不同恢复措施对宁夏典型草原土壤碳氮储量的影响

周瑶，马红彬1,*，贾希洋，张蕊，宿婷婷，周静静，吴兴旺

(1.宁夏大学西北土地退化与生态恢复省部共建国家重点实验室培育基地，宁夏 银川 750021；2.宁夏大学农学院，宁夏 银川 750021)

不同恢复措施对宁夏典型草原土壤碳氮储量的影响

周瑶2，马红彬1,2*，贾希洋2，张蕊2，宿婷婷2，周静静2，吴兴旺2

(1.宁夏大学西北土地退化与生态恢复省部共建国家重点实验室培育基地，宁夏 银川 750021；2.宁夏大学农学院，宁夏 银川 750021)

为探讨不同恢复措施下草原土壤有机碳、全氮储量特征的变化，以宁夏黄土丘陵区典型草原为对象，对放牧(对照GG)，封育(EG)，水平沟(CG)和鱼鳞坑(FG)3种不同恢复措施下0～40 cm土壤有机碳、全氮储量进行研究。研究表明:1)土壤有机碳和全氮含量以封育草地最高，分别为30.35和2.92 g/kg，放牧草地次之，水平沟草地最低(P<0.05)；C/N表现为封育最高，水平沟次之，放牧草地最低；各措施下土壤有机碳和全氮含量随着土层加深整体呈下降趋势。2)土壤有机碳和全氮密度呈封育和放牧草地较高，鱼鳞坑居中，水平沟最低。各恢复措施下有机碳密度随着土层加深而降低，全氮密度无明显规律。3)土壤碳氮储量表现为封育草地>放牧草地>鱼鳞坑草地>水平沟草地。禁牧封育更有利于该区典型草原土壤有机碳和全氮储量的积累。

恢复措施；典型草原；土壤碳氮含量；碳氮密度；碳氮储量

土壤有机碳和全氮是土壤养分的重要组成部分，全球土壤碳库中，有机碳储量占62%，约为大气碳库的2倍、陆地生物量的2.5倍[1-2]。草地土壤有机碳和全氮可直接影响整个草地生态系统碳氮的稳定性和持续性，对全球碳氮循环、缓减温室效应有深远的影响[3]。已有报道发现草地利用方式对土壤有机碳和全氮含量影响显著[4]，耕地演替为草地后，土壤有机碳和全氮储量显著提高[5]；不同土地利用方式下，弃耕地可有效提高土壤有机碳和全氮含量[6]；晋西北黄土丘陵区人工林可显著提高土壤碳氮储量[7]。放牧是对草原影响最广泛的土地利用方式，长期连续放牧使土壤有机碳和全氮储量降低，导致土壤有机碳、全氮流失，草地土壤生产力下降[8]。封育是退化草地植被恢复的主要措施之一，有研究表明封育后植被恢复可使草地土壤有机碳和全氮得以累积，长期封育下，典型草原土壤有机碳和氮储量明显提高[9]；封育、浅翻耕等恢复措施下退化草原土壤有机碳和全氮储量均有明显提高[10]。有研究表明，半干旱黄土高原地区，水平沟和鱼鳞坑可有效提高土壤养分含量[11]；宁夏黄土丘陵区，放牧草地实施水平沟和鱼鳞坑整地后，土壤养分含量增加[12]。可见，植被恢复对草地土壤有机碳和氮的影响明显。

目前，宁夏黄土丘陵区典型草原已全部实施了封育禁牧措施，水平沟、鱼鳞坑地表扰动面积已占到整个丘陵草原面积的20%以上。一些研究发现水平沟和鱼鳞坑整地后，较放牧草地而言，可明显提高草地土壤水分和养分的含量[12-13]，但目前有关生态恢复措施下宁夏典型草原生态系统碳、氮储量变化还需进一步研究，水平沟和鱼鳞坑措施下碳氮储量的研究更是鲜有报道。因此，本研究以宁夏典型草原为对象，对封育、水平沟和鱼鳞坑3种恢复措施下草地土壤有机碳、氮储量的变化特征进行研究，为该区退化草地生态恢复提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验区位于宁夏南部云雾山国家自然保护区，介于东经106°21′-106°27′，北纬36°10′-36°17′。海拔1800～2150 m，为典型的黄土低山丘陵区。属于典型的中温带大陆性气候，年均气温5 ℃，≥0 ℃的年积温2882 ℃，年无霜期137 d，年降水量445 mm。地带性土壤主要为山地灰褐土，pH在8.1左右。地带性植被为典型草原，优势种为本氏针茅(Stipabungeana)、伴有大针茅(S.grandis)、百里香(Thymusmongolicus)等。

1.2 样地设置及样品的采集测定

2016年7月，在试验区坡度、坡向、坡位和海拔等基本一致的地段，选择2001年实施的封育草地(exclosure grassland, EG)、鱼鳞坑草地(fish-scale pits grassland, FG)和水平沟草地(contour trench grassland, CG)为研究对象，以放牧草地(未封育草地，grazed grassland, GG)为对照，3次重复。样地植被特征见表1。

在不同处理样地，按“S”形五点法用土钻采取0～10 cm, 10～20 cm, 20～30 cm和30～40 cm土壤样品， 3次重复，将土样用塑封袋密封，带回实验室风干后，挑去石头、动植物残体过0.15 mm筛，用于有机碳和全氮含量的测定。同时，用铁锹挖出土壤剖面，用环刀法按0～10 cm,10～20 cm,20～30 cm和30～40 cm土层取样，3次重复，进行土壤容重的测定。其中水平沟和鱼鳞坑草地在沟坑中取样。土壤有机碳(soil organic carbon，SOC)用元素分析仪(Elemental rapid CS cube, 德国)；土壤全氮(total nitrogen，TN)用全自动凯氏定氮仪[8]。

1.3 数据分析

用Excel进行初步整理、计算和作图，用DPS 7.05软件对不同恢复措施土壤有机碳、氮含量及密度进行单因素方差分析(One-way ANOVA)。土壤碳氮密度及储量计算参考杨帆等[3]的方法。

表1 样地植被状况Table 1 Vegetation conditions of each study areas

注：同列不同字母表示差异显著(P<0.05)。

Note： Different letters in the same column mean significant differences at 0.05 level.

2 结果与分析

2.1 不同草地利用方式下土壤有机碳和全氮含量剖面变化

土壤有机碳含量受恢复措施的影响显著(表2)，0～40 cm土层土壤有机碳和全氮含量由高到低依次均为封育草地>放牧草地>鱼鳞坑草地>水平沟草地(P<0.05)。不同草地恢复措施下样地土壤有机碳含量垂直变化规律相同，均随着土层的加深而降低；放牧草地和封育草地全氮含量随着土层的加深而降低，而水平沟和鱼鳞坑草地土壤全氮含量则是10～20 cm最高。不同恢复措施下0～40 cm C/N表现为封育>水平沟>鱼鳞坑>放牧草地，但垂直变化规律不明显。

表2 不同恢复措施下土壤有机碳和全氮含量及C/NTable 2 The content of soil organic carbon and total nitrogen and C/N under different restoration measures

注：同列数据后不同小写字母表示同一处理不同土层差异显著(P<0.05)，同行不同大写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。

Note： Different small letters after the same column data mean significant differences at 0.05 level, and capital letters in the same line mean significant differences at 0.05 level. GG:放牧Grazed grassland; EG:封育Exclosure grassland; CG:水平沟Contour trench grassland; FG:鱼鳞坑Fish-scale pits grassland.下同The same below.

2.2 不同恢复措施下样地土壤有机碳和全氮密度

图1 不同恢复措施下土壤有机碳和全氮密度Fig.1 The density of soil organic carbon and total nitrogen under different restoration measures 不同小写字母表示同一土层不同处理差异显著(P<0.05)。Different small letters mean significant differences at 0.05 level among different treatments under same soil depth.

由图1可见，各恢复措施下土壤容重差异不大，因此碳氮密度更多受碳氮含量影响。有机碳和全氮密度表明，除0～10 cm土层水平沟有机碳密度大于鱼鳞坑外，其他土层有机碳密度大小均表现为封育>放牧>鱼鳞坑>水平沟草地(P<0.05)，各措施下0～40 cm土层土壤有机碳密度与之变化相同。不同恢复措施下，土壤有机碳密度均随着土层的加深而降低。全氮密度方面， 0～10 cm、10～20 cm土层呈封育≈放牧>鱼鳞坑≈水平沟草地；20～30 cm土层土壤全氮密度呈封育≈放牧>鱼鳞坑>水平沟草地，30～40 cm呈封育>放牧>鱼鳞坑>水平沟草地。0～40 cm土层全氮密度整体上呈封育和放牧草地较高，鱼鳞坑居中，水平沟最低(P<0.05)，封育和放牧草地间无显著差异(P>0.05)。各措施下土壤全氮密度垂直变化规律不明显。

2.3 不同恢复措施下样地土壤有机碳和全氮储量

有机碳和全氮储量结果表明(图2)，不同恢复措施下，0～40 cm土壤有机碳储量呈封育草地>放牧草地>鱼鳞坑草地>水平沟草地。封育草地有机碳储量累计达116.00 t/hm2，是水平沟(58.87 t/hm2)的1.97倍；放牧草地和鱼鳞坑草地有机碳储量分别为85.17和65.53 t/hm2。从垂直分布来看，各恢复措施土壤有机碳储量均随着土层的加深而减少。全氮储量方面，封育草地0～40 cm土层达到11.17 t/hm2，放牧、水平沟和鱼鳞坑草地分别为11.13、6.13和6.97 t/hm2，全氮储量呈封育草地>放牧草地>鱼鳞坑草地>水平沟草地，与土壤有机碳储量变化一致。垂直变化方面，不同恢复措施土壤氮储量均表现为上层高于下层。

图2 不同恢复措施下土壤有机碳和全氮储量Fig.2 The storage of soil organic carbon and total nitrogen under different restoration measures

2.4 土壤碳氮储量与土壤容重、植被特征的相关性

相关性分析表明(表3)，土壤有机碳储量与土壤有机碳和全氮呈极显著相关(P<0.01)，全氮储量与全氮含量呈显著性相关(P<0.05)，C/N与有机碳储量和含量呈正相关，与氮储量和全氮含量呈负相关，与土壤容重呈显著性负相关(P<0.05)，与植物地上生物量呈显著相关(P<0.05)；土壤有机碳储量与土壤容重负相关，土壤全氮储量与土壤容重呈正相关，但均不显著(P>0.05)；土壤有机碳和全氮储量与地上生物量呈正相关(P>0.05)，与植被多样性呈负相关(P>0.05)。

表3 不同恢复措施土壤碳氮储量与土壤容重和植被特征的相关系数Table 3 The relationship between the storage of SOC (TN) and soil bulk density and vegetation characters under different restoration measures

*P<0.05，**P<0.01.

3 讨论

土壤碳氮密度、储量与土壤碳氮含量、容重等理化性质有关，而土壤理化性质的变化与草地利用方式密切相关[14]。恢复措施不同，草原土壤养分和容重变化不同[13]。本研究结果表明，土壤有机碳和全氮含量均以封育草地最高，这与何念鹏等[15]研究结果一致。放牧草地碳氮含量表现为高于水平沟和鱼鳞坑而低于封育，处于居中水平，这与放牧家畜排泄返还土壤而提高土壤养分有关，说明适度放牧土壤有机质和全氮含量会增加[16]，有研究发现，相对于天然草地，水平沟和鱼鳞坑措施实施3～5年后可提高土壤有机碳和全氮含量，水平沟高于鱼鳞坑[12]。但本研究发现实施15年后的水平沟和鱼鳞坑的有机碳和全氮低于封育草地，且鱼鳞坑高于水平沟。这是因为当地在设置水平沟和鱼鳞坑时会将先前的地上植被回填到浅层土壤，加之整地后播种的沙打旺(Astragalusadsurgens)的短期生长，土壤环境前期有利于养分的增加。但随着整地年限的延长，回填到土壤的植物遗体不断分解减少，加之播种的沙打旺群落3年后的死亡，到15年时水平沟和鱼鳞坑中的植被盖度和地上生物量低于封育草地(表1)，致使其土壤碳氮含量下降。相对于水平沟草地，鱼鳞坑地上生物量更高，枯落物的增加，土壤有机碳氮也表现为高于水平沟。土壤有机碳和全氮含量的比值是表征土壤质量变化的重要指标，不同措施下放牧草地C/N 最低，封育草地C/N 最高，这是因为放牧草地土壤全氮分解较快，且微生物同化同等重量的氮需要更多的碳。C/N在干旱半干旱黄土高原可指示地上植物生物量的大小，封育草地具有高的C/N, 说明封育更适合草地植被生长[17-18]。不同措施下土壤有机碳氮储量具有表聚现象，这是因为植被根系主要集中在土壤表层，与前人研究结果一致[19]。韩娟娟等[20]研究表明，不同土地类型土壤有机碳和全氮储量与土壤容重呈负相关，本研究结果与此一致；有研究表明土壤有机碳和全氮储量与地上生物量呈正相关[21]，本试验中封育、水平沟和鱼鳞坑亦表现出相同特点，但放牧草地除外，这与放牧家畜采食导致地上生物量下降以及家畜排泄返还土壤有关[16]。

在黄土高原丘陵区，不合理的草地利用方式会导致草原生态系统碳氮储存功能下降[7]。因此，草地恢复措施对土壤有机碳和全氮储量的影响应该受到高度关注。虽然水平沟和鱼鳞坑能有效地拦截地表径流，减少水土流失[22-23]，但鱼鳞坑和水平沟措施对有机碳和全氮储量的积累不及封育，因此，实践中应该结合实际情况，因地制宜实施水平沟和鱼鳞坑措施。

4 结论

0～40 cm 土层有机碳和全氮含量封育最高，水平沟最低；C/N表现为封育最高，放牧草地最低。土壤有机碳和全氮密度封育和放牧草地较高，水平沟最低，随着土层的加深，土壤有机碳密度呈下降变化，全氮密度无明显规律。土壤碳氮储量均表现为封育>放牧>鱼鳞坑>水平沟草地。

研究揭示了宁夏黄土丘陵区典型草原不同恢复措施下土壤碳氮储量特征变化，相对放牧、鱼鳞坑和水平沟而言，封育恢复措施更有利于该区土壤有机碳和全氮储量的积累。

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EffectsofdifferentrestorationmeasuresonstorageofsoilorganiccarbonandnitrogenintypicalsteppeoftheLoessHillyAreainNingxia

ZHOU Yao2, MA Hong-Bin1,2*, JIA Xi-Yang2, ZHANG Rui2, SU Ting-Ting2, ZHOU Jing-Jing2, WU Xing-Wang2

1.BreedingBaseforStateKeyLaboratoryofLandDegradationandEcologicalRestorationinNorthwestChina,NingxiaUniversity,Yinchuan750021,China； 2.AgriculturalCollege，NingxiaUniversity,Yinchuan750021,China

Land-use strongly influences soil properties such as soil organic carbon (SOC) and total nitrogen (TN). This study has been done to investigate changes in grassland organic carbon and nitrogen storage characteristics under different restoration measures in typical steppe of the Loess Hilly area in Ningxia, which is located in the Yunwu hills (longitude 106°21′-106°27′ E, latitude 36°10′-36°17′ N, altitude 1800-2100 m) and has a very steep slope (approx. 30-50°). The annual mean temperature is 5 ℃, with a range from approx. 22-25 ℃ in summer (July) to -14 ℃ in winter (January). The annual precipitation is 445 mm, of which 60% occurs in autumn and is associated with storm events in the July-September period that sometimes cause runoff. The storage of organic carbon and nitrogen was measured in 0-10, 10-20, 20-30 and 30-40 cm soil layers for three different restoration measures, including grazed (control), exclosure, contour trenches and fish-scale pits. Our results revealed that the content of SOC and TN were the highest in exclosure grassland (30.35 and 2.92 g/kg respectively), followed by grazed, fish-scale pits and contour trenches (P<0.05). C/N was highest in exclosure grassland, in the middle in contour trenches and fish-scale pits, and the lowest in grazed grassland. The content of SOC and TN under the different restoration measures decreased with increasing soil depth except for the content of TN of 10-20 cm soil layer in contour trenches and fish-scale pits. However, soil depth did not have an effect on soil bulk density under the different measures. The density of SOC and TN was highest in exclosure and grazed grassland, in the middle in fish-scale pits and the lowest in contour trenches. Soil depth had an effect on the density of SOC under different restoration measures whereas it had no effect on the density of TN. The storage of both soil carbon and nitrogen decreased in the following order: exclosure>grazed>fish-scale pits>contour trenches. Organic carbon storage was highly significantly positively correlated with soil organic carbon and total nitrogen content; and nitrogen storage was significantly positively correlated with total nitrogen content.

restoration measure; typical steppe; content of soil organic carbon and total nitrogen; density of soil organic carbon and total nitrogen; storage of soil organic carbon and total nitrogen

10.11686/cyxb2017070http//cyxb.lzu.edu.cn

周瑶, 马红彬, 贾希洋, 张蕊, 宿婷婷, 周静静, 吴兴旺. 不同恢复措施对宁夏典型草原土壤碳氮储量的影响. 草业学报, 2017, 26(12): 236-242.

ZHOU Yao, MA Hong-Bin, JIA Xi-Yang, ZHANG Rui, SU Ting-Ting, ZHOU Jing-Jing, WU Xing-Wang. Effects of different restoration measures on storage of soil organic carbon and nitrogen in typical steppe of the Loess Hilly Area in Ningxia. Acta Prataculturae Sinica, 2017, 26(12): 236-242.

2017-03-01；改回日期：2017-05-27

国家自然科学

基金项目(31460632，31360582)和中国科学院“西部之光”人才培养引进计划项目(XAB2015A10)资助。

周瑶(1993-)，女，陕西横山人，在读硕士。E-mail:782421997@qq.com*通信作者Corresponding author. E-mail: ma_hb@nxu.edu.cn