祁连山北坡亚高山草地退耕还林草混合植被对土壤碳氮磷的影响

张蕊，曹静娟，郭瑞英，龙瑞军，尚占环*

1. 草地农业生态系统国家重点实验室，兰州大学草地农业科技学院，甘肃 兰州 730020；2. 兰州大学生命科学学院，甘肃 兰州 73000

祁连山北坡亚高山草地退耕还林草混合植被对土壤碳氮磷的影响

张蕊1，曹静娟1，郭瑞英2，龙瑞军1，尚占环1*

1. 草地农业生态系统国家重点实验室，兰州大学草地农业科技学院，甘肃 兰州 730020；2. 兰州大学生命科学学院，甘肃 兰州 73000

土壤有机碳、氮素和磷素是生态系统中极其重要的生态因子，土地利用变化将会引起土壤中碳、氮、磷等元素含量的变化。以祁连山北坡亚高山草地区域内三种利用方式（自由放牧天然草地、开垦20年的燕麦(Avena nuda)耕地、退耕8年的还林草混合植被）的土壤为研究对象，通过采集0～30 cm的土壤，分析土壤的理化性质得到土壤碳、氮、磷的含量，再将其转换为土壤碳、氮、磷储量，分析三种利用方式下土壤碳、氮、磷储量的差异以及影响土壤碳、氮、磷生态化学计量比的因子，旨在探讨退耕还林草工程对该地区土壤养分的影响。结果表明，3个样地的土壤碳、氮、磷储量差异显著（P＜0.05），天然草地的有机碳、全氮储量（72.17、6.80 t·hm-2）显著高于退耕还林草地的（66.75、4.96 t·hm-2）和燕麦耕地的（36.61、3.61 t·hm-2）。这是因为，其一，比较而言天然草地受干扰小。其二，对于退耕还林草地和燕麦耕地来说，由于刈割获取地上部分，可能使得从土壤中获取的有机碳和氮素大于归还的。全磷储量则表现为燕麦耕地的（2.51 t·hm-2）显著高于天然草地的（2.17 t·hm-2）和退耕还林草地的（1.96 t·hm-2）。这是因为燕麦耕地中化肥的施用使得磷元素富集起来，所以其储量较高。与天然草地相比，耕种20年的燕麦地0-30 cm的有机碳和全氮储量分别低了35.56、3.19 t·hm-2，年平均减少速率分别为1.78、0.16 t·hm-2·a-1。与燕麦耕地相比，退耕8年的还林草地土壤有机碳和全氮储量显著升高了30.14、1.35 t·hm-2，年平均增加速率分别为3.77、0.17 t·hm-2·a-1。退耕8年的还林草地轻组有机碳比例（10.93%）显著高于天然草地（9.72%）和燕麦耕地（8.61%）。土壤含水量、容重和微生物量碳氮是影响土壤碳、氮、磷生态化学计量的重要因子。总结认为，退耕还林草混合植被对土壤碳、氮、磷库具有重要的恢复和改善作用，但短期内难以恢复到天然草地水平。因此，为了改善和恢复退化的土壤生态系统，应大力实施退耕还林草工程，并保证退耕还林草地具有较长的年限。

祁连山；北坡；退耕还林草地；天然草地；燕麦耕地；土壤碳氮磷

在土壤养分循环中，碳、氮、磷元素驱动着其他养分元素的循环与转化，是地球化学养分循环的核心，并在多元素的平衡中发挥着重要作用（姜红梅等，2011；Elser等，2000）。碳是自然界中与人类生存密切相关的物质（付东磊等，2014）。土壤有机碳、氮素和磷素是生态系统中极其重要的生态因子，影响土壤中微生物的数量和凋落物的分解速率（林丽等，2012）。土地利用变化将会引起土壤中碳、氮、磷等元素含量的变化（马志敏等，2013；信忠保等，2012）。土壤中适宜的养分含量及养分元素的比例，有助于提高土地生产力，反之，降低土地生产力。

许多研究表明，草地开垦为农田后，降低了土壤养分含量（王艳芬等，1998；罗格平等，2005；Wu和Tiessen，2002）。有研究表明，草地开垦后会损失掉原来土壤中碳素总量的30%～50%（Davidson等，2000）。Houghton和Goodale（2004）总结认为，草地开垦造成1 m深土层约27%的土壤有机碳被释放到大气中。20世纪80—90年代，祁连山北坡相当比例的草地被开垦为人工草地和农田，用以满足人们对粮食的需求（常娟等，2005），结果当地草地植被受到严重破坏。1999年，中国政府提出退耕还林（草）工程，它在土壤有机碳的积累过程中有重要作用，进而对将来减缓气候变化带来的影响有很大潜能（Song等，2014）。退耕还林（草）被认为是恢复被开垦草地和草地生态系统服务功能的有效手段之一（Paruelo等，2001；傅伯杰等，2001），也是国家和政府治理我国西部水土流失、改善生态环境、提高农民收入的重要举措（王飞等，2003）。

近年来退耕还林草成为一项很重要的草地恢复措施（曹静娟等，2011）。发展经济林和牧草混合植被，在生产上的作用很明显，但其对土壤生态系统的恢复作用如何，需要详细的数据支持。本研究选取祁连山北坡亚高山草地的天然草地、以及天然草地上开垦耕种20年的耕地和退耕8年的还林草混合植被，分析其土壤碳、氮、磷等特征，明晰土壤碳、氮、磷对退耕还林草混合植被的响应，为准确评价退耕还林草生态环境效益提供基础依据。

1 研究地区与研究方法

1.1 研究区自然概况

研究区位于肃南裕固族自治县境内，地处甘肃省西北部的河西走廊中部，祁连山北坡亚高山草地黑河上游，界于东经97°20'～102°13'、北纬37°28'～39°49'之间，总面积2.38万km2，东西长650 km，南北宽120～200 km, 海拔在1327～5564 m之间。气候大部分属高寒山地半干旱气候，只有明花区属温带干旱气候。气候特点是冬春季长而冷，夏秋季短而凉爽，年均气温2～4 ℃，年均日照时数约为3085 h，年均降水量253.0 mm，年均蒸发量1784.6 mm，平均相对湿度47 %，无霜期120 d左右。土壤类型以亚高山草甸土、山地栗钙土和山地黑土为主。植被类型以亚高山草地为主，主要植物有野苜蓿（Medicago falcata）、垂穗披碱草（Elymus nutans）、线叶蒿草（Kobrecia capillifolia）、紫菀(Aster tonpolensis)、蓖叶蒿(Neopallasia pectinata)、针茅（Stipa capillat）、苔草（Carex tristachya）、赖草(Leymus secalinus)等。

1.2 样品采集与分析

在肃南县康乐乡东台子选择具有典型代表性的天然草地、开垦耕种20年的燕麦(Avena nuda)耕地和退耕8年的还林草地。为减少样地间地形、地貌和小气候的差异，尽量选择邻近、风向和土壤母质一样的退耕还林草地、天然草地和燕麦耕地为研究对象。所选天然草地为地势平坦的自由放牧地（NG）；退耕还林草地为2000年退耕后，载种杏树林和散播苜蓿的混合植被（FG）；燕麦地为在天然草地上开垦种植20年的耕地(OC)，样地基本情况见表1。于2008年8月中旬在上述每个样地中选取3个大样方（20 m×20 m）。在每一样方中按0～10、 10～20、20～30 cm的层次，用内径为3.6 cm的土钻分层取样，共有27个土壤样品。每一土样都是由随机钻取20钻土的混合土样。盖度采用目测法测定；在每个样方中选取50×50 cm2的3个小样方，将相同样方内植物地上生部分齐地面刈割装入信封，带回实验室在65 ℃下烘干至恒重。

土壤样品的测定采用常规分析方法（鲍士旦，2007）。土壤含水量(SWC)测定采用烘干法，容重(BD)采用100 cm3的环刀按0～10、10～20、20～30 cm的层次分层测定。其余土样剔除植物根系及石砾等杂物后，在室内风干并过2 mm和0.25 mm筛备用。pH采用电位法测定。总盐(EC)采用电导率仪法测定，水土比为2.5∶1。土壤有机碳(SOC)含量测定采用浓硫酸-重铬酸钾高温外加热氧化-硫酸亚铁滴定法。全氮（TN）采用半微量凯氏法。有效氮（AN）采用碱解扩散法。全磷（TP）采用NaOH熔融-钼锑抗比色法。土壤微生物量碳、氮(MBC、MBN)含量采用新鲜土壤，用氯仿熏蒸浸提法，浸提液为0.5 mol·L-1的K2SO4（鲁如坤，1999），然后用总有机碳(TOC)分析仪测定。轻组有机碳（LFOC）采用重铬酸钾容量稀释热法（吴回军和欧阳学军，2008）。

表1 样地基本情况Table 1 Basic situation of plots

1.3 数据处理

土壤活性有机质是指土壤中有效性较高、周转速率块、易被植物吸收和微生物分解利用的那部分有机质，主要包括微生物生物量(microbial biomass)、轻组有机质(light fraction organic matter)、易矿化的碳和氮、容易浸提的碳氮及碳水化合物（王清奎等，2005）。本文将微生物量碳、氮和轻组有机碳称为土壤活性养分，将其含量占相对应全量养分的比例称为活性养分比例。

不同土地利用方式下土壤碳氮磷及活性养分储量计算计算公式为：

开垦20年的燕麦地0～30 cm土壤中有机碳和全氮的减少量是天然草地的有机碳和全氮储量与燕麦地的差值；退耕8年的还林草地中有机碳和全氮的增加量是还林草地的有机碳和全氮储量与燕麦地的差值。减少（增加）速率是减少量（增加量）与开垦（退耕）年限的商，单位：t·hm-2·a-1。土壤碳、氮、磷生态化学计量比是用各指标的含量(g·kg-1)计算的。

所有数据用Excel整理并作图。用SPSS(17.0)软件对不同类型样地土壤基本特征、土壤碳氮磷、土壤微生物量碳、氮等进行分析。采用单因素方差分析和LSD多重比较法进行差异显著性检验，显著水平均为P＜0.05，并用Pearson相关系数评价C∶N、N∶P、C∶P与土壤基本特征间的相关关系。

表2 不同类型样地的土壤基本特征(Mean±SE)Table 2 Basic soil properties of different plots (Mean±SE)

表3 研究样地的土壤有机碳、氮、磷储量(Mean±SE)Table 3 Soil organic carbon, nitrogen and phosphoras pools of the studied sites (Mean±SE)

2 结果

2.1 土壤基本特征

在3个样地中，土壤含水量、容重和pH分别表现出相似的趋势。土壤含水量表现为随土层加深而降低，天然草地含水量最低，这是由于燕麦耕地和退耕还林草地有灌溉措施以及植被盖度大，所以含水量都较高。天然草地经开垦耕种20年后，土壤pH为8.51～8.64，与天然草地的相比，升高了0.05-0.09。当燕麦地退耕还林草8年后，土壤pH为8.33～8.52，与燕麦耕地相比，低了0.12～0.21（表2）。相比天然草地，燕麦耕地和退耕还林草地的土壤容重都高，而且退耕还林草地的土壤容重高于燕麦耕地的，这可能是因为耕地每年有翻耕等农业措施，所以耕地容重较退耕还林草地低。天然草地的土壤电导率（0.21～1.91 dS·m-1）显著高于其它2个样地（表2）。

2.2 土壤有机碳氮磷库

不同样地中土壤0～30 cm的有机碳、全氮、全磷和有效氮储量总体情况见表3。天然草地0～20 cm土层的有机碳储量比20～30 cm的高。燕麦耕地土壤有机碳储量在各层次间变化无明显规律。退耕还林草地在20～30 cm的有机碳储量高。0～30 cm土壤有机碳、全氮和有效氮储量在3个样地间差异显著，天然草地有机碳、全氮储量最高，比燕麦耕地多47%，天然草地有效氮储量最低，比燕麦地低21%。三个样地的全磷储量差异显著，其中燕麦地最高。

总体上，0～30 cm土壤中，耕种20年的燕麦地土壤有机碳和全氮储量比天然草地的显著低，年平均减少速率分别为1.78、0.16 t·hm-2·a-1；相比燕麦耕地，退耕8年的还林草地有机碳和全氮储量显著高，年平均增加速率分别为3.77、0.17 t·hm-2·a-1。

2.3 土壤活性养分储量

在0～30 cm土层中，开垦耕种20年的燕麦地微生物量碳储量比天然草地的低了64%；微生物量氮储量没有显著变化；轻组有机碳储量低了55%。退耕8年的还林草地微生物量碳储量和轻组有机碳储量比燕麦地分别高了59%、57%(表4)。土壤活性养分占全量养分的比例很低，微生物量碳、氮和轻组有机碳比例范围分别是0.53%～0.73%、1.25%～2.42 %、8.61%～10.93%(图1)。

表4 研究样地土壤微生物量碳氮和轻组有机碳储量(Mean±SE)Table 4 Soil microbial biomass carbon, nitrogen and light fraction organic carbon of the studied sites (Mean±SE)

2.4 土壤碳、氮、磷生态化学计量特征

3个样地中0～10、10～20、20～30 cm土壤C∶N、N∶P、C∶P和微生物量C:N值差异显著（表5）。C∶N变化范围为8.14～17.19，N∶P为1.38～3.56，C∶P为12.11～35.25，微生物量C∶N为1.56～8.10。退耕8年的还林草地中土壤C∶N、C∶P、微生物量C∶N比天然草地和燕麦地高，N∶P则是天然草地比退耕还林草地和燕麦地高。与燕麦地相比，0～10、10～20、20～30 cm还林草地土壤的C∶N升高了9%、40%、26%；N∶P高了48%、37%、43%；C∶P高了53%、63%、57%；微生物量C∶N高了58%、75%、81%。

2.5 影响土壤碳、氮、磷计量值的因素

三个样地中土壤C、N、P生态化学计量学的影响因子不一致（表6）。在天然草地中，各影响因素与土壤碳、氮、磷比的相关性均不显著，退耕还林草地中影响因素主要是含水量、pH、微生物量碳氮、轻组有机碳，燕麦地中的影响因素主要是含水量、容重、微生物量碳氮。总体上，影响祁连山北坡亚高山草地土壤碳、氮、磷生态化学计量的主要因子有土壤含水量、容重和微生物量碳氮。

图1 活性养分占全量养分的比例Fig.1 The proportion of active nutrient upon the total nutrient

3 讨论

研究区土壤容重和pH表现为随土层加深而增加，说明上层土壤较下层土壤疏松（王芳等，2010）。亚高山草地被开垦为燕麦耕地20年后，与天然草地相比，土壤0～30 cm有机碳、全氮储量分别低了49%、47%。这主要是因为燕麦收割之后，仅残茬和根系归还土壤，使土壤有机质的返还量明显降低；其次是耕作改变了土壤的通透性和孔隙度，土壤有机质分解加快，导致耕层土壤有机碳、全氮含量明显下降（曹静娟，2010）。

燕麦地退耕还林草8年后，与邻近的燕麦耕地相比，0～30 cm土壤有机碳、全氮储量分别高了82%、37%，但全磷和有效氮储量都较燕麦耕地的低。退耕还林草既减少了对土地的扰动，多年生苜蓿和杏树的存在又增加了地上凋落物、地下死亡根系和分泌物的量，逐渐提高了土壤碳、氮储量。燕麦耕地可能因为一定化肥的施用造成有效氮和全磷储量比天然草地和退耕还林草地都多。

退耕还林草地有机碳、全氮储量较天然草地稍低一些，这说明退耕还林草能有效地实现了土壤有机碳、全氮的积累，但还没有达到天然草地的积累量。孙志高等（2008）的研究表明湿地被开垦3年后，土壤全氮含量（0～20 cm）平均下降了76%，说明土壤有机碳和全氮必定会受到损失，但损失是多方面因素共同作用的结果，如开垦之前土地的利用情况，开垦年限等。苏永忠（2006）发现黑河中游边缘绿洲农田退耕种植苜蓿5年后，0～20 cm土壤有机碳储量提高了22%～28%，但全氮储量变化不显著。Song等（2014）指出，退耕还林（草）对土壤有机碳的影响基于以下4个方面。1）农田转变类型(森林或草原)，2)农田转化为森林的类型(林地、灌木地、果园或竹林)，3)农田转变为草地的恢复方法(人工草地或自然恢复草地)，4)退耕还林（草）年限（Song等, 2014）。所以，关于退耕还林（草）工程对土壤碳、氮、磷影响的研究结果有一定差异。

良好的土壤环境能显著提高土壤微生物活性，但翻耕等剧烈的措施会导致土壤微生物区系变化和微生物量显著下降（张成娥等，2002；宋日等，2002）。Salinas等（1997）报道草地垦耕将引起土壤微生物量碳大幅度降低。土壤微生物量碳占有机碳的比例一般维持在0.5%～5%的范围（Sparling， 1992），本研究结果中微生物量碳比例为0.53%～0.73%。本研究中微生物量碳和轻组有机碳比例都是燕麦地显著小于天然草地和退耕还林草地，而微生物量氮比例是燕麦耕地最高。退耕8年的还林草地轻组有机碳比例显著高于天然草地和燕麦耕地（图1），说明退耕种植杏树和苜蓿8年后，大量植物残体的归还显著增加了土壤轻组物质的来源。

表5 研究样地土壤碳、氮、磷计量值(Mean±SE)Table 5 The ratio of soil carbon、nitrogen、phosphoras on study sites (Mean±SE)

表6 C∶N、N∶P、C∶P与影响因子间的相关性分析Table 6 Correlation analysis between C∶N、N∶P、C∶Pand influencing factors

土壤碳氮磷的生态化学计量学特征除受到气候、土壤母质、地形和生物等成土因素的影响外，同时还受到人类活动的显著影响（王维奇等，2010）。土壤C:N通常被认为是土壤氮素矿化能力的一种标志，既可反映陆地生态系统中土壤微生物群落结构，又在一定程度上指示植被凋落物和根系残茬对土壤有机碳、氮的积累（王振等，2013；张良侠等，2014）。三个样地中0～10、10～20、20～30 cm土壤C∶N、C∶P和微生物量C∶N，都是退耕还林草地最高，表明退耕还林草8年有效增加了土壤有机碳储量，这与京津风沙源治理工程对草地土壤有机碳库的作用结果相似[33]，说明退耕还林草的碳汇作用较大。

4 结论

燕麦耕地和退耕还林草地由于有灌溉措施以及植被盖度大，所以含水量都较高。与燕麦耕地相比，退耕还林草地的土壤pH低了0.12～0.21。因为燕麦耕地每年有翻耕等农业措施，所以容重较退耕还林草地低。

祁连山北坡亚高山草地区域内，三种利用方式下土壤有机碳、全氮、全磷和有效氮、微生物量碳、氮和轻组有机碳储量有显著差异。它们的变化范围分别是9.72～27.32、1.13～2.76、0.60～0.88、0.014～0.022、0.039～0.182、0.017～0.035、0.87～2.94 t·hm-2。影响该区土壤碳氮磷生态化学计量比的关键因子有土壤含水量、容重和微生物量碳、氮。

土壤有机碳、全氮、和微生物量碳储量大小为天然草地＞退耕还林草地＞燕麦耕地。只有轻组有机碳储量是退耕还林草地＞天然草地，退耕还林草没有提高全磷储量。燕麦耕地的微生物量碳和轻组有机碳比例都是显著小于天然草地和退耕还林草地，而微生物量氮比例是燕麦耕地最高。退耕8年的还林草地轻组有机碳比例显著高于天然草地和燕麦耕地，这说明退耕还林草8年后，由于大量植物残体的归还显著增加了土壤轻组物质的来源。因此可以得出退耕还林草工程对土壤生态系统有一定的恢复作用，但没有恢复到天然草地的水平。

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Effect of converting cultivated land to forest-grassland on soil carbon, nitrogen and phosphoras in sub-alpine grassland region of north slope of Qilian Mountains

ZHANG Rui1, CAO Jingjuan1, GUO Ruiying2, LONG Ruijun1, SHANG Zhanhuan1*
1. State Key Laboratory of Grassland Agro-ecosystems, College of Pastoral Agriculture Science and Technology, Lanzhou University, Lanzhou 730020, China; 2. School of Life Sciences, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China

Soil organic carbon, nitrogen and phosphorus are extremely important ecosystems ecological factors, land use change will cause variation in soil organic carbon, nitrogen, phosphorus and other elements content. Measurement of soil organic carbon, total nitrogen and total Phosphoras storage on three land types sites, including natural grassland for grazing, oats cultivated land for 20 years and converting cultivated land to forest-grassland for 8 years, were carried out to detect the effect of converting cultivated land to forest-grassland on soil carbon nitrogen and phosphoras pools in sub-alpine grassland region of North slope of Qilian Mountains. The results showed that there was a significant impact among three different sites on soil carbon nitrogen and phosphoras storage（P＜0.05）. The organic carbon, total nitrogen storage of natural grassland（72.17、6.80 t·hm-2）were significantly higher than that of converting cultivated land to forest-grassland（66.75、4.96 t·hm-2）and oats cultivated land（36.61、3.61 t·hm-2）. This was because, first of all, the disturbance of natural grassland was less than that of converting cultivated land to forest-grassland and oats cultivated land. The second, for converting cultivated land to forest-grassland and oats cultivated land, because of the mowing of plants may lead to take more nutrients away from the soil than the return. The total phosphorus storage of the oats cultivated land (2.51 t·hm-2) was significantly higher than that of the natural grassland (2.17 t·hm-2) and the converting cultivated land to forest-grassland (1.96 t·hm-2). This was because that fertilizer had been put into the oats cultivated land, so the total phosphorus storage was highest. Compared to natural grassland, at the depth of 0 to 30 cm, the organic carbon and total nitrogen storage of oat cultivated land fell 35.56, 3.19 t·hm-2, the average annual reduction rate was 1.78, 0.16 t·hm-2·a-1; Compared to oats cultivated land, converting cultivated land to forest-grassland soil organic carbon and total nitrogen storage significantly increased 30.14, 1.35 t·hm-2, the annual average increase rate is respectively 3.77 and 0.17 t·hm-2·a-1. The light fraction organic carbon rate of converting cultivated land to forest-grassland for 8 years (10.93%) was significantly higher than that of natural grassland (9.72%) and oat cultivated land (8.61%). The import factors of affecting the ecological stoichiometric ratio about soil carbon nitrogen and phosphorus were soil moisture content, bulk density, and microbial biomass carbon and nitrogen. Converting cultivated land to forest-grassland has the important role of recovering the soil carbon, nitrogen, phosphorus, but in the short term it is difficult to restore soil properties to the level of natural grassland. Therefore, in order to improve and restore degraded soil ecosystem, converting cultivated land to forest-grassland project should vigorously implement and ensure a longer life span of converting cultivated land to forest-grassland.

north slope; Qilian Mountain; converting cultivated land to forest-grassland; natural grassland; oats cultivated land; soil carbon nitrogen and phosphoras

Q948

A

1674-5906（2014）06-0938-07

张蕊，曹静娟，郭瑞英，龙瑞军，尚占环. 祁连山北坡亚高山草地退耕还林草混合植被对土壤碳氮磷的影响[J]. 生态环境学报, 2014, 23(6): 938-944.

ZHANG Rui, CAO Jingjuan, GUO Ruiying, LONG Ruijun, SHANG Zhanhuan. Effect of converting cultivated land to forest-grassland on soil carbon, nitrogen and phosphoras in sub-alpine grassland region of north slope of Qilian Mountains [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(6): 938-944.

世界银行/全球环境基金项目(052456CHA-GS-Y-4)；教育部新世纪优秀人才支持计划(NCET-13-0261)；兰州大学中央高校基本科研业务费专项资金资助(lzujbky-2014-k05)

张蕊(1988年生)，女，硕士研究生，研究方向为草地生态学。E-mail：zhangr12@lzu.edu.cn *通信作者：尚占环。E-mail：shangzhh@lzu.edu.cn

2014-05-21