禁牧年限对退化伊犁绢蒿荒漠土壤有机碳库和微生物碳、氮的影响

董乙强，安沙舟，孙宗玖，杨 静

(新疆农业大学草业与环境科学学院/新疆草地资源与生态自治区重点实验室，乌鲁木齐830052)

禁牧年限对退化伊犁绢蒿荒漠土壤有机碳库和微生物碳、氮的影响

董乙强，安沙舟，孙宗玖，杨 静

(新疆农业大学草业与环境科学学院/新疆草地资源与生态自治区重点实验室，乌鲁木齐830052)

【目的】明确伊犁绢蒿(Seriphidium transiliense)荒漠土壤有机碳库和微生物量碳氮对禁牧年限的响应规律，为退化荒漠的恢复、管理和利用提供科学依据。【方法】采用空间序列代替时间序列的方法，以中度退化伊犁绢蒿荒漠为对象，研究不同禁牧年限(禁牧1、4和11 a)下荒漠有机碳库(SOC)、微生物量碳(MBC)和微生物量氮库(MBN)的变化特征。【结果】(1)与自由放牧区相比，禁牧区0～30 cm土壤有机碳储量显著下降了13.3%～24.3%，0～10 cm有机碳储量随着禁牧年限的增加呈先下降后上升的变化趋势。(2)随着禁牧年限的增加，0～30 cm土壤微生物量碳储量呈先降后升的变化趋势，而土壤微生物量氮对禁牧的响应不明显(P＞0.05)，微生物量碳可以作为衡量退化荒漠恢复的早期指标。【结论】短期禁牧不利于退化伊犁绢蒿荒漠土壤的恢复，而长期禁牧能有效提高土壤质量。禁牧是恢复退化荒漠最经济、最方便的途径。

围栏封育;土壤碳库;微生物量碳;微生物量氮

0 引言

【研究意义】土壤微生物是土壤有机质分解和营养元素矿化的动力［1］。土壤微生物量碳(Microbial biomass carbon，MBC)是土壤营养库的重要组成部分，虽只占土壤有机碳极少的一部分，但却影响着植物养分的循环与转化［2］，其与土壤有机碳(Soil organic carbon，SOC)的比值(MBC/SOC)是衡量SOC积累或缺失的重要指标［3］，可以反映出退化草地恢复过程中土壤质量的变化，对指导退化草地生态系统的恢复和重建有着十分重要的意义［1］。MBC和微生物量氮(Microbial biomass nitrogen，MBN)由于能够对外界环境变化反应敏感而被用作评价土壤肥力和土壤质量早期变化的预警和敏感指标［4］。放牧是新疆伊犁绢蒿(Seriphidium transiliense)荒漠利用的主要方式，但由于近年来对草地利用管理不善、以及荒漠区气候环境恶劣等人为和自然因素的共同影响［5］，导致伊犁绢蒿荒漠呈现不同程度的退化，阻碍了荒漠草地生态系统的信息和能量交流，严重制约了当地畜牧业的健康发展［6］。【前人研究进展】禁牧是恢复退化草地的一种简单有效的途径，禁牧可使草地生物量、多样性增加［7］，生态系统碳库储量上升［8］，利于草地生态系统碳汇功能的发挥。成湘等［9］通过对不同禁牧年限的蒿类荒漠研究表明，随着禁牧年限的增加群落高度显著增加，而生物量对禁牧的响应不明显;张勇娟等［10］研究表明禁牧后伊犁绢蒿的株高、生物量显著增加。【本研究切入点】前人的研究主要在围栏内外土壤养分、土壤呼吸等［11－12］方面展开且研究结果不尽相同，而对不同禁牧年限的土壤微生物特性、有机碳储量的研究相对缺乏。研究以新疆天山北坡中度退化伊犁绢蒿荒漠为对象，设置3个禁牧处理(禁牧1、4和11 a)和一个对照(自由放牧区)，并测定不同禁牧年限下荒漠土壤有机碳、微生物量碳氮的含量及碳库。【拟解决的关键问题】对不同禁牧年限下荒漠土壤有机碳库和微生物量碳氮的比较分析，研究其对禁牧年限的响应规律，为退化伊犁绢蒿荒漠的恢复和管理提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

该试验区位于新疆天山北坡中段石河子市南山(44°01'～44°20'N，85°45'～85°49'E，海拔830 m左右)，属温带大陆干旱性气候。年均降水量248.8 mm，年平均气温8.5℃，无霜期206 d。试验区为典型伊犁绢蒿荒漠草地，土壤类型为灰漠土，伴生种有木地肤(Kochia prostrata)，草原苔草(Carex liparocarpos)以及角果藜(Ceratocarpus arenarius)等。在生产上用作春秋牧场，为中度退化荒漠草地［13］。

1.2 方法

1.2.1 试验设计

采用完全随机试验设计，在试验区设置3个禁牧(Grazing Exclusion)处理:禁牧1 a(GE1)、禁牧4 a(GE4)、禁牧11 a(GE11)。3个样地之间的距离相差不过10 m，分别从2013、2010和2003年秋季进行围栏禁牧，禁牧前的群落特征、植被组成、地形地貌基本一致，且均属于中度退化草地，禁牧区面积均为50 m×50 m。在禁牧区外围设置自由放牧区(Freely Grazing，FG)，且以放牧绵羊为主。

1.2.2 测定项目

1.2.2.1 野外土壤取样

在3个禁牧区(1、4和11 a)和自由放牧区均设置3条样带，在每个样带上随机布置3个1 m×1 m小样方，2014年9月进行群落特征调查。采用挖土块法，在测完草地群落特征的样方内随机设置20 cm×20 cm小样方，按土层深度0～10、10～20和20～30 cm分层取样，取样后将每条样线上的3个土样分层均匀混合，形成混合样，带回实验室。将其中一部分放置于4℃冰箱储存，用于微生物量碳氮的测定，剩下的土样捡出草根等杂物后自然风干，并过0.25 mm的筛贮存以备土壤有机碳的测定。表1

表1 样地基本情况Table1 Basic situation description of sample plots

1.2.2.2 测定指标

土壤有机碳采用重铬酸钾外加热法［14］，微生物量碳(Microbial Biomass Carbon，MBC)和微生物量氮(Microbial Biomass Nitrogen，MBN)采用氯仿熏蒸浸提法［15］，将4℃保存的新鲜土样过2 mm筛后置于25℃下的培养箱中培养7～15 d。将培养后的土样均分成6份，3份进行氯仿熏蒸处理(3份不熏蒸作为对照)后，加40 mL 0.25 mol/L K2SO4溶液，震荡、过滤，浸提液中的MBN采用氯仿熏蒸提取－茚三酮比色法测定，MBC采用TOC分析仪(Elementar Analysen systeme GmbH，德国)测定。

1.3 数据处理

SOC储量(kg/m2)、MBC储量(g/m2)和MBN储量(g/m2)可以根据一定土壤土层中的其含量和土壤容重计算，计算公式如下［16］:

MBN=MBNi×Bi×Hi/100.

其中，SOCi、MBCi、MBNi分别表示SOC含量(g/kg)、MBC含量(mg/kg)、MBN含量(mg/ kg)，Bi表示容重(g/m3)，Di表示土层厚度(cm)，由于样地土壤中几乎无砾石，所以公式中略去砾石含量参数。总体土壤碳、氮储量，将各层碳、氮储量累加。

利用SPSS20.0数据统计软件的One－way ANOVA对不同禁牧年限伊犁绢蒿荒漠草地植被特征和土壤理化指标进行差异分析;运用Excel进行数据预处理，GraphPad Prism进行图形的绘制。

2 结果与分析

2.1 有机碳储量

研究表明，0～30 cm总SOC储量呈逐渐下降趋势，禁牧区与放牧区相比分别显著降低了13.3%，20.9%和24.3%(P＜0.05)，其降幅呈逐渐降低的趋势，但禁牧区之间差异不显著(P＞0.05)。随着禁牧年限的增加，0～10 cm土壤SOC储量呈先降后升的变化趋势，在禁牧4 a达到最低(2.0 kg/m2)，而10～20和20～30 cm土层SOC储量逐渐降低，表明上层土壤(0～10 cm)较下层土壤(10～30 cm)对禁牧的响应更敏感。图1

图1 不同禁牧年限下土壤有机碳储量变化Fig.1 The effect of grazing exclusion times on soil organic carbon storage

2.2 微生物量碳(MBC)、微生物量氮(MBN)

研究表明，0～30 cm土壤MBC储量随着禁牧年限的增加呈先降后升的变化趋势，且在禁牧1 a达到最低(1.7 g/m2)，禁牧11 a后MBC储量与放牧区相比显著增加了89.6%(P＜0.05)。0～10 cm土壤MBC储量的变化趋势与0～30 cm总变化趋势基本一致均呈先降后升的变化。与放牧区相比，10～20和20～30 cm MBC储量在禁牧1 a，4 a后没有显著差异(P＞0.05)，而禁牧11 a后分别显著增加了115.3%和114.5%。图2

图2 不同禁牧年限下微生物量碳储量变化Fig.2 The effect of grazing exclusion times on microbial biomass carbon storage

图3 不同禁牧年限下微生物量氮储量变化Fig.3 The effect of grazing exclusion times on easily oxidizable carbon storage

2.3 MBC/SOC，MBC/MBN

MBC/SOC表示微生物量碳库储量占总有机碳的比值，能够反映出活性有机碳所占的比例，从微生物学的角度揭示土壤养分和肥力的变化差异。0～10和0～30 cm土壤MBC/SOC随着禁牧年限的增加变化趋势基本一致，均呈先略微下降后显著上升的变化，但禁牧11 a后达到最大(分别为4.3%和3.7%)，比自由放牧区分别显著增加了33.1%和89.6%(P＜0.05)。与自由放牧区相比，10～20和20～30 cm土壤MBC/SOC在禁牧1 a，4 a后没有显著变化，而到禁牧11 a后显著增加了191.4%和199.7%(P＜0.05)。图4

图4 不同禁牧年限下微生物量碳储量分配比例变化Fig.4 The effect of grazing exclusion times on microbial biomass carbon storage distribution ratio

研究表明，微生物量碳氮比在不同的土层对禁牧年限的响应规律不一致。禁牧对0～10、10～20和20～30 cm土壤MBC/MBN的影响不显著(P＞0.05)，但对0～30 cm土壤MBC/MBN有一定的影响。禁牧11 a后土壤MBC/MBN比放牧区显著增加了74.8%(P＜0.05)。图5

图5 不同禁牧年限下微生物量碳氮比变化Fig.5 The effect of grazing exclusion times on ratio of microbial biomass carbon and nitrogen storage distribution ratio

2.4 禁牧年限与植被群落特征、土壤指标之间的相关性

研究表明，禁牧年限与MBC，MBC/SOC，MBC/MBN，盖度、生物量呈极显著正相关(P＜0.01)，而与SOC呈显著负相关(P＜0.05)，说明随着禁牧年限的增加，微生物量碳储量越大，其所占总有机碳的比例越高，但不利于土壤有机碳库的积累。SOC与MBC/SOC、盖度、生物量呈显著或极显著负相关(P＜0.01或P＜0.05)，而生物量与MBC，MBC/SOC呈显著或极显著正相关，地上生物量的增加，利于MBC的积累和存储。表2

表2 禁牧年限、各指标之间的相关系数矩阵Table2 Correlation coefficients between grazing exclusion times and each index

3 讨论

3.1 土壤有机碳库对禁牧年限的响应规律

李建平等［17］研究表明禁牧10 a草地有机碳储量与放牧区并无差异(P＞0.05)，而禁牧30 a后显著增加(P＜0.05);何念鹏等［18］研究也表明禁牧30 a后土壤SOC固持量显著增加(P＜0.05)。研究表明:与放牧区相比，0～30 cm禁牧区SOC储量显著下降了13.3%～24.3%，这与李建平等［17］、何念鹏等［18］的研究结果不一致，而与Shi等［19］研究的禁牧导致土壤碳库储量降低的结果一致。造成这种结果的原因可能是:(1)与禁牧之前的放牧历史活动、草地类型等因素相关;(2)退化荒漠禁牧后地上生物量和盖度的增加，吸收土壤中大量养分，地下活性碳库可能会转移至地上植被中，用于提供植被的营养繁殖，导致土壤有机碳库暂时性降低。

研究表明，0～10 cm SOC储量随着禁牧年限的增加呈先下降后上升的变化趋势，揭示出上层土壤(0～10 cm)较下层土壤(10～20 cm)对禁牧的响应更敏感。在较长期禁牧(11 a)后植被碳库重新回归土壤，导致土壤固定的碳增加，土壤碳固持能力增加，因此长期禁牧利于中度退化荒漠生态系统碳汇功能的发挥。

3.2 微生物量碳氮对禁牧年限的响应规律

土壤微生物量碳(MBC)和微生物量氮(MBN)能够直观反映土壤微生物活性及土壤肥力状况的重要指标［20］。杨静等［21］研究表明随着禁牧年限的增加，蒿类荒漠土壤MBC和MBN含量均呈先降后增的变化趋势;Northup等［22］研究认为放牧区较禁牧区微生物碳氮含量显著增加。研究表明，0～30和0～10 cm土壤MBC随禁牧年限的增加均呈先将后升的变化趋势，而MBN对禁牧的响应不明显，与杨静等［21］的研究结果部分相似。在禁牧初期，由于排除了家畜的干扰导致荒漠植被生物量上升，致使土壤有机碳降低，进一步影响了微生物活动的环境，造成禁牧初期MBC呈下降趋势;随着禁牧年限的增加，凋落物养分回归土壤，土壤含水量、通透性均有一定的改善，为微生物活动营造出良好的生存环境，致使MBC在禁牧后期呈现出显著增加的趋势。MBC与SOC相比对外界环境具有较大的敏感性，可以作为衡量退化荒漠恢复的早期指标。

MBC/SOC可以作为评价土壤肥力的指标，在一定程度上能够揭示出土壤微生物利用土壤有机碳的效率［23］，其利用率越高，维持相同微生物量所需的能源也就越少，表明土壤质量比较也相对较高。研究表明:随着禁牧年限的增加，0～30 cm土壤MBC/SOC呈整体上呈增加的趋势(P＜0.05)，表明禁牧有利于提高土壤微生物利用土壤有机碳的效率，进而提升土壤的质量，且土壤质量随禁牧年限的增加而不断提升。同时由于MBC/SOC对外界环境的变化较为敏感，也可作为衡量退化荒漠恢复以及反映土壤质量的敏感指标。

4 结论

4.1 与自由放牧区相比，禁牧区0～30 cm土壤有机碳储量显著下降了13.3%～24.3%，0～10 cm有机碳储量随着禁牧年限的增加呈先下降后上升的变化趋势。

4.20 ～30 cm土壤微生物量碳储量随着禁牧年限的增加呈先降后升的变化趋势，禁牧11 a后微生物量碳储量与放牧区相比显著增加了89.6%(P＜0.05)，而土壤微生物量氮对禁牧的响应不明显(P＞0.05)。

4.3 微生物量碳和MBC/SOC与土壤有机碳相比对外界环境变化具有较高的敏感性，可以作为衡量退化荒漠恢复的早期指标。

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Effects of Grazing Exclusion Times on Soil Organic Carbon Storage and Microbial Biomass Carbon and Nitrogen in Degraded Seriphidium transiliense Desert

DONG Yi－qiang，AN Sha－zhou，SUN Zong－jiu，YANG Jing
(College of Pratacultural and Environmental Sciences/Xinjiang Key Laboratory of Grassland Resources and Ecology of Xinjiang，Xinjiang Agricultural University，Urumqi 830052，China)

【Objective】This project aims to reveal the response of desert organic carbon storage and microbial biomass carbon and nitrogen to grazing exclusion times in order to provide scientific basis for restoration，management and utilization of degraded desert.【Method】The method of spatial sequence instead of the time series was used，and the soil organic carbon storage(SOC)，microbial biomass carbon(MBC) and nitrogen(MBN)under different grazing exclusion times(1 a，4 a and 11 a)in degraded desert of Seriphidium transiliense were studied.【Result】The results showed that:(1)The SOC in grazing exclusion area in 0－30 cm layer decreased by 13.3%－24.3%compared with the freely grazing area，but the SOC in 0－10 cm layer decreased at first and then increased with grazing exclusion times increased.(2)With the increase of grazing exclusion times，the MBC storage in 0－30 cm layer decreased at first and then increased，but the MBN storage was not significantly different for grazing exclusion(P＞0.05)，and the MBC could be used as an early indicator to measure the recovery of degraded desert.【Conclusion】Short－term grazing exclusion is not effective to recover the soil of S.transiliense desert but the long－term grazing exclusion can effectively improve soil quality.In a word，grazing exclusion was the most economical and convenient way to recover the degraded desert.

grazing exclusion;fencing;soil organic carbon;microbial biomass carbon;microbial biomass nitrogen

AN Sha－zhou(1956－)，male，native place:Fuping，Shaanxi.Professor，DAG;research field:Gjrssland resource and ecology，(E－mail)xjasz@126.com

S812.8

A

1001－4330(2017)05－0961－08

10.6048/j.issn.1001－4330.2017.05.022

2017－03－13

国家自然科学基金项目“不同退化蒿类荒漠土壤有机碳组及其碳氮特征对禁牧的响应”(31160477);国家自然科学基金项目“基于高光谱遥感的退化伊犁绢蒿荒漠草地围栏恢复特征的研究”(31360571)

董乙强(1989－)，男，江苏邳州人，博士研究生，研究方向为草地资源与生态，(E－mail)1226977319@qq.com

安沙舟(1956－)，男，汉，陕西富平人，博士，教授，博士生导师，研究方向为草地资源与生态，(E－mail)xjasz@126.com

Supported by:Supported by the National Natural Science Foundation of China"The Fractions of Soil Organic Carbon for Different Degraded Artemisia Desert Grasslands Response to Grazing Exclusion"(31160477);Supported by the National Natural Science Foundation of China"Study on the Recovery Characteristics by Hyperspectral Remote Sensing to the Degraded Seriphidium transiliense Desert Grassland(31360571)