全 文 ：短期围栏封育对荒漠草原沙化灰钙土有机碳
组分及物理稳定性的影响*
杨新国**摇 宋乃平摇 李学斌摇 刘秉儒
(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, 银川 750021)
摘摇 要摇 以宁夏盐池县荒漠草原 5 年围栏封育草地(围栏内)和自由放牧草地(围栏外)为对
象,分析 0 ~ 40 cm土层土壤有机碳、易氧化有机碳和颗粒有机碳含量以及土壤粒径组成,研
究围栏封育早期沙化灰钙土有机碳组分及物理稳定性的变化规律.结果表明: 围栏内外土壤
有机碳含量和颗粒组成差异不显著;围栏内外 0 ~ 40 cm 土层土壤有机碳含量平均为 3郾 25
g·kg-1,沙粒、粉粒、黏粒的相对比重平均为 72% 、16% 、12% ,土壤物理稳定性指数为
1郾 30% ~1郾 31% .土壤活性有机碳的显著变化集中在 10 ~ 20 cm 土层,围栏内易氧化有机碳
含量达 0. 80 g·kg-1,显著高于围栏外的 0. 62 g·kg-1,围栏内颗粒有机碳的分配比例为
50郾 9% ,显著高于围栏外的 31. 7% .随土层深度的增加,围栏内 0 ~ 40 cm 土壤质地由沙性土
向沙壤土转变,各层间土质差异显著,易氧化有机碳含量逐渐升高;而围栏外土壤质地的垂直
变化相对平缓,基本为沙性土质.退化荒漠草原短期围栏封育条件下,沙化灰钙土土壤有机碳
尚处于一个消耗与积累的平衡阶段,土壤质地状况相对稳定,土壤物理稳定性变化较小. 10 ~
20 cm土层土壤活性有机碳含量及其相对分配比例可作为围栏封育早期土壤质量变化的指示
指标.
关键词摇 荒漠草原摇 围栏封育摇 土壤有机碳摇 沙化灰钙土
*国家“973冶计划前期研究专项(2012CB723206)、国家自然科学基金项目(41101301,31140017)和宁夏回族自治区自然科学基金项目
(NZ1005)资助.
**通讯作者. E鄄mail: xinguoyang1976@ 163. com
2012鄄05鄄29 收稿,2012鄄09鄄17 接受.
文章编号摇 1001-9332(2012)12-3325-06摇 中图分类号摇 S154. 1摇 文献标识码摇 A
Effects of short鄄term fencing on organic carbon fractions and physical stability of sandy
sierozem in desert steppe of Northwest China. YANG Xin鄄guo, SONG Nai鄄ping, LI Xue鄄bin, LIU
Bing鄄ru ( State Key Laboratory Breeding Base of Northwest Land Degradation and Restoration,
Ningxia University, Yinchuan 750021, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2012,23(12): 3325-3330.
Abstract: In order to explore the change patterns of organic carbon fractions and physical stability
of sandy sierozem in desert steppe at the early stage of fencing, 0-40 cm soil samples were collected
from a 5鄄year fenced desert steppe (inside the fence) and a free grazing steppe (outside the fence)
in Yanchi County of Ningxia, Northwest China, with the soil organic carbon, labile organic carbon,
and particulate organic carbon contents and soil particle composition analyzed. No significant differ鄄
ences were observed in the soil organic carbon content and soil particle composition inside and out鄄
side the fence. The average soil organic carbon inside and outside the fences was 3郾 25 g·kg-1, the
percentages of sand, silt, and clay were averagely 72% , 16% , and 12% , respectively, and the
soil physical stability index was 1. 30% -1. 31% . The soil active organic carbon showed a signifi鄄
cant change in 10-20 cm layer. The soil labile organic carbon content was 0. 80 g·kg-1 inside the
fence, which was significantly higher than that outside the fence (0. 62 g·kg-1). The percentage
of soil particulate organic carbon was 50. 9% inside the fence, which was also significantly higher
than that outside the fence (31. 7% ). The soil texture inside the fence changed from sandy to
loam, and the soil labile organic carbon content increased gradually; while the soil texture outside
the fence was sandy, and its vertical change was relatively smooth. The organic carbon of sandy si鄄
应 用 生 态 学 报摇 2012 年 12 月摇 第 23 卷摇 第 12 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Dec. 2012,23(12): 3325-3330
erozem in the desert steppe under the conditions of short鄄term fencing was still in a balance between
consumption and accumulation, the soil texture was relatively stable, and the soil physical stability
changed little. It was suggested that the soil active organic carbon content and its relative percentage
in 10-20 cm layer could be used as the indicators of early soil quality change of desert steppe.
Key words: desert grassland; fencing; soil organic carbon; sandy sierozem.
摇 摇 荒漠草原是草原向荒漠过渡的一类草原,是草
原植被中最干旱的一类草原,土壤以灰钙土为主.由
于过牧、樵采、开垦等人类活动的干扰,普遍存在不
同程度的退化问题,尤其以土壤沙化最为典型.一般
认为,荒漠草原沙化后,一旦覆沙层超过 20 cm,植
被演替是不可逆的[1],这与表层土壤结构的变化及
其可恢复性有关.沙化灰钙土一般较难形成稳定的
土壤结皮层[2],因此,其恢复的进程与干旱风沙土
土壤结皮主导的生态水文过程及土壤质量演变过程
可能存在诸多差异[3],从而可能表现出自身独有的
恢复演替模式.
土壤有机碳含量及其动态平衡是反映土壤质量
的一个重要指标[4],与土壤物理稳定性关系密切,
特别是对沙质土地生态系统而言. 土壤有机碳的短
暂波动主要发生在易氧化、分解部分,其变化可以指
示土壤有机碳的早期变化[5] . 与沙粒结合的有机碳
称为颗粒有机碳.它与易氧化有机碳一起被认为是
有机碳中的活性组分[6] .有机碳中的活性组分与土
壤结构的形成演变密切相关[7],对土地利用变化、
表层土壤植物残体积累和根系分布变化非常敏
感[8-10] .同时,土壤结构也直接影响颗粒有机碳的分
配比例以及土壤有机碳的固存效应[11-12] .土壤有机
碳与土壤结构相互影响,是决定干旱区土壤演替的
重要因素[11] .
围栏封育是退化草原植被恢复的一项重要措
施,但是土壤质量的恢复相对植被要缓慢得多.在大
范围封育禁牧条件下,荒漠草原地区沙化灰钙土如
何恢复,其相对典型草原和干旱沙区的特殊性依然
需要深入探索.这对揭示相关土壤质量动态变化机
理,增强围封草地生态系统管理的整体性和连续性,
以及推动荒漠草原灰钙土资源保护与利用的平衡具
有重要意义.本研究以短期围栏(5 年)和自由放牧
草地为对象,对比研究围栏内外土壤有机碳含量及
其活性组分、土壤机械组成的差异,分析围栏封育早
期退化荒漠草原土壤质量变化的动态规律、指示参
数及其形成机理,为荒漠草原围栏封育条件下草地
早期土壤管理,以及地带性沙化灰钙土的可持续保
护与利用提供科学依据.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 研究区概况
研究区位于宁夏盐池县高沙窝南梁国家级草原
资源生态监测站(37毅57忆01义 N, 107毅00忆45义 E).该地
区属于典型中温带大陆性气候,年均温 8郾 1 益,年降
水量 250 ~ 350 mm,蒸发量 2710 mm,冬春风沙活动
剧烈,年均无霜期 165 d.土壤类型以灰钙土为主,表
层沙化较为普遍.植物类型主要是灌丛、沙生植被和
荒漠植被,群落中常见植物种类以旱生和中旱生类
型为主.
1郾 2摇 试验设计
试验设置 2 个样地:1)封育 5 年的荒漠草原草
地(围栏内):位于高沙窝乡南梁国家级草原资源生
态监测站设置的草地围封试验区内,2005 年底开始
围栏,面积 40 m伊40 m;2)维持自由放牧的退化草地
(围栏外).试验区地势平坦,土壤以灰钙土为主,表
层明显沙化,围栏外植被较为稀疏,地表裸露严重,
有毒植物出现. 2 个样地在空间上紧邻,地形、植被
及土壤类型(围栏封育前)基本一致.
1郾 3摇 测定项目与方法
2010 年 8 月,在围栏内、外各随机取 6 个 1 m伊1
m样方进行土壤与植物的调查取样. 按“S冶型 5 点
取样法,采集 0 ~ 10、10 ~ 20 和 20 ~ 40 cm 土层土
壤,分层均匀混合,四分法取样.于室内自然风干,过
2 mm筛备用.
土壤机械组成采用吸管法测定;土壤有机碳含
图 1摇 试验样地空间分布示意图
Fig. 1摇 Sketch of spatial distribution of plots郾
6233 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
量采用重铬酸钾氧化鄄外加热法测定;易氧化有机碳
( labile organic carbon, LOC ) 含 量 采 用 333
mmol·L-1高锰酸钾氧化法测定;颗粒有机碳( par鄄
ticulate organic carbon, POC)采用 5 g·L-1焦磷酸钠
溶液振荡分散土样、过 53 滋m 土筛分离获得,其含
量采用重铬酸钾氧化鄄外加热法测定.
1郾 4摇 数据处理
土壤物理稳定性指数(St,% )的计算公式:
St =SOM伊100 / (Silt+Clay)
式中:SOM为土壤有机质含量(% );Silt 和 Clay 分
别为土壤黏粒和粉粒含量(% ).
采用 SPSS 15郾 0 软件进行数据统计分析和作
图,采用单因素方差分析(one way ANOVA)和最小
差异显著法(LSD)分析围栏内外各变量的差异显著
性(琢=0郾 05).
2摇 结果与分析
2郾 1摇 草地植被特征的变化
由表 1 可以看出,短期围栏封育条件下,草地植
被恢复比较明显,其植被盖度、高度和地上生物量均
显著升高,群落建群种也明显改变.围栏外自由放牧
条件下,蒙古冰草(Agropyron mongolicum)消失,只
保留一些耐践踏、耐采食的低产根茎禾草及有毒植
物,如中亚白草(Pennisetum centrasiaticum)和牛心朴
子(Cynanchum komarovii)等,前者呈蔓延分布格局,
在持续采食压力下,植株普遍低矮,地上生物量较
小,后者则以丛状散落分布为主.
2郾 2摇 土壤有机碳、土壤质地和土壤物理稳定性的变
化
由表 2 可以看出,5 年围栏封育条件下,退化草
地土壤的物理稳定性、有机碳含量和机械组成未出
现显著变化.围栏内外 0 ~ 40 cm土层土壤有机碳含
量平均为 3郾 25 g·kg-1,沙粒、粉粒、黏粒的相对比
重平均为 72% 、16% 、12% ,土壤物理稳定性指数为
1郾 30% ~1郾 31% .围栏内外 0 ~ 40 cm土层土壤质地
的垂直分布格局发生改变,其中,围栏内各层土质差
异显著,随土层深度的增加,由沙土向沙壤土转变;
而围栏外土壤质地的垂直变化相对平缓,只有 0 ~
10 与 20 ~ 40 cm土层间颗粒组成存在显著差异,整
体上维持在沙性土质状态.
2郾 3摇 土壤易氧化有机碳和颗粒有机碳的变化
由表 3 可以看出,封育 5 年条件下,围栏内外
0 ~ 40 cm土层土壤活性有机碳组分出现显著差异.
其中,10 ~ 20 cm 土壤易氧化有机碳(LOC)含量由
围栏外的 0郾 62 g·kg-1显著提高到围栏内的 0郾 80
g·kg-1,LOC 分配比例由 18郾 2%增加到 24郾 0% ;颗
粒有机碳(POC)含量则由围栏外的 1郾 12 g·kg-1提
高到围栏内的 1郾 83 g · kg-1, POC 分配比例由
31郾 7%显著提高到 50郾 9% .活性有机碳在 0 ~ 40 cm
土层的垂直分布格局也发生显著变化.其中,易氧化
表 1摇 围栏内外草地植被特征
Table 1摇 Characteristics of vegetation inside and outside fences (mean依SD)
处理
Treatment
盖度
Coverage
(% )
高度
Height
(cm)
地上生物量
Aboveground biomass
(g·m-2)
建群种
Constructive species
围栏外 Inside fence 9郾 52依1郾 83a 8郾 25依3郾 76a 39郾 27依4郾 05a 中亚白草 Pennisetum centrasiaticum、牛心朴
子 Cynanchum komarovii
围栏内 Outside fence 36郾 67依2郾 54b 70郾 11依10郾 36b 245郾 35依42郾 61b 蒙古冰草 Agropyron mongolicum
同列不同小写字母表示处理间差异显著(P<0郾 05) Different small letters in the same column indicated significant between difference treatments at
0郾 05 level郾
表 2摇 围栏内外土壤物理稳定性特征
Table 2摇 Characteristics of soil physical stability inside and outside fences (mean依SD)
处理
Treatment
土层
Soil layer
(cm)
土壤物理稳定性
St
(% )
土壤有机质
SOC
(g·kg-1)
土壤机械组成 Soil mechanical composition (% )
沙粒
Sand
粉粒
Silt
黏粒
Clay
围栏内 0 ~ 10 1郾 57依0郾 23a 2郾 40依0郾 26a 84郾 33依3郾 23a 7郾 96依1郾 74a 7郾 71依1郾 51a
Inside fence 10 ~ 20 1郾 46依0郾 19a 3郾 53依0郾 87b 75郾 26依7郾 88b 13郾 45依3郾 98b 11郾 29依3郾 97b
20 ~ 40 0郾 91依0郾 14b 3郾 82依0郾 72b 57郾 84依6郾 95c 24郾 42依4郾 70c 17郾 74依2郾 33c
围栏外 0 ~ 10 1郾 55依0郾 20a 2郾 59依0郾 64a 82郾 72依6郾 09a 10郾 00依4郾 01a 7郾 28依2郾 15a
Outside fence 10 ~ 20 1郾 39依0郾 31a 3郾 60依0郾 73b 71郾 68依13郾 96ab 16郾 11依7郾 80ab 12郾 22依6郾 21ab
20 ~ 40 0郾 95依0郾 27b 3郾 55依0郾 75b 61郾 44依6郾 91b 21郾 17依3郾 47b 17郾 40依3郾 47b
同列不同小写字母表示不同土层间差异显著(P<0郾 05) Different small letters in the same column indicated significant difference among different soil
layers at 0郾 05 level郾
723312 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 杨新国等: 短期围栏封育对荒漠草原沙化灰钙土有机碳组分及物理稳定性的影响摇 摇 摇 摇 摇
表 3摇 围栏内外土壤活性有机碳含量及其分配
Table 3摇 Soil active organic carbon content and its distribution inside and outside fences (mean依SD)
处理
Treatment
土层
Soil layer
(cm)
活性有机碳含量
Active organic carbon (g·kg-1)
LOC POC
活性有机碳比例
Percentage of active organic carbon
LOC / SOC POC / SOC
围栏内 0 ~ 10 0郾 56依0郾 11Aa 1郾 52依0郾 33Aa 23郾 1依2郾 2Aa 63郾 6依13郾 5Aa
Inside fence 10 ~ 20 0郾 80依0郾 12Ab 1郾 83依0郾 76Aa 23郾 9依8郾 3Aa 50郾 9依12郾 6Aa
20 ~ 40 0郾 64依0郾 18Aab 1郾 15依0郾 51Aa 16郾 5依1郾 9Ab 30郾 4依11郾 8Ab
围栏外 0 ~ 10 0郾 55依0郾 11Aa 1郾 48依0郾 30Aa 21郾 7依3郾 7Aa 60郾 9依19郾 4Aa
Outside fence 10 ~ 20 0郾 62依0郾 09Ba 1郾 12依0郾 43Aab 18郾 2依5郾 5Aab 31郾 7依10郾 6Bb
20 ~ 40 0郾 55依0郾 18Aa 1郾 01依0郾 35Ab 15郾 2依3郾 8Ab 28郾 7依8郾 6Ab
不同大写字母表示围栏内外差异显著,不同小写字母表示不同土层间差异显著(P<0郾 05) Different capital letters indicated significant difference
between inside and outside fences, and different small letters indicated significant difference among different soil layers at 0郾 05 level郾
有机碳由围栏外的均匀型分布向围栏内的底聚型分
布发展,而颗粒有机碳由渐变型分布转变为均匀型
分布格局.
3摇 讨摇 摇 论
3郾 1摇 短期围栏封育对土壤有机碳平衡和物理稳定
性的影响
旱区由于土壤中的分解作用受到温度和湿度的
联合限制,初级生产力越高,就有可能将越多数量的
有机质留在土壤中[5] .但是这种效应可能受到恢复
时间、有机碳分解环境、表层土壤黏粉粒含量与土壤
有机碳固存关系等的干扰[12-13],而表现出不同的碳
平衡后果.本研究中,围栏内外土壤有机碳含量并未
出现显著变化,说明围栏封育早期的土壤有机碳尚
处于一个消耗与积累动态平衡的阶段. 10 ~ 20 cm
土层易氧化有机碳含量和颗粒有机碳的分配比率显
著增加,说明在大量有机质归还土壤的同时,其活性
也在同步提高,导致有机碳的分解速率增加,从而维
持一种动态平衡的格局. 沙化灰钙土特有的上沙下
土的土体构造,也为土壤有机碳的分解创造了适宜
的水分、温度和通气条件.
土壤物理稳定性指数阐释了土壤有机碳含量与
土壤结构保持以及土壤发生风蚀风险的关系[14],在
土壤有机碳含量低下、表层黏粉粒含量没有明显改
善的情况下,短期围栏封育草地土壤物理稳定性依
然较差,一旦去除现有保护措施,其面临的退化风险
依然很高.
3郾 2摇 短期围栏封育对草地土壤有机碳活性组分的
影响
土壤活性有机碳的变化主要与总有机碳含量、
植被类型及其土壤的归还作用有关[15-17],其占总有
机碳的比重是反映土壤碳稳定性的指标[18] .围栏内
无论活性有机碳的含量还是其相对分配比率在
10 ~ 20 cm 土层都出现大幅度提高,说明相应土层
有机碳稳定性相对下降,生物活性相对提高.在围栏
内外土壤总有机碳含量保持稳定的情况下,以易氧
化有机碳含量显著增加以及颗粒有机碳分配比率显
著提高为标志,短期围栏封育可以有效地改善 10 ~
20 cm土层的土壤生态功能活性,对启动或加速土
壤发育进程具有重要意义.
颗粒有机碳主要来自于与沙粒结合的植物残体
半分解产物,属于有机碳库中的慢变库(slow pool),
对表层土壤中植物残体的积累和根系分布的变化非
常敏感,易受土地利用和管理方式的影响[8,19-20] .颗
粒有机碳分配比率的显著变化可能与颗粒有机碳自
身以及总有机碳的关联变化有关. 颗粒有机碳分配
比率在围栏内高达 50% ,说明土壤有机碳活性的提
高主要是通过植物残体与土壤沙粒的结合实现的,
荒漠草原围封早期大部分有机碳由于其蓄存方式的
约束难以进入腐殖化阶段.相对而言,易氧化有机碳
中的大部分碳可能来自于有机碳的快变库,对相关
干扰措施的响应更为敏感[21-23] . 本研究中,易氧化
有机碳含量对围栏封育的相对敏感性可能与此有
关.两种活性有机碳对封育措施响应方式的差异,与
分组方法、总有机碳含量的关联变化以及取样误差
等因素都有一定的关系,也必然涉及两种组分在活
性内涵上的差异,这有待进一步研究.
总之,在土壤总有机碳含量整体和分层发生显
著变化之前,由于 10 ~ 20 cm 土层易氧化有机碳含
量与颗粒有机碳分配比率对围封措施的相对敏感
性,可以作为退化荒漠草原恢复演替初期土壤质量
变化的指示指标.
3郾 3摇 沙化灰钙土的早期恢复演替路径
荒漠草原沙化后,一旦覆沙层超过 20 cm,植被
演替一般被认为是不可逆的[1] . 这与表层土壤结构
的变化及其相对可恢复性有关.研究区 0 ~ 10 cm土
壤由于直接受干燥多风气候的影响,以及早期有限
地上枯落物难以有效覆盖与归还,其演替进程相对
8233 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
缓慢,可能在较长时期内维持沙化状态. 相对而言,
下表层 10 ~ 20 cm土壤由于植物生长和土壤环境的
共同作用,在土壤有机碳总量和土壤质地发生显著
变化之前,活性有机碳含量及其相对分配比例已显
著增加,预示着该层土壤生物活性的增强及其土壤
发育过程的启动,其在干旱风沙区荒漠草原的早期
土壤恢复演替中可能更具指示性. 这与干旱沙区的
相关研究结论[24-27]有所区别,可能与沙化灰钙土固
有的上沙下土垂直结构属性有关[28] .
沙化灰钙土一般较难形成稳定的土壤结皮
层[2],长期来看,有可能表现出一种“自下而上冶的
早期恢复演替路径. 即在沙化表层恢复进程难以启
动的情况下,首先通过下表层(10 ~ 20 cm)土壤生
物活性的提高推动土壤相关生态功能的维持与改
善,并进一步推动地上植被的持续恢复,为上表层
(0 ~ 10 cm)创造阻风降尘等有利条件,从而可以持
续推动其相对缓慢而脆弱的演替进程.同时,这种演
替模式在降水接纳和保持、有机质归还与积累等方
面具有较强的抗干扰能力和对干旱气候的特殊适应
性,其恢复进程的连续性更强.这与干旱沙区土壤结
皮主导的“自上而下冶的生态水文与土壤发育过程
形成鲜明对比[3,29] . 这种自下而上的演替途径赋予
了沙化灰钙土恢复演替更多的特殊性,需要长期的
跟踪监测,进一步认识其理论和应用上的潜在价值.
4摇 结摇 摇 论
荒漠草原沙化灰钙土短期围栏封育条件下,土
壤有机碳尚处于一个消耗与积累的平衡阶段,土壤
质地状况相对稳定,土壤物理稳定性因此鲜有改变,
一旦去除现有保护措施,依然面临很高的退化风险.
10 ~ 20 cm土层土壤活性有机碳含量及其相对分配
比例的显著增加,标志着该层土壤生物活性的增强
及其土壤发育过程的启动,可作为围栏封育早期土
壤质量变化的指示指标,同时预示着荒漠草原沙化
灰钙土可能表现出特殊的“自下而上冶的早期恢复
演替路径.
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作者简介摇 杨新国,男,1976 年生,博士,副研究员. 主要从
事农业生态与生态恢复研究. E鄄mail: xinguoyang1976@ 163.
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责任编辑摇 孙摇 菊
0333 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷