不同恢复措施对退化荒漠草原土壤碳氮及其组分特征的影响

2022-02-10王星于双许冬梅宋珂辰

草业学报 2022年1期

王星，于双，许冬梅，2*，宋珂辰

（1.宁夏大学农学院，宁夏银川 750021；2.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养基地，宁夏银川 750021）

土壤碳、氮是地球上所有生物的关键营养元素，碳可改善土壤的持水能力，加快养分循环、改良土壤结构，氮是影响生态系统生产力的主要养分，与土壤碳紧密相关，对调节陆地生态系统的结构和功能具有重要作用［1—2］。土壤碳、氮主要受土壤矿物学、有机质输入及微生物群落呼吸作用的控制。土地利用方式通过影响土壤碳的输入、有机碳的分解速率、土壤侵蚀因子及植物群落结构等改变土壤碳、氮储量，是影响土壤肥力的主要因素［3］。在土壤退化地区，通过保护性耕作、重建植被等措施，可以增加土壤碳、氮储量［4］。

土壤碳、氮组分作为土壤的活性指标，周转快、易被生物利用，具有一定的溶解性且易矿化分解，对自然环境的变化及人为扰动较为敏感，能及时反映土壤有机碳、氮库总量的微小变化，对生态系统的退化或恢复具有一定的指示作用［5—7］。土壤活性碳、氮主要来源于动植物残留物、根系分泌物和微生物的分解产物［8］。土壤耕作改变了土壤结构、植物凋落物及根系与土壤的结合，进而影响土壤通气状况、微生物活性及其与底物的接触等，导致土壤碳氮组分的变化［9—10］。颗粒有机碳被认为是不同耕作措施下对土壤质量变化更为敏感的指标，不同深度土壤耕作配合施肥及牧草、作物种植可降低土壤颗粒有机碳、氮及微生物量碳、氮含量［7，11—12］。减少耕作可能会增加活性有机碳［13］。免耕土壤相对常规耕作能够提高微生物量，保护性耕作可增加土壤颗粒有机碳、可溶性有机碳、微生物量碳和易氧化有机碳含量［14—16］。

宁夏荒漠草原占宁夏草地总面积的55%，是我国“两屏三带”生态安全体系建设的关键区域，也是重要的碳、氮储库［17］。然而，由于严酷的自然生境和人类过度扰动的双重作用，草地沙化、退化较为严重，土壤结构遭到破坏，碳、氮等养分受损［18］。随着国家生态环境保护和建设项目工程的实施，宁夏也全面实施禁牧封育，并通过补播优质牧草［19］、建植人工柠条（Caragana korshinskii）林［20］等措施以实现退化草地的恢复与重建，部分草地生态环境出现逆转，植被盖度增加、群落结构改善［21—23］，土壤结构趋于稳定、肥力提高［24—26］。本研究以宁夏荒漠草原为对象，通过实施禁牧封育、深翻耕处理后补播蒙古冰草（Agropyron mongolicum）+沙打旺（Astragalusadsurgens）、浅翻耕处理后补播蒙古冰草+沙打旺，研究不同恢复措施草地土壤有机碳、全氮及其组分含量的变化，探讨不同恢复措施对荒漠草原土壤碳、氮及其组分的影响，以期为区域退化草地的恢复与重建提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于宁夏盐池县高沙窝镇（107°03′15″—107°04′45″E，37°04′30″—38°10′30″N），地处毛乌素沙地南缘。平均海拔1600 m，年平均气温8.0℃，平均无霜期165 d；年平均降水量280 mm，主要集中在6—9月，年平均蒸发量2179.8 mm，是降水量的6～7倍。研究区地势平坦，土壤类型以灰钙土为主；土壤pH介于8.0～9.0，碳酸钙含量超过10%［25］。植被组成主要以蒙古冰草、中亚白草（Pennisetum centrasiaticum）、牛枝子（Lespedeza potaninii）等为主。

1.2 试验设计及土壤样品采集

于2014年选取地势平缓的退化草地，采用随机区组设计，分别设置深翻耕+补播（SR）、浅翻耕+补播（QR）（深翻耕和浅翻耕的深度分别为25和15 cm）和禁牧封育（F）3个恢复措施，区组间隔为6 m，小区面积为4 m×20 m，小区间隔3 m。以蒙古冰草+沙打旺进行条播，行距50 cm，播种量为蒙古冰草15 kg·hm—2、沙打旺7.5 kg·hm—2，同时，以放牧草地为对照（CK）。共4个处理，每个处理重复3次。于2018年8月在每个小区分别设置1 m×1 m的样方，调查植物群落的高度、盖度和生物量，计算物种多样性指数。去除地表覆被物后，挖取土壤剖面，采用多点混合法采集0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm和30～40 cm土壤样品。去除杂物后带回实验室风干、研磨，分别过2和0.149 mm筛，用于土壤有机碳、全氮及其组分的测定。同时，用环刀分层采集土壤样品，用于土壤容重及含水量的测定；用保鲜盒采集原状土，用于土壤团聚体的测定。不同恢复措施下的荒漠草原基本情况见表1。

表1 不同恢复措施下的荒漠草原基本情况Table 1 Basic situation of desert steppes under different restoration measurements

1.3 土壤样品测定指标及方法

采用元素分析仪（Rapid CS TOC，德国）测定土壤有机碳（soil organic carbon，SOC）含量［19］；采用全自动凯氏定氮仪（Buchi Labortechnik AGK-360，瑞士）测定全氮（total nitrogen，TN）含量［19］；采用六偏磷酸钠分离法测定颗粒有机碳（particulate organic carbon，POC）含量［27］；采用高锰酸钾氧化法测定易氧化有机碳（readily oxidizable organic carbon，ROC）含量［28］；采用靛酚蓝分光光度法测定铵态氮（ammonium nitrogen，NH4+-N）含量［29］；硝态氮（nitrate nitrogen，NO3—-N）含量采用紫外分光光度法测定［29］；采用氯仿熏蒸法测定微生物量碳（microbial biomass carbon，MBC）、微生物量氮（microbial biomass nitrogen，MBN）含量［30］；采用湿筛法测定土壤水稳性团聚体（wet aggregates，WR0.25）［28］；采用环刀法测定土壤容重（bulk density）［28］；采用烘干法测定土壤含水量（moisture content）［29］。

WR0.25的计算公式为：

式中：M T为水稳性团聚体总质量；M r为各粒级水稳性团聚体质量。

碳氮组分分配比例的计算公式为：

1.4 数据统计与分析

利用Excel 2010进行数据处理和统计分析，Origin 2018作图；采用SPSS 18.0进行方差分析（One-way ANOVA）和多重比较（Duncan法），采用R 4.0.3中的Corrplot软件包进行Pearson相关分析及绘图。

2 结果与分析

2.1 不同恢复措施荒漠草原土壤有机碳和全氮含量的变化

由表2可知，0～30 cm各土层土壤SOC含量以QR处理最高，分布范围为5.50～9.93 g·kg—1。0～10 cm和10～20 cm土层中，QR处理草地的土壤SOC含量显著高于CK处理和其他恢复措施（P＜0.05），SR处理、F处理和CK处理之间差异不显著（P＞0.05）；20～30 cm土层，土壤SOC含量表现为QR处理＞CK处理＞SR处理＞F处理，且各处理间差异显著（P＜0.05）。30～40 cm土层，土壤SOC含量变化范围为7.40～11.72 g·kg—1，不同恢复措施与CK处理之间差异不显著（P＞0.05）。

表2 不同恢复措施荒漠草原土壤有机碳和全氮含量Table 2 Contents of soil or ganic car bon and total nitr ogen of deser t steppes under differ ent r estor ation measur ements（g·kg-1）

土壤TN含量在0～10 cm和10～20 cm土层以QR处理最高。0～10 cm土层，QR处理草地TN含量为0.18 g·kg—1，显著高于CK处理和F处理，SR处理TN含量为0.14 g·kg—1，显著高于CK处理（P＜0.05）；10～20 cm土层，QR处理TN含量为0.23 g·kg—1，显著高于其他各处理（P＜0.05）。20～30 cm土层，土壤TN含量以SR处理和CK处理较高，分别为0.22和0.21 g·kg—1，显著高于F处理（P＜0.05）。30～40 cm土层，土壤TN含量以SR处理最高，为0.22 g·kg—1，显著高于CK处理和其他恢复措施草地（P＜0.05）。

从剖面分布看，不同恢复措施及CK处理土壤SOC和TN含量随土层的加深总体呈增加趋势。

2.2 不同恢复措施荒漠草原土壤碳氮组分含量的变化

2.2.1不同恢复措施荒漠草原土壤活性有机碳含量的变化不同恢复措施荒漠草原土壤活性有机碳含量的变化如图1所示，在0～10 cm土层中，不同恢复措施及CK处理之间POC含量无显著差异（P＞0.05）。10～20 cm土层，POC含量以CK处理最高，为1.45 g·kg—1，显著高于QR处理的0.74 g·kg—1（P＜0.05）。20～40 cm土层，土壤POC含量表现为CK处理＞F处理＞QR处理＞SR处理，变化范围分别为0.81～1.92 g·kg—1和0.66～2.31 g·kg—1；其中，20～30 cm土层，CK处理和F处理POC含量均显著高于QR处理和SR处理，30～40 cm土层，CK处理和F处理POC含量显著高于SR处理（P＜0.05）。从剖面变化看，CK处理和F处理随土层的加深POC含量总体呈增加的趋势，SR处理和QR处理随土层的加深POC含量无明显变化规律。

图1 不同恢复措施荒漠草原土壤活性有机碳含量Fig.1 Soil active organic carbon content of desert steppes under different restoration measurements

0～10 cm土层，ROC含量以QR处理和SR处理较高，分别为0.53和0.51 g·kg—1，显著高于CK处理（P＜0.05）。10～20 cm土层，ROC含量以QR处理最高，为0.59 g·kg—1，显著高于CK处理（P＜0.05）。20～30 cm土层，ROC含量以QR处理最高，为0.99 g·kg—1，显著高于其他各处理，此外SR处理和CK处理显著高于F处理（P＜0.05）。30～40 cm土层，不同恢复措施及CK处理之间土壤ROC含量差异不显著。总体看，各处理20～40cm土层ROC含量较0～20 cm浅层土壤高。

在0～10 cm土层中，F处理土壤MBC含量为481.80 mg·kg—1，显著高于SR处理和CK处理（P＜0.05），CK处理、SR处理和QR处理之间差异不显著（P＞0.05）。10～40 cm各土层，不同恢复措施及CK处理之间MBC含量差异不显著（P＞0.05），其中，10～20 cm和20～30 cm土层以F处理较高，分别为448.80和386.00 mg·kg—1；30～40 cm土层以SR处理最高。从垂直分布看，F处理和CK处理土壤MBC含量随土层的加深整体呈下降趋势，SR处理和QR处理土壤MBC含量随土层的加深无明显变化规律。

2.2.2不同恢复措施荒漠草原土壤氮组分含量的变化不同恢复措施荒漠草原土壤氮组分含量的变化如图2所示，0～40 cm各土层土壤NH4+-N含量均以CK处理最高，分别为15.67、13.03、12.53和11.83 mg·kg—1。0～10 cm土层，CK处理NH4+-N含量显著高于各恢复措施，SR处理和QR处理显著高于F处理（P＜0.05）。10～20 cm土层，CK处理NH4+-N含量显著高于QR处理和F处理（P＜0.05）。20～30 cm土层，CK处理NH4+-N含量显著高于SR处理和F处理（P＜0.05），F处理NH4+-N含量最低，显著低于QR处理（P＜0.05）。30～40 cm土层，不同恢复措施及CK处理之间NH4+-N含量无显著差异（P＞0.05）。

图2 不同恢复措施荒漠草原土壤氮组分含量Fig.2 Soil nitrogen components content of desert steppes under different restoration measurements

0～10 cm和10～20 cm土层，NO3—-N含量均以CK处理最高，分别为4.50和5.31 mg·kg—1，显著高于其他各恢复措施（P＜0.05）；其中，0～10 cm土层，不同恢复措施草地之间NO3—-N含量差异不显著（P＞0.05），10～20 cm土层，QR处理草地NO3—-N含量为3.51 mg·kg—1，显著高于SR处理和F处理（P＜0.05）。20～30 cm和30～40 cm土层，不同恢复措施及CK处理之间土壤NO3—-N含量无显著差异（P＞0.05）。

0～40 cm各土层土壤MBN含量均以QR处理最高，变化范围为62.82～73.20 mg·kg—1。其中，0～10 cm和10～20 cm土层，不同恢复措施草地及CK处理之间无显著差异（P＞0.05）；20～30 cm土层，土壤MBN含量变化为QR处理＞F处理＞SR处理＞CK处理（P＜0.05）；30～40 cm土层，QR处理土壤MBN含量为64.49 mg·kg—1，显著高于CK处理（P＜0.05）。

随土层加深，各处理土壤NH4+-N、NO3—-N和MBN含量的剖面变化均无明显规律。

2.3 不同恢复措施荒漠草原土壤碳氮组分占有机碳及全氮的比例

不同恢复措施荒漠草原土壤碳、氮组分占SOC及TN的比例见表3。可以看出，土壤POC/SOC以F处理最高，为38.65%，显著高于其他各处理（P＜0.05），QR处理最低，为12.54%。土壤ROC/SOC以F处理和SR处理较高，显著高于QR处理和CK处理（P＜0.05）。土壤MBC/SOC变化范围为0.51%～1.14%，以F处理最高，显著高于CK处理和其他恢复措施（P＜0.05）。

表3 不同恢复措施荒漠草原土壤碳氮组分占总有机碳及全氮的比例Table 3 Proportion of soil carbon and nitrogen components in total organic carbon and total nitrogen of desert steppes under different restoration measurements（%）

土壤NH4+-N/TN和NO3—-N/TN均以CK处理最高，分别为11.23%和3.65%，显著高于不同恢复措施（P＜0.05）；MBN/TN以F处理最高，为48.08%，显著高于SR处理和QR处理（P＜0.05）。

2.4 不同恢复措施荒漠草原土壤碳氮及其组分的关系

不同恢复措施荒漠草原土壤水稳性团聚体及土壤碳、氮组分含量相关关系见图3。可以看出，土壤SOC分别与TN、ROC、WR0.25，ROC分别与TN、WR0.25，NH4+-N与NO3—-N之间呈极显著正相关（P＜0.01）；土壤TN与WR0.25之间呈显著正相关（P＜0.05）；MBC分别与SOC、ROC之间呈显著负相关（P＜0.05）。

图3 不同恢复措施荒漠草原土壤水稳性团聚体及碳氮组分的相关性Fig.3 Correlations between WR 0.25，carbon and nitrogen components of desert steppes under different restoration measurements

3 讨论

3.1 不同恢复措施对荒漠草原土壤有机碳和全氮的影响

土壤SOC含量是植物凋落物沉积体、根系分泌物及地下生物量等碳输入过程与土壤异养呼吸等碳损失过程之间动态平衡的结果［27］。氮是所有生命体必不可少的营养元素［28］。在未受干扰的生态系统中，营养元素的释放和积累接近平衡［27］，而土地利用方式的改变导致地表覆被变化，土壤受到一定程度的扰动，引起养分富集、流失和再分配的差异，进而影响土壤养分含量及其剖面分布特征［29］。退化荒漠草原实施禁牧封育及翻耕+补播措施后，QR处理0～30 cm各土层土壤SOC和0～20 cm土层土壤TN含量较CK处理显著增加，这可能是由于浅翻耕对土壤的机械作用改善了浅层土壤的结构和通气状况，微生物群落构成向着有利于土壤碳氮积累的方向转变，加之植物凋落物、根系等与土壤微生物的接触面增大，促进了外源输入物质的转化，致使草地土壤碳氮含量增加［30］；此外，草地补播优化了植物群落结构，植被盖度及地上、地下生物量等的增加为土壤微生物的活动提供了有效底物，改变了浅层土壤养分的循环及周转［31］。退化荒漠草原实施SR处理后，30～40 cm土层TN含量显著增加。草地实施耕作措施后，可有效打破犁底层，扩大土壤通透性，改善土壤微环境，增加土壤氮素的输入［16］。深翻耕措施对土壤孔隙度和通透性的改变更为强烈，淋溶作用增强，使氮素向下迁移［32］，因而SR处理草地深层土壤TN含量较高。以往的研究也表明，退化草地实施翻耕补播后，土壤物理性质明显改善，土壤SOC和TN含量均有所增加［33—34］。随土层的加深，土壤SOC和TN含量总体呈增加趋势，可能是由于荒漠草原生境较为严酷，植被稀疏，凋落物对表土有机碳输入的贡献较小，加之风蚀作用，导致浅层土壤碳氮等养分损失［17］。

3.2 不同恢复措施对荒漠草原土壤碳氮组分的影响

退化荒漠草原实施翻耕+补播措施后0～40 cm土层土壤ROC、ROC/SOC及MBN较CK处理总体均有一定程度增加，POC、MBC、NH4+-N和NO3—-N含量较CK处理则总体降低。土壤ROC是土壤有机碳中周转最快的组分，它是土壤养分的潜在来源和土壤微生物活动的重要能源，也是土壤有机质动态变化的敏感性指标［35］。ROC与SOC相关性达到极显著水平，表明ROC在一定程度上可指示SOC的累积程度。QR措施对地表的扰动及植被盖度、生物量等的增加，使得土壤微生物群落结构改善、活性增强，加之外源有机物输入的增加，加速了草地生态系统的物质循环，致使ROC、MBN含量升高。与CK处理相比，F处理0～10 cm土层土壤MBC含量显著增加。伴随着荒漠草原的自然恢复，F处理植被盖度和生物量分别约为CK处理的1.41和1.67倍，植物生物量的增加促进了表层土壤微生物的增殖和SOC的转化［36—37］。F处理POC/SOC、ROC/SOC、MBC/SOC和MBN/TN均为最高，表明在土壤不受任何扰动的条件下，为满足退化草地生态系统自然恢复过程中植物生长对养分的需求，F处理土壤碳氮周转速度加快，活性组分占SOC、TN的比例上升。以往的研究也表明，短期围封不能显著增加土壤SOC含量，但MBC含量增加显著，随围封年限的延长，土壤SOC含量显著上升［38—39］。退化草地实施SR、QR措施后，土壤POC含量降低，这可能是由于耕作导致土壤结构疏松，降低团聚体对SOC的保护作用，使土壤POC的分解加速［40—42］。土壤中NH4+-N和NO3—-N主要来源于土壤微生物的矿化作用，受土壤微生物种类、土壤环境及人类活动的影响［43］，退化荒漠草原实施不同恢复措施后，植被发生正向演替，植物生长对有效养分的需求增加，加之耕作措施对土壤通气状况的改善，可能增加了NO3—-N的淋溶作用，因此土壤NH4+-N、NO3—-N含量及其占TN的比率较CK处理草地有所降低，尤其是0～20 cm浅层土壤［44］。