黃土丘陵區退耕草地土壤碳庫管理指數對放牧的響應

馬 寧，趙允格，馬昕昕，李 雯，喬 羽，孫 會，許明祥,4*

(1.西北農林科技大學林學院，陜西 楊凌 712100； 2.中國科學院水利部水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；3.西北農林科技大學資源與環境學院，陜西 楊凌 712100； 4.西北農林科技大學水土保持研究所，陜西 楊凌 712100)

草地是陸地生態系統的重要組成部分，其碳儲量占陸地生態系統碳儲量的1/3[1]。草地土壤碳庫的科學管理對穩定大氣CO2濃度，減緩全球氣候變暖具有重要意義。土壤碳庫中有機碳(SOC)和活性有機碳(LOC)含量是表征SOC固存和穩定性的主要指標[2]。Blair等[3]提出的碳庫管理指數(CPMI)結合了兩者，可反映不同管理措施下SOC數量和質量變化，其值升高，表明碳庫向良性方向發展，反之，則表明碳庫質量下降。目前該指數被廣泛應用于不同施肥處理和不同土地利用類型下土壤有機碳庫質量評價中[4-6]。在草地生態系統中，該指數對評價不同管理方式下碳庫質量變化，指導草地資源可持續利用具有重要作用。

黃土高原自1999年實施退耕還林(草)工程以來，形成了大面積的退耕草地[7]。植被的恢復，一方面增加了SOC輸入[8]，另一方面降低了侵蝕導致的碳流失[9]，顯著改變了碳庫質量。目前該工程的實施對土壤碳庫的影響是政府部門和眾多學者關注的重要科學問題，已有國家重大專項項目對此展開深入研究(XDA050500403)，研究表明，退耕草地SOC固存量較坡耕地增加27%[10]，LOC含量增加40%～50%[11-12]，CPMI提升53%[11]，土壤碳庫向良性方向發展[11-12]。

放牧作為一種重要的農業生產方式，在黃土高原生產生活中占有重要地位，是影響草地SOC儲量及穩定性的關鍵因素。一方面，牲畜通過采食、踐踏及排泄等過程直接影響SOC活性，另一方面，放牧通過影響土壤容重、孔性、養分含量、碳氮比及微生物活性和數量等間接影響SOC分解轉化。目前關于放牧對SOC含量和活性影響的相關研究主要在內蒙古草原、青藏高原和新疆高寒草甸等地區開展，主要研究結果表明隨放牧強度的增加土壤SOC含量、活性和CPMI呈先增加后降低趨勢[13-14]，即中度放牧有利于SOC質量提升，但也有研究表明隨放牧強度的增加SOC含量、活性和CPMI呈先降低后增加[15]或逐漸降低趨勢[16-17]。由于研究區域、放牧歷史、植被類型等的不同，放牧對SOC質量的影響存在區域分異特征。

在黃土高原地區，已有研究關注到放牧條件下SOC變化。高陽等[18]和陳芙蓉等[19]在黃土高原西部的研究表明，與封禁地相比，放牧降低SOC含量；Li等[20]的研究發現，封禁地土壤LOC含量顯著高于放牧地。然而，目前從CPMI角度解釋不同放牧強度下土壤碳庫質量變化的研究較少；此外，黃土丘陵區原始土地利用類型為坡耕地，較少有研究將放牧地與封禁地和坡耕地進行雙向比較，難以全面評估放牧條件下SOC質量變化。為此，本研究以黃土丘陵區不同放牧強度下退耕草地SOC質量變化作為研究目標，以該區4個不同區域典型退耕草地為研究對象，以各區封禁地和坡耕地為對照，通過野外調查，結合室內分析，研究不同放牧強度下土壤CPMI變化特征，為區域退耕草地SOC質量評估和可持續管理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究在黃土丘陵區進行，該區地處我國中部偏北(34～40°N，103～114°E)，總面積約6.4×105km2，溫帶大陸性季風氣候，氣溫和降雨沿東南向西北遞減，多年平均氣溫9～12℃，多年平均降雨量在200～700 mm之間，多墚、峁、溝谷和壟板地形。自實施退耕還林(草)工程以來，該區植被覆蓋度由31.6%提高到63.6%[21]。黃土丘陵區不同區域降水、植被和土壤等存在較大差異，為增強研究結果的可靠性，本研究沿該區不同降雨量帶共選擇4個典型退耕還草區，分別為陜西神木、定邊、安塞及寧夏固原，各區域分布情況見圖1。

1.2 樣地選擇

2020年5—9月，在各研究區以當地有羊只存欄的養殖戶為中心展開調查[22]，在放牧活動最遠離開村落5 km范圍內，以半徑為1 km的間隔進行調查。在每個間隔內隨機選擇2～3個退耕20年以上的典型坡地草地，于各樣地中隨機調查4～5個5 m×5 m樣方內的羊糞球數，調查地表羊糞球密度，同時根據各樣地形狀均勻布設4～5個1 m×1 m樣方，調查植被種類、蓋度、地上生物量等基本信息。結合羊糞球密度[23]、地表植被蓋度和地上生物量指標表征放牧強度變化，按照距離農戶由遠及近將各放牧樣地分為輕度、中度和重度放牧強度樣地，表示為G1，G2和G3。各研究區不同放牧強度樣地個數分別為神木12個，定邊13個，安塞6個，固原12個，以各區嚴格封禁坡地草地和坡耕地為對照，各樣地相距3 km。不同放牧強度樣地信息見表1。

圖1 研究區分布圖Fig.1 The distributions of study areas

表1 樣地基本概況Table1 Characteristics of studied sites

1.3 指標調查與樣品采集

記錄樣地經緯度、海拔、坡向、坡度等基本信息，同時根據各樣地形狀均勻布設4～5個1 m×1 m樣方，調查植被種類、蓋度基本信息，剪除并收集樣方內植被地上部分，同時收集枯落物，測定生物量。用直徑為9 cm的根鉆采集0～20 cm土壤，每個樣地隨機取3鉆，混合過篩，用清水沖根，并于70℃烘干至恒重，測定地下生物量。

在每個樣地隨機選擇3個采樣點，采集0～20 cm土層土樣，三點混合作為一個分析樣，樣品風干剔除石礫、植物殘體后，過18目和60目篩進行土壤基本理化屬性及LOC的測定。

1.4 測定指標與方法

土壤有機碳SOC采用重鉻酸鉀容量法測定[24]，全氮(Total nitrogen,TN)采用凱氏定氮法測定[24]，活性有機碳LOC采用333 mmol·L-1高錳酸鉀氧化法測定[25]，土壤pH值采用電位法測定，土壤機械組成采用馬爾文激光粒度分析法測定。以坡耕地為參照土壤，依據公式(1)—(5)進行碳庫管理指數CPMI的計算。

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為土壤有機碳含量，單位：g·kg-1；SOC0為坡耕地土壤有機碳含量，單位：g·kg-1；LOC為活性有機碳含量(Labile organic carbon content)，單位：g·kg-1；NLOC為非活性有機碳含量(Non-labile organic carbon content)，單位：g·kg-1；CPI為碳庫指數(Carbon pool index)；A為碳庫活度(Carbon pool activity)；A0為坡耕地碳庫活度(Carbon pool activity of sloping farmlands)；AI碳庫活度指數(Carbon pool activity index)；CPMI為碳庫管理指數(Carbon pool management index)。

1.5 數據處理與統計分析

采用SPSS25.0對封禁地、放牧地和坡耕地土壤有機碳、活性有機碳和碳庫管理指數及相關指標進行正態性檢驗、方差齊性檢驗和單因素方差分析(One-way ANOVA)，方差齊性時采用LSD進行多重比較(α=0.05)，方差不齊時用Tamhane’s T2法進行多重比較。用Origin2021制圖，圖表中的數據為平均值±標準誤。將各地區CPI和AI作為響應變量，地上生物量、地下生物量、枯落物生物量、羊糞球密度及土壤理化屬性等作為環境因子，用CANOCO 5.0軟件進行冗余分析。

2 結果與分析

2.1 放牧對不同區域土壤有機碳含量的影響

如圖2所示，神木和安塞封禁地SOC含量較各區坡耕地降低14.3%和27.3%，定邊則升高22.0%，但這三個地區封禁地和坡耕地SOC含量均無顯著差異(圖2a，2b，2c)；固原封禁地SOC含量則是坡耕地的3.35倍(P<0.05)(圖2 d)。

放牧條件下，神木G1和G3放牧強度樣地SOC含量與該區封禁地和坡耕地均無顯著差異，G2強度樣地則較封禁地顯著升高38.4%(P<0.05)，與坡耕地相比無顯著差異(圖2a)；定邊不同放牧強度樣地SOC含量較該區坡耕地和封禁地降低，安塞則相反，但這兩個地區封禁地、不同放牧強度樣地和坡耕地間SOC含量均無顯著差異(圖2b，2c)。固原不同放牧強度樣地SOC含量較該區封禁地顯著下降，平均降幅為54.7%(P<0.05)，高于坡耕地，但無顯著差異(圖2 d)。神木、定邊和固原不同放牧強度間(G1，G2和G3)SOC含量呈先升高后降低趨勢，安塞不同放牧強度間SOC含量基本相同，神木G3強度樣地SOC含量較G2顯著降低37.8%(P<0.05)，其余地區不同放牧強度間均無顯著差異。綜上，放牧對定邊和安塞SOC含量無顯著影響，輕中度放牧強度促進神木SOC含量升高，而放牧使固原SOC含量顯著降低。

圖2 4個區域不同放牧強度下0～20 cm土壤有機碳含量Fig.2 Soil organic carbon content in 0～20 cm soil layer under different grazing intensities in four regions注：同一地區不同字母表示封禁地、坡耕地和不同放牧強度樣地間差異顯著(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 放牧對不同區域土壤活性有機碳含量的影響

如圖3所示。神木和定邊封禁地LOC含量較各區坡耕地升高14.6%和19.0%，安塞則降低43.1%，但這三個地區封禁地和坡耕地LOC含量均無顯著差異(圖3a，3b和3c)。固原封禁地LOC含量較坡耕地顯著升高5.03倍(P<0.05)(圖3d)。

放牧條件下，神木各放牧樣地LOC含量較該區封禁地和坡耕地降低，G1和G2強度樣地和封禁地和坡耕地無顯著差異，G3強度樣地則較封禁地和坡耕地顯著降低45.5%和37.5%(P<0.05)(圖3a)；定邊不同放牧強度樣地LOC含量較該區封禁地平均降低25.8%，G1和G3強度樣地LOC含量較坡耕地平均降低23.8%，G2強度樣地則較坡耕地升高12.7%；安塞各放牧地LOC含量較該區封禁地平均升高56.8%，較坡耕地平均降低10.6%，但這兩個地區封禁地、不同強度放牧地和坡耕地間LOC含量均未產生顯著差異(圖3b，3c)；固原不同放牧強度樣地LOC含量較封禁地顯著降低(P<0.05)，平均降幅為63.3%，但與坡耕地無顯著差異(圖3 d)。綜上，輕中度放牧對神木、定邊和安塞地區LOC含量無顯著影響，而放牧使固原LOC含量顯著降低。

圖3 4個區域不同放牧強度下0～20 cm土壤活性有機碳含量Fig.3 Soil labile organic carbon content in 0～20 cm soil layer under different grazing intensities in four regions

2.3 放牧對不同區域土壤碳庫管理指數的影響

由表2可知，神木和固原封禁地AI(碳庫活度指數)較各區坡耕地顯著升高(P<0.05)，神木升高43.0%，固原升高100.0%；安塞封禁地AI較該區坡耕地顯著降低25.0%(P<0.05)，定邊則與該區坡耕地基本相同。神木和安塞封禁地CPI(碳庫指數)較各區坡耕地降低，定邊則相反，但均無顯著差異，固原CPI則較該區坡耕地顯著升高2.35倍(P<0.05)。4個研究區中，神木、定邊和固原封禁地CPMI(碳庫管理指數)高于坡耕地，安塞則低于坡耕地，除固原地區產生顯著差異外，其余3個地區和各區坡耕地均無顯著差異。

放牧條件下，神木不同放牧強度樣地AI較該區封禁地顯著降低37.1%～51.7%(P<0.05)，G1放牧強度樣地與坡耕地無顯著差異，G2和G3放牧強度樣地較坡耕地顯著降低(P<0.05)；定邊和安塞不同放牧強度樣地AI與各區封禁地無顯著差異，G1和G2放牧強度樣地AI與各區坡耕地無顯著差異；固原G1和G3放牧強度樣地AI較該區封禁地顯著降低23.0%～37.0%(P<0.05)，G2強度樣地與封禁地無顯著差異，且G1和G2強度樣地AI顯著高于坡耕地(P<0.05)。神木G1和G3放牧強度樣地CPI與該區封禁地和坡耕地無顯著差異，G2強度樣地則較封禁地顯著升高38.4%(P<0.05)；定邊各放牧強度樣地CPI低于該區封禁地和坡耕地，安塞則相反，但與各區封禁地和坡耕地均無顯著差異；固原不同放牧強度樣地CPI較封禁地顯著降低(P<0.05)，但與坡耕地無顯著差異；4個研究區中，神木G1放牧強度樣地CPMI與封禁地和坡耕地無顯著差異，G2和G3強度樣地CPMI較封禁地顯著降低32.1%～50.3%，G3強度樣地較坡耕地顯著降低39.8%(P<0.05)；定邊各放牧強度下CPMI與封禁地和坡耕地均無顯著差異，但G3強度樣地較封禁地和坡耕地降幅較大；安塞各放牧強度樣地CPMI與該區封禁地和坡耕地無顯著差異；固原不同放牧強度樣地CPMI較封禁地顯著降低58.1%～76.5% (P<0.05)，高于坡耕地，但無顯著差異。

綜上，黃土丘陵區草地退耕封禁后，3個區域(神木、定邊和固原)CPMI均有所提高，促進了土壤碳庫質量提升。放牧條件下，2個區域(定邊和安塞)CPMI在G1和G2放牧強度下與封禁地無顯著差異；神木CPMI在G1放牧強度下與封禁地無顯著差異，G2和G3強度下顯著低于封禁地，且G3強度下顯著低于坡耕地。表明輕中度放牧可維持定邊和安塞土壤有機碳庫質量，輕度放牧可維持神木土壤有機碳庫質量，而放牧會導致固原有機碳庫質量下降。

表2 4個區域不同放牧強度下土壤碳庫管理指數變化特征Table 2 The characteristics of soil carbon pool management index under different grazing intensities in four regions

2.4 黃土丘陵區土壤碳庫管理指數影響因素

四個區域CPI和AI與植被、羊糞球密度及土壤理化屬性的冗余分析結果見圖4和表3。所有冗余分析結果中的第一典范軸和所有典范軸的P值均小于0.05，分析結果可靠(表3)。神木第一軸和第二軸分別解釋了AI和CPI的65.9%和24.2%，向前選擇的結果中Clay、Silt和C/N對CPI和AI的貢獻率為50.9%(P<0.01)，15.4%(P<0.05)和12.8%(P<0.05)，是CPI和AI的主要影響因子，這三個因子與CPI呈正相關關系，與AI呈負相關關系(圖4a)(夾角<90°呈正相關關系，反之呈負相關關系)；定邊第一軸和第二軸分別解釋了AI和CPI的70.0%和5.4%，向前選擇的結果中Clay和Silt對CPI和AI的貢獻率為49.8%(P<0.05)和27.7%(P<0.01)，是CPI和AI的主要影響因子，這兩個因子與二者均呈正相關關系(圖4b)；安塞第一軸和第二軸分別解釋了AI和CPI的74.9%和11.2%，向前選擇的結果中LB和C/N對CPI和AI的貢獻率為43.6%(P<0.05)和36.1%(P<0.01)，是CPI和AI的主要影響因子。LB與CPI和AI呈負相關關系，C/N與二者呈正相關關系(圖4c)；固原第一軸和第二軸分別解釋了AI和CPI的91.8%和1.7%，向前選擇的結果中C/N、BD和Clay對CPI和AI的貢獻率為64.6%(P<0.01)，20.3%(P<0.01)和7.1%(P<0.05)，是CPI和AI的主要影響因子，C/N和Clay與二者呈正相關關系，BD與二者呈負相關關系(圖4d)。

圖4 土壤碳庫指數和碳庫活度指數與植被和土壤理化屬性的冗余分析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 植被和土壤理化屬性對土壤碳庫指數和碳庫活度指數的貢獻率Table 3 The contribution ratio of vegetation characteristics and soil physical and chemical properties to soil carbon pool index and carbon pool activity index

續表3

3 討論

退耕還林(草)工程的實施深刻影響了黃土高原SOC庫存及質量。放牧在該區域普遍存在，可能是該工程固碳效應評估的關鍵影響因素。本研究選取黃土丘陵區4個典型退耕還草區，探究放牧對退耕草地CPMI的影響。4個區域中，除安塞外，退耕封禁草地CPMI均高于坡耕地(表2)，表明退耕還草后SOC質量得以提升，與韓新輝等[26]的研究結果一致。退耕還草后，一方面植被恢復促進枯枝落葉積累，豐富了SOC和LOC的來源[27]，另一方面人為干擾減少使土壤結構趨于穩定，土壤侵蝕逐漸降低[28]，有利于SOC固存和質量提升。而安塞地區封禁地CPMI低于坡耕地，可能與退耕年限有關，許明祥等[10]的研究表明，退耕年限達35年時，退耕草地表現出顯著的碳增匯效應，四個研究區中僅固原封禁年限超過35年，因此其CPMI顯著高于坡耕地。

放牧條件下，神木除G2放牧強度外，CPI與該區封禁地無顯著差異，而各放牧地AI則顯著低于封禁地，且在G2和G3強度下顯著低于坡耕地，表明隨放牧強度增加，SOC活性下降導致碳庫質量降低。根據冗余分析的結果，可能與牲畜踩踏導致粘粒破壞后，LOC首先礦化分解有關，神木土壤質地主要為沙土，且該區水蝕風蝕嚴重，過度放牧可能會使土壤環境惡化，加速侵蝕，降低SOC活性。楊新國等[29]在寧夏荒漠草原沙化灰鈣土的研究中表明，放牧條件下0～20 cm土層AI較封禁地降低20%，而SOC含量基本保持不變，與本研究結果相似。定邊各放牧強度下CPI與該區封禁地和坡耕地均無顯著差異，而G3強度下AI較坡耕地顯著降低，研究結果及冗余分析結果與神木地區較為一致，說明在黃土高原北部地區，重度放牧可能破壞土壤粘粒，加速LOC分解，進而導致土壤碳庫質量下降。

安塞在G1和G2放牧強度下AI，CPI和CPMI與該區封禁地和坡耕地無顯著差異，與Zhang等[30]在內蒙古草原的研究結果較為一致，楊合龍等[31]在新疆昭蘇草甸草原的研究也表明放牧對0～20 cm土層碳庫活性無顯著影響。冗余分析結果表明枯落物生物量與AI和CPI呈負相關關系，碳氮比則與二者呈正相關關系，說明放牧干擾下，一方面踩踏使枯落物破碎并與土壤充分接觸促進其分解，可能為SOC和LOC提供來源[32]；另一方面放牧通過改變植被種類、枯落物質量及牲畜排泄物輸入等改變土壤碳氮比，研究表明土壤碳氮比與SOC分解速率呈負相關關系[33]，該區G2放牧強度樣地碳氮比(9.32)較封禁地升高(8.64)，因而SOC和LOC的分解速率低于封禁地。這兩方面的綜合作用可能對土壤碳庫質量維持產生積極作用。然而由于現實因素，安塞地區重度放牧現象較少，重度放牧條件下該區土壤碳庫質量變化仍有待進一步研究。固原不同放牧強度下CPI和CPMI較該區封禁地顯著降低，各放牧地A和AI低于封禁地。隨放牧強度的增加各指標呈先升高后降低趨勢，而劉珊珊等[15]的研究表明隨放牧強度的增加草地表層CPMI呈先降低后升高趨勢，與本研究結果的差異性可能與不同研究區環境條件有關，導致SOC分解和累積速率不同。冗余分析結果表明該區碳氮比和粘粒與AI和CPI正相關，容重與二者負相關，該區各放牧地碳氮比(7.96～8.63)較封禁地(9.26)降低，SOC分解速率較封禁地加快；隨放牧強度增加，土壤容重逐漸增大，降低土壤水分[34]，間接影響到土壤微生物對SOC的分解；另一方面牲畜啃食導致枯落物生物量的下降直接減少了SOC的來源，這些因素的綜合作用可能是導致放牧地碳庫質量顯著降低的原因。但該區各放牧地CPMI均高于坡耕地，G1和G2強度下AI顯著高于坡耕地，且G2強度下AI與封禁地無顯著差異，說明適度放牧一定程度上可維持該區碳庫質量。

根據本研究的結果，在黃土丘陵區實施輕度放牧可能能夠維持草地SOC質量。目前黃土高原已經封禁20多年，有研究表明長期封禁會降低植被多樣性和生產力[22]，增加火災風險[35]，而適度的放牧提高了該區退耕草地物種豐富度[36]，降低土壤侵蝕等[37]，可見適度放牧可能是促進該區草地利用和可持續發展的關鍵途徑。然而由于本研究是野外調查試驗，無法量化載畜率，且黃土丘陵區不同區域土壤質地、氣候條件、封禁時間等存在差異，各區域最適放牧強度仍有待于結合定點圍欄放牧試驗展開進一步研究。

4 結論

在黃土丘陵區4個研究區中，2個地區(定邊和安塞)在輕度和中度放牧強度下可維持退耕草地土壤有機碳庫質量；土壤質地主要為沙土的神木地區在輕度放牧強度下可維持土壤碳庫質量；固原地區放牧導致土壤碳庫質量低于封禁地，但高于坡耕地。神木和定邊碳庫管理指數變化主要與土壤質地有關，安塞和固原碳庫管理指數主要受枯落物生物量、土壤碳氮比和容重等因素的綜合影響。