半干旱區(qū)不同圍封年限對草地土壤和微生物碳氮含量的影響

張 強, 鄧 軍, 毛 瑾, 朵 瑩, 程 杰, 郭 梁

1.西北農林科技大學 草業(yè)與草原學院, 陜西 楊凌 712100; 2.寧夏云霧山國家級自然保護區(qū)管理局, 寧夏 固原 756000; 3.國家林業(yè)和草原局西北調查規(guī)劃設計院, 陜西 西安 710048;4.西北農林科技大學 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 5.中國科學院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

圍欄封育作為一種有效且簡便易行的促進退化草地自然恢復的方法，通過人為降低或完全排除家畜對草地生態(tài)系統(tǒng)影響，使草地生態(tài)系統(tǒng)在自身彈性下得以恢復和重建，在干旱半干旱區(qū)，特別是黃土高原植被恢復重建中廣泛應用[1]。但有關退化草地適宜的圍封面積和圍封年限等關鍵問題卻一直存在較大爭議[2]。相比大量的以植被物種多樣性和生產力等地上指標變化來確定最佳封育年限研究[3-5]，植被恢復過程中土壤養(yǎng)分、土壤微生物量碳和氮含量變化趨勢明顯，其作為評價土壤肥力、土壤質量早期變化及植被恢復演替的有效性亟待加強[6]。

生態(tài)化學計量學通過分析多重元素(主要是C，N，P)質量平衡對生態(tài)交互作用的影響來探討生態(tài)系統(tǒng)結構與功能[7]。土壤C∶N是表征土壤碳氮元素動態(tài)平衡的指標，其往往被用來檢測土壤質量，能夠調控土壤微生物對有機物的分解作用及碳的釋放與吸收[8]。目前，生態(tài)化學計量學研究主要集中在植物葉片及土壤養(yǎng)分方面，而分析圍封年限對根際土養(yǎng)分影響的報道較少。因此，本研究選取中國西部半干旱地區(qū)草原植被恢復的成功典范—寧夏云霧山國家級自然保護區(qū)的試驗區(qū)，對不同封育年限樣地中根際土壤和微生物量碳、氮含量及其化學計量特征進行研究，探討其對封育年限的響應規(guī)律，以期為半干旱草地生態(tài)系統(tǒng)物質循環(huán)研究以及生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分限制判定等提供依據，并為確定合理圍封年限提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

選取寧夏回族自治區(qū)固原市的云霧山國家級自然保護區(qū)試驗區(qū)為研究點(106°21′—106°27′E,36°10′—36°17′N)。保護區(qū)自1982年以來一直定位監(jiān)測退化草原恢復情況，至目前已近40 a，積累了豐富的草地群落變化資料。研究區(qū)地處黃土高原西南部，具有典型的半干旱氣候特征，年平均降水量為425 mm，其中7—9月降水量占全年60%以上；年平均氣溫7 ℃，1月份溫度最低，平均最低氣溫-8.2 ℃，8月平均最高氣溫25.2°。土壤主要類型為山地灰褐土。目前研究區(qū)物種數為313種，優(yōu)勢物種包括長芒草(Stipabungeana)、大針茅(Stipagrandis)、甘青針茅(Stipaprzewalskyi)、百里香(Thymusmongolicus)、白蓮蒿(Artemisiasacrorum)以及星毛委陵菜(Potentillaacaulis)等。

1.2 試驗設計

2017年8月底，對不同封育年限的草地生態(tài)系統(tǒng)進行了全面的群落調查及土壤樣品采集，分別為放牧樣地(GE0)、封育10 a樣地(GE10)、封育25 a(GE25)和35 a(GE35)樣地。其中，放牧樣地為全年連續(xù)放牧(4只羊/hm2)。每個樣地隨機設置有代表性的試驗小區(qū)3個，小區(qū)面積50 m×100 m，每個小區(qū)間隔80～100 m。在每個小區(qū)內隨機選取10個采樣點進行土壤樣品采集，齊地去除植物地上部分后，用直徑10 cm的根鉆采集0—20 cm深度土樣，將根系與土壤一齊取出，利用抖落法[9]采集根際土壤，用毛刷收集入無菌自封袋后將10個樣點土樣均勻混合為一個土壤樣品。過2 mm篩后將每份土樣分為兩部分：一部分在4 ℃條件下保存，用于微生物量碳、微生物量氮含量測定，另一部分陰干后在實驗室測定土壤養(yǎng)分有關指標。

1.3 測定項目與方法

土壤微生物量碳(microbial biomass carbon,MBC)和微生物量氮(microbial biomass nitrogen,MBN)的測定采用氯仿熏蒸浸提法[13]。即稱取25 g相當于烘干土重的新鮮土壤在25.8 ℃下用CHCl3熏蒸24 h，然后將100 ml 0.5 mol/L K2SO4加入土壤中，震蕩1 h(200 r/min)后過濾去除熏蒸劑，同時另外提取25 g未熏蒸土壤。使用Elementar Liqui TOCII分析儀測定提取物的有機碳和氮含量。

1.4 數據統(tǒng)計分析

采用Excel 2016進行數據整理，共采集土樣120個，表中數據為平均值±標準差。采用SPSS 25.0軟件對不同圍封年限的土壤數據進行單因素方差分析(one-way ANOVA)檢驗并運用LSD法進行多重比較，顯著性水平為0.05。采用Pearson相關分析法對不同圍封年限下土壤和微生物量C，N含量及其化學計量的相關性進行檢驗。

2 結果與分析

2.1 不同封育年限對土壤及微生物量碳、氮含量的影響

表1 云霧山自然保護區(qū)不同封育年限下土壤及微生物量碳、氮含量變化

2.2 土壤及微生物量碳、氮化學計量關系對封育年限的響應

土壤碳氮比(C∶N)為SOC與TN比值。由圖1可知，研究區(qū)放牧和不同封育年限草地土壤C∶N的變化范圍為7.72～9.16，平均值為8.31，變異系數為9%，不同封育年限土壤C∶N較為穩(wěn)定，放牧樣地最低，GE25樣地最高，但未達顯著差異水平。封育年限對微生物量C∶N則有顯著影響，隨封育年限延長，微生物量C∶N逐漸下降，GE35最低。qMBC為MBC與SOC的比值，qMBN為MBN與TN的比值，qMBC和qMBN常被用作評價土壤肥力和土壤質量變化的有效指標，本研究LSD分析表明封育年限對qMBC影響差異不顯著；qMBN在GE10時最低，GE35最高，顯著高于其他處理。化學計量不平衡性是指土壤碳氮比與微生物量碳氮比的比值，其分析結果表明，GE0，GE10和GE25之間差異均不顯著，GE35最高，且與前3個階段差異顯著。硝態(tài)氮∶銨態(tài)氮的變化規(guī)律與微生物量C∶N較為相似，隨封育年限增加，其值呈下降趨勢。

注：①圖中不同小寫字母表示差異顯著； ②GE0，GE10，GE25，GE35分別表示放牧地，圍封10 a，圍封25 a，圍封35 a。

2.3 土壤及微生物量碳氮和化學計量特征的耦合關系

相關性分析結果(表2)表明土壤有機碳與總氮和微生物量氮以及MBC∶MBN具有顯著相關性(p<0.05)，與土壤C∶N，微生物量碳和qMBC之間具有極顯著相關性(p<0.01)，特別是與qMBC的相關系數達到0.8，而與qMBN相關性較弱。土壤總氮與微生物量碳、微生物量氮和qMBC之間均存在極顯著的線性相關，但土壤C∶N卻與微生物量碳、氮和qMBC，qMBN以及MBC:MBN之間均無顯著相關性。微生物量碳與微生物量氮之間具有極顯著相關性，此外，qMBN與MBC:MBN之間也存在顯著的相關關系。

表2 土壤和微生物量C，N含量及化學計量的相關性

3 討 論

3.1 土壤碳、氮及其化學計量關系隨封育年限變化規(guī)律

研究表明，在植被演替過程中磷含量相對穩(wěn)定[14]，而土壤有機碳和氮含量作為除磷之外表征土壤質量狀況的主要生態(tài)因子，其含量對地上植被生長發(fā)育影響較大，因此在封育植被演替過程中，探討土壤碳、氮及其化學計量關系變化對于準確評價封育后植被恢復情況具有重要意義。本研究中，封育后土壤碳、氮含量較放牧地相比，均顯著升高，這與前人研究類似[15-16]。土壤氮和有機碳主要來源于生物死亡后分解形成的穩(wěn)定有機質[17]，圍封后家畜(主要是綿羊)采食植物被限制，從而極大增加了地上生物量的積累，進而使圍封樣地碳、氮含量較放牧地相比顯著提高[18]。值得注意的是，盡管圍封后土壤有機碳和總氮含量均高于放牧地，但二者值卻在GE25達到峰值后急劇下降，這可能與演替進程中地上群落變化有關，之前研究表明物種多樣性的峰值通常出現在演替中后期[19]，Zhang等[20]研究發(fā)現半干旱草原封育25 a后地上物種多樣性和地上生物量最高，隨后下降，與本研究中土壤有機碳和總氮含量變化趨勢一致。因此，演替后期地上生物量減少導致土壤有機質輸入量降低是造成土壤有機碳和總氮含量在GE25后急劇下降的主要原因。土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮可被植物較快吸收用于自身生長發(fā)育，所以本研究中圍封地和放牧地相比，土壤銨態(tài)氮與硝態(tài)氮含量變化不大，甚至隨著封育演替后期植物對養(yǎng)分需求的增大，硝態(tài)氮含量有所下降。

土壤生態(tài)化學計量作為表征土壤內部養(yǎng)分循環(huán)狀況的重要指標，對于揭示元素的可獲得性和平衡機制及生態(tài)恢復過程具有重要意義[21]。本研究中土壤C∶N隨圍封年限變化保持穩(wěn)定，與周正虎和王傳寬[17]整合分析全球生態(tài)系統(tǒng)演替過程中土壤碳、氮動態(tài)變化結果相一致，說明土壤碳、氮含量在生態(tài)系統(tǒng)演替過程中具有同步性，這也解釋了土壤碳、氮在封育時間上具有顯著的相關性。然而，也有一些研究發(fā)現土壤C∶N在演替中是可變的，例如張增可等[22]對海島森林不同演替階段土壤和植物碳、氮、磷化學計量特征的研究指出土壤C∶N隨演替進行呈增加趨勢。造成這種差異的原因可能是不同生態(tài)系統(tǒng)所提供的養(yǎng)分含量和質量不同，與林地地上部分和根系分解可提供給土壤豐富養(yǎng)分相比，地上生物量和根系相對較低的草地向土壤中添加的C和N較少。研究進一步指出，有機體往往具有較穩(wěn)定的C∶N比例，即使在植物枯枝落葉進入土壤后也存在緊密的C-N耦合[23]。Zeng等[24]對云霧山草原保護區(qū)的研究表明，在30 a的封育禁牧期間，凋落物C∶N和根系C∶N沒有明顯變化。因此，穩(wěn)定的C∶N可能與碳、氮含量緊密耦合的地上凋落物和植物根系相關。同時，穩(wěn)定的C∶N比也表明，放牧禁牧對該半干旱退化草地土壤C，N平衡影響不大。

3.2 土壤微生物量及其化學計量關系隨封育年限變化規(guī)律

土壤微生物是土壤有機質和養(yǎng)分循環(huán)轉化的動力，是土壤養(yǎng)分轉化過程中一個重要的活性庫或源，能夠有效促進土壤養(yǎng)分有效性和其在陸地生態(tài)系統(tǒng)的循環(huán)[25]。面對土壤碳、氮資源變化，微生物會通過調節(jié)自身生物量碳和氮以適應土壤資源的變異[26]。本研究顯示，圍封后微生物量碳、氮含量與土壤碳、氮含量的變化趨勢一致，均呈現先增加至GE25達到最高后再下降趨勢，但因其變化程度大小不同，引起微生物量C∶N隨封育時間的延長而顯著下降，這一點與土壤C∶N差異較大。本研究的相關性分析也顯示，土壤C∶N與微生物量C∶N之間不存在顯著相關關系。Xu等[27]對陸地生態(tài)系統(tǒng)研究也未發(fā)現微生物C∶N和土壤C∶N具有相關關系，支持了本研究的結論。微生物量C∶N產生這種變化的原因可能與微生物群落結構的改變有關，Mooshammer等[28]通過整合分析微生物對其資源的適應機制后提出微生物可以通過調整群落結構以非穩(wěn)態(tài)的方式使其生物量組成適應其資源。Nicolas等[29]研究發(fā)現微生物量C∶N與真菌∶細菌的比值成正相關，表明隨圍封時間的延長，研究區(qū)真菌:細菌比值有所下降，亟待開展不同封育年限草地微生物群落特征研究。

3.3 化學計量不平衡性與微生物熵隨封育年限變化規(guī)律

化學計量不平衡性值的高低可以表征資源質量水平和微生物的生長效率，化學計量不平衡性越高就表示資源質量越差，微生物的生長效率也就越低[28]。本研究發(fā)現，長期封育(GE35)能夠顯著影響化學計量不平衡性，相較放牧地和其他封育年限的化學計量不平衡性，其值在GE35顯著增高，這是微生物調整其比例適應演替后期的結果，表明過長時間封育會降低資源質量水平及有效性。對于封育后的草地，其微生物的許多特性并不能完全由微生物量展現出來，因此，除分析其絕對量之外，微生物熵(即微生物量C，N分別與土壤C，N的比例)的變化能夠較好地反映土壤中活性有機碳、氮所占的比例，從微生物學的角度揭示土壤肥力的差異。Zhou等[30]發(fā)現qMBC會隨土壤C∶N增加而減少，而本研究卻發(fā)現與放牧地相比，圍封處理對qMBC和qMBN無顯著影響，這可能是封育后草地受外界條件干擾較少，微環(huán)境相對穩(wěn)定所致。

4 結 論

圍封能夠顯著影響土壤有機碳和全氮的含量。隨著封育年限的延長，其含量均呈現出先增加后下降的趨勢，二者值都在GE25時達到峰值。但封育對C∶N影響卻不大，草地在封育后的演替中，土壤有機碳和總氮之間有顯著的相關性，二者具有同步性。

圍封對土壤微生物量碳、氮及其化學計量特征也具有顯著的影響，微生物量碳和氮對封育時間的響應與土壤有氮和有機碳對封育時間響應趨勢相一致。封育后，微生物量C∶N顯著下降至GE35最低。GE10，GE25與放牧地相比qMBN和化學計量不平衡性不顯著，但GE35樣地此值卻顯著增加，qMBN與微生物量C具有極顯著的相關關系。qMBC對圍封時間無顯著響應。

適當的圍封時間(GE25)對于草地恢復具有積極作用，但圍封時間過久(GE35)就會對草地恢復產生負面影響，造成資源浪費，因此退化草地在適當圍封后應該解封放牧或適當刈去地表植物進行結構調整。