小飞蓬入侵对伊犁河谷草原土壤有机碳的影响

杜 田，崔 东，4，张雨露，沙吾丽，刘海军，闫俊杰，陈 晨

(1.伊犁师范大学，新疆维吾尔自治区普通高校天然产物化学与应用重点实验室，新疆伊宁835000;2.伊犁师范大学生物与地理科学学院，新疆伊宁835000;3.伊犁师范大学资源与生态研究所，新疆伊宁835000;4.中国科学院新疆生态与地理研究所，荒漠与绿洲生态国家重点实验室，新疆乌鲁木齐830011)

有机碳在土壤中的含量变化可以用来衡量土壤特性的变化。由于植物的入侵，使得植物的不同组成结构和群落对土壤造成的影响也不同，从而改变了土壤的理化性质。国内外针对植物入侵与土壤性质方面的影响开展过多项研究，如针对目前祁连山北坡遭受甘肃臭草(Melicaprzewalskyi)入侵的退化草地，由于甘肃臭草的入侵使得土壤特征发生变化［1］;加拿大一枝黄花(Solidagocanadenis)入侵杭州湾湿地从而提高了土壤pH值及土壤有机碳含量［2］;互花米草(Spartinaalterniflora)入侵闽江河口湿地导致互花米草生物量增加及土壤有机碳及养分发生变化［3］;紫茎泽兰(Eupatorium adenophoru)通过入侵改变土壤的微生物群落，加速了养分循环，使得紫茎泽兰吸收更多的养分，加速其扩张竞争［4］。Kourtev、Zaman 等［5-7］比较了入侵美国新泽西州的外来植物日本小檗(BerberisthunbergiiDC.)和柔枝莠竹(Microstegiumvimineum(Trin.)A.Camus)对土壤功能、微生物群落结构的影响，发现两种外来植物入侵后通过土壤酶和微生物群落对呼吸作用强度起到一定的作用。外来植物频繁的入侵能够最大程度破坏农林自然生态系统，这个问题已经受到广泛关注。我国是世界上受外来植物入侵影响最大的国家之一。中国每年的外来物种数量多，种类广，在生态平衡和生物多样性方面遭受了巨大的损失［8］。而目前关于干旱区植物入侵对土壤性质影响方面的研究较少。

小飞蓬(Conyzacanadensis)为菊科植物小白酒草的全草或鲜叶，为越年生或一年生草本植物。2014年8月，小飞蓬被列入《中国外来入侵物种名单(第三批)》［9］中，原产于北美洲，在世界各地广泛分布，在我国广泛分布于湖南(24°38＇N～30°08＇N)至黑龙江(43°26＇N～53°33＇N)［10］。该植物可以产生大量瘦果，这种果子有一种叫做介冠毛的物质，在风中可以迅速被吹散以覆盖的形式蔓延在植物上，对农作物有着极大危险，为一种常见的野草，通过分泌化感物质抑制邻近的其他植物生长［11-12］。

目前，伊犁河谷已经成为小飞蓬入侵较严重的地区之一，但关于其入侵对伊犁河谷草原土壤生态环境的影响目前尚未见报道。因此本研究以小飞蓬自然入侵条件下的伊犁河谷为研究区域，对入侵区域的土壤有机碳及活性组分质量分数的垂直分布状况及其影响因子进行探讨，以期能够解析小飞蓬入侵的土壤生态学机制，为干旱半干旱区草原生态环境的保护提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于新疆伊犁托乎拉苏大草原，平均海拔 2 300 m，地理坐标为 81°13＇40″～ 82°42＇20″E，43°35＇10″～44°29＇30″N 之间，年均降水量 340 mm，年均蒸发量为1 621 mm，极端最高气温38.7℃、极端最低气温-40.4℃、年平均气温9.2℃，平均日照时数为2 900 h左右，无霜期163 d。土壤随海拔的升高，由低向高依次分布着灰钙土、栗钙土、黑钙土、灰褐色森林土、亚高山草甸土、高山草甸土［13］。

1.2 样品采集与处理

本研究采用野外样地实验的方法，在2017年8月对小飞蓬入侵较为严重的托乎拉苏大草原进行采样。选取小飞蓬轻度、中度、重度三种入侵区域和猪毛蒿生长的样地各3个，每个样地设置为1 m×1 m样方，共12块。在每块样地内，采集3个土壤剖面，每隔20 cm采集1个土壤样品，采样深度为60 cm，按自上而下对土壤取样，采集的样品装入自封袋中，共采集108袋土壤样品，同时记录采样点位置及海拔。土样带回实验室，置于通风、阴凉、干燥处风干，过筛备用。土样基本理化性质见表1所示［14］。

1.3 样品分析与数据处理

土壤有机碳(SOC)采用重铬酸钾—外加热法测定;土壤容重采用环刀法进行测定［15］;土壤水分采用烘干法［15］。

运用Excel 2016软件进行数据处理和分析，利用SPSS 13.0进行统计检验。

表1 样地基本理化性质Table 1 Basic physical and chemical properties of plot plots

2 结果与分析

2.1 小飞蓬不同入侵程度下土壤有机碳的水平分布特征

小飞蓬轻度、中度、重度入侵的植物群落和猪毛蒿0～60 cm土层深度的SOC平均值分别为9.56、11.31、16.70 g·kg-1和 8.23 g·kg-1。在相同土层中SOC含量大小均为:小飞蓬重度入侵＞小飞蓬中度入侵＞小飞蓬轻度入侵＞猪毛蒿(见图1)。在0～20 cm土层中，与对照组猪毛蒿相比，小飞蓬轻度、中度和重度入侵的土壤有机碳含量分别增长了14.78%、30.43%和76.52%。在20～40 cm土层中，与对照组猪毛蒿相比，小飞蓬轻度入侵的土壤有机碳含量增幅最少，小飞蓬重度入侵的土壤有机碳含量增幅最多，分别为25.49%和81.35%。在40～60 cm土层中，小飞蓬轻度、中度入侵和重度入侵的土壤有机碳含量增幅变化不明显。在由图1可知，任一群落类型相同土层中，SOC含量均呈现随着土层深度的增加而减小的趋势，且随小飞蓬入侵程度的加深，SOC含量呈现上升的趋势。

图1 小飞蓬不同入侵程度下土壤有机碳(SOC)含量Fig.1 SOCcontent under different degrees of invasion of Conyzacanadensis

小飞蓬轻度入侵变化与小飞蓬中度入侵及猪毛蒿入侵在土壤中SOC变化仅存在很小差异，小飞蓬重度入侵与小飞蓬其他程度入侵呈现明显差异(P＜0.05)，在表层与中度土层中与其他入侵程度相比，SOC变化幅度较大。在深度土层中随着入侵程度的加深，土壤 SOC含量增幅变化不明显，含量较低。

2.2 小飞蓬不同入侵程度下土壤有机碳的垂直分布特征

由图2可见，小飞蓬轻度、中度、重度入侵阶段和猪毛蒿0～60 cm土层深度的SOC分别在5.72～13.2、7.74～15.0、13.3～20.3 g·kg-1和 5.06～11.5 g·kg-1，小飞蓬轻度、中度和重度入侵阶段的SOC最大值出现在0～20 cm土层，而对照组猪毛蒿的最大值也出现在0～20 cm土层;小飞蓬轻度入侵、中度入侵和重度入侵SOC剖面垂直分布都表现出持续降低的趋势，对照组猪毛蒿也表现出了SOC的持续降低趋势，随着土层深度的增加，表现出了显著的差异性(P＜0.05)。对照组猪毛蒿0～20 cm土层SOC含量比20～40 cm土层降低40.24%，20～40 cm土层SOC含量比40～60 cm土层降低70.83%。与猪毛蒿相比，在0～20 cm土层和20～40 cm土层，小飞蓬轻度、中度和重度入侵土壤有机碳含量减幅分别为5.55%、6.63%和17.21%，呈现随着土层深度的增加土壤有机碳含量下降的趋势。20～40 cm土层和40～60 cm土层对比，小飞蓬轻度、中度和重度入侵土壤有机碳含量相较于猪毛蒿土壤有机碳质量分别减少 3.87、4.15 g·kg-1和 4.32 g·kg-1，这说明与猪毛蒿群落相比，小飞蓬在20～40 cm土层深度SOC变化幅度较大，但在40～60 cm土层变化不明显。

由有机碳含量变化幅度可知小飞蓬入侵对表层土壤有机碳的影响最为剧烈。随着土层深度加深，土壤有机碳含量变化幅度逐渐减小，小飞蓬入侵对深层土壤有机碳的影响较小。

2.3 土壤有机碳含量与土壤容重以及土壤含水量之间的关系

小飞蓬入侵伊犁河谷草原不仅造成了0～60 cm土层SOC含量的剧烈变化，而且也对土壤容重与土壤含水量产生了影响(见图3和图4)。

由图3可知，土壤容重在同一土层深度的大小为:猪毛蒿＞小飞蓬轻度入侵＞小飞蓬中度入侵＞小飞蓬重度入侵。由图4可知，土壤含水量在同一土层深度的大小为:猪毛蒿＞小飞蓬轻度入侵＞小飞蓬中度入侵＞小飞蓬重度入侵。由图3和图4可以看出，4个不同群落类型的土壤容重和土壤含水量均随着土层深度的增加而降低。对伊犁河谷草原4个群落3个土层的土壤容重、土壤含水量和SOC进行相关性分析(见表2)。结果表明:伊犁河谷草原的土壤含水量与土壤容重存在极显著的正相关性(P＜0.01)，SOC和土壤容重、土壤含水量存在极显著的负相关性(P＜0.01)。

图2 小飞蓬不同入侵程度下有机碳的垂直分布Fig.2 Vertical distribution of SOCunder different degrees of invasion of Conyzacanadensis

3 讨 论

3.1 小飞蓬不同入侵程度下有机碳水平分布差异

随着小飞蓬入侵程度的加深，有机碳(SOC)含量呈现增加的趋势。在相同土层深度中:小飞蓬重度入侵＞小飞蓬中度入侵＞小飞蓬轻度入侵＞猪毛蒿。

图3 小飞蓬不同入侵程度下的土壤容重Fig.3 Soil bulk density under different degrees of invasion of Conyzacanadensis

图4 小飞蓬不同入侵程度下的土壤含水量Fig.4 Soil moisture content under different degrees of invasion of Conyzacanadensis

表2 土壤含水量、土壤容重及SOC含量的相关性分析Table 2 Soil moisture content，soil bulk density and SOC correlation analysis

这是因为小飞蓬重度入侵的地下根茎及植被明显多于小飞蓬中度入侵和小飞蓬轻度入侵，而重度入侵小飞蓬植物根系较发达，大量的死根腐烂分解增加了SOC的含量，因此小飞蓬重度入侵的SOC含量明显高于小飞蓬中度入侵和小飞蓬轻度入侵。研究表明，外来入侵的植物会引起入侵地土壤养分的增加，从而引起土壤有机碳的增加［16］，如加拿大一枝黄花的入侵增加杭州湾湿地土壤有机碳的含量［2］，入侵的紫茎泽兰显著提高了土壤有机碳含量［17］。小飞蓬轻度入侵与对照组猪毛蒿比较，猪毛蒿主根单一，几乎无植被覆盖，由于SOC主要来自水中的营养物质和生物的残体，从而致使猪毛蒿对土壤有机碳的滞留能力差，因此轻度入侵小飞蓬的SOC含量高于猪毛蒿。

3.2 小飞蓬不同入侵程度下有机碳垂直分布差异

土壤有机碳在剖面上的垂直分布大都表现为随着土壤深度的增加而减少［18］，本文所研究的小飞蓬不同入侵阶段土壤有机碳在垂直分布上也表现为随着土壤深度的增加而减少。

轻度入侵小飞蓬、中度入侵小飞蓬、重度入侵小飞蓬和猪毛蒿这4个群落类型的SOC含量在0～20 cm达到最大。这是由于土壤中的有机碳主要由地表枯落物提供，当植物完成自己的生命周期后，枯落物聚集于地表，经腐烂分解为有机质，进而进入到土壤中，逐渐向下传递［19］。因此，表层土壤有机质含量最高，中层20～40 cm和深层40～60 cm的有机碳含量低于表层，且越往深处含量越低。随着小飞蓬入侵程度及土层深度的增加根系分布减少，有机质明显减少，并呈现下降趋势。Kochy［20］等对土壤有机质分布情况进行研究，结果发现表层土壤有机质最先被补给，此时局部微环境发生变化，微生物则会推动有机质向下转化，逐渐向深处扩散，但含量呈现明显降低趋势。

土壤中的有机碳主要来源于植物，植被类型是主要的影响因素，同时也存在其他因素的作用。梁启鹏等［21］曾就这一问题进行研究，所获得的结论与本研究一致。

3.3 小飞蓬不同入侵程度下土壤容重与土壤含水量的变化

根据图2和图3所示情况来看，土壤容重和土壤水分均随着土层深度的增加呈现下降趋势。此外，植物的凋落物和残留体在土壤转化中形成腐殖质［22］，一般腐殖质多的表层土壤容重较小。在进行采样时发现小飞蓬的根系分布相对较浅，主要集中于地表附近，深处根系不发达，呈现逐渐减少趋势，那么对土壤的作用也会发生变化［23］。由于存在上述特点，就使得植物对土壤的作用主要集中在浅层土壤，可以改善局部孔隙状况。土层深浅与土壤的通气状况密切相关，浅层通气状况较好，这也为微生物生长提供了条件，对其分解作用起到了促进，因此近地表处的土壤有机化增加［24］。试验表明土壤容重随着土层深度的增加呈现减小的趋势，这可能与小飞蓬入侵前猪毛蒿的根系分布较深，导致小飞蓬入侵后表层腐殖质较少，土壤容重大;深层腐殖质较多，土壤容重小。这种变化对土壤孔隙度［25］产生影响，土层越深孔隙度则越小，水分不容易下渗，这与表层土壤疏松吸水性强，表层的植物根茎较多，根茎需要吸收大量的水分以维持植物自身的生长有关［26］，而深层土壤比较紧实吸水性差，植物根茎不能大量储存水分。此外由于其他因素的影响，导致水分丢失，下层难以得到补充［27］。

4 结 论

4种不同群落SOC含量在水平分布上，随着小飞蓬入侵程度的深入在相同土层深度中SOC的含量大小为:小飞蓬重度入侵＞小飞蓬中度入侵＞小飞蓬轻度入侵＞猪毛蒿样地;在垂直分布上，土壤有机碳在剖面上的垂直分布大都表现为随着土壤深度的增加而减少，尤其是在0～20 cm土层SOC含量变化最大，在40～60 cm土层变化不明显。经差异显著性检验，小飞蓬轻度、小飞蓬中度、小飞蓬重度和猪毛蒿这4个不同的入侵阶段在垂直分布上都具有显著性差异(P＜0.05)。

本研究的土壤容重在同一土层深度的大小为:猪毛蒿样地＞小飞蓬轻度入侵＞小飞蓬中度入侵＞小飞蓬重度入侵，而土壤含水量变化规律亦是如此。土壤容重和土壤含水量在0～20、20～40、40～60 cm 土层的大小均为:猪毛蒿样地＞小飞蓬轻度入侵＞小飞蓬中度入侵＞小飞蓬重度入侵。随着土层深度的增加，土壤容重和土壤含水量均随着SOC含量的增加而呈现降低的趋势。

土壤含水量与土壤容重存在极显著的正相关性(P＜0.01)，SOC含量和土壤容重存在极显著的负相关性(P＜0.01)，SOC含量与土壤含水量存在极显著的负相关性(P＜0.01)。