宁夏荒漠草原自然恢复演替过程中土壤有机碳及其分布的变化

许冬梅,许新忠,王国会,陶利波

(1.宁夏大学农学院，宁夏 银川 750021；2.宁夏大学西北土地退化与生态恢复国家重点实验室培育基地，宁夏 银川 750021；3.宁夏大学数学计算机学院，宁夏 银川 750021)

宁夏荒漠草原自然恢复演替过程中土壤有机碳及其分布的变化

许冬梅1,2*,许新忠3,王国会1,陶利波1

(1.宁夏大学农学院，宁夏 银川 750021；2.宁夏大学西北土地退化与生态恢复国家重点实验室培育基地，宁夏 银川 750021；3.宁夏大学数学计算机学院，宁夏 银川 750021)

以宁夏荒漠草原自然恢复的围封草地为对象，通过野外调查和室内分析，研究了未封育、封育3、5、7和10年的草地总有机碳及其在土壤剖面和不同粒级团聚体中的分布。结果表明,土壤有机碳含量随封育年限的增加呈波动性增加，除0～5 cm土层外，各土层有机碳含量以封育7年、10年的草地较高；就有机碳在不同粒径团聚体中的分布看，0～10 cm表层土壤以封育3年及未封育草地各粒级团聚体有机碳含量较高，而10～40 cm土层各粒级团聚体有机碳随封育年限的延长呈增加趋势，各土层团聚体有机碳含量均以1～0.5 mm与0.5～0.25 mm粒级较高；各粒级团聚体对有机碳的贡献率在0～10 cm表层以<0.25 mm微团聚体最高，10～20 cm土层以>5 mm粒级和<0.25 mm粒级较高，20～40 cm土层以>5 mm粒级最高。综上所述，封育有利于荒漠草原土壤有机碳的固存，退化荒漠草原生态环境恢复在封育7年时出现转折；随土层的加深，团聚体有机碳贡献率对封育的响应减弱，且大团聚体对全土有机碳的贡献率逐渐增大。

荒漠草原；恢复演替；土壤有机碳；分布

土壤圈是陆地生态系统中储量最大的碳库，土壤碳储量约是大气碳储量的2倍、植被碳储量的2～3倍[1-2]。土壤有机碳作为土壤组成的重要部分，不仅是表征土壤质量的重要生态因子，而且是陆地生态系统重要的碳库，是大气CO2巨大的源和汇，影响全球碳素循环的平衡[3-4]。

草地是陆地生态系统的重要组分，也是当前人类活动影响最为严重的区域之一，由人类强烈扰动引起的草地植被和土壤退化导致温室气体的释放[5]。在退化生态系统中，通过采用恢复措施改善土壤质量、增加土壤有机碳含量、提高生物量生产以缓解温室效应是可行的[6-8]。封育可以促进草地土壤有机碳的恢复和积累[9-11]，退化草地围封后，土壤有机碳、全氮储量增加，土壤轻组有机碳、微生物量碳含量也有所提高，土壤质量得到改善[12-14]。干旱沙区草地恢复过程中，有机碳储量增加程度随深度增加有降低趋势，并且表层土壤有机碳储量远高于深层土壤，土壤有机碳储量表聚性随固沙植被演变越发明显[8]。

团聚体作为土壤理化性质的中心调节器，影响有机碳的化学和生物化学固定，土壤的固碳功能伴随着土壤团聚体的形成、稳定及更新过程[15-16]。不同管理措施对土壤固碳的影响主要是通过对土壤微团聚体更新与转化的改变，从而使有机碳的保护机制发生变化所致[17]。Maria等[18]研究表明，<53 μm粒径中颗粒有机碳和总有机碳含量是反映短期草地管理措施变化的敏感指标。不同土地利用方式对土壤团聚体稳定性、有机碳分布及大团聚体有机碳的稳定性影响较为明显[19]。草地植被恢复提高了土壤团聚体有机碳含量，不同粒径团聚体有机碳组分对团聚体稳定性的贡献不同，5～2 mm和1～0.25 mm团聚体有机碳含量的提高有助于土壤水稳性团聚体的形成[20]。

宁夏是我国“两屏三带”生态安全体系建设的关键区域，天然草地占国土总面积的47.2%，其中，荒漠草原占全区草地总面积的55%，是重要的碳储库。草地是天然的生态屏障，也是重要的自然资源，对促进区域经济发展，维护区域乃至国家生态安全具有重要的战略地位。然而，由于长期以来人为的不合理利用及传统落后的生产方式和不相协调的发展模式，使得草原生态环境日益恶化。随着国家退耕还林还草、天然草地保护等项目工程的启动，宁夏于2003年全面实施了退耕还草、草地围封禁牧和休牧，给草场提供了休养生息的机会，部分草地生态环境得到改善[21]。本研究针对不同封育年限荒漠草原，研究土壤总有机碳在土壤剖面和不同粒径团聚体中的分布，分析土壤有机碳库及其稳定性随植被恢复的动态变化及土壤结构与有机碳物理保护作用的关系，为正确认识和评估封育措施对草地碳循环的影响提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区设在宁夏东部风沙区盐池县，属短花针茅(Stipabreviflora)和牛枝子(Lespedezapotaninii)为建群种的荒漠草原，在宁夏荒漠草原区具有代表性。该区地处毛乌素沙地南缘，北纬37°52′30″-37°57′30″，东经107°26′15″-107°33′45″；海拔1300～1360 m；年均温7.5 ℃；年均降水量280 mm，降水年际变率大，其中60%以上集中在6-9月；年蒸发量2710 mm；土壤为灰钙土，地带性植被属荒漠草原带，物种主要有短花针茅、牛枝子、中亚白草(Pennisetumcentrasiaticum)、甘草(Glycyrrhizauralensis)、猪毛蒿(Artemisiascoparia)等。

1.2 研究方法

1.2.1 样品采集 采用空间梯度代替时间梯度的方法，于2015年7月分别选取类型一致的未封育 (F0)、封育3年 (F3)、5年 (F5)、7年 (F7)、10年 (F10)的荒漠草原为研究样地，3次重复。在每个样地，采用限定随机取样方法，沿对角线布设5个200 m×200 m的样区，在每个样区内随机设置3个取样点，在每个取样点采用多点混合法分0～5 cm、5～10 cm、10～20 cm、20～40 cm土层采集土样，将同层样品混合均匀，同时取原状土样用于土壤团聚体测定。

1.2.2 测定方法 采用沙维诺夫干筛法[22]分离出>5 mm、5～3 mm、3～2 mm、2～1 mm、1～0.5 mm、0.5～0.25 mm、<0.25 mm不同粒级团聚体；土壤总有机碳及团聚体有机碳采用重铬酸钾氧化-外加热法测定；各粒级团聚体对土壤有机碳的贡献率(%)由以下公式计算：

团聚体对土壤有机碳贡献率(%)=(该粒级团聚体中有机碳含量×该级团聚体含量/土壤总有机碳含量)×100

1.3 数据统计分析

采用Excel 2003和SPSS 18.0软件进行统计分析，采用one-way ANOVA法和LSD法进行方差分析和多重比较。

2 结果与分析

图1 不同封育年限草地0～40 cm土层有机碳总量Fig.1 Soil organic carbon (SOC) contents at 0-40 cm depths of enclosed grassland of different years 同一土层不同封育年限不同字母表示差异显著(P<0.05)。The different letters of the same soil depth mean the significantly different at P<0.05. F0, F3, F5, F7, F10分别代表未封育，封育3，5，7和10年的草地。F0, F3, F5, F7, F10 indicate the no-enclosed，3-year，5-year，7-year，10-year enclosed grassland，respectively. 下同 The same below.

2.1 宁夏荒漠草原恢复演替过程中土壤有机碳剖面分布的变化

由图1可以看出，宁夏荒漠草原0～5 cm表层土壤有机碳含量随封育年限的增加呈先下降后上升趋势，但各封育年限草地之间有机碳含量差异不显著(P>0.05)。5～10 cm土层有机碳含量为封育7年草地>封育3年草地>未封育草地>封育10年草地>封育5年草地，其中，封育7年的草地土壤有机碳含量为3.17 g/kg，显著高于封育5年的草地(P<0.05)，而封育7年、3年、10年的草地及未封育草地之间差异不显著(P>0.05)，封育5年、10年、3年的草地及未封育草地之间差异不显著(P>0.05)。10～20 cm土层有机碳含量变化为封育7年草地>未封育草地>封育10年草地>封育5年草地>封育3年草地，变化范围为3.00～4.52 g/kg，其中，封育3年的草地有机碳含量显著低于封育7年的草地(P<0.05)。20～40 cm土层有机碳含量以封育3年的草地最低，为2.27 g/kg，显著低于未封育及其他封育年限草地(P<0.05)，而封育5年、7年、10年的草地及未封育草地之间差异不显著(P>0.05)。从剖面分布看，各封育年限草地随土层的加深变化规律不完全相同，但总体以0～5 cm和5～10 cm表层土壤有机碳含量较低，而10～20 cm和20～40 cm土层有机碳含量较高。

2.2 宁夏荒漠草原恢复演替过程中土壤团聚体有机碳分布

不同粒级团聚体有机碳含量是土壤有机碳平衡的微观表征。由图2可以看出，0～5 cm土层各粒级团聚体有机碳含量对封育的响应不同。>5 mm、5～3 mm及<0.25 mm粒级团聚体有机碳含量均以封育3年的草地最高，封育5年的草地最低，其中，封育3年的草地>5 mm团聚体有机碳含量显著高于未封育及封育5年、10年的草地，5～3 mm与<0.25 mm团聚体有机碳含量显著高于未封育及其他封育年限的草地(P<0.05)，而各封育年限及未封育草地之间3～2 mm与2～1 mm团聚体有机碳含量差异不显著(P>0.05)。1～0.5 mm及0.5～0.25 mm团聚体有机碳含量随封育年限的增加呈先下降后上升趋势，均以未封育草地最高，其中1～0.5 mm团聚体有机碳含量封育7年降至最低，且显著低于未封育及封育3年、10年的草地；0.5～0.25 mm团聚体有机碳含量封育5年降至最低，显著低于未封育草地(P<0.05)，但与封育3年、7年、10年的草地之间差异不显著(P>0.05)。

图2 不同封育年限草地0～40 cm土层土壤团聚体有机碳分布Fig.2 Distribution of soil organic carbon in soil aggregates at 0-40 cm depths of enclosed grassland of different years 不同字母表示同一粒级不同封育年限差异显著(P<0.05)。The different letters of the same aggregate size fraction mean the significantly different at P<0.05.

5～10 cm土层，各封育年限及未封育草地之间>5 mm及<0.25 mm团聚体有机碳含量差异不显著(P>0.05)；5～3 mm、3～2 mm及1～0.5 mm粒级团聚体有机碳含量以封育3年的草地最高，封育5年、7年的草地较低(P<0.05)；2～1 mm粒级团聚体有机碳含量以未封育草地最高，显著高于封育5年、10年的草地；0.5～0.25 mm粒级团聚体有机碳含量至封育3年降至最低，为3.05 g/kg，显著低于未封育及封育10年的草地(P<0.05)。

10～20 cm土层，不同粒径团聚体有机碳含量总体为封育10年、7年及未封育草地较高，封育3年、5年的草地较低。其中，各封育年限及未封育草地之间5～3 mm、3～2 mm及<0.25 mm团聚体有机碳含量差异不显著(P>0.05)；未封育和封育7年的草地>5 mm及2～1 mm团聚体有机碳含量显著高于封育3年的草地(P<0.05)；1～0.5 mm及0.5～0.25 mm粒级团聚体有机碳含量以封育10年的草地最高，均显著高于封育3年的草地(P<0.05)。

20～40 cm土层，各粒级团聚体有机碳含量总体表现为封育5年、10年的草地较高，封育3年、7年及未封育草地较低。封育5年、10年的草地>5 mm、5～3 mm、 3～2 mm、2～1 mm粒级团聚体有机碳含量显著高于封育3年的草地，1～0.5 mm粒级团聚体有机碳含量显著高于未封育及封育7年的草地，0.5～0.25 mm粒级团聚体有机碳含量显著高于未封育及封育3年、7年的草地(P<0.05)；<0.25 mm粒级团聚体有机碳含量以封育5年的草地最高，显著高于封育7年的草地(P<0.05)。

综上所述，不同土层团聚体有机碳含量对封育的响应不同。0～5 cm与5～10 cm土层以未封育及封育3年的草地各粒级团聚体有机碳含量较高；10～20 cm土层各粒级团聚体有机碳含量则以封育7年、10年的草地较高。20～40 cm土层，各粒级团聚体有机碳含量以封育5年、10年的草地较高，表明随封育时间的延长，土壤有机碳趋于向深层积累。就各粒级团聚体有机碳含量差异看，1～0.5 mm与0.5～0.25 mm粒级团聚体有机碳含量较其他粒级团聚体有机碳含量高，尤其是0～5 cm和5～10 cm表层土壤。

2.3 不同粒级团聚体有机碳对土壤有机碳的贡献率

由图3可以看出，各封育年限草地0～5 cm和5～10 cm土层均以<0.25 mm粒级团聚体对全土有机碳贡献率最高，且随着封育年限的增加呈先上升后下降的趋势，其中封育10年的草地<0.25 mm粒级团聚体对全土有机碳贡献率显著低于其他封育年限及未封育草地(P<0.05)，>0.25 mm大团聚体对全土有机碳的贡献率分别为51.87%和64.05%，其他封育年限草地及未封育草地>0.25 mm大团聚体对全土有机碳的贡献率分别为13.73%～26.50%、22.14%～36.75%，这主要是由于<0.25 mm微团聚体占全土的百分含量均最高，使得其对全土有机碳的贡献率最大，各封育年限草地1～0.5 mm与0.5～0.25 mm粒级团聚体有机碳含量虽然较高，但1～0.5 mm与0.5～0.25 mm粒级团聚体占全土百分含量较低，因而其对全土有机碳的贡献率较低。10～20 cm土层，各封育年限草地以>5 mm和<0.25 mm粒级团聚体对全土有机碳的贡献率较大，其中，<0.25 mm微团聚体对全土有机碳的贡献率随封育年限的延长呈先上升后下降趋势，以封育3年的草地最高，显著高于封育10年的草地(P<0.05)；其他粒级团聚体对全土有机碳贡献率较小且各封育年限草地之间差异不显著(P>0.05)。20～40 cm土层，不同粒级团聚体对有机碳的贡献率随封育年限的延长变幅不大，各封育年限草地均以>5 mm粒级团聚体对全土有机碳贡献率较大，而<0.25 mm微团聚体对全土有机碳的贡献率除封育3年的草地为37.50%外，其他封育年限及未封育草地均低于30%，较0～20 cm各土层显著降低。从剖面分布看，随着土层的加深，大团聚体对全土有机碳的贡献率逐渐增大，不同粒级团聚体对有机碳的贡献率对封育的响应减弱。

图3 不同封育年限草地0～40 cm土层不同粒级团聚体对有机碳贡献率Fig.3 Contribution rates of different aggregate fractions to soil organic carbon content at 0-40 cm depths of enclosed grassland of different years

3 讨论

土壤有机碳是表征土壤质量状况的主要生态因子，土壤有机碳库的变化影响土壤碳向大气的排放量，进而与全球气候变化密切相关[22-23]。由人类强烈扰动引起的草地植被和土壤退化导致温室气体的释放[5]。封育有利于宁夏荒漠草原土壤有机碳的固存，其含量随封育年限的增加呈波动性增加，除0～5 cm土层外，各土层有机碳含量以封育7年的草地较高，且与封育10年的草地之间差异均不显著(P>0.05)，表明在封育措施下，退化荒漠草原生态环境恢复在封育7年时出现转折。以往的研究也表明，封育禁牧有利于不同类型退化草地土壤有机碳的积累，但并不是封育时间越长有机碳含量越高[24-26]。不同封育年限草地土壤有机碳含量剖面分布总体以0～5 cm和5～10 cm表层土壤较低，而10～20 cm和20～40 cm土层较高，这可能是由于荒漠草原植被盖度较低，凋落物对表土有机碳固存的贡献较小，加之风蚀作用导致表层土壤有机碳含量受损。

土壤团聚体是有机碳稳定和保护的载体，土壤的固碳功能伴随着团聚体组成的变化[16]。不同粒径团聚体稳定和保护有机碳的能力不同，土壤团聚体有机碳的变化影响土壤总有机碳的消长及土壤结构的稳定[27-28]。封育对荒漠草原不同土层团聚体有机碳含量的影响不同，0～10 cm表层土壤以封育3年及未封育草地各粒级团聚体有机碳含量较高，而10～40 cm土层各粒级团聚体有机碳随封育年限的延长总体呈增加趋势。就有机碳在不同粒径团聚体中的分布看，各土层1～0.5 mm与0.5～0.25 mm粒级团聚体有机碳含量较高。黄土丘陵区植被恢复过程中同一土层土壤团聚体有机碳含量以0.5～0.25 mm与1～0.5 mm两个粒级最高[29]，也有研究表明土壤团聚体有机碳含量以2～0.25 mm粒级较高[30-31]。

不同粒级团聚体对土壤有机碳的贡献率是土壤不同粒级团聚体含量和各粒级团聚体有机碳含量的综合表现，可较为全面、客观地反映土地管理措施对有机碳库的影响[32]。宁夏荒漠草原各封育年限草地0～10 cm表层土壤以<0.25 mm微团聚体占全土的百分含量均最高，导致该粒级团聚体对全土有机碳贡献率最高。10～20 cm土层，各封育年限草地以>5 mm粒级和<0.25 mm粒级团聚体对全土有机碳的贡献率较大。20～40 cm土层，各封育年限草地均以>5 mm粒级团聚体对全土有机碳贡献率较大，且不同粒级团聚体有机碳贡献率对封育的响应较小。总体看，随土层的加深，封育对团聚体有机碳贡献率的影响减弱，大团聚体对全土有机碳的贡献率逐渐增大。

References：

[1] Dixon R K, Brown S, Houghton R A,etal. Carbon pools and flux of global forest ecosystem. Science, 1994, 263: 185-190.

[2] Schlesinger W H. Evidence from chronosequence studies for a low carbon-storage potential of soil. Nature, 1990, 348: 232-234.

[3] Yang J C, Han X G, Huang J H,etal. The dynamics of soil organic matter in cropland responding to agricultural practices. Acta Ecologic Sinica, 2003, 23(4): 787-796. 杨景成, 韩兴国, 黄建辉, 等. 土壤有机质对农田管理措施的动态响应. 生态学报, 2003, 23(4): 787-796.

[4] Wu J G, Zhang X Q, Xu D Y. Impact of land-use change on soil carbon storage. Chinese Journal of Applied Ecology, 2004, 15(4): 593-599. 吴建国, 张小全, 徐德应. 土地利用变化对土壤有机碳贮量的影响. 应用生态学报, 2004, 15(4): 593-599.

[5] Schlesinger W H, Reynolds J F, Cuningham G L,etal. Biological feedbacks in global desertification. Science, 1990, 247: 1043-1048.

[6] Arnalds A. Carbon sequestration and the restoration of land health. Climate Change, 2004, 65(3): 333-346.

[7] Pete S. Land use change and soil organic carbon dynamics. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2008, 81(2): 169-178.

[8] Jia X H, Li X R, Zhou Y Y,etal. Storages and distributed patterns of soil organic carbon and total nitrogen during the succession of artificial sand-binding vegetation in arid desert ecosystem. Environmental Science, 2012, 33(3): 938-945. 贾晓红, 李新荣, 周玉燕, 等. 干旱沙区人工固沙植被演变过程中土壤有机碳氮储量及其分布特征. 环境科学, 2012, 33(3): 938-945.

[9] Guo R, Wang X K, Lu F,etal. Soil carbon sequestration and its potential by grassland ecosystems in China. Acta Ecologic Sinica, 2008, 28(2): 862-867. 郭然, 王效科, 逯非, 等. 中国草地土壤生态系统固碳现状和潜力. 生态学报, 2008, 28(2): 862-867.

[10] Chen F R, Cheng J M, Liu W,etal. Effects of disturbances on organic soil carbon in the typical grassland of Loess Plateau. Acta Agrestia Sinica, 2012, 20(2): 298-304. 陈芙蓉, 程积民, 刘伟, 等. 不同干扰对黄土高原典型草原有机碳的影响. 草地学报, 2012, 20(2): 298-304.

[11] Mekuria W, Veldkamp E, Haile M,etal. Effectiveness of exclosures to restore degraded soils as a result of overgrazing in Tigray, Ethiopia. Journal of Arid Environments, 2007, 69(2): 270-284.

[12] Shang W, Li Y Q, Han J J,etal. Effects of enclosure on topsoil organic carbon, total nitrogen and labile organic carbon of mobile dune in Horqin Sandy Land. Journal of Soil and Water Conservation, 2012, 26(6): 147-152. 尚雯, 李玉强, 韩娟娟, 等. 围封对流动沙丘表层土壤有机碳、全氮和活性有机碳的影响.水土保持学报, 2012, 26(6): 147-152.

[13] Li L J, Zhu X P, Jia H T,etal. Effect of long-term fencing and grazing exclusion on the grassland soil organic and microbial carbons of middle Tianshan Mountain. Journal of Agro-environment Science, 2012, 31(8): 1554-1559. 李丽君, 朱新萍, 贾宏涛, 等. 长期围栏封育对天山中部草地土壤有机碳及微生物量碳的影响. 农业环境科学学报, 2012, 31(8): 1554-1559.

[14] Su J H, Zhu X P, Wang X J,etal. Effects of long-term enclosure on spatial variation of soil organic carbon content in the Bayanbulak Subalpine Steppe. Arid Zone Research, 2012, 29(6): 997-1002. 苏建红, 朱新萍, 王新军, 等. 长期围栏封育对亚高山草原土壤有机碳空间变异的影响. 干旱区研究, 2012, 29(6): 997-1002.

[15] Lützow M, Kogel-Knabner I, Ekschmitt K. Stabilization of organic matter in temperate soils: mechanisms and their relevance under different soil conditions-a review. European Journal of Soil Science, 2006, 57(4): 426-445.

[16] Six J, Elliott E T, Paustian K. Soil macroaggregate turnover and microaggregate formation: A mechanism for C sequestration under no-tillage agriculture. Soil Biology & Biochemistry, 2000, 32(14): 2099-2103.

[17] Pan G X, Zhao Q G. Study on evolution of organic carbon stock in agricultural soils of China: facing the challenge of global change and food security. Advances in Earth Science, 2005, 20(4): 384-393. 潘根兴, 赵其国. 我国农田土壤碳库演变研究: 全球变化和国家粮食安全. 地球科学进展, 2005, 20(4): 384-393.

[18] Maria L S, Kesi L, Lynn E S,etal. Short-term effects of grazing intensity and nitrogen fertilization on soil organic carbon pools under perennial grass pastures in the southeastern USA. Soil Biology & Biochemistry, 2013, 58(2): 42-49.

[19] Luo Y J, Wei C F, Li Y,etal. Effects of land use on distribution and protection of organic carbon in soil aggregates in karst rocky desertification area. Acta Ecologic Sinica, 2011, 31(1): 257-266. 罗友进, 魏朝富, 李渝, 等. 土地利用对石漠化地区土壤团聚体有机碳分布及保护的影响. 生态学报, 2011, 31(1): 257-266.

[20] Cheng M, Zhu Q L, Liu L,etal. Effects of vegetation on soil aggregate stability and organic carbon sequestration in the Ningxia Loess Hilly Region of northwest China. Acta Ecologic Sinica, 2013, 33(9): 2835-2844. 程曼, 朱秋莲, 刘雷, 等. 宁南山区植被恢复对土壤团聚体水稳定及有机碳粒径分布的影响. 生态学报, 2013, 33(9): 2835-2844.

[21] Xu X Z, Xu D M. Evaluation on ecological effects during natural restoration for desert steppe in Ningxia. Journal of Anhui Agricultural Science, 2012, 40(23): 11781-11783. 许新忠, 许冬梅. 宁夏荒漠草原自然恢复演替过程中生态效应的评价. 安徽农业科学, 2012, 40(23): 11781-11783.

[22] Lal R. Soil carbon sequestration impacts on global climate change and food security. Science, 2004, 304: 1623-1627.

[23] Trumbore S. Carbon respired by terrestrial ecosystem-recent progress and challenges. Global Change Biology, 2006, 12(2): 141-153.

[24] Fan Y J, Hou X Y, Shi H X,etal. The response of carbon reserves of plants and soils to different grassland managements on alpine meadow of three headwater source regions. Grassland and Turf, 2012, 32(5): 41-47. 范月君, 侯向阳, 石红霄, 等. 封育与放牧对三江源区高寒草甸植物和土壤碳储量的影响. 草原与草坪, 2012, 32(5): 41-47.

[25] Qiu L P, Zhang X C, Cheng J M. Soil organic matter fractions and soil carbon management index in grasslands with different fencing ages. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2011, 17(5): 1166-1171. 邱莉萍, 张兴昌, 程积民. 不同封育年限草地土壤有机质组分及其碳库管理指数. 植物营养与肥料学报, 2011, 17(5): 1166-1171.

[26] Wang C Y, Zhang J J, Lv Y L,etal. Effects of long-term grazing exclusion on soil organic carbon fractions in the grasslands of Inner Mongolia. Acta Prataculturae Sinica, 2014, 23(5): 31-39. 王春燕, 张晋京, 吕瑜良, 等. 长期封育对内蒙古羊草草地土壤有机碳组分的影响. 草业学报, 2014, 23(5): 31-39.

[27] Steenwerth K L, Jackson L E, Calderon F J,etal. Soil microbial community composition and land use history in cultivated and grassland ecosystems of coastal California. Soil Biology & Biochemistry, 2003, 35(3): 489-500.

[28] Cai X B, Peng Y L, Yu B Z. Soil aggregates organic carbon change and its influence in Tibetan alpine steppe. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2013, 29(11): 92-99. 蔡晓布, 彭岳林, 于宝政. 西藏高寒草原土壤团聚体有机碳变化及其影响因素分析. 农业工程学报, 2013, 29(11): 92-99.

[29] An S S, Zhang X, Zhang Y,etal. Distribution of organic carbon in different soil aggregates size during revegetation in hilly-gully region of Loess Plateau. Journal of Soil Water Conservation, 2007, 21(6): 109-113. 安韶山, 张玄, 张扬, 等. 黄土丘陵区植被恢复中不同粒级土壤团聚体有机碳分布特征. 水土保持学报, 2007, 21(6): 109-113.

[30] Wright A L, Hons F M. Carbon and nitrogen sequestration and soil aggregation under sorghum cropping sequences. Biology and Fertility of Soils, 2005, 41(2): 95-100.

[31] Li X, Ma R P, An S S,etal. Characteristics of soil organic carbon and enzyme activities in soil aggregates under different vegetation zones on the Loess Plateau. Chinese Journal of Applied Ecology, 2015, 26(8): 2282-2290. 李鑫, 马瑞萍, 安韶山, 等. 黄土高原不同植被带土壤团聚体有机碳和酶活性的粒径分布特征. 应用生态学报, 2015, 26(8): 2282-2290.

[32] Li J, Liao H K, Long J,etal. Effect of land use on the characteristics of organic carbon and labile organic carbon in soil aggregates in Karst mountain areas. Acta Ecologic Sinica, 2013, 33(7): 2147-2156. 李娟, 廖洪凯, 龙健, 等. 喀斯特山区土地利用对土壤团聚体有机碳和活性有机碳特征的影响. 生态学报, 2013, 33(7): 2147-2156.

Variations in soil organic carbon content and distribution during natural restoration succession on the desert steppe in Ningxia

XU Dong-Mei1,2*, XU Xin-Zhong3, WANG Guo-Hui1, TAO Li-Bo1

1.CollegeofAgriculture,NingxiaUniversity,Yinchuan750021,China； 2.BreedingBaseforStateKeyLaboratoryofLandDegradationandEcologicalRestorationinNorthwestChina,Yinchuan750021,China; 3.CollegeofMathematicsandComputerScience,NingxiaUniversity,Yinchuan750021,China

Fencing (enclosure) is one of the strategies used to promote the natural restoration of ecological communities on the desert steppe in Ningxia. To explore the effects of enclosure on soil organic carbon and its distribution, field studies were conducted at sites with 3, 5, 7, and 10 years of enclosure. Soil samples were collected to determine the total organic carbon concentration and its distribution at different soil depths and in soil aggregates. The results showed that the soil organic carbon concentrations were higher in 7-year and 10-year enclosed grasslands than in those enclosed for shorter times, except at 0-5 cm depth. The concentrations of soil organic carbon were lower in the 0-5 cm and 5-10 cm soil layers than in the 10-20 cm and 20-40 cm soil layers. The soil organic carbon concentrations in soil aggregate particles at 0-10 cm depth were highest in the 3-year enclosed grassland, while those at 10-40 cm depth increased with longer enclosure times. The maximum soil organic carbon contents were in aggregates with 1-0.5 mm and 0.5-0.25 mm diameters. Aggregates of <0.25 mm, >5 mm or <0.25 mm, and >5 mm made the largest contributions to soil organic carbon content at 0-10 cm depth, 10-20 cm depth and 20-40 cm depth, respectively. The contribution of aggregates to soil organic carbon content decreased with increasing enclosure times. As the soil depth increased, the contribution of aggregates to soil organic carbon content decreased, but the contributions of macroaggregates to soil organic carbon content increased. In conclusion, enclosure was beneficial for carbon sequestration. The restoration of the ecosystem on the degraded desert steppe appeared to undergo a transition at the 7th year of enclosure.

desert steppe; restoration succession; soil organic carbon; distribution

10.11686/cyxb2016440

http://cyxb.lzu.edu.cn

2016-11-22；改回日期：2017-02-10

国家自然科学基金(31460624)和宁夏大学草学一流学科建设项目资助。

许冬梅(1970-)，女，宁夏中卫人，教授，博士。E-mail: nxxudongmei@163.com*通信作者Corresponding author.

许冬梅, 许新忠, 王国会, 陶利波. 宁夏荒漠草原自然恢复演替过程中土壤有机碳及其分布的变化. 草业学报, 2017, 26(8): 35-42.

XU Dong-Mei, XU Xin-Zhong, WANG Guo-Hui, TAO Li-Bo. Variations in soil organic carbon content and distribution during natural restoration succession on the desert steppe in Ningxia. Acta Prataculturae Sinica, 2017, 26(8): 35-42.