长期围封对高寒草地土壤团聚体稳定性和可蚀性的影响

愚广灵， 李凯辉， 周建勤,3， 李可依， 丛孟菲， 胡 洋，王旭阳， 贾宏涛,3

（1.新疆农业大学资源与环境学院，新疆 乌鲁木齐 830052；2.中国科学院巴音布鲁克草原生态系统研究站，新疆 巴音布鲁克 841314；3.新疆土壤与植物生态过程重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830052）

草地作为一种重要的生态系统，占全球陆地总面积的25%［1］，占我国陆地总面积的40%，在控制水土流失、畜牧业发展方面发挥着重要作用［2］。巴音布鲁克高寒草地是我国第一大亚高山草地、第二大高寒草地，是典型的干旱区高寒草地，也是对气候变化最敏感脆弱的生态系统之一。气候变化和人类活动导致的冻融交替和荒漠化加剧已使大多数草原产生退化［3-5］，破坏土壤结构。尤其是放牧牲畜的踩踏使得土壤结构特性变异，抗蚀性减弱［6］。禁牧是恢复退化草地生态功能的有效途径［7］，包括恢复地上生物多样性和生物量、土壤结构和养分水平［8］，提高土壤团聚体水稳定性和抗侵蚀性［9］。围封提高了草地碳固持能力，且随围封年限的增加植物碳储存量分别提高了5 倍和8.39 倍，土壤碳库分别提高了43%和94%［10］。也有研究发现，与放牧相比，6～8 a的禁牧降低了0～15 cm草地土壤SOC、TN、微生物生物量［11］。

土壤团聚体是由矿质颗粒和有机质通过土壤微生物、冻融干湿交替等自然物理过程协同作用形成的不同尺度的多孔结构体［12］。有机碳作为一种粘合剂，在团聚体的组成和形成中发挥着重要的作用［13］。土壤团聚体通常作为评价土壤质量的关键指标之一，由不同的部分组成，主要包括大团聚体（＞0.25 mm）和小团聚体（＜0.25 mm）［14-15］。土壤团聚体作为独立且最小的结构单元，它们的组成可以调节土壤物理、化学和生物过程［16］。水稳性团聚体的数量和稳定性是制约土壤抗蚀性的重要因子［17］。土壤可蚀性是土壤性质的一个重要方面，是评价土壤是否易受侵蚀营力破坏的性能，是土壤对侵蚀营力分离和搬运作用的敏感性表现［18］，是影响土壤侵蚀量的内在因素，是定量研究土壤侵蚀的基础［19］。本文通过研究3种不同类型草地围栏封育对土壤团聚体稳定性和土壤抗侵蚀能力的影响，可为阐明放牧与土壤团聚体稳定性和可蚀性的响应机制提供科学依据，并为巴音布鲁克高寒草地或类似退化草地的科学利用和生态恢复措施提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于中天山山脉南坡中部巴音布鲁克高寒草地，地理坐标为83°42′E，42°43′～43°58′N（图1），海拔2400～3500 m。年平均气温-4.8 ℃，1 月最低气温可达-48 ℃，年降水量276.2 mm，年蒸发量高达1247.5 mm，全年积雪日150～180 d，无绝对无霜期，属典型的高寒气候。主要优势种有苔草（Carex tristachya）、羊茅（Festuca ovina）、紫花针茅（Stipa purpurea）和草地早熟禾（Poa pratensis）等［20］。

图1 研究区地理位置Fig.1 Geographical location of the study area

1.2 样地设置与样品采集

于2020年9月选取巴音布鲁克高寒草地的3种草地类型：高寒草甸、高寒草甸草原和高寒草原中设置的长期围栏（围栏设置于1984 年）为研究对象。围栏为20 m×20 m 大小，分别在围栏内外各设置5 个地块（2 m×2 m，间隔大于2 m）。围栏内部为长期围栏封育处理，围栏外部为自由放牧处理（对照）。在采样过程中收集5 个地块内0～5 cm、5～10 cm、10～20 cm 和20～30 cm 深度的原状土壤，每个地块采集5组重复（图2），以研究水稳性土壤团聚体的相关特性。

图2 样点布设图Fig.2 Layout of sample points

1.3 样品分析

将样品带回实验室，分成近1 cm 的小块，去除植物根部、石块等杂物，自然保持干燥。通过湿筛法分离取得粒径＞2 mm、2～0.25 mm、0.25～0.053 mm和＜0.053 mm 的土壤团聚体。称取100 g 自然干燥土样，将土样放置在由2 mm，0.25 mm 和0.053 mm筛子组成的套筛上，然后将套筛快速浸入蒸馏水中，手动振动套筛3 min，上下振幅4 cm，振频3 次·min-1。烘箱60 ℃下烘干得到不同粒径土壤水稳性团聚体。平均重量直径（MWD）和几何平均直径（GMD）［21］通过公式（1）和公式（2）计算，Shirazi等［22-23］建议土壤无充分资料的情况下，采用公式（3）计算土壤可蚀性K值，可通过以下方程计算。

式中：MWD 为团聚体平均重量直径（mm）；GMD 为团聚体几何平均直径（mm）；di为i粒径范围内团聚体的平均直径（mm）；Wi为i粒径团聚体重量占土壤样品干重的质量分数（%）。

土壤pH 使用pH 计测定，土壤与水的比例为1：2.5；土壤有机碳用重铬酸钾外加热法；土壤全氮（TN）用凯式定氮法测定；土壤全磷（TP）采用HC⁃lO4-H2SO4消煮后使用分光光度计进行比色测定；土壤全钾（TK）使用火焰光度计法测定。

1.4 数据分析

利用SPSS 25.0 进行ANOVA 分析，并用Duncan检验方法对各测定数据进行多重比较。使用Origin 2018 进行绘图；冗余分析（Redundancy Analysis，RDA）可以将样本和环境因子反映在同一个二维排序图上，从中可以直观地看出样本分布与环境因子间的关系，使用R 语言（4.0.5）进行土壤团聚体环境因子与MWD和K值的冗余分析并生成RDA图。

2 结果与分析

2.1 长期围封对土壤有机碳SOC 含量和化学性质的影响

由图3 可以看出，各类型草地土壤有机碳SOC含量随土层加深而降低。围栏封育处理下各土层SOC 含量均显著高于自由放牧（P＜0.05），高寒草甸围封处理下0～5 cm 土层SOC 含量最高达131.17 g·kg-1。高寒草甸草原和高寒草原20～30 cm土层围封处理和自由放牧处理SOC 含量差异均不显著（P＞0.05），说明巴音布鲁克草地SOC 在20～30 cm 趋于稳定不易受到外界扰动而发生变化。

图3 长期围封对土壤有机碳SOC含量的影响Fig.3 Effect of long-term enclosure on SOC content of soil organic carbon

各处理0～5 cm土层的pH均显著低于20～30 cm（图4）。高寒草甸围封处理5～10 cm土层TN含量为11.39 g·kg-1，显著高于其他处理（P＜0.05）。高寒草甸草原和高寒草原围封处理下20～30 cm土层TN含量显著低于其余土层（P＜0.05）。高寒草甸放牧处理和高寒草原围栏封育处理4 个土层间TN 含量没有显著性差异（P＞0.05）。高寒草原自由放牧处理0～5 cm土层TP含量为1.17 g·kg-1显著高于其他处理（P＜0.05），其余处理下各土层间没有显著差异。可以看出，高寒草甸10～20 cm 和20～30 cm 土层TK 含量显著高于表层0～10 cm 土壤（P＜0.05），20～30 cm 土层TK 最高可达20.91 g·kg-1。高寒草甸草原不同处理及不同土层间TK 含量没有显著差异（P＞0.05）。高寒草原围栏封育处理下的TK含量显著高于自由放牧处理。

图4 长期围封对土壤化学性质的影响Fig.4 Effect of long-term enclosure on soil chemical properties

2.2 长期围封对土壤水稳性团聚体组分分布、稳定性特征和土壤可蚀性的影响

如图5 所示，高寒草甸0～5 cm 土层中围栏封育处理下＞2 mm 土壤团聚体含量67.58%显著高于自由放牧处理（P＜0.05）；5～10 cm、10～20 cm 和20～30 cm 土层各粒级团聚体含量无显著差异（P＞0.05）。高寒草甸草原0～5 cm 土层围栏封育处理＞2 mm 土壤团聚体含量48.73%显著高于自由放牧处理（P＜0.05）；5～10 cm、10～20 cm 和20～30 cm 土层各粒级团聚体含量无显著差异。高寒草原各土层＞2 mm土壤团聚体含量均是围栏封育处理高于自由放牧处理。围封显著提高了巴音布鲁克高寒草原0～5 cm表层土壤＞2 mm土壤团聚体含量（P＜0.05）。

图5 长期围封对土壤水稳性团聚体组分分布的影响Fig.5 Effect of long-term enclosure on composition distribution of soil water stable aggregates

土壤水稳性团聚体MWD 和GMD 的变化如表1所示。0～5 cm土层中高寒草甸围栏封育下的MWD最高为4.22 mm，而高寒草甸自由放牧处理的MWD最低为1.75 mm；5～10 cm 高寒草甸草原围封处理MWD最高为3.89 mm；10～20 cm土层中高寒草甸草原围栏封育下MWD 最大为4.22；20～30 cm 土层中高寒草原围栏封育处理下MWD最大。20～30 cm土层高寒草甸和高寒草甸草原围栏封育和自由放牧下的MWD 和GMD 没有显著性差异（P＞0.05），而高寒草原差异显著（P＜0.05）。

表1 长期围封条件下土壤团聚体MWD和GMDTab.1 MWD and GMD of soil aggregates under long-term enclosure conditions

土壤可蚀性K值是土壤抵抗水蚀能力大小的一个相对综合指标，K值越大，土壤抗侵蚀能力越弱。相反，K值越小，土壤抗侵蚀能力越强。土壤可蚀性（K值）的变化如图6所示,高寒草原自由放牧处理各土层的K值均显著高于围封处理，其中10～20 cm土壤K值最高为0.137，与其他处理K值没有显著差异。高寒草原自由放牧处理的K值最高，说明其土壤抗侵蚀能力最弱，其他处理土壤抗侵蚀能力较强。

图6 土壤可蚀性K值Fig.6 Soil erodibility K value

2.3 土壤团聚体组分质量分数、MWD、GMD、K 值与土壤化学性质的相关性

由图7 可以看出，水稳性土壤团聚体组分质量分数、MWD、GMD、K值与土壤性质之间的相关性。K值与2～0.25 mm土壤团聚体质量百分含量和0.25～0.053 mm 土壤团聚体质量百分含量呈极显著相关（P＜0.01），与＞2 mm 土壤团聚体质量百分含量、MWD、GMD 呈极显著负相关（P＜0.01）；SOC 与＞2 mm 土壤团聚体质量百分含量和MWD 呈显著负相关、与2～0.25 mm 土壤团聚体质量百分含量呈极显著正相关、与pH呈极显著负相关；TN含量与SOC含量呈极显著正相关（P＜0.01）；TP 与0.25～0.053 mm土壤团聚体质量百分含量、＜0.053 mm、K值与SOC呈极显著正相关，TP与＞2 mm土壤团聚体质量百分含量和MWD 呈极显著负相关（P＜0.01）；TK 与2～0.25 mm土壤团聚体质量百分含量、K值和SOC呈极显著负相关。不同处理各粒级土壤团聚体质量分数、MWD和K值与土壤环境因子（pH、SOC、TN、TP、TK）的冗余分析结果如图8 所示。高寒草甸图8a、图8c 中轴1 和轴2 共解释了土壤团聚体MWD 和K值的46.43%和17.60%，pH 和TK 与K之间正相关，SOC与MWD同向呈正相关。高寒草甸草原图8d围封处理、图8f 放牧处理轴1 和轴2 共解释了土壤团聚体MWD 和K值的54.52%和31.65%，各影响因子中pH和TK的影响最大；高寒草原图8b围封处理和图8e典型放牧处理轴1和轴2共解释了土壤团聚体MWD 和K值的59.62%和12.73%，TK、pH、TP、TN 与MWD为正相关。可见，土壤TK、pH、TP的变化是影响土壤K值的最主要因素，而土壤有机碳SOC 是影响土壤团聚体MWD最重要的因子。

图7 水稳性土壤团聚体组分、MWD、GMD、K值与土壤化学性质的相关性Fig.7 Correlation between water stable soil aggregate composition,MWD,GMD,K value and soil chemical properties

图8 土壤团聚体稳定性和土壤可蚀性与环境因素和土壤化学性质之间的关系Fig.8 Relationship between soil aggregate stability,soil erodibility and environmental factors and soil chemical properties

由表2可以看出，在0.05的显著性水平下，草地类型、围封和土层对于土壤团聚体稳定性指数（MWD和GMD）和可蚀性（K值）的影响非常显著。

表2 MWD、GMD和K值的多变量方差分析Tab.2 Multivariate analysis of MWD,GMD and K

3 讨论

3.1 围栏封育对团聚体组分分布和水稳定性特征的影响

高寒草甸、高寒草甸草原和高寒草原3 种类型草地0～10 cm表层土壤中＞2 mm土壤团聚体质量分数围封处理高于放牧处理。围封处理下0～10 cm土层＞2 mm 土壤团聚体数量更多，可能是因为表层土壤根系和微生物分泌物比较多,导致0～10 cm 土层大团聚体更为稳定数量更多。围封条件下，植物残体长期积累在土壤表层，以供维持微生物生命活动，从而促进土壤表层的生物活性，有助于大团聚体的形成，增强其结构稳定性［24］。不同地上植被构成、地表枯落物的输入数量和质量不同，影响着土壤有机碳的含量及储量，进而使形成大团聚体的胶结物质存在差异，最终表现出土壤团聚体组成特征存在差异［25］。

放牧对高寒草甸土壤团聚体水稳定性影响极大,围封措施可以提高土壤团聚体稳定性。可能是因为较少的外界扰动（牲畜的踩踏）导致植物凋落物和地上、地下生物量增多，导致冻土层变薄和较高的有机碳碳源输入,促使土壤微生物活性增加，促进并保护了大团聚体的形成，使得土壤结构稳定性增强。围封被认为是恢复退化草地土壤有机碳库的重要途径之一，被广泛应用。张昊等［26］在黄土高原天然草地发现，8 a 围栏封育有利于植被恢复、抵抗土壤侵蚀，进而增加土壤团聚体的稳定性这与本文在巴音布鲁克高寒草原得到的结果一致。

MWD 值越大表示团聚体的平均粒径团聚度越高，稳定性越强。0～10 cm土层下MWD和GMD在3种类型草地中均为围封处理大于放牧处理。36 a的长期围封使得地表植被盖度变大，有机残体归还相应增多,微生物维系生命活动的能量充足，从而促进土壤生物的活性，包括真菌生长和土壤动物，有助于在大团聚体内部结合形成微粒有机质，增加其稳定性［15］。

3.2 围栏封育对土壤可蚀性的影响

土壤可蚀性表征土壤被侵蚀的难易程度，反映了土壤对侵蚀外营力剥离和搬运的敏感性［27］。已有研究表明，土壤抵抗侵蚀的能力很大程度上取决于土壤自身的理化性质，包括土壤颗粒组成、结构、土壤容重、孔隙度、土壤有机质含量等物理和化学性状［28］。高寒草原自由放牧处理的10～20 cm 土层K值最高，说明其土壤抗侵蚀能力最弱，高寒草原围封与放牧处理下，土壤抗侵蚀能力差异较大。可能随着植被恢复措施的实施，植物地上部分的覆盖度增加，导致植物输入的有机质增加，从而改善土壤的理化性质，促进新的团聚体的形成。土壤团聚体的稳定性增强，提高了土壤的抗侵蚀能力，与Dou等［29］的研究结果一致。

3.3 土壤团聚体组分质量分数、MWD、GMD、K 值与土壤基本理化性质的相关性

K值与W0.25～0.053和W＜0.053呈极显著相关，与W＞2、MWD、GMD 呈极显著负相关。小粒径团聚体含量增多导致K值变大，土壤抗侵蚀能力变弱。而＞2 mm粒径团聚体含量变多，K值变小土壤抗侵蚀能力增强。SOC 含量对土壤团聚体W2～0.25有显著影响。有机碳促进2～0.25 mm粒径土壤团聚体的形成。大团聚体（＞0.25 mm）的形成需要胶结物质，而有机碳可以使小团聚体凝聚在一起形成大团聚体［30］，增加其含量有利于团聚体的形成和团聚体稳定性的提高［14,31］。本研究发现，草地类型、围封和土层均对土壤团聚体稳定性和可蚀性有着显著的影响。

4 结论

通过对巴音布鲁克高寒草地土壤团聚体稳定性、可蚀性和土壤化学性质的分析，得出以下结论：

（1）36 a的围封措施增加了巴音布鲁克高寒草地0～10 cm 土层中＞2 mm 大团聚体的质量分数，增大了MWD 和GMD。可见，长期围封提高了土壤团聚体的稳定性。

（2）巴音布鲁克高寒草原自由放牧处理K值显著高于其他处理，说明土壤抗侵蚀能力在各草地处理中最弱。

（3）土壤全磷、全钾和pH 是影响土壤可蚀性K值的最主要因素，土壤有机碳是影响土壤团聚体MWD 最重要因素。草地类型、围封和土层均对土壤团聚体稳定性和可蚀性有着显著的影响。