不同封育年限对退化草原土壤理化性质和微生物的影响

杨彦东

(甘肃省碌曲县草原工作站，玛艾 747200)

草原具有水土保持、涵养水源、防风固沙的作用，同时对改善陆地生态环境、增加农业系统稳定性和发展畜牧业具有重要作用[1]。受全球气候变暖和人类过度放牧牲畜的影响，我国草地退化严重，土壤荒漠化已成为影响我国生态可持续发展和畜牧业发展的主要问题之一。草地封育工程是一种草地恢复和重建的重要措施之一，指通过消除人为干扰促进草原幼苗的生长和复壮[2～3]。大量研究表明，短期的围栏封育能够使群落植被的平均高度和生长量显著提高，可食牧草比例增加，能够反映出草原的典型特征，有效遏制草地的退化，对荒漠化的草原改良和恢复效果明显[4～5]。随着封育年限的增加，草原不同物种间竞争增强，造成地上生物量下降，给植被群落带来负面影响，因此合理封育对退化草原的改良和恢复至关重要[6]。对于大面积退化的天然草原，围栏封育是保护和利用草原资源、实现草原自我修复、提高草原生产力和显著提高草原微生物群落多样性及草原生产效率的有效手段。因此，本研究以碌曲县退化草原为对象，研究不同封育年限对退化草原土壤理化性质和微生物的影响，旨在为荒漠草原区开展植被恢复重建工作提供理论依据与技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验地基本情况

研究区位于甘肃省碌曲县的草原区，位于甘、青、川三省交界处，由盆地和山地两大地形组成，平均海拔3500m，地势西高东低。该区属于高原湿润气候区，年降水量633～782mm，年太阳总辐射量接近5.2万J/cm2，年平均气温2.3℃，年总日照时数2357.8h。畜牧业是碌曲县的支柱产业，有草地总面积39.4万hm2，占全县土地总面积的83.3%。土壤以草甸土为主，草原植被以禾本科、莎草科和菊科植物为主，覆盖度90%以上。土壤有机质含量12.56%，pH值8.6，全氮含量1.12%，全磷含量0.24%，全钾含量1.64%。

1.2 试验设计

试验于2015年9月～2020年9月进行。围栏处理设在放牧场和围栏封育草场交界处，设置封育1年(2019年9月～2020年9月封育)、封育3年(2017年9月～2020年9月封育)和封育5年(2015年9月～2020年9月封育)3个处理，以不进行封育的草场作为对照(CK)，共4个处理；每个处理设置20m×20m样地，重复3次。各处理草原均为天然生长，不进行其他人为干涉。2020年10月1日，在各个处理所设置的样方内采用5点取样法进行取样：先除去土壤表层的植被，挖掘土壤剖面，用环刀分别取0～10cm和10～20cm土层的土壤，用于土壤孔隙度、毛管持水量和容重的测定；然后再取2kg放入自封袋内带回实验室，其中1kg土壤阴干，过1mm筛后用于土壤理化性质的测定，另一部分过2mm筛后用于土壤微生物的测定。

1.3 测定项目与方法

1.3.1土壤理化指标的测定[7]

采用环刀法测定土壤孔隙度、毛管持水量和容重；土壤pH值采用电位法测定；采用电导仪测定土壤电导率(EC值)。

1.3.2土壤养分的测定[8]

土壤养分的测定包含土壤有机质含量、土壤氮、磷、钾含量和速效氮、速效磷、速效钾的含量。土壤有机质含量采用重络酸钾法测定；氮、磷、钾含量分别采用凯氏定氮法、钼锑抗比色法和火焰光度法测定；速效氮、速效磷、速效钾分别采用凯氏定氮法、钼锑抗比色法和火焰光度计测定。

1.3.3土壤微生物的测定[9]

将过2mm筛的土壤用于土壤细菌、真菌和放线菌数量的测定。放线菌数量采用高氏1号培养基培养测定；细菌采用牛肉膏蛋白胨琼脂培养基培养测定；真菌采用马丁-孟加拉红培养基平板表面涂抹法测定。

1.4 数据统计与分析

采用Microsoft Excel 2007进行数据处理与分析。采用DPS7.05软件进行数据统计，LSD法进行差异显著性检验(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 封育对退化草原土壤物理性质的影响

由表1可知，退化草原土壤容重随土层深度的增加而增加，但随封育年限的增加呈逐渐降低趋势。与CK处理相比，0～10cm土层封育1年、3 年和5年的土壤容重分别降低了12.42%、18.30%和22.22%，差异显著；10～20cm土层封育1年、3年和5年的土壤容重分别降低了9.68%、14.84%和17.42%，差异显著。2个土层深度土壤容重相比，不同处理(对照CK、封育1年、封育3年、封育5年)10～20cm土层土壤容重分别比0～10cm增加了1.31%、4.48%、5.60%和7.56%，并随着封育年限的增加0～10cm土层与10～20cm土层土壤容重的差异越大。由此说明，随着封育年限的增加，对表层土壤(0～10cm)容重的降低效果更显著。

表1 不同处理对土壤物理性质的影响

退化草原土壤孔隙度随着封育年限的增加逐渐增加，并随着土层深度的增加而逐渐降低。0～10cm土层深度下，与CK处理相比，不同封育年限土壤总孔隙度分别增加了16.97%、25.01%、30.36%；毛管孔隙度分别增加了17.88%、25.41%、29.18%；非毛管孔隙度分别增加了-10.22%、13.14%、65.69%；毛管持水量分别增加了34.57%、53.46%、66.07%。10～20cm土层深度下，与CK处理相比，不同封育年限土壤总孔隙度分别增加了13.64%、20.91%、24.55%；毛管孔隙度分别增加了12.74%、20.29%、24.08%；非毛管孔隙度分别增加了46.36%、43.63%、41.82%；毛管持水量分别增加了24.82%、41.24%、50.25%。由此可见，封育有利于改善土壤物理性质，降低土壤容重，增加土壤总孔隙度、毛管空隙度、毛管持水量和非毛管孔隙度，并随着封育年限的增加呈增加趋势，试验条件下以封育5年的效果最佳。

2.2 封育对退化草原土壤pH值和EC值的影响

由图1可知，随着封育年限的增加土壤pH值呈降低趋势，且随着土层深度的增加呈增加趋势。与CK处理相比，封育1年0～10cm土层的土壤pH值降低了4.72%，差异不显著；封育3年和封育5年0～10cm土层的土壤pH值分别降低了7.67%和18.15%，差异显著。与CK处理相比，封育1年10～20cm土层的土壤pH值降低了4.12%，差异不显著；封育3年和封育5年10～20cm土层的土壤pH值分别降低了8.60%和15.86%，差异显著。而土壤EC值随着封育年限的增加呈降低趋势，随土层深度的增加变化不显著。与CK处理相比，0～10cm土层的土壤EC值封育1年增加了1.20%，封育3年降低了3.57%，差异不显著；封育5年的土壤EC值降低了10.71%，与对照差异显著。与CK处理相比，10～20cm土层的土壤EC值封育1年和封育3年分别增加了3.61%和1.21%，差异不显著；封育5年的土壤EC值降低了25.30%，差异显著。由此看出，封育改善了土壤酸碱度，降低了土壤pH值，并随着封育年限的增加而降低。土壤EC值随封育年限和土层的变化不大，但当封育年限达到一定值(5年)后土壤EC值显著降低，并随土层深度的增加而降低。

图1 不同处理对土壤pH值和EC值的影响

2.3 封育对退化草原土壤养分特征的影响

由表2可知，土壤有机质含量随土层深度的增加变化不显著，但随着封育年限的增加呈先增加后降低的趋势。与CK处理相比，0～10cm土层的土壤有机质含量封育1年降低了2.63%，差异不显著；封育3年和封育5年分别增加了22.46%和11.31%，差异显著。与CK处理相比，10～20cm土层的土壤有机质含量封育1年增加了了2.94%，差异不显著；封育3年的土壤有机质含量增加了12.22%，封育5年的降低了7.54，差异显著。随着封育年限的增加，土壤全氮和碱解氮含量增加，并随着土层深度的增加而降低，其中封育5年的含量最高。与CK处理相比，0～10cm土层的土壤全氮和碱解氮含量分别增加了12.42%和15.66%，差异显著；10～20cm土层的土壤全氮和碱解氮含量分别增加了5.30%和1.11%，差异不显著。土壤全磷、全钾、速效磷和速效钾含量随着封育年限的增加先增加后降低，并随着土层深度的增加逐渐降低。 与CK处理相比，0～10cm土层封育1年、3年、5年的土壤全磷含量分别增加了34.21%、47.37%、26.32%，土壤全钾含量分别增加了9.82%、22.32%、11.61%，土壤速效磷含量增加了68.69%、79.37%、18.93%，土壤速效钾含量分别增加了6.92%、41.94%、7.22%；而10～20cm土层封育1年、3年、5年的土壤全磷含量分别增加了44.44%、27.78%、11.11%，全钾含量分别增加了3.48%、12.17%、-7.83%，速效磷含量分别增加了55.12%、127.92%、32.86%，速效钾含量分别增加了6.13%、8.02%、2.35%。可见，封育有助于提高退化草原土壤有机质含量和增加氮磷钾含量，并随着封育年限的增加呈先增加后降低的趋势。本试验条件下以封育3年的效果最佳。

表2 不同土层不同处理的土壤养分含量

2.4 封育对退化草原土壤微生物群落的影响

由表3可知，土壤细菌、真菌和放线菌数量随着封育年限的增加呈先增加后降低的趋势。与CK处理相比，不同封育年限(1年、3年、5年)0～10cm土层土壤细菌数量分别增加了27.72%、32.34%、14.09%，差异显著；土壤真菌数量分别增加了45.86%、68.14%、20.67%，差异显著；土壤放线菌数量分别增加了20.14%、37.41%、15.59%，差异显著。与CK处理相比，不同封育年限(1年、3年、5 年)10～20cm土层土壤细菌数量分别增加了7.64%、17.35%、12.03%，差异显著；土壤真菌数量分别增加了16.18%、34.75%、3.74%；土壤放线菌数量分别增加了64.89%、74.22%、26.22%，差异显著。土壤细菌、真菌和放线菌数量随着土层深度的增加呈降低趋势，与表层土壤(0～10cm)微生物相比，不同封育年限(1年、3 年、5年)10～20cm土层土壤细菌数量分别降低了40.74%、37.65%、30.96%，差异显著；土壤真菌数量分别降低了49.67%、49.36%、45.67%，差异显著；土壤放线菌数量分别降低了25.95%、31.59%、41.08%，差异显著。由此表明，退化草原封育对土壤微生物群落具有一定的影响，可以增加土壤细菌、真菌和放线菌的数量，并随着封育年限的增加而呈先增加后降低的趋势。本试验条件下以封育3年的效果最佳。

表3 不同处理对土壤微生物群落的影响

3 讨论

土壤作为草原生物的重要载体，在草地生态系统中具有重要作用。土壤孔隙度和土壤容重是土壤重要的物理指标，是判断草地退化程度高低的主要依据。受土壤质地和放牧、人类活动的影响，草原结构破坏，土壤容重增加，孔隙度降低[10]。本研究结果表明，随着封育年限的增加，土壤容重、土壤pH值和EC值逐渐降低，土壤总孔隙度、毛管孔隙度和毛管持水量逐渐增加；土壤有机质、氮磷钾含量和土壤微生物数量呈先增加后降低趋势。这是因为封育降低了人为干扰，使草原植被得到了一定程度的恢复，植被的恢复使大量枯落物归还土壤，土壤结构改善，土壤容重降低，土壤养分含量和土壤微生物数量显著增加，这与文海燕等[11]的研究结果相同。土壤全氮和碱解氮含量与对照相比有所降低，这是由于放牧过程中家畜的排泄作用所致，就是粪尿中大量的氮素进入土壤增加了其氮含量。本研究表明，土壤容重、土壤pH值随着土层深度的增加而增加，土壤总孔隙度、毛管孔隙度、毛管持水量随着土层深度的增加而减小；土壤有机质含量、土壤全氮磷钾、土壤速效氮磷钾和土壤微生物含量也随着土层深度的增加而降低，这说明土壤有机质和土壤养分、土壤微生物表层聚集相应明显，退化草原封育促进了草原植被的生长，增加了地表植被的覆盖量和土壤水土保持能力，减少了土壤养分的流失，改善了土壤的理化性质，土壤养分也随之增加，使土壤养分和微生物含量出现“表聚现象”，这与杨静等[12]的研究结果相同。研究还发现，土壤理化性质和土壤养分、微生物并非随着封育年限的增加而呈逐渐增加趋势，当封育达到一定年限后草地生态系统平衡会因某个植物或某类植物的生长而被打破，影响草地生态系统的物质循环系统[13]。草地的退化程度和气候条件、土壤条件均会影响封育时间的长短，本研究条件下以封育3年对土壤理化性质的改善和对土壤培肥效果较佳，但对植被的恢复情况和对草原生产力的影响尚待进一步研究。

4 结论

4.1退化草原进行围栏封育影响土壤的理化性质，随着封育年限的增加降低土壤酸碱度，提高土壤肥力，效果以封育3年为最佳。

4.2退化草原围栏封育对土壤微生物群落具有一定的影响，可以增加0～10cm、10～20cm土壤细菌、真菌和放线菌的数量，并随着封育年限的增加呈先增加后降低的趋势，在本试验条件下以封育3年的效果最佳。