张茹，李建平， ，张翼，井乐，王婷

1.宁夏大学农学院，宁夏，银川750021

2.西北退化生态系统恢复与重建国家重点实验室培育基地，宁夏，银川 750021

0 前言

土壤的 pH是代表与土壤固相处于平衡的土壤溶液中氢离子浓度的负对数，它对土壤养分、土壤微生物活性有重要影响[1]，并且也是土壤中影响范围极为广泛的一个化学指标[2]。土壤pH作为土壤基本的理化性质，影响土壤中很多的化学反应和化学过程[3-4]。土壤酸碱度在有机碳和无机碳相互转化过程中起关键作用。土壤酸碱度的微弱变化，直接影响其植被类型及对土壤养分吸收效率，酸化可能导致微生物群落结构多样性发生显著的变化[5-6]。土壤是植物生长的必要支撑条件，土壤酸碱度是土壤在其形成过程中受生物、气候、地质、水文等因素综合作用所产生的重要属性[7]。土壤pH不仅影响土壤微生物的种群和活性，而且与土壤中养分的形成、转化和有效性密切相关[8]，同时对植物及生活在土壤中的微生物也有着很大影响[9]。植物可通过生长过程中额外阳离子获取、凋落物降解、与固氮菌的共生以及大气干沉降等过程影响土壤pH值[10-11]。前人研究多集中在植物—土壤—微生物相互作用对土壤 pH 影响研究，而对于深层土壤及不同粒级土壤变化研究相对薄弱。本研究以宁夏固原云雾山草原为研究对象，云雾山建于 1982年，是我国西北地区保护最完整、黄土高原保护最早的典型草原生态系统自然保护区，选取封育15年草地、封育30年草地及周边放牧草地，系统研究封育年限 0—500 cm土壤不同粒级土壤 pH 变化特征，为天然草地植被恢复与持续利用提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 研究地区概况

试验区设在位于宁夏固原东北部45 km 处的云雾山草原，处于黄土高原腹地，本区处于温带半干旱气候区，具有典型的半干旱气候特征，植被类型为典型草原。地理范围为东经 106°21′—106°27′E，北纬 36°10′—36°17′N，海拔 1700—2148 m，年平均气温 7 ℃，年平均降水量425 mm(1980—2014年平均值)，土壤类型以山地灰褐土和黑垆土为主。主要优势植物有长芒草(Stipa bungeana)、大针茅(Stipa grandis)、百里香(Thymus mongolicus)、铁杆蒿(Artemisia sacrorum)、星毛委陵菜(Potentilla acaulis)等。其中丛生禾本科植物本氏针茅分布最广[12](表1)

1.2 试验设计和样品采集

2016年，在云雾山上选取典型放牧草地、封育15年草地、封育30年草地各3块样地，样地之间距离大于100 m，每个样地采用土钻法取土，每个样方土壤样品采样深度为0—500 cm，每20 cm为一个土样，共取得25层，每个封育年限草地取得土样75个，3个封育年限共取得土样样品225个，装入塑封袋中，带回实验室备用。

1.3 指标测定

野外采回的土壤经自然风干后，剔除石块、植物根茎、人为侵入物等杂物。人为将土壤样品分为两部分:一部分经过3 mm、2 mm、1 mm、0.5 mm、0.25 mm 5个不同粒级的筛子，按照团粒结构的大小由大颗粒到小颗粒分别编号为3—2 mm、2—1 mm、1—0.5 mm、0.5—0.25 mm、＜0.25 mm。粒级＜0.25 mm为最适宜植物生长的土壤粒级。另一份经过磨细，过100目0.01 mm筛孔以供pH的测定。实验室测量土壤 pH 采用电位法[13]，设土水比为 1:5，用土壤悬液磁力搅拌 3 min，静置 30 min，测定悬液 pH 值，每个土样测3次，取平均值。

表1 试验样地信息Table l Sample ground information

1.4 统计分析

利用Originpro8.0 、Excel表格进行描述性统计分析，单因素统计分析，分析固原云雾山不同草地类型土壤pH的变化。

2 结果

2.1 不同封育年限草地土壤pH垂直变化特征

放牧草地土壤pH平均值为8.94，土壤pH变化范围为8.54—9.26，是碱性土壤，随着土壤深度的增加，土壤pH逐渐增大。0—100 cm土层pH值为8.65，100—200 cm土层pH值为8.86，200—300 cm土层pH值为8.90、300—400 cm土层pH值为9.06，400—500 cm土层pH值为9.22。土壤PH的整体变化幅度不大(图1)。

封育15年草地土壤pH的平均值是8.87，土壤pH的变化范围是8.56—8.97，随着土壤深度的增加，土壤pH逐渐增大。0—100 cm土层pH值为8.81，100—200 cm土层pH值为8.88，200—300 cm土层PH 值为 8.91，300—400 cm 土层 pH 值为 8.95，400—500 cm土层pH值为8.91。与放牧地相比较，土壤pH略有降低(图2)。

封育30年草地的土壤pH平均值是8.50，土壤pH变化范围为8.12—8.74，0—100 cm土层pH值为8.26，100—200 cm 土层 pH 值为 8.44，200—300 cm土层pH值为8.59，300—400 cm土层pH值为8.63，400—500 cm土层pH值为8.6。与放牧地和封育15年相比较土壤 pH 都偏小，说明封育年限的长短也会影响土壤pH的变化(图3)。

图1 放牧草地土壤pHFigure 1 Soil pH-value of grazing grassland.

图2 封育15年草地土壤pHFigure 2 Soil pH -value of fencing 15 years grassland

图3 封育30年草地土壤pHFigure 3 Soil pH -value of fencing 30 years grassland

2.2 不同封育年限草地土壤各粒级土壤pH变化特征

2.2.1 放牧草地各粒级土壤pH值变化特证

0—20 cm土层:3—2 mm和2—1 mm土壤团粒结构的土壤pH最大为8.74，0.5—0.25 mm土壤团粒的pH最小为8.53。20—40 cm 土层:＜0.25 mm土壤团粒结构的土壤pH最大为8.86，0.5—0.25 mm土壤团粒的pH最小为8.61。40—60 cm 土层:3—2 mm土壤团粒结构的土壤pH最小为8.38，＜0.25 mm土壤团粒结构的土壤pH最大为8.81。60—80 cm土层:1—0.5 mm土壤团粒结构的土壤 pH最大为 8.87，0.5—0.25 mm土壤团粒的pH最小为8.77。80—100 cm土层:1—0.5 mm土壤团粒结构的土壤 pH最大为8.97，＜0.25 mm 土壤团粒结构的土壤 pH 最小为8.83。100—200 cm土层:＜0.25 mm土壤团粒结构的土壤pH最大为9.04，0.5—0.25 mm土壤团粒结构的土壤pH最小为8.98。200—300 cm土层:0.5—0.25 mm土壤团粒结构的土壤pH最小为9.12，1—0.5 mm和 ＜0.25 mm土壤团粒结构的土壤pH都最大为9.20。300—400 cm土层:0.5—0.25 mm土壤团粒结构的土壤pH最小为9.13，3—2 mm土壤团粒结构的土壤pH最大为9.22。400—500 cm土层:0.5—0.25 mm土壤团粒结构的土壤pH最低为9.11，3—2 mm和 2—1 mm土壤团粒结构的土壤pH都最大为 9.26(图4)。

2.2.2 封育15年草地各粒级土壤pH的变化特征

0—20 cm土层:3—2 mm土壤团粒结构的土壤pH最大为8.71，2—1 mm土壤团粒结构的土壤pH最小为8.55。20—40 cm 土层:2—1 mm土壤团粒结构的土壤pH最小为 8.59 ，＜0.25 mm土壤团粒结构的土壤pH最大为8.66。40—60 cm 土层:3—2 mm、2—1 mm和＜0.25 mm土壤团粒结构的土壤pH最大都为8.68，1—0.5 mm土壤团粒结构的土壤pH最小为8.63。60—80 cm土层:3—2 mm土壤团粒结构的土壤pH最大为8.77，2—1 mm、1—0.5 mm和＜0.25 mm土壤团粒结构的土壤pH都最小为8.72。80—100 cm土层:2—1 mm和 0.5—0.25 mm土壤团粒的pH最大都为 8.75 ，＜0.25 mm土壤团粒结构的土壤pH为8.64。100—200 cm土层:3—2 mm土壤团粒结构的土壤pH最大为8.70，＜0.25 mm土壤团粒结构的土壤pH最小为8.65。200—300 cm土层:2—1 mm土壤团粒结构的土壤pH最大为8.77，1—0.5 mm土壤团粒结构的土壤pH最小为8.68。300—400 cm土层:3—2 mm土壤团粒结构的土壤pH最大为8.81，2—1 mm土壤团粒结构的土壤 pH最小为8.69。400—500 cm土层:0.5—0.25 mm和1—0.5 mm土壤团粒结构的土壤pH最小都为8.84，＜0.25 mm土壤团粒结构的土壤pH最大为8.90(图5)。

图4 放牧草地不同粒级的土壤pH值Figure 4 Soil pH—value of different grain size in grazing land

2.2.3 封育30年草地土壤各粒级土壤pH的变化特征

0—20 cm土层:1—0.5 mm土壤团粒结构的土壤pH最大为8.16，0.5—0.25 mm土壤团粒的pH最小为7.82。20—40 cm 土层:0.5—0.25 mm土壤团粒的pH最大为7.97，3—2 mm土壤团粒结构的土壤pH最小为7.67。40—60 cm 土层:2—1 mm土壤团粒结构的土壤pH最大为8.32，＜0.25 mm土壤团粒结构的土壤pH最小为8.24。60—80 cm土层:1—0.5 mm土壤团粒结构的土壤pH最大为8.34，＜0.25 mm土壤团粒结构的土壤pH最小为8.26。80—100 cm土层:2—1 mm 土壤团粒结构的土壤 pH 最小为 8.23，＜0.25 mm土壤团粒结构的土壤pH最大为8.43。100—200 cm土层:0.5—0.25 mm和 ＜0.25 mm土壤团粒结构的土壤pH最大都为8.64，2—1 mm土壤团粒结构的土壤pH最小为8.52。200—300 cm土层:3—2 mm 土壤团粒结构的土壤 pH最大为 8.93，＜0.25 mm土壤团粒结构的土壤pH最低为8.86。300—400 cm土层:3—2 mm土壤团粒结构的土壤pH最大为9.02，1—0.5 mm土壤团粒结构的土壤pH最小为8.93。400—500 cm土层:3—2 mm土壤团粒结构的土壤pH最大为9.08，1—0.5 mm土壤团粒结构的土壤pH最低为8.99(图6)。

2.3 不同封育年限土壤pH值

图5 封育15年草地不同粒级的土壤pH值Figure 5 Soil pH -value of different grain size in fencing 15 years grassland

0—20 cm、20—40 cm、60—80 cm、80—100 cm、100—200 cm、200—300 cm、300—400 cm、400—500 cm，放牧草地、封育15年草地与封育30年草地之间有显著的差异性(P＜0.05)，放牧地和封育 15年草地土壤pH显著大于封育30年草地(P＜0.05)，40—60 cm封育15年草地土壤pH显著大于放牧地和封育 30年(图7)。

图6 封育30年草地不同粒级的土壤pH值Figure 6 Soil pH -value of different grain size in fencing 30 years grassland

3 讨论与分析

本研究表明在0—500 cm土壤各土层之间土壤pH有显著差异且随着土层深度的增加而逐渐增大，放牧草地土壤pH大于封育15年草地和封育30年草地，其平均值分别是8.94、8.87和8.50，家禽的粪便排泄物、践踏紧实度、动物对草地的选择性采食、草地的再生性等都影响着土壤的pH。在放牧地家畜粪尿排泄量相对多，增加了土壤中阳离子的含量，土壤pH增大。放牧地还造成植被盖度减小，导致地表水分蒸发量的加大，溶于地下水的可溶性盐类随着毛管水上升、迁移而累积于土壤表面，使土壤碱化[14]。当载畜量合适，则牧草发育正常，草层覆盖度大，土壤无侵蚀现象；载畜量过大，则草地植被退化，优良牧草减少，蒿类、毒草等将增多，土壤会因为家畜践踏过度而生成一些沟纹，会引起土壤的侵蚀现象[15]，导致pH降低，而封育则很好的起了对草地保护的作用，使得草地的破害程度降低，酸化减弱。土壤还具有明显的季节性积盐和脱盐频繁交替的特点，促进钠离子取代胶体上吸附的钙镁离子，碱性和微碱性土壤经淹水及施有机肥后，其pH往往有所下降，这与有机酸和碳酸的综合作用有关[16]，全面分析土壤pH的空间分布格局，有助于评价和分析土壤酸碱性[17]。这与王亚男[18]等人研究结果类似。

研究表明，封育措施的实施，不仅有利于黄土高原区的水土保持，同时提高了土壤养分含量[19]，并且随着封育年限的增加，土壤微生物群落也因生存环境的改变发生相应的变化[20]。本研究发现，放牧草地在40—60 cm 土层，3—2 mm土壤团粒结构的土壤pH最低为8.38，显著低于2—1 mm、1—0.5 mm、0.5—0.25 mm、＜0.25 mm。封育15年草地土壤pH各粒级差异较小，是植被恢复阶段，各粒级之间的土壤pH变化不大。封育30年草地土壤pH在0—20 cm、20—40 cm各粒级土壤pH明显减小，这可能与封育年限的增加有关，植被恢复加快，土壤肥力增加，土壤有机质含量也增加，土壤pH降低。

封育15年草地土壤pH显著大于封育30年草地(P＜0.05)，其平均值分别为 8.87和8.50。群落物种多样性指数随围封年限的增加先降低后升高[21]，由于封育年限越长，植物根系越发达，植物量越大，蒸腾拉力越强，土壤水分损耗越明显，土壤含水量相对越少[22]，土壤pH降低。植物地上部分C∶N、C∶P比随着封育年限的增加逐渐增加[23]，这可能因为封育 30年的草地由于长时间禁牧导致草地植物干枯堆积于地表，掩盖了土壤与大气的交换，氧的含量降低，进行无氧呼吸，释放大量的CO2，土壤pH降低。土壤pH逐渐降低。封育时间越久，植物生长的枯黄落叶的程度也越大，对土壤的覆盖度也越大，土壤空气与大气的通气性减弱，氧含量减少，CO2的含量增多，土壤pH降低。

4 结论

(1)放牧草地(封育 0 年)，封育 15 年草地，封育30年草地土壤 pH平均值依次逐渐减小，说明封育年限的长短影响着土壤的 pH，封育年限越长，土壤pH减小。(2)在0—500 cm，三个样地土壤pH都随着土层深度增加而逐渐变大。(3)封育30年草地在0—20 cm、20—40 cm不同粒级之间土壤pH值差异较大。