新疆是我国第三大草原省区，天然草地辽阔，地 貌的多样性和特殊的气候条件形成了以荒漠为基带 的草地垂直梯度分布模式。荒漠草地是新疆的主要草 地^[1,2,3,4]。天山北坡山地草原是牧区重要的放牧场。近年 来，由于超载过牧等不利影响，草甸草原和干草原退 化严重，生态环境日趋恶化^[5,6,7]。对退化严重的草地是 通过围栏封育将退化草地封闭一定时期，禁止放牧和 割草，给牧草得到休养生息的机会，为植物充分生长 发育创造条件。对于中度和轻度退化的草地，主要是 实行休牧和轮牧的方式来调节草地的恢复^[8]。

土壤有机碳含量及其动态平衡是反映土壤质量 和草地健康的重要指标，直接影响着土壤肥力和草 地生产力^[9]。土壤微生物对土壤条件变化非常敏感， 能在较短时间内发生大幅度变化，因而土壤微生物 量碳（Mc）的多少及变化通常作为土壤质量演变的重 要依据。Follett 等^[10]研究发现，美国内布拉斯加州西 部温带大陆性气候平原区土壤MC 随耕作强度增加 而降低。贾宇平^[11]对黄土高原小流域垂直方向SOC 分布特征研究表明，流域内SOC 总体随土层深度增 加而减少，在0~80 cm 内含量减少明显，80 cm 以下 变化不大。王琳^[12]等研究表明，贡嘎山东坡表层SOC 和全氮含量随海拔升高有上升趋势。虽然国内外对 不同土壤类型的SOC 及MC 进行了大量研究，但是 目前对草地的研究主要集中在计算有机碳库、有机 碳的转化及影响有机碳含量的因素等方面，对围栏 封育后草地有机碳的变化及微生物量碳的研究甚 少，特别是针对长期围栏草地的研究。本文选取中国 科学院新疆巴音布鲁克草原生态站有26 a 的围栏样 地作为研究对象，研究长期围栏对草地有机碳含量 及微生物量碳含量的影响，通过分析土壤有机碳含 量及微生物量碳含量，为提升草地固碳潜力和改良 退化草地提供理论依据。

巴音布鲁克草原位于新疆巴音郭楞蒙古自治州和静县西北，天山南麓，面积约2.3伊10⁴ km²。年平均气温 为-4.8 ℃，1 月最低气温可达-48 ℃，7 月最高气温为 30.5℃，年平均降水量276.2mm，年蒸发量高达1022.9~ 1 247.5 mm，年日平均温度逸10 ℃的积温为227.2 ℃， 仅为20 d，年日照为2466~2616 h，热能为1.34伊10⁵ J· cm^-2·a^-1，全年积雪日达150~180 d，无绝对无霜期，属 典型的高寒气候。该区草场类型多而面积大，发育的 草地类型有高寒草原、高寒草甸化草原、高寒草原化 草甸、高寒草甸、山地灌丛草甸和沼泽化高寒草甸。该 区高等植物有50 个科160 个属262个种。

选取中国科学院巴音布鲁克草原生态研究站已 长达26 a 的围栏封育样地作为研究对象。分别在三 种类型围栏内外典型区域设置大样地，每个样地采用 样线法，设置三个样方，为保护长期样地，在每个样地 的围栏内外分别挖一个剖面。根据土壤发生层划分土 壤层次，分层采集实验所用的土壤，装入布袋子，封口 保鲜做好标记带回实验室。同时在生物量调查的三个 样方内，采用多点打钻法采集土壤样品，采样深度根 据剖面发生层深度进行。

将每个土壤样品混匀后均分为两份，一份鲜样过 2 mm 的筛子挑去根系和石砾，保存于4 ℃的冰箱中， 用于测定微生物量碳。另一部分土样风干后分别过1 mm和0.25 mm的筛子，用于测定土壤养分。

土壤总有机碳（SOC）采用重铬酸钾外加热法测 定；碱解氮测定采用碱解扩散法；速效钾测定采用火 焰光度计法；速效磷用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法； 全氮采用开氏法；全磷采用钒钼黄比色法；全钾采用 火焰光度法；土壤微生物量碳采用氯仿熏蒸提取-TOC 法测定^[13,14]。

微生物熵=微生物量碳含量/有机碳含量

所有试验数据采用SPSS17.0 和Excel 2003 等软 件处理，用Duncan法对数据进行差异显著性分析。

表 1 研究区草地类型基本情况 Table 1 Profile of grassland types in the region of interest

表选项

巴音布鲁克草原不同类型样地围栏内外表层有 机碳含量见图 1。围栏外有机碳含量依次为高寒草甸 （165.29 g·kg^-1）>高寒草甸草原（98.73 g·kg^-1）>高寒草 原（83.54 g·kg^-1）。围栏封育后，有机碳含量依次为高 寒草甸（184.09 g·kg^-1）>高寒草甸草原（101.95 g·kg^-1） >高寒草原（85.39 g·kg^-1）。围栏内有机碳含量均比围 栏外高。高寒草甸、高寒草甸草原和高寒草原有机碳 含量分别增加11.37豫、3.26豫和2.21豫。高寒草甸、高 寒草甸草原、高寒草原表层有机碳含量存在显著差异 （P < 0.05），高寒草甸围栏内和围栏外表层有机碳含量 存在显著差异（P < 0.05），其余两种类型草地围栏内和 围栏外表层有机碳含量差异不显著。

图 1 不同草地类型围栏内外土壤表层有机碳含量 Figure 1 Organic carbon content in surface soil inside and outside of different types of grassland

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以高寒草原的剖面为例，围栏外土壤表层有机碳 含量最高（图 2），有机碳含量在8.36~83.54 g·kg^-1 之 间变化。随着土壤深度的增加有机碳含量呈降低趋 势。围栏内有机碳含量变化趋势与围栏外相同。高寒 草原围栏内有机碳含量最高为85.39 g·kg^-1，最低为 7.64 g·kg^-1。土壤深度60 cm以后有机碳含量呈现稳 定的趋势。草原上土壤的扰动较小，深度60 cm 之后 的有机碳含量可能是土壤自身演变形成的结果。

图 2 高寒草原围栏内外土壤有机碳垂直变化 Figure 2 Vertical variation of soil organic carbon inside and outside of fencing in alpine grassland

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长期围栏封育对表层微生物量碳的影响如图 3 所示。围栏外表层微生物量碳含量最高的为高寒草甸 草原（181.7 mg·kg^-1），最低的为高寒草原（43.06 mg·kg^-1）。围栏封育后，微生物量碳含量除高寒草原外均 增加。高寒草甸草原和高寒草甸微生物量碳含量分别 增长了2.89豫、12.04豫，高寒草原降低了40.36豫。围 栏封育显著提高了表层土壤有机碳的含量，而对微生 物量碳含量的影响表现不一致。三种不同类型草地表 层微生物量碳含量存在显著差异（P < 0.05），高寒草原 围栏内外微生物量碳含量差异不显著，其余两种类型 草地围栏内和围栏外微生物量碳含量存在显著差异 （P < 0.05）。

图 3 不同草地类型围栏内外土壤表层微生物量碳含量 Figure 3 Microbial carbon content in surface soil inside and outside of fencing of different types of grassland

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土壤微生物量的变化主要受环境条件、植物生 长、放牧强度、土壤深度及其它因素的综合影响^[15]。随 着土壤的深度变化，土壤质地粗细及凋落物积累和输 入不同，从而导致土壤微生物所得到的碳源不同，所 以土壤微生物量碳含量在剖面呈现出一定的差异（图 4），围栏外土壤表层的微生物量碳含量最高为43.06 mg·kg^-1，随着土壤深度的增加，微生物量碳含量逐渐 递减。围封后，土壤表层的微生物量碳含量最高为 25.68 mg·kg^-1，微生物量碳含量的变化趋势与围栏外 基本相同。

图 4 高寒草原土壤微生物量碳含量变化 Figure 4 Microbial carbon content variation in soil of alpine grassland

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如图 5 所示，围栏外，微生物熵随着土壤深度的 增加呈现下降趋势，55~60 cm以后下降比较明显。围 栏内的变化趋势与围栏外基本相同，48~59 cm以后下 降明显。围栏内和围栏外土壤表层的微生物熵最高。

图 5 高寒草原微生物熵变化 Figure 5 Variation of Cmic/Corg in alpine grassland

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根据土壤样品分析值，得到微生物量碳含量与土 壤有机碳含量、土壤速效钾含量、土壤速效氮含量的 相关关系矩阵（表 2）。微生物量碳含量与土壤速效钾、全磷含量达到极显著负相关（P < 0.01），与速效磷 达到极显著正相关（P < 0.01），与土壤有机碳、全氮、全 钾含量呈显著正相关（P < 0.05）与土壤速效氮含量正 相关，但不显著。

表 2 高寒草原微生物量碳与土壤养分含量的相关关系矩阵 Table 2 Correlation matrix of microbial carbon and soil nutrient content in alpine grassland

表选项

三种类型草地土壤表层有机碳含量为高寒草甸> 高寒草甸草原>高寒草原，随着海拔的不断升高，土壤 有机碳含量呈逐渐增大的趋势，这与前人^[16,17]的研究 一致。围封后，围栏内有机碳含量高于围栏外，主要因 为受动物啃食践踏的频率比较少，碳源的积累和输入 比较多，分解生成的有机碳多，由此可见，围栏封育可 以提高有机碳的含量。围栏封育后，表层微生物量碳 含量依次为高寒草甸草原>高寒草甸>高寒草原，与 有机碳含量变化趋势不同。微生物量碳含量除高寒 草原外，高寒草甸草原和高寒草甸微生物量碳含量 均有所增加，围栏封育显著提高了表层土壤有机碳 的含量，而对微生物量碳含量的影响表现不一致，可 能是由于自然和人为因素共同造成的，还需要进一 步研究。

微生物量碳与土壤有机碳含量在土壤剖面上均 随着深度的增加而降低。主要因为草本植物的地上部 分生长量大，为土壤微生物提供了大量凋落物，而且 草本植物的根系发达，密集于表层，根系分泌物和衰 亡的根，在分解后产生较多的有机碳^[18]，而随着土壤 深度的增加，凋落物积累变少，土壤中可分解成有机 碳的物质变少，因而有机碳的含量降低。表层能源物 质及良好的生存环境，为微生物提供利用的碳源多， 因此分解产生的微生物量碳多。随着深度的增加，碳 的来源少，微生物数量少，所以微生物量碳就少。因 此，土壤有机碳含量和微生物量碳含量可同时作为衡 量土壤肥力和土壤质量变化的重要指标^[3]。

围栏封育对有机碳含量、微生物量碳含量及养分 均有影响。围栏内受动物啃食践踏的频率比较少，碳 源的积累和输入比较多，分解生成的有机碳多，因而 有机碳含量较高。由此可见，围栏封育可以提高有机 碳的含量，增加土壤肥力。随着深度的增加围栏内微 生物量碳含量的变化比较平缓，因为围栏时间很长， 土壤受外界的扰动小，所以围栏内微生物量碳的变化 是在没有外界动物干扰的条件下形成的。微生物熵受 土壤微生物量碳与土壤有机碳含量的影响，对于土壤 质量的变化具有重要的指示意义。本研究中围栏内微 生物熵的变化比围栏外平缓，围栏封育后受外界条件 的干扰较小，而且围封的时间很长，所以微生物熵的 变化没有围栏外的剧烈。刘忠宽等^[19]研究认为由于封 育后，维持土壤养分或植被空间格局的匀质化条件 消失，造成土壤养分的空间异质性呈不同程度的增 大趋势。王思成等^[20]对半干旱黄土丘陵区不同植被恢 复方式下土壤理化性质的研究认为，封禁自然恢复 可以提高土壤有机质、碱解氮和速效钾的含量^[21]。而 在本研究中，微生物量碳、土壤有机碳及土壤养分等 的含量在围栏封育后均有不同程度的增加，说明围封对土壤肥力有一定改善。巴音布鲁克草原围栏样地经 过长时间的围栏封育后，土壤有机碳含量及微生物量 碳含量有所变化，同时地上和地下生物量、群落盖度 的增加，引起草地生态系统发生变化，促进了土壤有 机质的形成，改善了土壤肥力，增加了土壤有机碳的 截存，引起草地的初级生产力的提高，进而使生态系 统呈现良性循环^[22]。

（1）围封后三种类型草地有机碳含量依次为高寒 草甸>高寒草甸草原>高寒草原；微生物量碳含量依次 为高寒草甸草原>高寒草甸>高寒草原。

（2）围栏封育后，表层土壤有机碳含量均增加，三 种类型草地表层有机碳、微生物量碳含量，随着土壤 深度的增加，呈降低趋势。

（3）微生物量碳含量与土壤速效钾、全磷含量达 到极显著负相关（P < 0.01），与速效磷达到极显著正相 关（P < 0.01），与土壤有机碳、全氮、全钾含量呈显著正 相关（P < 0.05）与土壤速效氮含量正相关，但不显著。