放牧和圍封對內蒙古羊草草原土壤團聚體理化性質的影響

賈麗英，陳 清，張洛梓，裴 雯

（1.天津師范大學 天津市水資源與水環境重點實驗室，天津300387；2.天津師范大學 地理與環境科學學院，天津300387）

土壤團聚體是土壤結構的基本單元和物質基礎，是由礦物顆粒和有機物等土壤成分在物理、化學、生物綜合作用下所形成的直徑小于10 mm的良好結構體[1]，是土壤養分儲存和土壤微生物生存活動的場所，在維持土壤的孔隙度和持水性等方面發揮著重要作用[2-3].土壤團聚體的粒級分布及穩定性是評價土壤結構的重要因素.放牧是人類對草地生態系統最主要的干擾方式[4]，過度放牧會使得草原地上生物量減少，表層土壤疏松，土壤結構退化，顯著影響土壤團聚體的粒級分布及其穩定性[5-6].圍封是恢復退化草地最有效的措施之一[7-8]，長期圍封可以減少家畜的踐踏，使草地植被得以恢復，提高土壤微生物的含量，加速土壤養分循環，促進土壤團聚體的形成，維持土壤結構的穩定性[9].關于放牧、圍封對土壤團聚體結構的影響，一些研究發現，放牧導致土壤大團聚體含量顯著減少，微團聚體含量增加[1，10]，長期圍封則導致土壤微團聚體含量下降[11]，大團聚體含量增加[12-13]；也有研究發現，長期圍封不能有效增加大團聚體的含量[10].不同研究區域由于環境因子、放牧強度不同，研究結果也不相同[7].目前關于草原土壤團聚體的研究主要集中在放牧或圍封單因素對草原土壤團聚體的影響[4-5，14-16]，而圍封和放牧交互作用對草原土壤團聚體粒級分布和穩定性的影響鮮見報道.

本研究以2005年圍封的內蒙古羊草草原作為野外實驗平臺，設置放牧和圍封2個因子，研究放牧強度、圍封水平及其交互作用對草原土壤團聚體的粒級分布、穩定性以及有機碳、總氮含量等的影響，為評估當前草原管理措施變化對土壤結構的影響提供理論依據.

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究地點位于中國科學院內蒙古草原生態系統定位研究站羊草樣地北側，錫林河流域中部（43°26′~44°29′N，115°32′~117°12′E）.該地區是典型溫帶草原，屬于半干旱草原氣候；年平均氣溫為0.2℃，夏季溫涼，冬季寒冷；年平均降水量350 mm，降水集中于5—9月份，占全年降水量的80%左右，且降水的年際變化顯著[17].

1.2 實驗設計與樣品采集

選擇地勢平坦、植被蓋度均勻且有代表性的中度放牧（MG）樣地和過度放牧（HG）樣地，從2005年起進行圍封，圍封面積為0.2 hm2.該MG和HG樣地在2005年前進行了30 a持續放牧，MG樣地放牧強度約為2只羊/hm2，HG樣地放牧強度約為4只羊/hm2.

實驗設2個因子，即放牧強度和圍封水平.放牧強度包括2個水平，分別為中度放牧和過度放牧；圍封包括2個水平，分別為不圍封（NF）和圍封（F）.共4種處理，各設4個重復，每個小區面積5 m×8 m.

分別在2014年和2015年8月中旬進行土樣采集，圍欄內每個小區使用直徑為2 cm的土鉆隨機取0~15 cm的土壤3鉆，3鉆混為一份樣品，過2 mm篩，混合均勻，采用“四分法”選取部分土壤，裝入封口袋中密封.樣品采集完畢后編號帶回實驗室自然風干，剔除樣品中的雜草和石塊，用于分析土壤團聚體特征及理化性質.

1.3 土壤水穩性團聚體測定方法

土壤樣品風干后采用濕篩法進行團聚體測定.取約25 g風干后的土樣，將其均勻攤開放在套篩最上層的篩子內，自上而下分別通過0.500、0.250、0.053 mm的套篩，在桶內注水，使水漫過最上層的風干土樣，利用土壤團聚體分析儀（XY-100型，北京祥宇偉業儀器設備有限公司）上下震蕩6 min.震蕩完成后，取出土壤套篩，控干水，將每層篩上的土壤分別沖洗進提前備好稱重的鋁盒當中，60℃烘干至恒重，分別稱重，記錄＜0.053、0.053~0.250、0.250~0.500以及＞0.500 mm 4種粒級土壤團聚體的質量.

1.4 數據處理

（1）各級團聚體的質量百分比公式為：

團聚體的質量百分比（%）=某粒級團聚體質量/土壤樣品的總質量×100 （1）

（2）土壤水穩性團聚體一般以0.250 mm為界限分為大團聚體和微團聚體.大團聚體比重（R0.25）計算公式為：

式中：Mr＞0.25為粒徑＞0.250 mm團聚體的質量（g）；Mr＜0.25為粒徑＜0.250 mm團聚體的質量（g）；MT為團聚體總質量（g）.

（3）土壤團聚體的穩定性指標采用平均重量直徑（mean weight diameter，MWD）、幾何平均直徑（geometric mean diameter，GMD）來描述.計算公式為：

式中：n為粒級分組的組數；xi為第i級團聚體粒級的平均直徑，本研究各粒級團聚體的平均直徑取值分別為大團聚體（0.500 mm）、較大團聚體（0.375 mm）、微團聚體（0.151 5 mm）和黏粉粒組分（0.053 mm）；wi為第i級團聚體的質量百分比.

1.5 土壤理化性質的測定

土壤有機碳（SOC）和總氮（TN）采用元素分析儀（Vario ELⅢ，德國Elementar公司）進行測定.

1.6 數據分析

實驗所得數據均采用Excel 2019和SPSS 24進行統計分析，顯著性分析采用獨立樣本T檢驗（independent samples T Test）、單因素方差分析（one-way ANOVA）以及多因素方差分析（multivariate analysis of variance）.

2 結果與分析

2.1 放牧強度、圍封水平對各粒級土壤團聚體含量的影響

不同放牧強度、圍封水平下各粒級土壤團聚體含量不同，如表1所示.

表1 不同放牧強度、圍封水平下各粒級土壤團聚體的含量Tab.1 Content of each grain size of aggregate under different grazing intensity and enclosure conditions %

通過對比不同放牧強度樣地的水穩性團聚體數據可知，在0~15 cm土層，中度放牧樣地和過度放牧樣地在不同處理條件下土壤團聚體含量均以0.053~0.250 mm粒級最高，約占45.65%~63.12%；其次為0.250~0.500 mm粒級，含量約占20.18%~23.97%；＜0.053 mm粒級的土壤團聚體含量約占12.96%~19.96%；占比最少的為＞0.500 mm粒級，約占3.74%~15.76%.放牧強度對＞0.500、0.053~0.250及＜0.053 mm粒級的土壤團聚體含量均有顯著影響（P＜0.05）.中度放牧樣地＞0.500 mm粒級的大團聚體含量（14.35%）顯著高于過度放牧樣地該粒級團聚體含量（3.88%）；而中度放牧樣地0.053~0.250 mm粒級的微團聚體含量（46.09%）顯著低于過度放牧樣地該粒級微團聚體含量（60.58%）；過度放牧樣地＜0.053 mm粒級微團聚體含量（13.47%）顯著低于中度放牧樣地該粒級微團聚體含量（17.93%）.這說明隨著土壤退化程度的增加，大團聚體的含量逐漸減少，而＜0.250 mm粒級的微團聚體含量逐漸增加.

圍封使得中度放牧樣地＞0.500 mm粒級的土壤團聚體含量顯著增加，對其他粒級無顯著影響；在過度放牧樣地進行圍封，只有0.053~0.250 mm粒級的微團聚體含量增加了5.09%，而其他粒級無明顯變化.放牧強度與圍封的交互作用對＞0.500、0.250~0.500以及0.053~0.250 mm粒級的土壤團聚體含量均有顯著影響（P＜0.05）.

2.2 放牧強度、圍封水平對土壤團聚體穩定性指標的影響

不同放牧強度、圍封水平下土壤團聚體穩定性指標也存在差異，如表2所示.

表2 不同放牧強度、圍封水平下土壤團聚體的穩定性指標Tab.2 Stability index of confining soil aggregates under different grazing intensity and enclosure treatments

由表2可知，各處理組中土壤穩定性指標MWD和GMD均較小，說明本研究中土壤水穩性團聚體所占比例較小.MWD和GMD呈現相同的變化趨勢，中度放牧樣地的MWD和GMD均大于過度放牧樣地的數值.圍封后，中度放牧樣地MWD和GMD顯著增加，而過度放牧樣地沒有顯著變化，放牧強度與圍封的交互作用對MWD和GMD有顯著影響（P＜0.05）.

2.3 放牧強度、圍封水平對土壤有機碳、總氮含量的影響

不同放牧強度、圍封水平下土壤中有機碳和總氮的含量也有所不同，如表3所示.

表3 不同放牧強度、圍封水平下土壤有機碳、總氮的含量Tab.3 Soil organic carbon and total nitrogen content under different grazing intensity and enclosure treatments

由表3可知，放牧強度對土壤的有機碳和總氮含量均有顯著影響（P＜0.05）.過度放牧樣地的有機碳和總氮含量均少于中度放牧樣地的數值.圍封沒有顯著影響中度放牧樣地和過度放牧樣地土壤有機碳和總氮的含量；放牧強度和圍封的交互作用沒有使土壤的有機碳和總氮含量發生顯著變化.

2.4 各粒級土壤團聚體與穩定性指標、土壤有機碳、總氮含量的相關性

土壤團聚體粒級不同，其穩定性指標以及土壤中有機碳和總氮的含量也不同，如表4所示.

表4 各粒級土壤團聚體與穩定性指標及土壤有機碳、總氮含量的相關性Tab.4 Correlation of soil aggregates with stability index，soil organic carbon and total nitrogen

由表4可知，土壤團聚體的有機碳和總氮含量與＞0.500 mm粒徑團聚體含量、R0.25呈顯著正相關，與0.053~0.250 mm粒徑團聚體含量呈顯著負相關（P＜0.01）.土壤的穩定性指標MWD和GMD與＞0.500 mm、0.250~0.500 mm、R0.25粒徑團聚體均呈顯著正相關，與0.053~0.250 mm和＜0.053 mm粒徑團聚體含量呈顯著負相關（P＜0.05）.這說明土壤的大團聚體所占比例越大，土壤的有機碳、總氮含量越高，土壤的穩定性越強.

3 討論與結論

3.1 放牧強度對土壤團聚體粒級分布和穩定性的影響

土壤團聚體一般分為大團聚體（＞0.250 mm）和微團聚體（＜0.250 mm）[10]，大團聚體的含量越高，土壤的穩定性越好[10，18].土壤團聚體的有機碳、氮作為重要的膠結物質，可以改變土壤的團粒結構，進而改變水穩性團聚體的比例和穩定性.本課題組對比研究了內蒙古羊草草原不同放牧強度下土壤團聚體的理化性質，結果表明，與中度放牧樣地相比，過度放牧樣地大團聚體的含量顯著降低，微團聚體的含量顯著增加，土壤的有機碳、總氮含量減少.隨著放牧強度的增加，表層土壤持續遭到踐踏，植被蓋度下降，地上生物量和凋落物減少，減弱了土壤的養分循環和積累作用，土壤的微生物活動減少，進而使得土壤的碳輸入減少，固氮作用減弱，土壤團聚體的有機碳和總氮含量顯著降低，從而導致大團聚體的含量下降，土壤團聚體向微團聚體轉變[19-20].在青藏高原的高寒草原[1，21]和高寒草甸高原[22-23]、寧夏荒漠草原[4，10，13]、川西北高寒草地[19]、松嫩草原[24]、黃土高原放牧林草地[25]的研究中也得到了相似的結果.土壤團聚體的MWD和GMD與土壤團聚體穩定性相關，數值越大表明土壤團聚體的團聚度越高，穩定性越好[1，26-27].本研究中土壤團聚體的MWD和GMD呈現相同的變化趨勢，中度放牧樣地的MWD和GMD均高于過度放牧樣地的數值，這表明隨著放牧強度增加，水穩性團聚體的MWD和GMD逐漸降低，土壤的穩定性降低.這與在三江源高寒草原[1]、青藏高原東緣[19]、黃土高原的天然草地[13]研究結果基本一致，表明放牧強度是影響土壤團聚體粒級分布和穩定性的重要因素.

3.2 圍封對中度放牧樣地和過度放牧樣地土壤團聚體粒級分布和穩定性的影響

通常在草地采取圍封后，地上的凋落物和生物量會增加，使得土壤逐漸向良性轉變，土壤中大團聚體的含量和有機碳、總氮的含量會隨著圍封年限增加而逐漸增加[11，13，15，28-32].本研究中，圍封使中度放牧樣地中>0.500 mm粒級的大團聚體含量顯著增加，MWD和GMD升高，可能是因為中度放牧樣地表層土壤的破壞度較低，土壤有機質分解速度慢，養分流失較少，長期圍封又會減少家畜對草地的踐踏和破壞，促進植被生長，減少土壤有機質的分解，進而提高大團聚體的含量，改善土壤團聚體的結構.然而，圍封沒有使過度放牧樣地大團聚體含量顯著增加，也沒有使過度放牧樣地土壤團聚體的MWD、GMD以及有機碳和總氮含量發生顯著變化.這一結果和青藏高原的高寒草甸[16，33]、寧夏的荒漠草原[15，28-30]、福建西部的河谷盆地[32]的研究結果有所不同.較多研究認為，4~8 a的短期圍欄禁牧能夠有效促進地上植被的生長，促進草原生態系統的恢復，使較小的團聚體通過有機物的膠結作用形成大團聚體，進而使水穩性大團聚體含量顯著增加，土壤中的有機碳和總氮含量增加.本研究中過度放牧樣地圍封后大團聚體含量沒有增加，可能是因為過度放牧樣地在圍封前有30 a持續高強度放牧的歷史，草地退化嚴重，土壤的有機質含量降低，10 a的圍封時間可能不足以使土壤有機質和團聚體結構得以恢復.此外，影響土壤團聚體有機碳和總氮含量的因素有很多，氣候、土壤含水量、土地利用方式、人類活動等都會使土壤團聚體的有機碳和總氮含量對圍封產生不同程度的響應[27].過度放牧樣地圍封后草原動物活動減少，排泄物的輸入減少，草原的土壤溫度降低，土壤的含水量降低，生物群落變簡單，這些因素可能使土壤團聚體的有機碳和總氮含量沒有顯著增加，大團聚體含量沒有顯著變化.綜上，圍封處理使中度放牧樣地大團聚體含量顯著增加，而對過度放牧樣地大團聚體含量沒有顯著影響.放牧強度和圍封對于土壤團聚體的影響存在明顯的交互作用.