封育对山地草甸草原土壤活性有机碳及碳库管理指数的影响

管光玉，范燕敏，武红旗，桂 芳，李康宁，李 飞

（新疆农业大学草业与环境科学学院，新疆 乌鲁木齐830052）

我国草地资源十分丰富，草地面积3.92亿hm2，占国土面积的41.14%，比耕地和林地的总和还多，仅次于澳大利亚，是世界第二草原大国［1］。新疆是仅次于西藏、内蒙古的全国第三大牧区，全区有天然草地5 725.88万hm2，占新疆土地面积的34.4%［2］，是新疆生态环境的重要组成，对于调节气候、净化空气、涵养水源、改良土壤等具有极其重要的生态功能。放牧是传统畜牧业的主要方式，超载过牧是草地退化的主要原因［3］。家畜的采食活动除影响草地土壤的物理结构外，还影响草地营养物质的循环，从而使草地土壤的化学成分发生变化［4］，影响着草地土壤的健康状况［5］，天山北坡山地草地是重要的放牧场，近年来，过度放牧等不合理利用，导致草地的退化和自然生态环境不断恶化。围栏封育是对退化草地恢复其质量和生态功能的一项重要措施。

在草地生态系统恢复方面已有很多实践和研究，从封育年限、不同放牧强度等方面对草地恢复效果做出更加科学定量化的解释。其中土壤有机碳（Soil Organic Carbon）受到普遍关注，主要是由于它在很大程度上影响着土壤结构的形成和稳定性，起着缓解和调节与土壤退化有关的一系列土壤过程，是土壤质量评价和土地可持续利用的重要指标［6］。活性有机碳是土壤有机碳的活性部分，被认为是土壤中有效性较高、易被土壤微生物分解矿化、对植物养分供应有最直接作用的有机碳［7］。有学者认为，土壤有机碳含量的高低只是一个有机碳积累和矿化分解的平衡结果，不能很好地反映土壤质量的变化［8］，而土壤活性有机碳对环境变化较敏感，可以更好地反映土壤有机碳的有效性，指示土壤质量。Blair和Lefroy［7］首次提出了土壤碳库管理指数（CPMI）的概念，从土壤总有机碳和活性有机碳两方面综合评价土壤质量，能够反映各种管理措施使土壤质量下降或更新的程度［9］。目前，国内关于土壤活性有机碳的研究，大多集中在不同土地利用（耕作）方式［10-11］和不同的施肥措施对土壤活性有机碳的影响方面［12-14］，而关于封育对草地活性有机碳的稳定性及碳库管理指数影响的研究还不多见。本研究以围栏封育8年和自由放牧草地为对象，对比土壤总有机碳和活性有机碳的变化特征，利用土壤碳库管理指数综合评价土壤质量的变化，为评价封育措施对土壤质量的影响提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于天山北坡典型温性草甸草原带，行政上隶属新疆乌鲁木齐县甘沟乡（87.214 5°E，43.541 33°N），海拔1 742m，属于温带大陆性气候。该区大致南北走向，坡向为半阴坡，坡度28°～33°，地势起伏较大，土壤类型为栗钙土。植被以针茅（Stipacapillata）、铁杆蒿（Artemisiagmelinii）、火 绒 草 （Leontopodiumleontopodioides）、糙 苏（Phlomisumbrosa）为优势种，主要伴生种有羊茅（Festucaovina）、委陵菜（Potentillaaiscolor）等。由于研究区靠近居民区，长期过度放牧造成草地重度退化，自2005年开始围栏封育，面积约为400 m2。围栏外为中等放牧强度。

1.2 试验设计与样品采集

于2013年5月中旬在山地草甸草原围栏内外采集土壤样品。由于研究区位于山坡上，为了消除地形的影响，在山坡的上部、中部和下部分别取3个采样点，围栏内外对应相同。采集0-5、5-10、10-15、15-20、20-30和30-40cm土层的土壤样品500g左右，在室内拣去可见的新鲜根系，土壤样品风干后磨细过0.25mm筛，用于测定土壤总有机碳和易氧化活性有机碳。

1.3 测定方法

土壤总有机碳采用重铬酸钾容量法-外加热法［15］，易氧化活性有机碳采用333mmol·L-1高锰酸钾氧化［7］。

1.4 数据分析

采用碳库管理指数反映封育草地土壤质量的变化。以放牧草地土壤为参考土壤，计算封育草地土壤碳库管理指数［7］。

碳库管理指数（CPMI）＝CPI×AI×100%。其中：

碳库指数（CPI）＝样品总有机碳含量（g·kg-1）／参考土壤总有机碳含量（g·kg-1）；

碳库活度指数（AI）＝样品碳库活度／参考土壤碳库活度；

碳库活度（A）＝活性碳含量（g·kg-1）／非活性碳含量（g·kg-1）。

采用统计分析软件SPSS 18.0对封育和自由放牧草地土壤总有机碳和活性有机碳进行One-way ANOVA分析，判断利用方式对土壤有机碳含量是否有显著差异。用平均值和标准误差表示测定结果，采用微软Excel 2003绘图。

2 结果与分析

2.1 封育对土壤总有机碳的影响

封育草地各土层土壤总有机碳较自由放牧有了很大幅度的提高，其中0-5、10-15、20-30、30-40cm土层封育与放牧间差异显著（P＜0.05），且上升幅度在22.0%～47.7%。封育草地在0-20cm不同土层间总有机碳含量差异显著；放牧草地土壤总有机碳在表层0-5cm与下层土壤间差异显著；无论围栏还是放牧草地，土壤总有机碳含量均随土层的加深不断减小，且表层下降显著（图1）。初步体现8年的封育增加了地表植被凋落物向土壤的输入，从而使土壤有机碳得到了提高，且主要表现在土壤表层。

2.2 围栏封育对土壤易氧化活性有机碳的影响

封育草地土壤易氧化活性有机碳含量较自由放牧草地有不同程度的提高，在28.7%～143.5%；且在0-5和20-30、30-40cm土层差异显著（P＜0.05），表现其对表层和下层变化反应敏感（图1）。封育草地易氧化活性有机碳从表层到20cm下降显著，而放牧草地各土层下降均不显著，体现了围栏封育通过增加地表动植物残体和植物根系，从而使易氧化与分解的部分有机质得到了提高。

2.3 封育草地土壤易氧化活性有机碳特征分析

封育草地活性有机碳的分配比例和碳库活度均高于放牧草地，且都在20-30和30-40cm土层差异显著（P＜0.05），封育与放牧草地土壤易氧化碳分配比例和碳库活度在土壤垂直剖面均呈现下降趋势，但放牧草地更快地向稳定碳库转变（表1）。表明封育显著提高了下层土壤活性有机碳的相对含量，致使下层土壤的碳库活度增加显著；易矿化的活性有机碳给植物根系提供养分有利于植物生长和草地的恢复。

图1 封育与放牧对土壤总有机碳和易氧化活性有机碳含量的影响Fig.1 Effects of fencing and grazing on total organic carbon and soil readily oxidizable carbon content

表1 封育与放牧草地土壤易氧化碳分配比例、碳库活度的比较Table 1 Comparison of fencing and grazing on the soil readily oxidizable carbon distribution ratio，carbon pool activity

2.4 封育对土壤碳库管理指数的影响

封育草地碳库管理指数由于结合了土壤总碳库变化和土壤活性碳库变化，因此反映了封育措施对土壤总有机碳的影响，同时也反映了活性有机碳的变化（以放牧草地为参照）。

退化草地封育后土壤碳库活度指数和碳库指数均大于对照区参考值1，二者均随着土层加深而增大，两者增加幅度分别在2.0%～90.0%、22.0%～48.0%，且最大值均在30-40cm；相对于放牧草地，封育区各土层碳库管理指数均大于100%，尤其在下层碳库管理指数在200%以上（表2）。主要是由于封育后土壤总有机碳含量增加，并且土壤碳素转化效率逐渐提高，土壤稳定性有机碳向活性碳转化增多，尤其在20cm土层以下更明显。所以，封育草地AI和CPI均增大，尤其是AI增加更为显著。因此，CPMI各层均大于100%，且下层更大，表明围栏封育有效地提高了土壤质量。

表2 封育草地土壤碳库管理指数相关指标Table 2 Related parameters of carbon pool management index in fencing grassland

3 讨论

土壤活性有机碳占土壤总有机碳的比率被称为活性有机碳的分配比例［16］，虽然土壤活性有机碳分配比例较小，却与土壤总有机碳及养分关系密切［17］；它主要来源于植物凋落物的分解、根系分泌物、土壤有机质的水解、土壤微生物本身及其代谢产物［18］。本研究中封育草地土壤总有机碳和易氧化活性有机碳表现出相同的变化趋势，且在表层和下层显著高于放牧草地。主要是由于放牧对植被的影响和植物的补偿性生长调节机制［19］，使植物对地上部分养分的供应有所增加，而植物根系生物量减少［20］，根系呈现“浅层化”［21-22］。同时，家畜的采食减少了植物的碳积累，土壤养分的输入量较少，致使土壤下层总有机碳及活性有机碳含量降低，有机碳趋于稳定。封育后草地生态环境得到改善，外界对植物生长的干扰消失，植被自然恢复，体现在植物高度、盖度和生物量方面均有显著增大［23］；植物根系向土壤下层生长，植被地下生物量增加，使下层土壤有机碳尤其是活性有机碳含量显著升高。可见，封育对土壤表层凋落物和下层根系活性有机碳的变化影响显著，这可能与它的来源有关。

土壤易氧化活性有机碳作为有机质的活性部分，对土壤的变化较总有机碳要敏感，可作为指示土壤变化的早期敏感性指标［24］；而在本研究中，土壤总有机碳和活性有机碳都随着土层的加深而下降，表现出相同的趋势。可能是由于研究区属于山地草甸草原，降水比较丰富，封育后草地植被恢复迅速，土壤总有机碳固定量显著增加；碳素在满足植被生长的需要后将多余的活性部分转化为非活性状态存储起来，所以活性有机碳的敏感性可能较封育初期有所降低。经过8年封育，草地植被得到显著恢复，使得土壤质量得到改善。同时表明，土壤活性有机碳和总有机碳对封育的反应是复杂的，除土壤本身活性组分状况外，它还受研究区的自然状况（气候、植被类型）、放牧强度及围栏时间等具体因素影响。土壤碳库管理指数结合了人为影响下土壤有机碳含量和碳库活度两方面的变化，既能反映管理措施对土壤有机碳总量变化的影响，也能反映活性有机碳组分的变化［25］，可以很好地反映土壤养分和碳素的动态变化。本研究中，封育改善了土壤环境，促进了植被的生长，养分向地表的归还量增加；同时促进植物根系向土壤下层分布，根系生物量增加，有机碳活性变大，“草”和“土”二者的协同变化对维持土壤营养物质的周转和生态系统的稳定有不可或缺的作用。因此，草地各土层有机碳和易氧化活性有机碳均得到了提高，碳库管理指数均大于100%，尤其在20-40cm，碳库管理指数大于200%。可见，土壤碳库管理指数在表征土地管理措施上既体现了土壤肥力的变化特征，又反映了土壤活性部分对植物和土壤本身的变化。因此，在指示封育对草地土壤质量影响方面更加全面和科学。

4 结论

退化山地草甸草原封育后随着人为干扰因素的减小和牲畜的啃食践踏消失，植被生长茂盛，凋落物不断富集，养分输入增加，土壤下层碳源的积累和输入也相应增加。因此，有机碳、活性有机碳含量普遍高于放牧草地，尤其是0-5和20-40cm土层，差异显著（P＜0.05）。封育草地土壤碳库管理指数大于100%，尤其在20-40cm，碳库管理指数高于200%，表明围栏封育有效改善了土壤的质量，尤其是下层土壤，进而改善了草地生态环境。

［1］中国生产力学会.中国草产业发展研究报告［A］.2007-2008中国生产力发展研究报告［M］.北京：中国统计出版社，2009：176-194.

［2］许鹏.新疆草地资源及其利用［M］.乌鲁木齐：新疆科技卫生出版社，1993：293-297.

［3］陈佐忠，汪诗平.中国典型草原生态系统［M］.北京：科学出版社，2000：1-2.

［4］郑伟，朱进忠，潘存德.喀纳斯草地群落和土壤理化特征对放牧干扰的响应［J］.草业科学，2008，25（8）：103-109.

［5］张成霞，南志标.放牧对草地土壤理化特性影响的研究［J］.草业学报，2010，19（4）：204-211.

［6］苏永中，赵哈林.土壤有机碳储量、影响因素及其环境效应的研究进展［J］.中国沙漠，2002，20（3）：220-228.

［7］Blair B J，Lefroy R D.Soil carbon fractions based on their degree of oxidation，and the development of a carbon management index for agricultural systems［J］.Australian Journal Agricultural Research，1995，46：1459-1466.

［8］王清奎，汪思龙，冯宗炜，黄宇.土壤活性有机质及其与土壤质量的关系［J］.生态学报，2005，25（3）：513-519.

［9］Whitbread A M，Lefroy R D B，Blair G J.A survey of the impact of cropping on soil physical and chemical properties in northwestern New South Wales［J］.Australian Journal of Soil Research，1998，36：669-681.

［10］宇万太，马强，赵鑫，周桦，李建东.不同土地利用类型下土壤活性有机碳库的变化［J］.生态学杂志，2007，26（12）：2013-2016.

［11］邱莉萍，张兴昌，陈积民.土地利用方式对土壤有机碳及其碳库管理指数的影响［J］.中国环境科学，2009，29（1）：84-89.

［12］张贵龙，赵建宁，宋晓龙，刘红梅，张瑞，姬艳艳，杨殿林.施肥对土壤有机碳含量及其碳库管理指数的影响［J］.植物营养与肥料学报，2012，18（2）：359-365.

［13］曾骏，郭文天，于显枫，董博.长期施肥对土壤活性有机碳和碳库管理指数的影响［J］.土壤通报，2011，42（4）：812-815.

［14］王晶，朱平，张男，解宏图，张旭东.施肥对黑土活性有机碳和碳库管理指数的影响［J］.土壤通报，2003，34（5）：394-397.

［15］鲍士旦.土壤农化分析［M］.第3版.北京：中国农业出版社，2000.

［16］Garten Jr C T，Post III W M，Hanson P J，Cooper L W.Forest soil carbon inventories and dynamics along an elevation gradient in the southern Appalachian Mountains［J］.Biogeochemistry，1999，45：115-145.

［17］戴全厚，刘国彬，薛萐，张超，余娜.黄土丘陵封禁区对土壤活性有机碳与碳库管理指数的影响［J］.西北林学院学报，2008，23（4）：18-22.

［18］万忠梅，郭岳，郭跃东.土地利用对湿地土壤活性有机碳的影响研究进展［J］.生态环境学报，2011，20（3）：567-570.

［19］刘王锁，谢应忠，代红军，饶德.不同放牧强度下荒漠草原长芒草种群补偿性生长的研究［J］.试验研究，2008，28（5）：9-11.

［20］李怡，韩国栋.放牧强度对内蒙古大针茅典型草原地下生物量及其垂直分布的影响［J］.内蒙古农业大学学报，2011，32（2）：89-92.

［21］刘伟，周华坤，周立.不同程度退化草地生物量的分布模式［J］.中国草地，2005，27（2）：9-15.

［22］王艳芬，汪诗平.不同放牧率对内蒙古典型草原地下生物量的影响［J］.草地学报，1999，7（3）：198-203.

［23］张东杰，都耀庭.禁牧封育对退化草地的改良效果［J］.草原与草坪，2006（4）：52-54.

［24］杨国新，宋乃平，李学斌，刘秉儒.短期围栏封育对荒漠草原沙化灰钙土有机碳组分及物理稳定性的影响［J］.应用生态学报，2012，23（12）：3325-3330.

［25］徐明岗，于荣，孙小凤，刘骅，王伯仁，李菊梅.长期施肥对我国典型土壤活性有机质及碳库管理指数的影响［J］.植物营养与肥料学报，2006，12（4）：459-465.