退化草原土壤有機(jī)質(zhì)對氮素添加梯度的響應(yīng)

周麗娜，鮑雅靜，李政海，張 靖，孫 振

(1.大連民族學(xué)院 環(huán)境與資源學(xué)院，遼寧大連116605;2.內(nèi)蒙古大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，呼和浩特010021)

內(nèi)蒙古典型草原具有分布范圍廣及面積大的特點(diǎn)，是構(gòu)成內(nèi)蒙古草地的主體，是中國重要的畜牧業(yè)生產(chǎn)基地，也是中國北方最重要的生態(tài)防線。近年來，由于氣候變化和對草地資源不合理的開發(fā)利用，草原退化嚴(yán)重，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能受損，碳、氮正常循環(huán)受到影響［1］，加之地上植物連年的利用，土壤養(yǎng)分消耗嚴(yán)重，植被生長受到限制，導(dǎo)致草地生產(chǎn)力下降，嚴(yán)重阻礙了草地資源可持續(xù)發(fā)展。

土壤有機(jī)質(zhì)作為土壤重要的組成成分，是土壤養(yǎng)分的主要來源，其含量高低影響著土壤肥力水平。在草地生態(tài)系統(tǒng)中，植物凋落物及根系是土壤有機(jī)質(zhì)的主要來源，而土壤有機(jī)質(zhì)經(jīng)過微生物分解作用又為植物提供生長發(fā)育所需的各種營養(yǎng)元素，兩者之間息息相關(guān)。氮素是植物體內(nèi)蛋白質(zhì)、核酸、葉綠素等的重要組分之一，也是某些植物激素、維生素等對生命活動起調(diào)節(jié)作用物質(zhì)的主要成分［2］。氮素的缺乏會導(dǎo)致植物碳同化能力下降，抑制植物生長和根系發(fā)育。土壤增施氮肥后使之含氮量增加，既改變了原有土壤的營養(yǎng)狀況，植物增加了氮素吸收，促進(jìn)了光合作用［3］，同時還能提高植物對磷、鉀和鈣等營養(yǎng)元素的吸收，促進(jìn)植物生長，進(jìn)而影響進(jìn)入到土壤中的有機(jī)質(zhì)含量。

近年來，國內(nèi)外對土壤有機(jī)質(zhì)和氮素也做了很多相關(guān)研究。宋海星等［4］在研究水、氮供應(yīng)和土壤空間對植物根系生理特性變化的影響時發(fā)現(xiàn)，氮素對植物根系的作用受控于土壤水分。潘慶民等［5］在研究氮素對內(nèi)蒙古典型草原羊草種群的影響時發(fā)現(xiàn)，隨氮素梯度的增加羊草種群生物量有顯著增加。王青山等［6］主要研究了土壤有機(jī)質(zhì)與氮素供應(yīng)的相關(guān)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)土壤全氮和速效氮的含量均與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈緊密的正相關(guān)關(guān)系。土壤中有機(jī)質(zhì)含量的高低直接影響土壤氮素供應(yīng)水平。但是，在氮素影響下退化草原土壤有機(jī)質(zhì)含量變化的研究還相對較少。

本研究選取內(nèi)蒙古典型草原區(qū)兩種不同退化程度的草原群落即輕度退化草原和重度退化草原，通過氮素添加實(shí)驗(yàn)，研究土壤有機(jī)質(zhì)含量對氮素添加梯度的響應(yīng)規(guī)律，重點(diǎn)探討氮素作用于不同退化程度草原時的最適值，為退化草地的恢復(fù)及草原管理的肥料運(yùn)籌提供相關(guān)依據(jù)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

實(shí)驗(yàn)區(qū)位于內(nèi)蒙古錫林郭勒盟錫林河流域中游白音錫勒牧場境內(nèi)，其地理坐標(biāo)為N43°31'～43°33'、E116°39'～ 116°43'。該區(qū)屬于溫帶半干旱大陸性氣候，年降水量為300～400 mm，主要集中在7—9月。土壤以暗栗鈣土為主，羊草草原和大針茅草原是該地區(qū)分布最廣的草原類型。植物群落種類組成比較豐富，主要有羊草(Leymus chinensis)、大針茅(Stipa grandis)、叢生禾草和一些雜類草等，屬于內(nèi)蒙古草原區(qū)的典型草原地帶。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地選取

2008年初，在中國科學(xué)院內(nèi)蒙古草原生態(tài)系統(tǒng)定位研究站實(shí)驗(yàn)樣地附近，選取相距很近且有關(guān)環(huán)境因子一致的兩塊100 m×100 m草場樣地，用圍欄進(jìn)行了圍封。其中一塊位于當(dāng)?shù)啬撩翊虿輬?，圍封前每年秋季打草一次，作為輕度退化草原試驗(yàn)樣地，簡稱為YY樣地。另一塊位于當(dāng)?shù)啬撩耖L期自由放牧已發(fā)生嚴(yán)重退化的草地，作為重度退化草原試驗(yàn)樣地，簡稱為YT樣地。在兩塊樣地內(nèi)進(jìn)行了本底調(diào)查并進(jìn)行了相同的氮素添加梯度試驗(yàn)。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

YT樣地與YY樣地里各選取一塊約為14 m×22 m的區(qū)域，由東至西設(shè)置4列3 m×4 m的樣方，共5排，并標(biāo)號1—20。試驗(yàn)施用氮肥為NH4NO3，設(shè)計(jì)了4個處理，分別為0，30，50，80 g·m-2，模擬從低氮到高氮生境，每個處理有5個重復(fù)。在1—20號樣方內(nèi)采取隨機(jī)區(qū)組的方式隨機(jī)決定每個樣方施用氮肥的量。氮素添加實(shí)驗(yàn)于2009年5月1日實(shí)施。

1.2.3 取樣與測定方法

于2009年8月下旬利用土鉆在每個樣方內(nèi)鉆取3層土壤樣品，每10 cm一層，即0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm，共120個土壤樣品，風(fēng)干后帶回實(shí)驗(yàn)室，采用重鉻酸鉀氧化法進(jìn)行土壤有機(jī)質(zhì)的測 定［7］，結(jié)果見表1。

表1 YY樣地與YT樣地的植被與土壤概況

1.2.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Excel軟件整理，采用SPSS 20.0進(jìn)行單因素方差分析(ANOVE)、相關(guān)性分析(Correlations)和獨(dú)立樣本 T檢驗(yàn)(Independent samples-T test)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有機(jī)質(zhì)含量對氮素添加梯度的響應(yīng)

2.1.1 輕度退化草原土壤有機(jī)質(zhì)含量對氮素添加梯度的響應(yīng)

草原土壤有機(jī)質(zhì)含量主要集中在深度為0～30 cm的土壤層，有機(jī)質(zhì)含量隨土壤深度增加而降低。單因素方差分析顯示，在輕度退化樣地，0～10 cm層和10～20 cm層土壤有機(jī)質(zhì)在30 g·m-2氮素處理下顯著高于其他3個氮素添加處理(0，50，80 g·m-2)，另外3個處理之間則無顯著差異(p＜0.05)，20～30 cm層土壤有機(jī)質(zhì)含量在4個氮素處理之間均無顯著差異(如圖1)。相關(guān)分析表明，輕度退化樣地各層土壤有機(jī)質(zhì)含量與氮素添加梯度均無顯著相關(guān)關(guān)系，但0～10 cm和10～20 cm層之間，以及10～20 cm和20～30 cm之間具有顯著相關(guān)關(guān)系(見表2)。顯然對于輕度退化草原來說，氮素添加對土壤有機(jī)質(zhì)的影響主要集中在0～20 cm土層，30 g·m-2是最適的添加量。

2.1.2 重度退化草原土壤有機(jī)質(zhì)含量對氮素添加梯度的響應(yīng)

在重度退化草原，當(dāng)施氮量為30 g·m-2時，0～10 cm層土壤有機(jī)質(zhì)含量的值相對較高，但沒有達(dá)到統(tǒng)計(jì)學(xué)上的顯著差異。單因素方差分析顯示，重度退化樣地，各層的土壤有機(jī)質(zhì)在4種氮素添加梯度下均無顯著差異(如圖2)，且各層土壤有機(jī)質(zhì)含量與氮素添加梯度均無顯著相關(guān)關(guān)系，但0～10 cm和10～20 cm層之間具有極顯著的相關(guān)關(guān)系(見表2)。

圖1 輕度退化草原土壤有機(jī)質(zhì)含量對氮素添加梯度的響應(yīng)

圖2 重度退化草原土壤有機(jī)質(zhì)含量對氮素添加梯度的響應(yīng)

表2 不同土層土壤有機(jī)質(zhì)含量之間及其與氮素添加梯度的相關(guān)性分析

2.2 氮素添加梯度下不同退化程度草原土壤有機(jī)質(zhì)含量比較

YY樣地和YT樣地各土層在氮素添加梯度下土壤有機(jī)質(zhì)含量比較見表3。由表3可知，對于0～10 cm土層，在4個氮素梯度下，輕度退化樣地的土壤有機(jī)質(zhì)含量都顯著高于重度退化樣地;對于10～20 cm土層，在不施氮(0 g·m-2)和低氮添加處理下(30 g·m-2)，輕度退化樣地的土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著高于重度退化樣地，在高氮添加處理下(50，80 g·m-2)兩個樣地土壤有機(jī)質(zhì)含量輕度退化樣地高于重度退化樣地，但沒有達(dá)到統(tǒng)計(jì)學(xué)上的顯著差異;對于20～30 cm土層，在4個氮素梯度下，兩個樣地的土壤有機(jī)質(zhì)含量均無顯著差異。顯然，隨著草原的退化0～20 cm土壤層有機(jī)質(zhì)含量會顯著下降，而20～30 cm土壤層變化不顯著。氮素的添加并沒有顯著改變這種格局，只是在10～20 cm土壤層，高氮處理對輕度退化樣地土壤有機(jī)質(zhì)含量有一定的抑制作用。

表3 YY樣地和YT樣地各土層在氮素添加梯度下土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)比較

3 討論

土壤作為陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫，其土壤有機(jī)質(zhì)是陸地生物圈生物地球化學(xué)循環(huán)的主要成分之一，指示土壤健康的關(guān)鍵指標(biāo)［8］。研究發(fā)現(xiàn)在草地退化過程中，土壤結(jié)構(gòu)和植物群落物種組成會發(fā)生明顯變化，影響土壤中有機(jī)質(zhì)含量和分布。張?zhí)N薇等［9］在研究放牧強(qiáng)度對土壤物理性質(zhì)的影響時發(fā)現(xiàn)，隨放牧強(qiáng)度的增加，土壤容重隨之增加，土壤滲透率呈下降趨勢。即重牧嚴(yán)重破壞了土壤的結(jié)構(gòu)，使土壤緊實(shí)，滲透率下降，導(dǎo)致土壤對水分和養(yǎng)分的保蓄能力下降，影響草地生產(chǎn)力從而影響土壤有機(jī)質(zhì)含量。Frank等［10］利用13C技術(shù)研究不同放牧率對土壤有機(jī)質(zhì)的影響時發(fā)現(xiàn)，重牧?xí)怪参锝M成發(fā)生很大變化，會使有較淺根系和較高的有機(jī)質(zhì)生產(chǎn)能力的C4植物大幅度增加，即植物根系集中在表層的比例增加，深層分布的根系量減少，土壤有機(jī)質(zhì)主要分布在較淺土層。錫林郭勒典型草原區(qū)植物群落主要以羊草、大針茅、糙隱子草、叢生禾草和一些雜類草等種類組成，我們的研究表明，土壤有機(jī)質(zhì)主要存在于0～20 cm土壤層，20～30 cm土壤層有機(jī)質(zhì)含量相對較少，土壤有機(jī)質(zhì)含量隨著退化程度的加劇和土層深度的增加而減少。

在草原生態(tài)系統(tǒng)中，氮素是影響生產(chǎn)力高低的首要限制因子［8，11-13］，是生態(tài)系統(tǒng)最為重要的營養(yǎng)物質(zhì)［3］。氮素添加對草地土壤有機(jī)質(zhì)有重要影響。研究表明，在不同氮素添加梯度下，退化草原土壤有機(jī)質(zhì)做出相應(yīng)響應(yīng)。在兩種不同退化程度樣地，土壤有機(jī)質(zhì)表現(xiàn)出隨著施氮量的增長而增加，當(dāng)施氮量為30 g·m-2時，土壤有機(jī)質(zhì)含量達(dá)到最大值，而施氮量超過30 g·m-2，在50，80 g·m-2時有下降趨勢。這表明氮素添加對退化草原土壤有機(jī)質(zhì)含量增加有促進(jìn)作用，但并不是添加量越大越好。即適量的氮素添加會顯著增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，繼續(xù)增加氮素則發(fā)生相反作用。

比較氮素添加對兩種退化樣地土壤有機(jī)質(zhì)的影響時發(fā)現(xiàn)，不同退化程度的草地土壤有機(jī)質(zhì)對氮素添加的響應(yīng)不同，其中輕度退化草地的響應(yīng)更明顯，土壤有機(jī)質(zhì)含量隨氮素添加梯度有顯著變化，而重度退化樣地土壤有機(jī)質(zhì)對氮素添加則無明顯響應(yīng)?？赡苁怯捎谠谳p度退化草原，土壤結(jié)構(gòu)和水分狀況相比重度退化草原要好，氮素的添加充實(shí)了土壤中的養(yǎng)分，更利于植物生長，氮素對土壤有機(jī)質(zhì)有明顯的促進(jìn)作用。在重度退化草原，土壤結(jié)構(gòu)被破壞，保水性差，處于水分脅迫條件下，氮素的添加會增加土壤養(yǎng)分濃度，降低土壤水勢，加劇水分脅迫。即在重度退化草地，水分是主要的限制因子，而氮肥對群落的作用則受控于土壤水分，這與宋海星等［4］在研究水、氮供應(yīng)和土壤空間對植物根系生理特性變化的影響時發(fā)現(xiàn)的氮素對植物根系的作用受控于土壤水分的結(jié)果一致。鮑雅靜等［14］在對羊草葉片SPAD值對水分梯度和氮素添加梯度的響應(yīng)研究時也發(fā)現(xiàn)，不同退化程度草原的羊草葉片葉綠素含量對水氮響應(yīng)有差異性。輕度退化草原，氮素是主要的影響因子;重度退化草原，水分是主要的限制因子。

不同退化程度樣地因其土壤環(huán)境的不同，其主要的限制性因子是不相同的。對于輕度退化草地添加適量養(yǎng)分就能為植物生長提供最佳生長條件，而在重度退化草地，則需緩解其水分脅迫，在土壤水分狀況良好狀態(tài)下，植物才能更好地利用養(yǎng)分。內(nèi)蒙古干旱-半干旱草原區(qū)放牧退化嚴(yán)重，導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)含量大幅度降低，從而嚴(yán)重地限制了草原植被的生長。因此，只有針對不同的草原退化程度采取對應(yīng)的生態(tài)調(diào)控措施，才能有效的進(jìn)行退化草原恢復(fù)，維持草原生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

對不同退化程度的草原進(jìn)行比較，輕度退化草原的0～20 cm層土壤有機(jī)質(zhì)顯著高于重度退化樣地，20～30 cm層二者無顯著差異，氮素的添加并沒有顯著改變這種格局。

不同退化程度的草原對于氮素添加的響應(yīng)不同:對于輕度退化草原，30 g·m-2氮素添加顯著提高0～20 cm土層的土壤有機(jī)質(zhì)含量，氮素是輕度退化草原主要的限制因子;對于重度退化草原，土壤有機(jī)質(zhì)在氮素添加梯度下各層變化不顯著，氮素不是重度退化草原的主要限制因子。

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