禁牧年限對退化伊犁絹蒿荒漠土壤有機碳庫和微生物碳、氮的影響

董乙強，安沙舟，孫宗玖，楊 靜

(新疆農業大學草業與環境科學學院/新疆草地資源與生態自治區重點實驗室，烏魯木齊830052)

禁牧年限對退化伊犁絹蒿荒漠土壤有機碳庫和微生物碳、氮的影響

董乙強，安沙舟，孫宗玖，楊 靜

(新疆農業大學草業與環境科學學院/新疆草地資源與生態自治區重點實驗室，烏魯木齊830052)

【目的】明確伊犁絹蒿(Seriphidium transiliense)荒漠土壤有機碳庫和微生物量碳氮對禁牧年限的響應規律，為退化荒漠的恢復、管理和利用提供科學依據。【方法】采用空間序列代替時間序列的方法，以中度退化伊犁絹蒿荒漠為對象，研究不同禁牧年限(禁牧1、4和11 a)下荒漠有機碳庫(SOC)、微生物量碳(MBC)和微生物量氮庫(MBN)的變化特征。【結果】(1)與自由放牧區相比，禁牧區0～30 cm土壤有機碳儲量顯著下降了13.3%～24.3%，0～10 cm有機碳儲量隨著禁牧年限的增加呈先下降后上升的變化趨勢。(2)隨著禁牧年限的增加，0～30 cm土壤微生物量碳儲量呈先降后升的變化趨勢，而土壤微生物量氮對禁牧的響應不明顯(P＞0.05)，微生物量碳可以作為衡量退化荒漠恢復的早期指標。【結論】短期禁牧不利于退化伊犁絹蒿荒漠土壤的恢復，而長期禁牧能有效提高土壤質量。禁牧是恢復退化荒漠最經濟、最方便的途徑。

圍欄封育;土壤碳庫;微生物量碳;微生物量氮

0 引言

【研究意義】土壤微生物是土壤有機質分解和營養元素礦化的動力［1］。土壤微生物量碳(Microbial biomass carbon，MBC)是土壤營養庫的重要組成部分，雖只占土壤有機碳極少的一部分，但卻影響著植物養分的循環與轉化［2］，其與土壤有機碳(Soil organic carbon，SOC)的比值(MBC/SOC)是衡量SOC積累或缺失的重要指標［3］，可以反映出退化草地恢復過程中土壤質量的變化，對指導退化草地生態系統的恢復和重建有著十分重要的意義［1］。MBC和微生物量氮(Microbial biomass nitrogen，MBN)由于能夠對外界環境變化反應敏感而被用作評價土壤肥力和土壤質量早期變化的預警和敏感指標［4］。放牧是新疆伊犁絹蒿(Seriphidium transiliense)荒漠利用的主要方式，但由于近年來對草地利用管理不善、以及荒漠區氣候環境惡劣等人為和自然因素的共同影響［5］，導致伊犁絹蒿荒漠呈現不同程度的退化，阻礙了荒漠草地生態系統的信息和能量交流，嚴重制約了當地畜牧業的健康發展［6］。【前人研究進展】禁牧是恢復退化草地的一種簡單有效的途徑，禁牧可使草地生物量、多樣性增加［7］，生態系統碳庫儲量上升［8］，利于草地生態系統碳匯功能的發揮。成湘等［9］通過對不同禁牧年限的蒿類荒漠研究表明，隨著禁牧年限的增加群落高度顯著增加，而生物量對禁牧的響應不明顯;張勇娟等［10］研究表明禁牧后伊犁絹蒿的株高、生物量顯著增加。【本研究切入點】前人的研究主要在圍欄內外土壤養分、土壤呼吸等［11－12］方面展開且研究結果不盡相同，而對不同禁牧年限的土壤微生物特性、有機碳儲量的研究相對缺乏。研究以新疆天山北坡中度退化伊犁絹蒿荒漠為對象，設置3個禁牧處理(禁牧1、4和11 a)和一個對照(自由放牧區)，并測定不同禁牧年限下荒漠土壤有機碳、微生物量碳氮的含量及碳庫。【擬解決的關鍵問題】對不同禁牧年限下荒漠土壤有機碳庫和微生物量碳氮的比較分析，研究其對禁牧年限的響應規律，為退化伊犁絹蒿荒漠的恢復和管理提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

該試驗區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)，屬溫帶大陸干旱性氣候。年均降水量248.8 mm，年平均氣溫8.5℃，無霜期206 d。試驗區為典型伊犁絹蒿荒漠草地，土壤類型為灰漠土，伴生種有木地膚(Kochia prostrata)，草原苔草(Carex liparocarpos)以及角果藜(Ceratocarpus arenarius)等。在生產上用作春秋牧場，為中度退化荒漠草地［13］。

1.2 方法

1.2.1 試驗設計

采用完全隨機試驗設計，在試驗區設置3個禁牧(Grazing Exclusion)處理:禁牧1 a(GE1)、禁牧4 a(GE4)、禁牧11 a(GE11)。3個樣地之間的距離相差不過10 m，分別從2013、2010和2003年秋季進行圍欄禁牧，禁牧前的群落特征、植被組成、地形地貌基本一致，且均屬于中度退化草地，禁牧區面積均為50 m×50 m。在禁牧區外圍設置自由放牧區(Freely Grazing，FG)，且以放牧綿羊為主。

1.2.2 測定項目

1.2.2.1 野外土壤取樣

在3個禁牧區(1、4和11 a)和自由放牧區均設置3條樣帶，在每個樣帶上隨機布置3個1 m×1 m小樣方，2014年9月進行群落特征調查。采用挖土塊法，在測完草地群落特征的樣方內隨機設置20 cm×20 cm小樣方，按土層深度0～10、10～20和20～30 cm分層取樣，取樣后將每條樣線上的3個土樣分層均勻混合，形成混合樣，帶回實驗室。將其中一部分放置于4℃冰箱儲存，用于微生物量碳氮的測定，剩下的土樣撿出草根等雜物后自然風干，并過0.25 mm的篩貯存以備土壤有機碳的測定。表1

表1 樣地基本情況Table1 Basic situation description of sample plots

1.2.2.2 測定指標

土壤有機碳采用重鉻酸鉀外加熱法［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］，將4℃保存的新鮮土樣過2 mm篩后置于25℃下的培養箱中培養7～15 d。將培養后的土樣均分成6份，3份進行氯仿熏蒸處理(3份不熏蒸作為對照)后，加40 mL 0.25 mol/L K2SO4溶液，震蕩、過濾，浸提液中的MBN采用氯仿熏蒸提取－茚三酮比色法測定，MBC采用TOC分析儀(Elementar Analysen systeme GmbH，德國)測定。

1.3 數據處理

SOC儲量(kg/m2)、MBC儲量(g/m2)和MBN儲量(g/m2)可以根據一定土壤土層中的其含量和土壤容重計算，計算公式如下［16］:

MBN=MBNi×Bi×Hi/100.

其中，SOCi、MBCi、MBNi分別表示SOC含量(g/kg)、MBC含量(mg/kg)、MBN含量(mg/ kg)，Bi表示容重(g/m3)，Di表示土層厚度(cm)，由于樣地土壤中幾乎無礫石，所以公式中略去礫石含量參數。總體土壤碳、氮儲量，將各層碳、氮儲量累加。

利用SPSS20.0數據統計軟件的One－way ANOVA對不同禁牧年限伊犁絹蒿荒漠草地植被特征和土壤理化指標進行差異分析;運用Excel進行數據預處理，GraphPad Prism進行圖形的繪制。

2 結果與分析

2.1 有機碳儲量

研究表明，0～30 cm總SOC儲量呈逐漸下降趨勢，禁牧區與放牧區相比分別顯著降低了13.3%，20.9%和24.3%(P＜0.05)，其降幅呈逐漸降低的趨勢，但禁牧區之間差異不顯著(P＞0.05)。隨著禁牧年限的增加，0～10 cm土壤SOC儲量呈先降后升的變化趨勢，在禁牧4 a達到最低(2.0 kg/m2)，而10～20和20～30 cm土層SOC儲量逐漸降低，表明上層土壤(0～10 cm)較下層土壤(10～30 cm)對禁牧的響應更敏感。圖1

圖1 不同禁牧年限下土壤有機碳儲量變化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儲量隨著禁牧年限的增加呈先降后升的變化趨勢，且在禁牧1 a達到最低(1.7 g/m2)，禁牧11 a后MBC儲量與放牧區相比顯著增加了89.6%(P＜0.05)。0～10 cm土壤MBC儲量的變化趨勢與0～30 cm總變化趨勢基本一致均呈先降后升的變化。與放牧區相比，10～20和20～30 cm MBC儲量在禁牧1 a，4 a后沒有顯著差異(P＞0.05)，而禁牧11 a后分別顯著增加了115.3%和114.5%。圖2

圖2 不同禁牧年限下微生物量碳儲量變化Fig.2 The effect of grazing exclusion times on microbial biomass carbon storage

圖3 不同禁牧年限下微生物量氮儲量變化Fig.3 The effect of grazing exclusion times on easily oxidizable carbon storage

2.3 MBC/SOC，MBC/MBN

MBC/SOC表示微生物量碳庫儲量占總有機碳的比值，能夠反映出活性有機碳所占的比例，從微生物學的角度揭示土壤養分和肥力的變化差異。0～10和0～30 cm土壤MBC/SOC隨著禁牧年限的增加變化趨勢基本一致，均呈先略微下降后顯著上升的變化，但禁牧11 a后達到最大(分別為4.3%和3.7%)，比自由放牧區分別顯著增加了33.1%和89.6%(P＜0.05)。與自由放牧區相比，10～20和20～30 cm土壤MBC/SOC在禁牧1 a，4 a后沒有顯著變化，而到禁牧11 a后顯著增加了191.4%和199.7%(P＜0.05)。圖4

圖4 不同禁牧年限下微生物量碳儲量分配比例變化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層對禁牧年限的響應規律不一致。禁牧對0～10、10～20和20～30 cm土壤MBC/MBN的影響不顯著(P＞0.05)，但對0～30 cm土壤MBC/MBN有一定的影響。禁牧11 a后土壤MBC/MBN比放牧區顯著增加了74.8%(P＜0.05)。圖5

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

2.4 禁牧年限與植被群落特征、土壤指標之間的相關性

研究表明，禁牧年限與MBC，MBC/SOC，MBC/MBN，蓋度、生物量呈極顯著正相關(P＜0.01)，而與SOC呈顯著負相關(P＜0.05)，說明隨著禁牧年限的增加，微生物量碳儲量越大，其所占總有機碳的比例越高，但不利于土壤有機碳庫的積累。SOC與MBC/SOC、蓋度、生物量呈顯著或極顯著負相關(P＜0.01或P＜0.05)，而生物量與MBC，MBC/SOC呈顯著或極顯著正相關，地上生物量的增加，利于MBC的積累和存儲。表2

表2 禁牧年限、各指標之間的相關系數矩陣Table2 Correlation coefficients between grazing exclusion times and each index

3 討論

3.1 土壤有機碳庫對禁牧年限的響應規律

李建平等［17］研究表明禁牧10 a草地有機碳儲量與放牧區并無差異(P＞0.05)，而禁牧30 a后顯著增加(P＜0.05);何念鵬等［18］研究也表明禁牧30 a后土壤SOC固持量顯著增加(P＜0.05)。研究表明:與放牧區相比，0～30 cm禁牧區SOC儲量顯著下降了13.3%～24.3%，這與李建平等［17］、何念鵬等［18］的研究結果不一致，而與Shi等［19］研究的禁牧導致土壤碳庫儲量降低的結果一致。造成這種結果的原因可能是:(1)與禁牧之前的放牧歷史活動、草地類型等因素相關;(2)退化荒漠禁牧后地上生物量和蓋度的增加，吸收土壤中大量養分，地下活性碳庫可能會轉移至地上植被中，用于提供植被的營養繁殖，導致土壤有機碳庫暫時性降低。

研究表明，0～10 cm SOC儲量隨著禁牧年限的增加呈先下降后上升的變化趨勢，揭示出上層土壤(0～10 cm)較下層土壤(10～20 cm)對禁牧的響應更敏感。在較長期禁牧(11 a)后植被碳庫重新回歸土壤，導致土壤固定的碳增加，土壤碳固持能力增加，因此長期禁牧利于中度退化荒漠生態系統碳匯功能的發揮。

3.2 微生物量碳氮對禁牧年限的響應規律

土壤微生物量碳(MBC)和微生物量氮(MBN)能夠直觀反映土壤微生物活性及土壤肥力狀況的重要指標［20］。楊靜等［21］研究表明隨著禁牧年限的增加，蒿類荒漠土壤MBC和MBN含量均呈先降后增的變化趨勢;Northup等［22］研究認為放牧區較禁牧區微生物碳氮含量顯著增加。研究表明，0～30和0～10 cm土壤MBC隨禁牧年限的增加均呈先將后升的變化趨勢，而MBN對禁牧的響應不明顯，與楊靜等［21］的研究結果部分相似。在禁牧初期，由于排除了家畜的干擾導致荒漠植被生物量上升，致使土壤有機碳降低，進一步影響了微生物活動的環境，造成禁牧初期MBC呈下降趨勢;隨著禁牧年限的增加，凋落物養分回歸土壤，土壤含水量、通透性均有一定的改善，為微生物活動營造出良好的生存環境，致使MBC在禁牧后期呈現出顯著增加的趨勢。MBC與SOC相比對外界環境具有較大的敏感性，可以作為衡量退化荒漠恢復的早期指標。

MBC/SOC可以作為評價土壤肥力的指標，在一定程度上能夠揭示出土壤微生物利用土壤有機碳的效率［23］，其利用率越高，維持相同微生物量所需的能源也就越少，表明土壤質量比較也相對較高。研究表明:隨著禁牧年限的增加，0～30 cm土壤MBC/SOC呈整體上呈增加的趨勢(P＜0.05)，表明禁牧有利于提高土壤微生物利用土壤有機碳的效率，進而提升土壤的質量，且土壤質量隨禁牧年限的增加而不斷提升。同時由于MBC/SOC對外界環境的變化較為敏感，也可作為衡量退化荒漠恢復以及反映土壤質量的敏感指標。

4 結論

4.1 與自由放牧區相比，禁牧區0～30 cm土壤有機碳儲量顯著下降了13.3%～24.3%，0～10 cm有機碳儲量隨著禁牧年限的增加呈先下降后上升的變化趨勢。

4.20 ～30 cm土壤微生物量碳儲量隨著禁牧年限的增加呈先降后升的變化趨勢，禁牧11 a后微生物量碳儲量與放牧區相比顯著增加了89.6%(P＜0.05)，而土壤微生物量氮對禁牧的響應不明顯(P＞0.05)。

4.3 微生物量碳和MBC/SOC與土壤有機碳相比對外界環境變化具有較高的敏感性，可以作為衡量退化荒漠恢復的早期指標。

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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

國家自然科學基金項目“不同退化蒿類荒漠土壤有機碳組及其碳氮特征對禁牧的響應”(31160477);國家自然科學基金項目“基于高光譜遙感的退化伊犁絹蒿荒漠草地圍欄恢復特征的研究”(31360571)

董乙強(1989－)，男，江蘇邳州人，博士研究生，研究方向為草地資源與生態，(E－mail)1226977319@qq.com

安沙舟(1956－)，男，漢，陜西富平人，博士，教授，博士生導師，研究方向為草地資源與生態，(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)