史佳梅， 許冬梅,2*， 劉萬(wàn)龍， 白博文， 郭艷菊， 馬曉靜

(1. 寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院， 寧夏 銀川 750021； 2. 寧夏草牧業(yè)工程技術(shù)研究中心， 寧夏 銀川 750021)

草地生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，儲(chǔ)存了陸地生態(tài)系統(tǒng)近三分之一的有機(jī)碳，其碳素循環(huán)過(guò)程影響大氣碳平衡，在區(qū)域氣候變化中占有重要地位[1-2]。然而，在嚴(yán)酷的自然環(huán)境及人類活動(dòng)的強(qiáng)烈干擾下，草地沙化已經(jīng)成為干旱、半干旱及部分半濕潤(rùn)地區(qū)最嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題之一[3-4]。草地沙化導(dǎo)致表層土壤細(xì)顆粒物質(zhì)明顯流失，結(jié)構(gòu)破壞，土壤貧瘠化和粗?；袡C(jī)碳等養(yǎng)分損失，草地生產(chǎn)力下降，嚴(yán)重威脅草地土壤碳庫(kù)的穩(wěn)定[5-7]。而土壤有機(jī)碳與土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定、養(yǎng)分的保蓄及持水能力的保持等密切相關(guān)，當(dāng)土壤有機(jī)碳含量下降至一定水平時(shí)，土壤物理穩(wěn)定性喪失，加劇了草地生態(tài)環(huán)境的惡化[8]。

土壤有機(jī)碳是反映土壤質(zhì)量和土地退化程度的重要指標(biāo)，作為微生物活動(dòng)的能源物質(zhì)影響土壤養(yǎng)分的有效性。土壤有機(jī)碳的固定主要以團(tuán)聚體為載體，團(tuán)聚體中儲(chǔ)存的有機(jī)碳對(duì)土壤有機(jī)碳平衡和穩(wěn)定具有重要貢獻(xiàn)[9-10]；而土壤有機(jī)碳作為團(tuán)聚體形成過(guò)程中重要的膠結(jié)物質(zhì)，影響土壤結(jié)構(gòu)及其抵御風(fēng)蝕的物理穩(wěn)定性[11-12]，是保護(hù)沙化草地生態(tài)系統(tǒng)的先決條件。土壤有機(jī)碳活性組分包括易氧化有機(jī)碳(EOC)、微生物量碳(MBC)、顆粒有機(jī)碳(POC)等，能直接參與土壤的生物、化學(xué)轉(zhuǎn)化過(guò)程[13]，極易受植物和微生物活動(dòng)的影響[14]，能夠在短期內(nèi)準(zhǔn)確、及時(shí)地反映土壤有機(jī)碳的微小變化[15]。然而，土壤活性有機(jī)碳僅表征了有機(jī)碳的活性部分，不能全面揭示土壤有機(jī)碳庫(kù)的固存能力[16]。基于此，Blair等[17]提出了土壤碳庫(kù)管理指數(shù)(CPMI)的概念，由于其綜合考慮了不同環(huán)境條件下土壤總有機(jī)碳和活性有機(jī)碳的狀況，因而可以更為全面、動(dòng)態(tài)地反映外界因素對(duì)土壤有機(jī)碳數(shù)量及質(zhì)量的影響，是表征生態(tài)系統(tǒng)退化或恢復(fù)過(guò)程中土壤碳庫(kù)變化最為直觀的指標(biāo)[18,19]。

寧夏干旱風(fēng)沙區(qū)地處干旱與半干旱氣候的過(guò)渡地帶，位于毛烏素沙地南緣，土質(zhì)疏松，風(fēng)蝕作用強(qiáng)烈，自然生境極為脆弱。此外，由于長(zhǎng)期以來(lái)過(guò)度放牧、亂采濫挖等人為活動(dòng)的干擾，草地退化、沙化較為嚴(yán)重[20]。近年來(lái)，隨著我國(guó)對(duì)環(huán)境問(wèn)題的日益重視，有關(guān)學(xué)者就草地沙化、退化過(guò)程的機(jī)制分析[21-22]，草地沙化過(guò)程中植物群落結(jié)構(gòu)、土壤理化及生物學(xué)性狀等方面開(kāi)展了相關(guān)研究[23-25]。沙地不同土地利用方式、生態(tài)恢復(fù)等[4,26-28]措施對(duì)土壤有機(jī)碳分布及其影響機(jī)制開(kāi)展了大量研究。但針對(duì)寧夏干旱風(fēng)沙區(qū)沙化草地土壤碳庫(kù)特征的研究鮮有報(bào)道。本研究以寧夏鹽池縣哈巴湖自然保護(hù)區(qū)沙化草地為對(duì)象，研究不同沙化程度草地土壤有機(jī)碳及其活性組分(易氧化有機(jī)碳、微生物量碳)的剖面分布、土壤有機(jī)碳在不同粒級(jí)團(tuán)聚體中的分配(團(tuán)聚體有機(jī)碳)及土壤碳庫(kù)管理指數(shù)的變化，探討草地沙化過(guò)程中土壤有機(jī)碳庫(kù)的動(dòng)態(tài)，以期為寧夏干旱風(fēng)沙區(qū)沙化草地修復(fù)及有機(jī)碳儲(chǔ)量評(píng)估提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于寧夏回族自治區(qū)鹽池縣哈巴湖國(guó)家自然保護(hù)區(qū)(37°38′36″～38°02′00″ N,106°53′11″～107°38′10″ E)，海拔1 300～1 622 m，地處干旱和半干旱區(qū)的過(guò)渡帶[29]，年均氣溫7.7℃，年均降水量296 mm，降水的70%集中在7—9月，年均蒸發(fā)量2 131 mm。土壤類型主要有灰鈣土、風(fēng)沙土、鹽土、新積土等[30]。草地類型為荒漠草原，主要植物種有短花針茅(Stipabreviflora)、蒙古冰草(Agropyronmongolicum)、牛枝子(Lespedezapotaninii)、砂珍棘豆(Oxytropisracemosa)、糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)、披針葉黃華(Thermopsislanceolata)、中亞白草(Pennisetumcentrasiaticum)、阿爾泰狗哇花(Heteropappusaltaicus)、賴草(Leymussecalinus)、黑沙蒿(Artemisiaordosica)、豬毛蒿(Artemisiascoparia)等。

1.2 研究方法

1.2.1樣地設(shè)置 研究區(qū)設(shè)在鹽池縣哈巴湖自然保護(hù)區(qū)，基于前期樣線法(自潛在沙化草地至重度沙化草地設(shè)置3條3.6 km長(zhǎng)的平行樣線，相鄰兩條樣線之間的間隔距離為500 m，在每條樣線上每隔200 m設(shè)置樣方，計(jì)57個(gè))[31]獲取的植被物種重要值及土壤顆粒組成等相關(guān)數(shù)據(jù)，通過(guò)系統(tǒng)聚類并結(jié)合《天然草地退化、沙化、鹽漬化的分級(jí)指標(biāo)》(GB 19733—2003)[32]，將研究區(qū)劃分為潛在沙化草地(Potential desertification，PD)、輕度沙化草地(Light desertification，LD)、中度沙化草地(Moderate desertification，MD)和重度沙化草地(Severe desertification，SD)，各沙化程度草地在較小尺度范圍內(nèi)連續(xù)分布，氣候、土壤類型及人類干擾等因子一致，其植被及土壤基本性狀見(jiàn)表1?；诖耍?019年5月在每種沙化程度草地的典型區(qū)域內(nèi)沿對(duì)角線布設(shè)3個(gè)50 m×50 m的樣區(qū)，在每個(gè)樣區(qū)的四個(gè)角和中心設(shè)置5個(gè)取樣點(diǎn)，記錄取樣點(diǎn)所在的具體位置、微地形等。

1.2.2土壤樣品采集及處理 在每個(gè)取樣點(diǎn)挖掘土壤剖面，采用多點(diǎn)混合法分別按0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm，30～40 cm土層采集土壤樣品，將同層樣品混合均勻，帶回實(shí)驗(yàn)室，一部分在室內(nèi)風(fēng)干，分別過(guò)0.149 mm，2 mm篩用于土壤有機(jī)碳(SOC)、易氧化有機(jī)碳(EOC)的測(cè)定，另一部分冷藏于-4℃的冰箱用于微生物量碳(MBC)的測(cè)定；用環(huán)刀采集土壤樣品，用于土壤容重的測(cè)定；同時(shí)采集原狀土樣用于土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳的測(cè)定。

表1 不同沙化程度草地植被特征及0～40 cm土層土壤理化性狀Table 1 Vegetation characteristics and basic physical and chemical properties of soil in 0～40 cm layer in grasslands of different desertification degree

1.2.3樣品測(cè)定方法 土壤團(tuán)聚體的分級(jí)采用沙維諾夫干篩法[33]，按>5 mm，5～2 mm，2～0.25 mm，<0.25 mm分離不同粒級(jí)團(tuán)聚體；土壤水分含量采用烘干法測(cè)定；容重采用環(huán)刀法測(cè)定；全氮采用BUCHI Labortechnik AGK-360 全自動(dòng)凱氏定氮儀測(cè)定；顆粒組成采用Micrrotrac S3500 激光粒度分析儀測(cè)定；土壤全碳和無(wú)機(jī)碳采用Elemental rapid Cs cube元素分析儀測(cè)定，有機(jī)碳含量通過(guò)全碳與無(wú)機(jī)碳含量的差值獲取；團(tuán)聚體有機(jī)碳測(cè)定方法同全土有機(jī)碳；易氧化有機(jī)碳和微生物量碳分別采用高錳酸鉀氧化法和氯仿熏蒸浸提法測(cè)定[17,34]。

1.2.4數(shù)據(jù)計(jì)算 碳庫(kù)管理指數(shù)[17](CPMI)用于反映不同沙化程度草地土壤質(zhì)量的變化。以潛在沙化草地為參考，計(jì)算各沙化程度草地的碳庫(kù)管理指數(shù)。計(jì)算方法如下：

碳庫(kù)活度(A)=易氧化有機(jī)碳含量÷(總有機(jī)碳含量﹣易氧化有機(jī)碳含量)

碳庫(kù)活度指數(shù)(AI)=各沙化程度草地土壤碳庫(kù)活度÷參考草地土壤碳庫(kù)活度

碳庫(kù)指數(shù)(CPI)=各沙化程度草地土壤有機(jī)碳含量÷參考草地土壤有機(jī)碳含量

碳庫(kù)管理指數(shù)(CPMI)=碳庫(kù)指數(shù)×碳庫(kù)活度指數(shù)×100

土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的計(jì)算[35]：

Cs=SOCi×Bi×Hi×0.1

Cs為第i層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量/t·hm-2；SOCi為第i層土壤有機(jī)碳含量/g·kg-1；Bi為第i層土壤容重/g·cm-3；Hi為第i層土壤厚度/cm；0.1 為單位轉(zhuǎn)換系數(shù)。

1.2.5統(tǒng)計(jì)分析 采用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)處理，SPSS 22.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，Origin 9.7.0繪圖；沙化程度和土層深度對(duì)土壤有機(jī)碳、活性有機(jī)碳等指標(biāo)的影響采用雙因素方差分析(Two-way ANOVA)；沙化程度、土層深度及粒徑大小對(duì)團(tuán)聚體有機(jī)碳的影響采用三因素方差分析(Three-way ANOVA)；最小顯著差異法(LSD)進(jìn)行多重比較，顯著性水平為0.05；采用Pearson法對(duì)土壤有機(jī)碳、植被及土壤基本理化性狀有關(guān)指標(biāo)之間進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果

2.1 不同沙化程度草地土壤有機(jī)碳含量和儲(chǔ)量的變化

沙化程度對(duì)土壤有機(jī)碳含量及儲(chǔ)量的影響達(dá)極顯著水平(P<0.01)，土層深度及二者交互作用對(duì)其均無(wú)顯著影響(表2)。

表2 沙化程度和土層深度對(duì)土壤有機(jī)碳含量及儲(chǔ)量影響的雙因素方差分析(F值)Table 2 Two-way ANOVA(F-values) of the effects of desertification degree and soil layer on contents and storage of SOC

在0～40 cm各土層，土壤有機(jī)碳含量及儲(chǔ)量表現(xiàn)為隨沙化程度的加劇總體下降的趨勢(shì)(表3)，其中，PD各土層土壤有機(jī)碳含量和儲(chǔ)量分別為10.45～17.24 g·kg-1和15.58～25.75 t·hm-2。與PD相比，LD，MD和SD的降幅均在60%以上(P<0.05)，尤其是PD至LD，MD至SD下降幅度較大。從剖面變化看，隨土層的加深各沙化程度草地土壤有機(jī)碳含量及儲(chǔ)量的分布規(guī)律不完全相同。其中，PD土壤有機(jī)碳含量和儲(chǔ)量隨土層的加深而增加，LD和MD以0～10 cm土層較高，SD在0～40 cm各土層變幅不大。

表3 不同沙化程度草地土壤有機(jī)碳含量及儲(chǔ)量的變化Table 3 Changes of soil organic carbon content and storage in grasslands under different desertification degree

2.2 不同沙化程度草地土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量的變化

沙化程度對(duì)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量影響顯著(P<0.05)，土層深度、粒徑大小及其間交互作用對(duì)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量均無(wú)顯著影響(表4)。

表4 沙化程度、土層深度和粒徑大小對(duì)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳影響的三因素方差分析(F值)Table 4 Three-way ANOVA(F-values) of effects of desertification degree,soil layer and particle size on soil aggregate organic carbon

除SD在0～30 cm各土層土壤有機(jī)碳含量在不同粒徑團(tuán)聚體中的分布呈顯著差異外(P<0.05)(圖1)，PD，LD和MD在0～40 cm各土層及SD在30～40 cm土層土壤有機(jī)碳含量在>5 mm，5～2 mm，2～0.25 mm及<0.25 mm粒徑團(tuán)聚體之間差異不顯著。

0～40 cm各土層不同粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量總體隨沙化程度的加重而降低，均以PD最高，變化范圍為13.04～15.92 g·kg-1，顯著高于LD，MD和SD(P<0.05)；SD最低，其0～10 cm土層>5 mm，5～2 mm和2～0.25 mm粒級(jí)，10～20 cm土層5～2 mm粒級(jí)及20～30 cm土層>5 mm和5～2 mm粒級(jí)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量顯著低于LD，MD(P<0.05)。

從剖面分布看，SD隨土層的加深土壤各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量總體呈增加的趨勢(shì)，PD各粒級(jí)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量以0～10 cm土層較低，20～40 cm土層變化較為平穩(wěn)，MD和LD各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量在0～40 cm土層范圍內(nèi)變幅較小。

圖1 不同沙化程度草地土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量的變化Fig.1 Changes of organic carbon contents in soil aggregates of grasslands under different desertification degree注：圖中誤差線為標(biāo)準(zhǔn)誤；不同大寫(xiě)字母表示同一粒徑不同沙化程度草地之間差異顯著，不同小寫(xiě)字母表示同一沙化程度草地不同粒徑之間差異顯著(P<0.05)Note:The error line in the figure is SE. Different capital letters indicate significant difference between different desertification grasslands in the same particle size at the 0.05 level,different lowercase letters indicate significant difference between different particle size in the same desertification grasslands at the 0.05 level

2.3 不同沙化程度草地土壤活性有機(jī)碳組分的變化

沙化程度、土層深度及兩者的交互作用對(duì)土壤MBC影響極顯著(P<0.01)，對(duì)EOC均無(wú)顯著影響(表5)。

表5 沙化程度和土層深度對(duì)土壤活性有機(jī)碳影響的雙因素方差分析(F值)Table 5 Two-way ANOVA(F-values) of effects for desertification degree and soil layer on soil active organic carbon

土壤EOC含量在0～40 cm各土層隨沙化程度的加劇總體呈下降的趨勢(shì)(表6)。其中，PD在0～10 cm土層EOC含量為0.59 g·kg-1，顯著高于MD和SD，在20～30 cm土層EOC含量為0.68 g·kg-1，顯著高于LD，MD和SD(P<0.05)；10～20 cm土層和30～40 cm土層EOC含量在不同沙化程度草地之間差異不顯著，變化范圍分別為0.35～0.46 g·kg-1和0.47～0.68 g·kg-1。總體看，0～20 cm土層易氧化有機(jī)碳含量低于20～40 cm土層。

0～10 cm和10～20 cm土層，MBC含量隨沙化程度的加劇呈先下降后上升趨勢(shì)(表6)，以SD最高，分別為38.89 mg·kg-1和27.90 mg·kg-1，在0～10 cm土層顯著高于MD(P<0.05)；20～30 cm土層土壤MBC含量變化范圍為22.37～50.46 mg·kg-1，以LD最高，顯著高于SD(P<0.05)；30～40 cm土層土壤MBC含量在不同沙化程度草地之間差異不顯著。除SD外，其他3種沙化程度草地MBC含量均表現(xiàn)為30～40 cm土層較低，20～30 cm土層較高。

表6 不同沙化程度草地土壤活性有機(jī)碳含量的變化Table 6 Changes of soil active organic carbon contents in grasslands under different desertification degree

2.4 不同沙化程度草地土壤活性有機(jī)碳占總有機(jī)碳的比例

沙化程度、土層深度及兩者的交互作用對(duì)土壤MBC∶SOC的影響達(dá)極顯著水平(P<0.01)，沙化程度和土層深度兩者的交互作用對(duì)EOC∶SOC影響顯著(P<0.05)(表7)。

表7 沙化程度和土層深度對(duì)土壤活性有機(jī)碳占總有機(jī)碳比例影響的雙因素方差分析(F值)Table 7 Two-way ANOVA(F-values) of effects of desertification degree and soil layer on the proportion of active organic carbon in the total organic carbon

土壤易氧化有機(jī)碳占總有機(jī)碳的比例隨草地沙化程度的加劇總體呈增加的趨勢(shì)(圖2)。不同沙化程度草地0～40 cm土層土壤EOC占SOC的比例為3.78%～14.78%；在10～20 cm和20～30 cm土層，隨草地沙化程度的加劇EOC占SOC的比例呈逐漸增加的趨勢(shì)(P<0.05)；0～10 cm和30～40 cm土層，EOC占SOC的比例隨沙化程度的加劇呈上升—下降—上升的趨勢(shì)，但LD，MD和SD之間差異不顯著；PD中土壤EOC占SOC的比例以0～10 cm土層較高，其他3種沙化程度草地均隨土層的加深逐漸增加。

PD中土壤MBC占SOC的比例在0～40 cm各土層均為最低，變化范圍為0.07%～0.34%(圖2)；在0～10 cm、10～20 cm和30～40 cm土層，SD中土壤MBC占SOC的比例顯著高于其他3種沙化程度草地(P<0.05)，20～30 cm土層MBC占SOC的比例以LD最高(P<0.05)。不同沙化程度草地MBC占SOC的比例隨土層的加深無(wú)明顯變化規(guī)律。

圖2 不同沙化程度草地土壤活性有機(jī)碳占總有機(jī)碳的比例Fig.2 The proportion of active organic carbon in the total organic carbon of grasslands under different desertification degree注：圖中誤差線為標(biāo)準(zhǔn)誤；不同大寫(xiě)字母表示同一土層不同沙化程度草地之間差異顯著，不同小寫(xiě)字母表示同一沙化程度草地不同土層之間差異顯著(P<0.05)Note:The error line in the figure is SE. Different capital letters indicate significant difference between different desertification grasslands in the same soil layer at the 0.05 level,different lowercase letters indicate significant difference between different soil layer in the same desertification grasslands at the 0.05 level

2.5 不同沙化程度草地土壤碳庫(kù)的變化特征

沙化程度對(duì)土壤碳庫(kù)活度、碳庫(kù)活度指數(shù)、碳庫(kù)指數(shù)有極顯著影響(P<0.01)，對(duì)碳庫(kù)管理指數(shù)有顯著影響(P<0.05)；土層深度對(duì)碳庫(kù)活度指數(shù)有顯著影響(P<0.05)，對(duì)碳庫(kù)指數(shù)有極顯著影響(P<0.01)，兩者交互作用對(duì)各土壤碳庫(kù)指標(biāo)均無(wú)顯著影響(表8)。

寧夏干旱風(fēng)沙區(qū)沙化草地0～40 cm土層碳庫(kù)活度(A)與易氧化有機(jī)碳分配比例的變化趨勢(shì)一致，隨沙化程度的加劇，A和AI總體呈上升的趨勢(shì)，以SD最高(分別為0.13～0.18和2.05～4.16)，PD最低(分別為0.04～0.06和1)(P<0.05)(圖3)。CPI和CPMI隨沙化程度的加劇呈降低的趨勢(shì)，PD中0～40 cm各土層CPI顯著高于LD，MD和SD(P<0.05)。CPMI以PD最高，除0～10 cm土層PD顯著高于MD和SD外，其他土層不同沙化程度草地之間差異不顯著(P>0.05)。

從剖面分布看，LD，MD和SD的碳庫(kù)活度和碳庫(kù)活度指數(shù)均隨土層的加深逐漸增加，碳庫(kù)指數(shù)隨土層的加深逐漸降低，碳庫(kù)管理指數(shù)隨土層的上升—下降—上升的趨勢(shì)。

表8 沙化程度和土層深度對(duì)土壤碳庫(kù)影響的雙因素方差分析(F值)Table 8 Two-way ANOVA(F-values) of effects for desertification degree and soil layer on carbon pool

圖3 不同沙化程度草地土壤碳庫(kù)管理指數(shù)Fig.3 Soil carbon bank management index of grassland under different desertification types注：潛在沙化草地為參考土壤，碳庫(kù)活度指數(shù)為1；碳庫(kù)指數(shù)為1；碳庫(kù)管理指數(shù)為100%；圖中誤差線為標(biāo)準(zhǔn)誤；不同大寫(xiě)字母表示同一土層不同沙化程度草地之間差異顯著，不同小寫(xiě)字母表示同一沙化程度草地不同土層之間差異顯著(P<0.05)Note:Parameters of the potential desertification grassland were used as the reference,of which the carbon sink activity index and carbon pool index were 1,the carbon pool management index was 100%. The error line in the figure is SE. Different capital letters indicate significant difference between different desertification grasslands in the same soil layer at the 0.05 level,different lowercase letters indicate significant difference between different soil layer in the same desertification grasslands at the 0.05 level

2.6 土壤有機(jī)碳及其活性組分、土壤碳庫(kù)管理指數(shù)及土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳與環(huán)境因子的相關(guān)性

SOC，Cs與植被地下生物量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與EOC，CPMI及不同粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳含量呈顯著或極顯著正相關(guān)(P<0.01或P<0.05)，與土壤pH值呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。EOC與植被地下生物量、土壤全氮含量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，與不同粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳含量呈極顯著或顯著正相關(guān)(P<0.01或P<0.05)。CPMI與土壤全氮含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與不同粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳及土壤水分含量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。除2～0.25 mm粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳外，其他粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳含量均與植被地下生物量及土壤全氮呈極顯著或顯著正相關(guān)(P<0.01或P<0.05)，>5 mm和<0.25 mm粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳與pH值呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。

圖4 不同沙化程度草地土壤有機(jī)碳及其活性組分、土壤碳庫(kù)管理指數(shù)及土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳與環(huán)境因子的相關(guān)性Fig.4 Correlation between soil organic carbon and its active components,soil carbon pool management index and soil aggregate organic carbon and environmental factors in grassland with different desertification degree注：SOC,土壤有機(jī)碳含量；Cs,土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量；EOC,易氧化有機(jī)碳；MBC,微生物量碳；CPMI,碳庫(kù)管理指數(shù)；>5,>5 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳含量；5～2,5～2 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳含量；2～0.25,2～0.25 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳含量；<0.25,<0.25 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳含量；AB,地上生物量；UB,地下生物量；CV,植被蓋度；BD,土壤容重；SWC,土壤含水量；TN,全氮含量；SC,黏粉粒含量；*,P<0.05；**：P<0.01Note:SOC,Soil organic carbon content;Cs,Soil organic carbon storage;EOC,Easily oxidized organic carbon;MBC,Microbial biomass carbon;CPMI,Carbon pool management index;> 5,Organic carbon content of > 5 mm aggregates;5-2,Organic carbon content of 5-2 mm aggregate;2-0.25,Organic carbon content of 2-0.25 mm aggregate;< 0.25,Organic carbon content of < 0.25 mm aggregates;AB,Aboveground biomass;UB,Underground biomass;CV,Vegetation Coverage;BD,Soil bulk density;SWC,Soil moisture content;TN,Total nitrogen content;SC,Silt and Clay;*,P<0.05；**,P<0.01

3 討論

草地生態(tài)系統(tǒng)在保持自然生態(tài)格局，維護(hù)生態(tài)安全、維持人類活動(dòng)和發(fā)展等服務(wù)功能之間呈現(xiàn)出點(diǎn)、線、面密切聯(lián)系且相互影響的關(guān)系，展現(xiàn)了草地生態(tài)系統(tǒng)維護(hù)物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)的重要作用[36]。土壤有機(jī)碳的積累與轉(zhuǎn)化決定土壤肥力與生態(tài)系統(tǒng)的性能，是土壤碳庫(kù)在全球碳循環(huán)中發(fā)揮“庫(kù)”或“源”作用的重要因子[37]。

沙化導(dǎo)致寧夏干旱風(fēng)沙區(qū)土壤有機(jī)碳損失，與潛在沙化草地相比，輕度、中度和重度沙化草地的土壤有機(jī)碳含量及儲(chǔ)量均下降60%以上，且隨沙化程度的加劇逐漸降低，尤其自潛在沙化草地至輕度沙化草地下降幅度最大，表明在草地沙化的早期土壤有機(jī)碳喪失最快，是草地沙化防治的關(guān)鍵階段。Zhou等[28]在科爾沁草地的研究發(fā)現(xiàn)，土壤有機(jī)碳含量總體隨沙化程度的加劇而降低，且在沙化早期下降速度較快(輕度和中度沙化階段)。安富博[5]等對(duì)瑪曲高寒草地不同沙化階段土壤理化特性的研究也表明，隨草地沙化程度的加劇，土壤有機(jī)碳含量呈下降趨勢(shì)，其中，輕度沙化草地較潛在沙化草地下降了87%，而輕度、中度和重度沙化草地之間土壤有機(jī)碳含量差異不顯著，且均小于0.60%。與本研究結(jié)果基本一致。由于在不同立地條件下，草地植被群落結(jié)構(gòu)及土壤理化性質(zhì)發(fā)生變化，致使草地土壤有機(jī)碳輸入輸出的形式存在差異。植物有機(jī)物的輸入可補(bǔ)充土壤有機(jī)物質(zhì)，在植物根系和微生物菌絲的作用下促進(jìn)團(tuán)聚體形成具有穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的大團(tuán)聚體，從而有利于土壤有機(jī)碳等養(yǎng)分的儲(chǔ)存和積累[38]。草地沙化是植被和土壤兩種退化過(guò)程的統(tǒng)一，植被退化導(dǎo)致的地表保護(hù)作用的降低進(jìn)一步為風(fēng)蝕提供了條件，而風(fēng)蝕引起的土壤生境惡化又加速了植被的退化，使草地生態(tài)系統(tǒng)失去穩(wěn)定的物質(zhì)基礎(chǔ)。對(duì)研究區(qū)植被及土壤基本特征的分析表明(表1)，伴隨著草地的沙化，植被優(yōu)勢(shì)物種發(fā)生替代，植被蓋度、地上、地下生物量逐漸降低，限制了土壤中外源有機(jī)物質(zhì)的輸入，導(dǎo)致土壤固碳能力降低[9]。同時(shí)，隨沙化程度的加劇，草地土壤水分、養(yǎng)分及黏粉粒含量降低、pH值升高(表1)，土壤質(zhì)地粗化，土壤物理結(jié)構(gòu)變得更為松散，抑制了土壤顆粒之間的膠結(jié)作用，影響了土壤有機(jī)碳及其在大團(tuán)聚體中的積累[38]。以往的研究也表明，土壤理化性狀和植被因子對(duì)土壤有機(jī)碳含量的變化均具有一定影響，特別是植被要素對(duì)土壤有機(jī)碳含量變化的解釋率為55.00%[39]。從垂直分布看，潛在沙化草地土壤有機(jī)碳含量及儲(chǔ)量隨土層的加深而增加，其他沙化程度草地20～40 cm各土層差異較小。這種現(xiàn)象主要發(fā)生在風(fēng)蝕作用較強(qiáng)的地區(qū)[10,40]，由于研究區(qū)氣候干旱、植被稀疏、土壤質(zhì)地疏松且大風(fēng)頻繁，在風(fēng)蝕作用下，草地生態(tài)系統(tǒng)的演變具有雙向性，土壤表層細(xì)顆粒物質(zhì)發(fā)生遷移，養(yǎng)分更易受損或更加不穩(wěn)定；此外，由于潛在沙化草地地下生物量較高，根系通過(guò)其分泌物以及根系周轉(zhuǎn)將有機(jī)物質(zhì)釋放至土壤中，在受風(fēng)力作用影響的環(huán)境中，地下生物量比地上生物量的物質(zhì)轉(zhuǎn)化過(guò)程更加穩(wěn)定，進(jìn)而導(dǎo)致研究區(qū)土壤有機(jī)碳垂直分異規(guī)律的特殊變化[41]。

土壤活性有機(jī)碳雖然占有機(jī)碳庫(kù)的比例較小，但卻是土壤生態(tài)系統(tǒng)最重要和最活躍的部分[42]。易氧化有機(jī)碳和微生物量碳對(duì)環(huán)境條件的改變高度敏感，可以在碳庫(kù)循環(huán)早期指示土壤質(zhì)量的變化，是表征土壤碳庫(kù)變化的一個(gè)重要指標(biāo)[43]。寧夏干旱風(fēng)沙區(qū)嚴(yán)酷的生境條件不利于活性有機(jī)碳的積累[44]，隨沙化程度的加劇，輕度沙化草地、中度沙化草地和重度沙化草地較潛在沙化草地易氧化有機(jī)碳含量分別降低了22.36%，24.64%和34.73%。費(fèi)凱[45]等對(duì)若爾蓋高寒草地土壤活性有機(jī)碳的研究發(fā)現(xiàn)，隨著沙化程度的加劇，易氧化有機(jī)碳含量顯著降低。閆欣[46]等在荒漠草原區(qū)的研究表明，隨沙漠化程度的加劇，易氧化有機(jī)碳含量呈波動(dòng)性下降的趨勢(shì)。與本研究結(jié)果基本一致。這可能是伴隨著草地的沙化，土壤水分含量降低、結(jié)構(gòu)和質(zhì)地發(fā)生變化，改變了土壤的通氣狀況，使得大量的氧氣進(jìn)入，土壤轉(zhuǎn)變?yōu)橛醒醐h(huán)境，加快了活性有機(jī)碳的分解[15]。此外，活性有機(jī)碳的主要來(lái)源是植物的枯枝落葉及根系分泌物，而伴隨沙化程度的加劇，植被蓋度及生物量降低，活性有機(jī)碳的來(lái)源減少。易氧化有機(jī)碳含量隨沙化程度的加劇而降低，但其占總有機(jī)碳的比例增加，主要是由于研究區(qū)草地土壤有機(jī)碳庫(kù)在包括氣候、植被、土壤生境及人為干擾等眾多因子的長(zhǎng)期作用下隨沙化程度的加劇下降較為明顯；而土壤活性有機(jī)碳雖然對(duì)外部擾動(dòng)更為敏感，但含量極少，因而呈現(xiàn)出活性有機(jī)碳含量隨沙化程度的加劇而降低，但其占總有機(jī)碳的比例卻呈增加的趨勢(shì)。碳庫(kù)管理指數(shù)是監(jiān)測(cè)有機(jī)碳含量變化的敏感指標(biāo)，可表征土壤有機(jī)碳的質(zhì)量和碳庫(kù)穩(wěn)定程度，其值升高表明土壤質(zhì)量向良性方向發(fā)展，降低則表明不利于土壤肥力的增加[19]。隨沙化程度的加劇，土壤活性組分占總有機(jī)碳的比例增加，致使土壤碳庫(kù)活度和碳庫(kù)活度指數(shù)也呈增加趨勢(shì)，而土壤碳庫(kù)管理指數(shù)較潛在沙化草地有所降低，尤其是中度沙化草地和重度沙化草地0～10 cm表層土壤顯著下降。馬維偉[47]等對(duì)尕海退化濕地的研究發(fā)現(xiàn)，植被退化使得濕地碳庫(kù)指數(shù)發(fā)生顯著改變，退化濕地碳庫(kù)管理指數(shù)較未退化濕地下降明顯，且0～40 cm土層的碳庫(kù)各項(xiàng)指數(shù)受表層影響較大，與本研究結(jié)果基本一致。表明生態(tài)系統(tǒng)退化、沙化對(duì)土壤碳庫(kù)作用顯著，伴隨著草地的沙化，寧夏干旱風(fēng)沙區(qū)土壤抗侵蝕能力減弱，土壤碳“匯”功能及有機(jī)碳穩(wěn)定性降低，土壤質(zhì)量下降[26]。

4 結(jié)論

自潛在沙化草地演變?yōu)檩p度、中度和重度沙化草地的過(guò)程中，隨沙化程度的加劇，寧夏干旱風(fēng)沙區(qū)沙化草地土壤有機(jī)碳含量、儲(chǔ)量及不同粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量在0～40 cm土層總體呈下降的趨勢(shì)，尤其是潛在沙化草地至輕度沙化草地、中度沙化草地至重度沙化草地下降較快；土壤活性有機(jī)碳占總有機(jī)碳的比例加大、碳庫(kù)活性增加，但受有機(jī)碳含量下降的影響，碳庫(kù)管理指數(shù)下降，土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性降低。基于草地沙化過(guò)程中土壤有機(jī)碳及其碳庫(kù)管理指數(shù)的動(dòng)態(tài)變化，潛在沙化草地作為沙化的早期階段是寧夏干旱風(fēng)沙區(qū)草地沙化防治的關(guān)鍵階段，輕度沙化草地和中度沙化草地作為沙化演替的過(guò)渡區(qū)域是草地沙化防治的敏感區(qū)，應(yīng)作為重點(diǎn)區(qū)域加強(qiáng)保護(hù)和管理。