寧夏東部荒漠草原灌叢引入過程中土壤呼吸響應特征

郭天斗，趙亞楠，周玉蓉，王紅梅,

（1. 寧夏大學農學院，寧夏 銀川 750021；2. 西北退化生態系統恢復與重建教育部重點實驗室，寧夏 銀川 750021）

草原灌叢化是當前干旱、半干旱地區面臨的重要生態問題[1]。多年來，干旱、過度放牧、火燒、溫室氣體增加及降水格局變化等因素都會導致草原優勢植被的變化以及水分、養分的空間異質性[2-3]，進而破壞草地生態系統的穩定，改變草地生產力及生物多樣性[4]。土壤呼吸作為陸地生態系統與大氣交換碳素的主要環節，連接著植物-土壤-微生物之間的碳轉化過程，對生態系統碳循環至關重要[5]。全球的碳收支過程對氣候變化十分敏感，土壤呼吸是碳素損失的主要途徑之一，而荒漠草原人工引入旱生灌木過程中，土壤干旱化和斑塊化加劇，也可能會影響生態系統碳循環[6]。

自然降水是荒漠草原唯一的水分來源，因此水分是該地區土壤呼吸的主要影響因子[7]，土壤呼吸隨土壤溫度和水分變化呈現季節變化，且凋落物和土壤微生物活動對土壤呼吸影響較大[8]。荒漠草原人工灌叢引入后，植被凈光合效率和生長速率都升高[9]，土壤呼吸對土壤濕度和溫度的敏感性增加[10]，會加速灌叢化進程。Felton 等[11]研究了不同降水對草地植物凈初級生產力和土壤呼吸的響應，表明凈初級生產力與降水呈線性關系，并且水分對土壤呼吸影響很大。已有學者對全球多年土壤呼吸數據進行收集并分析其時空變化，研究發現，溫度、降水量和土壤有機碳是土壤呼吸的關鍵控制因素[12]。Brye 等[13]指出，氣候變化會影響土壤有機質分解和土壤碳循環，進而導致碳儲量的差異。在全球氣候變化的背景下，國內外有關荒漠草原土壤呼吸響應特征的研究也成為干旱區生態學熱點問題，主要集中在不同植被類型土壤呼吸特征的研究[10,14-15]，而荒漠草原人工灌叢引入過程土壤呼吸特征研究相對較少。寧夏荒漠草原大面積人工引入檸條灌叢(Caragana korshinskii)進行植被恢復，引起植被多樣性下降、深層土壤水分消耗以及斑塊間土壤侵蝕加劇的現象[16]。雖有研究表明，“沃島效應”會導致灌叢斑塊的土壤碳氮和持水能力增強，但灌叢的引入也增加了荒漠草原水土資源的空間異質性[17]，因此，荒漠草原灌叢引入下土壤特性的變化仍需進一步研究。

基于此，本研究以寧夏荒漠草原不同種植年限、間距人工檸條灌叢地為研究對象，分析灌叢引入過程中土壤呼吸與土壤水分、土壤碳氮以及土壤微生物的變化，旨在了解和掌握在降水有限的荒漠草原灌叢引入過程的土壤呼吸響應特征，以期對荒漠草原碳循環研究提供基礎數據，進而為荒漠草原人工植被恢復的可持續性提供科學依據和數據支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

圖 1 鹽池縣2017 年日氣溫變化與1987-2017 年月均及當年各月降水量分布Figure 1 The change of daily temperature in 2017 and the distribution patterns of monthly precipitation from 1987 to 2017 and every month in 2017 in Yanchi County

研究區位于寧夏回族自治區東部鹽池縣花馬池鎮(37°04′-38°10′ N，106°03′-107°04′ E)。該區北接毛烏素沙漠，南靠黃土高原，四季多風少雨，干燥炎熱，屬于典型的溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫8.1 ℃，年平均溫差28 ℃，平均海拔1 450 m，多年平均降水量300 mm 左右，降水主要集中在7 月- 9 月[14](圖1)。該區是由半干旱向干旱區過渡的荒漠草原，其土壤類型以灰鈣土為主，土質疏松，土壤肥力低，補水能力差，易受風蝕和沙化。植被類型以典型的沙生植物為主，主要有賴草(Leymus secalimus)、豬毛蒿(Artemisia scoparia)、白 草(Pennisetum centrasiaticum)、檸 條(Caragana korshinskii)、駱 駝 蓬(Peganum harmala)、針 茅(Stipa capillata)、 蟲 實(Corispermum hyssopi folium)、牛枝子(Lespedeza potaninii)和刺蓬(Salsola ruthenica)等。

1.2 樣地設置

在鹽池縣東北部荒漠草原區選取封育草地(enclosed grassland，EG)、放牧地(grazing grassland，GG)、不 同 種 植 年 限[3 年(SY3)、12 年(SY12)、22 年(SY22)]和年限相同不同間距[40 m (SI40)、6 m (SI6)、2 m (SI2)]的檸條灌叢地(其中SY22 和SI6為同一樣地)，利用空間梯度代替時間梯度的方法來代表荒漠草原退化及人工灌叢引入恢復的不同階段和過程，即草原-放牧-灌叢引入。樣地基本情況如表1 所列。

1.3 觀測指標及方法

1.3.1 土壤呼吸觀測

土壤呼吸速率測定采用動態密閉氣室分析法，利用EGM-4 便攜式環境氣體檢測儀觀測，呼吸罩面積78 cm2。在7 個樣地，距灌叢1.5 m 的范圍內按間隔30 cm 的距離隨機選取5 點觀測，分別測定各點土壤呼吸強度及濃度，于每月中旬觀測一次(生長季一月兩次)，單次觀測時間為120 s，在封育草地及放牧草地進行正常間距隨機觀測。

1.3.2 土壤水分監測

土壤水分的觀測時間在2017 年3 月-11 月，主要利用德國產TDR 剖面土壤水分測量系統定點長期觀測，EG 和GG 隨機設置5 個重復，不同種植年限、間距檸條灌叢地在帶間、帶內分別設置3 個重復，觀測土壤深度為0-200 cm，每20 cm為一層，共10 層，每根TDR 管分別在4 個方向讀表并記錄，每月觀測1～2 次；每次觀測時用鋁盒分別取0-5 和5-10 cm 土壤，采用烘干法對表層土壤水分進行測定。

1.3.3 土壤有機碳、全氮測定

土 壤 有 機 碳(soil organic carbon, SOC)、全 氮(total nitrogen, TN)的采樣時間在荒漠草原植被生長季7 月中旬，按五點取樣法用土鉆取各個樣點0-100 cm 土層的土壤，按5 層每層20 cm 取回土樣，混勻后裝入自封袋，每個樣地3 次重復，以備后期室內試驗測定有機碳及全氮的分析。采用重鉻酸鉀容量法測定土壤有機碳[18]，半微量凱氏定氮法測定土壤全氮[18]。

1.3.4 土壤微生物數量及量碳的測定

土壤微生物土樣采集時間在7 月中旬，微生物三大類群的測定采用稀釋平板記數法[19]，分別用瓊脂培養基培養細菌、馬丁氏培養基培養真菌、高氏一號培養基培養放線菌，每個樣地做3 次重復，比較不同濃度梯度微生物數量，培養3～7 d 并準確計數[19]。土壤微生物量碳(microbial biomass carbon，MBC)的測定采用氯仿熏蒸浸提法[19]。

表 1 樣地基本情況Table 1 Description of the sampling sites

1.4 數據分析

1.4.1 土壤微生物量碳及呼吸熵的計算

土壤微生物生物量碳：MBC = EC/kEC。

式中：EC 為熏蒸土壤與未熏蒸土壤有機碳的差值，kEC為MBC 的轉換系數，其取值0.45[18]。

土壤呼吸熵：qCO2= SR/MBC。

式中：SR 為土壤呼吸強度，MBC 為土壤微生物生物量碳[19]。

1.4.2 其他數據分析

數據前期整理采用Excel 2010；文中的圖表采用Origin 2018 繪 制；數 據 分 析 則 采 用SPSS 19.0，采用單因素方差分析來檢驗各樣地之間及不同土層土壤因子間的差異性，采用最小顯著差數法(LSD)對數據進行多重比較，α = 0.05；各因子與土壤呼吸之間的相關性用Pearson 相關分析進行。

2 結果與分析

2.1 荒漠草原灌叢引入過程土壤水分垂直特征

草原-放牧-不同年限灌叢引入過程，EG 和GG土壤水分隨土層加深而增加，深層(100-200 cm)土壤水分分別為12.42%～24.85%、14.23%～16.90%，明顯高于淺層(0-100 cm)土壤水分(圖2A)；而灌叢引入后垂直差異不明顯，分別為6.14%～13.32%、4.44%～11.37%；EG 和GG 0-200 cm 平均土壤水分均高于不同年限灌叢地，分別為14.91%和13.07%。不同間距灌叢地與不同年限灌叢地相似(圖2B)，其0-200 cm 土壤水分均低于EG 和GG，且無明顯垂直變化，100-200 cm 土壤水分高于0-100 cm，分別為7.83%～14.89%、4.44%～11.61%；不同間距灌叢地(SI40、SI6、SI2)平均土壤水分均低于EG和GG，其值分別為9.13%、8.74%和10.49%。

2.2 荒漠草原灌叢引入過程土壤水分季節變化

草原-放牧-不同年限灌叢引入過程(圖3A)，EG 和GG 0-200 cm 土壤水分存在明顯季節動態，即3-4 月春季返潮期、5-8 月生長消耗期、9-11 月秋季雨水補充期。EG、GG 樣地平均土壤水分分別為14.91%、13.14%，高于SY3 (8.51%)、SY12 (9.66%)、SY22 (8.67%)，但EG 0-10 cm 土壤水分較低且無明顯季節變化，其范圍為0.44%～3.22%，其他樣地季節波動較大。草原-放牧-不同間距灌叢引入過程土壤水分差異明顯(圖3B)，0 -200 cm，EG、GG 土壤水分均高于灌叢地，不同間距與不同年限灌叢地土壤水分季節變化相似，3 個時期的土壤水分分別為7.80%～10.89%、7.80%～10.37%和8.83%～12.05%；而灌叢地0-10 cm 土壤水分季節變化明顯，其范圍在0.89%～6.53%。

圖 2 灌叢引入過程土壤含水量垂直特征Figure 2 Vertical characteristics of soil’s moisture content during shrub introduction

圖 3 灌叢引入過程土壤水分季節動態Figure 3 Seasonal dynamics of soil moisture during shrub introduction

2.3 荒漠草原灌叢引入過程土壤呼吸特征

草原-放牧-不同年限灌叢引入過程，土壤呼吸速 率 在0.016～0.544 g·(m2·h)-1，在3 月-5 月EG 土壤呼吸速率逐漸降低，而GG 土壤呼吸略升后又逐漸降低，在5 月-11 月土壤呼吸呈現先升后降再升又降的雙峰波動，EG、GG 在8 月份有最大值，分別為0.506、0.470 g·(m2·h)-1；灌叢地生長季土壤呼吸表現為SY3＜SY22＜SY12，其土壤呼吸速率峰值也在8 月份，分別為0.436、0.468、0.544 g·(m2·h)-1(圖4A)。此外，隨著種植年限的增加，年均土壤呼吸速率降低，SY22 最低，為0.126 g·(m2·h)-1，顯 著 低 于 其 他 樣 地(P＜0.05) (圖5A)。草原-放牧-不同間距灌叢引入過程，土壤呼吸速率范圍在0.008～0.506 g·(m2·h)-1，土壤呼吸速率隨季節波動明顯且均出現兩個峰值，SI40、SI6、SI2 最 大 值 分 別 為0.301、0.468、0.234 g·(m2·h)-1；隨著灌叢密度的增大表現出先增后減的趨勢，在11 月土壤呼吸速率最低，分別為0.008、0.016、0.020 g·(m2·h)-1(圖4B)。不同間距灌叢地顯著低于EG、GG (P＜0.05)，且隨著密度的增大，年均土壤呼吸速率降低，SI2 最低，為0.103 g·(m2·h)-1，顯著低于SI40、SI6 (P＜0.05) (圖5B)。

圖 4 灌叢引入過程土壤呼吸季節動態變化Figure 4 Seasonal dynamics of soil respiration during shrub introduction

2.4 荒漠草原灌叢引入過程土壤有機碳、全氮變化

草原-放牧-不同年限灌叢引入過程(表2)，各樣地土壤有機碳在不同土層均存在不同程度的差異，EG、GG 樣地SOC 隨土層加深呈現先升高后降低趨勢，其范圍分別為1.87～4.80、1.09～3.08 g·kg-1；隨著年限的增加0-60 cm，SOC 表現為先降低后升高，而60-100 cm 則表現出持續降低的趨勢，SY3 在40-60 cm 土層與SY22 有顯著差異(P＜0.05)，而與SY12 各土層之間均無顯著差異(P ＞ 0.05)。土壤全氮(TN)除EG 樣地在20-40 cm與80-100 cm 間有顯著差異(P＜0.05)外，其余各樣地不同土層間均無顯著差異(P ＞ 0.05)，且放牧地土壤全氮含量較低，其范圍在0.19 ～0.32 g·kg-1；而隨著灌叢年限的增加各土層TN 也呈增大趨勢，SY22 在40-80 cm 顯著高于SY3、SY12，在其他土層之間均無顯著差異(P ＞ 0.05)。

圖 5 灌叢引入過程年均土壤呼吸速率變化Figure 5 Changes of annual soil respiration rate during shrub introduction

表 2 草原-放牧-不同年限灌叢引入過程土壤有機碳、全氮變化Table 2 Soil organic carbon and total nitrogen during grassland-grazing-different shrub years

草原-放牧-不同間距灌叢引入過程(表3)，在0 -20 cm 土層EG 樣地SOC 最小，顯著低于其他樣地(P＜0.05)，但GG 樣地在0-20 cm 最大，其含量為3.08 g·kg-1，各樣地SOC 最低值均在80-100 cm，且隨著間距的減小，0-20 cm 土層SOC 含量逐漸降低，20-60 cm 表現為先升高后降低，60-100 cm則表現為先降低后升高的趨勢。相較于其他樣地，EG 樣地土壤全氮含量在各層都較高，其范圍在0.24 ～ 0.69 g·kg-1，且80-100 cm 顯著低于其他土層(P＜0.05)；隨著灌叢間距的減小，TN 均表現出先升高后降低的趨勢，且同一樣地不同土層之間TN 差異均不顯著(P ＞ 0.05)。

表 3 草原-放牧-不同間距灌叢引入過程土壤有機碳和全氮變化Table 3 Soil organic carbon and total nitrogen during grassland-grazing-different shrub intervals

2.5 灌叢引入過程中土壤微生物特性變化

草原-放牧-不同年限灌叢引入過程(圖6A)，微生物總量隨年限增加而增加，SY22 最多，為3.63 ×106cfu·g-1，顯著高于其他樣地(P＜0.05)；其中真菌數量整體較低，灌叢地高于EG、GG，其中SY3最多，為1.13 × 105cfu·g-1，EG 最少，為1.40 × 104cfu·g-1；放線菌、細菌數量整體呈增加趨勢，SY22 顯著高于 其 他 樣 地(P＜0.05)，分 別 為2.59 × 106、9.53 ×105cfu·g-1，而其他樣地之間差異不顯著(P ＞ 0.05)，分 別 為1.28× 106～1.49 × 106、3.38× 105～5.97 ×105cfu·g-1。封育-放牧-不同間距灌叢引入過程(圖6B)，微生物總量隨種植間距的減小呈先增加后減 少的趨勢，SI6 最多，為3.63 × 106cfu·g-1，SI2最少，為1.78 × 106cfu·g-1；細菌、真菌、放線菌數 量，SI6 最 多，分 別 為9.53 × 105、8.80 × 104、2.59 × 106cfu·g-1，均顯著高于其他樣地(P＜0.05)，SI2 各菌群數量明顯減少。

圖 6 灌叢引入過程土壤微生物數量特征Figure 6 Quantitative characteristics of soil microorganisms during shrub introduction

草原-放牧-不同年限灌叢引入過程(圖7A)，EG、GG 樣地的MBC 分別為548.80、486.40 mg·kg-1，顯著高于SY3、SY12 (P＜0.05)，且隨年限的增加MBC 整體呈增加趨勢，SY22 最高為403.20 mg·kg-1；而qCO2則有降低趨勢，SY22 最低為0.38。草原-放牧-不同間距灌叢引入過程(圖7B)，SI40 樣地MBC 最高，為637.93 mg·kg-1，顯著高于SI6、SI2(P＜0.05)，而與EG、GG 樣地差異不顯著(P ＞ 0.05)；且MBC 隨著種植間距的縮小而降低，SI2 最低，為371.20 mg·kg-1，但qCO2則有增加趨勢，SI2 最高，為0.43。

2.6 灌叢引入過程土壤呼吸與土壤水分、有機碳、全氮和土壤微生物的相關性

相關性分析得出(表4)，草原-放牧-灌叢引入過程中，土壤呼吸與土壤水分、土壤微生物生物量碳正相關，且與土壤水分極顯著正相關(P ＜0.01)，而與土壤有機碳、全氮、微生物數量呈負相關，其中與放線菌數量呈顯著負相關(P＜0.05)。

3 討論

3.1 荒漠草原灌叢引入對土壤水分及土壤呼吸的影響

在荒漠草原區域，土壤水分與植被生長密切相關，抗旱灌木的引入是生態修復的主要措施之一，灌木的引入可以改善土壤物理結構、增加土壤養分含量及植被多樣性[20]。然而，本研究發現，封育草地0-10 cm 土壤水分含量很低，這是因為封育草地以草本為主，植被根系較淺且破壞程度輕，表層水分循環利用率高，加之研究區降水有限，無法補給深層水分，而使土壤水分較低。灌叢引入后淺層土壤水分波動較大，深層土壤水分明顯降低，這是因為淺層土壤更易受降水、光 照、風力等氣候因子的影響，而隨著灌叢年限和密度的增加，木本植物在草地群落中的優勢越來越大，其對深層土壤水分的需求也增大，因此會加快荒漠草原深層水分的消耗[17]。且本研究中，9 月-11 月隨溫度降低，土壤水分又有升高且波動較小，此時植物生長速率減慢導致根系對水分的利用減少[14]。潘占兵等[21]發現，灌叢密度增大的同時土壤水分虧缺越大，土壤碳損失也越大，這與本研究的結果相似。因此，寧夏東部荒漠草原合理的灌叢種植間距還需進一步探究。

圖 7 灌叢引入過程土壤微生物量碳及呼吸熵變化Figure 7 Changes of soil microbial biomass carbon and respiratory quotients during shrub introduction

表 4 灌叢引入土壤呼吸與土壤水分、有機碳、全氮及土壤微生物的相關分析Table 4 Correlation analysis of soil respiration, soil moisture, organic carbon, total nitrogen, and soil microorganism under different shrub introduction conditions

荒漠草原土壤呼吸在草地碳循環機制中非常關鍵，該地區土壤-植物-大氣之間的碳循環研究對生態系統穩定具有重要的科學指導意義[16]，降水影響植物根系生長及微生物活動，進而對根際土壤呼吸的激發作用十分強烈[22]。已有研究指出，氣候和生物因子共同控制著土壤呼吸在小尺度上的空間變異性[23]。Ying 等[24]研究得出灌木會與草本植物競爭淺層土壤水分，同時還會利用深層土壤水分，而也有研究表明以木本植物為主的林地、灌叢地的土壤呼吸強度明顯高于草地區[25]。荒漠草原灌叢引入后土地斑塊化和破碎化加劇[17]，土壤呼吸異質性增大，灌木根系在生長過程中形成的大孔隙會加快降雨入滲至深層土壤，有助于灌木利用更多的水分[26]，加速了灌叢化進程。在植被生長季內土壤呼吸呈現出明顯的季節變化，且受降水影響較大[27]，而本研究發現，不同年限、間距灌叢地8 月土壤呼吸強度都強于其他月份，這與此階段該地區溫度適宜且降水集中有關，但灌叢地土壤呼吸隨著年限的增加而降低，雖然灌叢地凋落物多，但分解產物無法及時被利用就會產生土壤碳流失[28]，而封育、放牧草地對水分變化更加敏感，在干旱時土壤呼吸較低，碳損失也低。

3.2 荒漠草原灌叢引入對土壤碳氮及微生物的影響

灌叢引入會改變荒漠草原原有的物種組成、地上植被及土壤資源空間分布，引起植被多樣性和群落結構的變化，從而產生生境異質性[29]。灌叢附近的有機碳和全氮含量比鄰近的草地空斑高，灌木層下形成“沃島效應”導致水分和養分的富集，加劇資源的空間異質性和土地斑塊化[16,30-31]。Cable等[10]在美國灌叢化草地的土壤呼吸研究中得出，灌木的擴張會引起呼吸的異質性，大灌叢附近土壤呼吸速率和溫度敏感性更高。本研究中封育草地表層有機碳、全氮含量整體較低，而放牧地則有表層聚集的現象。隨著灌叢的引入，豆科植物與根瘤菌固定了更多空氣中的游離態氮，如果氮沉降持續增加，就會嚴重威脅生態系統健康[29]，使土壤微生物生物量下降活性降低，進而引起土壤微生物與植物養分分配不均，對土壤微生物呼吸和根系呼吸產生影響[32]。鹽池荒漠草原夏季光照充足，植物生長快，這使得植被覆蓋和生物多樣性增大，土壤呼吸和微生物活動增強，從而加快光合產物與土壤之間的轉化，因此夏秋季土壤呼吸速率要高于冬春季，這與熊莉等[33]的研究結果相似。此外，與本研究的結果相似，灌叢斑塊土壤表層有機碳和全氮都高于草地斑塊且隨灌叢由近到遠其含量逐漸降低[34]，根際土壤中全氮、有機質的含量均高于非根際土壤[35]，而灌叢下凋落物分解更快從而增加了灌叢周圍的土壤有機質含量，這可能是因為灌木葉片中木質素和纖維素含量較低[36]。灌叢引入有利于有機質的轉化和土壤微生物活性的增強，從而改變土壤肥力[37]。

草地生態系統中養分循環利用存在復雜性和不確定性，灌叢地土壤變化對土壤細菌、真菌影響顯著，而對放線菌影響較小，草本植物對細菌活動影響更加密切[38]。而本研究中，封育草地和放牧地細菌數量較低，這可能與采樣期氣候干旱、降雨少、放牧等因素有關。Ochoa-Hueso 等[39]在對北美和澳大利亞兩個區域的7 個草地進行模擬降水試驗得出，干旱條件對微生物群落組成影響顯著，細菌群落比真菌對水分的限制更加敏感，而放線菌適應干旱條件的能力強，菌落的相對豐度會因干旱而增加，這與本研究結果相似。此外，本研究發現封育、放牧草地微生物生物量碳高于灌叢地，且隨年限的增加和間距的縮小也呈整體增加趨勢，但到一定年限后其隨種植間距的縮小而降低，這可能與土地利用方式、土壤有機碳含量、土壤溫濕度、季節波動等有關[40]。草地有助于調節全球土壤碳庫的年際動態變化，微生物群落結構和功能對干旱、氣候變化和碳循環的響應至關重要[16]。因此，為應對全球氣候變化，未來對荒漠草原土壤呼吸的研究應該重點關注不同環境因子作用下不同物種根系呼吸和根際微生物活動，從而進一步探究荒漠草原土壤微生物對土壤呼吸的影響。

4 結論

在草原-放牧-灌叢引入過程中，灌叢地深層土壤水分低于封育、放牧草地，無明顯垂直動態。各樣地中土壤呼吸均在8 月有最高值，封育、放牧草地高于顯著高于不同間距灌叢地(P＜0.05)，但與不同年限灌叢地差異不顯著(P ＞ 0.05)。封育、放牧草地土壤有機碳隨土層的加深而降低，而灌叢地深層有機碳含量高于放牧地(P＜0.05)，與封育草地無顯著差異(P ＞ 0.05)；土壤全氮在封育草地各土層含量均較高，放牧地較低，且全氮隨著年限的增加和間距的縮小而增大，而當種植間距最小時又有降低趨勢。各菌群數量隨灌叢的引入而顯著增加，土壤微生物量碳隨種植年限和間距的增加而增大，但呼吸熵則降低。土壤呼吸與土壤水分、土壤微生物量碳正相關，且與土壤水分極顯著正相關(P＜0.01)，而與土壤有機碳、全氮、微生物數量負相關，其中與放線菌數量顯著負相關(P＜0.05)。