不同封育年限对宁夏荒漠草原土壤粒径及碳氮储量的影响

　　摘要：封育禁牧的时间效应已经成为科学和政府决策关注的焦点，研究以宁夏盐池县典型荒漠草原围封6、10、15年样地的围栏内外2种主要土壤类型———灰钙土和风沙土为研究对象，基于样线调查法及方差分析法，探究不同封育年限对荒漠草原颗粒组成及土壤碳氮储量的影响。结果表明：1)封育会导致灰钙土及风沙土土壤细颗粒含量增加，灰钙土封育6年样地土壤细颗粒较围栏外增加量最明显，后随封育年限的增加而呈现增幅减少的趋势;风沙土封育15年样地围栏内土壤细颗粒增加量高于封育6年样地。2)灰钙土及风沙土封育6年样地均表现为围栏内土壤碳氮(有机碳、全碳、全氮)含量高于围栏外，而围封10年及15年样地围栏内外土壤碳氮含量没有明显差异。3)灰钙土围封6年样地围栏内土壤碳氮比高于围栏外，而围封10年及15年样地无此规律，围封不会影响风沙土土壤碳氮比。围封可以有效使土壤颗粒细化，但不同土质对封育年限的响应有所差异，人工封育的最佳时间尺度应根据草原退化程度和草原不同土壤条件而定。

　　关键词：封育年限;荒漠草原;典型土壤;粒径组成;碳氮储量

　　草原是陆地生态系统的重要类型之一，对防风、固沙、保水起着重要作用[1-2]，草地资源不仅影响着生产力水平，同时对生态环境可持续发展及生态系统平衡起到不可或缺的促进作用[3-4]。不科学的放牧是造成草地退化的主要人为驱动力，从而影响生态可持续及草食畜牧业的发展[5-7]。宁夏荒漠草原面积高达134万hm2，占全区草地面积的55%，是宁夏天然草地的最主要类型[8-9]。由于草地不合理利用(过度放牧、开垦)，导致宁夏荒漠草原草地退化严重[10-11]。

　　为了遏制草地的进一步退化，宁夏在2002年全面实施了天然草地封育工程，以期实现草地生态的良性循环及畜牧业的可持续发展[12]。近些年，研究人员对围栏封育的效果进行了大量研究，包括围栏封育对土壤理化性质、土壤养分、土壤种子库、植物群落特征等方面的影响[13-18]。土壤粒径是反映土壤母质来源、成土过程中的重要指标[19];土壤碳氮元素含量，可以直观地反映土壤肥力的高低，其直接影响着草原生产力，是表明土壤质量或健康程度的重要元素[20]，同时测定土壤粒径和养分对表明空间效应有很强的说明性[21]，通过比对不同封育年限土壤的颗粒组成及土壤养分含量差异，分析荒漠草原不同封育年限对土壤碳氮与土壤颗粒分布特征的影响，可为荒漠草原区围封措施的开展及植被的恢复重建提供参考。

　　相关研究发现围栏封育会对土壤颗粒组成及碳氮储量产生显著影响：通过比对不同土壤类型中土壤的颗粒组成、根际与非根际的土壤的养分含量差异，分析荒漠草原不同土壤类型柠条(Caraganakorshinskii)根际土壤养分与土壤颗粒分布特征，揭示土壤类型对植物根际效应的影响。李国旗等[18]通过研究发现封育会导致荒漠草原土壤黏粒含量增加，极细砂砾含量减少;赵盼盼等[22]研究发现封育促使宁夏盐池荒漠草原地区表层土壤有机碳、全氮含量显著增加。

　　但以往研究多是对比分析相同土壤条件或相同封育年限围栏内外的土壤性质差异，而在不同土壤类型条件下，封育年限会对土壤粒径特征及碳氮储量产生何种影响还有待深入研究。基于此，本研究以宁夏荒漠草原围封6、10、15年的灰钙土样地及围封6、15年的风沙土样地土壤为研究对象，探究不同封育年限对土壤粒径及碳氮储量的影响。研究以期为进一步开展荒漠草原地区人类活动影响下的土壤过程演变机制研究奠定理论基础，为该地区今后开展围栏封育工作提供科学依据。

　　1材料与方法

　　1.1研究区概况

　　研究区域位于宁夏盐池县的荒漠草原区(37°57′23″-37°83′47″N，106°77′99″-107°50′70″E)。研究区年均气温8.1℃，属于中温带大陆性气候，无霜期150d，年均降水量280mm，年均蒸发量2710mm，且降水集中，其中7-9月降水量占全年降水量的60%以上。研究区主要土壤类型为风沙土及灰钙土，主要植物种类包括猪毛蒿(Artemisiascoparia)、牛枝子(Lespedezapotaninii)、老瓜头(Cynanchumkomarovii)、草木樨状黄耆(As-tragalusmelilotoides)、银灰旋花(Convolvulusammannii)、短花针茅(Stipabreviflora)、绵蓬(Corispermumhyssopifolium)、苦豆子(Sophoraalopecuroides)和阿尔泰狗娃花(Heteropappusaltaicus)等。

　　1.2样线设置及土样采集

　　1.2.1样线设置

　　在盐池县四墩子村、马儿庄村、皖记沟村选择植被类型连续、土壤基质相同的3个成对的封育围栏(封育年限分别为6、10、15年)和放牧围栏样地，于2018年8月中旬，以地势地貌相似为原则，分别在盐池县四墩子村、马儿庄村和皖记沟村3个试验区各选取一对围栏，每对围栏有封育围栏及与其相邻的放牧围栏，放牧围栏的放牧年限与封育围栏的围封年限一致，3个试验区相距20km以上。其中封育围栏不放牧，放牧围栏都属于适度放牧。皖记沟及四墩子试验区都有至少一条横贯封育围栏与放牧围栏的灰钙土带和风沙土带，马儿庄没有风沙土样地，仅设置灰钙土带。

　　分别在四墩子、马儿庄、皖记沟3对围栏内设置3、3和4条100m的样线。样线是贯通相邻的封育围栏和放牧围栏，相邻样线相距50m以上。每条样线以共有围栏为中心，为了克服边缘效应对观测结果的影响，在围栏分界两侧各空出10m，封育围栏与放牧围栏各40m，每隔10m设置一个1m×1m的样方，每条样线10个样方，共100个样方。其中皖记沟围栏有2条风沙土样线，四墩子围栏有1条风沙土样线，其余为灰钙土样线，共10条。

　　1.2.2土样采集与分析

　　在6、10、15年样地1m×1m样方内，呈“品”型选取3个不同的样点，每个样点采集0～5cm，5～10cm，10～20cm3层土样，3个样点每层土样装在同一塑封袋，使其充分混合均匀，带回实验室自然干燥15d，干燥后的土样过2mm筛并研磨。土壤有机碳含量(%)使用岛津SSM-500A总有机碳分析仪测定。土壤全碳(%)、全氮(%)使用元素分析仪(意大利DK6，UDK140)测定其百分含量[23]。土壤粒径组成使用英国马尔文Mastersizer3000激光衍射粒度分析仪测定，粒径分级采用美国制土壤标准[18]。

　　1.3数据分析

　　本研究采用基于Windows10系统的MicrosoftExcel2010及SPSS22.0对数据进行统计分析与制图。采用独立样本T检验(independentsamplest-test)计算不同样点不同土层土壤的粒径分布及碳氮含量的差异显著性。以P<0.05为差异显著性。

　　2结果与分析

　　2.1土壤颗粒组成

　　对宁夏盐池县荒漠草原不同封育年限围栏内外土壤粒径进行分析发现，在灰钙土样带，围封6年的围栏内外土壤颗粒组成存在一定差异：较围栏外相比，围栏内0～5cm土层差异显著(P<0.05)，黏粒、粉粒分别增加6.267%、4.837%，砂粒减少11.111%;5～10cm土层，砂粒显著减少4.088%;10～20cm黏粒显著增加5.243%，砂粒显著减少6.204%。围封10年，除5～10cm、10～20cm土层围栏内土壤粉粒分别显著减少0.526%、2.001%外，其余土层无显著变化。

　　围封15年，0～20cm土层黏粒含量表现为围栏内低于围栏外，平均减少3.476%;粉粒、砂粒含量表现为围栏内高于围栏外，粉粒、砂粒平均增加2.712%、0.774%。通过对比围栏内外土壤颗粒的变化量来看，在灰钙土样地，围封6年土壤细颗粒增加量最多，粗颗粒有效减少。而在围封15年样地，围栏内的黏粒减少，砂粒增加。

　　风沙土样带，围封6年0～5cm土层围栏内外土壤颗粒差异不显著(P>0.05);5～10cm、10～20cm土层表现为围栏内土壤黏粒含量显著低于围栏外(P<0.05)，平均减少0.478%;粉粒含量低于围栏外，平均减少4.701%;砂粒含量显著高于围栏外(P<0.05)，平均增加5.181%;在围封15年样地，0～20cm土层土壤黏粒、粉粒含量表现为围栏内土壤高于围栏外，黏粒、粉粒平均增加1.612%、1.015%;砂粒含量平均减少2.623%。总体来看，围封6年风沙土5～20cm土层围栏内土壤细颗粒显著减少(P<0.05)，而围封15年样地0～10cm围栏内粉粒显著增加，砂粒显著减少(P<0.05)。

　　2.2土壤碳

　　对宁夏荒漠草原两种典型土壤不同围封年限围栏内外土壤有机碳进行分析，发现在灰钙土及风沙土围栏内外土壤有机碳含量差异均不显著(P>0.05)。对比不同年限围栏内外变化量，发现灰钙土样地围封6、10、15年0～5cm土层围栏内外(围栏内减围栏外)土壤有机碳含量平均差值分别为0.114%、0.145%、-0.055%，封育6、10、15年5～10cm土层有机碳含量差值分别为0.145%、0.068%、-0.138%，封育6、10、15年10～20cm土层有机碳含量平均差值分别为0.155%、-0.014%、0.010%。对比风沙土围封6、15年土壤，0～5cm土层围栏内外土壤有机碳含量平均差值分别为0.088%、0.209%，5～10cm土壤有机碳含量平均差值分别为-0.078%、0.064%，10～20cm土壤有机碳含量平均差值分别为0.056%、-0.098%。可以发现，在灰钙土样地，0～5cm土层土壤有机碳含量平均差值在封育10年时达到最大，而5～20cm土层土壤有机碳含量平均差值在封育6年时达到最大。

　　风沙土0～10cm土层土壤有机碳含量平均差值表现为封育15年>封育6年，而10～20cm土壤则表现为封育6年>封育15年。对各样地土壤全碳含量进行分析，发现在灰钙土围封6年样地中，0～20cm土层均表现为围栏内土壤全碳含量高于围栏外土壤，且10～20cm土层差异显著(P<0.05);围封10年样地中，5～10cm土层围栏内土壤全碳较围栏外增加显著(P<0.05)。

　　围封15年样地，围栏内外各土层无显著变化。在风沙土样地中，除围封15年10～20cm土层外，围封6、15年样地围栏内外各土层均无显著性变化(P>0.05)。对比不同封育年限围栏内外土壤全碳含量差值，发现在灰钙土封育6、10、15年样地中，0～5cm土层围栏内外土壤全碳差值分别为0.176%、-0.084%、-0.039%，在5～10cm土层分别为0.152%、0.275%、-0.300%，10～20cm土层分别为0.367%、-0.203%、-0.328%;在风沙土封育6、15年样地，0～5cm土层围栏内外土壤全碳差值分别为0.036%、0.208%，在5～10cm土层分别为0.038%、-0.023%，10～20cm土层分别为0.178%、0.080%。可见在封育6年时，灰钙土围栏内土壤全碳含量增高量最大，随着封育年限的提升，封育对土壤全碳的提升作用降低。

　　2.3土壤全氮

　　对研究区不同类型的土壤全氮含量进行分析，发现在灰钙土样地中，围封6、10、15年样地各土层样地土壤全氮均无显著性变化。从整体来看围封未对土壤全氮产生显著影响(P>0.05)，灰钙土土壤全氮含量变化值范围为0.045%～0.066%。在风沙土样地，围封6年，0～5cm土层围栏内外全氮无显著性变化，5～10cm、10～20cm围栏内全氮含量显著高于围栏外，围封15年，0～5cm土层围栏内土壤全氮含量较围栏外增加显著(P>0.05)。对比围栏内外土壤全氮差值，在灰钙土封育6、10、15年样地，0～5cm土层围栏内外土壤全氮含量差值分别为0.003%、0.004%、0.005%，5～10cm土层分别为0.005%、0.001%、0.001%，10～20cm土层分别为0.013%、0、0.003%。在风沙土封育6、15年样地中，0～5cm土层围栏内外土壤全氮差值分别为0、0.018%，5～10cm土层分别为0.008%、0.003%，10～20cm土层分别0.020%、0.004%。

　　可见，在灰钙土0～5cm样地围栏内土壤全氮增加量随着封育年限的增加而增加，而5～10cm、10～20cm土层围栏内外土壤全氮差值在封育6年样地达到最大。而在风沙土样地0～5cm土层，封育15年围栏内外土壤全氮差值显著高于封育6年样地。3讨论与结论本研究通过对比不同质地土壤粒径组成对不同封育年限的响应，发现封育年限会对不同质地的土壤粒径产生不同的影响，从围封对灰钙土土壤粒径结构改善的效果来看，围栏内细颗粒增幅为围封6年>10年>15年。

　　而风沙土土壤颗粒呈现与灰钙土不同的变化趋势，土壤细颗粒增幅为围封15年>6年。在生态系统上灰钙土与风沙土相比，植物种类多，生态环境较稳定，土壤结皮形成较好，且植被在围封后高度、盖度提高[24]，大气中的粉尘在降尘、降水等过程中更易储存下来，而风沙土土质疏松，土壤结皮形成缓慢，土壤肥力弱，植被生长缓慢，风蚀作用大，水土易流失。所以在围封6年中，灰钙土细颗粒较风沙土积累效果显著，而风沙土细颗粒含量不仅未有显著增加，反而低于围栏外，很可能是偶然性的样线选择造成的。围封15年的灰钙土围栏内植被覆盖度和枯落物的积蓄量都显著高于围栏外[25]。

　　在本次研究样地中，灰钙土粒径细化随着封育年限增加的效果并不显著。这很可能是灰钙土随着封育年限的增加，羊只踩踏减少，土壤结构紧实和固结，风积的黏粉粒进入土壤的量增加不显著的原因。相似的结论如，张翼等[26]对比分析30年封育草地和放牧草地深层土壤粒径发现，封育30年的草地土壤中粉粒显著低于放牧草地。而风沙土随着围封年限的增加，植被群落得以恢复，风积等进入风沙土的黏粉粒比风蚀失去的黏粉粒量大，土质得到有效的改善，土壤表层养分增加，土壤颗粒细化，砂粒减少[27]，这与谭明亮等[28]的研究结果一致。综合结果来看，无论在灰钙土还是在风沙土上，围封可以有效使土壤颗粒细化，但不同土质对封育年限的响应不同，围封的时间尺度应考虑土壤退化状况和土壤质地的差异性。

　　草原方向论文投稿刊物：《内蒙古草业》创刊于1987年,是由内蒙古自治区草原勘察设计院主办,内蒙古自治区草原学会协办的国内外公开发行的综合性农业学术期刊,是反映内蒙古自治区草原建设和治理开发的刊物之一。