封育对蒿类荒漠草地土壤有机碳及土壤微生物生物量生态化学计量特征的影响.pdf
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1、第 32 卷 第 6 期Vol.32,No.658-702023 年 6 月草业学报ACTA PRATACULTURAE SINICA李思媛,崔雨萱,孙宗玖,等.封育对蒿类荒漠草地土壤有机碳及土壤微生物生物量生态化学计量特征的影响.草业学报,2023,32(6):5870.LI Si-yuan,CUI Yu-xuan,SUN Zong-jiu,et al.Effect of grazing exclusion on soil organic carbon and stoichiometry characteristics of soil microbial biomass in sagebru
2、sh desert.Acta Prataculturae Sinica,2023,32(6):5870.封育对蒿类荒漠草地土壤有机碳及土壤微生物生物量生态化学计量特征的影响李思媛1,崔雨萱1,孙宗玖1,2,3*,刘慧霞1,冶华薇1(1.新疆农业大学草业学院,新疆 乌鲁木齐 830052;2.西部干旱区草地资源与生态教育部重点实验室,新疆 乌鲁木齐 830052;3.新疆草地资源与生态自治区重点实验室,新疆 乌鲁木齐 830052)摘要:为了厘清封育过程中退化荒漠草地土壤微生物生物量生态化学计量学特征、土壤有机碳积累特征及其关系,对天山北坡新源县、博乐市、玛纳斯县、呼图壁县、奇台县封育 47 年
3、的蒿类荒漠草地 050 cm 土层土壤有机碳(SOC)、土壤微生物生物量碳(MBC)、氮(MBN)、磷(MBP)含量及其化学计量比进行了分析,并用结构方程模型解析了 SOC 与土壤 MBC、MBN、MBP 及其化学计量比间的关系。结果表明:1)封育后 050 cm 土层蒿类荒漠草地SOC 含量较对照显著降低 15.52%(P0.05),而土壤 MBC、MBN、MBP、MBC/MBN、MBC/MBP、MBN/MBP 总体变化不显著。2)SOC 与 MBC、MBN、MBP均呈显著正相关(P0.01),与 MBC/MBN、MBC/MBP呈负相关,且封育后 SOC 与 MBN/MBP 间的关系由显著正
4、相关转为负相关(P0.01)。3)结构方程分析表明,土壤 MBC、MBN、MBP 及其计量比对 SOC 积累的直接解释率为 46%,且 MBN 对土壤有机碳的作用效应最强(P0.001),封育降低了土壤 MBC、MBN 对土壤有机碳积累的影响,增加了土壤 MBP的直接影响。总之,封育 47年对蒿类荒漠草地土壤微生物生物量生态化学计量特征影响不显著,且 MBN是影响土壤有机碳积累的主要因素。关键词:蒿类荒漠;土壤有机碳;土壤微生物生物量;化学计量特征;封育Effect of grazing exclusion on soil organic carbon and stoichiometry ch
5、aracteristics of soil microbial biomass in sagebrush desertLI Si-yuan1,CUI Yu-xuan1,SUN Zong-jiu1,2,3*,LIU Hui-xia1,YE Hua-wei11.College of Grassland Science,Xinjiang Agricultural University,Urumqi 830052,China;2.Key Laboratory of Grassland Resources and Ecology of Western Arid Region,Ministry of Ed
6、ucation,Urumqi 830052,China;3.Xinjiang Key Laboratory of Grassland Resources and Ecology,Urumqi 830052,ChinaAbstract:This research aimed to clarify soil microbial biomass eco-stoichiometry characteristics in desert montane grassland in the years following grazing exclusion.Soil organic carbon accumu
7、lation and its relationship in degraded desert grassland to soil organic carbon(SOC),soil microbial biomass carbon(MBC),nitrogen(MBN),phosphorus(MBP)and their stoichiometric ratios were analyzed in the 0-50 cm soil layer of sagebrush desert grasslands from Xinyuan,Bole,Manasi,Hutubi and Qitai counti
8、es on the northern slopes of the Tianshan Mountains for 4-7 years following grazing exclusion.The relationships between soil organic carbon(SOC),soil MBC,MBN,MBP and their stoichiometric ratios were analyzed by structural equation modeling(SEM).It was DOI:10.11686/cyxb2022267http:/收稿日期:2022-06-20;改回
9、日期:2022-09-21基金项目:国家自然科学基金项目(32060408)和新疆维吾尔自治区自然科学基金(2020D01A60)资助。作者简介:李思媛(1997-),女,新疆塔城人,在读硕士。E-mail: 通信作者 Corresponding author.E-mail:第 32 卷第 6 期草业学报 2023 年found that the SOC content of sagebrush desert grassland in the 0-50 cm soil horizon after grazing exclusion was significantly reduced by 15
10、.52%compared with the control(P0.05),while the overall changes of soil MBC,MBN,MBP,MBC MBN,MBC MBP and MBN MBP were not significant.SOC was significantly positively correlated with MBC,MBN,and MBP(P0.01),and negatively correlated with MBC MBN and MBC MBP,and the relationship between SOC and MBNMBP c
11、hanged from significantly positive to negative after grazing exclusion(P0.01).SEM showed that soil MBC,MBN,MBP and their stoichiometric ratios data directly explained 46%of data variation for SOC accumulation,and MBN had the strongest effect on soil organic carbon(P0.001),while grazing exclusion red
12、uced the effect of soil MBC and MBN on soil organic carbon accumulation and increased the direct effect of soil MBP.In conclusion,the effects of 4-7 years of grazing exclusion on soil microbial biomass eco-stoichiometry characteristics of sagebrush desert grassland were not significant,and MBN was t
13、he most influential determining factor for soil organic carbon accumulation.Key words:sagebrush desert;soil organic carbon;soil microbial biomass;stoichiometric characteristics;grazing exclusion作为草地生态系统中最大的资源基础,土壤微生物是土壤所有生态功能的媒介,能够驱动环境中物质的能量流动和转移1-3,在调节有机质的分解和养分的循环等生态系统功能方面发挥着重要作用4。其中土壤微生物生物量碳、氮、磷既能
14、反映土壤微生物数量,也可体现土壤养分库来源的状况,常用作土壤肥力、土壤扰动及土壤质量的指示指标5-6。土壤微生物可通过调整自身的生态化学计量比以及对资源的利用效率来适应周围环境的改变7,有研究表明,土壤微生物化学计量比能够反映微生物群落结构及微生物活性,还能决定微生物活动的方向及有机质养分的释放8。而土壤有机碳是土壤微生物的能量来源,调节着气候和生物多样性9,对保持土壤肥力具有极其重要的作用10。新疆地处干旱荒漠区,可利用天然草地面积约占全疆土地总面积的 34.44%,其中蒿类荒漠草地面积为3.04106 hm2,占新疆草原总面积的 5.3%11-12。作为天然草地资源中饲用价值较高、分布范围
15、较广的重要牧草,蒿类植物在新疆草地资源中具有极其重要的地位,由其为建群种组成的荒漠草地是新疆重要的春秋牧场13。在气候变化、人类活动不合理干扰下,新疆蒿类荒漠草地出现了大面积的退化14,严重影响了草地生态系统的多样性和稳定性15,威胁了新疆绿洲的生态安全,亟待恢复治理。为了改善和恢复受损或退化的蒿类荒漠草地,封育措施得到大量的应用,主要通过杜绝家畜的放牧采食,促进植被的正向演替,以提高生态系统的稳定性。目前,有关封育对土壤有机碳变化的研究已有大量开展16-18,但由于封育年限、草地植被类型、土壤质地及土壤深度等方面存在差异,其研究结果表现为增加19-20、降低21-22、变化不显著23-24等
16、多种形式。同样,在以往的研究中有关封育对土壤微生物生物量化学计量特征的影响也没有一致的结论25,主要因土壤环境和气候因子的变化,不同地域的微生物生物量会出现不同的变化趋势。大量研究表明14,23,土壤有机碳与土壤微生物关系密切,但有关土壤微生物生物量化学计量特征对土壤有机碳积累的影响少有研究,且研究区域单一,缺乏不同区域封育样地的多点解析与检验,亟待深入研究。基于此,本研究以天山北坡不同区域的退化蒿类荒漠草地为对象,通过对封育区内外土壤有机碳、微生物生物量碳、氮、磷含量及其计量比的测算,拟解决以下科学问题:1)封育措施对不同区域的土壤有机碳、微生物生物量碳、氮、磷含量及其计量比响应趋势是否一致
17、;2)土壤微生物生物量化学计量学特征对有机碳的积累贡献率的占比及封育措施对其的影响,以期为退化蒿类荒漠草地生态系统的恢复、利用及管理提供科学依据。1材料与方法1.1研究区域概况该研究区位于天山北坡山前低山荒漠带(4322-4347 N,8235-8925 E,海拔为 9501270 m),属于典型大陆性干旱气候,年均温 49,年均降水量 150350 mm,年蒸发量 2000 mm 左右;研究样地属于典型的蒿59Vol.32,No.6ACTA PRATACULTURAE SINICA(2023)类 荒 漠 草 地,目 前 研 究 区 优 势 种 主 要 为 蒿 类 半 灌 木,如 伊 犁 绢
18、蒿(Seriphidium transiliense),博 洛 塔 绢 蒿(Seriphidium borotalalense),伴 生 种 有 木 地 肤(Kochia prostrata)、角 果 藜(Ceratocarpus arenarius)、叉 毛 蓬(Petrosimonia sibirica)、短柱苔草(Carex turkestanica)等,同时混有少量新疆针茅(Stipa sareptana),羊茅(Festuca ovina)、弯果胡卢巴(Trigonella arcuata)、沙葱(Allium mongolicum)等。1.2试验设计在天山北坡的新源县(西段)、博乐
19、市(西段)、玛纳斯县(中段)、呼图壁县(中段)、奇台县(东段)分别布设一处典型蒿类荒漠试验样地。每个样地设置封育(grazing exclusion,GE)和对照(control,CK)两个样地。封育样地完全禁牧,在各试验样地选择植被组成、群落特征及地形地貌基本相似的地段用网围栏进行围封,面积至少 200 m100 m=2.0104 m2,各试验区具体围封开始时间及基本信息见表 1。对照样地为封育样地外围的自由放牧区,生产上以放羊为主,每年春、秋两季放牧。截至 2019年 6月,封育样地已经禁牧 47年,属于短期封育。1.3野外调查及取样2019年 6月,按照系统取样方法,在每个封育区及对照区
20、内布设 5条间距为 100 m 的样带,每条样带上等距离设置间距为 25 m 的 5个 1 m1 m 的样方,共计 250个样方(5个试验样地2个处理5条样带5个样方)。每个样方在完成群落生物量等特征测定后,进行土壤样品采集。具体为:每条样带上等距离选择 3个样方,采用土块挖掘法,分层获取 05 cm、510 cm、1020 cm、2030 cm、3050 cm 的土壤样品,并将同层的 3个新鲜样品混匀成一个样品,每份土样约 1.0 kg,共计获取 250份混合土样。每份混合土样为两份,一份置于布袋中,另一份置于 4 的便携式冰箱内,带回室内。1.4室内分析室内,装于布袋的土样在剔除可见的根系
21、及砾石后,阴干过 0.25 mm 筛,用于土壤有机碳含量的测定;装于便携式冰箱内的土样过 2 mm 筛后,置于-20 冰箱贮藏,用于土壤微生物生物量碳、氮、磷的测定。土壤有机碳采用重铬酸钾外加热法测定26。微生物生物量碳、氮采用氯仿-硫酸钾浸提法,微生物生物量磷采用氯仿-碳酸氢钠浸提法27。1.5数据处理与统计分析数据预处理采用 Microsoft Excel 2010,用 SPSS 21.0独立样本 T 检验分析封育后土壤微生物生物量碳、氮、磷及化学计量比之间的差异,并分析围栏内外总体情况;利用 Amos 23.0构建结构方程模型,探究土壤微生物生物量计量特征对土壤有机碳含量的影响程度;用
22、Origin 21.0进行绘图,数据以“平均值标准差”表示。表 1试验样地基本信息12Table 1The basic condition of experiment site样地Site地理位置 Geographical position年均降水量 Mean annual precipitation(mm)年均气温 Mean annual temperature()海拔 Altitude(m)封育开始时间 Start time of grazing exclusion(Year/month)土壤基质 Soil texture优势种 Dominant species新源县Xinyuan(XY)
23、4322 N,8236 E204 7.138872012/6土质 Soil伊犁绢蒿 S.transiliense博乐市Bole(BL)4450 N,8139 E 200 6.1011102014/7砾石质 Gravelly博洛塔绢蒿,木地肤 S.borotalalense,K.prostrata玛纳斯县Manasi(MNS)4401 N,8609 E 172 8.1810332015/7土质 Soil伊犁绢蒿,叉毛蓬S.transiliense,P.sibirica呼图壁县Hutubi(HTB)4358 N,8632 E224 6.799782015/7土质 Soil伊犁绢蒿,叉毛蓬S.tra
24、nsiliense,P.sibirica奇台县Qitai(QT)4347 N,8925 E 160 7.1712272012/6土质 Soil伊犁绢蒿,木地肤,短柱苔草 S.transiliense,K.prostrata,C.turkestanica60第 32 卷第 6 期草业学报 2023 年2结果与分析2.1封育对土壤有机碳含量的影响整体看(图 1a),封育后蒿类荒漠草地 050 cm 土层土壤有机碳(soil organic carbon,SOC)含量显著降低15.52%(P0.05),但各样地表现并不一致,封育后仅新源和奇台样地显著降低 40.50%、34.42%(P0.01),其
25、余均变化不显著。从不同土层看,封育后新源样地 050 cm 各土层有机碳含量较对照显著降低了 35.06%48.95%(P0.01),奇台样地(图 1f)050 cm 各土层较对照显著降低 20.26%49.62%(P0.05),玛纳斯样地仅 510 cm 土层较对照显著降低 14.58%(图 1d),而博乐样地(图 1c)05 cm 土层、呼图壁样地(图 1e)1020 cm土层分别较对照增加 26.65%(P0.01),15.93%(P0.05)。不同样地不同土层 MBC 对封育的响应不一致,封育后新源样地(图 2b)05 cm、510 cm 土层 MBC 含量较对照依次显著降低 47.1
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