不同利用方式对高寒草地土壤...性及其有机碳含量分布的影响_李可依.pdf

第 卷第期 年月水土保持通报 ，收稿日期：修回日期：资助项目：国家自然科学基金项目“巴音布鲁克天鹅湖高寒湿地土壤有机碳库及其稳定性研究”（）第一作者：李可依（），女（汉族），吉林省长春市人，硕士研究生，研究方向为草地土壤碳循环。：。通信作者：贾宏涛（），男（汉族），陕西省西安市人，博士，教授，从事土壤环境质量与安全相关研究。：。不同利用方式对高寒草地土壤团聚体稳定性及其有机碳含量分布的影响李可依，愚广灵，陈 末，买迪努尔阿不来孜，胡 洋，贾宏涛，（新疆农业大学 资源与环境学院，新疆 乌鲁木齐 ；新疆农业大学 草业学院，新疆 乌鲁木齐 ；新疆土壤与植物生态过程重点实验室，新疆 乌鲁木齐 ）摘要：目的分析不同利用方式下新疆巴音布鲁克高寒草地土壤团聚体稳定性及其有机碳分布差异，为评价该区域土壤团聚体有机碳等生态功能提供理论基础。方法选取巴音布鲁克高寒草地开垦、弃耕还牧、放牧种处理，以 为一个梯度，采集 土层土壤，采用干筛和湿筛两种方法筛分土壤团聚体，测算土壤团聚体的平均重量直径（）、几何平均直径（）、土壤团聚体破坏率（）和土壤有机碳（）含量，明确不同利用方式下高寒草地土壤团聚体稳定性及团聚体有机碳含量的差异。结果种利用方式下，高寒草地土壤团聚体均以大团聚体（粒径）为主。亚表层（）土壤，弃耕还牧处理的 显著低于放牧处理（），与开垦处理无显著差异（）；而除亚表层（）外，弃耕还牧处理其余土层土壤 显著高于开垦处理和放牧处理（）。表层（）土壤，开垦处理与放牧处理 无显著差异（）；而除表层（）外，开垦处理其余土层土壤 显著高于放牧处理。弃耕还牧处理的 含量、土壤团聚体有机碳含量及贡献率均显著低于其他处理（）。在表层（）土壤中，放牧处理粒径土壤团聚体有机碳含量及其贡献率显著高于开垦处理（，）和弃耕还牧处理（，）。而亚表层（）、下层（）、深层（），弃耕还牧处理粒径的土壤团聚体有机碳含量及其贡献率显著低于开垦处理和放牧处理（）。土壤团聚体质量百分比及其稳定性与 含量呈显著相关（）；土壤团聚体质量百分比、土壤团聚体和与 含量呈显著正相关（），其中呈极显著正相关（）；土壤团聚体质量百分比、土壤团聚体稳定性与 含量呈显著负相关（），其中呈极显著负相关（）。结论草地开垦活动会降低土壤团聚体稳定性及其 含量，其中弃耕还牧处理土壤团聚体稳定性最差，含量最低。建议草地弃耕后应进行适度恢复（施肥、播种等），再进行放牧利用。关键词：土地利用方式；新疆；巴音布鲁克高寒草地；土壤团聚体；土壤有机碳文献标识码：文章编号：（）中图分类号：文献参数：李可依，愚广灵，陈末，等不同利用方式对高寒草地土壤团聚体稳定性及其有机碳含量分布的影响水土保持通报，（）：；，（）：，（.，；.，；.，）：，：，（），（），（），（），（）（），（），（），（）（），（），（），（，）（，）（），（），（），（）（），（），（）（），（）（，）：；草地生态系统是陆地生态系统的重要组成部分，在全球陆地生态系统碳循环和气候调节中发挥着重要作用。世界草地面积为 ，约占全球陆地面积的五分之一，受人类活动影响严重。草地碳主要储存在土壤中，且碳是以有机质形式储存于土壤中的，是陆地植被碳库的倍，是全球大气碳库的倍多。因此，土壤碳循环是草地生态系统碳循环的重要过程。同时，土壤有机碳作为土壤碳循环的核心物质，其作为一种带电胶体除吸附离子外，主要还能吸附周围矿物颗粒形成团聚体，促进土壤团聚体的形成，增强土壤团聚体的稳定性。土壤团聚体和土壤有机碳二者具有相互促进并制约的关系，土壤团聚体作为有机碳固定的重要场所，可以直接或间接地影响土壤的固碳能力，并通过其孔隙内外的氧气和水分来降低有机碳的矿化分解。草地开垦等利用方式会通过影响土壤结构和有机胶结物质，使土壤有机碳在土壤团聚体中重新组合，改变土壤团聚体稳定性及其有机碳含量。研究发现，高寒草地的开垦可导致土壤结构变差与养分含量降低，在耕作利用后生产力大幅降低，甚至出现绝收的现象，并且会造成水土流失，土壤有机碳含量下降 。这表明，不同草地利用方式（开垦、第期李可依等：不同利用方式对高寒草地土壤团聚体稳定性及其有机碳含量分布的影响放牧）会影响土壤团聚体的形成与稳定，对土壤有机碳的储存起着关键作用。目前中国的草地研究区域主要集中在内蒙古草地以及西藏地区草地，西北干旱区巴音布鲁克高寒草地，其自然环境敏感脆弱，相比其他类型草地，利用方式的转变会对草地生态系统有较大的影响。同时，土壤团聚体稳定性测定方法多为水稳性的测定，且草地利用方式多为放牧、开垦、撂荒等，有关草地弃耕还牧（弃耕后放牧）这一利用方式研究较为薄弱 。因此，本文选取新疆巴音布鲁克高寒草地种利用方式（开垦、弃耕还牧和放牧），采用干、湿筛两种方法，依据平均重量直径（），几何平均直径（）和土壤团聚体破坏率（）等指标，分析不同利用方式下的巴音布鲁克高寒草地土壤团聚体稳定性及其有机碳含量分布差异，以期为评价该区域土壤团聚体有机碳等生态功能提供理论基础。材料及方法研究区概况巴音布鲁克草原是中国第二大草原，位于新疆维吾尔 自 治 区 天 山 中 部 的 尤 尔 都 斯 盆 地，面 积 约 ，海拔 。该区年平均气温 ，年平均降水量 ，冬长夏短，属典型的高寒气候。同时是开都河的源头，在维持开都河流域生态环境和南疆水资源保护中起到重要作用。试验设计研究 区（，）位于巴音布鲁克国家级自然保护区内，设置自然放牧、开垦、弃耕还牧种处理；其中开垦处理，自 年开垦持续至 今，种植 野 燕 麦（），无人工灌水和施肥，牧草产量约为 ，面积约为 ；弃耕还牧处理，自 年开始种植野燕麦，年弃耕转为放牧利用。地表植被以披碱草（）为主，面积约为 ；自然放牧草地处理，自 年起持续自然放牧利用至今，该草地每年 月期间进行放牧，植被以羊茅（）、针茅（）为主。样本采集试验样品采集于 年月，在开垦、弃耕还牧和自然放牧种利用方式下的高寒草地，并在每种利用方式处理，根据“”型布设 个样点，考虑到草地开垦耕层为 ，且由于草地放牧，表层（）影响较大，因此每个样点分别采集表层（）、亚表层（）、下层（）和深层（）土层的原状土壤样品，共采集原状土样 个，带回实验室。试验方法土壤机械稳定性团聚体采用干筛法，土壤水稳性团聚体采用沙维诺夫湿筛法 。将采集回来自然风干的样品在室内沿着自然结构方向轻轻掰成直径约为 的小土块后，称取 样品放置于套筛，孔径依次为，和。对土壤团聚体进行的筛分。土壤有机碳采用重铬酸钾浓硫酸外加热法测定。土壤团聚体的平均质量直径（）和几何均重直径（）的计算详见有关参考资料。土壤团聚体破坏率（）的计算 见公式（）。土壤团聚体有机碳贡献率 的计算见公式（）。（）（）（）（）式中：为土壤团聚体破坏率（）；为 土壤机械稳定性团聚体含量（）；为 土 壤 水 稳 定 性 团 聚 体 含 量（）。为土壤团聚体有机碳贡献率（）；为第粒级团聚体有机碳含量（）；为第粒级团聚体占团聚体总量的比率（）；为各层土壤有机碳含量（）。数据分析采用 软件和 软件对数据进行整理和单因素方差分析（）。利用 软件对土壤团聚体含量、，值与土壤有机碳之间的相关性进行分析。利用 软件和语言软件进行绘图。结果与分析不同利用方式下土壤团聚体粒径分布的差异利用方式改变了高寒草地土壤机械稳定性和团聚体的粒径分布特征（表）。个处理土壤团聚体均表现为 大团聚体含量远高于 的微团聚体的质量百分比。其中 的团聚体质量 百 分 比 占 总 团 聚 体 的 以 上。表 层（）土壤，开垦处理 的大团聚体质量百分比显著高于弃耕还牧 和放牧处理（）；放牧处理 的微团聚体质量百分比 显 著 高 于 开 垦 处 理 和 弃 耕 还 牧 处 理（）。亚表层（）土壤，与放牧处理相比，开垦处理下 的大团聚体质量百分比显著降低 （），弃耕还牧处理的大团聚体质量百分比无显著差异（）；且放牧处理 的微团聚体质量百分比显著高于开垦处理 水土保持通报第 卷 和弃耕还牧处理 （）。下层（）土壤，与放牧处理相比，开垦处理和弃耕还牧处理 的大团聚体质量百分比分别显著降低 和 （）；深层（）土壤，放牧处理 的大团聚体质量百分比分别显著高于开垦处理 和弃耕还牧处理 （）。表高寒草地土壤机械稳定性团聚体粒径分布特征 土层 利用方式团聚体粒径分布 开 垦 表 层（）弃耕还牧 放 牧 开 垦 亚表层（）弃耕还牧 放 牧 开 垦 下 层（）弃耕还牧 放 牧 开 垦 深 层（）弃耕还牧 放 牧 注：表中数据为平均值标准误；同行不同小写字母表示同一土层同一利用方式在不同粒径团聚体间的差异显著（）；同列不同大写字母表示同一土层同一粒径不同利用方式间的差异显著（）；下同。不同利用方式对土壤水稳性团聚体的粒径分布存在影响（表），个处理的团聚体质量百分比占总团聚体的 以上。表层（）土壤，放牧处理 的大团聚体质量百分比与开垦处理无显著差异（），而弃耕还牧处理显著低于开垦处理（）；弃耕还牧处理 的微团聚体质量百分比分别显著高于开垦处理 和放牧处理 （）。亚表层（）土壤，放牧处理 大团聚体质量百分比分别显著高于开垦处理 和弃耕还牧处理（）；开垦处理 的微团聚体质量百分比分别显著高于弃耕还牧处理，放牧处理（）。下层（）土壤，放牧处理 大团 聚 体 质 量 百 分 比 分 别 显 著 高 于 开 垦 处 理 的，弃耕还牧 （）；与放牧处理相比，开垦处理、弃耕还牧处理 的微团聚体质量百分比分别显著升高（，）（）。深层（）土壤，放牧处理 的大团聚体质量百分比分别显著高于开垦处理 和弃耕还牧处理 （）；与放牧处理相比，开垦处理、弃耕还牧处理 的微团聚体质量百分比分别显著升高（，）（）。表高寒草地土壤水稳性团聚体粒径分布特征 土层 利用方式团聚体粒径分布 开 垦 表 层（）弃耕还牧 放 牧 开 垦 亚表层（）弃耕还牧 放 牧 开 垦 下 层（）弃耕还牧 放 牧 开 垦 深 层（）弃耕还牧 放 牧 第期李可依等：不同利用方式对高寒草地土壤团聚体稳定性及其有机碳含量分布的影响表和表均表明，土壤团聚体的粒径分布以大团聚体（）为主。由于水蚀会加剧土壤大团聚体破碎，土壤水稳性大团聚体质量百分比显著低于土壤机械稳定性大团聚体（）。由图可知，随着土壤层次的加深，开垦处理显著降低了土壤大团聚体质量百分比（）。弃耕还牧处理和放牧处理随着土壤层次的加深，土壤大团聚体质量百分比先增大后减小。开垦处理的表层（）比其余深度土层的土壤大团聚体含量显著升高，均显著降低（）。此外，弃耕还牧处理和放牧处理在亚表层（）中的土壤大团聚体含量显著高于其他深度土层。无论是机械性团聚体还是水稳性团聚体，个处理的深层（）大团聚体含量显著低于下层（）土壤。图高寒草地不同处理下土壤团聚体 粒径质量百分比的垂直分布特征 不同利用方式下土壤团聚体稳定性的差异由图与图可知，与放牧处理相比开垦处理的表层（）土壤团聚体和显著升高；而亚表层（）土壤团聚体和则显著降低（）。同时，表层（）和亚表层（）弃耕还牧处理的土壤团聚体和均显著低于开垦处理和放牧处理。同一深度土层土壤团聚体的和在开垦、弃耕还牧和放牧处理中呈现先降低后升高的趋势。其中，深层（）土壤团聚体的和最低，变化幅度大，可见随着土层的加深，个处理间的差异越显著。注：大写字母表示不同土层土壤团聚体机械稳定性 和 的差异显著性（）；小写字母表示不同利用方式土壤团聚体机械稳定性 和 的差异显著性（）。下同。图高寒草地 土层土壤机械稳定性团聚体平均质量直径值（）和几何平均直径值（）的特征 （）（）由图可知，种利用方式下土壤团聚体破坏率具有显著差异（）。表层（）土壤开垦处理 与放牧处理无显著差异（）；与开垦处理和放牧处理相比，弃耕还牧处理土壤 显著 水土保持通报第 卷升高（）。与放牧处理相比，开垦处理和弃耕还牧处理亚表层（）土壤 显著升高（），而开垦处理与弃耕还牧处理的土壤 则无显著差异（）。同时，开垦活动使得下层（）和深层（）比表层（）和亚表层（）土壤团聚体破坏率显著升高。图高寒草地 土壤水稳性团聚体平均质量直径值（）和几何平均直径值（）的特征 （）（）注：大写字母表示不同土层土壤团聚体破坏率（）的差异显著性