黄土丘陵区退耕草地土壤碳库管理指数对放牧的响应

马 宁，赵允格，马昕昕，李 雯，乔 羽，孙 会，许明祥,4*

(1.西北农林科技大学林学院，陕西 杨凌 712100； 2.中国科学院水利部水土保持研究所，陕西 杨凌 712100；3.西北农林科技大学资源与环境学院，陕西 杨凌 712100； 4.西北农林科技大学水土保持研究所，陕西 杨凌 712100)

草地是陆地生态系统的重要组成部分，其碳储量占陆地生态系统碳储量的1/3[1]。草地土壤碳库的科学管理对稳定大气CO2浓度，减缓全球气候变暖具有重要意义。土壤碳库中有机碳(SOC)和活性有机碳(LOC)含量是表征SOC固存和稳定性的主要指标[2]。Blair等[3]提出的碳库管理指数(CPMI)结合了两者，可反映不同管理措施下SOC数量和质量变化，其值升高，表明碳库向良性方向发展，反之，则表明碳库质量下降。目前该指数被广泛应用于不同施肥处理和不同土地利用类型下土壤有机碳库质量评价中[4-6]。在草地生态系统中，该指数对评价不同管理方式下碳库质量变化，指导草地资源可持续利用具有重要作用。

黄土高原自1999年实施退耕还林(草)工程以来，形成了大面积的退耕草地[7]。植被的恢复，一方面增加了SOC输入[8]，另一方面降低了侵蚀导致的碳流失[9]，显著改变了碳库质量。目前该工程的实施对土壤碳库的影响是政府部门和众多学者关注的重要科学问题，已有国家重大专项项目对此展开深入研究(XDA050500403)，研究表明，退耕草地SOC固存量较坡耕地增加27%[10]，LOC含量增加40%～50%[11-12]，CPMI提升53%[11]，土壤碳库向良性方向发展[11-12]。

放牧作为一种重要的农业生产方式，在黄土高原生产生活中占有重要地位，是影响草地SOC储量及稳定性的关键因素。一方面，牲畜通过采食、践踏及排泄等过程直接影响SOC活性，另一方面，放牧通过影响土壤容重、孔性、养分含量、碳氮比及微生物活性和数量等间接影响SOC分解转化。目前关于放牧对SOC含量和活性影响的相关研究主要在内蒙古草原、青藏高原和新疆高寒草甸等地区开展，主要研究结果表明随放牧强度的增加土壤SOC含量、活性和CPMI呈先增加后降低趋势[13-14]，即中度放牧有利于SOC质量提升，但也有研究表明随放牧强度的增加SOC含量、活性和CPMI呈先降低后增加[15]或逐渐降低趋势[16-17]。由于研究区域、放牧历史、植被类型等的不同，放牧对SOC质量的影响存在区域分异特征。

在黄土高原地区，已有研究关注到放牧条件下SOC变化。高阳等[18]和陈芙蓉等[19]在黄土高原西部的研究表明，与封禁地相比，放牧降低SOC含量；Li等[20]的研究发现，封禁地土壤LOC含量显著高于放牧地。然而，目前从CPMI角度解释不同放牧强度下土壤碳库质量变化的研究较少；此外，黄土丘陵区原始土地利用类型为坡耕地，较少有研究将放牧地与封禁地和坡耕地进行双向比较，难以全面评估放牧条件下SOC质量变化。为此，本研究以黄土丘陵区不同放牧强度下退耕草地SOC质量变化作为研究目标，以该区4个不同区域典型退耕草地为研究对象，以各区封禁地和坡耕地为对照，通过野外调查，结合室内分析，研究不同放牧强度下土壤CPMI变化特征，为区域退耕草地SOC质量评估和可持续管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究在黄土丘陵区进行，该区地处我国中部偏北(34～40°N，103～114°E)，总面积约6.4×105km2，温带大陆性季风气候，气温和降雨沿东南向西北递减，多年平均气温9～12℃，多年平均降雨量在200～700 mm之间，多墚、峁、沟谷和垄板地形。自实施退耕还林(草)工程以来，该区植被覆盖度由31.6%提高到63.6%[21]。黄土丘陵区不同区域降水、植被和土壤等存在较大差异，为增强研究结果的可靠性，本研究沿该区不同降雨量带共选择4个典型退耕还草区，分别为陕西神木、定边、安塞及宁夏固原，各区域分布情况见图1。

1.2 样地选择

2020年5—9月，在各研究区以当地有羊只存栏的养殖户为中心展开调查[22]，在放牧活动最远离开村落5 km范围内，以半径为1 km的间隔进行调查。在每个间隔内随机选择2～3个退耕20年以上的典型坡地草地，于各样地中随机调查4～5个5 m×5 m样方内的羊粪球数，调查地表羊粪球密度，同时根据各样地形状均匀布设4～5个1 m×1 m样方，调查植被种类、盖度、地上生物量等基本信息。结合羊粪球密度[23]、地表植被盖度和地上生物量指标表征放牧强度变化，按照距离农户由远及近将各放牧样地分为轻度、中度和重度放牧强度样地，表示为G1，G2和G3。各研究区不同放牧强度样地个数分别为神木12个，定边13个，安塞6个，固原12个，以各区严格封禁坡地草地和坡耕地为对照，各样地相距3 km。不同放牧强度样地信息见表1。

图1 研究区分布图Fig.1 The distributions of study areas

表1 样地基本概况Table1 Characteristics of studied sites

1.3 指标调查与样品采集

记录样地经纬度、海拔、坡向、坡度等基本信息，同时根据各样地形状均匀布设4～5个1 m×1 m样方，调查植被种类、盖度基本信息，剪除并收集样方内植被地上部分，同时收集枯落物，测定生物量。用直径为9 cm的根钻采集0～20 cm土壤，每个样地随机取3钻，混合过筛，用清水冲根，并于70℃烘干至恒重，测定地下生物量。

在每个样地随机选择3个采样点，采集0～20 cm土层土样，三点混合作为一个分析样，样品风干剔除石砾、植物残体后，过18目和60目筛进行土壤基本理化属性及LOC的测定。

1.4 测定指标与方法

土壤有机碳SOC采用重铬酸钾容量法测定[24]，全氮(Total nitrogen,TN)采用凯氏定氮法测定[24]，活性有机碳LOC采用333 mmol·L-1高锰酸钾氧化法测定[25]，土壤pH值采用电位法测定，土壤机械组成采用马尔文激光粒度分析法测定。以坡耕地为参照土壤，依据公式(1)—(5)进行碳库管理指数CPMI的计算。

CPI=SOC/SOC0

(1)

NLOC=TOC-LOC

(2)

A=LOC/NLOC

(3)

AI=A/A0

(4)

CPMI=CPI×AI×100

(5)

式(1)—(5)中，SOC为土壤有机碳含量，单位：g·kg-1；SOC0为坡耕地土壤有机碳含量，单位：g·kg-1；LOC为活性有机碳含量(Labile organic carbon content)，单位：g·kg-1；NLOC为非活性有机碳含量(Non-labile organic carbon content)，单位：g·kg-1；CPI为碳库指数(Carbon pool index)；A为碳库活度(Carbon pool activity)；A0为坡耕地碳库活度(Carbon pool activity of sloping farmlands)；AI碳库活度指数(Carbon pool activity index)；CPMI为碳库管理指数(Carbon pool management index)。

1.5 数据处理与统计分析

采用SPSS25.0对封禁地、放牧地和坡耕地土壤有机碳、活性有机碳和碳库管理指数及相关指标进行正态性检验、方差齐性检验和单因素方差分析(One-way ANOVA)，方差齐性时采用LSD进行多重比较(α=0.05)，方差不齐时用Tamhane’s T2法进行多重比较。用Origin2021制图，图表中的数据为平均值±标准误。将各地区CPI和AI作为响应变量，地上生物量、地下生物量、枯落物生物量、羊粪球密度及土壤理化属性等作为环境因子，用CANOCO 5.0软件进行冗余分析。

2 结果与分析

2.1 放牧对不同区域土壤有机碳含量的影响

如图2所示，神木和安塞封禁地SOC含量较各区坡耕地降低14.3%和27.3%，定边则升高22.0%，但这三个地区封禁地和坡耕地SOC含量均无显著差异(图2a，2b，2c)；固原封禁地SOC含量则是坡耕地的3.35倍(P<0.05)(图2 d)。

放牧条件下，神木G1和G3放牧强度样地SOC含量与该区封禁地和坡耕地均无显著差异，G2强度样地则较封禁地显著升高38.4%(P<0.05)，与坡耕地相比无显著差异(图2a)；定边不同放牧强度样地SOC含量较该区坡耕地和封禁地降低，安塞则相反，但这两个地区封禁地、不同放牧强度样地和坡耕地间SOC含量均无显著差异(图2b，2c)。固原不同放牧强度样地SOC含量较该区封禁地显著下降，平均降幅为54.7%(P<0.05)，高于坡耕地，但无显著差异(图2 d)。神木、定边和固原不同放牧强度间(G1，G2和G3)SOC含量呈先升高后降低趋势，安塞不同放牧强度间SOC含量基本相同，神木G3强度样地SOC含量较G2显著降低37.8%(P<0.05)，其余地区不同放牧强度间均无显著差异。综上，放牧对定边和安塞SOC含量无显著影响，轻中度放牧强度促进神木SOC含量升高，而放牧使固原SOC含量显著降低。

图2 4个区域不同放牧强度下0～20 cm土壤有机碳含量Fig.2 Soil organic carbon content in 0～20 cm soil layer under different grazing intensities in four regions注：同一地区不同字母表示封禁地、坡耕地和不同放牧强度样地间差异显著(P<0.05)，下同Note:Different letters mean there are significant difference among enclosed plots,sloping farmlands and different grazing intensity plots in the same region at the 0.05 level,the same as below

2.2 放牧对不同区域土壤活性有机碳含量的影响

如图3所示。神木和定边封禁地LOC含量较各区坡耕地升高14.6%和19.0%，安塞则降低43.1%，但这三个地区封禁地和坡耕地LOC含量均无显著差异(图3a，3b和3c)。固原封禁地LOC含量较坡耕地显著升高5.03倍(P<0.05)(图3d)。

放牧条件下，神木各放牧样地LOC含量较该区封禁地和坡耕地降低，G1和G2强度样地和封禁地和坡耕地无显著差异，G3强度样地则较封禁地和坡耕地显著降低45.5%和37.5%(P<0.05)(图3a)；定边不同放牧强度样地LOC含量较该区封禁地平均降低25.8%，G1和G3强度样地LOC含量较坡耕地平均降低23.8%，G2强度样地则较坡耕地升高12.7%；安塞各放牧地LOC含量较该区封禁地平均升高56.8%，较坡耕地平均降低10.6%，但这两个地区封禁地、不同强度放牧地和坡耕地间LOC含量均未产生显著差异(图3b，3c)；固原不同放牧强度样地LOC含量较封禁地显著降低(P<0.05)，平均降幅为63.3%，但与坡耕地无显著差异(图3 d)。综上，轻中度放牧对神木、定边和安塞地区LOC含量无显著影响，而放牧使固原LOC含量显著降低。

图3 4个区域不同放牧强度下0～20 cm土壤活性有机碳含量Fig.3 Soil labile organic carbon content in 0～20 cm soil layer under different grazing intensities in four regions

2.3 放牧对不同区域土壤碳库管理指数的影响

由表2可知，神木和固原封禁地AI(碳库活度指数)较各区坡耕地显著升高(P<0.05)，神木升高43.0%，固原升高100.0%；安塞封禁地AI较该区坡耕地显著降低25.0%(P<0.05)，定边则与该区坡耕地基本相同。神木和安塞封禁地CPI(碳库指数)较各区坡耕地降低，定边则相反，但均无显著差异，固原CPI则较该区坡耕地显著升高2.35倍(P<0.05)。4个研究区中，神木、定边和固原封禁地CPMI(碳库管理指数)高于坡耕地，安塞则低于坡耕地，除固原地区产生显著差异外，其余3个地区和各区坡耕地均无显著差异。

放牧条件下，神木不同放牧强度样地AI较该区封禁地显著降低37.1%～51.7%(P<0.05)，G1放牧强度样地与坡耕地无显著差异，G2和G3放牧强度样地较坡耕地显著降低(P<0.05)；定边和安塞不同放牧强度样地AI与各区封禁地无显著差异，G1和G2放牧强度样地AI与各区坡耕地无显著差异；固原G1和G3放牧强度样地AI较该区封禁地显著降低23.0%～37.0%(P<0.05)，G2强度样地与封禁地无显著差异，且G1和G2强度样地AI显著高于坡耕地(P<0.05)。神木G1和G3放牧强度样地CPI与该区封禁地和坡耕地无显著差异，G2强度样地则较封禁地显著升高38.4%(P<0.05)；定边各放牧强度样地CPI低于该区封禁地和坡耕地，安塞则相反，但与各区封禁地和坡耕地均无显著差异；固原不同放牧强度样地CPI较封禁地显著降低(P<0.05)，但与坡耕地无显著差异；4个研究区中，神木G1放牧强度样地CPMI与封禁地和坡耕地无显著差异，G2和G3强度样地CPMI较封禁地显著降低32.1%～50.3%，G3强度样地较坡耕地显著降低39.8%(P<0.05)；定边各放牧强度下CPMI与封禁地和坡耕地均无显著差异，但G3强度样地较封禁地和坡耕地降幅较大；安塞各放牧强度样地CPMI与该区封禁地和坡耕地无显著差异；固原不同放牧强度样地CPMI较封禁地显著降低58.1%～76.5% (P<0.05)，高于坡耕地，但无显著差异。

综上，黄土丘陵区草地退耕封禁后，3个区域(神木、定边和固原)CPMI均有所提高，促进了土壤碳库质量提升。放牧条件下，2个区域(定边和安塞)CPMI在G1和G2放牧强度下与封禁地无显著差异；神木CPMI在G1放牧强度下与封禁地无显著差异，G2和G3强度下显著低于封禁地，且G3强度下显著低于坡耕地。表明轻中度放牧可维持定边和安塞土壤有机碳库质量，轻度放牧可维持神木土壤有机碳库质量，而放牧会导致固原有机碳库质量下降。

表2 4个区域不同放牧强度下土壤碳库管理指数变化特征Table 2 The characteristics of soil carbon pool management index under different grazing intensities in four regions

2.4 黄土丘陵区土壤碳库管理指数影响因素

四个区域CPI和AI与植被、羊粪球密度及土壤理化属性的冗余分析结果见图4和表3。所有冗余分析结果中的第一典范轴和所有典范轴的P值均小于0.05，分析结果可靠(表3)。神木第一轴和第二轴分别解释了AI和CPI的65.9%和24.2%，向前选择的结果中Clay、Silt和C/N对CPI和AI的贡献率为50.9%(P<0.01)，15.4%(P<0.05)和12.8%(P<0.05)，是CPI和AI的主要影响因子，这三个因子与CPI呈正相关关系，与AI呈负相关关系(图4a)(夹角<90°呈正相关关系，反之呈负相关关系)；定边第一轴和第二轴分别解释了AI和CPI的70.0%和5.4%，向前选择的结果中Clay和Silt对CPI和AI的贡献率为49.8%(P<0.05)和27.7%(P<0.01)，是CPI和AI的主要影响因子，这两个因子与二者均呈正相关关系(图4b)；安塞第一轴和第二轴分别解释了AI和CPI的74.9%和11.2%，向前选择的结果中LB和C/N对CPI和AI的贡献率为43.6%(P<0.05)和36.1%(P<0.01)，是CPI和AI的主要影响因子。LB与CPI和AI呈负相关关系，C/N与二者呈正相关关系(图4c)；固原第一轴和第二轴分别解释了AI和CPI的91.8%和1.7%，向前选择的结果中C/N、BD和Clay对CPI和AI的贡献率为64.6%(P<0.01)，20.3%(P<0.01)和7.1%(P<0.05)，是CPI和AI的主要影响因子，C/N和Clay与二者呈正相关关系，BD与二者呈负相关关系(图4d)。

图4 土壤碳库指数和碳库活度指数与植被和土壤理化属性的冗余分析Fig.4 Redundancy analysis of soil carbon pool index and carbon pool activity index with vegetation characteristics and soil physical and chemical properties

表3 植被和土壤理化属性对土壤碳库指数和碳库活度指数的贡献率Table 3 The contribution ratio of vegetation characteristics and soil physical and chemical properties to soil carbon pool index and carbon pool activity index

续表3

3 讨论

退耕还林(草)工程的实施深刻影响了黄土高原SOC库存及质量。放牧在该区域普遍存在，可能是该工程固碳效应评估的关键影响因素。本研究选取黄土丘陵区4个典型退耕还草区，探究放牧对退耕草地CPMI的影响。4个区域中，除安塞外，退耕封禁草地CPMI均高于坡耕地(表2)，表明退耕还草后SOC质量得以提升，与韩新辉等[26]的研究结果一致。退耕还草后，一方面植被恢复促进枯枝落叶积累，丰富了SOC和LOC的来源[27]，另一方面人为干扰减少使土壤结构趋于稳定，土壤侵蚀逐渐降低[28]，有利于SOC固存和质量提升。而安塞地区封禁地CPMI低于坡耕地，可能与退耕年限有关，许明祥等[10]的研究表明，退耕年限达35年时，退耕草地表现出显著的碳增汇效应，四个研究区中仅固原封禁年限超过35年，因此其CPMI显著高于坡耕地。

放牧条件下，神木除G2放牧强度外，CPI与该区封禁地无显著差异，而各放牧地AI则显著低于封禁地，且在G2和G3强度下显著低于坡耕地，表明随放牧强度增加，SOC活性下降导致碳库质量降低。根据冗余分析的结果，可能与牲畜踩踏导致粘粒破坏后，LOC首先矿化分解有关，神木土壤质地主要为沙土，且该区水蚀风蚀严重，过度放牧可能会使土壤环境恶化，加速侵蚀，降低SOC活性。杨新国等[29]在宁夏荒漠草原沙化灰钙土的研究中表明，放牧条件下0～20 cm土层AI较封禁地降低20%，而SOC含量基本保持不变，与本研究结果相似。定边各放牧强度下CPI与该区封禁地和坡耕地均无显著差异，而G3强度下AI较坡耕地显著降低，研究结果及冗余分析结果与神木地区较为一致，说明在黄土高原北部地区，重度放牧可能破坏土壤粘粒，加速LOC分解，进而导致土壤碳库质量下降。

安塞在G1和G2放牧强度下AI，CPI和CPMI与该区封禁地和坡耕地无显著差异，与Zhang等[30]在内蒙古草原的研究结果较为一致，杨合龙等[31]在新疆昭苏草甸草原的研究也表明放牧对0～20 cm土层碳库活性无显著影响。冗余分析结果表明枯落物生物量与AI和CPI呈负相关关系，碳氮比则与二者呈正相关关系，说明放牧干扰下，一方面踩踏使枯落物破碎并与土壤充分接触促进其分解，可能为SOC和LOC提供来源[32]；另一方面放牧通过改变植被种类、枯落物质量及牲畜排泄物输入等改变土壤碳氮比，研究表明土壤碳氮比与SOC分解速率呈负相关关系[33]，该区G2放牧强度样地碳氮比(9.32)较封禁地升高(8.64)，因而SOC和LOC的分解速率低于封禁地。这两方面的综合作用可能对土壤碳库质量维持产生积极作用。然而由于现实因素，安塞地区重度放牧现象较少，重度放牧条件下该区土壤碳库质量变化仍有待进一步研究。固原不同放牧强度下CPI和CPMI较该区封禁地显著降低，各放牧地A和AI低于封禁地。随放牧强度的增加各指标呈先升高后降低趋势，而刘珊珊等[15]的研究表明随放牧强度的增加草地表层CPMI呈先降低后升高趋势，与本研究结果的差异性可能与不同研究区环境条件有关，导致SOC分解和累积速率不同。冗余分析结果表明该区碳氮比和粘粒与AI和CPI正相关，容重与二者负相关，该区各放牧地碳氮比(7.96～8.63)较封禁地(9.26)降低，SOC分解速率较封禁地加快；随放牧强度增加，土壤容重逐渐增大，降低土壤水分[34]，间接影响到土壤微生物对SOC的分解；另一方面牲畜啃食导致枯落物生物量的下降直接减少了SOC的来源，这些因素的综合作用可能是导致放牧地碳库质量显著降低的原因。但该区各放牧地CPMI均高于坡耕地，G1和G2强度下AI显著高于坡耕地，且G2强度下AI与封禁地无显著差异，说明适度放牧一定程度上可维持该区碳库质量。

根据本研究的结果，在黄土丘陵区实施轻度放牧可能能够维持草地SOC质量。目前黄土高原已经封禁20多年，有研究表明长期封禁会降低植被多样性和生产力[22]，增加火灾风险[35]，而适度的放牧提高了该区退耕草地物种丰富度[36]，降低土壤侵蚀等[37]，可见适度放牧可能是促进该区草地利用和可持续发展的关键途径。然而由于本研究是野外调查试验，无法量化载畜率，且黄土丘陵区不同区域土壤质地、气候条件、封禁时间等存在差异，各区域最适放牧强度仍有待于结合定点围栏放牧试验展开进一步研究。

4 结论

在黄土丘陵区4个研究区中，2个地区(定边和安塞)在轻度和中度放牧强度下可维持退耕草地土壤有机碳库质量；土壤质地主要为沙土的神木地区在轻度放牧强度下可维持土壤碳库质量；固原地区放牧导致土壤碳库质量低于封禁地，但高于坡耕地。神木和定边碳库管理指数变化主要与土壤质地有关，安塞和固原碳库管理指数主要受枯落物生物量、土壤碳氮比和容重等因素的综合影响。