封育對黃土高原草地深層土壤pH的影響

張茹，李建平， ，張翼，井樂，王婷

1.寧夏大學農(nóng)學院，寧夏，銀川750021

2.西北退化生態(tài)系統(tǒng)恢復與重建國家重點實驗室培育基地，寧夏，銀川 750021

0 前言

土壤的 pH是代表與土壤固相處于平衡的土壤溶液中氫離子濃度的負對數(shù)，它對土壤養(yǎng)分、土壤微生物活性有重要影響[1]，并且也是土壤中影響范圍極為廣泛的一個化學指標[2]。土壤pH作為土壤基本的理化性質，影響土壤中很多的化學反應和化學過程[3-4]。土壤酸堿度在有機碳和無機碳相互轉化過程中起關鍵作用。土壤酸堿度的微弱變化，直接影響其植被類型及對土壤養(yǎng)分吸收效率，酸化可能導致微生物群落結構多樣性發(fā)生顯著的變化[5-6]。土壤是植物生長的必要支撐條件，土壤酸堿度是土壤在其形成過程中受生物、氣候、地質、水文等因素綜合作用所產(chǎn)生的重要屬性[7]。土壤pH不僅影響土壤微生物的種群和活性，而且與土壤中養(yǎng)分的形成、轉化和有效性密切相關[8]，同時對植物及生活在土壤中的微生物也有著很大影響[9]。植物可通過生長過程中額外陽離子獲取、凋落物降解、與固氮菌的共生以及大氣干沉降等過程影響土壤pH值[10-11]。前人研究多集中在植物—土壤—微生物相互作用對土壤 pH 影響研究，而對于深層土壤及不同粒級土壤變化研究相對薄弱。本研究以寧夏固原云霧山草原為研究對象，云霧山建于 1982年，是我國西北地區(qū)保護最完整、黃土高原保護最早的典型草原生態(tài)系統(tǒng)自然保護區(qū)，選取封育15年草地、封育30年草地及周邊放牧草地，系統(tǒng)研究封育年限 0—500 cm土壤不同粒級土壤 pH 變化特征，為天然草地植被恢復與持續(xù)利用提供科學依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究地區(qū)概況

試驗區(qū)設在位于寧夏固原東北部45 km 處的云霧山草原，處于黃土高原腹地，本區(qū)處于溫帶半干旱氣候區(qū)，具有典型的半干旱氣候特征，植被類型為典型草原。地理范圍為東經(jīng) 106°21′—106°27′E，北緯 36°10′—36°17′N，海拔 1700—2148 m，年平均氣溫 7 ℃，年平均降水量425 mm(1980—2014年平均值)，土壤類型以山地灰褐土和黑壚土為主。主要優(yōu)勢植物有長芒草(Stipa bungeana)、大針茅(Stipa grandis)、百里香(Thymus mongolicus)、鐵桿蒿(Artemisia sacrorum)、星毛委陵菜(Potentilla acaulis)等。其中叢生禾本科植物本氏針茅分布最廣[12](表1)

1.2 試驗設計和樣品采集

2016年，在云霧山上選取典型放牧草地、封育15年草地、封育30年草地各3塊樣地，樣地之間距離大于100 m，每個樣地采用土鉆法取土，每個樣方土壤樣品采樣深度為0—500 cm，每20 cm為一個土樣，共取得25層，每個封育年限草地取得土樣75個，3個封育年限共取得土樣樣品225個，裝入塑封袋中，帶回實驗室備用。

1.3 指標測定

野外采回的土壤經(jīng)自然風干后，剔除石塊、植物根莖、人為侵入物等雜物。人為將土壤樣品分為兩部分:一部分經(jīng)過3 mm、2 mm、1 mm、0.5 mm、0.25 mm 5個不同粒級的篩子，按照團粒結構的大小由大顆粒到小顆粒分別編號為3—2 mm、2—1 mm、1—0.5 mm、0.5—0.25 mm、＜0.25 mm。粒級＜0.25 mm為最適宜植物生長的土壤粒級。另一份經(jīng)過磨細，過100目0.01 mm篩孔以供pH的測定。實驗室測量土壤 pH 采用電位法[13]，設土水比為 1:5，用土壤懸液磁力攪拌 3 min，靜置 30 min，測定懸液 pH 值，每個土樣測3次，取平均值。

表1 試驗樣地信息Table l Sample ground information

1.4 統(tǒng)計分析

利用Originpro8.0 、Excel表格進行描述性統(tǒng)計分析，單因素統(tǒng)計分析，分析固原云霧山不同草地類型土壤pH的變化。

2 結果

2.1 不同封育年限草地土壤pH垂直變化特征

放牧草地土壤pH平均值為8.94，土壤pH變化范圍為8.54—9.26，是堿性土壤，隨著土壤深度的增加，土壤pH逐漸增大。0—100 cm土層pH值為8.65，100—200 cm土層pH值為8.86，200—300 cm土層pH值為8.90、300—400 cm土層pH值為9.06，400—500 cm土層pH值為9.22。土壤PH的整體變化幅度不大(圖1)。

封育15年草地土壤pH的平均值是8.87，土壤pH的變化范圍是8.56—8.97，隨著土壤深度的增加，土壤pH逐漸增大。0—100 cm土層pH值為8.81，100—200 cm土層pH值為8.88，200—300 cm土層PH 值為 8.91，300—400 cm 土層 pH 值為 8.95，400—500 cm土層pH值為8.91。與放牧地相比較，土壤pH略有降低(圖2)。

封育30年草地的土壤pH平均值是8.50，土壤pH變化范圍為8.12—8.74，0—100 cm土層pH值為8.26，100—200 cm 土層 pH 值為 8.44，200—300 cm土層pH值為8.59，300—400 cm土層pH值為8.63，400—500 cm土層pH值為8.6。與放牧地和封育15年相比較土壤 pH 都偏小，說明封育年限的長短也會影響土壤pH的變化(圖3)。

圖1 放牧草地土壤pHFigure 1 Soil pH-value of grazing grassland.

圖2 封育15年草地土壤pHFigure 2 Soil pH -value of fencing 15 years grassland

圖3 封育30年草地土壤pHFigure 3 Soil pH -value of fencing 30 years grassland

2.2 不同封育年限草地土壤各粒級土壤pH變化特征

2.2.1 放牧草地各粒級土壤pH值變化特證

0—20 cm土層:3—2 mm和2—1 mm土壤團粒結構的土壤pH最大為8.74，0.5—0.25 mm土壤團粒的pH最小為8.53。20—40 cm 土層:＜0.25 mm土壤團粒結構的土壤pH最大為8.86，0.5—0.25 mm土壤團粒的pH最小為8.61。40—60 cm 土層:3—2 mm土壤團粒結構的土壤pH最小為8.38，＜0.25 mm土壤團粒結構的土壤pH最大為8.81。60—80 cm土層:1—0.5 mm土壤團粒結構的土壤 pH最大為 8.87，0.5—0.25 mm土壤團粒的pH最小為8.77。80—100 cm土層:1—0.5 mm土壤團粒結構的土壤 pH最大為8.97，＜0.25 mm 土壤團粒結構的土壤 pH 最小為8.83。100—200 cm土層:＜0.25 mm土壤團粒結構的土壤pH最大為9.04，0.5—0.25 mm土壤團粒結構的土壤pH最小為8.98。200—300 cm土層:0.5—0.25 mm土壤團粒結構的土壤pH最小為9.12，1—0.5 mm和 ＜0.25 mm土壤團粒結構的土壤pH都最大為9.20。300—400 cm土層:0.5—0.25 mm土壤團粒結構的土壤pH最小為9.13，3—2 mm土壤團粒結構的土壤pH最大為9.22。400—500 cm土層:0.5—0.25 mm土壤團粒結構的土壤pH最低為9.11，3—2 mm和 2—1 mm土壤團粒結構的土壤pH都最大為 9.26(圖4)。

2.2.2 封育15年草地各粒級土壤pH的變化特征

0—20 cm土層:3—2 mm土壤團粒結構的土壤pH最大為8.71，2—1 mm土壤團粒結構的土壤pH最小為8.55。20—40 cm 土層:2—1 mm土壤團粒結構的土壤pH最小為 8.59 ，＜0.25 mm土壤團粒結構的土壤pH最大為8.66。40—60 cm 土層:3—2 mm、2—1 mm和＜0.25 mm土壤團粒結構的土壤pH最大都為8.68，1—0.5 mm土壤團粒結構的土壤pH最小為8.63。60—80 cm土層:3—2 mm土壤團粒結構的土壤pH最大為8.77，2—1 mm、1—0.5 mm和＜0.25 mm土壤團粒結構的土壤pH都最小為8.72。80—100 cm土層:2—1 mm和 0.5—0.25 mm土壤團粒的pH最大都為 8.75 ，＜0.25 mm土壤團粒結構的土壤pH為8.64。100—200 cm土層:3—2 mm土壤團粒結構的土壤pH最大為8.70，＜0.25 mm土壤團粒結構的土壤pH最小為8.65。200—300 cm土層:2—1 mm土壤團粒結構的土壤pH最大為8.77，1—0.5 mm土壤團粒結構的土壤pH最小為8.68。300—400 cm土層:3—2 mm土壤團粒結構的土壤pH最大為8.81，2—1 mm土壤團粒結構的土壤 pH最小為8.69。400—500 cm土層:0.5—0.25 mm和1—0.5 mm土壤團粒結構的土壤pH最小都為8.84，＜0.25 mm土壤團粒結構的土壤pH最大為8.90(圖5)。

圖4 放牧草地不同粒級的土壤pH值Figure 4 Soil pH—value of different grain size in grazing land

2.2.3 封育30年草地土壤各粒級土壤pH的變化特征

0—20 cm土層:1—0.5 mm土壤團粒結構的土壤pH最大為8.16，0.5—0.25 mm土壤團粒的pH最小為7.82。20—40 cm 土層:0.5—0.25 mm土壤團粒的pH最大為7.97，3—2 mm土壤團粒結構的土壤pH最小為7.67。40—60 cm 土層:2—1 mm土壤團粒結構的土壤pH最大為8.32，＜0.25 mm土壤團粒結構的土壤pH最小為8.24。60—80 cm土層:1—0.5 mm土壤團粒結構的土壤pH最大為8.34，＜0.25 mm土壤團粒結構的土壤pH最小為8.26。80—100 cm土層:2—1 mm 土壤團粒結構的土壤 pH 最小為 8.23，＜0.25 mm土壤團粒結構的土壤pH最大為8.43。100—200 cm土層:0.5—0.25 mm和 ＜0.25 mm土壤團粒結構的土壤pH最大都為8.64，2—1 mm土壤團粒結構的土壤pH最小為8.52。200—300 cm土層:3—2 mm 土壤團粒結構的土壤 pH最大為 8.93，＜0.25 mm土壤團粒結構的土壤pH最低為8.86。300—400 cm土層:3—2 mm土壤團粒結構的土壤pH最大為9.02，1—0.5 mm土壤團粒結構的土壤pH最小為8.93。400—500 cm土層:3—2 mm土壤團粒結構的土壤pH最大為9.08，1—0.5 mm土壤團粒結構的土壤pH最低為8.99(圖6)。

2.3 不同封育年限土壤pH值

圖5 封育15年草地不同粒級的土壤pH值Figure 5 Soil pH -value of different grain size in fencing 15 years grassland

0—20 cm、20—40 cm、60—80 cm、80—100 cm、100—200 cm、200—300 cm、300—400 cm、400—500 cm，放牧草地、封育15年草地與封育30年草地之間有顯著的差異性(P＜0.05)，放牧地和封育 15年草地土壤pH顯著大于封育30年草地(P＜0.05)，40—60 cm封育15年草地土壤pH顯著大于放牧地和封育 30年(圖7)。

圖6 封育30年草地不同粒級的土壤pH值Figure 6 Soil pH -value of different grain size in fencing 30 years grassland

3 討論與分析

本研究表明在0—500 cm土壤各土層之間土壤pH有顯著差異且隨著土層深度的增加而逐漸增大，放牧草地土壤pH大于封育15年草地和封育30年草地，其平均值分別是8.94、8.87和8.50，家禽的糞便排泄物、踐踏緊實度、動物對草地的選擇性采食、草地的再生性等都影響著土壤的pH。在放牧地家畜糞尿排泄量相對多，增加了土壤中陽離子的含量，土壤pH增大。放牧地還造成植被蓋度減小，導致地表水分蒸發(fā)量的加大，溶于地下水的可溶性鹽類隨著毛管水上升、遷移而累積于土壤表面，使土壤堿化[14]。當載畜量合適，則牧草發(fā)育正常，草層覆蓋度大，土壤無侵蝕現(xiàn)象；載畜量過大，則草地植被退化，優(yōu)良牧草減少，蒿類、毒草等將增多，土壤會因為家畜踐踏過度而生成一些溝紋，會引起土壤的侵蝕現(xiàn)象[15]，導致pH降低，而封育則很好的起了對草地保護的作用，使得草地的破害程度降低，酸化減弱。土壤還具有明顯的季節(jié)性積鹽和脫鹽頻繁交替的特點，促進鈉離子取代膠體上吸附的鈣鎂離子，堿性和微堿性土壤經(jīng)淹水及施有機肥后，其pH往往有所下降，這與有機酸和碳酸的綜合作用有關[16]，全面分析土壤pH的空間分布格局，有助于評價和分析土壤酸堿性[17]。這與王亞男[18]等人研究結果類似。

研究表明，封育措施的實施，不僅有利于黃土高原區(qū)的水土保持，同時提高了土壤養(yǎng)分含量[19]，并且隨著封育年限的增加，土壤微生物群落也因生存環(huán)境的改變發(fā)生相應的變化[20]。本研究發(fā)現(xiàn)，放牧草地在40—60 cm 土層，3—2 mm土壤團粒結構的土壤pH最低為8.38，顯著低于2—1 mm、1—0.5 mm、0.5—0.25 mm、＜0.25 mm。封育15年草地土壤pH各粒級差異較小，是植被恢復階段，各粒級之間的土壤pH變化不大。封育30年草地土壤pH在0—20 cm、20—40 cm各粒級土壤pH明顯減小，這可能與封育年限的增加有關，植被恢復加快，土壤肥力增加，土壤有機質含量也增加，土壤pH降低。

封育15年草地土壤pH顯著大于封育30年草地(P＜0.05)，其平均值分別為 8.87和8.50。群落物種多樣性指數(shù)隨圍封年限的增加先降低后升高[21]，由于封育年限越長，植物根系越發(fā)達，植物量越大，蒸騰拉力越強，土壤水分損耗越明顯，土壤含水量相對越少[22]，土壤pH降低。植物地上部分C∶N、C∶P比隨著封育年限的增加逐漸增加[23]，這可能因為封育 30年的草地由于長時間禁牧導致草地植物干枯堆積于地表，掩蓋了土壤與大氣的交換，氧的含量降低，進行無氧呼吸，釋放大量的CO2，土壤pH降低。土壤pH逐漸降低。封育時間越久，植物生長的枯黃落葉的程度也越大，對土壤的覆蓋度也越大，土壤空氣與大氣的通氣性減弱，氧含量減少，CO2的含量增多，土壤pH降低。

4 結論

(1)放牧草地(封育 0 年)，封育 15 年草地，封育30年草地土壤 pH平均值依次逐漸減小，說明封育年限的長短影響著土壤的 pH，封育年限越長，土壤pH減小。(2)在0—500 cm，三個樣地土壤pH都隨著土層深度增加而逐漸變大。(3)封育30年草地在0—20 cm、20—40 cm不同粒級之間土壤pH值差異較大。