不同退化程度草原土壤有機(jī)質(zhì)對水、氮資源梯度的響應(yīng)

孫 麗，鮑雅靜，胥 健

(興安盟草原工作站，內(nèi)蒙古 烏蘭浩特市 137400)

不同退化程度草原土壤有機(jī)質(zhì)對水、氮資源梯度的響應(yīng)

孫 麗，鮑雅靜，胥 健

(興安盟草原工作站，內(nèi)蒙古 烏蘭浩特市 137400)

本文主要研究典型草原區(qū)兩種不同退化程度草原，即輕度退化草原和重度退化草原對水、氮這兩種資源的響應(yīng)規(guī)律，意圖找出這兩種主要的生態(tài)因子作用于不同退化程度草原時(shí)的最適值，為典型草原區(qū)退化等研究方向提供相關(guān)依據(jù)。

土壤有機(jī)質(zhì)；水分梯度；氮素梯度

作為土壤重要組成部分和代表一個(gè)主要碳庫的土壤有機(jī)質(zhì)在生態(tài)系統(tǒng)中扮演了一個(gè)十分重要的角色，它是植物的養(yǎng)分來源和土壤微生物生命活動(dòng)的能量來源〔1〕。土壤有機(jī)質(zhì)是植物所需多種營養(yǎng)元素(如氮、磷)的主要來源。土壤有機(jī)質(zhì)既影響植被的生長發(fā)育,其含量大小又對其他營養(yǎng)元素也產(chǎn)生一定的影響,相應(yīng)地影響到植物地上生物量〔2〕。而植物地上生物量的多少又直接反映土地的生產(chǎn)能力,所以土壤有機(jī)質(zhì)含量及其動(dòng)態(tài)平衡是反映土壤質(zhì)量和草地健康的重要指標(biāo),直接影響著草地生產(chǎn)力〔3〕。通過比較和總結(jié)土壤有機(jī)質(zhì)研究歷程，我們可以看到隨著社會(huì)的發(fā)展、自然環(huán)境的演變以及人類自身需求的轉(zhuǎn)變，土壤有機(jī)質(zhì)的作用和重要性不再局限于對土壤肥力的影響，研究目的也不再僅僅為提高肥力，增產(chǎn)增收服務(wù)。近幾十年來，全球氣候變化、生態(tài)環(huán)境惡化等問題愈加嚴(yán)重，許多生態(tài)系統(tǒng)遭受到嚴(yán)重的迫害，改善與恢復(fù)已逐漸成為未來的主題，土壤有機(jī)質(zhì)不僅對土壤的各種物理、化學(xué)、生態(tài)性狀和土壤肥力具有決定性作用和深刻影響，而且土壤有機(jī)C庫的變化與全球氣候變化密切相關(guān)，在這種情況下，人們不再對通過增加土壤有機(jī)質(zhì)而改善土壤肥力感到滿意，土壤有機(jī)質(zhì)研究已被看成是一個(gè)能夠大范圍緩解大氣CO2濃度上升的沉積庫，將進(jìn)一步與大氣圈、生物圈聯(lián)系起來，并在以后的生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)等方面發(fā)揮巨大作用。

1 試驗(yàn)區(qū)自然概況和研究方法

1.1 自然概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于內(nèi)蒙古錫林郭勒盟錫林河流域中游白音錫勒地區(qū)，屬于內(nèi)蒙草原帶的典型草原地帶。試驗(yàn)區(qū)氣候?qū)儆跍貛О敫珊挡菰瓪夂?陳佐忠等，2000)，白音錫勒牧場和中國科學(xué)院內(nèi)蒙古草原生態(tài)系統(tǒng)定位站 30 多年的氣象記錄表明，該區(qū)年降水量在 345 mm 左右，主要集中在6-8月。試驗(yàn)區(qū)地理坐標(biāo)為北緯 43°31′— 43°33′、東經(jīng) 116°39′— 116°43′。該區(qū)的草原不僅在中國溫帶草原區(qū)具有較強(qiáng)的典型性，而且對整個(gè)歐亞大陸草原區(qū)來講也有明顯的代表性。試驗(yàn)區(qū)內(nèi)最主要的土壤為暗栗鈣土。

羊草草原是本地區(qū)分布最廣的草原類型，群落內(nèi)的植物種類組成比較豐富，主要有羊草、大針茅、叢生禾草和一些雜類草等。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 試驗(yàn)樣地選取及編號

本研究選擇的試驗(yàn)樣地位于中國科學(xué)院內(nèi)蒙古草原生態(tài)系統(tǒng)定位研究站研究區(qū)樣地附近，試驗(yàn)樣地設(shè)置如下：

(1)重度退化樣地：當(dāng)?shù)啬撩耖L期自由放牧樣地，已發(fā)生嚴(yán)重退化，試驗(yàn)第一年圍封作為試驗(yàn)樣地，文中簡稱為：YT樣地。

在YT樣地里選取一塊約為14*22m2的區(qū)域，由東至西設(shè)置4列3*4 m2的樣方，共5排。標(biāo)號1-20，該區(qū)域用標(biāo)號在文中簡稱：YT-N。

在YT樣地里選取另一塊地貌與YT-N類似的區(qū)域，挖取25*38*30cm3原狀土20份，用防水塑料膜包裹放于固定容器內(nèi)，移至它處進(jìn)行試驗(yàn)。該區(qū)域取出的20份原狀土分別編號為1-20，該試驗(yàn)樣地在文中簡稱為：YT-H。

(2)輕度退化樣地：該樣地選在距離YT樣地約1000米處的當(dāng)?shù)啬撩翊虿輬?，每年秋季打草一次，屬于輕度退化草原，于試驗(yàn)第一年年初圍封作為試驗(yàn)樣地，在本文中簡稱：YY樣地。

在YY樣地里選取一塊約為14*22 m2的區(qū)域，由南至北設(shè)置4列3*4 m2的樣方，共5排。標(biāo)號1-20，該區(qū)域用標(biāo)號在文中簡稱：YY-N。

在YY樣地里選取另一塊與YY-N類似的區(qū)域，挖取25*38*30 cm3原狀土20份，用防水塑料膜包裹放于固定容器內(nèi)，移至它處進(jìn)行試驗(yàn)。該區(qū)域取出的20份原狀土分別編號為1-20，該試驗(yàn)樣地在文中簡稱為：YY-H

1.2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

YT-N樣地與YY-N樣地進(jìn)行的是氮素添加梯度的試驗(yàn)。試驗(yàn)施用氮肥，設(shè)計(jì)了四個(gè)處理，分別為0g/m2, 30g/m2, 50g/m2, 80g/m2，模擬從低氮到高氮生境，每個(gè)處理有5個(gè)重復(fù)。在1-20號樣方內(nèi)采取隨機(jī)區(qū)組的方式隨機(jī)決定每個(gè)樣方施用氮肥的量。

YT-H樣地和YY-H樣地進(jìn)行的是水分梯度試驗(yàn)。根據(jù)當(dāng)?shù)厣L季4-10月降雨量數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算設(shè)計(jì)了四個(gè)梯度，分別為0.5L/5d，1.0L/5d，1.5L/5d，2.0L/5d。其中0.5L/5d模擬的是最旱年的生長季降雨量150mm，1.5L/5d模仿的是生長季降雨量豐富的年份,為450mm。同樣，每個(gè)處理有5個(gè)重復(fù)。各個(gè)樣方已經(jīng)經(jīng)過隔水處理，沒有側(cè)滲等因素干擾，下雨時(shí)用透明防水塑料膜將整塊樣地蓋上，雨停后揭開塑料膜，以達(dá)到與自然環(huán)境相一致的光照等狀況。

1.3數(shù)據(jù)測定

本次試驗(yàn)土壤有機(jī)質(zhì)的測定采用的是重鉻酸鉀氧化法

1.4數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Excel軟件整理后，采用SPSS13.0進(jìn)行了單因素方差分析(ANOVE)，相關(guān)性分析(Correlations)

2 兩類草原土壤有機(jī)質(zhì)狀況及分析

表1 兩類草原本底調(diào)查數(shù)據(jù)

從表1可以看出，輕度退化草原的土壤養(yǎng)分狀況較重度退化草原要好，對植物的生長更為有利，這一點(diǎn)在其地上與地下生物量這兩個(gè)指標(biāo)上被充分反映。本文主要是針對兩類草原在不同水分梯度與氮素添加條件下響應(yīng)的規(guī)律加以研究，所以在此說明，在自然條件下輕度退化草原土壤中的有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量幾其含水量均高于重度退化草原。

3對水分資源的響應(yīng)

3.1輕度退化草原

圖1 試驗(yàn)第三年輕度退化草原土壤有機(jī)質(zhì)數(shù)據(jù)結(jié)果

對比可知，試驗(yàn)第三年各層土壤有機(jī)質(zhì)含量皆低于本底調(diào)查值，在此基礎(chǔ)上經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析可知，輕度退化草原土壤有機(jī)質(zhì)含量的變化趨勢在各土層呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律：土壤有機(jī)質(zhì)含量在表層(0-10cm)隨著水分梯度的增加表現(xiàn)為明顯的上升趨勢，在第二層(10-20cm)，則呈隨水分梯度先增加后降低的趨勢，在450ml處時(shí)達(dá)到最大值，且與本底值相差不大，而第三層隨水分梯度幾乎沒有變化。

3.2重度退化草原

圖2 試驗(yàn)第三年重度退化草原土壤有機(jī)質(zhì)數(shù)據(jù)結(jié)果

對比可知，試驗(yàn)第三年各層土壤有機(jī)質(zhì)含量皆略高于本底調(diào)查值，在此前提下，圖2表明，重度退化草原土壤有機(jī)質(zhì)含量在0-10cm、10-20cm及20-30cm這三個(gè)土層間的變化規(guī)律大體一致，都是先隨著水分梯度的增加而增加，在450ml處時(shí)達(dá)到最大值，而后有所下降，其中在10-20cm這一土層變化的較為明顯，在統(tǒng)計(jì)學(xué)上表現(xiàn)為顯著差異。

3.3兩類草原間的比較

經(jīng)比較，兩類草原土壤有機(jī)質(zhì)含量的變化規(guī)律具有一定相似性與差異性：相同點(diǎn)是都在一定程度上隨著水分的增加而增加，第三層響應(yīng)程度不顯著；不同點(diǎn)是輕度退化草原土壤表層有機(jī)質(zhì)含量一直隨著水分的增加而增加，而重度退化草原在450ml達(dá)到峰值而后有所下降。

4 對養(yǎng)分資源的響應(yīng)

4.1 輕度退化草原

圖3 試驗(yàn)第二年輕度退化草原土壤有機(jī)質(zhì)對氮素梯度的響應(yīng)

圖4 試驗(yàn)第三年輕度退化草原土壤有機(jī)質(zhì)對氮素梯度的響應(yīng)

從以上圖中可以看出，試驗(yàn)第二年與第三年試驗(yàn)結(jié)果在大體規(guī)律上表現(xiàn)一致，但也存在一定的差異，從均值角度來看，輕度退化草原土壤有機(jī)質(zhì)含量在這連續(xù)兩年內(nèi)都呈隨氮素的添加先增加而后減少的趨勢，在施氮量為30g/m2時(shí)為最大值，不過從統(tǒng)計(jì)學(xué)上來講，這一點(diǎn)在2009年時(shí)的0-10cm、10-20cm這兩個(gè)土層表現(xiàn)得最為明顯，其余皆表現(xiàn)為無顯著差異。

4.2重度退化草原

圖5 試驗(yàn)第二年重度退化草原土壤有機(jī)質(zhì)對氮素梯度的響應(yīng)

圖6 試驗(yàn)第三年重度退化草原土壤有機(jī)質(zhì)對氮素梯度的響應(yīng)

由圖可以看出，試驗(yàn)第二年重度退化草原各個(gè)土層的有機(jī)質(zhì)含量在不同氮素梯度下均無顯著差異，不過就均值角度來講，0-10cm、10-20cm兩個(gè)土層表現(xiàn)為30g時(shí)最高，20-30cm這一土層則表現(xiàn)為有機(jī)質(zhì)含量隨著氮素梯度的增加而增加的趨勢；試驗(yàn)第三年0-10cm、10-20cm兩個(gè)土層有機(jī)質(zhì)含量在不同氮素梯度下均無顯著差異，但仍為30g時(shí)最高，20-30cm這一土層表現(xiàn)為有機(jī)質(zhì)含量隨著氮素梯度的增加而增加的趨勢。

4.3兩類草原間的比較

輕度退化草原與重度退化草原的土壤有機(jī)質(zhì)含量在對氮素梯度的響應(yīng)上規(guī)律大致相同，都表現(xiàn)為在施氮量為30g/m2時(shí)達(dá)到最高。

5 討論與結(jié)論

5.1 表層(0-10cm)土壤有機(jī)質(zhì)的來源大多依靠與植物地上部分和這一層植物根系的分解，第二層(10-20cm)與第三層(20-30cm)土壤有機(jī)質(zhì)主要來源于本層自身的根系分解以及淋溶所得，所以對于文中不同退化草原各個(gè)土層土壤有機(jī)質(zhì)含量的變化規(guī)律可能是因?yàn)椋狠p度退化草原植物地上部分的生長狀況直接受到水分梯度的影響，表現(xiàn)出隨著水體度的增加而增加的趨勢，且在本次試驗(yàn)所設(shè)水分梯度上未達(dá)到植物所需水量上限，在地下10-20cm這土層間的根量在水分梯度為1.5L/5d時(shí)為最大量，在第三層植物根系分布相對較少，所以在水分梯度上的變化不大；重度退化草原物地上部分的生長狀況受到水分梯度的影響并不是十分強(qiáng)烈，且在水分梯度為1.5L/5d時(shí)為最大量，在這之后又有所下降可能是因?yàn)樗植辉偈怯绊懼参锷L的限制因子，在地下10-20cm這土層間的根量在水分梯度為1.5L/5d時(shí)為最大量，且表現(xiàn)相對顯著，也就是說水分對該土層植物根系的影響最為明顯，第三層同輕度退化草原一樣因?yàn)楦捣植枷鄬^少，所以在水分梯度上的變化不大，不過仍然表現(xiàn)為在水分梯度為1.5L/5d時(shí)為最大量這一規(guī)律。

5.2 氮素是葉綠素的組成成分，葉綠素a和葉綠素β都是含氮化合物。綠色植物進(jìn)行光合作用，使光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能，把無機(jī)物(二氧化碳和水)轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C(jī)物(葡萄糖)是借助于葉綠素的作用。當(dāng)?shù)爻渥銜r(shí)，植物可合成較多的蛋白質(zhì)，促進(jìn)細(xì)胞的分裂和增長，因此植物葉面積增長快，能有更多的葉面積用來進(jìn)行光合作用，所以氮素是植物生長的重要影響因素。之前說到土壤有機(jī)質(zhì)含量的多少其實(shí)是受到植物地上與地下的生長狀況所決定的，所以土壤有機(jī)質(zhì)越高也就意味著該梯度水平下的植物生長狀況越好，而輕度退化草原與重度退化草原的土壤有機(jī)質(zhì)含量皆表現(xiàn)出在施氮量為30g/m2時(shí)為最大值，就是表明施氮量為30g/m2是四種氮素梯度中草原植物生長所需氮素含量的最適值。

5.3 經(jīng)對比可知，兩種不同退化草原對水分資源的響應(yīng)受其自身的植被類型以及土壤狀況所影響，兩類草原間的差異在一定程度上影響著土壤有機(jī)質(zhì)對水分梯度的響應(yīng)規(guī)律，輕度退化草原植物生長對水分的需求量要高于重度退化草原；而在氮素資源方面兩類草原對其響應(yīng)規(guī)律則是大致相同，兩類草原間的差異影響并不大。

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S812.2

A

2095—5952(2014)03—0057—04

2014—04—22

孫 麗(1984— )，女，內(nèi)蒙古興安盟人，從事草原保護(hù)與建設(shè)工作。