放牧和围封对内蒙古羊草草原土壤团聚体理化性质的影响

贾丽英，陈 清，张洛梓，裴 雯

（1.天津师范大学 天津市水资源与水环境重点实验室，天津300387；2.天津师范大学 地理与环境科学学院，天津300387）

土壤团聚体是土壤结构的基本单元和物质基础，是由矿物颗粒和有机物等土壤成分在物理、化学、生物综合作用下所形成的直径小于10 mm的良好结构体[1]，是土壤养分储存和土壤微生物生存活动的场所，在维持土壤的孔隙度和持水性等方面发挥着重要作用[2-3].土壤团聚体的粒级分布及稳定性是评价土壤结构的重要因素.放牧是人类对草地生态系统最主要的干扰方式[4]，过度放牧会使得草原地上生物量减少，表层土壤疏松，土壤结构退化，显著影响土壤团聚体的粒级分布及其稳定性[5-6].围封是恢复退化草地最有效的措施之一[7-8]，长期围封可以减少家畜的践踏，使草地植被得以恢复，提高土壤微生物的含量，加速土壤养分循环，促进土壤团聚体的形成，维持土壤结构的稳定性[9].关于放牧、围封对土壤团聚体结构的影响，一些研究发现，放牧导致土壤大团聚体含量显著减少，微团聚体含量增加[1，10]，长期围封则导致土壤微团聚体含量下降[11]，大团聚体含量增加[12-13]；也有研究发现，长期围封不能有效增加大团聚体的含量[10].不同研究区域由于环境因子、放牧强度不同，研究结果也不相同[7].目前关于草原土壤团聚体的研究主要集中在放牧或围封单因素对草原土壤团聚体的影响[4-5，14-16]，而围封和放牧交互作用对草原土壤团聚体粒级分布和稳定性的影响鲜见报道.

本研究以2005年围封的内蒙古羊草草原作为野外实验平台，设置放牧和围封2个因子，研究放牧强度、围封水平及其交互作用对草原土壤团聚体的粒级分布、稳定性以及有机碳、总氮含量等的影响，为评估当前草原管理措施变化对土壤结构的影响提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究地点位于中国科学院内蒙古草原生态系统定位研究站羊草样地北侧，锡林河流域中部（43°26′~44°29′N，115°32′~117°12′E）.该地区是典型温带草原，属于半干旱草原气候；年平均气温为0.2℃，夏季温凉，冬季寒冷；年平均降水量350 mm，降水集中于5—9月份，占全年降水量的80%左右，且降水的年际变化显著[17].

1.2 实验设计与样品采集

选择地势平坦、植被盖度均匀且有代表性的中度放牧（MG）样地和过度放牧（HG）样地，从2005年起进行围封，围封面积为0.2 hm2.该MG和HG样地在2005年前进行了30 a持续放牧，MG样地放牧强度约为2只羊/hm2，HG样地放牧强度约为4只羊/hm2.

实验设2个因子，即放牧强度和围封水平.放牧强度包括2个水平，分别为中度放牧和过度放牧；围封包括2个水平，分别为不围封（NF）和围封（F）.共4种处理，各设4个重复，每个小区面积5 m×8 m.

分别在2014年和2015年8月中旬进行土样采集，围栏内每个小区使用直径为2 cm的土钻随机取0~15 cm的土壤3钻，3钻混为一份样品，过2 mm筛，混合均匀，采用“四分法”选取部分土壤，装入封口袋中密封.样品采集完毕后编号带回实验室自然风干，剔除样品中的杂草和石块，用于分析土壤团聚体特征及理化性质.

1.3 土壤水稳性团聚体测定方法

土壤样品风干后采用湿筛法进行团聚体测定.取约25 g风干后的土样，将其均匀摊开放在套筛最上层的筛子内，自上而下分别通过0.500、0.250、0.053 mm的套筛，在桶内注水，使水漫过最上层的风干土样，利用土壤团聚体分析仪（XY-100型，北京祥宇伟业仪器设备有限公司）上下震荡6 min.震荡完成后，取出土壤套筛，控干水，将每层筛上的土壤分别冲洗进提前备好称重的铝盒当中，60℃烘干至恒重，分别称重，记录＜0.053、0.053~0.250、0.250~0.500以及＞0.500 mm 4种粒级土壤团聚体的质量.

1.4 数据处理

（1）各级团聚体的质量百分比公式为：

团聚体的质量百分比（%）=某粒级团聚体质量/土壤样品的总质量×100 （1）

（2）土壤水稳性团聚体一般以0.250 mm为界限分为大团聚体和微团聚体.大团聚体比重（R0.25）计算公式为：

式中：Mr＞0.25为粒径＞0.250 mm团聚体的质量（g）；Mr＜0.25为粒径＜0.250 mm团聚体的质量（g）；MT为团聚体总质量（g）.

（3）土壤团聚体的稳定性指标采用平均重量直径（mean weight diameter，MWD）、几何平均直径（geometric mean diameter，GMD）来描述.计算公式为：

式中：n为粒级分组的组数；xi为第i级团聚体粒级的平均直径，本研究各粒级团聚体的平均直径取值分别为大团聚体（0.500 mm）、较大团聚体（0.375 mm）、微团聚体（0.151 5 mm）和黏粉粒组分（0.053 mm）；wi为第i级团聚体的质量百分比.

1.5 土壤理化性质的测定

土壤有机碳（SOC）和总氮（TN）采用元素分析仪（Vario ELⅢ，德国Elementar公司）进行测定.

1.6 数据分析

实验所得数据均采用Excel 2019和SPSS 24进行统计分析，显著性分析采用独立样本T检验（independent samples T Test）、单因素方差分析（one-way ANOVA）以及多因素方差分析（multivariate analysis of variance）.

2 结果与分析

2.1 放牧强度、围封水平对各粒级土壤团聚体含量的影响

不同放牧强度、围封水平下各粒级土壤团聚体含量不同，如表1所示.

表1 不同放牧强度、围封水平下各粒级土壤团聚体的含量Tab.1 Content of each grain size of aggregate under different grazing intensity and enclosure conditions %

通过对比不同放牧强度样地的水稳性团聚体数据可知，在0~15 cm土层，中度放牧样地和过度放牧样地在不同处理条件下土壤团聚体含量均以0.053~0.250 mm粒级最高，约占45.65%~63.12%；其次为0.250~0.500 mm粒级，含量约占20.18%~23.97%；＜0.053 mm粒级的土壤团聚体含量约占12.96%~19.96%；占比最少的为＞0.500 mm粒级，约占3.74%~15.76%.放牧强度对＞0.500、0.053~0.250及＜0.053 mm粒级的土壤团聚体含量均有显著影响（P＜0.05）.中度放牧样地＞0.500 mm粒级的大团聚体含量（14.35%）显著高于过度放牧样地该粒级团聚体含量（3.88%）；而中度放牧样地0.053~0.250 mm粒级的微团聚体含量（46.09%）显著低于过度放牧样地该粒级微团聚体含量（60.58%）；过度放牧样地＜0.053 mm粒级微团聚体含量（13.47%）显著低于中度放牧样地该粒级微团聚体含量（17.93%）.这说明随着土壤退化程度的增加，大团聚体的含量逐渐减少，而＜0.250 mm粒级的微团聚体含量逐渐增加.

围封使得中度放牧样地＞0.500 mm粒级的土壤团聚体含量显著增加，对其他粒级无显著影响；在过度放牧样地进行围封，只有0.053~0.250 mm粒级的微团聚体含量增加了5.09%，而其他粒级无明显变化.放牧强度与围封的交互作用对＞0.500、0.250~0.500以及0.053~0.250 mm粒级的土壤团聚体含量均有显著影响（P＜0.05）.

2.2 放牧强度、围封水平对土壤团聚体稳定性指标的影响

不同放牧强度、围封水平下土壤团聚体稳定性指标也存在差异，如表2所示.

表2 不同放牧强度、围封水平下土壤团聚体的稳定性指标Tab.2 Stability index of confining soil aggregates under different grazing intensity and enclosure treatments

由表2可知，各处理组中土壤稳定性指标MWD和GMD均较小，说明本研究中土壤水稳性团聚体所占比例较小.MWD和GMD呈现相同的变化趋势，中度放牧样地的MWD和GMD均大于过度放牧样地的数值.围封后，中度放牧样地MWD和GMD显著增加，而过度放牧样地没有显著变化，放牧强度与围封的交互作用对MWD和GMD有显著影响（P＜0.05）.

2.3 放牧强度、围封水平对土壤有机碳、总氮含量的影响

不同放牧强度、围封水平下土壤中有机碳和总氮的含量也有所不同，如表3所示.

表3 不同放牧强度、围封水平下土壤有机碳、总氮的含量Tab.3 Soil organic carbon and total nitrogen content under different grazing intensity and enclosure treatments

由表3可知，放牧强度对土壤的有机碳和总氮含量均有显著影响（P＜0.05）.过度放牧样地的有机碳和总氮含量均少于中度放牧样地的数值.围封没有显著影响中度放牧样地和过度放牧样地土壤有机碳和总氮的含量；放牧强度和围封的交互作用没有使土壤的有机碳和总氮含量发生显著变化.

2.4 各粒级土壤团聚体与稳定性指标、土壤有机碳、总氮含量的相关性

土壤团聚体粒级不同，其稳定性指标以及土壤中有机碳和总氮的含量也不同，如表4所示.

表4 各粒级土壤团聚体与稳定性指标及土壤有机碳、总氮含量的相关性Tab.4 Correlation of soil aggregates with stability index，soil organic carbon and total nitrogen

由表4可知，土壤团聚体的有机碳和总氮含量与＞0.500 mm粒径团聚体含量、R0.25呈显著正相关，与0.053~0.250 mm粒径团聚体含量呈显著负相关（P＜0.01）.土壤的稳定性指标MWD和GMD与＞0.500 mm、0.250~0.500 mm、R0.25粒径团聚体均呈显著正相关，与0.053~0.250 mm和＜0.053 mm粒径团聚体含量呈显著负相关（P＜0.05）.这说明土壤的大团聚体所占比例越大，土壤的有机碳、总氮含量越高，土壤的稳定性越强.

3 讨论与结论

3.1 放牧强度对土壤团聚体粒级分布和稳定性的影响

土壤团聚体一般分为大团聚体（＞0.250 mm）和微团聚体（＜0.250 mm）[10]，大团聚体的含量越高，土壤的稳定性越好[10，18].土壤团聚体的有机碳、氮作为重要的胶结物质，可以改变土壤的团粒结构，进而改变水稳性团聚体的比例和稳定性.本课题组对比研究了内蒙古羊草草原不同放牧强度下土壤团聚体的理化性质，结果表明，与中度放牧样地相比，过度放牧样地大团聚体的含量显著降低，微团聚体的含量显著增加，土壤的有机碳、总氮含量减少.随着放牧强度的增加，表层土壤持续遭到践踏，植被盖度下降，地上生物量和凋落物减少，减弱了土壤的养分循环和积累作用，土壤的微生物活动减少，进而使得土壤的碳输入减少，固氮作用减弱，土壤团聚体的有机碳和总氮含量显著降低，从而导致大团聚体的含量下降，土壤团聚体向微团聚体转变[19-20].在青藏高原的高寒草原[1，21]和高寒草甸高原[22-23]、宁夏荒漠草原[4，10，13]、川西北高寒草地[19]、松嫩草原[24]、黄土高原放牧林草地[25]的研究中也得到了相似的结果.土壤团聚体的MWD和GMD与土壤团聚体稳定性相关，数值越大表明土壤团聚体的团聚度越高，稳定性越好[1，26-27].本研究中土壤团聚体的MWD和GMD呈现相同的变化趋势，中度放牧样地的MWD和GMD均高于过度放牧样地的数值，这表明随着放牧强度增加，水稳性团聚体的MWD和GMD逐渐降低，土壤的稳定性降低.这与在三江源高寒草原[1]、青藏高原东缘[19]、黄土高原的天然草地[13]研究结果基本一致，表明放牧强度是影响土壤团聚体粒级分布和稳定性的重要因素.

3.2 围封对中度放牧样地和过度放牧样地土壤团聚体粒级分布和稳定性的影响

通常在草地采取围封后，地上的凋落物和生物量会增加，使得土壤逐渐向良性转变，土壤中大团聚体的含量和有机碳、总氮的含量会随着围封年限增加而逐渐增加[11，13，15，28-32].本研究中，围封使中度放牧样地中>0.500 mm粒级的大团聚体含量显著增加，MWD和GMD升高，可能是因为中度放牧样地表层土壤的破坏度较低，土壤有机质分解速度慢，养分流失较少，长期围封又会减少家畜对草地的践踏和破坏，促进植被生长，减少土壤有机质的分解，进而提高大团聚体的含量，改善土壤团聚体的结构.然而，围封没有使过度放牧样地大团聚体含量显著增加，也没有使过度放牧样地土壤团聚体的MWD、GMD以及有机碳和总氮含量发生显著变化.这一结果和青藏高原的高寒草甸[16，33]、宁夏的荒漠草原[15，28-30]、福建西部的河谷盆地[32]的研究结果有所不同.较多研究认为，4~8 a的短期围栏禁牧能够有效促进地上植被的生长，促进草原生态系统的恢复，使较小的团聚体通过有机物的胶结作用形成大团聚体，进而使水稳性大团聚体含量显著增加，土壤中的有机碳和总氮含量增加.本研究中过度放牧样地围封后大团聚体含量没有增加，可能是因为过度放牧样地在围封前有30 a持续高强度放牧的历史，草地退化严重，土壤的有机质含量降低，10 a的围封时间可能不足以使土壤有机质和团聚体结构得以恢复.此外，影响土壤团聚体有机碳和总氮含量的因素有很多，气候、土壤含水量、土地利用方式、人类活动等都会使土壤团聚体的有机碳和总氮含量对围封产生不同程度的响应[27].过度放牧样地围封后草原动物活动减少，排泄物的输入减少，草原的土壤温度降低，土壤的含水量降低，生物群落变简单，这些因素可能使土壤团聚体的有机碳和总氮含量没有显著增加，大团聚体含量没有显著变化.综上，围封处理使中度放牧样地大团聚体含量显著增加，而对过度放牧样地大团聚体含量没有显著影响.放牧强度和围封对于土壤团聚体的影响存在明显的交互作用.