短期放牧对昭苏草甸草原土壤活性有机碳组分的影响

杨合龙，孙宗玖，范燕敏，蒲宁宁，陈玉萍，张向向

(新疆农业大学草业与环境科学学院 新疆草地资源与生态重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830052)

我国草地资源十分丰富，草地面积3.92亿hm2，占国土面积的41.14%，比耕地和林地的总和还多，仅次于澳大利亚，是世界第二草原大国[1]。新疆草地面积为5 725万hm2，占全疆土地面积的36%，仅次于西藏、内蒙古，居全国第3位[2]。放牧是草地利用的基本方式，而家畜在放牧过程中，通过践踏、采食等活动，对草地植被群落特征与土壤理化性质产生影响[3-4]，且土壤理化性质的变化，相对于草地植被群落而言，较为缓慢。然而，作为土壤重要组成成分的土壤有机质，是衡量土壤肥力的重要指标之一[5-6]。研究表明[7]，由于土壤有机质结构、组成等的复杂性，土壤总碳对于外界环境反应的微小变化总是难以观测，尤其是对于较短的时间尺度，人类活动对土壤总碳库的影响并不显著，显示出一定的“滞后性”。

土壤活性有机碳(Soil Labileorganic Carbon，SLOC)对土壤管理措施的响应，以及土壤有机碳库的变化反应灵敏，因此，被认为是反映土壤物理性质和土壤肥力变化，以及对土壤管理措施综合评价的较好指标[8-9]，这为揭示放牧对草地土壤有机质的影响提供了新视角。目前，对于土壤活性有机碳的研究，国内外多集中在不同耕作管理措施、不同林分组成间的比较[10-12]，而有关草地放牧的应用较少[13-14]。为此,在新疆昭苏草甸草原开展新疆褐牛短期放牧强度控制试验，探讨短期放牧强度是否对土壤有机碳组分[土壤易氧化碳(ROC)、土壤颗粒组分、土壤轻组组分]产生影响，哪些组分可以作为有机碳短期变动的敏感性指标，以期为揭示土壤有机质对放牧的响应机制，预测早期土壤质量的变化提供理论依据。

1 材料与方法

1.1研究区域概况 研究区位于新疆伊犁州昭苏马场特克斯河北岸河滩阶地丛生禾草+杂类草草甸草原。地处81.00° N，42.59° E，海拔1 650 m。属于半干旱、半湿润的温带山区冷凉气候类型，年均温为2.9 ℃。试验期间，2010年降水量597.9 mm，2011年降水量587.2 mm，2012年降水量424.7 mm。试验区草群结构复杂，主要有黄花苜蓿(Medicagofalcate)、亚洲百里香(Thymusasiaticus)、针茅(Stipacapillata)、羊茅(Festucaovina)、草原苔草(Carexliparocarpos)，无芒雀麦(Bromusinermis)、黄芪(Astragalussp.)、草原糙苏(Phlomispratens)等。

1.2试验设计与土壤采集 采用随机区组试验设计，设置轻度放牧(LG)、中度放牧(MG)、重度放牧(HG)3个放牧强度，随机排列，小区面积均为7.8 hm2，3次重复，同时设置不放牧区(CK)1个。放牧区每年放牧时间具体为：2010年放牧季为8月1日-10月4日，2011年放牧季为6月13日-10月4日、2012年放牧季均为6月9日-9月10日。放牧时选取健康的成年新疆褐牛(4～5岁，母牛)，且各放牧区间其个体体质量差异不显著(P>0.05)，轻牧、中牧及重牧的载畜率依次为0.38、0.64、0.90 头·hm-2。白天新疆褐牛在放牧区自由采食、饮水，晚上赶回圈舍，不补饲。

2011年10月4日，2012年9月10日分别在各试验小区布置3个典型取样区段(100 m×50 m)，并在区段内随机设置5个1 m×1 m的样方。测定草地群落特征后，用直径7 cm的土钻分层取样(0-10、10-20、20-30 cm)，每样方内随机钻取两钻，并将每小区土样分土层混匀后，装入塑料密封袋封口保鲜。土样带回室内捡除植物残体、石砾等杂物后，分成两部分，一部分过2 mm筛，4 ℃保存；另一部分室内风干，用于草地碳相关指标的测定。

1.3测定方法 土壤有机碳采用重铬酸钾外加热法测定[15]，易氧化有机碳采用高锰酸钾氧化法测定[16]，333 mmol·L-1的高锰酸钾氧化，易氧化碳分配比例=易氧化碳含量/有机碳含量×100%。土壤颗粒组分，采用物理手段先分散土壤团聚体，然后通过离心、湿筛虹吸等方法，将各粒级分离，然后经60 ℃烘干，以测定土壤各粒级所含有机碳[17-19]，土壤颗粒组分比例=烘干后收集颗粒土的质量/原土质量(25 g)×100%。土壤轻组组分，采用1.8 g·cm-1NaI重液进行密度分组[20-25]，土壤轻组组分比例=烘干后收集颗粒土的质量/原土质量(25 g)×100%。

1.4数据分析 采用SPSS 18.0软件的One-way ANOVA 及Pearson积差法分别进行相关统计与分析，并用Excel 2007进行图表制作。

2 结果与分析

2.1短期放牧强度对土壤有机碳的影响 同一年度CK、LG、MG、HG间0-30 cm各土层有机碳含量差异均不显著(P>0.05)；与CK相比，2011年放牧后0-20 cm各土层有机碳呈下降趋势，降幅为0.19%～8.63%，2012年0-30 cm土层降幅为0.52%～15.21%，且均在0-10 cm土层降幅最大。与2011年相比，2012年0-20 cm土层有机碳含量在各处理间均表现为降低，且10-20 cm土层CK、MG降低显著(P<0.05)；20-30 cm土层各处理间均为上升，且CK增加显著(P<0.05)。随着土层的增加，无论放牧与否，2011年和2012年土壤有机碳含量均呈降低趋势(图1)。

图1 不同放牧强度下土壤有机碳含量的对比Fig.1 Comparison of soil organic carbon content under different grazing intensity

2.2短期放牧对土壤易氧化碳的影响

2.2.1土壤易氧化碳含量 土壤易氧化碳，指微生物、土壤酶等对土壤有机物快速氧化、分解的部分[26]。与CK相比，除HG外,放牧后2011年0-10 cm土层易氧化碳含量均显著增加(P<0.05)，增幅为32.00%～83.00%，且MG增幅最高，而2012年则变化不显著(P>0.05)；2012年除MG、HG下10-20 cm土层易氧化碳含量显著降低(P<0.05)外，20-30 cm土层易氧化碳未表现出显著增降趋势(P>0.05)，10-30 cm，2012年较2011年均表现为降低，降幅为1.76%～50.40%(图2)。与2011年相比，除CK、HG显著增加(P<0.05)外，2012年0-10 cm土层易氧化碳含量均变化不显著(P>0.05)；而10-30 cm土层降低显著(P<0.05)。不同放牧强度下，随土层深度增加，土壤易氧化碳含量均呈降低趋势，且2012年各土层深度间降幅明显。

2.2.2土壤易氧化碳分配比例 土壤活性有机碳占土壤总有机碳的比率被称为该种活性有机碳的分配比例[27]。与CK相比，除2012年LG外，放牧后0-10 cm土层易氧化碳分配比例呈增加趋势，增幅为13.58%～98.39%，且在LG、MG下，2011年增加显著(P<0.05)；10-30 m，各土层易氧化碳分配比例基本呈降低趋势，降幅为5.12%～25.41%，且2011年20-30 cm的MG，2012年10-20 cm的MG、HG降低显著(P<0.05)(图3)。与2011年相比，2012年0-10 cm土层CK、HG易氧化碳分配比例显著增加，10-20 cm及20-30 cm土层所有放牧强度均显著降低(P<0.05)。无论放牧与否，2011年和2012年土壤易氧化碳分配比例均随土层深度的增加呈降低趋势。

图2 不同放牧强度下土壤易氧化碳含量的对比Fig.2 Comparison of soil readily oxidizable carbon content under different grazing intensity

图3 不同放牧强度下土壤易氧化碳分配比例的对比Fig.3 Comparison of soil readily oxidizable carbon distribution ratio under different grazing intensity

图4 不同放牧强度下土壤颗粒组分比例的对比Fig.4 Comparison of soil particulate component ratio under different grazing intensity

2.3短期放牧对土壤颗粒组分比例的影响 与CK相比，放牧后0-10 cm土壤颗粒组分比例均呈增加趋势，增幅8.09%～36.80%，且2011年增加显著(P<0.05)；10-20 cm呈降低趋势，降幅2.08%～32.88%，且2012年降低显著(P<0.05)；20-30 cm则增降不显著。除2011年0-10 cm 土层LG明显低于MG、HG外， LG、MG、HG间0-30 cm各土层土壤颗粒组分比例差异不显著(P>0.05)。与2011年相比，2012年0-30 cm各土层土壤颗粒组分比例均下降显著(P<0.05)(图4)。

2.4短期放牧对土壤轻组组分比例的影响 连续两年放牧结果表明，与CK相比，放牧后0-30 cm土层土壤轻组组分比例未出现显著的增加或降低，且LG、MG、HG间差异均不显著(P>0.05)。与2011年相比，2012年0-10 cm土层轻组组分比例均呈现增加趋势，且CK、HG年度间差异显著(P<0.05)，而10-30 cm土层各处理间差异不显著(P>0.05)。无论放牧与否，土壤轻组组分比例均随土层深度增加呈降低趋势，且0-10 cm土层与20-30 cm土层间差异明显(图5)。

图5 不同放牧强度下土壤轻组组分比例的对比Fig.5 Comparison of soil light fraction component ratio under different grazing intensity

2.5土壤有机碳与有机碳各组分变动情况分析 与2011年相比，2012年土壤(0-30 cm土层)总有机碳(TOC)、易氧化碳(ROC)、易氧化碳分配比例(PROC)、轻组组分比例(LFR)分别下降了8.10%、32.06%、38.72%、33.30%，而颗粒组分比例(PFR)上升了31.32%(图6)。说明有机碳组分对短期放牧的响应较土壤总有机碳明显，可以作为反映短期放牧对土壤有机碳影响的敏感因子，同时也反映了有机碳组分要比有机碳更容易受周围环境或者短期放牧等土地管理措施的影响。

2.6土壤有机碳与土壤活性有机碳组分的相关性研究 2011年土壤ROC、LFR与TOC均呈极显著正相关(P<0.01)；PROC与TOC呈极显著负相关；ROC与PROC、LFR显著正相关(P<0.05)，与PFR呈极显著正相关；PROC与LFR呈极显著相关(表1)。2012年，TOC与ROC、PROC均呈极显著正相关，与LFR呈显著正相关性；ROC与PROC呈极显著正相关，与LFR呈显著正相关；PFR与LFR呈极显著正相关。通过两年有机碳与各有机碳组分相关性分析得出，土壤有机碳总贮量的变化情况可以通过土壤活性有机碳(ROC、PROC、LFR)来反映，且各类土壤活性有机碳组分之间关系密切。PFR除与ROC(2011年)极显著相关外，与有机碳及其他组分相关性小，可能与颗粒有机碳周转期(5～20年)及环境对颗粒有机碳性质的影响有关。

图6 2012年较2011年土壤有机碳、活性有机碳组分变动情况Fig.6 Changes of soil organic carbon and active organic carbon of 2012 to 2011

3 讨论与结论

土壤有机碳的水平主要取决于根系的周转、动物排泄物的碳输入和通过土壤呼吸的碳输出，以及地上凋落物的分解[28]。本研究得出，放牧处理与对照区间0-30 cm土层土壤有机碳含量均差异不显著，且各放牧强度间也差异不显著(P>0.05)。然而与2011年相比，2012年土壤有机碳在0-20 cm土层呈下降趋势，且CK、MG在10-20 cm土层间差异显著(P<0.05)，放牧区LG、MG和HG分别下降14.89%、15.10%和11.48%，说明短期放牧对土壤有机碳含量有一定影响，但也不排除有可能是气候环境等自然因素对土壤有机碳的影响，还需要进一步长期监测。Bauber等[29]也发现，土壤有机碳水平在多年放牧后呈现降低趋势。

表1 土壤有机碳与活性有机碳组分相关性Table 1 Correlations of soil organic carbon and active organic carbon fraction

通过动力学研究，Biederbeck和Zentner[30]指出，土壤有机质的短期波动，主要在易氧化、分解部分发生，并选择可矿化的碳、易氧化碳与微生物量碳作为指示土壤活性有机碳的因子。本研究得出，与CK相比，2011年LG、MG下0-10 cm土层易氧化碳含量、易氧化碳分配比例显著增加(P<0.05)，且HG与LG、MG相比，易氧化碳分配比例显著降低，分别下降了39.02%、42.49%(P<0.05)；2012年各放牧强度下10-20 cm土层易氧化碳含量、易氧化碳分配比例呈显著降低趋势(P<0.05)，但各放牧强度间差异不显著(P>0.05)，这与马秀枝等[31]研究结果相一致；与2011年相比，2012年10-30 cm土层易氧化碳含量、易氧化碳分配比例呈显著下降趋势(P<0.05)，分别下降53.99%～71.65%、46.72%～73.83%，初步说明易氧化碳与易氧化碳分配比例可作为短期放牧响应敏感因子。

土壤轻组和颗粒态有机质是自然土壤肥力的决定因素[32]，同时土地管理方式影响最明显的也是这一部分。本研究发现，与CK相比，2011年放牧区的各放牧强度下0-10 cm土层颗粒组分比例呈现上升趋势(P<0.05)，且LG与MG、HG相比，颗粒组分显著增加(P<0.05)，依次增加15.57%、13.78%；2012年放牧区10-20 cm土层呈显著下降趋势(P<0.05)，且LG、MG、HG间差异不显著(P>0.05)。与2011年相比，2012年颗粒组分比例均显著降低，0-10、10-20和20-30 cm土层降幅分别为26.42%、45.06%和49.64%(P<0.05)，说明了颗粒组分比例可以作为短期放牧响应的敏感因子，这与张金波和宋长春[33]在土地利用方式对土壤碳库影响的敏感性评价指标方面的研究结果相一致。然而，CK、LG、MG、HG间土壤轻组组分比例差异不显著，这可能与研究区域土壤类型、植被类型、气候环境等因素影响到轻组组分比例周转期有关。

杨新国等[34]在对短期围栏封育对荒漠草原沙化灰钙土有机碳组分及物理稳定性的影响研究中指出，土壤活性有机碳的显著变化部分主要集中在10-20 cm 土层，10-20 cm土层土壤活性有机碳含量及其相对分配比例可作为围栏封育早期土壤质量变化的指示指标。本研究中，与CK相比，2012年放牧区10-20 cm土层易氧化碳、易氧化碳分配比例、颗粒组分比例均显著降低(P<0.05)，降幅分别为1.76%～50.4%、25.91%～49.55%、28.7%～32.88%；初步得出，10-20 cm土层易氧化碳、易氧化碳分配比例、颗粒组分比例可作为短期放牧对土壤质量变化的指示指标。

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