若爾蓋沙化草地不同生態恢復模式土壤活性有機碳及碳庫管理指數變化

蒲玉琳,葉 春,張世熔,龍高飛,楊麗蓉,賈永霞 , 徐小遜, 李 云

1 四川農業大學資源學院, 成都 611130 2 四川農業大學環境學院, 成都 611130 3 四川省地質礦產勘查開發局成都水文地質工程地質隊, 成都 610072 4 四川省若爾蓋縣環境保護和林業局, 若爾蓋 624500

若爾蓋沙化草地不同生態恢復模式土壤活性有機碳及碳庫管理指數變化

蒲玉琳1,葉 春1,張世熔2,*,龍高飛3,楊麗蓉4,賈永霞1, 徐小遜2, 李 云1

1 四川農業大學資源學院, 成都 611130 2 四川農業大學環境學院, 成都 611130 3 四川省地質礦產勘查開發局成都水文地質工程地質隊, 成都 610072 4 四川省若爾蓋縣環境保護和林業局, 若爾蓋 624500

研究退化林草地不同生態恢復模式土壤活性有機碳和碳庫管理指數變化,可為評價生態恢復措施提升土壤質量的效果,以及優化生態恢復模式的選擇提供重要參考。結合野外調查和室內分析法,研究了若爾蓋沙化草地不同生態恢復模式土壤有機碳組分及碳庫管理指數變化。若爾蓋沙化草地的生態恢復模式有：灌草間作模式Ⅰ(條帶狀紅柳間植草本植物,SGⅠ)、灌草間作模式Ⅱ(環狀紅柳間植草本植物,SGⅡ)、沙障+灌草模式(紅柳沙障+紅柳間植草本植物,SBSG)。結果表明,與沙化草地(DG)相比，3種恢復模式都能提高土壤有機碳及其活性組分含量。SGⅠ模式的全剖面土壤微生物量碳(MBC)、溶解性有機碳(DOC)、易氧化有機碳(EOC)、顆粒有機碳(POC)含量分別增加36.6%、139.0%、89.4%、130.9%； SGⅡ模式的分別增加2.7%、-43.9%、15.0%、49.7%；SBSG模式的分別增加82.4%、21.8%、56.2%、170.3%。表明SGⅠ與SBSG提高土壤有機碳的效應相近,而且二者都遠大于SGⅡ。3種生態恢復模式土壤活性有機碳分配比例與DG的差異表現不一致,顯著體現是SGⅠ模式土壤DOC分配比例的垂直變化出現分餾現象。3種生態恢復模式土壤碳庫管理指數(CPMI)均大于100%,能不同程度地提升土壤質量,其效應大小為SGⅠ>SGⅡ>SBSG。易氧化有機碳可作為反映沙化草地生態修復模式土壤質量變化的優選指標,CPMI也可用于表征生態恢復措施提升沙化草地土壤質量的效果。

若爾蓋；沙化草地；生態恢復；土壤; 活性有機碳；碳庫管理指數

土壤有機碳是植物所需養分和土壤微生物生命活動的能量來源, 對改善土壤肥力[1-2]、降低土壤有機與無機污染[3-4]、緩減全球溫室效應[5-6]具有重要作用。雖然土壤活性有機碳,特別是微生物碳與可溶性有機碳占總有機碳比例一般較小[7-8],但可顯著影響土壤形成過程與生物化學過程。土壤活性有機碳受退化土地生態恢復措施、土壤施肥與耕作方式等的影響[9-11],能在總有機碳變化之前更敏感地反應土壤質量變化情況,是評價土壤質量的重要指標[9]。土壤碳庫管理指數(Carbon pool management index,CPMI) 是土壤有機碳和參考土壤有機碳的比值與土壤有機碳活度指數的乘積,綜合考慮了土壤總有機碳與活性有機碳,可比活性有機碳更為靈敏地反映各種土地利用或管理措施引起的土壤質量下降或更新的程度[12-14]。

青藏高原東北邊緣的若爾蓋高原濕地,不僅是我國兩大“母親河”的水源涵養區和西北干旱區沙塵暴的有效隔離區,還是地球上的天然碳“庫”與碳“匯”,土壤母質為第四紀松散沉積物。20世紀50年代至90年代,由于開溝排水、過度放牧、鼠蟲危害、氣候暖干化[15],濕地退化、草地沙化是該區域面臨的兩大生態環境問題。據若爾蓋縣土地沙化監測結果顯示,自1994年以來,該縣沙化土地持續增加,截止2014年已達803018.2 hm2(含露沙地58713.8 hm2),占該縣土地總面積的7.69%。對此,自20世紀90年代中期開始,四川省政府啟動了若爾蓋縣沙地綜合治理的研究與示范點工程,已初現成效。因為多次的監測結果表明,該縣沙化土地的年遞增率逐漸降低,1999—2004年的年增率11.65%,2004—2009年10.88%、2009—2014年4.84%；極重度沙地(流動沙丘)自2009年后也降低(2009年5970.66 hm2,2014年40405.6 hm2)。

沙化草地在沙化治理初期,特別是流動沙丘,只有土壤環境恢復至適合植物生長的條件下,人工生態恢復措施才能取得較好效果。短期內如何反映生態恢復措施使“土壤環境恢復至適合植物生長的條件”？土壤活性有機碳及CPMI 是首選、重要敏感指標。但迄今為止,對若爾蓋高原乃至整個青藏高原沙化草地及其不同生態修復模式土壤有機碳與CPMI的研究,主要是關注不同沙化程度草地土壤[16]或不同恢復年限土壤總有機碳及其部分活性有機碳的變化[17],有的甚至僅在分析生態恢復模式對土壤理化性質的影響中涉及土壤有機碳含量特征[18-19],未曾有沙化草地不同恢復模式下土壤活性有機碳及CPMI的研究報道。因此,本文以若爾蓋縣重點沙化治理區,轄曼鄉與黑河牧場的沙化草地不同生態恢復模式土壤為研究對象,探討土壤有機碳及其活性組分、碳庫管理指數的變化特征,對沙化草地的優化生態恢復模式的推廣,實現高寒草地生態系統“增匯減排”,緩解全球變暖具有重要的意義。

1 研究區概況

研究區地理位置33°33′—33°54′N,102°26′—102°35′E,海拔3400—3600m,行政隸屬若爾蓋縣西部的轄曼種羊場、轄曼鄉與黑河牧場。該區域地貌有高原丘陵、湖群低洼地、河谷平原沼澤3類,黃河支流與黑河水系；屬大陸性季風高原型氣候區,具有寒帶氣候特征,無霜期平均32d,年平均氣溫1.6℃,年降水量464.8mm,年蒸發量達1013.0mm,相對濕度64%,年大風日數8d。植被以草甸與亞高山草甸植物為主,少量沼生與濕生植物；土壤類型以草甸土、亞高山草甸土為主,有部分沼澤土、泥炭土。近20年來,受自然和人為因素、鼠害的影響,區內沙化土地日益增多,沙丘侵吞了草場,有毒有害植物明顯增加,牧草質量下降,阻礙了畜牧業生產的發展,也導致斑塊狀風沙土面積增大,甚至連綿不斷,形成片狀,如縣道u13的唐克至黑河牧場段。

2 研究方法

2.1 樣品采集

研究區內沙化草地的主要生態恢復模式有3種,分別是灌草間作模式Ⅰ (條帶狀高原紅柳(Tamarixramosissima)間植草本植物,SGⅠ)、灌草間作模式Ⅱ(環狀高原紅柳間植草本植物,SGⅡ)、沙障+灌草模式(高原紅柳沙障+高原紅柳間植草本植物,SBSG)。沙化草地不同生態恢復模式的典型樣地選擇與土壤樣品采集：首先,野外實地踏勘結合Google earth 的遙感影像圖,選定3種沙化草地生態恢復模式的典型樣地；然后,記錄地形地貌、植被覆蓋度、植被類型等基本情況(表1)；再后,依據微地形變化情況,每個樣地布設3個采樣點,每個采樣點又設置3個10m×10m的小樣方；最后,每個小樣方在紅柳林下與紅柳林之間的草本植物帶,采用剖面挖掘法采集0—5、5—10、10—20、20—30、30—50、50—80 cm土層土樣,將各小樣方相同土層土樣混合均勻,帶回約600g土樣至室內供活性有機碳等指標測定。采集各沙化草地生態恢復模式土壤的同時,選擇環境條件相近的植被覆蓋近似為零的極重度沙化草地或裸沙地(DG)作為對照,共3個,其基本情況見表1。

2.2 性質測定

土壤總有機碳(TOC)重鉻酸鉀容量法；溶解性有機碳(DOC) 1mol/L KCl(5∶1)浸提,重鉻酸鉀容量法[20]；易氧化有機碳(EOC)333mmol/L KMnO4氧化-比色法[21]；微生物量碳(MBC)氯仿熏蒸培養-K2SO4浸提,重鉻酸鉀容量法[22]；顆粒有機碳(POC) 5 g/L (NaPO3)6超聲波震蕩分離,過53um篩,重鉻酸鉀容量法[23]。全氮、全磷、堿解氮與速效磷的測定方法分別是CuSO4-K2SO4-Se(100∶1∶1)消化半微量凱氏定氮法、H2SO4-HClO4-鉬銻抗比色法、堿解擴散法、NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法[24]。微生物量氮氯仿熏蒸-K2SO4浸提,茚三酮比色法；微生物量磷氯仿熏蒸-NaHCO3浸提,鉬銻抗比色法[22]。

2.3 數據分析

碳庫管理指數(CPMI)用于反映沙化草地不同生態恢復模式土壤質量的變化。以無生態恢復措施土壤碳庫活度(A)和總有機碳(TOC)含量的平均值作為參考土壤的A、TOC,計算沙化草地不同生態恢復模式土壤的CPMI[21],具體計算方法式如下：

表1 樣地基本概況

DG：無生態恢復措施的沙化草地 Desertification grassland without ecological restoration measures; SG：沙化草地的灌草間作修復模式Ⅰ shrub-grass intercrop restoration patternⅠof desertification grassland; SGⅡ：沙化草地的灌草間作修復模式Ⅱ Shrub-grass intercrop restoration pattern Ⅱof desertification grassland; SBSG：沙化草地的沙障+灌草修復模式Sand-barrier plus shrub-grass intercrop restoration pattern of desertification grassland

碳庫活度(A)=EOC/(TOC-EOC)

碳庫活度指數(CA)=生態恢復模式土壤A/參考土壤A

碳庫指數(CPI)=生態恢復模式土壤TOC/參考土壤TOC

碳庫管理指數(CPMI)=CPI×CA×100%

采用Excel 2003和SPSS 11.0軟件進行數據統計分析,單因子方差分析(Oneway-AVOVA)和新復極差法(Duncan)進行不同生態恢復模式之間土壤有機碳及其活性組分的差異顯著性檢驗(α=0.05)。

3 結果與分析

3.1 沙化草地不同生態恢復模式土壤總有機碳變化

由圖1可知,DG與SGⅠ模式土壤總有機碳含量在垂直方向上的變化是先升高后降低, 5—10 cm或10—20 cm土層最大；SGⅡ、SBSG模式的與大多數土壤一致,隨土層深度增加逐漸減小。除SGⅠ的0—5 cm與SGⅡ的5—10、20—30 cm土層土壤有機碳含量與DG的相應土層相近外,不同恢復模式其他土層土壤有機碳含量均增加,增幅為15.9%—271.7%,且SGⅠ的0—10 cm、SGⅡ的0—5、30—50、50—80cm土層土壤總有機碳含量與DG相應土層土壤的達顯著(P<0.05)。各沙化草地全剖面土壤總有機碳含量的高低順序為SGⅠ(5.96 g/kg)> SBSG(5.82 g/kg)> SGⅡ(3.41 g/kg)>DG(2.97 g/kg)。

3.2 沙化草地不同生態恢復模式土壤活性有機碳變化

3.2.1 微生物量碳

土壤微生物活躍土層為根系分布層次,本研究中的無生態恢復模式沙化草地僅有極少草本植物,各生態恢復模式沙化草地的植物為高原紅柳與早熟禾等草本植物,根系集中分布在20cm土層以內,高原紅柳的可達50cm土層。因此,本文重點分析0—50cm土層土壤微生物量碳(MBC)含量。由圖2可知,3種生態恢復模式土壤MBC含量的垂直變化是先升高后降低, 5—10cm或10—20cm土層達最高,DG模式的則是隨土層深度的增加逐漸減小。SGⅠ、SBSG模式各土層土壤MBC含量均高于DG,增幅分別是6.4%—55.1%,67.4%—136.6%,其中SBSG模式的5—10cm土層MBC含量與DG的達顯著 (P<0.05)。除0—5 cm土層外,SGⅡ模式的其余土層土壤MBC含量都略高于DG, 增幅2.5%—14.3%。各沙化草地全剖面土壤MBC含量的高低順序為SBSG(44.63 mg/kg)> SGⅠ(33.42mg/kg) >SGⅡ(25.13 mg/kg)>DG(24.47 mg/kg)。

圖1 土壤總有機碳含量Fig.1 The content of soil total organic carbon (TOC)圖中數據為平均值±標準誤(n=3)

圖2 土壤微生物量碳含量Fig.2 The content of microbial biomass carbon (MBC)

3.2.2 溶解性有機碳

圖3顯示,DG與SGⅡ、SBSG模式土壤DOC含量在垂直方向上的變化也是先升高后降低,5—10cm土層最高；SGⅠ模式的則是隨土層深度的增加逐漸減小。SGⅠ模式各土層土壤DOC含量均高于DG,增幅45.5%—185.9%,其中0—5、10—20、30—50、50—80cm土層DOC含量與DG的達顯著 (P<0.05)。SBSG模式20cm以上的3層土壤DOC較DG的相應土層增加68.9%—93.9%,20cm以下土層土壤的與DG相應土層的差異極小。SGⅡ模式各土層土壤DOC含量卻小于DG的相應土層。各沙化草地全剖面土壤DOC含量的高低順序為SGⅠ(38.89 mg/kg) >SBSG(19.83 mg/kg)> DG(16.27 mg/kg)> SGⅡ(9.13 mg/kg)。

圖3 土壤溶解性有機碳含量Fig.3 The content of dissolved organic carbon (DOC)

3.2.3 易氧化有機碳

圖4顯示,DG與SGⅠ、SBSG模式土壤易氧化有機碳(EOC)含量的垂直變化也為先升高后降低,10—20cm土層達最高；SGⅡ模式的則是隨土層深度的增加逐漸減小。SGⅠ模式各土層土壤DOC含量均高于DG,增幅47.0%—162.8%,其中10—20、50—80cm土層土壤DOC含量與DG的達顯著 (P<0.05)。SBSG模式各土層土壤EOC也均高于DG,增幅16.1%—90.8%。SGⅡ模式,盡管其10—20、20—30cm土層土壤EOC小于DG,但其余土層土壤EOC卻較DG的高,增幅29.0%—87.6%。各沙化草地全剖面土壤EOC含量的高低順序為SGⅠ(2.25 g/kg) >SBSG(1.86 g/kg)> SGⅡ(1.37 g/kg)>DG(1.19 g/kg)。

圖4 土壤易氧化有機碳含量Fig.4 The content of easily oxidized organic carbon (EOC)

3.2.4 顆粒有機碳

圖5顯示,土壤顆粒有機碳(POC)含量在垂直方向上的變化趨勢為,SGⅠ模式的先升高后降低, 10—20cm土層達最高,DG、SGⅡ、SBSG模式的則是隨土層深度的增加逐漸減小。SGⅠ模式各土層土壤POC含量均高于DG,增幅61.1%—300.7%,其中10—20cm土層土壤POC含量與DG的達顯著 (P<0.05)。SGⅡ、SBSG模式各土層土壤POC含量也都高于DG, 增幅分別為14.3%—75.0%,110.1%—234.2%,其中SBSG模式的10—20、30—50、50—80cm土層土壤POC含量與DG的達顯著。SGⅠ、SGⅡ與SBSG模式的全剖面土壤POC含量分別比DG(1.48g/kg)高130.9%、49.7%、170.3%。各沙化草地全剖面土壤POC含量的高低順序為SBSG(3.99 g/kg)>SGⅠ(3.41 g/kg) > SGⅡ(2.21 g/kg)>DG(1.48 g/kg)。

圖5 土壤顆粒有機碳含量Fig.5 The content of particulate organic carbon (POC)

3.3 沙化草地不同生態恢復模式土壤活性有機碳分配比例變化

土壤某種活性有機碳的分配比例是指該種活性有機碳與總有機碳的比例。統計結果顯示,研究區沙化草地土壤活性有機碳分配比例的垂直變化無明顯規律可循,故表2只列了土壤活性有機碳分配比例的變化范圍及全剖面均值。土壤MBC的分配比例也稱微生物熵,反映了輸入土壤中有機物向微生物量碳的轉化效率,值越大,轉化率越大,微生物對有機碳的利用率越高。由表2可知,總體上,供試土壤微生物熵較低,變幅0.09%—2.18%,全剖面的微生物熵值略高于1.00%。與DG相比,3種生態恢復模式土壤微生物熵略有降低,但差異不顯著。低溫、干旱環境致使研究區土壤DOC分配比例變化范圍僅為0.16%—1.62%,還低于微生物熵。與DG相比,SGⅠ模式的全剖面土壤DOC分配比例明顯增加,SGⅡ、SBSG模式的則相反。同時,SGⅠ模式土壤DOC分配比例的垂直變化出現分餾現象[25]：表層(0—5 cm),化學結構更復雜的DOC 組分被土壤優先吸附和截留,土壤DOC分配比例1.95%,是DG模式相應土層土壤的3.65倍；深層(30cm以下),結構更簡單的DOC組分則淋溶至此,土壤DOC分配比例變化范圍0.93%—0.97%,是DG模式相應土層土壤的1.51—1.63倍。土壤EOC分配比例變化范圍為13.68%—68.88%,遠遠高于微生物熵與DOC分配比例。相較于DG,SGⅠ、SGⅡ模式的全剖面土壤EOC分配比例有所增加,SBSG模式的則明顯降低。土壤POC分配比例變化范圍是11.76%—88.59%,不僅高于EOC分配比例,還遠遠大于微生物熵與DOC分配比例。3種生態恢復模式的全剖面土壤POC分配比例分別比DG模式的增加22.92%、26.46%、25.73%。

表2 土壤活性有機碳占總有機碳的比例

TOC：總有機碳Total organic carbon; MBC：微生物量碳 Microbial biomass carbon; DOC：溶解性有機碳, Dissolved organic carbon; EOC：易氧化有機碳 Easily oxidized organic carbon; POC：顆粒有機碳Particulate organic carbon

3.4 沙化草地不同生態恢復模式土壤碳庫管理指數變化

由表3可知,3種恢復模式土壤碳庫活度指數(CA)在0.35—2.05之間,且超過半數以上的土層土壤CA值小于1；土壤CA無明顯的垂直變化規律；SGⅠ、SGⅡ模式全剖面土壤CA值大于1,SBSG的僅為0.77。盡管3種恢復模式土壤碳庫指數(CPI)垂直變化也無明顯規律可循,但除SGⅠ模式的0—5 cm土層、SGⅡ模式的5—10 cm土層、20—30 cm土層小于或等于1,其余土層的均大于1；3種恢復模式土壤全剖面CPI均大于1,其大小順序為SGⅠ>SBSG>SGⅡ,與TOC、EOC一致。雖然3種恢復模式土壤CPMI垂直變化規律與CA、CPI相似,但也僅SGⅡ模式的10—20 cm土層、20—30 cm土層小于100%,其余土層的都大于100%；3種修復模式土壤全剖面CPMI值均大于100%,其大小按SGⅠ、SGⅡ、SBSG的順序減小。可見,沙化草地的3種生態恢復模式都不同程度地提高了土壤質量。

表3 土壤碳庫管理指數及相關指標

3.5 沙化草地土壤活性有機碳組分、碳庫管理指數與其他性質的相關性

土壤活性有機碳組分、碳庫管理指數與有機質、氮磷素的相關性統計結果(表4)顯示,土壤各活性有機碳組分、CPMI均與有機質、氮磷素呈正相關。土壤MBC與全氮、全磷、微生物量磷的相關系數達顯著或極顯著,與堿解氮的在10%水平上顯著； DOC與有機質、全氮、全磷、堿解氮、微生物量磷的相關系數達顯著或極顯著,與速效磷的在10%水平上顯著；EOC、POC與有機質、全量氮磷、有效氮磷、微生物量氮磷的相關系數均達顯著或極顯著。可見,本研究中的MBC、DOC、EOC與POC均能指示沙化草地土壤養分肥力的變化,尤其是EOC與POC。土壤CPMI與各養分指標的相關系數,僅與微生物量氮達顯著,與有機質在10%水平上顯著。但統計結果又顯示,本研究中土壤CPMI與EOC、POC與相關系數分別為0.630(P<0.001)、0.235(P<0.05),達極顯著、顯著,間接表明土壤CPMI也可用于表征生態恢復措施對沙化草地土壤質量的影響。

表4 土壤活性有機碳、碳庫管理指數與其他土壤性質的相關性

*P<0.1; *P<0.05; **P<0.01

4 討論

4.1 沙化草地不同生態恢復模式提高土壤有機碳效應的差異

土壤有機碳含量取決于有機物料輸入和損失量的差值,輸入量大于損失量,有機碳含量升高,反之降低。本研究顯示,SGⅠ、SGⅡ、SBSG模式土壤全剖面總有機碳含量分別比DG高100.6%、14.7%、96.0%。可見,3種恢復模式均能不同程度地提高了沙化草地土壤總有機碳含量,與彭佳佳等[19]、史長光等[19]、周家福[18]之前在紅原一帶的研究結果一致。這歸功于3種恢復模式都能防風固沙,增加水分入滲[26-27],提供適合植物生長的基本土壤條件,從而增大土壤中枯落物的歸還量與地下根系量及其根系分泌物量、微生物數量[28],最終致使有機物料的輸入量高于礦化分解損失量。不同恢復模式提高土壤總有機碳含量的效應不一致,SGⅠ、SBSG模式土壤總有機碳含量分別比SGⅡ模式的高74.9%、70.9%,表明灌草間作模式Ⅰ與沙障+灌草模式提高土壤有機碳的效果相近,但都優于灌草間作模式Ⅱ。

本研究中,SGⅠ、SGⅡ與SBSG模式的全剖面土壤MBC含量分別比DG高36.6%、2.7%、82.4%,DOC含量分別比DG高139.0%、-43.9%、21.8%,EOC含量分別比DG高89.4%、15.0%、56.2%,POC含量分別比DG高130.9%、49.7%、170.3%。這表明總體上3種恢復模式土壤各組分活性有機碳含量均較DG有不同程度的增加,與沙化草地高山紅柳間植草本植物模式在瓦切鄉的試驗效果一致[17],與其他地區的植被恢復措施可有效提高土壤活性有機碳效應的結論相似[29-30]。不同恢復模式提高土壤活性有機碳效應不一致,其中提高土壤MBC、DOC、POC的效應大小為,SBSG > SGⅠ>> SGⅡ；提高土壤EOC的效應大小則為,SGⅠ> SBSG >> SGⅡ。綜合分析3種恢復模式的恢復年限(表1),以及全剖面土壤4種活性有機碳含量不難發現,沙障+灌草模式是一種效果最佳的沙化草地生態恢復模式。這是因為方形高原紅柳等樹枝沙障能固沙,方形沙障中的高原紅柳成條帶狀與早熟禾等草本植物不僅可固沙防風,還能阻止外源沙,進而營造一適合植物生長發育的土壤環境,生長較好植物又可向土壤中輸入較多有機物,促進有機碳及活性組分的增加,如此循環,可快速恢復亞高山(灌叢)草甸生態環境。

與相關研究結果[17-19]相比,若爾蓋沙化草地土壤總有機碳及其活性組分含量的垂直分布規律不全是隨土層深度增加而減小,如DG模式的TOC、DOC、EOC含量,SGⅠ模式的TOC、MBC、EOC、POC含量,SGⅡ模式的MBC、DOC含量,SBSG模式的MBC、DOC、EOC含量是先增加后減小,大致在5—10 cm土層或10—20 cm土層最大。這與蔡曉布等[16,31]對藏北高原的高寒正常草地與沙化草地土壤的研究結論相似。因為沙區的風蝕、風積作用[32-33]導致表層土壤砂粒多于亞表層,即使是生態恢復模式下的土壤仍存在這種風蝕、風積作用,由此帶給土壤性質的負效應遠大于正效應。

4.2 沙化草地不同生態恢復模式土壤活性有機碳分配比例的差異

研究區的低溫、干旱環境使得土壤微生物熵、DOC分配比例均較低,變化范圍分別為0.09%—2.18%、0.16%—1.62%。其中微生物熵低于內蒙古科爾沁沙化草地土壤(1.7%—4.8%)[29]；DOC分配比例與內蒙古錫林河流域草地土壤的(0.32%—1.09%)相似[34],高于藏北高原正常與沙化草地土壤(<0.1%)[31]。但這一獨特的低溫、干旱、砂土質地條件卻有助于輸入土壤中的有機物向EOC、POC轉化。土壤EOC、POC分配比例變化范圍分別為13.68%—68.88%、11.76%—88.59%,遠遠高于微生物熵與DOC分配比例。其中土壤EOC分配比例高于蔡曉布等[31]在藏北高原沙化與圍欄封育草地土壤 (17.0%—22.5%),可能是藏北高原土壤總有機碳較高,大多在6.0g/kg—10.0g/kg之間,而本研究中土壤總有機碳較低,大部分變幅在2.0—6.0g/kg。土壤POC分配比例高于楊新國等[30]在寧夏鹽池的沙化草地土壤 (28.7%—63.6%),這是因為研究區的土壤顆粒組成中以砂粒(2—0.02mm)為主,變幅8.20%—95.83%[35-36],與有機碳結合的絕大多數土壤顆粒是砂粒,造就了土壤POC的高分配比例。

3種生態恢復模式的全剖面土壤微生物熵均較DG模式的略有降低,且不同生態恢復模式之間無顯著差異,說明不同生態恢復模式下,輸入土壤中有機物轉化成微生物碳的速率低于無生態恢復措施土壤,其微生物熵的增大還有賴于恢復年限的增加引起土壤中體積<5—105μm活的細菌、真菌、藻類和微動物的增多。3種生態恢復模式的全剖面土壤POC分配比例都高于DG模式,增幅22.92%—26.46%。表明仍處于砂土質地條件的各生態恢復模式,其輸入土壤中有機物向POC轉化量較多,速度也較快,但不同生態恢復模式之間無顯著差異。各生態恢復模式全剖面土壤DOC、EOC與DG的差異則因沙化草地不同生態恢復模式及其恢復年限的差異不一致。SGⅠ模式的恢復年限已達7年,輸入有機物轉化成DOC的量不僅多,速率也可能較大,致使土壤DOC分配比例明顯高于DG,垂直變化出現分餾現象[25]。SGⅡ模式的恢復年限雖也達7a,但4—5行高山紅柳為環狀栽植,防風固沙能力較弱,輸入有機物轉化成DOC的量不僅少,速率也可能較低,致使土壤DOC分配比例低于DG。SBSG模式的則因恢復年限較低導致土壤DOC分配比例也低于DG。也正是因為恢復年限的差異(表1),SGⅠ、SGⅡ模式的全剖面土壤EOC分配比例較DG有所增加, SBSG模式的則明顯低于DG。

4.3 沙化草地土壤活性有機碳及碳庫管理指數對土壤質量的表征作用

土壤CPMI從有機碳庫的角度反映不同土壤環境條件下土壤質量的差異以及人工生態恢復措施提升土壤質量的能力[9,31]。本研究結果顯示,SGⅠ、SGⅡ、SBSG模式的全剖面土壤CPMI分別為182.5%、157.1%、129.9%,均大于100%。可見,3種恢復模式均能不同程度地提升土壤質量,這與邱莉萍等[12]、Gong等[9]的研究結論相似；同時,由于恢復年限的差異(表1),3種恢復模式提升土壤質量的能力大小為,灌草間作模式Ⅰ>灌草間作模式Ⅱ>沙障+灌草模式。表明沙障+灌草模式提高土壤有機碳效應雖較灌草間作模式Ⅱ高,但易氧化有機碳的增加量相對少于難氧化有機碳,導致其有機碳質量(碳素有效性)反而低于灌草間作模式Ⅱ。

大量研究表明,土壤活性有機碳組分、碳庫管理指數與大多數物理、化學、生物性質呈顯著相關,可作為表征土壤質量對水、肥、耕作等管理措施與覆被變化等土壤環境條件變化的早期靈敏反應指標[9-12,37]。本研究結果顯示,土壤MBC、DOC、EOC與POC基本都與有機質、氮磷呈顯著正相關,可指示沙化草地土壤養分肥力變化,與邱莉萍等[12]、Gong等[9]等的研究結論相似。土壤CPMI與微生物量氮、EOC、POC呈顯著或極顯著正相關,與有機質在10%顯著水平上呈正相關。表明CPMI仍可在一定程度上用于表征生態恢復措施對沙化草地土壤質量的影響,與Gong等[9]等的研究結論相似。綜合比較各活性有機碳與土壤養分的相關性,以及各活性組分的測定方法,本研究認為土壤EOC不僅測定方法簡單、工序少、省時,而且能在短時間內變化較大,可作為反映生態恢復措施對沙化草地土壤質量影響的優選指標。

5 結論

3種恢復模式均不同程度地提高了土壤總有機碳及其活性組分的含量。與DG相比,3種恢復模式土壤活性有機碳的增幅為2.7%—139.0%。不同恢復模式提高土壤有機碳效應的大致趨勢是,灌草間作模式Ⅰ≈沙障+灌草模式>>灌草間作模式Ⅱ。

高寒、干旱環境條件以及砂土質地使得沙化草地土壤微生物熵、DOC分配比例較小,EOC、POC分配比例則較高。3種生態恢復模式土壤活性有機碳分配比例與DG的差異表現不一致,顯著體現是SGⅠ模式土壤DOC分配的垂直變化出現分餾現象。

3種生態恢復模式CPMI均大于100%,能不同程度地提升土壤質量,其效應大小為,灌草間作模式Ⅰ(CPMI,182.5%)>灌草間作模式Ⅱ(CPMI,157.1%)>沙障+灌草模式(CPMI,129.9%)。易氧化有機碳可作為反映沙化草地不同生態修復模式土壤質量變化的優選指標,CPMI也可用于表征生態恢復措施對沙化草地土壤質量的影響。

[1] 蔡曉布, 周進. 退化高寒草原土壤有機碳時空變化及其與土壤物理性質的關系. 應用生態學報, 2009, 20(11): 2639-2645.

[2] Miralles I, Ortega R, Almendros G, Sánchez-Maraón M, Soriano M. Soil quality and organic carbon ratios in mountain agroecosystems of South-east Spain. Geoderma, 2009, 150(1/2): 120-128.

[3] 孟令陽, 辛術貞, 蘇德純. 不同惰性有機碳物料對土壤鎘賦存形態和生物有效性的影響. 農業環境科學學報, 2011, 30(8): 1531-1538.

[4] Gharbi L T, Merdy P, Lucas Y. Effects of long-term irrigation with treated wastewater. Part II: Role of organic carbon on Cu, Pb and Cr behaviour. Applied Geochemistry, 2010, 25(11): 1711-1721.

[5] 張明園, 魏燕華, 孔凡磊, 陳阜, 張海林. 耕作方式對華北農田土壤有機碳儲量及溫室氣體排放的影響. 農業工程學報, 2012, 28(6): 203-209.

[6] Lal R. Soil carbon sequestration to mitigate climate change. Geoderma, 2004, 123(1/2): 1-22.

[7] Wardle D A. A comparative assessment of factors which influence microbial biomass carbon and nitrogen levels in soil. Biological Reviews, 1992, 67(3): 321-358.

[8] Garten C T Jr, Post III W M, Hanson P J, Cooper L W. Forest soil carbon inventories and dynamics along an elevation gradient in the southern Appalachian mountains. Biogeochemistry, 1999, 45(2): 115-145.

[9] Gong W, Hu T X, Wang J Y, Gong Y B, Ran H. Soil carbon pool and fertility under natural evergreen broadleaved forest and its artificial regeneration forests in southern Sichuan Province, China. Acta Ecologica Sinica, 2008, 28(6): 2536-2545.

[10] Vieira F C B, Bayer C, Zanatta J A, Dieckow J, Mielniczuk J, He Z L. Carbon management index based on physical fractionation of soil organic matter in an Acrisol under long-term no-till cropping systems. Soil & Tillage Research, 2007, 96(1/2): 195-204.

[11] 李碩, 李有兵, 王淑娟, 師江瀾, 田霄鴻. 關中平原作物秸稈不同還田方式對土壤有機碳和碳庫管理指數的影響. 應用生態學報, 2015, 26(4): 1215-1222.

[12] 邱莉萍, 張興昌, 程積民. 不同封育年限草地土壤有機質組分及其碳庫管理指數. 植物營養與肥料學報, 2011, 17(5): 1166-1171.

[13] Da Silva F D, Amado T J C, Ferreira A O, Assmann J M, Anghinoni I, de Faccio Carvalhod P C. Soil carbon indices as affected by 10 years of integrated crop-livestock production with different pasture grazing intensities in Southern Brazil. Agriculture, Ecosystems and Environment, 2014, 190: 60-69.

[14] Luo S S, Zhu L, Liu J L, Bu L D, Yue S C, Shen Y F, Li S Q. Sensitivity of soil organic carbon stocks and fractions to soil surface mulching in semiarid farmland. European Journal of Soil Biology, 2015, 67: 35-42.

[15] 張順謙, 郭海燕, 羅勇. 氣候變化和載畜量對若爾蓋草地沙化的驅動力評價. 中國草地學報, 2007, 29(5): 64-71.

[16] 蔡曉布, 彭岳林, 于寶政, 劉合滿. 不同狀態高寒草原主要土壤活性有機碳組分的變化. 土壤學報, 2013, 50(2): 315-323.

[17] 彭佳佳, 胡玉福, 蔣雙龍, 肖海華, 蒲琴. 生態恢復對川西北沙化草地土壤活性有機碳的影響. 水土保持學報, 2014, 28(6): 251-255.

[18] 周家福. 川西北沙化草地生態恢復過程中植被與土壤變化研究[D]. 雅安: 四川農業大學, 2008.

[19] 史長光, 澤柏, 楊滿業, 肖冰雪. 川西北沙化草地植被恢復后土壤理化性質的變化. 草業與畜牧, 2010,(4): 1-4, 32-32.

[20] Jones D L, Willett V B. Experimental evaluation of methods to quantify dissolved organic nitrogen (DON) and dissolved organic carbon (DOC) in soil. Soil Biology and Biochemistry, 2006, 38(5): 991-999.

[21] Blair G J, Lefroy R, Lisle L. Soil carbon fractions based on their degree of oxidation and the development of a carbon management index for agricultural systems. Australian Journal of Agricultural Research, 1995, 46(7): 1459-1466.

[22] 吳金水, 林啟美, 黃巧云, 肖和艾. 土壤微生物生物量測定方法及其應用. 北京: 氣象出版社, 2006.

[23] 孫玉桃, 廖育林, 鄭圣先, 聶軍, 魯艷紅, 謝堅. 長期施肥對雙季稻種植下土壤有機碳庫和固碳量的影響. 應用生態學報, 2013, 24(3): 732-740.

[24] 魯如坤. 土壤農業化學分析方法. 北京: 中國農業科技出版社, 2000.

[25] Kaiser K, Kalbitz K. Cycling downwards-dissolved organic matter in soils. Soil Biology and Biochemistry, 2012, 52: 29-32.

[26] 蒙嘉文, 左林, 蔡應君, 鄧東周, 鄢武先. 若爾蓋縣土地沙化現狀分析及治理對策研究. 四川林業科技, 2013, 34(4): 42-46.

[27] 肖冰雪, 陳琴, 楊滿業, 向錦, 吳凱. 若爾蓋轄曼牧場沙化草地植被恢復與重建技術綜述. 草業與畜牧, 2008, (7): 60-61.

[28] 金晶, 曹致中, 曹毅. 人工恢復沙化草地的土壤微生物和酶活性的研究. 草原與草坪, 2011, 31(1): 84-88.

[29] 尚雯, 李玉強, 韓娟娟, 趙學勇, 張銅會, 羅永清, 王少昆. 圍封對流動沙丘表層土壤有機碳、全氮和活性有機碳的影響. 水土保持學報, 2012, 26(6): 147-152.

[30] 楊新國, 宋乃平, 李學斌, 劉秉儒. 短期圍欄封育對荒漠草原沙化灰鈣土有機碳組分及物理穩定性的影響. 應用生態學報, 2012, 23(12): 3325-3330.

[31] 蔡曉布, 于寶政, 彭岳林, 劉合滿. 高寒草原土壤有機碳及土壤碳庫管理指數的變化. 生態學報, 2013, 33(24): 7748-7755.

[32] 張法偉, 李英年, 汪詩平, 趙新全. 青藏高原高寒草甸土壤有機質、全氮和全磷含量對不同土地利用格局的響應. 中國農業氣象, 2009, 30(3): 323-326.

[33] 王文穎, 王啟基, 魯子豫. 高寒草甸土壤組分碳氮含量及草甸退化對組分碳氮的影響. 中國科學 D 輯: 地球科學, 2009, 39(5): 647-654.

[34] 齊玉春, 彭琴, 董云社, 肖勝生, 孫良杰, 劉欣超, 何亞婷, 賈軍強, 曹叢叢. 溫帶典型草原土壤總有機碳及溶解性有機碳對模擬氮沉降的響應. 環境科學, 2014, 35(8): 3073-3082.

[35] 胡玉福, 彭佳佳, 鄧良基, 肖海華, 蔣雙龍, 馬可雅. 圍欄種植紅柳對川西北高寒沙地土壤顆粒組成和礦質養分的影響. 土壤通報, 2015, 46(1): 54-61.

[36] 舒向陽, 胡玉福, 蔣雙龍, 蒲琴, 袁鋮銘, 彭佳佳. 川西北草地沙化對土壤顆粒組成和土壤磷鉀養分的影響. 干旱區資源與環境, 2015, 29(8): 173-179.

[37] 鄧少虹, 林明月, 李伏生, 蘇以榮, 劉坤平. 施肥對喀斯特地區植草土壤碳庫管理指數及酶活性的影響. 草業學報, 2014, 23(4): 262-268.

Effects of different ecological restoration patterns on labile organic carbon and carbon pool management index of desertification grassland soil in zoige

PU Yulin1, YE Chun1, ZHANG Shirong2, *, LONG Gaofei3, YANG Lirong4, JIA Yongxia1, XU Xiaoxun2, LI Yun1

1CollegeofResources,SichuanAgriculturalUniversity,Chengdu611130,China2CollegeofEnvironment,SichuanAgriculturalUniversity,Chengdu611130,China3ChengduHydrogeologicalandEngineeringGeologicalTeam,SichuanBureauofGeologyandMineralResourcesExploration,Chengdu610072,China4ZoigeBureauofEnvironmentalProtectionandForestry,Zoige624500,China

The changes of soil labile organic carbon and Carbon pool management index (CMPI) under different ecological restoration patterns can provide valuable information for evaluating the effects of ecological restoration measures on soil quality improvement, and screening optimized ecological restoration patterns on desertification forest and grassland. In this study, soil labile organic carbon fractions and CPMI were investigated by applying field investigations and laboratory analyses to desertification grassland receiving different patterns of ecological restoration in Zoige. Three main ecological restoration patterns were used to control desertification of grassland in Zoige, including shrub-grass intercrop pattern I (stripeTamarixramosissimaincteropping herbs, such asPoapratensis,ElymusnutanandAjugalupulina, SGI), shrub-grass intercrop pattern II (circularTamarixramosissimaincteropping herbs, such asPoapratensis,Cremanthodiumreniforme,Cirsiumjaponicum,DaucuscarotaandViciasepium, SGII), and the sand-barrier plus shrub-grass intercrop pattern (the sand-barriers ofTamarixramosissimaplusTamarixramosissimaincteropping herbs, such asTamarixramosissima,Poapratensis,Elymusnutan,Ajugalupulina,Daucuscarota, SBSG).The results showed that the values of soil organic carbon and its labile fractions contents were higher in the three ecological restoration grasslands than in the desertification grassland without ecological restoration measures (DG). Compared to the DG, the contents of soil microbial biomass carbon (MBC), dissolved organic carbon(DOC), easily oxidized organic carbon(EOC), and particulate organic carbon(POC) in whole profile under the SGI pattern were increased by 36.6%, 139.0%, 89.4%, 130.9%, respectively, and those in the SGII pattern were increased by 2.7%, -43.9%,15.0%,49.7%, respectively, and those in the SBSG pattern were increased by 82.4%,21.8%,56.2%,170.3%, respectively. This indicated that the ecological restoration patterns of SGI and SBSG were similarly effective at improving soil organic carbon, and both were superior to the SGII pattern. The distributed proportions of soil active organic carbon between the three ecological restoration and desertification grassland were difference, for instance the distributed proportion of DOC presented a vertical fractionation in the SGI pattern. The values of CPMI under three ecological restoration patterns were exceeded 100%. This implied that soil quality can be improved by the three ecological restoration patterns, and the order of the improved level was SGI (CPMI, 182.5%) > SGII (CPMI, 157.1%) > SBSG (CPMI, 129.9%). The results suggest that soil easily oxidized organic carbon can be used as an optimized index to reflect changes of soil quality in different ecological restoration grasslands, and soil CPMI can be used to characterize the improved effectiveness of ecological restoration measures on soil quality.

Zoige; desertification grassland; ecological restoration; soil; labile organic carbon; carbon pool management index

四川省教育廳資助項目(14ZB0011)；國家自然科學基金資助項目(41401328)；四川省科技支撐計劃資助項目(2014NZ0044)

2015-08-03;

日期:2016-06-13

10.5846/stxb201508031635

* 通訊作者Corresponding author.E-mail: rsz01@163

蒲玉琳,葉春,張世熔,龍高飛,楊麗蓉,賈永霞, 徐小遜 李云.若爾蓋沙化草地不同生態恢復模式土壤活性有機碳及碳庫管理指數變化.生態學報,2017,37(2):367-377.

Pu Y L, Ye C, Zhang S R, Long G F, Yang L R, Jia Y L, Xu X X, Li Y.Effects of different ecological restoration patterns on labile organic carbon and carbon pool management index of desertification grassland soil in zoige.Acta Ecologica Sinica,2017,37(2):367-377.