不同恢復(fù)措施對寧夏荒漠草原土壤碳氮儲量的影響

于雙，許冬梅,2*，許愛云，劉金龍，陶利波

(1.寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，寧夏 銀川 750021；2.寧夏大學(xué)西北土地退化與生態(tài)恢復(fù)省部共建國家重點實驗室培養(yǎng)基地，寧夏 銀川 750021)

土壤有機(jī)碳和氮元素含量可以直觀地反映土壤肥力的高低，也是草地土壤質(zhì)量和草地健康評價的重要指標(biāo)之一，直接影響草地的生產(chǎn)力[1-4]。土壤有機(jī)碳是陸地生態(tài)系統(tǒng)中儲量最大的碳庫，約為大氣碳儲量的2倍，植物碳儲量的3倍[5]。全球草地總碳儲量約為308 Pg C, 其中約92%儲存在土壤中[6]；中國草地總碳儲量為28.95 Pg C，其中約94%儲存于土壤中[7]。草地生態(tài)系統(tǒng)中，碳氮循環(huán)密切相關(guān)，二者之間相互作用、相互影響[8]。草地土壤碳氮儲量的增加，對改善全球碳氮循環(huán)、緩解全球氣候變化具有重要價值[9-10]。因此，掌握土壤碳氮儲量的變化特征，對維系土壤質(zhì)量、保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有重要意義[11-12]。研究發(fā)現(xiàn)，土壤擾動方式和強(qiáng)度對草地土壤碳氮儲量產(chǎn)生顯著影響，隨草地退化程度的加劇，土壤碳氮儲量呈顯著下降趨勢[13-14]。圍欄封育、淺耕翻和耙地等恢復(fù)、改良措施有利于退化草地土壤碳氮的累積[15-16]。

荒漠草原是寧夏天然草地的主體類型，在區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)安全維護(hù)中具有重要地位。然而，由于自然環(huán)境的敏感脆弱性，加之人類過度干擾，草地退化、沙化嚴(yán)重，導(dǎo)致植被發(fā)生逆向演替，土壤粗?；?、碳氮等養(yǎng)分損失加劇[17-18]。隨著退牧還草等政策的實施，近年來，在寧夏荒漠草原區(qū)通過圍欄封育、天然草地補(bǔ)播及人工檸條林建植等措施，促進(jìn)退化草地生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)，植物群落結(jié)構(gòu)及土壤性狀得以改善[19-21]。本研究以退化荒漠草原為對象，研究不同恢復(fù)措施條件下，草地土壤總有機(jī)碳、全氮含量及其分布特征，分析不同恢復(fù)措施草地土壤有機(jī)碳和全氮儲量的差異，為揭示荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳和全氮儲量變化，提升草地生態(tài)管理水平提供理論參考，對該區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究區(qū)位于寧夏東部風(fēng)沙區(qū)鹽池縣高沙窩鎮(zhèn) (E 106°03′-107°04′，N 37°04′-38°10′)。鹽池縣南靠黃土高原，北與毛烏素沙地相連。氣候類型屬于典型中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，平均氣溫7.8 ℃；氣溫冬冷夏熱，極端最高溫度34.9 ℃，極端最低溫度-24.2 ℃，冬夏兩季氣候迥異，平均溫差28 ℃左右，年均無霜期165 d；年降水量250～350 mm，且從東南向西北遞減；平均海拔1295～1951 m，地勢呈南高北低，土壤類型以灰鈣土為主，其次是黑壚土和風(fēng)沙土。試驗區(qū)系短花針茅(Stipabreviflora)和牛枝子(Lespedezapotaninii)為建群種的荒漠草原，在寧夏荒漠草原區(qū)具有一定的代表性，主要建群物種有短花針茅、牛枝子、蒙古冰草(Agropyronmongolicum)、賴草(Leymussecalinus)等。

1.2 試驗設(shè)計

在研究區(qū)選擇退化程度一致、地勢較為平坦的草地。于2014年6月采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(區(qū)組間隔6 m)，設(shè)置封育+未補(bǔ)播(F)、深翻耕+補(bǔ)播(S)、淺翻耕+補(bǔ)播(Q)、免耕+補(bǔ)播(M)4個恢復(fù)措施，每個處理3個重復(fù)小區(qū)，小區(qū)面積為4 m×20 m，小區(qū)間距為3 m。補(bǔ)播組合為蒙古冰草+沙打旺(Astragalusadsurgens)，播種量22.5 kg·hm-2(蒙古冰草15 kg·hm-2、沙打旺7.5 kg·hm-2)，播種方式為條播，行距50 cm。同時，以傳統(tǒng)放牧草地為對照，共5個處理。

1.3 樣品采集及處理

于2017年8月初，在每個小區(qū)內(nèi)采用多點混合法分別采集0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm和30～40 cm土壤樣品，去除雜物及植物根系、凋落物等，帶回實驗室，于室內(nèi)風(fēng)干、研磨，分別過0.149和2 mm篩，保存于密封袋內(nèi)，用于土壤有機(jī)碳和全氮的測定。同時，挖取土壤剖面，利用環(huán)刀分層采集土樣，用于土壤容重的測定。

1.4 樣品指標(biāo)測定及計算方法

土壤容重采用環(huán)刀法測定[22]；有機(jī)碳(total organic carbon, TOC)采用Elemental rapid CS cube元素分析儀測定；全氮(total nitrogen, TN)采用BUCHI Labortechnik AG K-360全自動凱氏定氮儀測定[23]。

土壤有機(jī)碳、全氮密度及儲量的計算[10]：

SOCi=Ci×Di×Ei×(1-Gi)/100
TNi=Ni×Di×Ei×(1-Gi)/100

式中：SOCi為某層土壤的有機(jī)碳密度(kg·m-2)，TNi為某層土壤的全氮密度(kg·m-2)，Ci為土壤有機(jī)碳含量(g·kg-1)，Ni為土壤全氮含量(g·kg-1)，Di為土壤容重(g·cm-3)，Ei為土層厚度(cm)；Gi為粒徑>2 mm 的石礫含量(%)，研究區(qū)土壤無粒徑>2 mm 石礫，所以Gi取值為0。

式中：SOCt為土壤有機(jī)碳儲量(t·hm-2)，TNt為土壤全氮儲量(t·hm-2)，K為土層數(shù)，SOCi為某層土壤的有機(jī)碳密度(kg·m-2)，TNi為某層土壤的全氮密度(kg·m-2)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總，DPS 9.5軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，采用one-way ANOVA和LSD法進(jìn)行方差分析和多重比較分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同恢復(fù)措施草地土壤有機(jī)碳和全氮含量的剖面分布特征

由圖1可知，0～10 cm和10～20 cm土層，土壤有機(jī)碳含量均以淺翻耕處理的草地最高，分別為7.45和7.25 g·kg-1，顯著高于放牧草地，深翻耕草地及封育處理的草地(P<0.05)。20～30 cm土層，不同處理草地有機(jī)碳含量變化范圍為5.03～9.93 g·kg-1，以淺翻耕草地和免耕處理的草地土壤有機(jī)碳含量較高，顯著高于深翻耕和封育處理的草地(P<0.05)；封育草地土壤有機(jī)碳含量最低，顯著低于其他恢復(fù)措施草地及放牧草地(P<0.05)。30～40 cm土層，不同處理草地之間土壤有機(jī)碳含量差異不顯著(P>0.05)。從剖面分布看，不同處理草地土壤有機(jī)碳含量隨土層的加深變化規(guī)律不完全一致，但總體表現(xiàn)為0～10 cm和10～20 cm土層含量較低，20～30 cm和30～40 cm土層含量較高。

0～10 cm和10～20 cm土層全氮含量均以淺翻耕處理草地最高，分別為0.17和0.23 g·kg-1；0～10 cm土層，淺翻耕處理草地顯著高于封育和放牧草地(P<0.05)，封育草地與深翻耕及免耕草地之間差異不顯著，放牧草地與免耕及封育草地之間差異不顯著(P>0.05)；10～20 cm土層，淺翻耕處理草地全氮含量顯著高于其他處理(P<0.05)，其他恢復(fù)措施及放牧草地之間差異不顯著(P>0.05)。20～30 cm和30～40 cm土層，全氮含量均以深翻耕處理草地最高，分別為0.26和0.20 g·kg-1；20～30 cm土層，深翻耕處理草地全氮含量顯著高于封育草地(P<0.05)；30～40 cm土層，深翻耕處理草地全氮含量顯著高于放牧、免耕及封育草地(P<0.05)，淺翻耕、免耕、封育及放牧草地之間差異不顯著(P>0.05)。從剖面分布看，各處理措施草地20～40 cm土層全氮含量較0～20 cm土層高，其中，深耕翻和放牧草地增加顯著(P<0.05)。

圖1 不同恢復(fù)措施草地土壤有機(jī)碳和全氮含量Fig.1 Contents of soil organic carbon and total nitrogen of grasslands under different restoration measures 圖中不同小寫字母表示同一土層不同處理在0.05水平差異顯著。S: 深翻耕+補(bǔ)播; Q: 淺翻耕+補(bǔ)播; M: 免耕+補(bǔ)播; F: 封育+未補(bǔ)播; CK: 傳統(tǒng)放牧。下同。Different small letters mean significant differences at 0.05 level among different restoration measures at the same soil depth. S: Deep ploughed+reseeding; Q: Shallow ploughed+reseeding; M: No-tillage+reseeding; F: Enclosed+no reseeding; CK: Grazing. The same below.

2.2 不同恢復(fù)措施草地土壤有機(jī)碳和全氮密度

如表1所示，不同處理草地各土層土壤容重分布范圍為1.36～1.55 g·cm-3，其中，0～10 cm和30～40 cm土層，各處理草地之間差異不顯著(P>0.05)；10～20 cm和20～30 cm土層，以深翻耕和放牧草地較高，淺翻耕處理草地最低，顯著低于深翻耕、免耕和放牧草地(P<0.05)。

表1 不同恢復(fù)措施草地土壤容重、有機(jī)碳和全氮密度 Table 1 Soil bulk， density of organic carbon and total nitrogen of grassland under different restoration measures

注：同行不同字母表示同一土層不同處理在0.05水平差異顯著(P<0.05)，下同。

Note： The different lowercase letters in the same line indicate significant difference at 0.05 level among different restoration measures at the same soil depth (P<0.05), the same below.

0～10 cm和10～20 cm土層有機(jī)碳密度均以淺翻耕處理草地最高，分別為1.10和1.00 kg·m-2，顯著高于放牧、深翻耕和封育草地(P<0.05)，放牧、深翻耕、免耕及封育草地之間差異不顯著(P>0.05)。不同處理草地20～30 cm和30～40 cm土層有機(jī)碳密度變化范圍分別為0.76～1.41 kg·m-2和0.99～1.58 kg·m-2，均以淺翻耕和放牧草地較高，封育草地較低，但各處理草地之間差異不顯著(P>0.05)。

全氮密度在0～10 cm和10～20 cm土層均以淺翻耕處理草地最大，分別為0.025和0.031 kg·m-2，其中0～10 cm土層，淺翻耕處理草地顯著高于放牧和封育草地(P<0.05)；10～20 cm土層，淺翻耕處理草地顯著高于放牧、封育、深翻耕及免耕草地。20～30 cm土層，全氮密度以深翻耕草地最高(0.039 kg·m-2)，顯著高于封育草地(0.020 kg·m-2)(P<0.05)。30～40 cm土層，全氮密度仍以深翻耕處理草地最高，顯著高于放牧、免耕和封育草地(P<0.05)。從垂直分布看，隨土層的加深，有機(jī)碳和全氮密度的變化趨勢與有機(jī)碳和全氮含量變化趨勢一致。

2.3 不同恢復(fù)措施草地土壤有機(jī)碳和全氮儲量

不同恢復(fù)措施草地土壤有機(jī)碳和全氮儲量如圖2所示，可以看出，不同處理草地0～40 cm土層土壤有機(jī)碳儲量變化為淺翻耕草地>免耕草地>放牧草地>深翻耕草地>封育草地；其中淺翻耕處理草地土壤有機(jī)碳儲量為47.72 t·hm-2，顯著高于封育草地的27.63 t·hm-2(P<0.05)。0～40 cm土層土壤全氮儲量表現(xiàn)為淺翻耕草地>深翻耕草地>免耕草地>封育草地>放牧草地，淺翻耕處理草地全氮儲量為1.09 t·hm-2，顯著高于免耕、封育及放牧草地(P<0.05)，免耕、封育、放牧及深翻耕處理草地之間差異不顯著(P>0.05)。從垂直變化看，不同處理草地各土層對0～40 cm土壤有機(jī)碳及全氮儲量貢獻(xiàn)率分別為：0～10 cm: 13.5%～23.1%和17.0%～24.6%；10～20 cm: 15.1%～21.8%和16.7%～28.9%；20～30 cm: 27.4%～34.3%和24.0%～38.0%；30～40 cm: 26.4%～37.1%和24.0%～32.5%。總體來看，各處理草地20～40 cm土層對土壤有機(jī)碳和全氮儲量的貢獻(xiàn)率較0～20 cm的高。

圖2 不同恢復(fù)措施草地土壤有機(jī)碳和全氮儲量Fig.2 The storage of soil organic carbon and total nitrogen of grasslands under different restoration measures

3 討論與結(jié)論

土壤有機(jī)碳是草地土壤質(zhì)量的重要表征，在揭示植被、土壤及其他環(huán)境因子的關(guān)系中具有重要作用，其含量高低直接影響土壤的生物化學(xué)過程，進(jìn)而改變草地土壤的肥力[24]。植被組成，土地利用方式及管理措施等對土壤有機(jī)碳具有一定影響[25]。0～30 cm土層中，土壤有機(jī)碳含量均以淺翻耕處理草地最高，其次是免耕草地，封育草地較低，這是由于補(bǔ)播改善了植物群落結(jié)構(gòu)，植物凋落物的積累與分解改變了淺層土壤養(yǎng)分的循環(huán)及周轉(zhuǎn)，導(dǎo)致淺翻耕和免耕處理有機(jī)碳含量較高(P<0.05)。30～40 cm土層中，各恢復(fù)措施草地及放牧草地之間有機(jī)碳含量差異不顯著(P>0.05)。表明在本研究的處理中，淺翻耕有利于草地土壤有機(jī)碳的積累。前人對不同改良措施對退化羊草(Leymuschinensis)草地影響的研究表明，0～30 cm土層有機(jī)碳含量在恢復(fù)8年后表現(xiàn)為淺耕翻改良>耙地改良>圍欄封育>圍欄外自由放牧；24年后則表現(xiàn)為圍欄封育>耙地改良>淺耕翻改良>圍欄外自由放牧[15,26]；因此，隨著恢復(fù)年限的增加，封育可能更利于草地土壤有機(jī)碳的積累。

土壤氮素是植物生長所需的主要營養(yǎng)元素之一，對草地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)量、結(jié)構(gòu)與功能的調(diào)節(jié)具有重要作用[27-29]。0～20 cm土層，全氮含量均以淺翻耕處理草地較高，放牧草地最低。20～40 cm土層，全氮含量以深翻耕處理草地最高，淺翻耕處理草地次之，免耕草地較低。這可能是由于深翻耕對土壤擾動較強(qiáng)，導(dǎo)致土壤水分流失，有機(jī)碳分解加速，淋溶作用增強(qiáng)，使得氮素等養(yǎng)分向下遷移[2]。孫庚等[30]對川西北草地土壤氮和碳特征的影響研究表明，不同管理措施對川西北草地氮元素的積累和轉(zhuǎn)化速率影響顯著，圍欄草地和翻耕草地全氮含量分別比放牧草地高46%和51%，氮轉(zhuǎn)化速率和呼吸速率大大加快，尤其是翻耕草地。本研究中深翻耕草地和淺翻耕草地全氮含量較放牧草地分別增加了41%和43%。李凌浩[31]在土地利用變化對草原生態(tài)系統(tǒng)土壤碳貯量的影響研究中表明，圍欄封育、淺耕等不同恢復(fù)措施和放牧、砍伐等利用方式對土壤氮元素分布、轉(zhuǎn)化及其含量有重要影響。總體來看，本研究不同恢復(fù)措施草地淺層土壤有機(jī)碳和全氮含量較低，與以往的研究結(jié)果一致[32]?？赡苁怯捎谘芯繀^(qū)地處較為干旱的風(fēng)沙區(qū)，風(fēng)蝕作用強(qiáng)烈，植被蓋度總體較低，凋落物積累較少，導(dǎo)致淺層土壤有機(jī)碳和全氮含量相對較低。

土壤碳庫是植物健康生長的主要營養(yǎng)源，其儲量巨大，約是大氣碳庫的2倍[33]。土壤氮儲量是衡量土壤氮元素供應(yīng)狀況的重要指標(biāo)[34]。本研究結(jié)果表明0～40 cm土層土壤有機(jī)碳儲量淺翻耕草地>免耕草地>放牧草地>深翻耕草地>封育草地，0～40 cm土層土壤全氮儲量表現(xiàn)為淺翻耕草地>深翻耕草地>免耕草地>封育草地>放牧草地。有機(jī)碳和全氮儲量均以淺翻耕處理草地最高，可能是淺翻耕改變了土壤上層的結(jié)構(gòu)變化，土壤孔隙度增大，加之補(bǔ)播過程既疏松了土壤，又增加了植被蓋度與凋落物的積累，從而導(dǎo)致淺翻耕處理草地土壤有機(jī)碳、全氮氮含量較高。周瑤等[35]對不同恢復(fù)措施寧夏典型草原土壤碳、氮儲量的研究表明，封育禁牧有利于該區(qū)碳、氮儲量的累積。李雅瓊等[15]研究表明，圍欄封育、耙地改良、淺耕翻改良等恢復(fù)措施均使退化草地碳、氮儲量有所增加。

綜上所述，在本研究所做處理中，退化草地恢復(fù)初期，淺翻耕處理較免耕、深翻耕和封育措施更有利于荒漠草原土壤有機(jī)碳和全氮儲量的積累。