不同退化程度草原土壤有机质对水、氮资源梯度的响应

孙 丽，鲍雅静，胥 健

(兴安盟草原工作站，内蒙古 乌兰浩特市 137400)

不同退化程度草原土壤有机质对水、氮资源梯度的响应

孙 丽，鲍雅静，胥 健

(兴安盟草原工作站，内蒙古 乌兰浩特市 137400)

本文主要研究典型草原区两种不同退化程度草原，即轻度退化草原和重度退化草原对水、氮这两种资源的响应规律，意图找出这两种主要的生态因子作用于不同退化程度草原时的最适值，为典型草原区退化等研究方向提供相关依据。

土壤有机质；水分梯度；氮素梯度

作为土壤重要组成部分和代表一个主要碳库的土壤有机质在生态系统中扮演了一个十分重要的角色，它是植物的养分来源和土壤微生物生命活动的能量来源〔1〕。土壤有机质是植物所需多种营养元素(如氮、磷)的主要来源。土壤有机质既影响植被的生长发育,其含量大小又对其他营养元素也产生一定的影响,相应地影响到植物地上生物量〔2〕。而植物地上生物量的多少又直接反映土地的生产能力,所以土壤有机质含量及其动态平衡是反映土壤质量和草地健康的重要指标,直接影响着草地生产力〔3〕。通过比较和总结土壤有机质研究历程，我们可以看到随着社会的发展、自然环境的演变以及人类自身需求的转变，土壤有机质的作用和重要性不再局限于对土壤肥力的影响，研究目的也不再仅仅为提高肥力，增产增收服务。近几十年来，全球气候变化、生态环境恶化等问题愈加严重，许多生态系统遭受到严重的迫害，改善与恢复已逐渐成为未来的主题，土壤有机质不仅对土壤的各种物理、化学、生态性状和土壤肥力具有决定性作用和深刻影响，而且土壤有机C库的变化与全球气候变化密切相关，在这种情况下，人们不再对通过增加土壤有机质而改善土壤肥力感到满意，土壤有机质研究已被看成是一个能够大范围缓解大气CO2浓度上升的沉积库，将进一步与大气圈、生物圈联系起来，并在以后的生态系统恢复等方面发挥巨大作用。

1 试验区自然概况和研究方法

1.1 自然概况

试验地点位于内蒙古锡林郭勒盟锡林河流域中游白音锡勒地区，属于内蒙草原带的典型草原地带。试验区气候属于温带半干旱草原气候(陈佐忠等，2000)，白音锡勒牧场和中国科学院内蒙古草原生态系统定位站 30 多年的气象记录表明，该区年降水量在 345 mm 左右，主要集中在6-8月。试验区地理坐标为北纬 43°31′— 43°33′、东经 116°39′— 116°43′。该区的草原不仅在中国温带草原区具有较强的典型性，而且对整个欧亚大陆草原区来讲也有明显的代表性。试验区内最主要的土壤为暗栗钙土。

羊草草原是本地区分布最广的草原类型，群落内的植物种类组成比较丰富，主要有羊草、大针茅、丛生禾草和一些杂类草等。

1.2试验设计

1.2.1 试验样地选取及编号

本研究选择的试验样地位于中国科学院内蒙古草原生态系统定位研究站研究区样地附近，试验样地设置如下：

(1)重度退化样地：当地牧民长期自由放牧样地，已发生严重退化，试验第一年围封作为试验样地，文中简称为：YT样地。

在YT样地里选取一块约为14*22m2的区域，由东至西设置4列3*4 m2的样方，共5排。标号1-20，该区域用标号在文中简称：YT-N。

在YT样地里选取另一块地貌与YT-N类似的区域，挖取25*38*30cm3原状土20份，用防水塑料膜包裹放于固定容器内，移至它处进行试验。该区域取出的20份原状土分别编号为1-20，该试验样地在文中简称为：YT-H。

(2)轻度退化样地：该样地选在距离YT样地约1000米处的当地牧民打草场，每年秋季打草一次，属于轻度退化草原，于试验第一年年初围封作为试验样地，在本文中简称：YY样地。

在YY样地里选取一块约为14*22 m2的区域，由南至北设置4列3*4 m2的样方，共5排。标号1-20，该区域用标号在文中简称：YY-N。

在YY样地里选取另一块与YY-N类似的区域，挖取25*38*30 cm3原状土20份，用防水塑料膜包裹放于固定容器内，移至它处进行试验。该区域取出的20份原状土分别编号为1-20，该试验样地在文中简称为：YY-H

1.2.2 试验设计

YT-N样地与YY-N样地进行的是氮素添加梯度的试验。试验施用氮肥，设计了四个处理，分别为0g/m2, 30g/m2, 50g/m2, 80g/m2，模拟从低氮到高氮生境，每个处理有5个重复。在1-20号样方内采取随机区组的方式随机决定每个样方施用氮肥的量。

YT-H样地和YY-H样地进行的是水分梯度试验。根据当地生长季4-10月降雨量数据，经计算设计了四个梯度，分别为0.5L/5d，1.0L/5d，1.5L/5d，2.0L/5d。其中0.5L/5d模拟的是最旱年的生长季降雨量150mm，1.5L/5d模仿的是生长季降雨量丰富的年份,为450mm。同样，每个处理有5个重复。各个样方已经经过隔水处理，没有侧渗等因素干扰，下雨时用透明防水塑料膜将整块样地盖上，雨停后揭开塑料膜，以达到与自然环境相一致的光照等状况。

1.3数据测定

本次试验土壤有机质的测定采用的是重铬酸钾氧化法

1.4数据统计分析

试验数据用Excel软件整理后，采用SPSS13.0进行了单因素方差分析(ANOVE)，相关性分析(Correlations)

2 两类草原土壤有机质状况及分析

表1 两类草原本底调查数据

从表1可以看出，轻度退化草原的土壤养分状况较重度退化草原要好，对植物的生长更为有利，这一点在其地上与地下生物量这两个指标上被充分反映。本文主要是针对两类草原在不同水分梯度与氮素添加条件下响应的规律加以研究，所以在此说明，在自然条件下轻度退化草原土壤中的有机质含量、全氮含量几其含水量均高于重度退化草原。

3对水分资源的响应

3.1轻度退化草原

图1 试验第三年轻度退化草原土壤有机质数据结果

对比可知，试验第三年各层土壤有机质含量皆低于本底调查值，在此基础上经统计分析可知，轻度退化草原土壤有机质含量的变化趋势在各土层呈现不同的变化规律：土壤有机质含量在表层(0-10cm)随着水分梯度的增加表现为明显的上升趋势，在第二层(10-20cm)，则呈随水分梯度先增加后降低的趋势，在450ml处时达到最大值，且与本底值相差不大，而第三层随水分梯度几乎没有变化。

3.2重度退化草原

图2 试验第三年重度退化草原土壤有机质数据结果

对比可知，试验第三年各层土壤有机质含量皆略高于本底调查值，在此前提下，图2表明，重度退化草原土壤有机质含量在0-10cm、10-20cm及20-30cm这三个土层间的变化规律大体一致，都是先随着水分梯度的增加而增加，在450ml处时达到最大值，而后有所下降，其中在10-20cm这一土层变化的较为明显，在统计学上表现为显著差异。

3.3两类草原间的比较

经比较，两类草原土壤有机质含量的变化规律具有一定相似性与差异性：相同点是都在一定程度上随着水分的增加而增加，第三层响应程度不显著；不同点是轻度退化草原土壤表层有机质含量一直随着水分的增加而增加，而重度退化草原在450ml达到峰值而后有所下降。

4 对养分资源的响应

4.1 轻度退化草原

图3 试验第二年轻度退化草原土壤有机质对氮素梯度的响应

图4 试验第三年轻度退化草原土壤有机质对氮素梯度的响应

从以上图中可以看出，试验第二年与第三年试验结果在大体规律上表现一致，但也存在一定的差异，从均值角度来看，轻度退化草原土壤有机质含量在这连续两年内都呈随氮素的添加先增加而后减少的趋势，在施氮量为30g/m2时为最大值，不过从统计学上来讲，这一点在2009年时的0-10cm、10-20cm这两个土层表现得最为明显，其余皆表现为无显著差异。

4.2重度退化草原

图5 试验第二年重度退化草原土壤有机质对氮素梯度的响应

图6 试验第三年重度退化草原土壤有机质对氮素梯度的响应

由图可以看出，试验第二年重度退化草原各个土层的有机质含量在不同氮素梯度下均无显著差异，不过就均值角度来讲，0-10cm、10-20cm两个土层表现为30g时最高，20-30cm这一土层则表现为有机质含量随着氮素梯度的增加而增加的趋势；试验第三年0-10cm、10-20cm两个土层有机质含量在不同氮素梯度下均无显著差异，但仍为30g时最高，20-30cm这一土层表现为有机质含量随着氮素梯度的增加而增加的趋势。

4.3两类草原间的比较

轻度退化草原与重度退化草原的土壤有机质含量在对氮素梯度的响应上规律大致相同，都表现为在施氮量为30g/m2时达到最高。

5 讨论与结论

5.1 表层(0-10cm)土壤有机质的来源大多依靠与植物地上部分和这一层植物根系的分解，第二层(10-20cm)与第三层(20-30cm)土壤有机质主要来源于本层自身的根系分解以及淋溶所得，所以对于文中不同退化草原各个土层土壤有机质含量的变化规律可能是因为：轻度退化草原植物地上部分的生长状况直接受到水分梯度的影响，表现出随着水体度的增加而增加的趋势，且在本次试验所设水分梯度上未达到植物所需水量上限，在地下10-20cm这土层间的根量在水分梯度为1.5L/5d时为最大量，在第三层植物根系分布相对较少，所以在水分梯度上的变化不大；重度退化草原物地上部分的生长状况受到水分梯度的影响并不是十分强烈，且在水分梯度为1.5L/5d时为最大量，在这之后又有所下降可能是因为水分不再是影响植物生长的限制因子，在地下10-20cm这土层间的根量在水分梯度为1.5L/5d时为最大量，且表现相对显著，也就是说水分对该土层植物根系的影响最为明显，第三层同轻度退化草原一样因为根系分布相对较少，所以在水分梯度上的变化不大，不过仍然表现为在水分梯度为1.5L/5d时为最大量这一规律。

5.2 氮素是叶绿素的组成成分，叶绿素a和叶绿素β都是含氮化合物。绿色植物进行光合作用，使光能转变为化学能，把无机物(二氧化碳和水)转变为有机物(葡萄糖)是借助于叶绿素的作用。当氮素充足时，植物可合成较多的蛋白质，促进细胞的分裂和增长，因此植物叶面积增长快，能有更多的叶面积用来进行光合作用，所以氮素是植物生长的重要影响因素。之前说到土壤有机质含量的多少其实是受到植物地上与地下的生长状况所决定的，所以土壤有机质越高也就意味着该梯度水平下的植物生长状况越好，而轻度退化草原与重度退化草原的土壤有机质含量皆表现出在施氮量为30g/m2时为最大值，就是表明施氮量为30g/m2是四种氮素梯度中草原植物生长所需氮素含量的最适值。

5.3 经对比可知，两种不同退化草原对水分资源的响应受其自身的植被类型以及土壤状况所影响，两类草原间的差异在一定程度上影响着土壤有机质对水分梯度的响应规律，轻度退化草原植物生长对水分的需求量要高于重度退化草原；而在氮素资源方面两类草原对其响应规律则是大致相同，两类草原间的差异影响并不大。

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S812.2

A

2095—5952(2014)03—0057—04

2014—04—22

孙 丽(1984— )，女，内蒙古兴安盟人，从事草原保护与建设工作。