圍欄封育對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和土壤抗侵蝕能力的影響，可為闡明放牧與土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和可蝕性的響應(yīng)機(jī)制提供科學(xué)依據(jù)，并為巴音布魯克高寒草地或類(lèi)似退化草地的科學(xué)利用和生態(tài)恢復(fù)措施提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于中天山山脈南坡中部巴音布魯克高寒草地，地理坐標(biāo)為83°42′E，42°43′～43°58′N(xiāo)（圖1），海拔2400～3500 m。年平均氣溫-4.8 ℃，1 月最低氣溫可達(dá)-48 ℃，年降水量276.2 mm，年蒸發(fā)量高達(dá)1247.5 mm，全年積雪日150～180 d，無(wú)絕對(duì)無(wú)霜期，屬典型的高寒氣候。主要優(yōu)勢(shì)種有苔草（Carex tristachya）、羊茅（Festuca ovina）、紫花針茅（Stipa purpurea）和草地早熟禾（Poa pratensis）等［20］。

圖1 研究區(qū)地理位置Fig.1 Geographical location of the study area

1.2 樣地設(shè)置與樣品采集

于2020年9月選取巴音布魯克高寒草地的3種草地類(lèi)型：高寒草甸、高寒草甸草原和高寒草原中設(shè)置的長(zhǎng)期圍欄（圍欄設(shè)置于1984 年）為研究對(duì)象。圍欄為20 m×20 m 大小，分別在圍欄內(nèi)外各設(shè)置5 個(gè)地塊（2 m×2 m，間隔大于2 m）。圍欄內(nèi)部為長(zhǎng)期圍欄封育處理，圍欄外部為自由放牧處理（對(duì)照）。在采樣過(guò)程中收集5 個(gè)地塊內(nèi)0～5 cm、5～10 cm、10～20 cm 和20～30 cm 深度的原狀土壤，每個(gè)地塊采集5組重復(fù)（圖2），以研究水穩(wěn)性土壤團(tuán)聚體的相關(guān)特性。

圖2 樣點(diǎn)布設(shè)圖Fig.2 Layout of sample points

1.3 樣品分析

將樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，分成近1 cm 的小塊，去除植物根部、石塊等雜物，自然保持干燥。通過(guò)濕篩法分離取得粒徑＞2 mm、2～0.25 mm、0.25～0.053 mm和＜0.053 mm 的土壤團(tuán)聚體。稱(chēng)取100 g 自然干燥土樣，將土樣放置在由2 mm，0.25 mm 和0.053 mm篩子組成的套篩上，然后將套篩快速浸入蒸餾水中，手動(dòng)振動(dòng)套篩3 min，上下振幅4 cm，振頻3 次·min-1。烘箱60 ℃下烘干得到不同粒徑土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體。平均重量直徑（MWD）和幾何平均直徑（GMD）［21］通過(guò)公式（1）和公式（2）計(jì)算，Shirazi等［22-23］建議土壤無(wú)充分資料的情況下，采用公式（3）計(jì)算土壤可蝕性K值，可通過(guò)以下方程計(jì)算。

式中：MWD 為團(tuán)聚體平均重量直徑（mm）；GMD 為團(tuán)聚體幾何平均直徑（mm）；di為i粒徑范圍內(nèi)團(tuán)聚體的平均直徑（mm）；Wi為i粒徑團(tuán)聚體重量占土壤樣品干重的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）。

土壤pH 使用pH 計(jì)測(cè)定，土壤與水的比例為1：2.5；土壤有機(jī)碳用重鉻酸鉀外加熱法；土壤全氮（TN）用凱式定氮法測(cè)定；土壤全磷（TP）采用HC?lO4-H2SO4消煮后使用分光光度計(jì)進(jìn)行比色測(cè)定；土壤全鉀（TK）使用火焰光度計(jì)法測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用SPSS 25.0 進(jìn)行ANOVA 分析，并用Duncan檢驗(yàn)方法對(duì)各測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行多重比較。使用Origin 2018 進(jìn)行繪圖；冗余分析（Redundancy Analysis，RDA）可以將樣本和環(huán)境因子反映在同一個(gè)二維排序圖上，從中可以直觀地看出樣本分布與環(huán)境因子間的關(guān)系，使用R 語(yǔ)言（4.0.5）進(jìn)行土壤團(tuán)聚體環(huán)境因子與MWD和K值的冗余分析并生成RDA圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 長(zhǎng)期圍封對(duì)土壤有機(jī)碳SOC 含量和化學(xué)性質(zhì)的影響

由圖3 可以看出，各類(lèi)型草地土壤有機(jī)碳SOC含量隨土層加深而降低。圍欄封育處理下各土層SOC 含量均顯著高于自由放牧（P＜0.05），高寒草甸圍封處理下0～5 cm 土層SOC 含量最高達(dá)131.17 g·kg-1。高寒草甸草原和高寒草原20～30 cm土層圍封處理和自由放牧處理SOC 含量差異均不顯著（P＞0.05），說(shuō)明巴音布魯克草地SOC 在20～30 cm 趨于穩(wěn)定不易受到外界擾動(dòng)而發(fā)生變化。

圖3 長(zhǎng)期圍封對(duì)土壤有機(jī)碳SOC含量的影響Fig.3 Effect of long-term enclosure on SOC content of soil organic carbon

各處理0～5 cm土層的pH均顯著低于20～30 cm（圖4）。高寒草甸圍封處理5～10 cm土層TN含量為11.39 g·kg-1，顯著高于其他處理（P＜0.05）。高寒草甸草原和高寒草原圍封處理下20～30 cm土層TN含量顯著低于其余土層（P＜0.05）。高寒草甸放牧處理和高寒草原圍欄封育處理4 個(gè)土層間TN 含量沒(méi)有顯著性差異（P＞0.05）。高寒草原自由放牧處理0～5 cm土層TP含量為1.17 g·kg-1顯著高于其他處理（P＜0.05），其余處理下各土層間沒(méi)有顯著差異?？梢钥闯觯吆莸?0～20 cm 和20～30 cm 土層TK 含量顯著高于表層0～10 cm 土壤（P＜0.05），20～30 cm 土層TK 最高可達(dá)20.91 g·kg-1。高寒草甸草原不同處理及不同土層間TK 含量沒(méi)有顯著差異（P＞0.05）。高寒草原圍欄封育處理下的TK含量顯著高于自由放牧處理。

圖4 長(zhǎng)期圍封對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響Fig.4 Effect of long-term enclosure on soil chemical properties

2.2 長(zhǎng)期圍封對(duì)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體組分分布、穩(wěn)定性特征和土壤可蝕性的影響

如圖5 所示，高寒草甸0～5 cm 土層中圍欄封育處理下＞2 mm 土壤團(tuán)聚體含量67.58%顯著高于自由放牧處理（P＜0.05）；5～10 cm、10～20 cm 和20～30 cm 土層各粒級(jí)團(tuán)聚體含量無(wú)顯著差異（P＞0.05）。高寒草甸草原0～5 cm 土層圍欄封育處理＞2 mm 土壤團(tuán)聚體含量48.73%顯著高于自由放牧處理（P＜0.05）；5～10 cm、10～20 cm 和20～30 cm 土層各粒級(jí)團(tuán)聚體含量無(wú)顯著差異。高寒草原各土層＞2 mm土壤團(tuán)聚體含量均是圍欄封育處理高于自由放牧處理。圍封顯著提高了巴音布魯克高寒草原0～5 cm表層土壤＞2 mm土壤團(tuán)聚體含量（P＜0.05）。

圖5 長(zhǎng)期圍封對(duì)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體組分分布的影響Fig.5 Effect of long-term enclosure on composition distribution of soil water stable aggregates

土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體MWD 和GMD 的變化如表1所示。0～5 cm土層中高寒草甸圍欄封育下的MWD最高為4.22 mm，而高寒草甸自由放牧處理的MWD最低為1.75 mm；5～10 cm 高寒草甸草原圍封處理MWD最高為3.89 mm；10～20 cm土層中高寒草甸草原圍欄封育下MWD 最大為4.22；20～30 cm 土層中高寒草原圍欄封育處理下MWD最大。20～30 cm土層高寒草甸和高寒草甸草原圍欄封育和自由放牧下的MWD 和GMD 沒(méi)有顯著性差異（P＞0.05），而高寒草原差異顯著（P＜0.05）。

表1 長(zhǎng)期圍封條件下土壤團(tuán)聚體MWD和GMDTab.1 MWD and GMD of soil aggregates under long-term enclosure conditions

土壤可蝕性K值是土壤抵抗水蝕能力大小的一個(gè)相對(duì)綜合指標(biāo)，K值越大，土壤抗侵蝕能力越弱。相反，K值越小，土壤抗侵蝕能力越強(qiáng)。土壤可蝕性（K值）的變化如圖6所示,高寒草原自由放牧處理各土層的K值均顯著高于圍封處理，其中10～20 cm土壤K值最高為0.137，與其他處理K值沒(méi)有顯著差異。高寒草原自由放牧處理的K值最高，說(shuō)明其土壤抗侵蝕能力最弱，其他處理土壤抗侵蝕能力較強(qiáng)。

圖6 土壤可蝕性K值Fig.6 Soil erodibility K value

2.3 土壤團(tuán)聚體組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)、MWD、GMD、K 值與土壤化學(xué)性質(zhì)的相關(guān)性

由圖7 可以看出，水穩(wěn)性土壤團(tuán)聚體組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)、MWD、GMD、K值與土壤性質(zhì)之間的相關(guān)性。K值與2～0.25 mm土壤團(tuán)聚體質(zhì)量百分含量和0.25～0.053 mm 土壤團(tuán)聚體質(zhì)量百分含量呈極顯著相關(guān)（P＜0.01），與＞2 mm 土壤團(tuán)聚體質(zhì)量百分含量、MWD、GMD 呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）；SOC 與＞2 mm 土壤團(tuán)聚體質(zhì)量百分含量和MWD 呈顯著負(fù)相關(guān)、與2～0.25 mm 土壤團(tuán)聚體質(zhì)量百分含量呈極顯著正相關(guān)、與pH呈極顯著負(fù)相關(guān)；TN含量與SOC含量呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）；TP 與0.25～0.053 mm土壤團(tuán)聚體質(zhì)量百分含量、＜0.053 mm、K值與SOC呈極顯著正相關(guān)，TP與＞2 mm土壤團(tuán)聚體質(zhì)量百分含量和MWD 呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）；TK 與2～0.25 mm土壤團(tuán)聚體質(zhì)量百分含量、K值和SOC呈極顯著負(fù)相關(guān)。不同處理各粒級(jí)土壤團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)、MWD和K值與土壤環(huán)境因子（pH、SOC、TN、TP、TK）的冗余分析結(jié)果如圖8 所示。高寒草甸圖8a、圖8c 中軸1 和軸2 共解釋了土壤團(tuán)聚體MWD 和K值的46.43%和17.60%，pH 和TK 與K之間正相關(guān)，SOC與MWD同向呈正相關(guān)。高寒草甸草原圖8d圍封處理、圖8f 放牧處理軸1 和軸2 共解釋了土壤團(tuán)聚體MWD 和K值的54.52%和31.65%，各影響因子中pH和TK的影響最大；高寒草原圖8b圍封處理和圖8e典型放牧處理軸1和軸2共解釋了土壤團(tuán)聚體MWD 和K值的59.62%和12.73%，TK、pH、TP、TN 與MWD為正相關(guān)?？梢?jiàn)，土壤TK、pH、TP的變化是影響土壤K值的最主要因素，而土壤有機(jī)碳SOC 是影響土壤團(tuán)聚體MWD最重要的因子。

圖7 水穩(wěn)性土壤團(tuán)聚體組分、MWD、GMD、K值與土壤化學(xué)性質(zhì)的相關(guān)性Fig.7 Correlation between water stable soil aggregate composition,MWD,GMD,K value and soil chemical properties

圖8 土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和土壤可蝕性與環(huán)境因素和土壤化學(xué)性質(zhì)之間的關(guān)系Fig.8 Relationship between soil aggregate stability,soil erodibility and environmental factors and soil chemical properties

由表2可以看出，在0.05的顯著性水平下，草地類(lèi)型、圍封和土層對(duì)于土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指數(shù)（MWD和GMD）和可蝕性（K值）的影響非常顯著。

表2 MWD、GMD和K值的多變量方差分析Tab.2 Multivariate analysis of MWD,GMD and K

3 討論

3.1 圍欄封育對(duì)團(tuán)聚體組分分布和水穩(wěn)定性特征的影響

高寒草甸、高寒草甸草原和高寒草原3 種類(lèi)型草地0～10 cm表層土壤中＞2 mm土壤團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)圍封處理高于放牧處理。圍封處理下0～10 cm土層＞2 mm 土壤團(tuán)聚體數(shù)量更多，可能是因?yàn)楸韺油寥栏岛臀⑸锓置谖锉容^多,導(dǎo)致0～10 cm 土層大團(tuán)聚體更為穩(wěn)定數(shù)量更多。圍封條件下，植物殘?bào)w長(zhǎng)期積累在土壤表層，以供維持微生物生命活動(dòng)，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)其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性［24］。不同地上植被構(gòu)成、地表枯落物的輸入數(shù)量和質(zhì)量不同，影響著土壤有機(jī)碳的含量及儲(chǔ)量，進(jìn)而使形成大團(tuán)聚體的膠結(jié)物質(zhì)存在差異，最終表現(xiàn)出土壤團(tuán)聚體組成特征存在差異［25］。

放牧對(duì)高寒草甸土壤團(tuán)聚體水穩(wěn)定性影響極大,圍封措施可以提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性。可能是因?yàn)檩^少的外界擾動(dòng)（牲畜的踩踏）導(dǎo)致植物凋落物和地上、地下生物量增多，導(dǎo)致凍土層變薄和較高的有機(jī)碳碳源輸入,促使土壤微生物活性增加，促進(jìn)并保護(hù)了大團(tuán)聚體的形成，使得土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性增強(qiáng)。圍封被認(rèn)為是恢復(fù)退化草地土壤有機(jī)碳庫(kù)的重要途徑之一，被廣泛應(yīng)用。張昊等［26］在黃土高原天然草地發(fā)現(xiàn)，8 a 圍欄封育有利于植被恢復(fù)、抵抗土壤侵蝕，進(jìn)而增加土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性這與本文在巴音布魯克高寒草原得到的結(jié)果一致。

MWD 值越大表示團(tuán)聚體的平均粒徑團(tuán)聚度越高，穩(wěn)定性越強(qiáng)。0～10 cm土層下MWD和GMD在3種類(lèi)型草地中均為圍封處理大于放牧處理。36 a的長(zhǎng)期圍封使得地表植被蓋度變大，有機(jī)殘?bào)w歸還相應(yīng)增多,微生物維系生命活動(dòng)的能量充足，從而促進(jìn)土壤生物的活性，包括真菌生長(zhǎng)和土壤動(dòng)物，有助于在大團(tuán)聚體內(nèi)部結(jié)合形成微粒有機(jī)質(zhì)，增加其穩(wěn)定性［15］。

3.2 圍欄封育對(duì)土壤可蝕性的影響

土壤可蝕性表征土壤被侵蝕的難易程度，反映了土壤對(duì)侵蝕外營(yíng)力剝離和搬運(yùn)的敏感性［27］。已有研究表明，土壤抵抗侵蝕的能力很大程度上取決于土壤自身的理化性質(zhì)，包括土壤顆粒組成、結(jié)構(gòu)、土壤容重、孔隙度、土壤有機(jī)質(zhì)含量等物理和化學(xué)性狀［28］。高寒草原自由放牧處理的10～20 cm 土層K值最高，說(shuō)明其土壤抗侵蝕能力最弱，高寒草原圍封與放牧處理下，土壤抗侵蝕能力差異較大。可能隨著植被恢復(fù)措施的實(shí)施，植物地上部分的覆蓋度增加，導(dǎo)致植物輸入的有機(jī)質(zhì)增加，從而改善土壤的理化性質(zhì)，促進(jìn)新的團(tuán)聚體的形成。土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性增強(qiáng)，提高了土壤的抗侵蝕能力，與Dou等［29］的研究結(jié)果一致。

3.3 土壤團(tuán)聚體組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)、MWD、GMD、K 值與土壤基本理化性質(zhì)的相關(guān)性

K值與W0.25～0.053和W＜0.053呈極顯著相關(guān)，與W＞2、MWD、GMD 呈極顯著負(fù)相關(guān)。小粒徑團(tuán)聚體含量增多導(dǎo)致K值變大，土壤抗侵蝕能力變?nèi)?。而? mm粒徑團(tuán)聚體含量變多，K值變小土壤抗侵蝕能力增強(qiáng)。SOC 含量對(duì)土壤團(tuán)聚體W2～0.25有顯著影響。有機(jī)碳促進(jìn)2～0.25 mm粒徑土壤團(tuán)聚體的形成。大團(tuán)聚體（＞0.25 mm）的形成需要膠結(jié)物質(zhì)，而有機(jī)碳可以使小團(tuán)聚體凝聚在一起形成大團(tuán)聚體［30］，增加其含量有利于團(tuán)聚體的形成和團(tuán)聚體穩(wěn)定性的提高［14,31］。本研究發(fā)現(xiàn)，草地類(lèi)型、圍封和土層均對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和可蝕性有著顯著的影響。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)巴音布魯克高寒草地土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性、可蝕性和土壤化學(xué)性質(zhì)的分析，得出以下結(jié)論：

（1）36 a的圍封措施增加了巴音布魯克高寒草地0～10 cm 土層中＞2 mm 大團(tuán)聚體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，增大了MWD 和GMD?？梢?jiàn)，長(zhǎng)期圍封提高了土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。

（2）巴音布魯克高寒草原自由放牧處理K值顯著高于其他處理，說(shuō)明土壤抗侵蝕能力在各草地處理中最弱。

（3）土壤全磷、全鉀和pH 是影響土壤可蝕性K值的最主要因素，土壤有機(jī)碳是影響土壤團(tuán)聚體MWD 最重要因素。草地類(lèi)型、圍封和土層均對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和可蝕性有著顯著的影響。