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(nóng)業(yè)大學(xué)資源學(xué)院, 成都 611130 2 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院, 成都 611130 3 四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局成都水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì), 成都 610072 4 四川省若爾蓋縣環(huán)境保護(hù)和林業(yè)局, 若爾蓋 624500

若爾蓋沙化草地不同生態(tài)恢復(fù)模式土壤活性有機(jī)碳及碳庫管理指數(shù)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(nóng)業(yè)大學(xué)資源學(xué)院, 成都 611130 2 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院, 成都 611130 3 四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局成都水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì), 成都 610072 4 四川省若爾蓋縣環(huán)境保護(hù)和林業(yè)局, 若爾蓋 624500

研究退化林草地不同生態(tài)恢復(fù)模式土壤活性有機(jī)碳和碳庫管理指數(shù)變化,可為評價(jià)生態(tài)恢復(fù)措施提升土壤質(zhì)量的效果,以及優(yōu)化生態(tài)恢復(fù)模式的選擇提供重要參考。結(jié)合野外調(diào)查和室內(nèi)分析法,研究了若爾蓋沙化草地不同生態(tài)恢復(fù)模式土壤有機(jī)碳組分及碳庫管理指數(shù)變化。若爾蓋沙化草地的生態(tài)恢復(fù)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(huán)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(jié)果表明,與沙化草地(DG)相比，3種恢復(fù)模式都能提高土壤有機(jī)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(jī)碳(DOC)、易氧化有機(jī)碳(EOC)、顆粒有機(jī)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(jī)碳的效應(yīng)相近,而且二者都遠(yuǎn)大于SGⅡ。3種生態(tài)恢復(fù)模式土壤活性有機(jī)碳分配比例與DG的差異表現(xiàn)不一致,顯著體現(xiàn)是SGⅠ模式土壤DOC分配比例的垂直變化出現(xiàn)分餾現(xiàn)象。3種生態(tài)恢復(fù)模式土壤碳庫管理指數(shù)(CPMI)均大于100%,能不同程度地提升土壤質(zhì)量,其效應(yīng)大小為SGⅠ>SGⅡ>SBSG。易氧化有機(jī)碳可作為反映沙化草地生態(tài)修復(fù)模式土壤質(zhì)量變化的優(yōu)選指標(biāo),CPMI也可用于表征生態(tài)恢復(fù)措施提升沙化草地土壤質(zhì)量的效果。

若爾蓋；沙化草地；生態(tài)恢復(fù)；土壤; 活性有機(jī)碳；碳庫管理指數(shù)

土壤有機(jī)碳是植物所需養(yǎng)分和土壤微生物生命活動(dòng)的能量來源, 對改善土壤肥力[1-2]、降低土壤有機(jī)與無機(jī)污染[3-4]、緩減全球溫室效應(yīng)[5-6]具有重要作用。雖然土壤活性有機(jī)碳,特別是微生物碳與可溶性有機(jī)碳占總有機(jī)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(xué)過程。土壤活性有機(jī)碳受退化土地生態(tài)恢復(fù)措施、土壤施肥與耕作方式等的影響[9-11],能在總有機(jī)碳變化之前更敏感地反應(yīng)土壤質(zhì)量變化情況,是評價(jià)土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)[9]。土壤碳庫管理指數(shù)(Carbon pool management index,CPMI) 是土壤有機(jī)碳和參考土壤有機(jī)碳的比值與土壤有機(jī)碳活度指數(shù)的乘積,綜合考慮了土壤總有機(jī)碳與活性有機(jī)碳,可比活性有機(jī)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(zhì)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(yǎng)區(qū)和西北干旱區(qū)沙塵暴的有效隔離區(qū),還是地球上的天然碳“庫”與碳“匯”,土壤母質(zhì)為第四紀(jì)松散沉積物。20世紀(jì)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(qū)域面臨的兩大生態(tài)環(huán)境問題。據(jù)若爾蓋縣土地沙化監(jiān)測結(jié)果顯示,自1994年以來,該縣沙化土地持續(xù)增加,截止2014年已達(dá)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(jì)90年代中期開始,四川省政府啟動(dòng)了若爾蓋縣沙地綜合治理的研究與示范點(diǎn)工程,已初現(xiàn)成效。因?yàn)槎啻蔚谋O(jiān)測結(jié)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(dòng)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(dòng)沙丘,只有土壤環(huán)境恢復(fù)至適合植物生長的條件下,人工生態(tài)恢復(fù)措施才能取得較好效果。短期內(nèi)如何反映生態(tài)恢復(fù)措施使“土壤環(huán)境恢復(fù)至適合植物生長的條件”？土壤活性有機(jī)碳及CPMI 是首選、重要敏感指標(biāo)。但迄今為止,對若爾蓋高原乃至整個(gè)青藏高原沙化草地及其不同生態(tài)修復(fù)模式土壤有機(jī)碳與CPMI的研究,主要是關(guān)注不同沙化程度草地土壤[16]或不同恢復(fù)年限土壤總有機(jī)碳及其部分活性有機(jī)碳的變化[17],有的甚至僅在分析生態(tài)恢復(fù)模式對土壤理化性質(zhì)的影響中涉及土壤有機(jī)碳含量特征[18-19],未曾有沙化草地不同恢復(fù)模式下土壤活性有機(jī)碳及CPMI的研究報(bào)道。因此,本文以若爾蓋縣重點(diǎn)沙化治理區(qū),轄曼鄉(xiāng)與黑河牧場的沙化草地不同生態(tài)恢復(fù)模式土壤為研究對象,探討土壤有機(jī)碳及其活性組分、碳庫管理指數(shù)的變化特征,對沙化草地的優(yōu)化生態(tài)恢復(fù)模式的推廣,實(shí)現(xiàn)高寒草地生態(tài)系統(tǒng)“增匯減排”,緩解全球變暖具有重要的意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)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(xiāng)與黑河牧場。該區(qū)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(fēng)高原型氣候區(qū),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(fā)量達(dá)1013.0mm,相對濕度64%,年大風(fēng)日數(shù)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(qū)內(nèi)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(zhì)量下降,阻礙了畜牧業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展,也導(dǎo)致斑塊狀風(fēng)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(qū)內(nèi)沙化草地的主要生態(tài)恢復(fù)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(huán)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(tài)恢復(fù)模式的典型樣地選擇與土壤樣品采集：首先,野外實(shí)地踏勘結(jié)合Google earth 的遙感影像圖,選定3種沙化草地生態(tài)恢復(fù)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(jù)微地形變化情況,每個(gè)樣地布設(shè)3個(gè)采樣點(diǎn),每個(gè)采樣點(diǎn)又設(shè)置3個(gè)10m×10m的小樣方；最后,每個(gè)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(nèi)供活性有機(jī)碳等指標(biāo)測定。采集各沙化草地生態(tài)恢復(fù)模式土壤的同時(shí),選擇環(huán)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(gè),其基本情況見表1。

2.2 性質(zhì)測定

土壤總有機(jī)碳(TOC)重鉻酸鉀容量法；溶解性有機(jī)碳(DOC) 1mol/L KCl(5∶1)浸提,重鉻酸鉀容量法[20]；易氧化有機(jī)碳(EOC)333mmol/L KMnO4氧化-比色法[21]；微生物量碳(MBC)氯仿熏蒸培養(yǎng)-K2SO4浸提,重鉻酸鉀容量法[22]；顆粒有機(jī)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(kuò)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(shù)據(jù)分析

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

表1 樣地基本概況

DG：無生態(tài)恢復(fù)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(fù)模式Ⅰ shrub-grass intercrop restoration patternⅠof desertification grassland; SGⅡ：沙化草地的灌草間作修復(fù)模式Ⅱ Shrub-grass intercrop restoration pattern Ⅱof desertification grassland; SBSG：沙化草地的沙障+灌草修復(fù)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(shù)(CA)=生態(tài)恢復(fù)模式土壤A/參考土壤A

碳庫指數(shù)(CPI)=生態(tài)恢復(fù)模式土壤TOC/參考土壤TOC

碳庫管理指數(shù)(CPMI)=CPI×CA×100%

采用Excel 2003和SPSS 11.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,單因子方差分析(Oneway-AVOVA)和新復(fù)極差法(Duncan)進(jìn)行不同生態(tài)恢復(fù)模式之間土壤有機(jī)碳及其活性組分的差異顯著性檢驗(yàn)(α=0.05)。

3 結(jié)果與分析

3.1 沙化草地不同生態(tài)恢復(fù)模式土壤總有機(jī)碳變化

由圖1可知,DG與SGⅠ模式土壤總有機(jī)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(shù)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(jī)碳含量與DG的相應(yīng)土層相近外,不同恢復(fù)模式其他土層土壤有機(jī)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(jī)碳含量與DG相應(yīng)土層土壤的達(dá)顯著(P<0.05)。各沙化草地全剖面土壤總有機(jī)碳含量的高低順序?yàn)镾GⅠ(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(tài)恢復(fù)模式土壤活性有機(jī)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(tài)恢復(fù)模式沙化草地僅有極少草本植物,各生態(tài)恢復(fù)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(nèi),高原紅柳的可達(dá)50cm土層。因此,本文重點(diǎn)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(tài)恢復(fù)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(dá)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(dá)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?yàn)镾BSG(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(jī)碳含量Fig.1 The content of soil total organic carbon (TOC)圖中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)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(jī)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(dá)顯著 (P<0.05)。SBSG模式20cm以上的3層土壤DOC較DG的相應(yīng)土層增加68.9%—93.9%,20cm以下土層土壤的與DG相應(yīng)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(yīng)土層。各沙化草地全剖面土壤DOC含量的高低順序?yàn)镾GⅠ(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(jī)碳含量Fig.3 The content of dissolved organic carbon (DOC)

3.2.3 易氧化有機(jī)碳

圖4顯示,DG與SGⅠ、SBSG模式土壤易氧化有機(jī)碳(EOC)含量的垂直變化也為先升高后降低,10—20cm土層達(dá)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(dá)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?yàn)镾GⅠ(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(jī)碳含量Fig.4 The content of easily oxidized organic carbon (EOC)

3.2.4 顆粒有機(jī)碳

圖5顯示,土壤顆粒有機(jī)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(dá)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(dá)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(dá)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?yàn)镾BSG(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(jī)碳含量Fig.5 The content of particulate organic carbon (POC)

3.3 沙化草地不同生態(tài)恢復(fù)模式土壤活性有機(jī)碳分配比例變化

土壤某種活性有機(jī)碳的分配比例是指該種活性有機(jī)碳與總有機(jī)碳的比例。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,研究區(qū)沙化草地土壤活性有機(jī)碳分配比例的垂直變化無明顯規(guī)律可循,故表2只列了土壤活性有機(jī)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(jī)物向微生物量碳的轉(zhuǎn)化效率,值越大,轉(zhuǎn)化率越大,微生物對有機(jī)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(tài)恢復(fù)模式土壤微生物熵略有降低,但差異不顯著。低溫、干旱環(huán)境致使研究區(qū)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(shí),SGⅠ模式土壤DOC分配比例的垂直變化出現(xiàn)分餾現(xiàn)象[25]：表層(0—5 cm),化學(xué)結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的DOC 組分被土壤優(yōu)先吸附和截留,土壤DOC分配比例1.95%,是DG模式相應(yīng)土層土壤的3.65倍；深層(30cm以下),結(jié)構(gòu)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(yīng)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(yuǎn)遠(yuǎn)大于微生物熵與DOC分配比例。3種生態(tài)恢復(fù)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(jī)碳占總有機(jī)碳的比例

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

3.4 沙化草地不同生態(tài)恢復(fù)模式土壤碳庫管理指數(shù)變化

由表3可知,3種恢復(fù)模式土壤碳庫活度指數(shù)(CA)在0.35—2.05之間,且超過半數(shù)以上的土層土壤CA值小于1；土壤CA無明顯的垂直變化規(guī)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(fù)模式土壤碳庫指數(shù)(CPI)垂直變化也無明顯規(guī)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(fù)模式土壤全剖面CPI均大于1,其大小順序?yàn)镾GⅠ>SBSG>SGⅡ,與TOC、EOC一致。雖然3種恢復(fù)模式土壤CPMI垂直變化規(guī)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(fù)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?？梢?沙化草地的3種生態(tài)恢復(fù)模式都不同程度地提高了土壤質(zhì)量。

表3 土壤碳庫管理指數(shù)及相關(guān)指標(biāo)

3.5 沙化草地土壤活性有機(jī)碳組分、碳庫管理指數(shù)與其他性質(zhì)的相關(guān)性

土壤活性有機(jī)碳組分、碳庫管理指數(shù)與有機(jī)質(zhì)、氮磷素的相關(guān)性統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表4)顯示,土壤各活性有機(jī)碳組分、CPMI均與有機(jī)質(zhì)、氮磷素呈正相關(guān)。土壤MBC與全氮、全磷、微生物量磷的相關(guān)系數(shù)達(dá)顯著或極顯著,與堿解氮的在10%水平上顯著； DOC與有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、堿解氮、微生物量磷的相關(guān)系數(shù)達(dá)顯著或極顯著,與速效磷的在10%水平上顯著；EOC、POC與有機(jī)質(zhì)、全量氮磷、有效氮磷、微生物量氮磷的相關(guān)系數(shù)均達(dá)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(yǎng)分肥力的變化,尤其是EOC與POC。土壤CPMI與各養(yǎng)分指標(biāo)的相關(guān)系數(shù),僅與微生物量氮達(dá)顯著,與有機(jī)質(zhì)在10%水平上顯著。但統(tǒng)計(jì)結(jié)果又顯示,本研究中土壤CPMI與EOC、POC與相關(guān)系數(shù)分別為0.630(P<0.001)、0.235(P<0.05),達(dá)極顯著、顯著,間接表明土壤CPMI也可用于表征生態(tài)恢復(fù)措施對沙化草地土壤質(zhì)量的影響。

表4 土壤活性有機(jī)碳、碳庫管理指數(shù)與其他土壤性質(zhì)的相關(guān)性

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

4 討論

4.1 沙化草地不同生態(tài)恢復(fù)模式提高土壤有機(jī)碳效應(yīng)的差異

土壤有機(jī)碳含量取決于有機(jī)物料輸入和損失量的差值,輸入量大于損失量,有機(jī)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(jī)碳含量分別比DG高100.6%、14.7%、96.0%?？梢?3種恢復(fù)模式均能不同程度地提高了沙化草地土壤總有機(jī)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(jié)果一致。這歸功于3種恢復(fù)模式都能防風(fēng)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(shù)量[28],最終致使有機(jī)物料的輸入量高于礦化分解損失量。不同恢復(fù)模式提高土壤總有機(jī)碳含量的效應(yīng)不一致,SGⅠ、SBSG模式土壤總有機(jī)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(jī)碳的效果相近,但都優(yōu)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(fù)模式土壤各組分活性有機(jī)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(xiāng)的試驗(yàn)效果一致[17],與其他地區(qū)的植被恢復(fù)措施可有效提高土壤活性有機(jī)碳效應(yīng)的結(jié)論相似[29-30]。不同恢復(fù)模式提高土壤活性有機(jī)碳效應(yīng)不一致,其中提高土壤MBC、DOC、POC的效應(yīng)大小為,SBSG > SGⅠ>> SGⅡ；提高土壤EOC的效應(yīng)大小則為,SGⅠ> SBSG >> SGⅡ。綜合分析3種恢復(fù)模式的恢復(fù)年限(表1),以及全剖面土壤4種活性有機(jī)碳含量不難發(fā)現(xiàn),沙障+灌草模式是一種效果最佳的沙化草地生態(tài)恢復(fù)模式。這是因?yàn)榉叫胃咴t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(fēng),還能阻止外源沙,進(jìn)而營造一適合植物生長發(fā)育的土壤環(huán)境,生長較好植物又可向土壤中輸入較多有機(jī)物,促進(jìn)有機(jī)碳及活性組分的增加,如此循環(huán),可快速恢復(fù)亞高山(灌叢)草甸生態(tài)環(huán)境。

與相關(guān)研究結(jié)果[17-19]相比,若爾蓋沙化草地土壤總有機(jī)碳及其活性組分含量的垂直分布規(guī)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(jié)論相似。因?yàn)樯硡^(qū)的風(fēng)蝕、風(fēng)積作用[32-33]導(dǎo)致表層土壤砂粒多于亞表層,即使是生態(tài)恢復(fù)模式下的土壤仍存在這種風(fēng)蝕、風(fēng)積作用,由此帶給土壤性質(zhì)的負(fù)效應(yīng)遠(yuǎn)大于正效應(yīng)。

4.2 沙化草地不同生態(tài)恢復(fù)模式土壤活性有機(jī)碳分配比例的差異

研究區(qū)的低溫、干旱環(huán)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(nèi)蒙古科爾沁沙化草地土壤(1.7%—4.8%)[29]；DOC分配比例與內(nèi)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(dú)特的低溫、干旱、砂土質(zhì)地條件卻有助于輸入土壤中的有機(jī)物向EOC、POC轉(zhuǎn)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(jī)碳較高,大多在6.0g/kg—10.0g/kg之間,而本研究中土壤總有機(jī)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?yàn)檠芯繀^(qū)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(jī)碳結(jié)合的絕大多數(shù)土壤顆粒是砂粒,造就了土壤POC的高分配比例。

3種生態(tài)恢復(fù)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(tài)恢復(fù)模式之間無顯著差異,說明不同生態(tài)恢復(fù)模式下,輸入土壤中有機(jī)物轉(zhuǎn)化成微生物碳的速率低于無生態(tài)恢復(fù)措施土壤,其微生物熵的增大還有賴于恢復(fù)年限的增加引起土壤中體積<5—105μm活的細(xì)菌、真菌、藻類和微動(dòng)物的增多。3種生態(tài)恢復(fù)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(zhì)地條件的各生態(tài)恢復(fù)模式,其輸入土壤中有機(jī)物向POC轉(zhuǎn)化量較多,速度也較快,但不同生態(tài)恢復(fù)模式之間無顯著差異。各生態(tài)恢復(fù)模式全剖面土壤DOC、EOC與DG的差異則因沙化草地不同生態(tài)恢復(fù)模式及其恢復(fù)年限的差異不一致。SGⅠ模式的恢復(fù)年限已達(dá)7年,輸入有機(jī)物轉(zhuǎn)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(xiàn)分餾現(xiàn)象[25]。SGⅡ模式的恢復(fù)年限雖也達(dá)7a,但4—5行高山紅柳為環(huán)狀栽植,防風(fēng)固沙能力較弱,輸入有機(jī)物轉(zhuǎn)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(fù)年限較低導(dǎo)致土壤DOC分配比例也低于DG。也正是因?yàn)榛謴?fù)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(jī)碳及碳庫管理指數(shù)對土壤質(zhì)量的表征作用

土壤CPMI從有機(jī)碳庫的角度反映不同土壤環(huán)境條件下土壤質(zhì)量的差異以及人工生態(tài)恢復(fù)措施提升土壤質(zhì)量的能力[9,31]。本研究結(jié)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%?？梢?3種恢復(fù)模式均能不同程度地提升土壤質(zhì)量,這與邱莉萍等[12]、Gong等[9]的研究結(jié)論相似；同時(shí),由于恢復(fù)年限的差異(表1),3種恢復(fù)模式提升土壤質(zhì)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(jī)碳效應(yīng)雖較灌草間作模式Ⅱ高,但易氧化有機(jī)碳的增加量相對少于難氧化有機(jī)碳,導(dǎo)致其有機(jī)碳質(zhì)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(jī)碳組分、碳庫管理指數(shù)與大多數(shù)物理、化學(xué)、生物性質(zhì)呈顯著相關(guān),可作為表征土壤質(zhì)量對水、肥、耕作等管理措施與覆被變化等土壤環(huán)境條件變化的早期靈敏反應(yīng)指標(biāo)[9-12,37]。本研究結(jié)果顯示,土壤MBC、DOC、EOC與POC基本都與有機(jī)質(zhì)、氮磷呈顯著正相關(guān),可指示沙化草地土壤養(yǎng)分肥力變化,與邱莉萍等[12]、Gong等[9]等的研究結(jié)論相似。土壤CPMI與微生物量氮、EOC、POC呈顯著或極顯著正相關(guān),與有機(jī)質(zhì)在10%顯著水平上呈正相關(guān)。表明CPMI仍可在一定程度上用于表征生態(tài)恢復(fù)措施對沙化草地土壤質(zhì)量的影響,與Gong等[9]等的研究結(jié)論相似。綜合比較各活性有機(jī)碳與土壤養(yǎng)分的相關(guān)性,以及各活性組分的測定方法,本研究認(rèn)為土壤EOC不僅測定方法簡單、工序少、省時(shí),而且能在短時(shí)間內(nèi)變化較大,可作為反映生態(tài)恢復(fù)措施對沙化草地土壤質(zhì)量影響的優(yōu)選指標(biāo)。

5 結(jié)論

3種恢復(fù)模式均不同程度地提高了土壤總有機(jī)碳及其活性組分的含量。與DG相比,3種恢復(fù)模式土壤活性有機(jī)碳的增幅為2.7%—139.0%。不同恢復(fù)模式提高土壤有機(jī)碳效應(yīng)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(huán)境條件以及砂土質(zhì)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(tài)恢復(fù)模式土壤活性有機(jī)碳分配比例與DG的差異表現(xiàn)不一致,顯著體現(xiàn)是SGⅠ模式土壤DOC分配的垂直變化出現(xiàn)分餾現(xiàn)象。

3種生態(tài)恢復(fù)模式CPMI均大于100%,能不同程度地提升土壤質(zhì)量,其效應(yīng)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(jī)碳可作為反映沙化草地不同生態(tài)修復(fù)模式土壤質(zhì)量變化的優(yōu)選指標(biāo),CPMI也可用于表征生態(tài)恢復(fù)措施對沙化草地土壤質(zhì)量的影響。

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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(xiàng)目(14ZB0011)；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41401328)；四川省科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)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(tài)恢復(fù)模式土壤活性有機(jī)碳及碳庫管理指數(shù)變化.生態(tài)學(xué)報(bào),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.