摘要：封育禁牧的時間效應(yīng)已經(jīng)成為科學(xué)和政府決策關(guān)注的焦點，研究以寧夏鹽池縣典型荒漠草原圍封6、10、15年樣地的圍欄內(nèi)外2種主要土壤類型———灰鈣土和風(fēng)沙土為研究對象，基于樣線調(diào)查法及方差分析法，探究不同封育年限對荒漠草原顆粒組成及土壤碳氮儲量的影響。結(jié)果表明：1)封育會導(dǎo)致灰鈣土及風(fēng)沙土土壤細顆粒含量增加，灰鈣土封育6年樣地土壤細顆粒較圍欄外增加量最明顯，后隨封育年限的增加而呈現(xiàn)增幅減少的趨勢;風(fēng)沙土封育15年樣地圍欄內(nèi)土壤細顆粒增加量高于封育6年樣地。2)灰鈣土及風(fēng)沙土封育6年樣地均表現(xiàn)為圍欄內(nèi)土壤碳氮(有機碳、全碳、全氮)含量高于圍欄外，而圍封10年及15年樣地圍欄內(nèi)外土壤碳氮含量沒有明顯差異。3)灰鈣土圍封6年樣地圍欄內(nèi)土壤碳氮比高于圍欄外，而圍封10年及15年樣地?zé)o此規(guī)律，圍封不會影響風(fēng)沙土土壤碳氮比。圍封可以有效使土壤顆粒細化，但不同土質(zhì)對封育年限的響應(yīng)有所差異，人工封育的最佳時間尺度應(yīng)根據(jù)草原退化程度和草原不同土壤條件而定。

　　關(guān)鍵詞：封育年限;荒漠草原;典型土壤;粒徑組成;碳氮儲量

　　草原是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要類型之一，對防風(fēng)、固沙、保水起著重要作用[1-2]，草地資源不僅影響著生產(chǎn)力水平，同時對生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展及生態(tài)系統(tǒng)平衡起到不可或缺的促進作用[3-4]。不科學(xué)的放牧是造成草地退化的主要人為驅(qū)動力，從而影響生態(tài)可持續(xù)及草食畜牧業(yè)的發(fā)展[5-7]。寧夏荒漠草原面積高達134萬hm2，占全區(qū)草地面積的55%，是寧夏天然草地的最主要類型[8-9]。由于草地不合理利用(過度放牧、開墾)，導(dǎo)致寧夏荒漠草原草地退化嚴重[10-11]。

　　為了遏制草地的進一步退化，寧夏在2002年全面實施了天然草地封育工程，以期實現(xiàn)草地生態(tài)的良性循環(huán)及畜牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[12]。近些年，研究人員對圍欄封育的效果進行了大量研究，包括圍欄封育對土壤理化性質(zhì)、土壤養(yǎng)分、土壤種子庫、植物群落特征等方面的影響[13-18]。土壤粒徑是反映土壤母質(zhì)來源、成土過程中的重要指標[19];土壤碳氮元素含量，可以直觀地反映土壤肥力的高低，其直接影響著草原生產(chǎn)力，是表明土壤質(zhì)量或健康程度的重要元素[20]，同時測定土壤粒徑和養(yǎng)分對表明空間效應(yīng)有很強的說明性[21]，通過比對不同封育年限土壤的顆粒組成及土壤養(yǎng)分含量差異，分析荒漠草原不同封育年限對土壤碳氮與土壤顆粒分布特征的影響，可為荒漠草原區(qū)圍封措施的開展及植被的恢復(fù)重建提供參考。

　　相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)圍欄封育會對土壤顆粒組成及碳氮儲量產(chǎn)生顯著影響：通過比對不同土壤類型中土壤的顆粒組成、根際與非根際的土壤的養(yǎng)分含量差異，分析荒漠草原不同土壤類型檸條(Caraganakorshinskii)根際土壤養(yǎng)分與土壤顆粒分布特征，揭示土壤類型對植物根際效應(yīng)的影響。李國旗等[18]通過研究發(fā)現(xiàn)封育會導(dǎo)致荒漠草原土壤黏粒含量增加，極細砂礫含量減少;趙盼盼等[22]研究發(fā)現(xiàn)封育促使寧夏鹽池荒漠草原地區(qū)表層土壤有機碳、全氮含量顯著增加。

　　但以往研究多是對比分析相同土壤條件或相同封育年限圍欄內(nèi)外的土壤性質(zhì)差異，而在不同土壤類型條件下，封育年限會對土壤粒徑特征及碳氮儲量產(chǎn)生何種影響還有待深入研究。基于此，本研究以寧夏荒漠草原圍封6、10、15年的灰鈣土樣地及圍封6、15年的風(fēng)沙土樣地土壤為研究對象，探究不同封育年限對土壤粒徑及碳氮儲量的影響。研究以期為進一步開展荒漠草原地區(qū)人類活動影響下的土壤過程演變機制研究奠定理論基礎(chǔ)，為該地區(qū)今后開展圍欄封育工作提供科學(xué)依據(jù)。

　　1材料與方法

　　1.1研究區(qū)概況

　　研究區(qū)域位于寧夏鹽池縣的荒漠草原區(qū)(37°57′23″-37°83′47″N，106°77′99″-107°50′70″E)。研究區(qū)年均氣溫8.1℃，屬于中溫帶大陸性氣候，無霜期150d，年均降水量280mm，年均蒸發(fā)量2710mm，且降水集中，其中7-9月降水量占全年降水量的60%以上。研究區(qū)主要土壤類型為風(fēng)沙土及灰鈣土，主要植物種類包括豬毛蒿(Artemisiascoparia)、牛枝子(Lespedezapotaninii)、老瓜頭(Cynanchumkomarovii)、草木樨狀黃耆(As-tragalusmelilotoides)、銀灰旋花(Convolvulusammannii)、短花針茅(Stipabreviflora)、綿蓬(Corispermumhyssopifolium)、苦豆子(Sophoraalopecuroides)和阿爾泰狗娃花(Heteropappusaltaicus)等。

　　1.2樣線設(shè)置及土樣采集

　　1.2.1樣線設(shè)置

　　在鹽池縣四墩子村、馬兒莊村、皖記溝村選擇植被類型連續(xù)、土壤基質(zhì)相同的3個成對的封育圍欄(封育年限分別為6、10、15年)和放牧圍欄樣地，于2018年8月中旬，以地勢地貌相似為原則，分別在鹽池縣四墩子村、馬兒莊村和皖記溝村3個試驗區(qū)各選取一對圍欄，每對圍欄有封育圍欄及與其相鄰的放牧圍欄，放牧圍欄的放牧年限與封育圍欄的圍封年限一致，3個試驗區(qū)相距20km以上。其中封育圍欄不放牧，放牧圍欄都屬于適度放牧。皖記溝及四墩子試驗區(qū)都有至少一條橫貫封育圍欄與放牧圍欄的灰鈣土帶和風(fēng)沙土帶，馬兒莊沒有風(fēng)沙土樣地，僅設(shè)置灰鈣土帶。

　　分別在四墩子、馬兒莊、皖記溝3對圍欄內(nèi)設(shè)置3、3和4條100m的樣線。樣線是貫通相鄰的封育圍欄和放牧圍欄，相鄰樣線相距50m以上。每條樣線以共有圍欄為中心，為了克服邊緣效應(yīng)對觀測結(jié)果的影響，在圍欄分界兩側(cè)各空出10m，封育圍欄與放牧圍欄各40m，每隔10m設(shè)置一個1m×1m的樣方，每條樣線10個樣方，共100個樣方。其中皖記溝圍欄有2條風(fēng)沙土樣線，四墩子圍欄有1條風(fēng)沙土樣線，其余為灰鈣土樣線，共10條。

　　1.2.2土樣采集與分析

　　在6、10、15年樣地1m×1m樣方內(nèi)，呈“品”型選取3個不同的樣點，每個樣點采集0～5cm，5～10cm，10～20cm3層土樣，3個樣點每層土樣裝在同一塑封袋，使其充分混合均勻，帶回實驗室自然干燥15d，干燥后的土樣過2mm篩并研磨。土壤有機碳含量(%)使用島津SSM-500A總有機碳分析儀測定。土壤全碳(%)、全氮(%)使用元素分析儀(意大利DK6，UDK140)測定其百分含量[23]。土壤粒徑組成使用英國馬爾文Mastersizer3000激光衍射粒度分析儀測定，粒徑分級采用美國制土壤標準[18]。

　　1.3數(shù)據(jù)分析

　　本研究采用基于Windows10系統(tǒng)的MicrosoftExcel2010及SPSS22.0對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析與制圖。采用獨立樣本T檢驗(independentsamplest-test)計算不同樣點不同土層土壤的粒徑分布及碳氮含量的差異顯著性。以P<0.05為差異顯著性。

　　2結(jié)果與分析

　　2.1土壤顆粒組成

　　對寧夏鹽池縣荒漠草原不同封育年限圍欄內(nèi)外土壤粒徑進行分析發(fā)現(xiàn)，在灰鈣土樣帶，圍封6年的圍欄內(nèi)外土壤顆粒組成存在一定差異：較圍欄外相比，圍欄內(nèi)0～5cm土層差異顯著(P<0.05)，黏粒、粉粒分別增加6.267%、4.837%，砂粒減少11.111%;5～10cm土層，砂粒顯著減少4.088%;10～20cm黏粒顯著增加5.243%，砂粒顯著減少6.204%。圍封10年，除5～10cm、10～20cm土層圍欄內(nèi)土壤粉粒分別顯著減少0.526%、2.001%外，其余土層無顯著變化。

　　圍封15年，0～20cm土層黏粒含量表現(xiàn)為圍欄內(nèi)低于圍欄外，平均減少3.476%;粉粒、砂粒含量表現(xiàn)為圍欄內(nèi)高于圍欄外，粉粒、砂粒平均增加2.712%、0.774%。通過對比圍欄內(nèi)外土壤顆粒的變化量來看，在灰鈣土樣地，圍封6年土壤細顆粒增加量最多，粗顆粒有效減少。而在圍封15年樣地，圍欄內(nèi)的黏粒減少，砂粒增加。

　　風(fēng)沙土樣帶，圍封6年0～5cm土層圍欄內(nèi)外土壤顆粒差異不顯著(P>0.05);5～10cm、10～20cm土層表現(xiàn)為圍欄內(nèi)土壤黏粒含量顯著低于圍欄外(P<0.05)，平均減少0.478%;粉粒含量低于圍欄外，平均減少4.701%;砂粒含量顯著高于圍欄外(P<0.05)，平均增加5.181%;在圍封15年樣地，0～20cm土層土壤黏粒、粉粒含量表現(xiàn)為圍欄內(nèi)土壤高于圍欄外，黏粒、粉粒平均增加1.612%、1.015%;砂粒含量平均減少2.623%。總體來看，圍封6年風(fēng)沙土5～20cm土層圍欄內(nèi)土壤細顆粒顯著減少(P<0.05)，而圍封15年樣地0～10cm圍欄內(nèi)粉粒顯著增加，砂粒顯著減少(P<0.05)。

　　2.2土壤碳

　　對寧夏荒漠草原兩種典型土壤不同圍封年限圍欄內(nèi)外土壤有機碳進行分析，發(fā)現(xiàn)在灰鈣土及風(fēng)沙土圍欄內(nèi)外土壤有機碳含量差異均不顯著(P>0.05)。對比不同年限圍欄內(nèi)外變化量，發(fā)現(xiàn)灰鈣土樣地圍封6、10、15年0～5cm土層圍欄內(nèi)外(圍欄內(nèi)減圍欄外)土壤有機碳含量平均差值分別為0.114%、0.145%、-0.055%，封育6、10、15年5～10cm土層有機碳含量差值分別為0.145%、0.068%、-0.138%，封育6、10、15年10～20cm土層有機碳含量平均差值分別為0.155%、-0.014%、0.010%。對比風(fēng)沙土圍封6、15年土壤，0～5cm土層圍欄內(nèi)外土壤有機碳含量平均差值分別為0.088%、0.209%，5～10cm土壤有機碳含量平均差值分別為-0.078%、0.064%，10～20cm土壤有機碳含量平均差值分別為0.056%、-0.098%。可以發(fā)現(xiàn)，在灰鈣土樣地，0～5cm土層土壤有機碳含量平均差值在封育10年時達到最大，而5～20cm土層土壤有機碳含量平均差值在封育6年時達到最大。

　　風(fēng)沙土0～10cm土層土壤有機碳含量平均差值表現(xiàn)為封育15年>封育6年，而10～20cm土壤則表現(xiàn)為封育6年>封育15年。對各樣地土壤全碳含量進行分析，發(fā)現(xiàn)在灰鈣土圍封6年樣地中，0～20cm土層均表現(xiàn)為圍欄內(nèi)土壤全碳含量高于圍欄外土壤，且10～20cm土層差異顯著(P<0.05);圍封10年樣地中，5～10cm土層圍欄內(nèi)土壤全碳較圍欄外增加顯著(P<0.05)。

　　圍封15年樣地，圍欄內(nèi)外各土層無顯著變化。在風(fēng)沙土樣地中，除圍封15年10～20cm土層外，圍封6、15年樣地圍欄內(nèi)外各土層均無顯著性變化(P>0.05)。對比不同封育年限圍欄內(nèi)外土壤全碳含量差值，發(fā)現(xiàn)在灰鈣土封育6、10、15年樣地中，0～5cm土層圍欄內(nèi)外土壤全碳差值分別為0.176%、-0.084%、-0.039%，在5～10cm土層分別為0.152%、0.275%、-0.300%，10～20cm土層分別為0.367%、-0.203%、-0.328%;在風(fēng)沙土封育6、15年樣地，0～5cm土層圍欄內(nèi)外土壤全碳差值分別為0.036%、0.208%，在5～10cm土層分別為0.038%、-0.023%，10～20cm土層分別為0.178%、0.080%。可見在封育6年時，灰鈣土圍欄內(nèi)土壤全碳含量增高量最大，隨著封育年限的提升，封育對土壤全碳的提升作用降低。

　　2.3土壤全氮

　　對研究區(qū)不同類型的土壤全氮含量進行分析，發(fā)現(xiàn)在灰鈣土樣地中，圍封6、10、15年樣地各土層樣地土壤全氮均無顯著性變化。從整體來看圍封未對土壤全氮產(chǎn)生顯著影響(P>0.05)，灰鈣土土壤全氮含量變化值范圍為0.045%～0.066%。在風(fēng)沙土樣地，圍封6年，0～5cm土層圍欄內(nèi)外全氮無顯著性變化，5～10cm、10～20cm圍欄內(nèi)全氮含量顯著高于圍欄外，圍封15年，0～5cm土層圍欄內(nèi)土壤全氮含量較圍欄外增加顯著(P>0.05)。對比圍欄內(nèi)外土壤全氮差值，在灰鈣土封育6、10、15年樣地，0～5cm土層圍欄內(nèi)外土壤全氮含量差值分別為0.003%、0.004%、0.005%，5～10cm土層分別為0.005%、0.001%、0.001%，10～20cm土層分別為0.013%、0、0.003%。在風(fēng)沙土封育6、15年樣地中，0～5cm土層圍欄內(nèi)外土壤全氮差值分別為0、0.018%，5～10cm土層分別為0.008%、0.003%，10～20cm土層分別0.020%、0.004%。

　　可見，在灰鈣土0～5cm樣地圍欄內(nèi)土壤全氮增加量隨著封育年限的增加而增加，而5～10cm、10～20cm土層圍欄內(nèi)外土壤全氮差值在封育6年樣地達到最大。而在風(fēng)沙土樣地0～5cm土層，封育15年圍欄內(nèi)外土壤全氮差值顯著高于封育6年樣地。3討論與結(jié)論本研究通過對比不同質(zhì)地土壤粒徑組成對不同封育年限的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)封育年限會對不同質(zhì)地的土壤粒徑產(chǎn)生不同的影響，從圍封對灰鈣土土壤粒徑結(jié)構(gòu)改善的效果來看，圍欄內(nèi)細顆粒增幅為圍封6年>10年>15年。

　　而風(fēng)沙土土壤顆粒呈現(xiàn)與灰鈣土不同的變化趨勢，土壤細顆粒增幅為圍封15年>6年。在生態(tài)系統(tǒng)上灰鈣土與風(fēng)沙土相比，植物種類多，生態(tài)環(huán)境較穩(wěn)定，土壤結(jié)皮形成較好，且植被在圍封后高度、蓋度提高[24]，大氣中的粉塵在降塵、降水等過程中更易儲存下來，而風(fēng)沙土土質(zhì)疏松，土壤結(jié)皮形成緩慢，土壤肥力弱，植被生長緩慢，風(fēng)蝕作用大，水土易流失。所以在圍封6年中，灰鈣土細顆粒較風(fēng)沙土積累效果顯著，而風(fēng)沙土細顆粒含量不僅未有顯著增加，反而低于圍欄外，很可能是偶然性的樣線選擇造成的。圍封15年的灰鈣土圍欄內(nèi)植被覆蓋度和枯落物的積蓄量都顯著高于圍欄外[25]。

　　在本次研究樣地中，灰鈣土粒徑細化隨著封育年限增加的效果并不顯著。這很可能是灰鈣土隨著封育年限的增加，羊只踩踏減少，土壤結(jié)構(gòu)緊實和固結(jié)，風(fēng)積的黏粉粒進入土壤的量增加不顯著的原因。相似的結(jié)論如，張翼等[26]對比分析30年封育草地和放牧草地深層土壤粒徑發(fā)現(xiàn)，封育30年的草地土壤中粉粒顯著低于放牧草地。而風(fēng)沙土隨著圍封年限的增加，植被群落得以恢復(fù)，風(fēng)積等進入風(fēng)沙土的黏粉粒比風(fēng)蝕失去的黏粉粒量大，土質(zhì)得到有效的改善，土壤表層養(yǎng)分增加，土壤顆粒細化，砂粒減少[27]，這與譚明亮等[28]的研究結(jié)果一致。綜合結(jié)果來看，無論在灰鈣土還是在風(fēng)沙土上，圍封可以有效使土壤顆粒細化，但不同土質(zhì)對封育年限的響應(yīng)不同，圍封的時間尺度應(yīng)考慮土壤退化狀況和土壤質(zhì)地的差異性。

　　草原方向論文投稿刊物：《內(nèi)蒙古草業(yè)》創(chuàng)刊于1987年,是由內(nèi)蒙古自治區(qū)草原勘察設(shè)計院主辦,內(nèi)蒙古自治區(qū)草原學(xué)會協(xié)辦的國內(nèi)外公開發(fā)行的綜合性農(nóng)業(yè)學(xué)術(shù)期刊,是反映內(nèi)蒙古自治區(qū)草原建設(shè)和治理開發(fā)的刊物之一。