別爾達吾列提·希哈依，董乙強，安沙舟，劉慧敏

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830052)

0 引 言

【研究意義】新疆天然草地面積5 725.88×104hm2，其中可以利用草地面積為4 800.68×104hm2，占新疆土地總面積34.4%。新疆蒿類荒漠(Sagebrush desert)占地面積約114.3×104m2[1]，廣泛分布在新疆天山北坡500～1 700 m的低山和沖積扇區(qū)域，是當?shù)貥O其重要的春秋季節(jié)牧場[2]，且是連接夏牧場和冬牧場的紐帶。博樂絹蒿(Seriphidiumborotalense)隸屬于菊科絹蒿屬多年生超旱生半灌木，具有較高的營養(yǎng)價值和飼用價值，為蒿類荒漠中的優(yōu)良牧草。由于近年來博洛塔絹蒿荒漠生態(tài)系統(tǒng)出現(xiàn)不同程度的退化，干旱嚴酷的氣候環(huán)境加劇本就激烈的草畜矛盾，致使荒漠草地生產(chǎn)力，植物多樣性下降，生態(tài)服務(wù)等功能降低，阻礙當?shù)匦竽翗I(yè)生產(chǎn)和發(fā)展[3]。封育是最為常見的恢復(fù)退化草地的途徑，因其具有簡單易行，經(jīng)濟有效而被廣泛實施[4-5]。在不同區(qū)域封育對群落特征和生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的影響效果仍存在很大的爭議性，但這對評估草地碳儲量，草地可持續(xù)利用具有較大的生產(chǎn)和生態(tài)意義。【前人研究進展】前人關(guān)于封育對草地植被特征、土壤特性方面已經(jīng)做了大量的研究，但仍然存在較大的爭議。一些研究表明封育增加草地群落數(shù)量特征、物種多樣性[6-7]以及土壤有機碳儲量[8-9]，如Wang等[10]研究表明封育8 a后草地土壤碳庫(0～20 cm)比放牧區(qū)顯著增加了12.1%(P<0.05)；但也有一些研究表明封育降低草地物種多樣性[11-12]，抑制草地土壤有機碳的積累[13]，如Shi等[14]研究發(fā)現(xiàn)禁牧顯著降低了土壤有機碳儲量和植被生物量碳儲量?！颈狙芯壳腥朦c】前人關(guān)于封育對草地生態(tài)系統(tǒng)的研究對集中在草甸、草原上，對生態(tài)環(huán)境較為脆弱的荒漠草地研究相對較少；對植被或土壤單一碳循環(huán)的研究較多，而對整個生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的研究相對較少。研究短期封育對博樂絹蒿荒漠群落特征和碳密度的影響?！緮M解決的關(guān)鍵問題】以新疆博洛塔絹蒿荒漠為研究對象，測定分析封育4 a的荒漠及鄰近的自由放牧荒漠的植被群落結(jié)構(gòu)、多樣性、生物量和生態(tài)系統(tǒng)碳庫，研究封育對荒漠植被特征、生物量的影響規(guī)律，以及生態(tài)系統(tǒng)碳庫對短期封育的響應(yīng)規(guī)律，分析其變化的驅(qū)動因素，為退化草地的恢復(fù)和草地科學(xué)經(jīng)營管理提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

研究區(qū)位于博樂市哈薩堯勒(N44°50'，E81°39'，海拔1 110 m)，夏季短而炎熱，冬季長而寒冷，為典型的大陸干旱性氣候。年均氣溫6℃，年均降水200 mm，年平均蒸發(fā)量1 552.9 mm。最高氣溫39℃，最低氣溫-35℃，無霜期183 d。土壤多為荒漠灰鈣土。研究區(qū)的建群種為博樂絹蒿，屬典型的荒漠草地，伴生種有木地膚(Kochiaprostrata)、小蓬(Nanophytonerinaceum)、角果藜(Ceratocarpusarenarius)、豬毛菜(Salsolacollina)，早春有大量的短命類短命植物，如彎果葫蘆巴(Trigonellaarcuata)、伊犁郁金香(Tulipailiensis)等，是該市重要的春秋牧場。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設(shè)計

在研究區(qū)設(shè)置圍欄封育(Non-grazing，NG)和自由放牧(Freely grazing，F(xiàn)G)兩個處理。圍欄封育區(qū)面積大于3 hm2，從2014年開始封育，至2017年9月已封育4 a，屬短期封育，且封育前后草地植被類型、物種組成、地形地貌等基本一致。與封育區(qū)毗鄰的自由放牧區(qū)在封育處理后放牧強度(中度放牧)仍保持不變，兩個區(qū)域之間的距離小于20 m。在圍欄封育區(qū)和自由放牧區(qū)分別設(shè)置3條樣帶，樣帶間距離為50 m，然后在每條樣帶上隨機布置5個1 m×1 m的樣方，樣方間距大于10 m，樣方數(shù)量共計30個(2個處理×3條樣帶×5個樣方)。

1.2.2 野外取樣

于2017年9月中旬進行野外植被數(shù)據(jù)的采集工作。先記錄樣方中的所有出現(xiàn)物種的名稱，分種用卷尺測量物種高度(cm)，密度(株/m2)，采用直接記數(shù)法記錄物種所出現(xiàn)的數(shù)目，蓋度(%)采用針刺法測定，分種齊地面刈割植株并測定鮮重，裝入信封袋后帶回實驗室烘干(65℃，48 h)得到干重(g/m2)。測定完植被數(shù)據(jù)后沿樣地對角線方向挖掘3個土壤剖面，并在每個剖面上采取分層取樣法(0～5、5～10、10～20、20～30、30～50、50～70和70～100 cm)進行土壤樣品、地下生物量的采集以及容重、含水量的測定。將土壤樣品帶回實驗室自然風(fēng)干(15 d)后過篩(2、1 mm和0.25 mm)備用。植物根、莖、葉和凋落物生物量碳、土壤有機碳采用重鉻酸鉀濃硫酸外加熱法測定[15]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS 17.0統(tǒng)計軟件的One-way ANOVA分別對博樂絹蒿荒漠放牧區(qū)和封育區(qū)群落特征、物種多樣性以及生物量和植被、土壤碳庫進行差異分析，并對土壤和植被指標進行相關(guān)性分析；采用Excel 2007對數(shù)據(jù)進行前期處理，結(jié)果均以均值±標準誤的形式表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 封育對荒漠群落特征的影響

研究表明，博樂絹蒿荒漠群落高度、蓋度和密度對短期圍欄封育響應(yīng)不明顯(P>0.05)。與自由放牧區(qū)相比，群落高度、蓋度和密度分別下降了8.9%、7.4%和37.2%，短期封育對博樂絹蒿荒漠群落數(shù)量特征具有一定的消極作用。多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)、豐富度指數(shù)在短期封育后分別減少了48.4%、36.8%和6.2%，但差異不顯著(P>0.05)。表1

表1 封育下博樂絹蒿荒漠群落數(shù)量特征和植物多樣性變化
Table 1 The effects of non-grazing on community quantitative characteristics and plant diversity ofSeriphidiumborotalensedesert

處理Treatment高度Height/cm蓋度Coverage (%)密度Density (plant/m2)多樣性指數(shù)Diversity index均勻度指數(shù)Evenness index豐富度指數(shù)Richness index封育 NG16.93±1.6a18.78±1.3a25.33±1.9a0.16±0.1a0.12±0.1a1.67±0.1a放牧 FG18.59±1.2a20.28±1.6a40.33±12.5a0.31±0.1a0.19±0.1a1.78±0.1a

注：同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。下同

Note: Different lower case letters within the same column indicate significant difference at 0.05 level. The same as below

2.2 封育對荒漠群落生物量的影響

研究表明，與放牧區(qū)(FG)相比，封育后荒漠群落植被莖生物量、枯落物生物量顯著降低了20.1%和31.4%(P<0.05)，而封育后葉生物量增加了28.5%，但差異不顯著(P>0.05)。地上總生物量對封育的響應(yīng)不明顯。另外，地下生物量(0～100 cm)在封育后顯著降低了18.6%(P<0.05)，但短期封育措施不能改變根冠比。表2

表2 封育下博樂絹蒿荒漠植被生物量和根冠比變化
Table 2 The effects of non-grazing on plants biomass and root/shoot ratio ofSeriphidiumborotalensedesert

處理Treatments莖Stem葉Leaf枯落物L(fēng)itter地上生物量AGB地下生物量BGB根冠比Root/shoot ratio封育 GE47.0±4.22a15.8±5.25a7.0±0.39a69.5±4.98a9.6±0.51a0.14±0.013a放牧 FG58.8±1.68b12.3±4.79a10.2±0.82b81.1±6.69a11.8±0.62b0.15±0.01a

2.3 封育對植物生物量碳密度的影響

研究表明，莖、葉和枯落物生物量碳密度對封育的響應(yīng)存在一定的差異。與自由放牧區(qū)相比，莖和枯落物生物量碳密度在封育后呈降低的趨勢，且分別降低了23.9%和18.2%(P>0.05)，而葉生物量碳密度在封育后增加了30.9%(圖1a)。地上和地下生物量碳密度對封育的響應(yīng)呈相反的趨勢。與放牧區(qū)相比，封育后地上生物量碳密度呈下降(15.4%)的變化趨勢(P>0.05)，但封育后地下生物量呈增加(29.6%)的變化趨勢(P>0.05)(圖1b)。圖1

注：ABG：地上生物量，BGB：地下生物量。下同

Note: ABG: above-ground biomass, BGB: below-ground biomass. The same as below

圖1 封育下博樂絹蒿荒漠地上(莖，葉和枯落物)和地下生物量碳密度變化
Fig.1 The effects of non-grazing on above-ground (stem, leaf and litter) and below-ground (root) biomass carbon density ofSeriphidiumborotalensedesert

2.4 封育對土壤有機碳含量和有機碳庫的影響

研究表明，隨著土壤深度的增加，放牧區(qū)和封育區(qū)的土壤有機碳呈逐漸下降的變化趨勢。短期封育對荒漠土壤有機碳產(chǎn)生微弱的影響。與放牧區(qū)相比，封育后0～5和10～20 cm土壤有機碳呈下降的變化趨勢，但在5～10和20～100 cm土壤有機碳在封育后呈增加的變化趨勢。圖2

圖2 封育下博樂絹蒿荒漠土壤有機碳含量變化
Fig.2 The effects of non-grazing on SOC concentration ofSeriphidiumborotalensedesert

研究表明，不同土層深度的土壤有機碳密度對封育的響應(yīng)不一致。與自由放牧區(qū)相比，封育后土壤上層(0～50 cm)有機碳密度呈下降的變化趨勢，變化的范圍為53.5～233.6 g/m2，但在50～70和70～100 cm封育區(qū)比放牧區(qū)分別增加了234.4和482.0 g/m2。另外，在0～100 cm土壤有機碳密度在封育后增加了157.7 g/m2。表3

2.5荒漠植被生物量碳密度和土壤有機碳密度之間相關(guān)性

研究表明，莖生物量碳密度與枯落物碳密度(0.895**)、地上(0.680*)和地下(0.668*)生物量碳密度呈顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)相關(guān)，且枯落物碳密度與土壤碳密度呈顯著增加趨勢，表明隨著莖生物量碳密度的增加，枯落物、地上和地下生物量碳密度呈增加的趨勢，從而導(dǎo)致土壤碳密度增加。另外，地上生物量碳密度與枯落物碳密度(0.852**)、地下生物量碳密度(0.858**)之間存在緊密的相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，地上生物量的增加有利于枯落物生物量碳密度的增加，且地下生物量碳密度也隨之增加。表4

表3 封育下博樂絹蒿荒漠土壤有機碳密度變化
Table 3 The effects of non-grazing on soil organic carbon density ofSeriphidiumborotalensedesert

土壤深度Soil layers (cm)放牧FG (g/m2)封育NG (g/m2)△G(g/m2)0～5948.5±53.6a714.9±105.9a-233.65～10675.9±143.4a622.4±49.2a-53.510～201 009.1±23.3a943.5±231.3a-65.620～30844.4±121.4a783.0±153.1a-61.430～501 058.1±216.5a913.5±206.3a-144.650～70714.9±50.4a949.3±227.2a234.470～100703.1±119.9a1 185.1±286.9a482.00～1005 954.0±441.6a6 111.7±1221.1a157.7

表4 各指標之間相關(guān)系數(shù)
Table 4 The correlation coefficients between each index

莖碳密度Stem biomass carbon density葉碳密度Leaf biomass carbon density枯落物碳密度Litter biomass carbon densityAGB碳密度AGB carbon densityBGB碳密度BGB carbon density土壤碳密度Soil organic carbon density莖碳密度Stem biomass carbon density1葉碳密度Leaf biomass carbon density-0.1911枯落物碳密度Litter biomass carbon density0.875**0.2281AGB碳密度AGB carbon density0.680*0.5760.852**1BGB碳密度BGB carbon density0.668*0.3160.6100.858**1土壤碳密度Soil organic carbon density0.4830.1260.762*0.515-0.171

注：*表示顯著相關(guān)(P<0.05)，**表示極顯著相關(guān)(P<0.01)

Note:*means significant correlation (P<0.05),**means extremely significant correlation (P<0.01)

3 討 論

3.1荒漠群落數(shù)量特征和植物多樣性對封育的響應(yīng)

群落數(shù)量特征(高度、蓋度、密度和生物量)能夠較為直觀地反映封育的效果和草地健康狀況以及草場質(zhì)量。Guo等[16]研究發(fā)現(xiàn)典型草原和草甸草原禁牧10 a后，草地群落蓋度和生物量呈上升趨勢；而劉慧敏等[17]研究表明封育對伊犁絹蒿荒漠草地群落密度沒有顯著影響。研究結(jié)果表明，封育4 a后博樂絹蒿荒漠植被高度、蓋度、密度和生物量呈降低趨勢，但差異不顯著(P>0.05)，與劉慧敏等[17]的研究部分相同，但與大多研究結(jié)果相反。中度放牧強度下能促進植被的生長發(fā)育，增加植被群落數(shù)量特征[18]。研究區(qū)博樂絹蒿荒漠處于中度放牧強度，封育后抑制植被的生長，減少群落植被蓋度，從而降低群落生物量。

植物多樣性能反映草地群落的結(jié)構(gòu)類型、發(fā)展階段和生境差異[19]。許多研究發(fā)現(xiàn)封育能顯著增加草地植物多樣性[6-7]；但另有研究發(fā)現(xiàn)封育后草地植物多樣性變化較小，甚至呈顯著下降的趨勢[11-12]。研究表明，封育4 a后豐富度指數(shù)、多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)均呈下降的變化趨勢，與Wu等[11]和Bi等[12]的研究結(jié)果相似。由于中度放牧能促進植物更新，利于草地的進展演替，在一定程度上可維持植物豐富度，致使短期封育后博樂絹蒿荒漠草地豐富度指數(shù)呈輕微的降低趨勢。另外，博樂絹蒿荒漠草地的生產(chǎn)力較低，封育后會因植物競爭差異的原因?qū)е轮参锒鄻有越档蚚20]。

3.2 荒漠生態(tài)系統(tǒng)碳密度對短期封育的響應(yīng)

影響草地生態(tài)系統(tǒng)碳固持的因素較多，如放牧、封育等人為因素，降水量、氣溫、土壤水分等環(huán)境因素，導(dǎo)致前人的研究結(jié)果存在較大的爭議，如一些研究表明封育促進了土壤有機碳的積累[5]，也有研究表明封育后草地土壤有機碳庫保持不變[12]，或呈下降趨勢[14]。研究表明，短期封育降低了地上生物量碳密度和土壤上層(0～50 cm)有機碳密度，與Bi等[12]和Shi等[14]的研究結(jié)果部分相同。地上生物量碳密度與生物量具有緊密的聯(lián)系，封育后地上生物量的降低直接導(dǎo)致植被碳密度呈下降的趨勢。造成土壤有機碳密度降低的原因可能是：(1)土壤碳密度和枯落物生物量碳密度(0.762*)之間具有顯著的相關(guān)關(guān)系(P<0.05)?？萋湮锷锪刻济芏仍诜庥蠼档土?8.2%，且地下生物量(根系)碳密度在封育后增加了29.6%，表明根系從土壤中吸收了較多的碳，導(dǎo)致土壤有機碳密度呈降低的變化趨勢；(2)封育措施排除了家畜的踐踏、采食和糞便等干擾，從而減緩了凋落物回歸土壤的速率，且封育缺失了家畜的排泄物回歸土壤，阻礙有機質(zhì)的循環(huán)，致使封育后土壤有機碳密度呈降低趨勢。

4 結(jié) 論

4.1 與自由放牧區(qū)相比，封育4 a后博樂絹蒿荒漠植被高度、蓋度、密度、多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)和豐富度指數(shù)降低了6.2%～48.4%(P>0.05)，不利于荒漠草地植物多樣性的維持。

4.2 封育不利于生物量的積累，莖、枯落物和地下(0～100 cm根系)生物量封育后顯著下降了18.6%～31.1%(P<0.05)，但根冠比對封育的響應(yīng)不明顯。

4.3 封育降低了地上生物量碳密度和土壤上層(0～50 cm)有機碳密度(降低幅度為53.5～233.6 g/m2)，封育不利于博樂絹蒿荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)碳的存儲。

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