围封对草地凋落物分解速率和N、P、K含量的影响

王 蕾，张 宇，许冬梅，张 娜

(1.宁夏草原工作站，宁夏 银川 750011； 2.宁夏大学农学院，宁夏 银川 750021)

围封对草地凋落物分解速率和N、P、K含量的影响

王 蕾1，张 宇1，许冬梅2，张 娜1

(1.宁夏草原工作站，宁夏 银川 750011； 2.宁夏大学农学院，宁夏 银川 750021)

以盐池县退化荒漠草地为对象，对未围封和不同围封年限的草地凋落物进行研究。结果表明，草地凋落物的积累量随时间的延长而增加，达到增长峰期(9-10月)后逐渐降低；草地凋落物的分解速率随分解时间的延长逐渐降低，围封草地凋落物分解速率高于未围封草地；草地凋落物的自然持水率随着分解时间推移，不断升高达到一个峰值后逐渐降低；凋落物的全氮、全磷含量随围封时间延长而降低，全钾含量在围封5年时含量最低。

围封年限；荒漠草原；凋落物

草地凋落物是草地生态系统的重要组成部分，其对草地土壤发育和改良以及水土保持起着重要的作用[1]，可以大量吸收和保持天然降水，减缓地表径流和雨滴对地面的直接溅击力[2-3]，还可以截留天然降水，提高土壤水分，凋落物分解可以增加土壤肥力，促进植物群落的正常演替[4]。国内外对凋落物的研究内容主要包括：凋落物的形成、积累、分解和产量，凋落物分解过程中的微生物学特征，凋落物中纤维素分解，凋落物分解与生态环境的关系，凋落物分解的物质循环过程以及凋落物对草原生态环境的影响等[5-12]。本研究基于宁夏天然草地全面实施围封的现状，以未围封草地为对照，选取宁夏盐池县围封3～7年的荒漠草地为对象，对退化荒漠草地在围封条件下草地凋落物的积累量、分解速率、自然持水力等进行研究，旨在为宁夏天然草地围封禁牧后的可持续利用提供理论指导。

1 材料与方法

1.1研究区自然概况 研究区位于宁夏盐池县西北部的高沙窝镇，地理坐标为37°54′20.55″-37°58′55.62″ N，106°55′47.91″-107°01′16.68″ E，距盐池县城50 km，海拔1 422～1 431 m，年均温7.7 ℃，年日照时数为2 867.9 h，无霜期128 d。多年(1954―2006年)年均降水量约为250 mm，降水主要集中在夏秋两季，7、8、9三个月的降水量占全年降水总量的62%；平均潜在蒸发量为2 403.7 mm。研究区土壤为风沙土，地带性植被属荒漠草原。建群植物主要有中亚白草(Pennisetumcentrasiaticum)、甘草 (Glycyrrhizauralensis)、牛枝子 (Lespedezapotaninii)、丝叶山苦荬(Ixerischinensisvar.graminifolia)、猪毛蒿(Artemisiascoparia)等[13]。

1.2研究方法

1.2.1样地设置 于2010年4月早春地上部返青之前，在研究区内分别选取未围封和围封3、4、5、6、7年的荒漠草原为研究样地，在每个样地设置10个1 m×1 m样方，每个样方间隔20 m，每个样方用高30 cm黑色尼龙网围住，四角用铁丝固定。

1.2.2样品采集及处理 凋落物积累量采用直接收集法。在设置样方时，将样方内地面清除干净，这样就可将生长初期枯枝落叶量视为零，然后每隔两个月收集一次枯枝落叶积累量，带回实验室后在自然状态下避光风干，然后称量视为凋落物积累量。

凋落物分解速率的测定采用尼龙网袋法。将地表枯死的地上部植株，剪成10 cm小段，装入孔径为2 mm×2 mm的网袋，每袋10 g，将样袋埋入10 cm左右的土层中。在凋落物分解袋投放后60、120、180和240 d分别取回分解袋，带回实验室去掉泥沙及杂物，避光风干后称量，测定消失量及分解速率。

1.2.3样品分析 在野外收集9-10月的凋落物，带回实验室，去除土壤，在65 ℃的烘箱中烘干，然后将其用粉碎机粉碎，过0.25 mm筛后保存。凋落物全氮的测定采用H2SO4-H2O2消煮，奈氏比色法；全磷采用H2SO4-H2O2消煮，钒钼黄比色法；全钾采用H2SO4-H2O2消煮，火焰光度计法[14]。

1.2.4数据处理

(1)凋落物分解速率计算公式[15]：

V=(10-Mi)/d.

式中，V表示凋落物分解速率(10-2g·d-1)；Mi表示第i次取样凋落物的残留量,i=1；d表示第i次取样距分解袋投放的时间，i≥1。

(2)凋落物自然持水率计算公式[15]：

围栏封育草地和未围栏封育草地中，在凋落物分解袋投放后60、120、180和240 d分别取回分解袋，拣出植物根系、泥土颗粒及苔藓，测其质量(M1)，自然状态下避光风干后，再测其质量(M2)，计算凋落物的自然持水量和自然持水率[15]：

Mc=M1-M2，

MR=(M1-M2)×100/M2.

式中，Mc表示凋落物持水量(g)，M1表示取回的凋落物分解袋去掉泥沙及杂物后的质量；M2表示去掉泥沙及杂物的凋落物分解袋在自然状态下避光风干后的质量，MR表示凋落物自然持水率(%)。

1.3数据分析 采用Excel 2003进行基础数据的处理和构建图表，采用SPSS 17.0进行方差分析。

2 结果与分析

2.1围封年限对草地凋落物积累量的影响 不同围封年限草地凋落物的积累量5-12月呈先增加后降低的趋势，5-6月低，峰值出现在9-10月，随着植物生长季的结束，11-12月凋落物的积累量降低；围封3年草地凋落物的积累量在9-10月高于围封4、5、6年和未围封草地；围封7年草地的凋落物积累量最高，明显高于其它围封年限和未围封的草地(图1)。结果表明，围封有利于草地凋落物的积累。围封7年与围封3～6年和未围封草地凋落物积累量差异显著(Plt;0.05)，围封3年草地的凋落物积累量显著高于围封4～6年和未围封草地凋落物的积累量(图2)，这是因为围封初期，一年生植物在群落中占优势地位，随围封年限的增加多年生植物在群落中的优势地位增加，植物群落优势种替代明显，一些伴随草地退化而减少甚至消失的物种开始进入，短花针茅(Stipabreviflora)、牛枝子等地带性植物所占比例逐渐增加，最终成为群落的优势种[16]，所以围封3年和7年草地的凋落物积累量高。

2.2围封年限对草地凋落物分解速率的影响 在凋落物分解初期(前两个月)，围封3年草地凋落物的分解速率最高，围封5年的最低，不同围封年限草地凋落物的分解速率差异明显，但随分解时间的延长，这种差异逐渐减小(表1)。凋落物分解120 d时，围封4年的分解速率最高，围封7年的最低；凋落物分解180 d时，围封3年的分解速率最高；调落物分解240 d时，围封6年的分解速率最高，未围封的最低；凋落物分解后期(180 d和240 d)，围封草地凋落物的分解速率均高于未围封草地，这一结果说明围封有利于凋落物的分解。

图1 不同围封年限草地凋落物积累量的动态变化Fig.1 Dynamics of litter accumulation in different years of enclosing grasslands

图2 不同围封年限草地凋落物的积累量Fig.2 Changes of litter accumulation in different years of enclosing grasslands

注：不同小写字母表示差异显著(Plt;0.05)。下图同。

Note:Different lower case letters indicate significant difference at 0.05 level. The same below.

2.3围封年限对草地凋落物自然持水率的影响 凋落物分解初期,不同围封年限的自然持水率较低，随着分解时间推移，自然持水率不断升高，达到一个峰值后逐渐降低(图3)。这一结果表明，在凋落物分解初期，细胞组织破坏较少，间隙较小吸附水较少；随着凋落物分解时间的增加，凋落物细胞不断分解，细胞间隙增大，在水的张力作用下吸附水不断增多；当凋落物分解到一定程度时，凋落物细胞组织不断分解，细胞间隙不断增大，细胞间隙增大到一定程度时，水的张力将不能维持吸附水的存在，吸附水减少，自然持水率下降[17]。围封3年和5年的草地凋落物的自然持水率在不同的分解时间均高于其它草地，未围封草地与其它围封年限草地凋落物的自然持水率变化不明显。

2.4围封年限对草地凋落物全氮、全磷、全钾含量的影响 围封草地凋落物的全氮和全磷含量均显著低于未围封草地(Plt;0.05)(图4、图5)，随围封年限的增加，草地凋落物的全钾含量先逐渐降低，在围封5年时含量最低，之后又逐渐升高(图6)。这一结果表明，围封不利于草地凋落物的全氮、全磷含量的增加，但围封年限增加有利于全钾含量的增加。

表1 不同围封年限草地凋落物的分解速率Table 1 Decomposition rates of litter in different years of enclosing grasslands

图3 不同围封年限草地凋落物的自然持水率Fig.3 Natural water holding rates of litter in different years of enclosing grasslands

图4 不同围封年限草地凋落物全氮含量的变化Fig.4 Total nitrogen content of litter in different years of enclosing grasslands

图5 不同围封年限草地凋落物全磷含量的变化Fig.5 Total phosphor content of litter in different years of enclosing grasslands

图6 不同围封年限草地凋落物全钾含量的变化Fig.6 Total kalium content of litter in different years of enclosing grasslands

3 讨论

在没有人为干扰的自然保护区内进行羊草(Leymuschinensis)草甸枯枝落叶积累量的研究表明，凋落物积累量达95%稳定状态大约需要8年[18]。本研究发现，不同围封年限草地凋落物的积累量随时间的延长而持续增长，凋落物的增长峰期在9―10月，随着植物生长季的结束，11―12月凋落物的积累量降低。围封3年和7年草地的凋落物积累量均高于未围封草地，围封7年的草地凋落物积累量最高，达40.64 g·m-2，这是因为在围封早期，一年生植物占优势，随围封时间的延长，多年生植物逐渐取代一年生植物的优势而形成稳定群落。

张建利等[15]研究表明，随分解时间的推移，草地凋落物分解速率有所降低；围栏封育显著高于未封育草地的凋落物分解速率。本研究发现，围栏封育高于未封育草地凋落物的分解速率，其分解速率随分解时间的延长逐渐降低，与以往研究结果相似。

试验初期，不同围封年限草地凋落物的自然持水率较低，随分解时间的推移，自然持水率不断升高达到一个峰值后逐渐降低。张建利等[4]研究表明，随分解时间的推移，草地凋落物的自然持水率逐渐下降。本研究与其研究结果不同。

内在因素和外在因素共同制约着凋落物的分解[19-20]，常见指标有氮浓度、磷浓度、木质素和纤维素浓度、N/C比、木质素/N比等，其中N/C比和木质素/N比最能反映凋落物分解的速率[21-24]。本研究发现，草地围封后凋落物的全氮、全磷含量降低；全钾含量在围封初期随围封年限逐渐降低，在围封5年时含量最低，之后随围封年限的延长，含量逐渐升高。

[1] 木村允．陆地植物群落的生产量测定方法[M]．姜恕，译.北京：科学出版社，1981.

[2] 赵鸿雁，吴钦孝，刘向东．山杨林枯枝落叶的水文水保作用研究[J]．林业科学，1994，30(2):176-180.

[3] 鲍文，包维楷，何丙辉，等．岷江上游23年生油松纯林下凋落物与土壤截留降水的效应[J]．水土保持学报，2004，18(5)：115-119.

[4] 张建利，张文，高玲苹，等.云南马龙县山地封育草地凋落物分解与氮释放的研究[J]．草业科学，2008,25(7):77-82.

[5] 郭继勋．松嫩平原羊草草场中羊草枯枝落叶形成过程的初步研究[J]．生态学杂志，1990，9(1)：11-14.

[6] 郭继勋，祝廷成．羊草草原枯枝落叶积累的研究[J]．生态学报，1994，14(3)：255-261.

[7] 许光辉．森林枯枝落叶分解过程的微生物学特征[J]．生态学报，1982，2(1)：1-19.

[8] 李家藻．高寒草甸植物的纤维素、根和枯枝落叶分解作用的研究[J]．高原生物学集刊，1984(2)：107-113.

[9] 郭继勋，祝廷成．羊草草原枯枝落叶分解的研究——枯枝落叶分解与生态环境的关系[J]．生态学报，1993，13(3)：214-218.

[10] Upadhyay V P,Singh J S.Patterns of nutrient immobilization and release in decomposing forest litter in central Himalaya[J].India Journal of Ecology,1989,77:127-146.

[11] 宋日，吴春胜，郭继勋．东北草原植物残体腐解动态研究[J]．草业学报，2002，11(2)：105-108.

[12] 郭继勋，祝廷成．羊草草原枯枝落叶分解的研究——主要优势植物的分解速率和损失率[J]．生态学报，1992，12(4)：295-299.

[13] 王蕾，许冬梅，张晶晶.封育对荒漠草原植物群落组成和物种多样性的影响[J]．草业科学，2012，29(10)：1512-1516.

[14] 鲍士旦．土壤农化分析[M]．第三版.北京：中国农业出版社，2000.

[15] 张建利，张文，毕玉芬．山地草地凋落物分解与凋落物水文功能[J]．生态环境，2008，17(5)：1986-1990.

[16] 张晶晶，王蕾，许冬梅.荒漠草原自然恢复中植物群落组成和物种多样性[J]．草业科学，2011，28(6)：1091-1094.

[17] 张建利，张文，毕玉芬．山地草地凋落物分解与持水力的研究[J]．草业科学，2008，25(3)：77-82.

[18] 郭继勋，祝廷成．羊草草甸枯枝落叶的分解、积累与营养物质含量动态[J]．植物生态学与地植物学学报，1988，12(3)：197-203.

[19] Moretto A S,Distel R A,Didon N G.Decomposition and nutrient dynamic of leaf litter and roots from palatable and unpalatable grasses in a semi-arid grassland[J].Applied Soil Ecology,2001,18:31-37.

[20] Moretto A S,Distel R A.Decomposition of and nutrient dynamics in leaf litter and roots ofPoaligularisandStipagyneriodes[J].Journal of Arid Environments,2003,55:503-514.

[21] Hill H H.Decomposition of organic matter in soils[J].Journal of Agricultural Research,1926,33:77-79.

[22] Jensen H L.On the influence of the carbon：Nitrogen ratios of organic materials on the mineralization of nitrogen[J].Journal of Agricultural Science,1929,19:71-82.

[23] Witkamp M.Decomposition of leaf litter in relation to environment microflora and microbial respiration[J].Ecology,1966,47:194-201.

[24] Taylor B R,Parkinson D,Parsons W F J.Nitrogen and lignin content as predictors of litter decay rates:A microcosm test[J].Ecology,1989,70(1):97-104.

StudyonlitterdecompositionratesandN,P,Kcontentoflitterindifferentyearsofenclosureindesertsteppe

WANG Lei1, ZHANG Yu1, XU Dong-mei2, ZHANG Na1

(1.Grassland Station of Ningxia, Yinchuan 750011, China;2.School of Agricultural, Ningxia University, Yinchuan 750021 China)

This study examined the litter of degraded desert steppe among different years of enclosure and the unenclosed grassland in Yanchi. It showed that the litter accumulation reached a maximum in September and October then declined with the time increasing. The litter decomposition rate was gradually decreased with the time. The litter decomposition rates of the enclosed grassland were higher than that of the unenclosed. With time increasing, natural water holding rates of litter reached a maximum and then declined gradually. Both the total nitrogen content of litter and the total phosphor content of litter of the enclosed grassland were lower than that of the unenclosed. The total kalium content of litter reached a minimum at the 5th year.

enclosure year； desert steppe； litter

WANG Lei E-mail:wangleieye@126.com

S812.6+8

A

1001-0629(2013)10-1508-05

2013-01-19 接受日期：2013-04-11

国家自然科学基金(30960268)；国家973计划前期研究(2010CB434805)作者简介:王蕾(1980-)，女，辽宁新民人，畜牧师，博士，研究方向为草地生态、资源与环境。E-mail:wangleieye@126.com