寧夏荒漠草原自然恢復(fù)演替過程中土壤有機(jī)碳及其分布的變化

許冬梅,許新忠,王國會,陶利波

(1.寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，寧夏 銀川 750021；2.寧夏大學(xué)西北土地退化與生態(tài)恢復(fù)國家重點實驗室培育基地，寧夏 銀川 750021；3.寧夏大學(xué)數(shù)學(xué)計算機(jī)學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

寧夏荒漠草原自然恢復(fù)演替過程中土壤有機(jī)碳及其分布的變化

許冬梅1,2*,許新忠3,王國會1,陶利波1

(1.寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，寧夏 銀川 750021；2.寧夏大學(xué)西北土地退化與生態(tài)恢復(fù)國家重點實驗室培育基地，寧夏 銀川 750021；3.寧夏大學(xué)數(shù)學(xué)計算機(jī)學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

以寧夏荒漠草原自然恢復(fù)的圍封草地為對象，通過野外調(diào)查和室內(nèi)分析，研究了未封育、封育3、5、7和10年的草地總有機(jī)碳及其在土壤剖面和不同粒級團(tuán)聚體中的分布。結(jié)果表明,土壤有機(jī)碳含量隨封育年限的增加呈波動性增加，除0～5 cm土層外，各土層有機(jī)碳含量以封育7年、10年的草地較高；就有機(jī)碳在不同粒徑團(tuán)聚體中的分布看，0～10 cm表層土壤以封育3年及未封育草地各粒級團(tuán)聚體有機(jī)碳含量較高，而10～40 cm土層各粒級團(tuán)聚體有機(jī)碳隨封育年限的延長呈增加趨勢，各土層團(tuán)聚體有機(jī)碳含量均以1～0.5 mm與0.5～0.25 mm粒級較高；各粒級團(tuán)聚體對有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率在0～10 cm表層以<0.25 mm微團(tuán)聚體最高，10～20 cm土層以>5 mm粒級和<0.25 mm粒級較高，20～40 cm土層以>5 mm粒級最高。綜上所述，封育有利于荒漠草原土壤有機(jī)碳的固存，退化荒漠草原生態(tài)環(huán)境恢復(fù)在封育7年時出現(xiàn)轉(zhuǎn)折；隨土層的加深，團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率對封育的響應(yīng)減弱，且大團(tuán)聚體對全土有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率逐漸增大。

荒漠草原；恢復(fù)演替；土壤有機(jī)碳；分布

土壤圈是陸地生態(tài)系統(tǒng)中儲量最大的碳庫，土壤碳儲量約是大氣碳儲量的2倍、植被碳儲量的2～3倍[1-2]。土壤有機(jī)碳作為土壤組成的重要部分，不僅是表征土壤質(zhì)量的重要生態(tài)因子，而且是陸地生態(tài)系統(tǒng)重要的碳庫，是大氣CO2巨大的源和匯，影響全球碳素循環(huán)的平衡[3-4]。

草地是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組分，也是當(dāng)前人類活動影響最為嚴(yán)重的區(qū)域之一，由人類強烈擾動引起的草地植被和土壤退化導(dǎo)致溫室氣體的釋放[5]。在退化生態(tài)系統(tǒng)中，通過采用恢復(fù)措施改善土壤質(zhì)量、增加土壤有機(jī)碳含量、提高生物量生產(chǎn)以緩解溫室效應(yīng)是可行的[6-8]。封育可以促進(jìn)草地土壤有機(jī)碳的恢復(fù)和積累[9-11]，退化草地圍封后，土壤有機(jī)碳、全氮儲量增加，土壤輕組有機(jī)碳、微生物量碳含量也有所提高，土壤質(zhì)量得到改善[12-14]。干旱沙區(qū)草地恢復(fù)過程中，有機(jī)碳儲量增加程度隨深度增加有降低趨勢，并且表層土壤有機(jī)碳儲量遠(yuǎn)高于深層土壤，土壤有機(jī)碳儲量表聚性隨固沙植被演變越發(fā)明顯[8]。

團(tuán)聚體作為土壤理化性質(zhì)的中心調(diào)節(jié)器，影響有機(jī)碳的化學(xué)和生物化學(xué)固定，土壤的固碳功能伴隨著土壤團(tuán)聚體的形成、穩(wěn)定及更新過程[15-16]。不同管理措施對土壤固碳的影響主要是通過對土壤微團(tuán)聚體更新與轉(zhuǎn)化的改變，從而使有機(jī)碳的保護(hù)機(jī)制發(fā)生變化所致[17]。Maria等[18]研究表明，<53 μm粒徑中顆粒有機(jī)碳和總有機(jī)碳含量是反映短期草地管理措施變化的敏感指標(biāo)。不同土地利用方式對土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性、有機(jī)碳分布及大團(tuán)聚體有機(jī)碳的穩(wěn)定性影響較為明顯[19]。草地植被恢復(fù)提高了土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量，不同粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳組分對團(tuán)聚體穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)不同，5～2 mm和1～0.25 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳含量的提高有助于土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的形成[20]。

寧夏是我國“兩屏三帶”生態(tài)安全體系建設(shè)的關(guān)鍵區(qū)域，天然草地占國土總面積的47.2%，其中，荒漠草原占全區(qū)草地總面積的55%，是重要的碳儲庫。草地是天然的生態(tài)屏障，也是重要的自然資源，對促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展，維護(hù)區(qū)域乃至國家生態(tài)安全具有重要的戰(zhàn)略地位。然而，由于長期以來人為的不合理利用及傳統(tǒng)落后的生產(chǎn)方式和不相協(xié)調(diào)的發(fā)展模式，使得草原生態(tài)環(huán)境日益惡化。隨著國家退耕還林還草、天然草地保護(hù)等項目工程的啟動，寧夏于2003年全面實施了退耕還草、草地圍封禁牧和休牧，給草場提供了休養(yǎng)生息的機(jī)會，部分草地生態(tài)環(huán)境得到改善[21]。本研究針對不同封育年限荒漠草原，研究土壤總有機(jī)碳在土壤剖面和不同粒徑團(tuán)聚體中的分布，分析土壤有機(jī)碳庫及其穩(wěn)定性隨植被恢復(fù)的動態(tài)變化及土壤結(jié)構(gòu)與有機(jī)碳物理保護(hù)作用的關(guān)系，為正確認(rèn)識和評估封育措施對草地碳循環(huán)的影響提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)設(shè)在寧夏東部風(fēng)沙區(qū)鹽池縣，屬短花針茅(Stipabreviflora)和牛枝子(Lespedezapotaninii)為建群種的荒漠草原，在寧夏荒漠草原區(qū)具有代表性。該區(qū)地處毛烏素沙地南緣，北緯37°52′30″-37°57′30″，東經(jīng)107°26′15″-107°33′45″；海拔1300～1360 m；年均溫7.5 ℃；年均降水量280 mm，降水年際變率大，其中60%以上集中在6-9月；年蒸發(fā)量2710 mm；土壤為灰鈣土，地帶性植被屬荒漠草原帶，物種主要有短花針茅、牛枝子、中亞白草(Pennisetumcentrasiaticum)、甘草(Glycyrrhizauralensis)、豬毛蒿(Artemisiascoparia)等。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集 采用空間梯度代替時間梯度的方法，于2015年7月分別選取類型一致的未封育 (F0)、封育3年 (F3)、5年 (F5)、7年 (F7)、10年 (F10)的荒漠草原為研究樣地，3次重復(fù)。在每個樣地，采用限定隨機(jī)取樣方法，沿對角線布設(shè)5個200 m×200 m的樣區(qū)，在每個樣區(qū)內(nèi)隨機(jī)設(shè)置3個取樣點，在每個取樣點采用多點混合法分0～5 cm、5～10 cm、10～20 cm、20～40 cm土層采集土樣，將同層樣品混合均勻，同時取原狀土樣用于土壤團(tuán)聚體測定。

1.2.2 測定方法 采用沙維諾夫干篩法[22]分離出>5 mm、5～3 mm、3～2 mm、2～1 mm、1～0.5 mm、0.5～0.25 mm、<0.25 mm不同粒級團(tuán)聚體；土壤總有機(jī)碳及團(tuán)聚體有機(jī)碳采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定；各粒級團(tuán)聚體對土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率(%)由以下公式計算：

團(tuán)聚體對土壤有機(jī)碳貢獻(xiàn)率(%)=(該粒級團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量×該級團(tuán)聚體含量/土壤總有機(jī)碳含量)×100

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

采用Excel 2003和SPSS 18.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，采用one-way ANOVA法和LSD法進(jìn)行方差分析和多重比較。

2 結(jié)果與分析

圖1 不同封育年限草地0～40 cm土層有機(jī)碳總量Fig.1 Soil organic carbon (SOC) contents at 0-40 cm depths of enclosed grassland of different years 同一土層不同封育年限不同字母表示差異顯著(P<0.05)。The different letters of the same soil depth mean the significantly different at P<0.05. F0, F3, F5, F7, F10分別代表未封育，封育3，5，7和10年的草地。F0, F3, F5, F7, F10 indicate the no-enclosed，3-year，5-year，7-year，10-year enclosed grassland，respectively. 下同 The same below.

2.1 寧夏荒漠草原恢復(fù)演替過程中土壤有機(jī)碳剖面分布的變化

由圖1可以看出，寧夏荒漠草原0～5 cm表層土壤有機(jī)碳含量隨封育年限的增加呈先下降后上升趨勢，但各封育年限草地之間有機(jī)碳含量差異不顯著(P>0.05)。5～10 cm土層有機(jī)碳含量為封育7年草地>封育3年草地>未封育草地>封育10年草地>封育5年草地，其中，封育7年的草地土壤有機(jī)碳含量為3.17 g/kg，顯著高于封育5年的草地(P<0.05)，而封育7年、3年、10年的草地及未封育草地之間差異不顯著(P>0.05)，封育5年、10年、3年的草地及未封育草地之間差異不顯著(P>0.05)。10～20 cm土層有機(jī)碳含量變化為封育7年草地>未封育草地>封育10年草地>封育5年草地>封育3年草地，變化范圍為3.00～4.52 g/kg，其中，封育3年的草地有機(jī)碳含量顯著低于封育7年的草地(P<0.05)。20～40 cm土層有機(jī)碳含量以封育3年的草地最低，為2.27 g/kg，顯著低于未封育及其他封育年限草地(P<0.05)，而封育5年、7年、10年的草地及未封育草地之間差異不顯著(P>0.05)。從剖面分布看，各封育年限草地隨土層的加深變化規(guī)律不完全相同，但總體以0～5 cm和5～10 cm表層土壤有機(jī)碳含量較低，而10～20 cm和20～40 cm土層有機(jī)碳含量較高。

2.2 寧夏荒漠草原恢復(fù)演替過程中土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳分布

不同粒級團(tuán)聚體有機(jī)碳含量是土壤有機(jī)碳平衡的微觀表征。由圖2可以看出，0～5 cm土層各粒級團(tuán)聚體有機(jī)碳含量對封育的響應(yīng)不同。>5 mm、5～3 mm及<0.25 mm粒級團(tuán)聚體有機(jī)碳含量均以封育3年的草地最高，封育5年的草地最低，其中，封育3年的草地>5 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳含量顯著高于未封育及封育5年、10年的草地，5～3 mm與<0.25 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳含量顯著高于未封育及其他封育年限的草地(P<0.05)，而各封育年限及未封育草地之間3～2 mm與2～1 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳含量差異不顯著(P>0.05)。1～0.5 mm及0.5～0.25 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳含量隨封育年限的增加呈先下降后上升趨勢，均以未封育草地最高，其中1～0.5 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳含量封育7年降至最低，且顯著低于未封育及封育3年、10年的草地；0.5～0.25 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳含量封育5年降至最低，顯著低于未封育草地(P<0.05)，但與封育3年、7年、10年的草地之間差異不顯著(P>0.05)。

圖2 不同封育年限草地0～40 cm土層土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳分布Fig.2 Distribution of soil organic carbon in soil aggregates at 0-40 cm depths of enclosed grassland of different years 不同字母表示同一粒級不同封育年限差異顯著(P<0.05)。The different letters of the same aggregate size fraction mean the significantly different at P<0.05.

5～10 cm土層，各封育年限及未封育草地之間>5 mm及<0.25 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳含量差異不顯著(P>0.05)；5～3 mm、3～2 mm及1～0.5 mm粒級團(tuán)聚體有機(jī)碳含量以封育3年的草地最高，封育5年、7年的草地較低(P<0.05)；2～1 mm粒級團(tuán)聚體有機(jī)碳含量以未封育草地最高，顯著高于封育5年、10年的草地；0.5～0.25 mm粒級團(tuán)聚體有機(jī)碳含量至封育3年降至最低，為3.05 g/kg，顯著低于未封育及封育10年的草地(P<0.05)。

10～20 cm土層，不同粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳含量總體為封育10年、7年及未封育草地較高，封育3年、5年的草地較低。其中，各封育年限及未封育草地之間5～3 mm、3～2 mm及<0.25 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳含量差異不顯著(P>0.05)；未封育和封育7年的草地>5 mm及2～1 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳含量顯著高于封育3年的草地(P<0.05)；1～0.5 mm及0.5～0.25 mm粒級團(tuán)聚體有機(jī)碳含量以封育10年的草地最高，均顯著高于封育3年的草地(P<0.05)。

20～40 cm土層，各粒級團(tuán)聚體有機(jī)碳含量總體表現(xiàn)為封育5年、10年的草地較高，封育3年、7年及未封育草地較低。封育5年、10年的草地>5 mm、5～3 mm、 3～2 mm、2～1 mm粒級團(tuán)聚體有機(jī)碳含量顯著高于封育3年的草地，1～0.5 mm粒級團(tuán)聚體有機(jī)碳含量顯著高于未封育及封育7年的草地，0.5～0.25 mm粒級團(tuán)聚體有機(jī)碳含量顯著高于未封育及封育3年、7年的草地(P<0.05)；<0.25 mm粒級團(tuán)聚體有機(jī)碳含量以封育5年的草地最高，顯著高于封育7年的草地(P<0.05)。

綜上所述，不同土層團(tuán)聚體有機(jī)碳含量對封育的響應(yīng)不同。0～5 cm與5～10 cm土層以未封育及封育3年的草地各粒級團(tuán)聚體有機(jī)碳含量較高；10～20 cm土層各粒級團(tuán)聚體有機(jī)碳含量則以封育7年、10年的草地較高。20～40 cm土層，各粒級團(tuán)聚體有機(jī)碳含量以封育5年、10年的草地較高，表明隨封育時間的延長，土壤有機(jī)碳趨于向深層積累。就各粒級團(tuán)聚體有機(jī)碳含量差異看，1～0.5 mm與0.5～0.25 mm粒級團(tuán)聚體有機(jī)碳含量較其他粒級團(tuán)聚體有機(jī)碳含量高，尤其是0～5 cm和5～10 cm表層土壤。

2.3 不同粒級團(tuán)聚體有機(jī)碳對土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率

由圖3可以看出，各封育年限草地0～5 cm和5～10 cm土層均以<0.25 mm粒級團(tuán)聚體對全土有機(jī)碳貢獻(xiàn)率最高，且隨著封育年限的增加呈先上升后下降的趨勢，其中封育10年的草地<0.25 mm粒級團(tuán)聚體對全土有機(jī)碳貢獻(xiàn)率顯著低于其他封育年限及未封育草地(P<0.05)，>0.25 mm大團(tuán)聚體對全土有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率分別為51.87%和64.05%，其他封育年限草地及未封育草地>0.25 mm大團(tuán)聚體對全土有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率分別為13.73%～26.50%、22.14%～36.75%，這主要是由于<0.25 mm微團(tuán)聚體占全土的百分含量均最高，使得其對全土有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率最大，各封育年限草地1～0.5 mm與0.5～0.25 mm粒級團(tuán)聚體有機(jī)碳含量雖然較高，但1～0.5 mm與0.5～0.25 mm粒級團(tuán)聚體占全土百分含量較低，因而其對全土有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率較低。10～20 cm土層，各封育年限草地以>5 mm和<0.25 mm粒級團(tuán)聚體對全土有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率較大，其中，<0.25 mm微團(tuán)聚體對全土有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率隨封育年限的延長呈先上升后下降趨勢，以封育3年的草地最高，顯著高于封育10年的草地(P<0.05)；其他粒級團(tuán)聚體對全土有機(jī)碳貢獻(xiàn)率較小且各封育年限草地之間差異不顯著(P>0.05)。20～40 cm土層，不同粒級團(tuán)聚體對有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率隨封育年限的延長變幅不大，各封育年限草地均以>5 mm粒級團(tuán)聚體對全土有機(jī)碳貢獻(xiàn)率較大，而<0.25 mm微團(tuán)聚體對全土有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率除封育3年的草地為37.50%外，其他封育年限及未封育草地均低于30%，較0～20 cm各土層顯著降低。從剖面分布看，隨著土層的加深，大團(tuán)聚體對全土有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率逐漸增大，不同粒級團(tuán)聚體對有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率對封育的響應(yīng)減弱。

圖3 不同封育年限草地0～40 cm土層不同粒級團(tuán)聚體對有機(jī)碳貢獻(xiàn)率Fig.3 Contribution rates of different aggregate fractions to soil organic carbon content at 0-40 cm depths of enclosed grassland of different years

3 討論

土壤有機(jī)碳是表征土壤質(zhì)量狀況的主要生態(tài)因子，土壤有機(jī)碳庫的變化影響土壤碳向大氣的排放量，進(jìn)而與全球氣候變化密切相關(guān)[22-23]。由人類強烈擾動引起的草地植被和土壤退化導(dǎo)致溫室氣體的釋放[5]。封育有利于寧夏荒漠草原土壤有機(jī)碳的固存，其含量隨封育年限的增加呈波動性增加，除0～5 cm土層外，各土層有機(jī)碳含量以封育7年的草地較高，且與封育10年的草地之間差異均不顯著(P>0.05)，表明在封育措施下，退化荒漠草原生態(tài)環(huán)境恢復(fù)在封育7年時出現(xiàn)轉(zhuǎn)折。以往的研究也表明，封育禁牧有利于不同類型退化草地土壤有機(jī)碳的積累，但并不是封育時間越長有機(jī)碳含量越高[24-26]。不同封育年限草地土壤有機(jī)碳含量剖面分布總體以0～5 cm和5～10 cm表層土壤較低，而10～20 cm和20～40 cm土層較高，這可能是由于荒漠草原植被蓋度較低，凋落物對表土有機(jī)碳固存的貢獻(xiàn)較小，加之風(fēng)蝕作用導(dǎo)致表層土壤有機(jī)碳含量受損。

土壤團(tuán)聚體是有機(jī)碳穩(wěn)定和保護(hù)的載體，土壤的固碳功能伴隨著團(tuán)聚體組成的變化[16]。不同粒徑團(tuán)聚體穩(wěn)定和保護(hù)有機(jī)碳的能力不同，土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳的變化影響土壤總有機(jī)碳的消長及土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定[27-28]。封育對荒漠草原不同土層團(tuán)聚體有機(jī)碳含量的影響不同，0～10 cm表層土壤以封育3年及未封育草地各粒級團(tuán)聚體有機(jī)碳含量較高，而10～40 cm土層各粒級團(tuán)聚體有機(jī)碳隨封育年限的延長總體呈增加趨勢。就有機(jī)碳在不同粒徑團(tuán)聚體中的分布看，各土層1～0.5 mm與0.5～0.25 mm粒級團(tuán)聚體有機(jī)碳含量較高。黃土丘陵區(qū)植被恢復(fù)過程中同一土層土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量以0.5～0.25 mm與1～0.5 mm兩個粒級最高[29]，也有研究表明土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量以2～0.25 mm粒級較高[30-31]。

不同粒級團(tuán)聚體對土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率是土壤不同粒級團(tuán)聚體含量和各粒級團(tuán)聚體有機(jī)碳含量的綜合表現(xiàn)，可較為全面、客觀地反映土地管理措施對有機(jī)碳庫的影響[32]。寧夏荒漠草原各封育年限草地0～10 cm表層土壤以<0.25 mm微團(tuán)聚體占全土的百分含量均最高，導(dǎo)致該粒級團(tuán)聚體對全土有機(jī)碳貢獻(xiàn)率最高。10～20 cm土層，各封育年限草地以>5 mm粒級和<0.25 mm粒級團(tuán)聚體對全土有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率較大。20～40 cm土層，各封育年限草地均以>5 mm粒級團(tuán)聚體對全土有機(jī)碳貢獻(xiàn)率較大，且不同粒級團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率對封育的響應(yīng)較小。總體看，隨土層的加深，封育對團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率的影響減弱，大團(tuán)聚體對全土有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率逐漸增大。

References：

[1] Dixon R K, Brown S, Houghton R A,etal. Carbon pools and flux of global forest ecosystem. Science, 1994, 263: 185-190.

[2] Schlesinger W H. Evidence from chronosequence studies for a low carbon-storage potential of soil. Nature, 1990, 348: 232-234.

[3] Yang J C, Han X G, Huang J H,etal. The dynamics of soil organic matter in cropland responding to agricultural practices. Acta Ecologic Sinica, 2003, 23(4): 787-796. 楊景成, 韓興國, 黃建輝, 等. 土壤有機(jī)質(zhì)對農(nóng)田管理措施的動態(tài)響應(yīng). 生態(tài)學(xué)報, 2003, 23(4): 787-796.

[4] Wu J G, Zhang X Q, Xu D Y. Impact of land-use change on soil carbon storage. Chinese Journal of Applied Ecology, 2004, 15(4): 593-599. 吳建國, 張小全, 徐德應(yīng). 土地利用變化對土壤有機(jī)碳貯量的影響. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 2004, 15(4): 593-599.

[5] Schlesinger W H, Reynolds J F, Cuningham G L,etal. Biological feedbacks in global desertification. Science, 1990, 247: 1043-1048.

[6] Arnalds A. Carbon sequestration and the restoration of land health. Climate Change, 2004, 65(3): 333-346.

[7] Pete S. Land use change and soil organic carbon dynamics. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2008, 81(2): 169-178.

[8] Jia X H, Li X R, Zhou Y Y,etal. Storages and distributed patterns of soil organic carbon and total nitrogen during the succession of artificial sand-binding vegetation in arid desert ecosystem. Environmental Science, 2012, 33(3): 938-945. 賈曉紅, 李新榮, 周玉燕, 等. 干旱沙區(qū)人工固沙植被演變過程中土壤有機(jī)碳氮儲量及其分布特征. 環(huán)境科學(xué), 2012, 33(3): 938-945.

[9] Guo R, Wang X K, Lu F,etal. Soil carbon sequestration and its potential by grassland ecosystems in China. Acta Ecologic Sinica, 2008, 28(2): 862-867. 郭然, 王效科, 逯非, 等. 中國草地土壤生態(tài)系統(tǒng)固碳現(xiàn)狀和潛力. 生態(tài)學(xué)報, 2008, 28(2): 862-867.

[10] Chen F R, Cheng J M, Liu W,etal. Effects of disturbances on organic soil carbon in the typical grassland of Loess Plateau. Acta Agrestia Sinica, 2012, 20(2): 298-304. 陳芙蓉, 程積民, 劉偉, 等. 不同干擾對黃土高原典型草原有機(jī)碳的影響. 草地學(xué)報, 2012, 20(2): 298-304.

[11] Mekuria W, Veldkamp E, Haile M,etal. Effectiveness of exclosures to restore degraded soils as a result of overgrazing in Tigray, Ethiopia. Journal of Arid Environments, 2007, 69(2): 270-284.

[12] Shang W, Li Y Q, Han J J,etal. Effects of enclosure on topsoil organic carbon, total nitrogen and labile organic carbon of mobile dune in Horqin Sandy Land. Journal of Soil and Water Conservation, 2012, 26(6): 147-152. 尚雯, 李玉強, 韓娟娟, 等. 圍封對流動沙丘表層土壤有機(jī)碳、全氮和活性有機(jī)碳的影響.水土保持學(xué)報, 2012, 26(6): 147-152.

[13] Li L J, Zhu X P, Jia H T,etal. Effect of long-term fencing and grazing exclusion on the grassland soil organic and microbial carbons of middle Tianshan Mountain. Journal of Agro-environment Science, 2012, 31(8): 1554-1559. 李麗君, 朱新萍, 賈宏濤, 等. 長期圍欄封育對天山中部草地土壤有機(jī)碳及微生物量碳的影響. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 2012, 31(8): 1554-1559.

[14] Su J H, Zhu X P, Wang X J,etal. Effects of long-term enclosure on spatial variation of soil organic carbon content in the Bayanbulak Subalpine Steppe. Arid Zone Research, 2012, 29(6): 997-1002. 蘇建紅, 朱新萍, 王新軍, 等. 長期圍欄封育對亞高山草原土壤有機(jī)碳空間變異的影響. 干旱區(qū)研究, 2012, 29(6): 997-1002.

[15] Lützow M, Kogel-Knabner I, Ekschmitt K. Stabilization of organic matter in temperate soils: mechanisms and their relevance under different soil conditions-a review. European Journal of Soil Science, 2006, 57(4): 426-445.

[16] Six J, Elliott E T, Paustian K. Soil macroaggregate turnover and microaggregate formation: A mechanism for C sequestration under no-tillage agriculture. Soil Biology & Biochemistry, 2000, 32(14): 2099-2103.

[17] Pan G X, Zhao Q G. Study on evolution of organic carbon stock in agricultural soils of China: facing the challenge of global change and food security. Advances in Earth Science, 2005, 20(4): 384-393. 潘根興, 趙其國. 我國農(nóng)田土壤碳庫演變研究: 全球變化和國家糧食安全. 地球科學(xué)進(jìn)展, 2005, 20(4): 384-393.

[18] Maria L S, Kesi L, Lynn E S,etal. Short-term effects of grazing intensity and nitrogen fertilization on soil organic carbon pools under perennial grass pastures in the southeastern USA. Soil Biology & Biochemistry, 2013, 58(2): 42-49.

[19] Luo Y J, Wei C F, Li Y,etal. Effects of land use on distribution and protection of organic carbon in soil aggregates in karst rocky desertification area. Acta Ecologic Sinica, 2011, 31(1): 257-266. 羅友進(jìn), 魏朝富, 李渝, 等. 土地利用對石漠化地區(qū)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳分布及保護(hù)的影響. 生態(tài)學(xué)報, 2011, 31(1): 257-266.

[20] Cheng M, Zhu Q L, Liu L,etal. Effects of vegetation on soil aggregate stability and organic carbon sequestration in the Ningxia Loess Hilly Region of northwest China. Acta Ecologic Sinica, 2013, 33(9): 2835-2844. 程曼, 朱秋蓮, 劉雷, 等. 寧南山區(qū)植被恢復(fù)對土壤團(tuán)聚體水穩(wěn)定及有機(jī)碳粒徑分布的影響. 生態(tài)學(xué)報, 2013, 33(9): 2835-2844.

[21] Xu X Z, Xu D M. Evaluation on ecological effects during natural restoration for desert steppe in Ningxia. Journal of Anhui Agricultural Science, 2012, 40(23): 11781-11783. 許新忠, 許冬梅. 寧夏荒漠草原自然恢復(fù)演替過程中生態(tài)效應(yīng)的評價. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué), 2012, 40(23): 11781-11783.

[22] Lal R. Soil carbon sequestration impacts on global climate change and food security. Science, 2004, 304: 1623-1627.

[23] Trumbore S. Carbon respired by terrestrial ecosystem-recent progress and challenges. Global Change Biology, 2006, 12(2): 141-153.

[24] Fan Y J, Hou X Y, Shi H X,etal. The response of carbon reserves of plants and soils to different grassland managements on alpine meadow of three headwater source regions. Grassland and Turf, 2012, 32(5): 41-47. 范月君, 侯向陽, 石紅霄, 等. 封育與放牧對三江源區(qū)高寒草甸植物和土壤碳儲量的影響. 草原與草坪, 2012, 32(5): 41-47.

[25] Qiu L P, Zhang X C, Cheng J M. Soil organic matter fractions and soil carbon management index in grasslands with different fencing ages. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2011, 17(5): 1166-1171. 邱莉萍, 張興昌, 程積民. 不同封育年限草地土壤有機(jī)質(zhì)組分及其碳庫管理指數(shù). 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報, 2011, 17(5): 1166-1171.

[26] Wang C Y, Zhang J J, Lv Y L,etal. Effects of long-term grazing exclusion on soil organic carbon fractions in the grasslands of Inner Mongolia. Acta Prataculturae Sinica, 2014, 23(5): 31-39. 王春燕, 張晉京, 呂瑜良, 等. 長期封育對內(nèi)蒙古羊草草地土壤有機(jī)碳組分的影響. 草業(yè)學(xué)報, 2014, 23(5): 31-39.

[27] Steenwerth K L, Jackson L E, Calderon F J,etal. Soil microbial community composition and land use history in cultivated and grassland ecosystems of coastal California. Soil Biology & Biochemistry, 2003, 35(3): 489-500.

[28] Cai X B, Peng Y L, Yu B Z. Soil aggregates organic carbon change and its influence in Tibetan alpine steppe. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2013, 29(11): 92-99. 蔡曉布, 彭岳林, 于寶政. 西藏高寒草原土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳變化及其影響因素分析. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2013, 29(11): 92-99.

[29] An S S, Zhang X, Zhang Y,etal. Distribution of organic carbon in different soil aggregates size during revegetation in hilly-gully region of Loess Plateau. Journal of Soil Water Conservation, 2007, 21(6): 109-113. 安韶山, 張玄, 張揚, 等. 黃土丘陵區(qū)植被恢復(fù)中不同粒級土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳分布特征. 水土保持學(xué)報, 2007, 21(6): 109-113.

[30] Wright A L, Hons F M. Carbon and nitrogen sequestration and soil aggregation under sorghum cropping sequences. Biology and Fertility of Soils, 2005, 41(2): 95-100.

[31] Li X, Ma R P, An S S,etal. Characteristics of soil organic carbon and enzyme activities in soil aggregates under different vegetation zones on the Loess Plateau. Chinese Journal of Applied Ecology, 2015, 26(8): 2282-2290. 李鑫, 馬瑞萍, 安韶山, 等. 黃土高原不同植被帶土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳和酶活性的粒徑分布特征. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 2015, 26(8): 2282-2290.

[32] Li J, Liao H K, Long J,etal. Effect of land use on the characteristics of organic carbon and labile organic carbon in soil aggregates in Karst mountain areas. Acta Ecologic Sinica, 2013, 33(7): 2147-2156. 李娟, 廖洪凱, 龍健, 等. 喀斯特山區(qū)土地利用對土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳和活性有機(jī)碳特征的影響. 生態(tài)學(xué)報, 2013, 33(7): 2147-2156.

Variations in soil organic carbon content and distribution during natural restoration succession on the desert steppe in Ningxia

XU Dong-Mei1,2*, XU Xin-Zhong3, WANG Guo-Hui1, TAO Li-Bo1

1.CollegeofAgriculture,NingxiaUniversity,Yinchuan750021,China； 2.BreedingBaseforStateKeyLaboratoryofLandDegradationandEcologicalRestorationinNorthwestChina,Yinchuan750021,China; 3.CollegeofMathematicsandComputerScience,NingxiaUniversity,Yinchuan750021,China

Fencing (enclosure) is one of the strategies used to promote the natural restoration of ecological communities on the desert steppe in Ningxia. To explore the effects of enclosure on soil organic carbon and its distribution, field studies were conducted at sites with 3, 5, 7, and 10 years of enclosure. Soil samples were collected to determine the total organic carbon concentration and its distribution at different soil depths and in soil aggregates. The results showed that the soil organic carbon concentrations were higher in 7-year and 10-year enclosed grasslands than in those enclosed for shorter times, except at 0-5 cm depth. The concentrations of soil organic carbon were lower in the 0-5 cm and 5-10 cm soil layers than in the 10-20 cm and 20-40 cm soil layers. The soil organic carbon concentrations in soil aggregate particles at 0-10 cm depth were highest in the 3-year enclosed grassland, while those at 10-40 cm depth increased with longer enclosure times. The maximum soil organic carbon contents were in aggregates with 1-0.5 mm and 0.5-0.25 mm diameters. Aggregates of <0.25 mm, >5 mm or <0.25 mm, and >5 mm made the largest contributions to soil organic carbon content at 0-10 cm depth, 10-20 cm depth and 20-40 cm depth, respectively. The contribution of aggregates to soil organic carbon content decreased with increasing enclosure times. As the soil depth increased, the contribution of aggregates to soil organic carbon content decreased, but the contributions of macroaggregates to soil organic carbon content increased. In conclusion, enclosure was beneficial for carbon sequestration. The restoration of the ecosystem on the degraded desert steppe appeared to undergo a transition at the 7th year of enclosure.

desert steppe; restoration succession; soil organic carbon; distribution

10.11686/cyxb2016440

http://cyxb.lzu.edu.cn

2016-11-22；改回日期：2017-02-10

國家自然科學(xué)基金(31460624)和寧夏大學(xué)草學(xué)一流學(xué)科建設(shè)項目資助。

許冬梅(1970-)，女，寧夏中衛(wèi)人，教授，博士。E-mail: nxxudongmei@163.com*通信作者Corresponding author.

許冬梅, 許新忠, 王國會, 陶利波. 寧夏荒漠草原自然恢復(fù)演替過程中土壤有機(jī)碳及其分布的變化. 草業(yè)學(xué)報, 2017, 26(8): 35-42.

XU Dong-Mei, XU Xin-Zhong, WANG Guo-Hui, TAO Li-Bo. Variations in soil organic carbon content and distribution during natural restoration succession on the desert steppe in Ningxia. Acta Prataculturae Sinica, 2017, 26(8): 35-42.