封育对宁夏荒漠草原土壤有机碳矿化的影响
陶利波1,2, 王建军3, 王国会1,2, 于双1,2, 李惠惠1, 许冬梅1,2,*
1.宁夏大学 农学院,宁夏 银川 750021
2.西北土地退化与生态恢复省部共建国家重点实验室培育基地,宁夏 银川 750021
3.宁夏同心县同心中学,宁夏 同心 751300
*通信作者,许冬梅,E-mail:nxxudongmei@163.com

作者简介:陶利波(1991—),男,陕西商洛人,硕士研究生,研究方向为草地生态、资源与环境。E-mail:NXUtaolb@163.com

摘要

以空间梯度代替时间梯度,在宁夏盐池县选择未封育及封育3、5、8、11 a的荒漠草原为研究样地,采用室内恒温培养的方法,测定不同封育年限草地土壤有机碳矿化潜力。结果表明,草地土壤有机碳累积矿化量随封育年限的延长总体呈增加趋势,表现为封育11 a草地>封育8 a草地>封育5 a草地>未封育草地>封育3 a草地。不同封育年限草地土壤有机碳矿化速率均以培养初期最大,随培养时间的延长迅速下降,但从第7天开始略有上升,第13天时又达到较高水平,之后开始逐渐下降,至第27天趋于平稳。不同封育年限草地土壤潜在矿化碳库( C0)由高到低为封育11 a草地>封育8 a草地>未封育草地>封育5 a草地>封育3 a草地。封育8 a的草地土壤半衰期最短,显著( P<0.05)低于其他封育年限及未封育草地。因此,根据土壤有机碳矿化特征以及植被恢复状况,对封育5 a左右的宁夏荒漠草原可考虑适度利用。

关键词: 封育; 荒漠草原; 土壤有机碳矿化; 潜在矿化碳库
中图分类号:S153 文献标志码:A 文章编号:1004-1524(2017)09-1549-06 doi: 10.3969/j.issn.1004-1524.2017.09.18
Effects of enclosure on soil organic carbon mineralization of desert steppe in Ningxia
TAO Libo1,2, WANG Jianjun3, WANG Guohui1,2, YU Shuang1,2, LI Huihui1, XU Dongmei1,2,*
1. School of Agriculture, Ningxia University, Yinchuan 750021, China
2. Breeding Base for State Key Laboratory of Land Degradation and Ecological Restoration in Northwest China, Yinchuan 750021, China
3. Tongxin Middle School, Tongxin 751300, China
Abstract

In the present study, grazing grassland and grassland enclosed for 3, 5, 8, 11 a of desert steppe were selected as study objects in Yanchi County, Ningxia Province, to study the soil organic carbon mineralization potential by indoor constant temperature incubation. It was shown that with the increase of enclosing year, the accumulative soil organic carbon mineralization showed an increasing trend as 11 a enclosed grassland>8 a enclosed grassland>5 a enclosed grassland>grazing grassland>3 a enclosed grassland. From the 1st day to the 7th day, the mineralization rates decreased rapidly. From the 7th day to the 13th day, the rates rose slowly. Then, the rates decreased until the 27th day to be stable. With different enclosing year, the amount of potential mineralization carbon pools ( C0) of the grassland decreased in sequence of 11 a enclosed grassland>8 a enclosed grassland>grazing grassland>5 a enclosed grassland>3 a enclosed grassland. The soil half-life of 8 a enclosed grassland was significantly ( P<0.05) lower than others. Therefore, according to the soil organic carbon mineralization characteristics and the situation of vegetation restored, the grassland could be appropriately used after enclosing for 5 years.

Keyword: enclosure; desert steppe; soil organic carbon mineralization; potential mineralization carbon pool

自19世纪中期以来, 全球大气中的CO2浓度大约以每年0.4%的速度增长[1]。大气CO2含量升高带来的气候变化, 尤其是气候变暖严重威胁人类生存, 因此, 有效控制大气CO2含量, 减缓气候变暖是当前环境保护领域亟待解决的重大问题。土壤碳库是陆地生态系统中最大的碳库, 是植被碳库的2~3倍、大气碳储量的3倍, 土壤呼吸释放的CO2量约占陆地生态系统与大气间碳交换总量的2/3, 是碳循环的重要途径和载体[2, 3]。将大气中CO2固定至土壤中, 既可以缓解温室效应, 同时还能改善土壤结构, 提高土壤肥力。因此, 以更为有效的方式利用陆地植被、土壤对有机碳的积累优势来抑制大气中CO2浓度的快速增长, 是在全球绿色、循环和低碳经济发展背景下适宜采取的一种低成本固碳减排的有效措施。

草地作为陆地主体生态系统类型, 其碳储量达761 Gt, 且90%储存于土壤中[4]。我国草地面积近4亿hm2, 占国土面积的41.7%[5], 但长期以来, 由于自然环境的变迁和人为的不合理利用, 天然草地退化严重, 草地生态系统面临严重威胁, 我国已经成为草地生态系统退化最严重的国家之一[6]。对退化草地实施禁牧封育, 人为解除放牧压力, 是管理草地的重要手段。因其投入成本低、取得效益快, 禁牧封育现已成为退化草地恢复与重建的重要举措之一[7], 可使植被盖度和物种多样性得到明显恢复[8], 土壤细颗粒组分及有机碳含量增加[9, 10]

荒漠草原作为宁夏天然草地的主体类型, 面积134.44万hm2, 约占全区草地面积的55.02%, 是重要的生态屏障[11]。由于自然环境脆弱, 加之人为的滥垦、滥挖和过度放牧, 土壤沙化及草地退化严重[12]。针对草地退化状况, 宁夏于2003年全面实施了天然草地禁牧封育, 以恢复草原生态系统的良性循环, 努力实现永续利用的目的。基于此, 本研究以不同封育年限的草地为对象, 通过室内培养的方法研究宁夏荒漠草原自然恢复演替过程中土壤有机碳的矿化潜力, 旨在为宁夏荒漠草原碳增汇减排提供依据。

1 材料与方法
1.1 研究区概况

研究区设在宁夏回族自治区盐池县(106° 03'~107° 04' E, 37° 04'~38° 10' N), 南靠黄土高原, 北与毛乌素沙地相连, 属鄂尔多斯台地, 是典型的沙地/黄土过渡地带。气候类型属于典型的中温带大陆性气候, 年平均气温7.8 ℃, 冬冷夏热, 极端最高温为34.9 ℃, 极端最低温为-24.2 ℃, 冬夏两季气候迥异, 平均温差28 ℃左右, 年均无霜期165 d, 年降水量250~350 mm, 且从东南向西北递减。研究区平均海拔1 295~1 951 m, 地势南高北低, 土壤类型以灰钙土为主, 其次是黑垆土和风沙土。草地类型包括典型草原和荒漠草原。荒漠草原主要物种有:短花针茅(Stipa breviflora), 牛枝子(Lespedeza potaninii), 蒙古冰草(Agropyron mongolicum), 赖草(Leymus secalinus)等。

1.2 研究方法

1.2.1 样品采集

2015年7月在研究区分别选取未封育、封育3 a、封育5 a、封育8 a和封育11 a的荒漠草原为研究样地, 每个样地按照随机取样的方法选取5个点, 清理地表覆盖生物后, 挖掘土壤剖面, 用200 cm3环刀采集0~20 cm土样, 并取原状土1.0 kg, 装入保鲜盒内带回实验室, 挑出小石子、根等其他杂物, 过2 mm筛, 放置于4 ℃冷藏保存, 用于有机碳矿化的测定。

1.2.2 土壤有机碳矿化速率测定

采用室内恒温培养和碱液吸收法对土壤有机碳矿化进行测定。称取约25 g冷藏土样放入500 mL的培养瓶内, 并将装有30 mL 0.5 mol· L-1 NaOH的小培养瓶放入500 mL培养瓶内, 用于吸收培养过程中土壤释放的CO2。保持含水量为60%田间持水量, 为了提高土壤的通透性, 在所有培养瓶内加入3 g石英砂, 搅拌混匀, 重复3次。将培养瓶先置于20 ℃恒温培养箱内培养4 d, 然后置于25 ℃培养箱中, 分别在培养的2、4、6、13、20、27、34、41、48、55、62、76 d, 取出装有NaOH溶液的小培养瓶, 用已配制好的浓度为0.5 mol· L-1的盐酸标液进行滴定, 以测定CO2-C释放量(mg C· g-1), 计算土壤呼吸速率。在试验期间, 每隔2 d称重、补充水分, 以保持土壤含水量恒定。

1.2.3 土壤矿化相关指标的计算

采用一级动力学方程拟合有机碳分解常数:

CO2-C= (V0-V)×cHCl2×44×1244×1m(1-a); (1)

Ct=C0e-kt; (2)

T1/2=ln2/k。 (3)

式(1)中:CO2-C为培养期间土壤有机碳的矿化释放量(mg C· g-1); V0为空白标定时消耗的标准盐酸的体积(mL); V为样品滴定时消耗的标准盐酸的体积(mL); cHCl为标准盐酸浓度(mol· L-1); m为试验土样质量(g); a为土壤含水量(%)[13]

式(2)中:Ctt时间土壤有机碳含量(g· kg-1); C0为土壤潜在矿化有机碳量(g· kg-1); k为分解速率常数(d-1)[14]

式(3)中T1/2为土壤有机碳的半衰期(d)[15]

1.3 数据分析

采用Excel 2007对数据做处理, 并进行曲线拟合。用DPS 9.50统计软件进行ANOVA分析, 并用Duncan法进行多重比较。

2 结果与分析
2.1 不同封育年限荒漠草原土壤有机碳累积矿化量变化

如图1所示:在培养的0~6 d, 不同封育年限草地土壤有机碳累积矿化量均快速增加, 其中封育11 a和封育8 a的草地增长量最大; 随着培养时间的延长, 在培养的7~62 d, 不同封育年限草地土壤有机碳累积矿化量增加速度趋于缓慢; 在培养的最后阶段, 即培养的63~76 d, 不同封育年限草地土壤有机碳累积矿化量趋于平稳。在整个培养过程中, 不同封育年限草地土壤累积矿化量从高到低依次为封育11 a草地> 封育8 a草地> 封育5 a草地> 未封育草地> 封育3 a草地。

图1 不同封育年限草地土壤有机碳累积矿化量Fig.1 Accumulative amount of soil carbon mineralization of grasslands with different enclosed years

2.2 不同封育年限荒漠草原土壤有机碳矿化速率变化

不同封育年限草地土壤有机碳矿化速率在开始时都表现为最大值(图2), 培养初期(0~6 d), 随着培养时间的延长, 有机碳矿化速率迅速下降; 7~13 d, 不同封育年限草地土壤有机碳矿化速率又有所增加, 其中封育8 a的草地土壤有机碳矿化速率增加幅度最大; 13 d后不同封育年限草地土壤有机碳矿化速率开始缓慢下降, 至27 d后逐渐趋于平稳。

图2 不同封育年限草地土壤有机碳矿化速率Fig.2 Soil carbon mineralized rate of grasslands with different enclosed years

不同封育年限草地土壤有机碳日均矿化速率不同。在培养前7 d, 封育11 a和封育8 a的草地土壤有机碳矿化速率最大, 下降速度也最快, 与未封育、封育3 a和封育5 a的草地差异显著(P< 0.05)。在7~13 d, 封育8 a的草地有机碳矿化速率增加最快, 封育5 a的草地土壤有机矿化速率增加最慢, 其他封育年限草地有机碳矿化速率无显著差异(P> 0.05)。在14~27 d, 各封育年限草地土壤有机碳矿化速率逐渐下降, 该阶段以封育8 a的草地土壤有机碳矿化速率最大, 显著(P< 0.05)高于其他封育年限草地。27 d后, 各封育年限草地土壤有机碳矿化速率趋于平稳, 且差异不显著(P> 0.05)。

2.3 不同封育年限荒漠草原土壤有机碳矿化模型拟合

采用一级动力学方程对不同封育年限草地土壤有机碳累积化量进行拟合(表1), 效果均较好(R2> 0.883 2)。不同封育年限草地土壤潜在矿化碳库(C0)为5.548 0~7.975 8 g· kg-1, 分解速率常数(K)为0.040 4~0.049 7, 半衰期为14.351 4~17.440 7 d。封育11 a的草地土壤潜在矿化碳库最大, 与封育8 a的草地无显著差异(P> 0.05), 但二者均显著(P< 0.05)高于封育3 a、5 a及未封育草地, 封育3 a的草地土壤潜在矿化碳库最小, 显著(P< 0.05)低于其他封育年限及未封育草地。封育8 a、3 a及未封育的草地分解速率常数较高, 显著(P< 0.05)高于封育5 a、11 a的草地。封育8 a的草地土壤半衰期最短, 显著低于其他封育年限及未封育草地(P< 0.05), 封育11 a的草地土壤半衰期最大, 但与封育5 a的草地之间差异不显著(P> 0.05)。

表1 不同封育年限草地土壤有机碳矿化拟合模型 Table 1 Mineralization model of soil organic carbon of grasslands with different enclosed years
3 结论与讨论

土地利用方式是影响土壤矿化过程的重要因素之一, 主要改变土壤有机碳矿化速率[16]。人类对于土地利用方式的改变会直接引起土壤内部, 如土壤团粒结构、碳氮含量等养分指标的变化[17]。同时, 植物群落的改变对土壤微生物种类及其数量亦会产生重要影响, 并进而影响土壤有机碳矿化[18]。不同封育年限草地土壤有机碳累积矿化量在不同培养时期的变化动态具有较大差异。王若梦等[18]研究表明, 长期封育的大针茅草地土壤累积矿化量大于未封育的天然草地; 代景忠等[19]研究长期封育对内蒙古草地碳固持效应的影响发现, 内蒙古草地在封育过程中生产力、生物多样性、碳和氮贮量等都出现了明显变化, 封育草地显现出明显的碳汇效应, 在培养初期, 不同封育年限草地土壤有机碳累积矿化量迅速增加, 随培养时间延长, 增加速度有所放缓, 到后期, 各封育年限草地土壤有机碳累积矿化量都达到相对平稳的状态。这与本研究结果一致。出现这种现象的原因是土壤有机碳矿化分解初期, 其中的易分解组分首先被微生物分解, 释放大量养分, 土壤累积矿化量迅速增加; 随着易分解有机碳含量的减少, 微生物开始分解难分解有机碳, 分解速度显著下降, 土壤累积矿化量缓慢增加。本研究中, 不同封育年限草地土壤有机碳矿化量表现为:封育11 a草地> 封育8 a草地> 封育5 a草地> 未封育草地> 封育3 a草地。

在不同封育年限的天然草地上, 输入到土壤中的植物凋落物的来源不同, 土壤理化性状也有较大差异, 往往导致土壤有机碳矿化潜力不同[20]。本研究通过对不同封育年限土壤有机碳的矿化培养, 发现土壤潜在矿化碳库(C0)以封育11 a的草地最大, 其次是封育8 a、5 a和未封育的草地, 封育3 a的草地土壤潜在矿化碳库最小; 但封育8 a的草地土壤半衰期最短。由土壤有机碳累积矿化量、矿化速率和潜在矿化碳库的动态变化可知, 封育在一定时期内可增加荒漠草原土壤有机碳稳定性, 但是随着封育时间的延长, 土壤可矿化碳比重增加, 减弱了有机碳的固持能力, 降低了土壤有机碳的稳定性。因此, 依据土壤有机碳矿化特征, 结合植被恢复状况, 针对宁夏荒漠草原, 封育5 a左右的草地可考虑适度利用。

The authors have declared that no competing interests exist.

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