围封年限对荒漠草原土壤有机碳、全氮、全磷与微生物量碳、氮等的影响

韩丛丛　杨阳　刘秉儒

摘要：以宁夏境内荒漠草原为研究对象，通过对比分析未围封与围封5、8、12、15年样地土壤有机碳、全氮、全磷含量以及土壤微生物量碳、氮含量与土壤酶活性的变化过程与规律，分析荒漠草原不同围封年限对土壤与土壤微生物的影响。结果表明，荒漠草原采取围封措施以后，土壤的有机碳含量、全氮含量和全磷含量均高于未围封样地，且随着围封时间的变化表现出相似的变化规律，即围封12年时含量最高，之后含量出现降低的趋势。0～10 cm和10～20 cm土层中，土壤碳氮比（C/N）与碳磷比（C/P）规律相同，均表现为先减小后增大。土壤氮磷比（N/P）则在各层土壤中表现出与土壤C/N值、C/P值相似的变化趋势。土壤微生物量碳和微生物量氮含量均高于未围封样地。由结果可知，在荒漠草原采取围封措施可以促进土壤微生物的活动，从而提高微生物量。同时，土壤微生物量C/N值随围封时间的延长先增大后减小。

关键词：土壤；微生物；有机碳；全氮；全磷

中图分类号： S181文献标志码：

文章编号：1002-1302（2017）16-0260-04

收稿日期：2016-04-07

基金项目：国家自然科学基金（编号：31660168）。

作者简介：韩丛丛（1991—），女，山东邹平人，硕士研究生，主要从事植被和恢复生态学研究。E-mail：m18795214667@163com。

通信作者：刘秉儒，博士，副研究员，硕士生导师，主要从事植被和恢复生态学研究。E-mail：bingruliu@163com。

荒漠草原是草原中的一种重要草地类型，其分布范围十分广泛，再加上特殊生境的影响和作用[1-2]，随着时间的推移，逐渐形成一类具有旱生性特征的草地类型[3-4]。在自然和人为因素的影响下，该区域植被稀疏、植被组成成分简单、生态环境脆弱，抗干扰能力有限[5]，历来是生态学者、环境学者研究与关注的热点。

20世纪80年代以来，随着人口增加、经济驱动下放牧压力增大，過牧和草原退化成为威胁我国荒漠草原和各类草地生态系统稳定与可持续利用的重大问题，封育禁牧作为重要的生态恢复措施，所带来的生态效应已逐渐成为恢复生态学研究的焦点。在其积极的影响下，草地遭受外界的干扰逐渐减少，植被特征得到改善，土壤中的各种元素成分逐渐积累，草地朝向有利的方面发展。正是由于避免了人类和动物的影响，围栏封育对系统的恢复发挥着至关重要的作用，因此围封是个不断恢复与改善的过程[7-11]，呈现出持久性、有效性等特点。相关报道中指出，采取围封手段可通过影响土壤容重、含水量、土壤中的各种养分[12-14]以及植物生产力[15-16]缓解草原退化压力。本研究通过对比分析荒漠草原未围封与围封5、8、12、15年样地土壤有机碳、全氮、全磷含量以及土壤微生物量碳（C）、氮（N）含量与土壤酶活性的变化过程与规律，分析荒漠草原不同围封年限对土壤与土壤微生物的影响。

1材料与方法

11研究区概况

研究区选在宁夏回族自治区东部的盐池县（地理坐标为106°30′～107°41′E、37°04′～38°10′N）。全县总面积为 7 130 km2，呈现出黄土高原—鄂尔多斯台地的过渡性。由于本身的过渡性导致盐池县生态系统呈现出一定的脆弱性，该[HJ14mm]地地形地貌呈现出一定的复杂性。由于本身地理位置的特殊性，导致盐池县呈现出大陆性的气候特征，具有以下特点：干旱、降水不足、光照时间长、蒸发强、多风、沙尘活动较多；年平均降水250～350 mm，春季降水相对不多，在东南向西北方向上呈递减趋势；全年盛行西风和西北风，春季较为频繁，因此，大风盛行导致气候具有干燥性，促进了荒漠化的进程；年均气温84 ℃，昼夜温差大。此外，盐池县的土壤类型多样，其中，[HJ]黑垆土与风沙土所占比例较大。盐池县种质资源丰富，包括禾本科、豆科、菊科等不同科植物，荒漠草原区常见植物有短花针茅（Stipa breviflora）、苦豆子（Sophora alopecuroidesdes）、猪毛蒿（Artemisia scoparia）等。

12取样方法

本试验于2014年8月底至9月初，在宁夏回族自治区盐池县选取未围封与围封5、8、12、15年荒漠草原草地类型作为本试验研究样地。在各样地内按“S”形选取5个样点，分别采集不同土层（0～10、10～20、20～30 cm）的土壤装入自封袋，一部分用于土壤有机碳、全氮（TN）、全磷（TP）含量的测定，另一部分用于土壤微生物量碳、氮含量的测定；同时用环刀采集各层土样装入铝盒内以测定土壤容重。

13测定方法

土壤有机碳含量采用的是重铬酸钾容量法（外加热法）[17]；土壤全氮含量采用的是凯氏定氮法[17]，使用的仪器为半自动凯氏定氮仪；土壤全磷含量采用的是钼锑抗比色法[17]；测定土壤微生物量碳、氮含量的方法有多种，以三氯甲烷熏蒸浸提法[18]最常见。

14数据处理与分析

用Excel和DPS进行数据处理，绘图用Excel完成。

2结果与分析

21围封年限对土壤有机碳、全氮和全磷等的影响

211不同围封年限土壤有机碳的含量

不同围封年限的土壤有机碳含量随土层增加而增加，且随围封年限增加呈先升后降的趋势，围封12年时测定值最高（图1）。0～10、20～30 cm 土层，围封5年的有机碳含量无显著变化；0～10、10～20、20～30 cm土层，围封草地土壤有机碳含量均高于未围封草地，其中围封12、15年的有机碳含量显著高于未围封样地。在0～10 cm土层中，围封5、8、12、15年的有机碳含量分别较未围封草地提高了124%、601%、3958%、2942%；在10～20 cm土层中，围封5、8、12、15年的有机碳含量分别较未围封草地提高了2383%、2609%、3178%、1439%；在20～30 cm土层中，围封5、8、12、15年的有机碳含量分别较未围封草地提高了855%、3064%、13484%、2831%。

从试验结果中可知，荒漠草原围封后，土壤有机碳含量均高于未围封草地。这是由于在放牧过程中，家畜的啃食与踩踏使植物初级生产固定的碳积累量降低，导致有机碳输入土壤的能力下降，从而进一步影响有机碳的含量，而围封在一定程度上避免了家畜活动，碳源不断积累。因此，围封草地土壤有机碳含量与未围封草地产生差异。

212不同围封年限土壤全氮的含量

土壤全氮含量呈现同有机碳含量相似的趋势，即随土层的增加而增加，且随围封年限的增加先升高后降低（图2）。0～10、10～20 cm土层，围封5年的全氮含量显著高于未围封样地，0～10 cm土层，土壤全氮含量大小顺序为围封12年>8年>15年>5年>0年；10～20 cm土层，围封12年的土壤全氮含量显著高于未围封与围封5、8、12、15年样地，土壤全氮含量大小顺序为围封12年>8年>5年>15年>0年；20～30 cm土层，围封8、12、15年样地的全氮含量明显提高，该层土壤全氮含量大小顺序为围封12年>15年>8年>5年>0年。

荒漠草原采取围封措施后，植被高度、盖度、生物量等特征增大，植被的恢复在提高植物固氮能力的同时，对土壤的补偿作用也随之增强，这就使得土壤中全氮含量增加。

213围封年限土壤全磷的含量

同样，围封能提高土壤中全磷的含量。0～10、10～20 cm土层，围封8、12、15年土壤全磷含量均明显高于未围封样地，且全磷含量顺序为围封12年>8年>15年>5年>0年，围封12、8、15、5年样地分别较未围封样地提高 25555%、22222%、13333%、2222%和23333%、7500%、4167%、2500%；20～30 cm土層，围封5、8、12、15年的土壤磷含量均与未围封样地差异显著，全磷含量顺序为围封12年>8年>5年>15年>0年，与对照样地相比，围封12、8、5、15年样地分别提高17778%、6667%、6111%、4444%（图3）。

[FK（W10][TPHCC3tif][FK）]

214围封年限对土壤生态化学计量比的影响

在不同土层中，土壤碳氮比（C/N）随围封年限的延长呈现不同的变化（表1）。在0～10、10～20 cm土层中，未围封样地土壤C/N值均高于围封5、8、12、15年的测定值，同时，随围封时间的增加C/N值呈先减小后增大趋势，围封8、12年之间无显著性差异。20～30 cm土层，则表现出相反的变化。

在不同土层中，不同围封年限样地的碳磷比（C/P）表现出与C/N值相同的规律，即在0～10、10～20 cm土层，土壤C/P值随围封时间的延长呈先减小后增大的趋势，其中，0～10 cm 土层的C/P值最大值出现在未围封样地，为4464，最小值出现在围封8年样地，为1582，未围封、围封5、8、12、15年间差异不显著；10～20 cm土层，C/P值在围封5年时最高，为4387，在围封12年时最低，为1643，未围封与围封8、12年的测定值差异显著（P<005）；20～30 cm 土层，C/P值在未围封时最高，为3607，在围封5年时最低，为2353。

在0～10、10～20、20～30 cm土层，各样地氮磷比（N/P）总体上随围封时间的延长呈先减小后增大的趋势。其中 10～20 cm土层，各样地间无显著差异。

注：同一土层深度、同列数据后不同小写字母表示不同围封年限样地差异显著（P<005），下表同。

22围封年限对土壤微生物量碳、氮的影响

土壤微生物在生态过程中意义重大，具有不可替代的作用，它本身就是一个养分库，含有一定量的碳、氮。土壤微生物量是土壤有机质的活性成分。土壤微生物生物量在土壤有机质中十分活跃，对植物养分和土壤酶活性具有一定的影响。

221围封年限对土壤微生物量碳的影响

不同围封年限对土壤微生物量碳有明显影响（图4），在0～10 cm土层中，围封5、8、12、15年的土壤微生物量碳含量均显著高于未围封样地，分别增加了3875%、5064%、5695%、1717%；10～20 cm土层，土壤微生物量碳含量大小顺序为围封12年>8年>5年>15年>0年，围封样地分别较未围封样地提高了5383%、10464%、12475%、3863%；10～20 cm土层和 20～30 cm土层中，围封5、15年及8、12年之间无显著差异。20～30 cm 土层，围封5、8、12、15年的微生物量碳含量分别比对照高645%、7834%、9799、4495%。

222围封年限对土壤微生物量氮的影响

在0～10 cm土层中，围封12、15年的土壤微生物量氮含量显著高于未围封样地（图5）（P<005），含量大小顺序为围封12年>15年>8年>5年>0年，分别较未围封样地提高了80%、32%、17%、1%；10～20 cm 土层，围封8、12年的土壤微生物量氮含量明显增加，含量大小顺序为围封12年>8年>15年>5年>0年，各围封样地分别较未围封样地提高了55%、50%、2%、1%；20～30 cm土层，围封12年的微生物量氮含量显著高于未围封样地，未围封与围封5、8、15年之间则无显著差异，含量大小顺序为围封12年>15年>8年>5年>0年，各围封样地微生物量氮含量分别较未围封样地提高了58%、28%、19%、17%。通过对不同围封年限土壤微生物量氮含量在不同土层间的比较得知，围封5年时，0～10、10～20、20～30 cm土层的土壤微生物量氮含量无显著变化；围封8、15年时，20～30 cm土层的微生物量氮含量无显著变化；围封12年时，各土层的土壤微生物量氮含量显著增加，测定值最高，与未围封的测定值差异显著（P<005）。通过分析表明，土壤微生物量碳、氮含量具有明显的“表聚性”，即0～10 cm土层含量高于10～20、20～30 cm土层。

223围封年限对土壤微生物量C/N值的影响

0～10、10～20、20～30 cm土层，土壤微生物量C/N值大致随围封年限的增加呈先增大后减小趋势（表2）。在0～10 cm土层，未围封与围封5、8、12、15年的测定值差异显著（P<005），而围封5、8年，12、15年间无显著差异；10～20 cm土层，围封5、8、12、15年间差异不显著；20～30 cm土层，未围封与围封8年的测定值差异显著（P<005），与围封5、12、15年的测定值无显著差异。

3讨论与结论

通过分析可知，不同围封年限对土壤中的碳、氮、磷含量具有明显的影响。土壤中的有机碳、全氮和全磷含量均随着围封年限的增加表现出先升高后降低的规律，该结果同黄蓉

等研究[19]具有一致性。原因可能为围封措施使植被特征得到改善，高度、盖度等均在有利的条件下逐渐增加，但长时间的围封将由于土壤表面过多枯落物的存在进一步对植物的再生、土壤养分的分解、循环产生影响[20]。而在0～10、10～20、20～30 cm 土层中，随着土层深度增加，有机碳、全氮和全磷含量呈增加趋势。目前，关于这方面的原因需要进一步研究。

在不同的土层中，不同围封年限样地中的土壤C/N、C/P 和N/P值具有相似的变化规律。在0～10、10～20 cm 土层中，未围封样地土壤C/N值均高于围封5、8、12、15年样地。这可能是由于家畜向土壤中排出排泄物，增加了土壤中的氮素含量，从而使未围封样地C/N值较围封样地中的C/N值高。此外，C/N值在0～10、10～20 cm 土层中随围封时间的增加呈先减小后增大趋势，而在20～30 cm土层，则呈现不同的变化趋势。土壤C/P值同 C/N 值呈现出相似的规律，即在0～10、10～20 cm土层，土壤C/P值随围封时间的延长呈先减小后增大的趋势。而N/P值在0～10、10～20、20～30 cm土层中总体上随围封时间的延长呈先减小后增大的趋势。

土壤微生物量碳、氮含量隨围封时间的延长呈先增加后减小趋势。各层土壤中，表现为围封样地微生物量氮含量高于未围封样地。总体看来，土壤微生物量碳、氮含量多集中在0～10土层，具有明显的“表聚性”。本研究与张蕴薇等研究结果[21]一致。土壤微生物量碳和微生物量氮之所以在表层含量较高可能是因为植物根系大多集中于土壤表层，旺盛的根系活动促进植物根系向土壤中分泌的物质增多，良好的条件进一步促进微生物的生长，从而导致土壤微生物量在土壤表层较高。

在未围封及围封5、8、12、15年的样地中，0～10、10～20、20～30 cm土层的土壤微生物量C/N值大致表现为随着围封年限的增加呈现出先增大后减小的变化规律。

总体看来，宁夏荒漠草原实施围栏封育以后，植被得到一定的恢复，土壤的理化性质得以改善。但围封时间并非越长越好，若超过某一年限，植被和土壤将会受到抑制，这就需要明确合理的围封年限。

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