圍封年限對(duì)草原土壤養(yǎng)分及球囊霉素相關(guān)土壤蛋白含量的影響

賀海升，王 瓊，王其兵，王文杰

(1.東北林業(yè)大學(xué)森林植物生態(tài)學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱 150040；2.沈陽(yáng)師范大學(xué)，遼寧沈陽(yáng) 110034；3.中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，吉林長(zhǎng)春130102；4.中國(guó)科學(xué)院植物研究所，北京 100093)

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圍封年限對(duì)草原土壤養(yǎng)分及球囊霉素相關(guān)土壤蛋白含量的影響

賀海升1，2，王 瓊3，王其兵4，王文杰1*

(1.東北林業(yè)大學(xué)森林植物生態(tài)學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱 150040；2.沈陽(yáng)師范大學(xué)，遼寧沈陽(yáng) 110034；3.中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，吉林長(zhǎng)春130102；4.中國(guó)科學(xué)院植物研究所，北京 100093)

[目的]通過分析不同圍封年限的草原土壤養(yǎng)分與球囊霉素相關(guān)土壤蛋白(GRSP)的動(dòng)態(tài)變化及相互關(guān)系，研究圍封育草措施恢復(fù)退化草原的合理年限。[方法]以錫林郭勒不同圍封年限(圍封0 a、圍封13 a、圍封33 a)的羊草草原為研究對(duì)象，測(cè)定不同土層土壤有機(jī)碳、全氮、全磷及GRSP含量。[結(jié)果]隨著圍封年限的增加，土壤有機(jī)碳含量呈顯著增加趨勢(shì)；圍封13 a土壤全氮含量在0～20 cm土層中顯著增加，但隨圍封年限增加有降低趨勢(shì)，全磷含量不受圍封影響；表層土壤(0～5 cm)中GRSP含量受圍封年限影響顯著；GRSP、有機(jī)碳、全氮含量相互之間呈極顯著相關(guān)。[結(jié)論]圍封年限雖能增加有機(jī)碳含量、GRSP的產(chǎn)生量，但年限過長(zhǎng)易造成土壤中氮的匱乏，不應(yīng)無限期圍封。

圍封年限；土壤養(yǎng)分；球囊霉素土壤相關(guān)蛋白

內(nèi)蒙古錫林河流域羊草草原是我國(guó)分布面積最大的草原群落類型，也是當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)價(jià)值最高的天然草場(chǎng)。長(zhǎng)期以來，由于人為過度利用造成草原出現(xiàn)不同程度的退化。圍封育草作為當(dāng)前退化草地恢復(fù)與重建的重要措施之一，已被世界各國(guó)廣泛采用[1-3]。圍封育草過程中，土壤養(yǎng)分變化是衡量圍封土壤肥力演變的重要指標(biāo)之一，而作為植物、真菌、土壤相互作用的重要媒介物質(zhì)的球囊霉素相關(guān)土壤蛋白(Glomalin-Related Soil Protein，GRSP)也發(fā)揮著重要的生態(tài)功能。Purin等[ 4-6]根據(jù)GRSP提取的難易程度將這種蛋白分為總球囊霉素(Total Glomalin，T-GRSP)和易提取球囊霉素(Easily Extractable Glomalin，EE-GRSP)，它們是土壤中含量豐富的糖蛋白，穩(wěn)定性強(qiáng)。GRSP不僅可以提高土壤肥力，還有利于植物的根系生長(zhǎng)，進(jìn)而提高生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力[7-9]。為研究在圍封育草恢復(fù)過程中土壤養(yǎng)分和GRSP的變化及二者之間的關(guān)系，筆者探討了不同圍封年限的草原土壤養(yǎng)分及GRSP的動(dòng)態(tài)變化，了解圍封后土壤肥力的演化趨勢(shì)，旨在為草原資源的可持續(xù)利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況 試驗(yàn)地設(shè)在中國(guó)科學(xué)院植物研究所內(nèi)蒙古草原生態(tài)系統(tǒng)定位研究站，其位于內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟白音錫勒牧場(chǎng)內(nèi)錫林河中游北岸的羊草草地(115°33′～117°12′ E，43°26′～44°39′ N)。該草地的植物群落主要以根莖禾草羊草為優(yōu)勢(shì)種群，還有大針茅(Stipagrandis)、冰草(Agropyroncristatum)等。平均海拔1 100～1 300 m，中溫帶半干旱草原氣候，年均氣溫0.6 ℃，1 月和7月平均氣溫分別為-21.3和18.6 ℃，無霜期91 d，草原植物生長(zhǎng)期約150 d，年均降水量350 mm，土壤類型為暗栗鈣土[10]。

1.2 樣地設(shè)置與土壤采集 以圍封樣地外圍的自由放牧區(qū)、1999 年圍封草場(chǎng)、1979年圍封草場(chǎng)為試驗(yàn)樣地，于2012年8月在每塊樣地選取地形圍封[0 a(自由放牧)、圍封13 a、圍封33 a]和植物群落組成基本一致的地段作為取樣點(diǎn)。以采樣時(shí)間為準(zhǔn)，分別命名樣地。

在各樣地隨機(jī)選取5個(gè)樣點(diǎn)，用土鉆取0～5、5～10、10～20、20～40 cm 深度的土樣，重復(fù)取5 次。取回的土樣置于室內(nèi)風(fēng)干，混合均勻后，去除雜質(zhì)，研磨后分別過0.25 mm 土壤篩，用四分法取1 kg 土樣帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行養(yǎng)分分析。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法 GRSP含量按Wright等[11]和修改后的Janos等[12]的考馬斯亮藍(lán)法測(cè)定。土壤有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測(cè)定；土壤全氮含量采用半微量凱氏定氮法測(cè)定；土壤全磷含量采用鉬銻抗比色測(cè)定[13]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì) 利用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS 17.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 圍封年限對(duì)土壤養(yǎng)分的影響 從圖1可以看出，隨著圍封年限的增加，0～40 cm有機(jī)碳含量呈上升趨勢(shì)，與圍封0 a相比，圍封13 a和圍封33 a的有機(jī)碳含量分別增加了63.2%、78.6%，顯著差異(P<0.05)，但圍封13 a與圍封33 a相比有機(jī)碳含量差異不顯著(P>0.05)。隨著圍封年限的增加，0～40 cm全氮含量分別增加了48.0%、27.8%，差異不顯著(P>0.05)，但圍封33 a與圍封13 a相比，全氮含量有下降趨勢(shì)，二者差異不顯著(P>0.05)。與圍封0 a相比，0～20 cm圍封13 a顯著增加全氮含量(P<0.05)，而圍封33 a各土層全氮含量差異不顯著(P>0.05)。不同圍封年限0～40 cm土層全磷含量雖未達(dá)到差異顯著水平(P>0.05)，但與圍封0 a相比，圍封13 a的全磷含量增加了6.2%，圍封33 a全磷含量降低了11.3%。

注：不同小寫字母表示土層間顯著差異(P<0.05)。Note：Different lowercase letters showed significant difference among soil layers(P<0.05).圖1 不同圍封年限各土層養(yǎng)分含量比較Fig.1 Differences of soil nutrients in different enclosure duration

2.2 圍封年限對(duì)GRSP含量的影響 EE-GRSP是土壤中新鮮的GRSP，T-GRSP反映了土壤中累積GRSP的水平[9，12]。從圖2可以看出，與圍封0 a相比，圍封13 a和圍封33 a 0～40 cm土層的EE-GRSP含量顯著增加(P<0.05)，而T-GRSP含量增加不顯著(P>0.05)。其中，0～5 cm 土層中T-GRSP含量增加尤為突出，達(dá)到顯著差異水平(P<0.05)，EE-GRSP分別增加了28.7%、48.0%，T-GRSP分別增加了28.5%、30.4%。隨著土層深度的增加，GRSP含量總體呈降低趨勢(shì)。

注：不同小寫字母表示土層間顯著差異(P<0.05)。Note：Different lowercase letters showed significant difference among soil layers(P<0.05).圖2 不同圍封年限各土層GRSP含量比較Fig.2 Differences of GRSP in different enclosure duration

2.3 GRSP與土壤養(yǎng)分相關(guān)性分析 由表1可知，T-GRSP、有機(jī)碳、全氮含量之間呈極顯著相關(guān)(P<0.01)，而T-GRSP與全磷含量呈顯著相關(guān)(P<0.05)。由表2可知，圍封年限可以顯著影響土壤養(yǎng)分與GRSP含量，圍封年限與土層的交互作用可以顯著影響土壤有機(jī)碳、GRSP的含量。

3 結(jié)論與討論

(1)隨著圍封年限的增加，土壤中有機(jī)碳含量呈增加趨勢(shì)(P<0.05)，這與李景剛等[14-15]研究結(jié)果一致；與圍封0 a相比，圍封13 a0～20 cm土層中土壤全氮含量顯著增加(P<0.05)，圍封33 a各土層全氮含量均低于圍封13 a。這說明圍封育草可以增加土壤有機(jī)碳和全氮含量，但隨著圍封年限的增加，全氮含量有所下降，不利于土壤養(yǎng)分的循環(huán)。Rillig等[16-17]研究表明，隨著土壤年齡的增加，GRSP含量呈升高趨勢(shì)，這與筆者的研究結(jié)果一致。圍封0 a與圍封13 a和圍封33 a 0～5 cm表層土壤GRSP含量差異顯著(P<0.05)，隨著土層深度的增加，GRSP含量總體呈降低趨勢(shì)，說明表層GRSP含量顯著高于深層，表層分布的新鮮與積累的GRSP更多，這與仲召亮等[18]的研究結(jié)果一致。由此可知，圍封育草能增加表層GRSP的產(chǎn)生量與積累量。GRSP含量與土壤養(yǎng)分碳、氮、磷含量有顯著相關(guān)性，說明在圍封育草過程中，GRSP是土壤養(yǎng)分循環(huán)的重要媒介，在恢復(fù)草原生態(tài)系統(tǒng)過程中，GRSP發(fā)揮著不可忽視的作用。

表1 GRSP與主要土壤肥力指標(biāo)相關(guān)性

注：**表示差異極顯著(P<0.01)，*表示差異顯著(P<0.05)。

Note：** showed extremely significant difference(P<0.01)，and * showed significant difference(P<0.05).

表2 圍封年限與土層深度的雙因素方差分析結(jié)果

(2)綜上所述，圍封育草雖然能夠提高退化草原有機(jī)碳、GRSP的產(chǎn)生量和積累量，但隨著圍封年限的增加，必然會(huì)造成土壤氮的匱乏。因此，不應(yīng)該無限期圍封，在草地圍封一段時(shí)間后，應(yīng)適當(dāng)合理利用，不僅可以避免草原資源的閑置浪費(fèi)，又能促使草地生態(tài)系統(tǒng)的能量和物質(zhì)保持良性循環(huán)，從而維持草原生態(tài)系統(tǒng)平衡及可持續(xù)利用。

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Impact of Enclosure Duration on Soil Nutrients and Glomalin Related Soil Protein in Grassland

HE Hai-sheng1, 2, WANG Qiong3, WANG Qi-bing4, WANG Wen-jie1*

(1. Key Laboratory of Forest Plant Ecology, Ministry of Education, Northeast Forestry University, Harbin, Heilongjiang 150040; 2. Shenyang Normal University, Shenyang, Liaoning 110034; 3. Northeast Institute of Geography and Agroecology, Chinese Academy of Sciences, Changchun, Jilin 130102; 4. Institute of Botany, The Chinese Academy of Sciences, Beijing 100093)

[Objective] To study reasonable time of enclosed measures for recovering degraded grassland by analyzing association between soil nutrients and glomalin related soil protein (GRSP) in grassland with different enclosure duration. [Method] Chinese wildrye grassland of different enclosure duration (0, 13 and 33 a) in Xilingol was selected as object in this study. We determined some soil parameters in different soil layer, including soil organic carbon (SOC), total nitrogen (N), total phosphorus (P) and GRSP content. [Result] Enclosure duration was positively correlated with SOC. Soil N of 0-20 cm could significantly increase in enclosure of 13 years, and there was a decreased trend with increasing enclosure duration. Soil P was not affected by different enclosure duration. GRSP content of surface soil (0-5 cm) could significantly increase in the process of enclosure. Meanwhile, highly significant correlations among SOC, N and GRSP were observed in this study. [Conclusion] Although enclosure duration could increase SOC and GRSP, longer duration was liable to reduce soil N. Consequently, enclosure duration cannot be sustained indefinitely.

Enclosure duration; Soil nutrients; Glomalin Related Soil Protein

973專項(xiàng)(2011CB403205)；中央高校創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)與重大項(xiàng)目培育資金項(xiàng)目(2572014EA01)；黑龍江省杰出青年基金項(xiàng)目(JC201401)。

賀海升(1982-)，男，內(nèi)蒙古呼倫貝爾人，實(shí)驗(yàn)師，從事植物生態(tài)學(xué)研究。*通訊作者，教授，博士生導(dǎo)師，從事植物生態(tài)學(xué)、土壤恢復(fù)生態(tài)學(xué)研究。

2016-07-22

S 812.29

A

0517-6611(2016)28-0114-03