不同生态修复措施对毛乌素沙化草地土壤碳的短期影响*

邵丽文,刘思博,常 虹,王静宜,3,殷国梅

(1.内蒙古大学生态与环境学院,呼和浩特 010021;2.内蒙古自治区农牧业科学院,呼和浩特 010031;3.内蒙古农业大学沙漠治理学院,呼和浩特 010011)

碳是生态系统能量流动和生物地球化学循环的主要媒介,许多草地生态系统服务都由植物、微生物、土壤、大气之间的碳循环支撑。草地为生物多样性提供栖息地,促进粮食生产,并提供诸多文化服务[1]。因此,了解草地碳库的维持机制是草地保护和可持续利用的重要基础[2]。其中草地生物量碳只占草地生态系统碳储存量的一小部分,而土壤以土壤有机碳(SOC)和植物碳(根系、其他地下生物量碳)的形式含有草地总碳库的80%—94%[2]。

在土壤中储存着陆地生态系统中最大的碳库,它由有机碳库和无机碳库两部分组成,前者是湿润、半湿润地区碳库的主要形式,而后者是干旱、半干旱地区土壤碳库的主要形式,干旱、半干旱地区的土壤无机碳是土壤有机碳的2—5倍[3]。土壤碳库中微小的变化直接影响陆地碳循环以及二氧化碳与气候变化的反馈作用[4]。其中土壤活性有机碳虽然占比较小,但与土壤中的全碳相比,更能反映土壤中的细微变化,与土壤的利用方式、耕作措施以及土壤理化性状之间都有关系[5]。张秀芝等认为有机肥和化肥同时施用,能提高土壤有机碳的含量,提升土壤有机碳的活性[6]。无机碳是指土壤在风化过程中形成的碳酸盐矿物态碳[7]。

目前大量的研究证明,由于气候变化、过度放牧等人类不合理利用方式导致了草地退化越来越严重,直接造成土壤有机碳的下降,通过人为干预措施(围栏封育、施肥补播等)能够加快退化草地的恢复[8]。通过施肥等保护性的修复措施能够改变土壤有机物的输入,影响土壤有机碳的分解速率,提高土壤活性有机碳的含量,从而改变土壤有机碳的储量[9]。而且退化的生态系统实施修复措施之后,植被的盖度以及物种的多样性逐渐提高,也提高了土壤碳的固存能力[10]。虽然修复措施对碳的影响这方面的研究较多,但是在毛乌素这片区域研究较少,故本实验选址在毛乌素沙地,分析不同修复措施(施肥、补播、喷藻、围封等)下,毛乌素沙地土壤碳含量在土壤剖面不同深度处的分布特征,探讨不同修复措施对土壤碳的影响,这不仅可以为退化草地植被恢复提供理论依据,通过不同修复措施治理还能增加土壤碳库容量,对于减少碳排放、缓解碳排放对全球环境的影响也具有重要的现实意义。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于内蒙古自治区鄂尔多斯市乌审旗嘎鲁图镇苏力德苏木塔来乌素嘎查(108°17′36″—109°40′22″E,37°38′54″—39°23′50″N),样地所在区域位于毛乌素沙地腹地。气候属温带大陆性气候,冬冷夏热,年温差大,降水集中,四季分明。年平均气温6.8℃,年降水量350—400 mm,年蒸发量2200—2800 mm,年平均风速3.4 m/s,无霜期113—156 d。试验地土壤多为风沙土,原生植被为中间锦鸡儿(Caragana liouana)与黑沙蒿(Artemisia ordosica)群落,试验区植被盖度为10%以下,植物种类为沙蓬(Agriophyllum squarrosum)和苦豆子(Sophora alopecuroides)。

1.2 实验设计和方法

试验于2021年6月初进行,9月下旬进行土壤采样。本试验在围封和禁牧的条件下进行,具体的修复措施包括围封(CK),施肥(AF),补播(RS),喷藻(AS),施肥+补播(AF+RS)和藻类拌种+补播(A+RS)6种处理,其中围封(CK)作为对照组。试验采用随机区组设计,分为3个试验区组,每个区组内分布不同的修复措施(见图1)。其中施肥修复的有机肥为羊粪厩肥,施肥量为3000 kg/hm2,补播的草种组合播量比例为草木樨(Melilotus suaveolens)∶羊柴(Corethrodendron fruticosum)∶老芒麦(Elymus sibiricus)∶无芒雀麦(Bromus inermis)∶扁穗冰草(Agropyron cristatum)∶披碱草(Elymus dahuricus)=11.25∶11.25∶30.00∶30.00∶22.50∶25.05;喷施和拌种的藻类为小球藻(Chlorella vulgaris)、微鞘藻(Microcoleus chthonoplastes)、伪枝藻(Scytonema sinense)、席藻(Phormidiaceae)共4种,均为混合喷施或拌种,喷施量均为2250 kg/hm2,喷施比例为微鞘藻∶伪枝藻∶席藻∶小球藻=3∶2∶1∶1。

图1 实验区组分布示意图Fig.1 Experimental block distribution schematic translation

1.3 测定方法

在上述样地中,采用土钻分别采取0—10 cm、10—20 cm、20—30 cm 3个土层的土壤样品,在每个样地内同一土层中随机选择3点进行样品采集并获得复合样品。

土壤全碳采用重铬酸钾容量法测定[11-12],土壤有机碳采用重铬酸钾外加热法测定[13-14],土壤无机碳采用气量法测定[15],土壤易氧化有机碳采用333 mmol/L高锰酸钾氧化法测定[9,16],土壤惰性有机碳采用酸水解法测定[11]。

1.4 数据处理

试验获取数据通过Excel进行统计,用SPSS 26运用单因素方差(one-way ANOVA)对不同生态修复方式下各土层土壤有机碳含量进行统计分析,处理之间的显著性差异分析均设P=0.05水平,利用Duncan氏多重检验比较平均值的差异显著性,用Origin 2022进行绘图。

2 结果与分析

2.1 土壤全碳(C)在不同修复措施之下的差异

通过对不同修复措施处理下土壤全碳含量的分析,结果见图2。在0—10 cm 的土层中,施肥+补播(AF+RS)修复措施下含碳量显著(P＜0.05)高于对照区(CK),通过AF+RS处理,土壤全碳含量增加了23.77%;藻类拌种+补播(A+RS)措施中全碳的含量高于CK,土壤全碳含量增加了3.63%;施肥(AF)、补播(RS)、喷藻(AS)措施中全碳的含量低于对照区(CK),土壤全碳含量分别降低了5.60%、5.00%、0.45%,均没有显著差异(P＞0.05)。在10—20 cm 的土层中,AF+RS修复措施全碳的含量高于其他修复措施,土壤全碳含量增加了10.90%,但均没有显著差异(P＞0.05)。20—30 cm土层同上。结果表明AF+RS修复措施在生态修复过程中对全碳的影响效果更好。

图2 不同修复措施对土壤全碳的影响Fig.2 Effects of different restoration measures on soil organic carbon

2.2 土壤有机碳(SOC)在不同修复措施之下的差异

通过对不同修复措施处理下土壤有机碳的分析,结果见图3。在0—10 cm 的土层中,AF、AF+RS和A+RS处理区的土壤有机碳含量有所增加,土壤有机碳含量分别增加了73.75%、20.84%、56.11%;而RS、AS处理区的有机碳含量低于对照区(CK),且均没有显著差异(P＞0.05),土壤有机碳含量分别降低了8.62%、10.82%。在10—20 cm 的土层中,AF和A+RS处理区的土壤有机碳含量增加更为明显,土壤有机碳含量增加了28.84%、23.45%,仅RS处理区土壤有机碳的含量低于对照区(CK),土壤有机碳含量降低了29.64%。在20—30 cm 的土层中,同样是AF和A+RS处理区的土壤有机碳含量相较于CK 有所增加,含量分别增加了29.57%、29.06%,但没有显著差异(P＞0.05)。结果表明施肥(AF)与藻类拌种+补播(A+RS)修复措施在3个土层中对土壤有机碳的影响更为明显。

图3 不同修复措施对土壤有机碳的影响Fig.3 Effects of different restoration measures on soil organic carbon

2.3 土壤无机碳(SIC)在不同修复措施之下的差异

通过对不同修复措施处理下土壤无机碳含量的分析,结果见图4。在0—10 cm 的土层中,AF和A+RS分别与AF+RS之间有显著差异(P＜0.05),在AF+RS措施中,土壤无机碳含量相较于AF和A+RS分别提高了171.58%、74.92%。在10—20 cm 与20—30 cm 的土层中,各措施之间土壤无机碳的含量均没有显著差异。结果表明,在沙化草地修复的过程中AF+RS修复措施仅在0—10 cm土层中对土壤无机碳的影响更明显。

图4 不同修复措施对土壤无机碳的影响Fig.4 Effects of different restoration measures on soil inorganic carbon

2.4 土壤易氧化有机碳(EOC)在不同修复措施之下的差异

通过对不同修复措施处理下土壤易氧化有机碳的分析,结果见图5。在0—10 cm 的土层中,AF+RS与A+RS 处理区土壤易氧化有机碳的含量高于CK,土壤易氧化有机碳含量分别增加了5.77%、45.00%,但差异不显著(P＞0.05),另外AF、RS、AS与CK 相比,低于对照区,土壤易氧化有机碳含量分别降低了15.77%、1.92%、25.77%。其中A+RS的易氧化有机碳的含量显著的高于AS,易氧化有机碳含量增加了95.00%;在10—20 cm 土层中,CK 易氧化有机碳的含量高于其他修复措施的易氧化有机碳含量,且差异不显著(P＞0.05);在20—30 cm 的土层中,RS、AS、AF+RS、A+RS措施中易氧化有机碳的含量高于对照区(CK),其土壤易氧化有机碳的含量分别增加了9.75%、4.66%、15.25%、42.80%,AF的易氧化有机碳的含量低于CK,含量降低了21.61%,但差异均不显著(P＞0.05),另外A+RS处理下易氧化有机碳的含量显著(P＜0.05)地高于AF,土壤易氧化有机碳的含量增高了82.16%。结果表明A+RS修复措施在沙质草地生态修复中对易氧化有机碳含量的提高效果较好。

图5 不同修复措施对土壤易氧化有机碳的影响Fig.5 Effects of different restoration measures on soil oxidative organic carbon

2.5 土壤惰性有机碳(ROC)在不同修复措施之下的差异

通过对不同修复措施处理下土壤惰性有机碳含量的分析,结果见图6。在0—10 cm 的土层中,AF+RS修复措施中土壤惰性有机碳含量显著(P＜0.05)高于AF、RS和A+RS,土壤惰性有机碳含量分别增加了32.39%、36.10%、37.20%。在10—20 cm 的土层中,AF+RS修复措施土壤惰性有机碳的含量高于其他修复措施,但均没有显著差异。在20—30 cm 的土层中,结果同上。结果表明AF+RS修复措施在沙化草地土壤的修复过程中对土壤惰性有机碳的影响效果更加明显。

图6 不同修复措施对土壤惰性有机碳的影响Fig.6 Effects of different restoration measures on soil inert organic carbon

3 讨论

土壤全碳的垂直分布特征随土壤深度的增加而降低,仅施肥+补播措施对全碳的影响较大。土壤有机碳在不同措施下的垂直分布规律表现为表层土壤含量较高,随土层深度的增加而递减。其中喷藻、藻类拌种+补播两种处理以及围封样地,土壤有机碳含量随土层加深呈现先升高后降低的趋势。在本研究中不同恢复措施对土壤有机碳含量均没有显著差异,仅施肥(AF)和藻类拌种+补播(A+RS)措施下效果较好。刘强等[17]的研究表明与对照区相比,不同的施肥措施均能增加不同土层土壤有机碳的含量,且土壤有机碳含量随土层深度的增加而下降,这一结果与本文相似。

曾骏等[18]通过18年的定位试验分析不同施肥措施下对土壤无机碳的影响。实验结果表明施肥对土壤无机碳的影响随土层的增加而增加。李学峰等[19]在砒砂岩区的碳含量研究中表明,在0—40 cm土层中,土壤无机碳含量垂直分布趋势与土壤有机碳呈负相关,随深度增加土壤无机碳含量升高,而在本研究中随着土壤深度的进一步加深,出现了相似的结果,但是变动不明显。分析其原因是0—30 cm 有机质含量较高,其分解过程释放的大量CO2会传导至土壤表层,在土壤水分的参与下生成碳酸,使得土壤p H 值降低,导致碳酸盐更容易分解,并在淋溶作用下随水分迁移,从而土壤表层土壤无机碳的含量低。土壤无机碳在干旱半干旱区主要分布在下层土壤,而本文监测的是0—30 cm的土壤深度,土层较浅。另外时间年限区别较大,也是导致最终结果有差异的原因之一。

张瑞等[9]研究表明施肥能够显著提高易氧化有机碳的含量,其中通过单施有机肥或者有机肥与化肥配施的效果优于单施化肥。这一结果与本研究不一致,本研究中结果显示,通过施肥后的易氧化有机碳的含量低于对照样地。王艳等[20]的研究通过施加有机肥以及施加化肥发现易氧化有机碳的剖面分布随着土层的加深其含量呈现逐渐降低的趋势。这一结果与本研究相似,在施肥处理下,易氧化有机碳含量随着土层的加深呈现逐渐降低的趋势。施肥+补播这种修复措施对土壤惰性有机碳的含量影响较大。

4 结论

在不同的修复措施下,土壤中的碳在剖面的分布存在着明显的差异,但由于实验时间较短,土壤碳的变动主要集中在0—10 cm 的土层中。其中施肥(AF)这一措施,对土壤有机碳的影响较大,通过施肥措施0—10 cm 的土层中土壤有机碳的含量提升了73.75%;在补播(RS)下,对土壤中各类碳的影响不大;喷藻(AS)措施对土壤无机碳、土壤惰性有机碳影响较明显;施肥+补播(AF+RS)措施对土壤碳含量有明显的提升,该修复措施下土壤全碳显著高于对照区;藻类拌种+补播(A+RS)措施同样影响着各类土壤碳含量。在10—20 cm、20—30 cm 的土层中不同修复措施对土壤碳的影响均没有显著的差异性。