邱丽华,秦嘉海，张 勇

(1.河西学院农业与生物技术学院, 甘肃 张掖 734000; 2.甘肃省张掖市肃南县农业技术推广中心， 甘肃 张掖 734400)

禁牧对祁连山冰沟流域高山草甸土有机碳及理化性质和酶活性的影响

邱丽华1,2,秦嘉海1，张 勇1

(1.河西学院农业与生物技术学院, 甘肃 张掖 734000; 2.甘肃省张掖市肃南县农业技术推广中心， 甘肃 张掖 734400)

在青海省祁连山冰沟流域的高山草甸土上，选择放牧与禁牧2个样品采集区，研究了禁牧对祁连山冰沟流域高山草甸土有机碳及理化性质和酶活性的影响。结果表明：高山草甸土遭到放牧牲畜连续3年的啃食和践踏后，植被覆盖度明显降低，归还到土壤中的生物量和枯落物积累量减少，0～20 cm土层有机质含量、有机碳密度、总孔隙度、团聚体、田间持水量、氮磷钾和酶活性降低，容重、CaCO3和可溶性盐增加，但20 cm以下土层这些性质变化不大。放牧与禁牧比较，0～20 cm土层土壤容重、可溶性盐和CaCO3分别增加14.15%、6.35%和1.27%；有机碳含量、有机碳密度、总孔隙度、团聚体和田间持水量分别降低29.76%、22.82%、9.45%、6.49%和7.69%；全氮、全磷、全钾、脲酶、蔗糖酶、磷酸酶和过氧化氢酶分别降低25.97%、15.56%、12.17%、33.77%、26.11%、42.00%、29.31%。放牧对有机碳、容重、孔隙度、田间持水量、可溶性盐、氮磷钾和酶活性影响深度为20 cm，对团聚体影响深度为40 cm。

祁连山；高山草甸土；有机碳；酶活性

草地放牧不但对草原的可持续利用形成了很大的威胁，而且对土壤有机碳及理化性质和酶活性也有影响[1]。草地放牧不仅引起植物群落物种组成和群落结构的变化，导致生产力下降[2]；草地放牧是草地生态系统逆行演替的一种过程，草地放牧表现为环境劣变以及生物多样性和复杂程度降低，生态系统弹性减弱等[3]。近年来, 祁连山冰沟流域草地由于超载放牧,致使冰沟流域草地的牧草种类减少,地上部分生物量降低,有毒有害植物扩展蔓延,草地生产力降低，土壤酶活性降低,导致天然草地退化、沙化、水土流失现象明显[4]。因此，研究祁连山冰沟流域放牧与禁牧土壤理化性质及有机碳和酶活性变化规律，对改善祁连山冰沟流域土壤生态环境具有重要的意义。有关祁连山土壤有机碳特征及其影响因素研究报道较多[5-10]，而祁连山冰沟流域放牧与禁牧高山草甸土理化性质及有机碳和酶活性变化规律的研究未见文献报道，本文以祁连山冰沟流域放牧与禁牧为研究对象，旨在揭示祁连山冰沟流域放牧与禁牧高山草甸土理化性质及有机碳和酶活性变化规律,为祁连山冰沟流域草地生态系统恢复与治理提供科学依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于青海省祁连山冰沟流域东经100°12′52.4″～100°13′31″，北纬38°03′54.9″～38°04′20″，地形为缓山坡，海拔高度3 600～3 624 m，年降水量400～450 mm，年均蒸发量860～1 100 m，年均气温-6℃～4℃，日照时间2 100 h，土壤类型为高山草甸土[11]，成土母质为坡积物，代表性植物为小嵩草(Kobresiahumilis)、线叶篙草(K.Piillofail)、矮篙草(K.humilis)、柄状苔草(Carexpediformis)、垂花龙胆(Gentiananutans)、疑早熟禾(PoaincertaKeng)、圆穗蓼(Polygo-numsphaerostachyum)、异针茅(StipaalienaPaali)、紫花针茅(S.puypurea)。

1.2 研究方法

1.2.1 样品采集方法 2012年6月30日在青海省祁连山冰沟流域海拔、坡向、坡度相近一致的高山草甸土上，选定两处试验样地，一处为放牧区(2013年6月开始放牧，全年放牧,无禁牧期)，另一处为禁牧区(2013年6月30日开始禁牧，草地完全封育,全年无放牧活动)，2015年6月30日分别在2个样品采集区内设置50 m×50 m的样方，每个样方按S形选取 3个样点(重复3次)，从地表开始向下挖掘3个土壤剖面，每个剖面点按照0～20、20～40、40～60 cm间距自下而上逐层采集土样各3 kg，用4分法带回1 kg混合土样室内化验分析，土壤容重、团聚体用环刀在每个土层采集原状土，样品采集区基本情况和土壤剖面特征见表1。

表1 测试样品采集区基本情况

1.2.2 测定指标及方法 土壤容重采用环刀法测定；孔隙度采用计算法求得；>0.25 mm团聚体采用团粒结构分析仪测定，具体方法是：按照0～20、20～40、40～60 cm间距自下而上逐层采集长10 cm，宽10 cm，厚度20 cm的土柱，剥离受采样刀具影响的土柱边面，放在饭盒内运回室内，沿土壤的自然结构将原状土剥成小土块，并剔去粗根和小石块，土样摊平风干15 d，称取100 g风干土，放置在孔径0.25 mm的土筛中，将土筛放入团粒分析仪的水桶中，冲洗30 min，将孔径上面>0.25 mm团聚体烘干至恒重，称重得到团聚体质量；田间持水量采用威尔科克斯法测定，具体方法是：用环刀采原状土，放在水中饱和24 h,将装有饱和水分的湿土环刀底盖打开，连同滤纸一起放在装风干土的环刀上，经过8 h吸水后，从上面环刀中取土20 g,采用烘干法测定其含水量，取3次平均值计算田间持水量；可溶性盐测定采用电导法，具体方法是：在室内将分析纯氯化钠配制为0.01%、0.05%、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%、0.30%、0.35%、0.40%、0.45%、0.50%、0.55%、0.60%、0.65%、0.70%、0.75%、0.80%、0.85%、0.90%、1.00%系列浓度，用DDS-11型电导仪测定电导率，以盐浓度为纵坐标，电导率为横坐标，绘制标准曲线，将测定的样品电导率，在标准曲线查得盐浓度，再乘样品稀释倍数得到样品可溶性盐含量[12]；全氮采用CuSO4—K2SO4—H2SO4消煮蒸法测定；全磷采用碳酸钠熔融法测定；全钾采用NaOH熔融火焰光度法测定；土壤有机质和有机碳含量采用K2Cr2O7法测定[13]；脲酶、蔗糖酶、磷酸酶和过氧化氢酶采用关松荫土壤酶测定法[14]。

土壤有机碳密度计算公式为[15]：

SOC=T×q×C×(1-d%)/100

式中，SOC为土壤有机碳密度(kg·m-2)；T为土层厚度(cm)；q为土壤容重(g·cm-3)；C为土壤有机碳平均含量(g·kg-1)；d为直径>2 mm石砾含量(%)。

1.2.3 数据处理 采用Excel 2003和SPSS统计软件进行数据统计分析，不同土层土壤特性的差异显著性采用多重比较，LSR检验。

2 结果与分析

2.1 放牧对土壤有机碳含量和密度的影响

2.1.1 有机碳含量 放牧直接影响表层土壤有机碳含量，由表2可知,放牧与禁牧土壤有机质含量差异显著。禁牧区0～20 cm土层有机碳含量为24.09 g·kg-1，而放牧3年后0～20 cm土层有机质含量急剧下降，放牧与禁牧比较，0～20 cm土层有机碳含量降低29.76%。究其原因,一是放牧后植被受牲畜啃食，降低了植被的覆盖，地上部分生物量和枯落物积累量降低[16]。放牧和禁牧20～40 cm和40～60 cm土层有机质含量差别不大，说明放牧对0～20 cm土层有机碳含量影响较大，对20 cm以下土层有机碳含量影响较小。另外，放牧与禁牧不同层次土壤有机碳含量均随着土壤剖面垂直深度的增加而递减，各土层之间差异极显著(P<0.01)，究其原因是随着土层深度的增加，植物残体和根系数量减少[17-18]，放牧与禁牧40～60 cm土层有机碳含量差别不大,说明放牧对土壤底层有机碳含量影响较小(表2)。

表2 放牧与禁牧有机碳分布

注：同列大写字母为LSR0.01、小写字母为LSR0.05显著差异水平，下同。

Note: uppercase and lowercase letters indicate significance ofLSR0.01andLSR0.05, respectivley, the same below.

2.1.2 有机碳密度 由表2可知，禁牧区0～20 cm土层有机碳密度为4.25 kg·m-2，而放牧3年后0～20 cm土层有机质密度为3.28 kg·m-2，放牧与禁牧比较，0～20 cm土层有机碳密度降低22.82%。禁牧区和放牧区不同层次土壤有机碳密度均随着土壤剖面垂直深度的增加而递减，0～20 cm土层有机碳密度与各土层之间差异极显著(P<0.01)，其中，放牧与禁牧0～20 cm土层有机碳密度分别是40～60 cm土层的3.43和2.78倍，说明禁牧区和放牧区有机碳密度表现出很强的表聚性。另外，放牧和禁牧20～40 cm和40～60 cm土层有机碳密度差别不大,说明放牧对土壤底层有机碳密度影响较小(表2)。

2.2 放牧对土壤物理性质和田间持水量的影响

2.2.1 容重 由表3可知，放牧3年后0～20 cm土层容重为1.21 g·cm-3，与禁牧区比较，容重增大14.15%，20～40 cm和40～60 cm土层容重分别为1.18 g·cm-3和1.27 g·cm-3，与禁牧区比较，容重分别增大0.85%和0.79%，说明放牧对土壤容重影响的深度为20 cm，对20 cm以下土层影响较小，究其原因是放牧区0～20 cm土层由于放牧牲畜践踏导致土壤紧实，容重增大。禁牧区0～60 cm土层容重均随着剖面垂直深度的加深而递增，各土层之间差异极显著(P<0.01)，而放牧区0～20 cm土层容重大于20～40 cm土层，说明放牧牲畜践踏表土层并导致土壤紧实容重逐步增大的效应非常明显(表3)。

表3 土壤剖面物理性质和田间持水量

2.2.2 总孔隙度 由表3可知，放牧3年后0～20 cm土层总孔隙度为54.33%，与禁牧区比较，总孔隙度降低9.45%，20～40 cm和40～60 cm土层总孔隙度分别为55.47%和52.08%，与禁牧区比较，分别降低0.71%和0.68%，说明放牧对土壤总孔隙度的影响深度为20 cm，究其原因是放牧区地表遭到放牧牲畜践踏后土壤紧实，因而降低了孔隙度。禁牧区0～60 cm土层总孔隙度均随着剖面垂直深度的加深而递减，各土层之间差异显著或极显著，而放牧区0～20 cm土层总孔隙度小于20～40 cm土层，这种变化规律与放牧牲畜践踏有关(表3)。

2.2.3 团聚体 由表3可知，放牧3年后0～20 cm和20～40 cm土层团聚体分别为23.62%和19.33%，与禁牧区比较，团聚体分别降低6.49%和5.29%，究其原因是放牧区地上部分植被遭到牲畜啃食后，每年归还到土壤中的生物量减少，导致土壤有机质含量减低，因为有机质在土壤中合成了腐殖质，腐殖质中的多元酚和氨基酸是形成团聚体的基本材料。放牧区40～60 cm土层团聚体为14.25%，与禁牧区比较，降低3.45%，说明放牧对0～40 cm土层团聚体影响较大，对40 cm以下团聚体影响较小。放牧与禁牧不同层次土壤团聚体均随着土壤剖面垂直深度的增加而递减，0～20 cm土层团聚体分别是40～60 cm土层的1.66倍和1.71倍，差异极显著(P<0.01)，说明放牧对土壤表层团聚体影响较大(表3)。

2.2.4 田间持水量 由表3可知，放牧3年后0～20 cm土层田间持水量为19.45%，与禁牧区比较，田间持水量降低7.69%，20～40 cm和40～60 cm土层田间持水量分别为17.93%和13.40%，与禁牧区比较分别降低1.80%和1.83%，说明放牧对0～20 cm土层间持水量影响较大，对20～40 cm和40～60 cm土层间持水量影响较小。放牧与禁牧不同层次田间持水量均随着土壤剖面垂直深度的增加而递减，0～20 cm土层田间持水量分别是40～60 cm土层的1.45倍和1.54倍，差异极显著(P<0.01)，这种变化规律与孙慧兰、李卫红、杨余辉等研究结果相一致[19](表3)。

2.3 放牧对土壤可溶性盐和CaCO3的影响

由表4可知，放牧3年后0～20 cm土层可溶性盐含量为2.51 mg·kg-1，与禁牧区比较，可溶性盐增加6.35%，20～40 cm和40～60 cm土层可溶性盐含量分别为1.80 mg·kg-1和1.29 mg·kg-1，与禁牧区比较，可溶性盐分别增加1.69%和0.78%，说明放牧对可溶性盐的作用主要在0～20 cm土层，对20 cm以下土层影响较小。究其原因是，放牧区地表植被遭到牲畜啃食，植被覆盖度降低，土壤蒸发量增大，土壤水分沿着毛管上升到表层，水分蒸发，可溶性盐沉积在地表，因而增大了表层含盐量。放牧与禁牧不同层次可溶性盐均随着土壤剖面垂直深度的增加而递减，不同层次可溶性盐差异极显著(P<0.01)。由表4可知，放牧3年后0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm土层CaCO3分别为84.22、69.14 mg·kg-1和36.42 mg·kg-1，与禁牧区比较，CaCO3分别增加1.27%、0.83%和0.47%，说明放牧对CaCO3影响较小。放牧区和禁牧区不同层次CaCO3含量均随着土壤剖面垂直深度的增加而递减，差异达到极显著水平(P<0.01)(表4)。

2.4 放牧对土壤氮磷钾和酶活性的影响

2.4.1 氮磷钾 由表4可知，放牧3年后0～20 cm土层全氮、全磷和全钾分别为5.36、0.38 g·kg-1和12.41 g·kg-1，与禁牧区比较，全氮、全磷和全钾分别降低25.97%、15.56%和12.17%；20～40 cm土层全氮、全磷和全钾含量分别为4.10、0.20 g·kg-1和9.84 g·kg-1，与禁牧区比较，全氮、全磷和全钾分别降低3.53%、4.76%和0.51%；40～60 cm土层全氮、全磷和全钾含量分别为2.08、0.15 g·kg-1和2.45 g·kg-1，与禁牧区比较，分别降低2.35%、6.25%和2.17%。说明放牧对0～20 cm土层全氮、全磷和全钾影响较大，对20～60 cm土层影响较小，这种变化规律与地表枯落物积累量有关。放牧与禁牧不同层次土壤全氮、全磷和全钾均随着土壤剖面垂直深度的增加而递减，各土层之间差异极显著(P<0.01)(表4)。

表4 土壤剖面化学性质和养分含量特征

2.4.2 酶活性 由表5可知，放牧3年后0～20 cm土层脲酶、蔗糖酶、磷酸酶和过氧化氢酶分别为0.51 mg·kg-1·h-1、5.01 mg·g-1·d-1、2.14 g·kg-1·d-1和0.41 ml·g-1，与禁牧区比较，分别降低33.77%、26.11%、42.00%和29.31%,20～40 cm土层脲酶、蔗糖酶、磷酸酶和过氧化氢酶分别为0.50 mg·kg-1·h-1、4.32 mg·g-1·d-1、2.01 g·kg-1·d-1和0.31 ml·g-1，与禁牧区比较，分别降低1.96%、0.46%、1.47%和3.23%,40～60 cm土层脲酶、蔗糖酶、磷酸酶和过氧化氢酶分别为0.22 mg·kg-1·h-1、1.21 mg·g-1·d-1、0.92 g·kg-1·d-1和0.12 ml·g-1，与禁牧区比较，分别降低4.34%、1.62%、2.13%和7.69%,说明放牧对0～20 cm土层酶活性影响较大，对20～60 cm土层影响较小。放牧与禁牧区不同层次土壤脲酶、蔗糖酶、磷酸酶和过氧化氢酶均随着土壤剖面垂直深度的增加而递减，各土层之间差异极显著(P<0.01)，这种变化规律与杨远平、樊军、郝明德研究结果相吻合[20-21](表5)。

表5 土壤剖面酶活性的变化特征

3 结 论

高山草甸土遭到放牧牲畜连续3年的啃食和践踏后，植被覆盖度明显降低，归还到土壤中的生物量和枯落物积累量减少，0～20 cm土层有机质含量、有机碳密度、总孔隙度、团聚体、田间持水量、氮磷钾和酶活性降低，容重、CaCO3和可溶性盐增加，但20 cm以下土层这些性质变化不大。放牧对高山草甸土有机碳、容重、孔隙度、持水量、可溶性盐、氮磷钾和酶活性影响较大，对CaCO3影响较小。放牧对有机碳、容重、孔隙度、田间持水量、可溶性盐、氮磷钾和酶活性影响深度为20 cm，对团聚体影响深度为40 cm。不论是放牧还是禁牧区，0～60 cm土层土壤有机碳、孔隙度、团聚体、田间持水量、可溶性盐、CaCO3、全氮、全磷和全钾、酶活性均随着土壤剖面垂直深度的增加而递减，容重随着剖面垂直深度的加深而递增。放牧区0～20 cm土层容重大于20～40 cm土层，总孔隙度小于20～40 cm土层，说明放牧牲畜践踏表土层并导致土壤紧实容重逐步增大的效应非常明显。

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Effect of banning grazing on alpine meadow soil organic carbon, physio-chemical properties and enzyme activities in Binggou Watershed, Qilian Mountains

QIU Li-hua1,2, QIN Jia-hai1, ZHANG Yong1

(1.SchoolofAgricultureandBiotechnologyofHexiUniversity,Zhangye,Gansu734000,China;2.ZhangyeinGansuProvinceSunaCountyAgriculturalTechnologyPromotionCenter,Zhangye,Gansu734400,China)

The experiment was conducted to determine the influence of banning grazing on alpine meadow soil organic carbon, physio-chemical properties and enzyme activities at Ice Valley, Qilian Mountain. The results showed that the vegetation coverage, soil biomass and organic matter content of alpine meadow soil were decreased significantly after grazing for three years. Organic matter content, organic carbon density, total porosity, aggregate, field capacity, NPK content and enzyme activity at 0～20 cm layer was decreased, and soil bulk density, CaCO3and soluble salt content was increased. Compared with grazing, the soil bulk density, CaCO3and soluble salt content at 0～20 cm layer in area of grazing prohibition were increased by 14.15%, 6.35%, and 1.27%, and organic matter content, organic carbon density, total porosity, aggregate, and field capacity by 29.76%, 22.82%, 9.45%, 6.49%, and 7.69%, respectively; while the urease, sucrase, phosphatase and calatase activities and total NPK was reduced by 33.77%, 26.11%, 42.00%, 29.31%, 25.97%, 15.56% and 12.17%, respectively. In conclusion, the influencing depth of grazing on organic carbon, soil bulk density, total porosity, field capacity decreased, soluble salt content, NPK and enzyme activity was 0～20 cm soil depth, whereas that on aggregate was 0～40 cm soil depth.

Qilian Mountain; alpine meadow soil; organic carbon; enzyme activity

1000-7601(2017)04-0179-06

10.7606/j.issn.1000-7601.2017.04.27

2016-04-22

国家自然科学基金重点支持项目“黑河流域生态水分样带调查”(91025002/D010106)

邱丽华(1969—)，女，甘肃肃南人，高级农艺师，主要从事水土保持学研究。

张 勇(1963—)，男，甘肃民乐人，博士，教授，硕士研究生导师，主要从事植物生态学和水土保持学研究。 E-mail: gsqlh2006@163.com。

S714.2

A