利用方式對高寒草地土壤有機碳組分的影響

發布時間：2019-12-06所屬分類：農業論文瀏覽：1次

摘 要： 摘要：為探究草地利用方式對高寒草地土壤有機碳組分的影響，以新疆巴音布魯克開墾草地、放牧草地和圍封草地為研究對象，測定了不同利用方式下極不穩定有機碳組分(F1)、不穩定有機碳組分(F2)、穩定有機碳組分(F3)、惰性有機碳組分(F4)和總有機碳含量(SOC)，分

　　摘要：為探究草地利用方式對高寒草地土壤有機碳組分的影響，以新疆巴音布魯克開墾草地、放牧草地和圍封草地為研究對象，測定了不同利用方式下極不穩定有機碳組分(F1)、不穩定有機碳組分(F2)、穩定有機碳組分(F3)、惰性有機碳組分(F4)和總有機碳含量(SOC)，分析了不同利用方式下不同有機碳組分分布特征及相關性。結果表明，4種土壤有機碳組分與利用方式、土層深度均呈顯著性差異(P<0.05)，3種草地利用類型F1、F2、F3和F4組分有機碳含量隨土壤深度增加而顯著減少(P<0.05)，利用方式對30～100cm土層SOC含量的影響小于0～30cm。開墾草地以極不穩定有機碳組分為主，占總有機碳48.15%;放牧和圍封草地均以惰性有機碳組分為主，分別占總有機碳的54.44%和55.36%。F1、F2、F3和F4組分均與SOC存在顯著正相關(P<0.01)。高寒草地開墾降低了有機碳庫的穩定性，適度放牧和圍封有利于草地的可持續發展。

　　關鍵詞：高寒草地;巴音布魯克;放牧;圍欄封育;草地開墾

　　草地生態系統是陸地生態系統的重要組成部分，在全球碳循環中扮演著重要角色[1，2]。土壤有機碳(SOC)是全球碳庫重要組成部分，可為土壤微生物提供能量的主要來源，也是土壤肥力的基礎，在氣候調節、水資源和生物多樣性方面起著重要作用[3，4]。土地利用是造成土壤有機碳輸入和損失之間平衡的主要影響因素，決定了土壤CO2的固定與排放[5，6]。然而，草地的合理利用不僅對維持SOC有積極的效果，還能增加SOC的儲量[7，8]。土壤惰性有機碳很難被微生物分解，并且對環境變化響應緩慢，對土壤碳蓄積和維持碳庫穩定起著重要作用[9]。土壤活性有機碳是指土壤中穩定性差、易被礦化分解，且對土壤微生物活性較高的那部分[10];不穩定有機碳組分易礦化，對氣候變暖有促進作用。土壤惰性碳不易被分解，可反應有機碳庫的穩定性[11]。在以往研究中，不同有機碳組分(微生物碳、土壤易氧化有機碳、可溶性有機碳、顆粒有機碳)的研究主要集中在農田生態系統[12-14]，而高寒草地生態系統的研究相對較少。

　　巴音布魯克高寒草原是世界草原類型中最具有代表性的草原[15]，是全國第二大高寒草原[2]，也是新疆重要的畜牧業基地。巴音布魯克高寒草地土壤碳匯功能的穩定，對該區域草地生態系統穩定性起著重要作用。近年來，受旅游開發和過度放牧等人類活動的影響，巴音布魯克草地出現退化現象，嚴重威脅到該區域草地和畜牧業的可持續發展。本研究以新疆巴音布魯克高寒草地不同利用方式(放牧、開墾和圍封)土壤為研究對象，探究不同利用方式下土壤有機碳組分分布特征及其影響因素，以期為草地的合理利用提供科學依據。

　　1材料與方法

　　1.1研究區概況

　　研究區位于新疆巴音郭楞蒙古自治州北部和靜縣巴音郭楞鄉(42°53.1′N，83°42.5′E)的中國科學院新疆生態與地理研究所巴音布魯克草原生態系統研究站，海拔2500m，年均氣溫-4.8℃，年均降水量265.7mm，屬典型的高寒氣候。主要土壤類型為亞高山草原土，成土母質為黃土，表土干燥緊實。主要植被為紫花針茅(Stipapurpurea)、羊茅(Festu-caovina)、線葉高草(Kobresiacapillifolia)、細果苔草(Carexstenocarpa)。

　　1.2試驗設計

　　以巴音布魯克高寒草原3種草地利用類型：開墾草地、放牧草地和圍封草地為研究對象，其中開墾草地處理面積約為55hm2，從2014年開墾至今，常規耕作，種植燕麥，每3年施用有機肥(羊糞)一次，約施1.05×105～1.20×105kg/hm2，灌水量約為4000～6000m3/hm2，燕麥收割后殘留秸稈還田。放牧草地處理面積約100hm2，該區域屬于春季牧場，從1971年放牧至今，放牧強度為2只羊/hm2，屬于輕度放牧。圍封草地處理面積約為0.25hm2，從1985年開始圍封禁牧。

　　1.3樣品采集與處理

　　在每種草地利用類型設置3個樣方，在每個樣方內按照“S”形采集樣品，去除樣方內地上生物量和凋落物，按照機械分層法采集土壤樣品，用直徑為5cm的土鉆，分別取0～5、5～10、10～20、20～30、30～50、50～70cm和70～100cm深度土樣，共7層。每樣方重復3次，每個處理采集63個土壤樣品。將所取土壤裝進取樣袋，做好標記后帶回實驗室。土壤樣品經自然風干后，去除大于2mm礫石和根系，過0.149mm標準篩測定總有機碳(SOC)和不同組分有機碳，每個樣品重復測定3次。

　　1.4有機碳測定方法

　　土壤有機碳含量采用重鉻酸鉀—濃硫酸外加熱法來測定[16]。土壤有機碳組分的含量采用Chan等[17]修正后WalkleyandBlack[18]方法來測定，即采用不同濃度硫酸(6、9、12mol/L)—重鉻酸鉀測定不同有機碳組分含量，分別為：①極不穩定有機碳組分(F1)=被6mol/L硫酸溶液氧化的有機碳含量(g/kg);②不穩定有機碳組分(F2)=被9mol/L硫酸溶液氧化的有機碳含量(g/kg)-被6mol/L的硫酸溶液氧化的有機碳含量(g/kg);③穩定有機碳組分(F3)=被12mol/L硫酸溶液氧化的有機碳含量(g/kg)-被9mol/L硫酸溶液氧化的有機碳含量(g/kg);④惰性有機碳組分(F4)=總有機碳含量(g/kg)-被12mol/L硫酸溶液氧化的有機碳含量(g/kg)。

　　1.5統計方法

　　數據使用Excel2003、SPSS17.0和Sigmaplot10.0進行統計，采用單因素方差分析(ANO-VA)及多重比較(LSD)進行數據顯著性分析。

　　2結果與分析

　　2.1利用方式對土壤總有機碳組分的影響

　　由圖1知，隨土壤深度的增加，開墾草地土壤總有機碳含量呈先增加后降低趨勢，而放牧和圍封草地土壤總有機碳含量呈逐漸降低趨勢，且其含量主要集中在0～30cm土層，分別占剖面總有機碳的74%、86%、92%。

　　2.2利用方式對土壤有機碳的影響

　　3種利用方式下高寒草地土壤有機碳均以極不穩定有機碳(F1)和惰性有機碳(F4)為主。利用方式改變了不同組分有機碳的垂直分布特征(表1)。不同利用方式0～5cmF1組分有機碳含量不存在顯著性差異(P>0.05)，0～30cm土層F1組分有機碳含量表現為：開墾草地>圍封草地>放牧草地;5～10、10～20cm和20～30cm開墾草地F1組分高于放牧和圍封草地。0～5cm和5～10cmF2組分有機碳含量不存在顯著差異(P>0.05)，10～20、20～30、30～50、70～100cm開墾草地F2組分有機碳含量顯著高于圍封草地(P<0.05)。草地開墾未顯著改變穩定有機碳組分(F3)，開墾與圍封草地在0～5、10～20、20～30cm和30～50cm土層F3組分均不存在顯著性差異(P>0.05)。開墾草地土壤0～30cm不同土層惰性有機碳組分含量顯著小于放牧和圍封草地(P<0.05)，但30～50、50～70cm土層開墾草地F4組分顯著較高(P<0.05)，說明開墾對土壤表層惰性有機碳的影響較大。

　　不同利用方式草地土壤不穩定有機碳組分含量(F1和F2)變化趨勢不同(表1)。放牧和圍封草地土壤不穩定有機碳組分含量呈逐漸下降趨勢，開墾草地土壤極不穩定有機碳呈先增加后降低趨勢，且集中在0～30cm。放牧草地F3組分含量相對較低，呈先增加后降低趨勢;開墾草地5～70cm土層F3組分含量高于放牧和圍封草地。開墾草地惰性有機碳(F4)組分含量隨土層深度增加呈先增加后下降的趨勢，放牧和圍封處理呈逐漸下降趨勢。

　　2.3土壤有機碳組分與總有機碳的相關性分析

　　相關分析表明(表2)，高寒草地土壤總有機碳與F1、F2、F3和F4組分顯著正相關(P<0.01);且不同組分之間也存在顯著相關(P<0.05)�；貧w分析表明，土壤總有機碳與不同組分之間存在較好的線性關系(圖2)。土壤有機碳與各組分均符合一元線性關系：土壤總有機碳與極不穩定有機碳符合y=0.29x+2.13;與不穩定有機碳符合y=0.13x+0.11;與穩定有機碳符合y=0.06x+1.14;與惰性有機碳符合y=0.52x-1.00。其R2值分別為0.60、0.69、0.38、0.76。從方程的斜率分析發現，F4組分的斜率(k=0.52)顯著大于其他3種組分，說明F4組分是巴音布魯克高寒草地重要組成部分，是維持土壤碳庫穩定的重要因素。

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　　3討論

　　利用方式的改變是導致土壤總有機碳和活性有機碳變化的主要原因之一[19]。SOC是植物凋落物和根系沉積物等輸入與土壤呼吸碳排放之間的平衡結果[4]。耕作可以破壞土壤團聚體，提高土壤異源性和土壤微生物對土壤有機碳的分解能力，從而降低農田土壤有機碳的含量[20，21]。草地開墾對土壤剖面SOC的分布有顯著影響，開墾處理以極不穩定有機碳為主，其含量占總有機碳的48.15%，周恒等[22]研究表明，開墾是降低土壤有機碳含量的原因之一。尹萍等[23]對開墾5～33年亞高山草地有機碳的研究結果表明，0～15cm土壤有機碳含量呈下降趨勢，這與本研究結果相似。青藏高原高寒草地的研究表明，圍欄封育土壤有機碳含量顯著高于開墾草地[24]。Qi等[25]對內蒙古溫帶草地的研究結果表明，開墾近40年草地土壤有機碳隨土壤深度下降百分數顯著高于未開墾草地。這可能是因為開墾后植物生物量輸入的減少和礦化速度的加快導致了土壤有機碳含量的降低[23]。說明開墾可能會破壞土壤碳庫的穩定性。

　　圍欄封育是改善草地生態系統的主要措施之一[22]。相關研究發現，圍欄封育可使土壤碳儲量提高約25%，并且改善了土壤結構[26]。也有研究表明，圍欄封育可以提高土壤養分含量[27]。此外，圍欄封育使草地不受外界的干擾，使得土壤水肥條件及理化性狀得到相應的改善[22]。本研究表明，從圍封草地土壤各組分有機碳含量的變化來看，圍封處理有機碳含量高于放牧處理，這與管光玉等[28]對山地草甸草原土壤有機碳的研究結果相似。不同放牧管理模式下高寒草甸土壤有機碳含量隨土壤深度呈現降低趨勢，且禁牧方式有機碳含量高于其他利用方式[29]。蘇建紅等[30]研究結果表明，圍欄封育后亞高山草甸圍欄內有機碳含量高于圍欄外，這與本研究結果一致[30]。這可能由于封育后草地植被逐漸恢復，凋落物和植物根系的輸入增多，從而使土壤有機碳的輸入量增加了[31-33]。

　　本研究表明，放牧草地惰性有機碳含量顯著高于開墾草地，其占總有機碳的54.44%，這與薩茹拉等[34]研究結果相似，即適度放牧有利于土壤有機碳的蓄積。楊樹晶等[35]對阿壩高寒草甸土壤的研究結果表明，冬春季放牧土壤有機碳儲量顯著高于人工栽培草地，這與本研究結果相似。這可能是由于在適度放牧條件下，家畜等草食動物在草地上的活動使得草地上的凋落物與土壤充分混合，利于有機物質進入到土壤中，使得土壤有機碳含量增加[22]。也有研究表明，放牧程度的大小直接影響有機碳的蓄積，放牧強度越大有機碳含量越小[36]。不同放牧強度下對高寒人工草地的研究結果表明，重度放牧有機碳含量顯著低于輕度放牧[37]。這是由于家畜對草地的破壞遠大于草地的恢復，使植被生物量降低，從而導致有機碳含量的減少[22]。此外，也有研究表明土壤總有機碳與有機碳組分對放牧干擾的響應規律一致，即放牧強度增加，土壤總有機碳含量降低[38]。因此，適度放牧和圍封將促進草地土壤有機碳的蓄積。但高寒草地土壤有機碳庫的穩定機制還有待深入研究。

　　4結論

　　巴音布魯克高寒草地土壤有機碳含量主要集中在0～30cm的土層，隨著土層深度的加深有機碳含量呈現出減少趨勢。

　　開墾草地土壤以極不穩定有機碳(F1)組分為主，而放牧、圍封草地以惰性有機碳(F4)為主。

　　4種有機碳組分均與土壤總有機碳顯著正相關(P<0.01)。因此，提高土壤總有機碳即可增加惰性有機碳組分，增加草地土壤有機碳庫的穩定性。

　　適度放牧和圍欄封育有助于提高草地土壤有機碳庫的穩定性，開墾導致草地土壤有機碳庫規�？焖贉p小。因此，高寒草原區應禁止大面積推廣人工草地，盡量減少對高寒草地土壤的擾動，從而維持高寒草地的碳匯功能。