不同干扰方式对内蒙古典型草原土壤有机碳和全氮的影响

2015-12-06杨勇宋向阳咏梅李兰花陈海军王保林陈国清王瑞利刘爱军王明玖

生态环境学报 2015年2期

杨勇，宋向阳，咏梅，李兰花，陈海军，王保林，陈国清，王瑞利，刘爱军*，王明玖*

1. 内蒙古农业大学生态环境学院，内蒙古呼和浩特 010019；2. 内蒙古自治区草原勘察规划院，内蒙古呼和浩特 010051；3. 内蒙古包头市草原工作站，内蒙古包头 014010；4. 内蒙古自治区生物技术研究院，内蒙古呼和浩特 010071

杨勇1,2，宋向阳2，咏梅3，李兰花2，陈海军4，王保林2，陈国清1，王瑞利1,4，刘爱军2*，王明玖1*

为准确把握草原生态保护与修复工程的实施效果，并为北方草地生态保护和优化管理提供有效的科学支持，选择内蒙古典型草原退牧还草工程区为研究对象，采用野外成对取样（围栏内-围栏外）与室内分析相结合的方法，研究了休牧、补播和自由放牧3种人为干扰方式对土壤容重、含水量、有机碳和全氮含量的影响。结果表明：在0～30 cm土层，随深度的增加，不同干扰方式对各指标的影响不同，但总体上草原土壤含水量、有机碳和全氮含量表现为补播﹥休牧﹥自由放牧（P<0.05）；土壤容重为自由放牧>休牧>补播（P<0.05）。随土层深度增加，除土壤容重无显著变化外（P>0.05），土壤有机碳和全氮含量均呈现显著下降（P<0.05）；土壤含水量则相反，其中，补播处理降幅最小，自由放牧处理降幅最大。0～30 cm各土层土壤容重与土壤含水量、土壤有机碳和全氮含量都成极显著负相关关系（P<0.0001），而土壤含水量、有机碳和全氮3项指标间相互成显著正相关关系（P<0.0001）。综上所述，不同干扰方式对草地土壤理化性状有明显影响，自由放牧加速了草地土壤有机碳和全氮的损失，而补播和休牧对遏制草地退化、恢复草地功能起到了积极的作用。

补播；休牧；自由放牧；典型草原；土壤有机碳；土壤全氮；土壤含水量

草地生态系统不仅为人类提供了肉、奶、皮毛等具有直接市场价值的产品，同时具有维持大气成分、调节气候、维系生物基因库、固定CO2、涵养水源、保持水土、防风固沙、改良土壤、抚育和传承多民族文化等极其重要的服务功能（Costanza等，1997；谢高地等，2003；刘兴元等，2011）。然而，自20世纪80年代以来，由于放牧、开垦、气候变化、国家投入不足以及牧区政策偏差导致我国草地大面积退化（Tong等，2004；白永飞等，2014）。为遏制草原退化，我国政府采取了积极的应对策略，通过一系列人为干扰措施恢复退化草地，如京津风沙源治理工程、退牧还草工程以及草原生态保护补助奖励机制等。这些重大生态工程的主要措施包括：围封禁牧、季节休牧、实施草畜平衡、补播以及人工草地建立等。目前，生态工程实施效果已成为各级政府及广大学者关注的焦点（张良侠等，2014；鄢燕等，2014；王娅等，2014）。

土壤是影响植物群落物种组成和群落动态的关键因素，土壤养分状况往往制约着生态系统的演替过程和对环境变化的响应（Barbara等，1999；刘忠宽等，2006；Bart等，2001）。研究表明，围封草地土壤有机质、全氮均显著高于放牧地（Wolde等，2007）。在科尔沁沙化草地，围封10年土壤有机质含量增加，土壤容重减小。但与植被相比，围封后土壤恢复需要一个更缓慢的过程（苏永中和赵哈林，2003）。放牧对土壤碳氮贮量的影响受放牧方式、土壤特性和植物群落组成多种因素的影响（Reeder和Schuman，2002；闫瑞瑞等，2014），所以放牧和土壤碳、氮之间存在复杂的相互关系，即或呈现正相关，或呈负相关（Milchunas和Laurenroth，1993）。有研究表明，放牧家畜的采食减少了凋落物分解，导致归还到土壤中的养分减少，降低了土壤有机质和全氮含量（安慧和李国旗，2013；Derner等，2006；Zhao等，2007），也有研究认为放牧增加了土壤碳含量（Altesor等，2006；Derner等，1997；Weinhold等，2001；Schuman等，1999）。目前，有关退牧还草生态工程所采取的围封补播、休牧等人为干扰措施，对退化草地土壤理化性状有怎样的影响仍缺乏系统研究，不同的生态工程措施实施效果怎样？各种措施间有怎样的差异？以及怎样利用干扰措施来恢复退化草地的土壤生态系统，以保护草地生物多样性，提高草地生态系统生产力，仍需要我们进行大量的研究工作。

为此，本研究以内蒙古退牧还草工程的主要区域——呼伦贝尔市新巴尔虎右旗典型草原为研究对象，基于退牧还草生态工程的不同干扰措施，对休牧、补播和自由放牧3种不同人为干扰方式下的土壤理化性状变化规律进行了较为系统的研究，以实现对草原生态保护与修复工程实施效果的准确把握，为有效评估生态恢复建设工程的生态环境效应以及进一步的规划、决策提供参考，从而为我国北方草地生态保护及优化管理决策提供有效的科学支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验区位于新巴尔虎右旗境内，地理位置（图1）为 E115°31′～117°43′，N47°36′～49°50′。该区域属中温带大陆性半干旱气候，多年平均降水量为220～280 mm，由北向南递减，年均温0.30 ℃，无霜期128 d。冬季干燥寒冷，平均气温为-22.5 ℃，平均降水量为7.5 mm，仅占全年降水量的2%。夏季温和湿润，平均降水量为186.0 mm，占全年降水量的75%。试验样地属于温性典型草原，主要植物为大针茅（Stipa grandis）+糙隐子草（Cleistogenes squarrosa）。土壤类型为栗钙土和暗栗钙土（杨勇等，2012）。研究区于2002年开始实施退牧还草生态工程，主要措施有围栏封育、围封补播和春季休牧等。

图1 研究区域地理位置Fig. 1 Location of study area

1.2 试验设置

研究区草地在 2002年前为有偿承包到户的放牧场，2002年启动退牧还草试点工程后，划分出了春季休牧草地。2005年全面实施退牧还草工程后，对未实施春季休牧的部分草地进行了围封补播，补播植物为蒙古冰草（Agropyron mongolicum），补播后禁牧2年，第3年开始进行秋季打草。

2011年，在研究区选择休牧草地、补播草地以及相对应的围栏外自由放牧草地内各设置1块生境基本相同的草地作为试验样地（表1），样地大小为300 m×300 m。由于休牧草地和补播草地相邻，且具有相同的原生植被，因此在休牧草地和补播草地相对应的围栏外，只设一个自由放牧草地作为对照试验样地。在样地选择时充分考虑了坡度、坡向、距离河流距离等自然生境，尽量选取地形地貌一致的样地。样地的地势较为平坦（坡度<5°）。

表1 试验样地描述Table 1 Description of experimental sites

本研究以放牧时间及利用频率作为反映利用强度的指标（马建军等，2012）。自由放牧草地为全年放牧，放牧频率高，划分为重度利用；休牧草地在 4─6月份不放牧，其他放牧时间严格执行以草定畜，放牧频率适中，划分为中度利用；补播草地前2年禁牧，第3年开始进行秋季打草，利用频率较低，为适度利用。

1.3 土壤样品采集

于2011年8月中旬对土壤样品进行一次性采集，并保证所有样品在3 d内采集完毕。在已选择好的每个试验样地内分别设3个半径为30 m的样圈，样圈间隔50 m，每个样圈以圆心为始点布设夹角为120°的3条样线，在每条样线上距圆心15 m处设1个取样点（1 m×1 m），每个样地共计9个采样点。用土钻（直径4 cm）按3点取样法分0～10、10～20、20～30 cm共3层取样，混合后分别装入封口袋带回实验室，用于土壤理化性状测定。本次试验共采集81个土壤样品。

1.4 土壤特性测定

土壤容重测定：分0～10、10～20、20～30 cm共3层采用环刀法取土进行测定；土壤全氮的测定采用凯氏定氮法；土壤有机碳的测定采用重铬酸钾容量法—外加热法；土壤含水量测定采用105 ℃下烘干法。

1.5 数据处理与分析

所有试验数据采用Excel 2003进行初步整理；采用one-way ANOVA对补播、休牧及自由放牧样地的土壤有机碳、全氮、含水量和容重等数据进行显著性检验（P<0.05）；将不同干扰方式和不同土层下的数据合并，采用回归分析方法，分析土壤有机碳、全氮、含水量和容重之间的相互关系，并用SigmaPlot 12.0绘制散点图；统计分析均由 SPSS 19.0软件完成。

2 结果与分析

2.1 不同干扰方式对土壤容重和土壤含水量的影响

不同干扰方式下，草原土壤容重表现为自由放牧处理>休牧处理>补播处理，在0～10和10～20 cm土层差异显著（P<0.05）；在20～30 cm土层，自由放牧显著大于补播和休牧（P<0.05），而补播和休牧间无显著差异（P>0.05）（图2A）。在0～30 cm土层间，土壤含水量表现为补播>休牧>自由放牧（P<0.05）（图2B）。

图2 不同干扰方式下土壤容重和土壤含水量变化Fig. 2 The soil bulk density and moisture content under different disturbance types

在土壤剖面上，各干扰方式的土壤容重在不同土层间均无显著差异（P>0.05）（图2A），但土壤含水量总体上表现出沿土层深度增加而增加的趋势，尤其是20～30 cm土层的含水量增加显著（P<0.05）（图2B）。

2.2 不同利用方式对土壤有机碳的影响

在0～30 cm土层，草原土壤有机碳含量表现为补播>休牧>自由放牧，且在3种干扰方式间差异都达到显著水平（P<0.05）（图3A）。说明合理的干扰方式有利于土壤有机碳的积累。

不同干扰方式对土壤有机碳垂直分布影响不同，土壤有机碳含量总体上表现为随土层深度增加而减小（P<0.05）（图3A）。与0～10 cm土层相比，20～30 cm 土层的有机碳下降幅度在 14.30%～35.93%之间，其中补播草地降幅最小，自由放牧草地降幅最大。休牧草地和自由放牧草地，土壤有机碳在各土层间都达到差异显著水平（P<0.05）；在补播草地 0～10和 10～20 cm 土层差异不显著（P>0.05），但两者显著高于20～30 cm土层（P<0.05）（图3A）。

2.3 不同利用方式对土壤全氮的影响

0～30 cm土层，草原土壤全氮含量表现为补播>休牧>自由放牧，但仅在10～20 cm土层，不同干扰方式间差异显著（P<0.05）。在0～10 cm土层，土壤全氮在补播和休牧间无显著差异（P>0.05），但两者显著大于自由放牧（P<0.05）。在20～30 cm土层，土壤全氮在休牧和自由放牧间无显著差异（P>0.05），但两者显著小于补播（P<0.05）（图3B）。总体上说明补播及休牧有利于土壤全氮的积累。

在土壤剖面上，全氮含量表现为 0～10 cm土层>10～20 cm土层>20～30 cm土层（图3B）。不同干扰方式草地土壤全氮减小幅度在12.15%～29.22%之间，其中补播降幅最小。除自由放牧外，其他干扰方式草地的土壤全氮含量在不同土层间都达到显著差异水平（P<0.05）。

图3 不同干扰方式下土壤有机碳和全氮变化Fig. 3 The soil organic C and total N content under different disturbance types

2.4 土壤理化性质间的相互关系

回归分析表明，0～30 cm土层的土壤有机碳、土壤全氮及土壤含水量与土壤容重呈极显著的负相关线性关系（P<0.0001），即随着土壤容重的增大，土壤有机碳、全氮及含水量在减小；土壤有机碳和土壤全氮与土壤含水量呈极显著的正相关线性关系（P<0.0001），土壤有机碳与土壤全氮重也呈极显著的正相关线性关系（P<0.0001）（图4）。这也说明土壤系统各性状指标不是孤立发生作用，而是相互作用、相互联系的有机整体。

3 讨论

自由放牧草地没有围栏防护，家畜全年任意采食，无法定量化计算草地实际载畜率，但草地放牧频率高，承载的放牧强度趋向于重度放牧水平。休牧草地在 4─6月份不放牧，其他放牧时间严格执行以草定畜，放牧频率适中，属中度利用。补播草地前2年禁牧，第3年开始进行秋季打草，利用频率较低，为适度利用。由于缺乏试验样地的背景资料及长序列的监测资料，不能直接揭示该区域哪种干扰方式会造成草地土壤系统发生怎样的改变。但是，由于休牧草地和补播草地相邻，且具有相同的原生植被，除干扰类型不同外，地形气候等生境条件一致，因此本研究横向对比了经过不同干扰后的土壤理化性状。

围封补播是退化草地恢复与重建的重要措施之一，也是退化草地恢复治理的有效途径之一。本研究结果表明，与休牧和自由放牧干扰方式相比，围封补播使土壤含水量、有机碳和全氮含量显著提高，土壤容重则降低，这与其他研究者所得出的结论一致（许中旗等，2006；蒋德明等，2013）。因为补播能大幅度提高草地生产力，增加植被多样性和盖度（Wang等，2006；张永超等，2012；郑华平等，2009），从而可以有效防止水土流失造成的土壤养分损失。本试验中补播样地的处理方式，一方面大量凋落物的归还增加了土壤的碳贮量；另一方面群落状况的改善使土壤受到的侵蚀减少，保护了有机碳含量较高的表层土壤，提高了土壤有机碳的含量（闫玉春等，2009；李强等，2014）。有研究表明，1年割1次的刈割制度是对内蒙古大针茅草原较为合理的利用强度（呼格吉勒图等，2009），刈割草地土壤微生物的数量大于放牧草地（朱瑞芬等，2012），这可能也是补播草地理化性状好于其他干扰方式的重要原因。

干扰方式不同对草地土壤理化性质的影响也不相同。放牧作为草原最主要的利用方式，是人类施加于草地生态系统最大的影响因素。放牧家畜通过践踏、啃食和排泄导致草地土壤的理化性状产生变化（高英志等，2004；侯扶江等，2004）。杨红善等（2009）研究发现，随着放牧强度的增加，家畜对土壤的压实作用加强，导致土壤容重逐渐增加和土壤含水量降低。李凌浩（1998）对内蒙古锡林河流域羊草草原研究结果表明，过度放牧使羊草草原表层土壤（0～20 cm）中碳贮量下降了约12.4%。Steffens等（2008）也研究发现，随着放牧强度的增加，土壤有机质、总氮含量显著降低。本研究中休牧草地除土壤容重低于自由放牧草地外，土壤含水量、有机碳和全氮含量都显著高于自由放牧草地（P<0.05），该结论进一步印证了以上研究结果。说明对于因长期过度放牧而导致退化的草地，休牧对其土壤状况有积极的改善。在内蒙古草地，基于多个放牧强度的大型放牧试验的研究结果表明，放牧草地存在碳固持/碳流失的内在转化阈值，即放牧强度阈值（He等，2011；闫瑞瑞等，2014），轻度放牧可提高典型草原土壤碳、氮贮量，随着放牧强度增加，土壤碳、氮贮量降低。总体上，围封补播和休牧有效地改善了草地生态系统的土壤理化性状，对遏制草地退化、恢复草地功能起到了积极的作用。

图4 土壤有机碳、土壤全氮、土壤含水量及土壤容重之间的关系Fig. 4 Correlation between soil organic C, soil total N, soil moisture content and soil bulk density

不同干扰方式也影响土壤理化性状指标在土壤剖面上的垂直分布。本研究中，除土壤容重随土层深度增加无显著变化外（P>0.05），土壤含水量总体上表现出沿土层深度增加而增加的趋势（P<0.05），土壤有机碳和全氮均随土层深度的增加而显著下降（P<0.05），这与许中旗等（2006）的研究结果一致。土壤有机碳下降幅度总体上以补播最小，自由放牧最大。说明自由放牧加速了草地土壤有机碳和全氮的损失。

相关性分析得出土壤容重与土壤含水量、土壤有机碳和全氮都成极显著负相关关系（P<0.01），而土壤含水量、有机碳和全氮3项指标间相互成显著正相关关系（P<0.01），这一结果与他人的研究结果是一致的（王淑平等，2005；李晓东等，2009；孙世贤等，2013）。另外，土壤容重、土壤含水量、土壤有机碳及土壤全氮间互成极显著的线性关系（P<0.0001）。说明草地生态系统内部的各养分不是独立产生作用，而是相互联系、相互作用的有机整体。建议在今后的研究中从系统的角度出发，分类选取多种指标，以更加全面地揭示草地土壤系统对人类活动的响应机理。

4 结论

（1）不同干扰方式对草地土壤理化性状有明显影响，但不同指标对干扰方式的响应不同。围封补播有利于土壤有机碳和全氮的积累以及提高土壤含水量，而自由放牧在降低土壤有机碳、全氮和含水量的同时，使土壤容重增大。0～30 cm土层内，随着土层深度的增加，土壤有机碳和全氮呈现显著下降，其中补播草地降幅最小，自由放牧草地降幅较大，土壤含水量则随土层深度增加而增大，而土壤容重无显著变化。

（2）草地土壤系统各性状指标是相互作用、相互联系的有机整体，土壤容重与土壤含水量、土壤有机碳和全氮都成极显著负相关关系，而土壤含水量、有机碳和全氮 3项指标间相互成显著正相关关系。

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Impacts of Different Disturbances on Soil Organic Carbon and Total Nitrogen of Typical Steppe in Inner Mongolia

YANG Yong1,2, SONG Xiangyang2, YONG Mei3, LI Lanhua2, CHEN Haijun4, WANG Baolin2, CHEN Guoqing1, WANG Ruili1,4, LIU Aijun2*, WANG Mingjiu1*
1. College of Ecology and Environmental Science, Inner Mongolia Agricultural University, Huhhot 010019, China; 2. Inner Mongolia Institute of Grassland Survey and Planning, Huhhot 010051, China; 3. Baotou Grassland Workstation, Baotou 014010, China; 4. Inner Mongolia Institute of Biotechnology, Huhhot 010070, China

To accurately understand the effect of “Grassland ecological protection and restoration program” and to provide effective scientific support for northern grassland's ecological protection and optimal management, a typical grassland of “Returning Grazing Land to Normal Grassland Project” was chosen as the research site for grassland condition monitoring. The integrating method of outdoor sampling (in-fence & out-fence) and indoor analyzing was used to analyze the impacts of three kinds of human interference, non-grazing, reseeding and free-grazing on soil density, soil moisture content, organic carbon and the total nitrogen content. The results showed that with the increase of soil layer from 0～30 cm, soil moisture, organic carbon and total nitrogen contents ranked in different treatments as reseeding>non-grazing>free-grazing (P<0.05); the soil density ranked as free-grazing>non-grazing>reseeding (P<0.05). With the increase of soil depth, the soil density showed no significant change (P<0.05), while soil organic carbon and total nitrogen contents decreased significantly (P<0.05); soil moisture content was opposite. The soil density was significantly negatively correlated to the soil moisture, soil organic carbon and total nitrogen contents at each layer (P<0.0001), whereas the soil moisture , organic carbon and total nitrogen contents were positively correlated each other (P<0.0001). To sum up, different treatments of interference got significant effects on the physical and chemical properties of the soil. Free-grazing accelerated the loss of the soil organic carbon and total nitrogen, while non-grazing and reseeding played an effective role in halting the grassland degradation and recovering grassland function.

reseeding; non-grazing; free-grazing; typical steppe; organic carbon; total nitrogen; soil moisture

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.02.004

Q948

1674-5906（2015）02-0204-07

杨勇，宋向阳，咏梅，李兰花，陈海军，王保林，陈国清，王瑞利，刘爱军，王明玖. 不同干扰方式对内蒙古典型草原土壤有机碳和全氮的影响[J]. 生态环境学报, 2015, 24(2): 204-210.

YANG Yong, SONG Xiangyang, YONG Mei, LI Lanhua, CHEN Haijun, WANG Baolin, CHEN Guoqing, WANG Ruili, LIU Aijun, WANG Mingjiu. Impacts of Different Disturbances on Soil Organic Carbon and Total Nitrogen of Typical Steppe in Inner Mongolia [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(2): 204-210.

国家林业局林业公益性行业科研专项（201204202）；内蒙古自治区科技计划项目“不同生态类型区域生态评估及风险预测技术研究”（2014年3月8日立项）；内蒙古自治区研究生教育创新计划资助项目（B20141012907Z）；内蒙古自治区科技计划项目（20130438）；呼和浩特市科技计划项目（2013150103000036）

杨勇（1984年生），男，博士研究生，助理研究员，研究方向为草地生态学。E-mail: yangyong606@Gmail.com *通信作者：E-mail: wangmj_0540@163.com；Liuaj_81@163.com

2014-11-28