围栏封育对巴音布鲁克草原土壤理化性质的影响

苏建红，朱新萍，贾宏涛，周建勤，王 益，李春越

（1. 新疆农业大学 草业与环境科学学院，乌鲁木齐 830052；2. 中国科学院地球环境研究所，西安 710061；3. 陕西师范大学 旅游与环境学院，西安 710119）

围栏封育对巴音布鲁克草原土壤理化性质的影响

苏建红1，朱新萍1，贾宏涛1，周建勤1，王 益2，李春越3

（1. 新疆农业大学 草业与环境科学学院，乌鲁木齐 830052；2. 中国科学院地球环境研究所，西安 710061；3. 陕西师范大学 旅游与环境学院，西安 710119）

为明确长期围栏封育对新疆亚高山草原土壤理化性质的影响，本研究以巴音布鲁克草原围封26年的高寒草甸、高寒草甸草原和高寒草原为研究对象，对三种类型草地围栏内外土壤理化性质进行对比分析，结果表明：（1）高寒草甸和高寒草原围栏内表层土壤饱和含水量、田间持水量和土壤含水量均高于围栏外样地，而土壤容重均低于围栏外，其中高寒草甸围栏内外的田间持水量、土壤含水量和土壤容重的差异达到显著水平；（2）高寒草甸围栏内表层土壤有机质含量显著高于围栏外，全氮则显著低于围栏外；三种类型草地围栏内表层土壤全磷含量均低于围栏外；（3）相关性分析表明，土壤含水量高的草地，其饱和含水量和田间持水量也较高，土壤容重较小；土壤容重高的草地其有机质含量较低；速效钾含量高的草地，其全磷含量也较高。围栏封育有利于草地土壤理化性质的恢复，但长时间围封会降低土壤磷素含量，需要通过施肥等管理措施补充以促进草地生态系统保持良性状态，本研究对草地土壤质量调控和退化草地恢复研究具有参考意义。

围栏封育；巴音布鲁克草原；土壤物理性质；土壤化学性质；磷

新疆有天然草地5.7×107hm2，可利用面积4.8×107hm2，是我国第三大草原省区。这些草地是该地区畜牧业可持续发展的基础，也对水土保持和生态屏障安全维持起着举足轻重的作用（中华人民共和国农业部，1996；李云等，2014）。巴音布鲁克草原位于新疆天山中部，面积约2.2× 106hm2，是我国第二大草原，它拥有高寒草甸、高寒草甸草原和高寒草原等多种草地类型，是开都河的源头，在维持开都河流域生态环境和南疆塔里木盆地水资源安全中起到重要作用（戎郁萍等，2004；朱新萍等，2012）。长期以来的粗放管理、过度放牧和乱开滥垦等人为破坏原因导致巴音布鲁克草原退化日趋严重，退化草场占可利用草场的49.2%，其中沙化和盐碱化占20%，不仅影响到新疆畜牧业的发展，而且使干旱区原本脆弱的生态环境更加恶化（韩永伟和高吉喜，2005；赵万羽等，2005；张东杰和都耀庭，2006）。通过围栏封育将退化严重的草地封闭一定时期，禁止放牧和割草，给牧草得到休养生息的机会，为退化草地植被恢复和充分生长创造条件（李赟等，2008）。从20世纪80年代开始，国家启动了巴音布鲁克天然草原退牧还草项目，安装围栏4500 km，围栏封育草地约4×106hm2，草原退化趋势得到初步抑制，封育草地内植被覆盖率开始逐步回升。

围栏封育作为退化草地恢复治理的有效手段之一，主要通过植被自然更新作用使退化草地生产力得到提高，进而对草地土壤性质的演变起到重要作用。国内外学者对围栏封育措施下草地恢复过程开展了大量研究工作，主要研究了不同恢复年限和恢复措施对草地植物群落特征、生物量和土壤理化性质的影响。范永刚等（2008）研究了不同围栏时间对草地植物多样性和生物量的影响，研究结果表明围栏初期植物群落会迅速恢复，但封育期过长却不利于牧草的正常生长和发育；刘凤婵等（2012）对文献整合分析发现随着放牧强度的增加，土壤表层容重增加，而封育措施可以消除土壤紧实层，改善土壤结构与性状，围栏封育也有利于增加土壤肥力；姚小萌等（2015）研究结果表明，随着草地恢复土壤表层的容重减小，物理性质趋于良好，土壤质量综合指数大幅度提高；傅子洹等（2015）研究了黄土高原水蚀风蚀交错带不同植被恢复措施对退化草地土壤水分的影响，发现不同植被类型下土壤水分动态特征具有明显差异；单贵莲等（2012）对内蒙古锡林郭勒典型草原恢复演替过程中土壤性状的变化规律进行了研究，发现与自由放牧草地相比，围封使土壤0—30 cm容重显著下降，土壤有机质显著增加。虽然国内外学者在草地退化土壤性质方面做了大量研究，但目前对巴音布鲁克草原长期围栏封育下草地土壤理化性质的变化研究还相对较少，在当前新疆生态脆弱、土地资源短缺、草地退化严重的情况下，研究围栏封育对草地土壤性质的影响对于土壤质量调控和退化草地恢复有积极意义。本文选取巴音布鲁克草原高寒草甸、高寒草甸草原和高寒草原三种不同类型草地，对围栏内外土壤的理化性质进行研究，以期对该区草地生态系统的恢复和重建提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

巴音布鲁克草原位于天山中部的尤尔都斯盆地，在巴音郭楞蒙古自治州和静县西北，83°00′ —86°17′E，42°18′ — 43°35′N，海拔2400 — 3500 m，面积约2.3×104km2。年平均气温为-4.8℃，1月最低气温可达-48℃，7月最高气温为30.5℃，年平均降水量276.2 mm，年蒸发量高达1022.9 —1247.5 mm，年日平均温度≥10℃的积温为227.2℃，仅为20 d，年日照为2466 — 2616 h，热能为1.34×105J · cm-2· a-1，年平均风速2.7 m · s-1，全年积雪日达150 — 180 d，无绝对无霜期，属典型的高寒气候（麦来·斯拉木等，1991）。

巴音布鲁克地区草地类型较多，分布着全疆面积最大的高山沼泽草甸、高寒草原、高寒草甸、高寒草甸草原等类型，土壤类型主要以潮土、草甸土为主。该地区高等植物有50个科160个属262个种，主要有紫花针茅（Stipa purpurea）、羊茅（Festuca ovina）、线叶嵩草（Kobresia capillifolia）、细果苔草（Carex stenocarpa），群落总盖度约为50%，紫花针茅（Stipa purpuea）在群落中占绝对优势，相对盖度为20% — 35%。其他禾草，如冰草（Agropuron cristatum）、草地早熟禾（Poa pratensis）等盖度相对较低。

1.2 研究方法

1.2.1 样品采集方法

2010年8月，以中国科学院新疆生态与地理研究所巴音布鲁克草原生态系统研究站围封26年的高寒草甸、高寒草甸草原、高寒草原三种不同类型草地围栏样地为研究对象，分别在三种不同类型草地围栏内和围栏外（对照）设置大样地，围栏内外研究区距离不超过50 m。每个样地采用样线法设置三个样方，在每个样方中用土钻随机采集5个土壤表层（0 — 20 cm）样品并混合，用环刀采集土壤容重、饱和含水量和田间持水量测定样品（0 — 20 cm，每5 cm采集一个，土壤容重、饱和含水量和田间持水量取4个层次样品的平均值）。将每个土壤样品混匀后风干，然后分别过1 mm和0.25 mm的筛子，用于测定土壤理化性质。

1.2.2 样品分析方法

土壤容重、饱和含水量和田间持水量采用环刀法测定：将采集的环刀样品称重后，在环刀两端垫上滤纸，放入盛有水的水槽里，8 — 10 h后称其重量；然后将环刀垫上滤纸放在盛有沙子的盘子里去掉重力水，24 h后称重；之后将环刀放入烘箱105℃烘干后称环刀和土壤的干重；最后将环刀中的土样保存起来，清洗环刀并烘干称量环刀的重量。通过测定的重量，分别计算土样的饱和含水量、田间持水量和土壤容重；有机质采用重铬酸钾外加热法测定；全氮采用凯氏法测定；全磷采用钼锑钪比色法测定；全钾用火焰分光光度法测定；碱解氮采用碱解扩散法测定；速效钾采用火焰分光光度法测定（鲍士旦，2000）。

1.2.3 数据处理方法

所有试验数据采用SPSS 17.0软件处理，用Duncan法对数据进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 长期围栏封育对不同草原类型土壤物理性质的影响

2.1.1 土壤水分物理常数

土壤水分是土壤重要的组成部分之一，它在土壤形成过程中起着极其重要的作用，土壤剖面土层内各种物质的迁移，主要是以溶液形式进行的，同时土壤水是作物所需水分的主要来源，它也是自然界水循环的一个重要环节，处于不断的动态变化中，必然影响到作物的生长和土壤中许多化学、物理和生物过程，因此，研究土壤中的水分物理常数和含量对作物的正常生长有着极为重要的意义。土壤容重的数值大小受密度和孔隙两方面的影响，而后者的影响更大，疏松多孔的土壤容重小，反之则大。本研究中，无论是高寒草甸还是高寒草原，围栏内表层土壤饱和含水量、田间持水量和土壤含水量均高于围栏外；而高寒草甸草原其围栏内表层土壤饱和含水量、田间持水量和土壤含水量均低于围栏外，如表1所示。对于三种不同类型的草地，其围栏内外表层土壤的饱和含水量差异均不显著；高寒草甸草原、高寒草原的围栏内外表层土壤的田间持水量和土壤含水量差异不显著，但高寒草甸围栏内表层土壤的田间持水量和土壤含水量显著高于围栏外（P＜ 0.05）。由于三种不同类型草地的海拔不同，可能会引起不同类型草地降水量的不同，从而对草地的表层土壤含水量造成一定的差异性。

表1 三种类型草地围栏内外表层（0 —20 cm）土壤物理特征Tab.1 Soil physical properties inside and outside the fence of three lawn types

2.1.2 土壤容重

不同草地类型的表层土壤容重也不相同，结果见表1所示。三种草地类型土壤容重大小为高寒草原＞高寒草甸草原＞高寒草甸。其中高寒草甸围栏内表层土壤容重显著小于围栏外（P＜ 0.05）；高寒草原、高寒草甸草原围栏内与围栏外表层土壤容重差异不显著。三种不同类型的草地，其围栏内外土壤容重各不相同，这与土壤本身的孔隙和密度有关，人类活动也可能导致土壤的容重增大。

2.2 长期围栏封育对不同草原类型土壤化学性质的影响

土壤养分是“土壤圈”物质循环的重要组成部分，也是陆地生态系统中维持生物生命周期的必要条件。植物的生长离不开土壤中各种营养元素的供给，因而土壤中养分含量的高低对植物的生长发育有着显著的影响。

2.2.1 土壤有机质与速效养分

由表2可知，三种类型草地表层土壤有机质含量为高寒草甸＞高寒草甸草原＞高寒草原，这与地表植被覆盖度大小具有显著的关系，由于高寒草甸植被覆盖度高，故其表层土壤有机质含量也高。高寒草甸围栏内表层土壤有机质含量显著高于围栏外（P＜ 0.05）；而高寒草甸草原和高寒草原围栏内外土壤有机质含量差异不显著。

表2 三种类型草地围栏内外表层土壤有机质和速效养分含量对比Tab.2 The surface soil organic matter, available nutrient contents inside and outside the fence of three lawn types

三种类型草地表层土壤碱解氮含量为高寒草甸草原＞高寒草甸＞高寒草原；速效钾含量为高寒草原＞高寒草甸草原＞高寒草甸。高寒草甸和高寒草甸草原围栏内表层土壤的碱解氮含量均低于围栏外，其中高寒草甸草原、高寒草原围栏内和围栏外表层土壤碱解氮含量差异达到显著水平（P＜ 0.05）。高寒草甸和高寒草甸草原围栏内表层土壤速效钾含量均显著低于围栏外（P＜ 0.05），但高寒草原围栏内表层土壤速效钾含量显著高于围栏外（P＜ 0.05）。这可能与草地围栏外动物的踩踏和人类活动等外界因素影响了土壤中植物残体的分解速度有关。

2.2.2 土壤全量养分

由表3可知，高寒草甸草原和高寒草原围栏内表层土壤全氮含量均高于围栏外，但围栏内和围栏外差异性均不显著；高寒草甸围栏内表层土壤全氮含量显著低于围栏外（P＜ 0.05）。三种类型草地围栏内表层土壤全磷含量均低于围栏外，且高寒草甸草原和高寒草原围栏内外具有显著的差异性（P＜ 0.05），高寒草甸围栏内外差异不显著。高寒草甸草原围栏内表层土壤全钾含量显著高于围栏外（P＜ 0.05），而高寒草甸和高寒草原围栏内表层土壤全钾含量均低于围栏外，高寒草甸围栏内外表层土壤全钾含量差异性不显著，但高寒草原围栏内外土壤全钾含量具有显著的差异性（P＜ 0.05）。土壤中氮磷钾的含量与微生物的分解作用密切相关，微生物的数量和分解速度对土壤中氮磷钾含量的高低具有显著影响。

2.3 围栏内外表层土壤理化性质的相关性分析

对三种不同草地类型各处理的测定指标进行相关性分析，结果见表4。土壤含水量与饱和含水量、田间持水量具有极显著的正相关性（P＜ 0.01）；土壤饱和含水量和有机质含量具有显著的正相关性（P＜ 0.05）；土壤容重与饱和含水量具有极显著的负相关性（P＜ 0.01），与土壤田间持水量、土壤含水量和有机质含量具有显著的负相关性（P＜ 0.05）；土壤的速效钾与全磷含量具有显著的正相关性（P＜ 0.05）。这说明含水量高的土壤，其饱和含水量和田间持水量也较高，但土壤容重则较小；土壤容重高的土壤，其有机质含量则较低；速效钾含量高的土壤，其全磷含量也较高。

表3 三种类型草地围栏内外表层土壤全量养分含量对比Tab.3 The surface soil total nutrient contents inside and outside the fence of three lawn types

表4 围栏内外表层土壤理化性质的相关性分析Tab.4 The correlation analysis of soil properties inside and outside the fence

（续表4 Continued Tab.4）

3 讨论与结论

（1）通过对围栏内外土壤物理性质变化的研究发现，无论是高寒草甸还是高寒草原，围栏内表层土壤饱和含水量、田间持水量、土壤含水量较围栏外均有所提高，而高寒草甸草原其围栏内表层土壤饱和含水量、田间持水量、土壤含水量均低于围栏外；高寒草甸围栏内土壤容重显著小于围栏外（P＜ 0.05），高寒草原、高寒草甸草原围栏内与围栏外土壤容重差异不显著。其中高寒草甸围栏内表层土壤的饱和含水量达到了65%，这是由于高寒草甸围栏内植被覆盖度高，表层土壤中根系含量较多造成的，这与国内外一些学者的研究结果有一定的相同之处。Greenwood et al（1998）对威尔士南部冷温带草原研究表明，围封25年后由于消除家畜的践踏，表层土壤物理性质得到改善，相对于放牧样地土壤非饱和水传导率增加，土壤容重减小。杨颖慧等（2006）通过对西藏那曲地区碾压干扰矮嵩草草甸群落不同恢复演替阶段土壤物理性状调查，发现随着恢复时间的延续，表层土壤总孔隙度增大，土壤容重减小，与演替阶段呈极显著相关；并且随着土壤的通气性和渗透、排水率的改善，土壤有效水分增加。

（2）通过对围栏内外土壤化学性质的对比研究发现，高寒草甸围栏内表层土壤有机质含量显著高于围栏外（P＜ 0.05），而高寒草甸草原和高寒草原围栏内外土壤有机质含量差异不显著；高寒草甸和高寒草甸草原围栏内表层土壤速效钾含量均显著低于围栏外（P＜ 0.05），但高寒草原围栏内表层土壤速效钾含量则显著高于围栏外（P＜ 0.05）。高寒草甸草原和高寒草原围栏内表层土壤全氮含量均高于围栏外；高寒草甸围栏内表层土壤全氮含量显著低于围栏外（P＜ 0.05）；三种类型草地围栏内表层土壤全磷含量均低于围栏外；高寒草甸草原围栏内表层土壤全钾含量显著高于围栏外（P＜ 0.05），而高寒草甸和高寒草原围栏内表层土壤全钾含量均低于围栏外。本研究结果与国外围栏封育对土壤化学性质影响的研究具有一定的差异性。对埃塞俄比亚最北部的丘陵地带的研究表明，围封不仅可以有效地恢复植被，而且也能改善土壤养分，减少土壤侵蚀。围封5年与10年的草地土壤有机质、全氮、速效磷均显著高于放牧地，一方面由于围封地植被的恢复有效防止了降雨引起的溅蚀和径流侵蚀，另一方面植被的恢复也增加了地表凋落物及根系周转向土壤的营养输入（Wolde et al，2007）。Dormaar et al（1989）研究表明，长期放牧下土壤有机碳、氮等指标呈现减小趋势。对美国北部大草原的研究发现围封草地与放牧草地相比具有较高的碳含量，但全氮含量较低（Bauer et al，1987）。

（3）通过对三种类型草地围封26年后围栏内外表层土壤的相关性分析得出，土壤含水量高的草地，其饱和含水量和田间持水量也较高，但土壤容重则较小；土壤容重高的土壤，其有机质含量则较低；速效钾含量高的土壤，其全磷含量也较高。

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Effects of enclosure on soil physical and chemical properties of Bayanbulak Subalpine Steppe

SU Jianhong1, ZHU Xinping1, JIA Hongtao1, ZHOU Jianqin1, WANG Yi2, LI Chunyue3
(1. College of Grassland and Environmental Sciences, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052, China; 2. Institute of Earth Environment, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710061, China; 3. College of Tourism and Environment Sciences, Shaanxi Normal University, Xi’an 710119, China)

Background, aim, and scopeXinjiang is China’s third prairie provinces and its natural grassland is about 5.7×107hm2. Bayanbulak grassland located in Middle Tianshan Mountain in Xinjiang, with an area of about 2.2×106hm2, is the second largest grassland in China. Bayinbuluke grassland plays an important role in maintaining the Kaidu River basin ecological environment and southern Tarim Basin Water Resources security. Bayinbuluke grassland degradation is serious for the long-term extensive management, overgrazing and indiscriminate reclamation. To evaluate the effects of fencing enclosure to restore the degraded grassland, soil physical and chemical properties inside and outside26 a history fences in alpine meadow, alpine meadow steppe and alpine steppe were analyzed.Materials and methodsThree parallel soil samples were collected at the inside and outside fence area at 0 — 20 cm. Soil bulk density, saturated water content, fi eld capacity were tested by cutting ring method. Soil moisture was tested by 105℃ oven drying method. Organic matter was determined by potassium dichromate heating method. Total nitrogen was tested by Kjeldahl’s method. Total phosphorus was analyzed by Mo-Sb colorimetric method. Soil potassium was tested by fl ame spectrophotometric method. Alkaline hydrolysis nitrogen was analyzed by alkali N-proliferation method. Available potassium was tested by fl ame spectrophotometric method.ResultsThe results showed as follows: (1) Saturated water content, fi eld capacity and soil moisture were higher inside the alpine meadow and alpine steppe fence; soil bulk density was lower than outside. The differences of fi eld capacity, soil moisture and soil bulk density between inside and outside the fence were signi fi cant at alpine meadow. (2) Soil organic matter inside the fence of alpine meadow was significantly higher than outside whereas soil nitrogen was signi fi cantly lower. Soil phosphorus inside the alpine meadow, alpine meadow steppe and alpine steppe sites was lower than outside. (3) The site has a higher soil moisture also has a higher saturated water content and fi eld capacity, and a lower bulk density. The higher bulk density soil has a lower soil organic matter content. The soil has higher available potassium also has higher total phosphorus.DiscussionThe results showed that fencing grassland is a bene fi t management scheme to soil physical and soil chemical properties recovery, but long time enclosure reduces soil phosphorus content. Therefore, the right management should carry out to maintain the fencing grassland ecosystem sustainable development.ConclusionsThe result shows that soil physical and soil chemical properties were recovery after the grassland was fenced. The phosphorus need supplemented by fertilization to promote the grassland ecological system maintains healthy state.Recommendations and perspectivesThis research provides a signi fi cant scienti fi c basis for grassland soil quality control and degraded grassland restoration. It is recommended that fencing enclosure is an effective method to recovery the degraded alpine grassland in Xinjiang. Phosphorus fertilization should be considered in the fencing area.

enclosure; Bayanbulak Subalpine Steppe; soil physical property; soil chemical property; phosphorus

WANG Yi, E-mail: wangyi@ieecas.cn

10.7515/JEE201605007

2016-05-30；录用日期：2016-09-07

Received Date:2016-05-30;Accepted Date:2016-09-07

新疆草地资源与生态自治区重点实验室开放课题（XJDX0209-2013-05)；国家自然科学基金项目（41671269，41501255）；中国科学院西部之光项目

Foundation Item:Open Project funded by Xinjiang Key Laboratory of Grassland Resource and Ecology (XJDX0209-2013-05); National Natural Science Foundation of China (41671269, 41501255); West Light Foundation of Chinese Academy of Sciences

王 益，E-mail: wangyi@ieecas.cn