不同干擾方式對內蒙古典型草原土壤有機碳和全氮的影響

楊勇，宋向陽，詠梅，李蘭花，陳海軍，王保林，陳國清，王瑞利，劉愛軍*，王明玖*

1. 內蒙古農業大學生態環境學院，內蒙古 呼和浩特 010019；2. 內蒙古自治區草原勘察規劃院，內蒙古 呼和浩特 010051；3. 內蒙古包頭市草原工作站，內蒙古 包頭 014010；4. 內蒙古自治區生物技術研究院，內蒙古 呼和浩特 010071

不同干擾方式對內蒙古典型草原土壤有機碳和全氮的影響

楊勇1,2，宋向陽2，詠梅3，李蘭花2，陳海軍4，王保林2，陳國清1，王瑞利1,4，劉愛軍2*，王明玖1*

1. 內蒙古農業大學生態環境學院，內蒙古 呼和浩特 010019；2. 內蒙古自治區草原勘察規劃院，內蒙古 呼和浩特 010051；3. 內蒙古包頭市草原工作站，內蒙古 包頭 014010；4. 內蒙古自治區生物技術研究院，內蒙古 呼和浩特 010071

為準確把握草原生態保護與修復工程的實施效果，并為北方草地生態保護和優化管理提供有效的科學支持，選擇內蒙古典型草原退牧還草工程區為研究對象，采用野外成對取樣（圍欄內-圍欄外）與室內分析相結合的方法，研究了休牧、補播和自由放牧3種人為干擾方式對土壤容重、含水量、有機碳和全氮含量的影響。結果表明：在0～30 cm土層，隨深度的增加，不同干擾方式對各指標的影響不同，但總體上草原土壤含水量、有機碳和全氮含量表現為補播﹥休牧﹥自由放牧（P<0.05）；土壤容重為自由放牧>休牧>補播（P<0.05）。隨土層深度增加，除土壤容重無顯著變化外（P>0.05），土壤有機碳和全氮含量均呈現顯著下降（P<0.05）；土壤含水量則相反，其中，補播處理降幅最小，自由放牧處理降幅最大。0～30 cm各土層土壤容重與土壤含水量、土壤有機碳和全氮含量都成極顯著負相關關系（P<0.0001），而土壤含水量、有機碳和全氮3項指標間相互成顯著正相關關系（P<0.0001）。綜上所述，不同干擾方式對草地土壤理化性狀有明顯影響，自由放牧加速了草地土壤有機碳和全氮的損失，而補播和休牧對遏制草地退化、恢復草地功能起到了積極的作用。

補播；休牧；自由放牧；典型草原；土壤有機碳；土壤全氮；土壤含水量

草地生態系統不僅為人類提供了肉、奶、皮毛等具有直接市場價值的產品，同時具有維持大氣成分、調節氣候、維系生物基因庫、固定CO2、涵養水源、保持水土、防風固沙、改良土壤、撫育和傳承多民族文化等極其重要的服務功能（Costanza等，1997；謝高地等，2003；劉興元等，2011）。然而，自20世紀80年代以來，由于放牧、開墾、氣候變化、國家投入不足以及牧區政策偏差導致我國草地大面積退化（Tong等，2004；白永飛等，2014）。為遏制草原退化，我國政府采取了積極的應對策略，通過一系列人為干擾措施恢復退化草地，如京津風沙源治理工程、退牧還草工程以及草原生態保護補助獎勵機制等。這些重大生態工程的主要措施包括：圍封禁牧、季節休牧、實施草畜平衡、補播以及人工草地建立等。目前，生態工程實施效果已成為各級政府及廣大學者關注的焦點（張良俠等，2014；鄢燕等，2014；王婭等，2014）。

土壤是影響植物群落物種組成和群落動態的關鍵因素，土壤養分狀況往往制約著生態系統的演替過程和對環境變化的響應（Barbara等，1999；劉忠寬等，2006；Bart等，2001）。研究表明，圍封草地土壤有機質、全氮均顯著高于放牧地（Wolde等，2007）。在科爾沁沙化草地，圍封10年土壤有機質含量增加，土壤容重減小。但與植被相比，圍封后土壤恢復需要一個更緩慢的過程（蘇永中和趙哈林，2003）。放牧對土壤碳氮貯量的影響受放牧方式、土壤特性和植物群落組成多種因素的影響（Reeder和Schuman，2002；閆瑞瑞等，2014），所以放牧和土壤碳、氮之間存在復雜的相互關系，即或呈現正相關，或呈負相關（Milchunas和Laurenroth，1993）。有研究表明，放牧家畜的采食減少了凋落物分解，導致歸還到土壤中的養分減少，降低了土壤有機質和全氮含量（安慧和李國旗，2013；Derner等，2006；Zhao等，2007），也有研究認為放牧增加了土壤碳含量（Altesor等，2006；Derner等，1997；Weinhold等，2001；Schuman等，1999）。目前，有關退牧還草生態工程所采取的圍封補播、休牧等人為干擾措施，對退化草地土壤理化性狀有怎樣的影響仍缺乏系統研究，不同的生態工程措施實施效果怎樣？各種措施間有怎樣的差異？以及怎樣利用干擾措施來恢復退化草地的土壤生態系統，以保護草地生物多樣性，提高草地生態系統生產力，仍需要我們進行大量的研究工作。

為此，本研究以內蒙古退牧還草工程的主要區域——呼倫貝爾市新巴爾虎右旗典型草原為研究對象，基于退牧還草生態工程的不同干擾措施，對休牧、補播和自由放牧3種不同人為干擾方式下的土壤理化性狀變化規律進行了較為系統的研究，以實現對草原生態保護與修復工程實施效果的準確把握，為有效評估生態恢復建設工程的生態環境效應以及進一步的規劃、決策提供參考，從而為我國北方草地生態保護及優化管理決策提供有效的科學支持。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗區位于新巴爾虎右旗境內，地理位置（圖1）為 E115°31′～117°43′，N47°36′～49°50′。該區域屬中溫帶大陸性半干旱氣候，多年平均降水量為220～280 mm，由北向南遞減，年均溫0.30 ℃，無霜期128 d。冬季干燥寒冷，平均氣溫為-22.5 ℃，平均降水量為7.5 mm，僅占全年降水量的2%。夏季溫和濕潤，平均降水量為186.0 mm，占全年降水量的75%。試驗樣地屬于溫性典型草原，主要植物為大針茅（Stipa grandis）+糙隱子草（Cleistogenes squarrosa）。土壤類型為栗鈣土和暗栗鈣土（楊勇等，2012）。研究區于2002年開始實施退牧還草生態工程，主要措施有圍欄封育、圍封補播和春季休牧等。

圖1 研究區域地理位置Fig. 1 Location of study area

1.2 試驗設置

研究區草地在 2002年前為有償承包到戶的放牧場，2002年啟動退牧還草試點工程后，劃分出了春季休牧草地。2005年全面實施退牧還草工程后，對未實施春季休牧的部分草地進行了圍封補播，補播植物為蒙古冰草（Agropyron mongolicum），補播后禁牧2年，第3年開始進行秋季打草。

2011年，在研究區選擇休牧草地、補播草地以及相對應的圍欄外自由放牧草地內各設置1塊生境基本相同的草地作為試驗樣地（表1），樣地大小為300 m×300 m。由于休牧草地和補播草地相鄰，且具有相同的原生植被，因此在休牧草地和補播草地相對應的圍欄外，只設一個自由放牧草地作為對照試驗樣地。在樣地選擇時充分考慮了坡度、坡向、距離河流距離等自然生境，盡量選取地形地貌一致的樣地。樣地的地勢較為平坦（坡度<5°）。

表1 試驗樣地描述Table 1 Description of experimental sites

本研究以放牧時間及利用頻率作為反映利用強度的指標（馬建軍等，2012）。自由放牧草地為全年放牧，放牧頻率高，劃分為重度利用；休牧草地在 4─6月份不放牧，其他放牧時間嚴格執行以草定畜，放牧頻率適中，劃分為中度利用；補播草地前2年禁牧，第3年開始進行秋季打草，利用頻率較低，為適度利用。

1.3 土壤樣品采集

于2011年8月中旬對土壤樣品進行一次性采集，并保證所有樣品在3 d內采集完畢。在已選擇好的每個試驗樣地內分別設3個半徑為30 m的樣圈，樣圈間隔50 m，每個樣圈以圓心為始點布設夾角為120°的3條樣線，在每條樣線上距圓心15 m處設1個取樣點（1 m×1 m），每個樣地共計9個采樣點。用土鉆（直徑4 cm）按3點取樣法分0～10、10～20、20～30 cm共3層取樣，混合后分別裝入封口袋帶回實驗室，用于土壤理化性狀測定。本次試驗共采集81個土壤樣品。

1.4 土壤特性測定

土壤容重測定：分0～10、10～20、20～30 cm共3層采用環刀法取土進行測定；土壤全氮的測定采用凱氏定氮法；土壤有機碳的測定采用重鉻酸鉀容量法—外加熱法；土壤含水量測定采用105 ℃下烘干法。

1.5 數據處理與分析

所有試驗數據采用Excel 2003進行初步整理；采用one-way ANOVA對補播、休牧及自由放牧樣地的土壤有機碳、全氮、含水量和容重等數據進行顯著性檢驗（P<0.05）；將不同干擾方式和不同土層下的數據合并，采用回歸分析方法，分析土壤有機碳、全氮、含水量和容重之間的相互關系，并用SigmaPlot 12.0繪制散點圖；統計分析均由 SPSS 19.0軟件完成。

2 結果與分析

2.1 不同干擾方式對土壤容重和土壤含水量的影響

不同干擾方式下，草原土壤容重表現為自由放牧處理>休牧處理>補播處理，在0～10和10～20 cm土層差異顯著（P<0.05）；在20～30 cm土層，自由放牧顯著大于補播和休牧（P<0.05），而補播和休牧間無顯著差異（P>0.05）（圖2A）。在0～30 cm土層間，土壤含水量表現為補播>休牧>自由放牧（P<0.05）（圖2B）。

圖2 不同干擾方式下土壤容重和土壤含水量變化Fig. 2 The soil bulk density and moisture content under different disturbance types

在土壤剖面上，各干擾方式的土壤容重在不同土層間均無顯著差異（P>0.05）（圖2A），但土壤含水量總體上表現出沿土層深度增加而增加的趨勢，尤其是20～30 cm土層的含水量增加顯著（P<0.05）（圖2B）。

2.2 不同利用方式對土壤有機碳的影響

在0～30 cm土層，草原土壤有機碳含量表現為補播>休牧>自由放牧，且在3種干擾方式間差異都達到顯著水平（P<0.05）（圖3A）。說明合理的干擾方式有利于土壤有機碳的積累。

不同干擾方式對土壤有機碳垂直分布影響不同，土壤有機碳含量總體上表現為隨土層深度增加而減小（P<0.05）（圖3A）。與0～10 cm土層相比，20～30 cm 土層的有機碳下降幅度在 14.30%～35.93%之間，其中補播草地降幅最小，自由放牧草地降幅最大。休牧草地和自由放牧草地，土壤有機碳在各土層間都達到差異顯著水平（P<0.05）；在補播草地 0～10和 10～20 cm 土層差異不顯著（P>0.05），但兩者顯著高于20～30 cm土層（P<0.05）（圖3A）。

2.3 不同利用方式對土壤全氮的影響

0～30 cm土層，草原土壤全氮含量表現為補播>休牧>自由放牧，但僅在10～20 cm土層，不同干擾方式間差異顯著（P<0.05）。在0～10 cm土層，土壤全氮在補播和休牧間無顯著差異（P>0.05），但兩者顯著大于自由放牧（P<0.05）。在20～30 cm土層，土壤全氮在休牧和自由放牧間無顯著差異（P>0.05），但兩者顯著小于補播（P<0.05）（圖3B）。總體上說明補播及休牧有利于土壤全氮的積累。

在土壤剖面上，全氮含量表現為 0～10 cm土層>10～20 cm土層>20～30 cm土層（圖3B）。不同干擾方式草地土壤全氮減小幅度在12.15%～29.22%之間，其中補播降幅最小。除自由放牧外，其他干擾方式草地的土壤全氮含量在不同土層間都達到顯著差異水平（P<0.05）。

圖3 不同干擾方式下土壤有機碳和全氮變化Fig. 3 The soil organic C and total N content under different disturbance types

2.4 土壤理化性質間的相互關系

回歸分析表明，0～30 cm土層的土壤有機碳、土壤全氮及土壤含水量與土壤容重呈極顯著的負相關線性關系（P<0.0001），即隨著土壤容重的增大，土壤有機碳、全氮及含水量在減小；土壤有機碳和土壤全氮與土壤含水量呈極顯著的正相關線性關系（P<0.0001），土壤有機碳與土壤全氮重也呈極顯著的正相關線性關系（P<0.0001）（圖4）。這也說明土壤系統各性狀指標不是孤立發生作用，而是相互作用、相互聯系的有機整體。

3 討論

自由放牧草地沒有圍欄防護，家畜全年任意采食，無法定量化計算草地實際載畜率，但草地放牧頻率高，承載的放牧強度趨向于重度放牧水平。休牧草地在 4─6月份不放牧，其他放牧時間嚴格執行以草定畜，放牧頻率適中，屬中度利用。補播草地前2年禁牧，第3年開始進行秋季打草，利用頻率較低，為適度利用。由于缺乏試驗樣地的背景資料及長序列的監測資料，不能直接揭示該區域哪種干擾方式會造成草地土壤系統發生怎樣的改變。但是，由于休牧草地和補播草地相鄰，且具有相同的原生植被，除干擾類型不同外，地形氣候等生境條件一致，因此本研究橫向對比了經過不同干擾后的土壤理化性狀。

圍封補播是退化草地恢復與重建的重要措施之一，也是退化草地恢復治理的有效途徑之一。本研究結果表明，與休牧和自由放牧干擾方式相比，圍封補播使土壤含水量、有機碳和全氮含量顯著提高，土壤容重則降低，這與其他研究者所得出的結論一致（許中旗等，2006；蔣德明等，2013）。因為補播能大幅度提高草地生產力，增加植被多樣性和蓋度（Wang等，2006；張永超等，2012；鄭華平等，2009），從而可以有效防止水土流失造成的土壤養分損失。本試驗中補播樣地的處理方式，一方面大量凋落物的歸還增加了土壤的碳貯量；另一方面群落狀況的改善使土壤受到的侵蝕減少，保護了有機碳含量較高的表層土壤，提高了土壤有機碳的含量（閆玉春等，2009；李強等，2014）。有研究表明，1年割1次的刈割制度是對內蒙古大針茅草原較為合理的利用強度（呼格吉勒圖等，2009），刈割草地土壤微生物的數量大于放牧草地（朱瑞芬等，2012），這可能也是補播草地理化性狀好于其他干擾方式的重要原因。

干擾方式不同對草地土壤理化性質的影響也不相同。放牧作為草原最主要的利用方式，是人類施加于草地生態系統最大的影響因素。放牧家畜通過踐踏、啃食和排泄導致草地土壤的理化性狀產生變化（高英志等，2004；侯扶江等，2004）。楊紅善等（2009）研究發現，隨著放牧強度的增加，家畜對土壤的壓實作用加強，導致土壤容重逐漸增加和土壤含水量降低。李凌浩（1998）對內蒙古錫林河流域羊草草原研究結果表明，過度放牧使羊草草原表層土壤（0～20 cm）中碳貯量下降了約12.4%。Steffens等（2008）也研究發現，隨著放牧強度的增加，土壤有機質、總氮含量顯著降低。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、有機碳和全氮含量都顯著高于自由放牧草地（P<0.05），該結論進一步印證了以上研究結果。說明對于因長期過度放牧而導致退化的草地，休牧對其土壤狀況有積極的改善。在內蒙古草地，基于多個放牧強度的大型放牧試驗的研究結果表明，放牧草地存在碳固持/碳流失的內在轉化閾值，即放牧強度閾值（He等，2011；閆瑞瑞等，2014），輕度放牧可提高典型草原土壤碳、氮貯量，隨著放牧強度增加，土壤碳、氮貯量降低。總體上，圍封補播和休牧有效地改善了草地生態系統的土壤理化性狀，對遏制草地退化、恢復草地功能起到了積極的作用。

圖4 土壤有機碳、土壤全氮、土壤含水量及土壤容重之間的關系Fig. 4 Correlation between soil organic C, soil total N, soil moisture content and soil bulk density

不同干擾方式也影響土壤理化性狀指標在土壤剖面上的垂直分布。本研究中，除土壤容重隨土層深度增加無顯著變化外（P>0.05），土壤含水量總體上表現出沿土層深度增加而增加的趨勢（P<0.05），土壤有機碳和全氮均隨土層深度的增加而顯著下降（P<0.05），這與許中旗等（2006）的研究結果一致。土壤有機碳下降幅度總體上以補播最小，自由放牧最大。說明自由放牧加速了草地土壤有機碳和全氮的損失。

相關性分析得出土壤容重與土壤含水量、土壤有機碳和全氮都成極顯著負相關關系（P<0.01），而土壤含水量、有機碳和全氮3項指標間相互成顯著正相關關系（P<0.01），這一結果與他人的研究結果是一致的（王淑平等，2005；李曉東等，2009；孫世賢等，2013）。另外，土壤容重、土壤含水量、土壤有機碳及土壤全氮間互成極顯著的線性關系（P<0.0001）。說明草地生態系統內部的各養分不是獨立產生作用，而是相互聯系、相互作用的有機整體。建議在今后的研究中從系統的角度出發，分類選取多種指標，以更加全面地揭示草地土壤系統對人類活動的響應機理。

4 結論

（1）不同干擾方式對草地土壤理化性狀有明顯影響，但不同指標對干擾方式的響應不同。圍封補播有利于土壤有機碳和全氮的積累以及提高土壤含水量，而自由放牧在降低土壤有機碳、全氮和含水量的同時，使土壤容重增大。0～30 cm土層內，隨著土層深度的增加，土壤有機碳和全氮呈現顯著下降，其中補播草地降幅最小，自由放牧草地降幅較大，土壤含水量則隨土層深度增加而增大，而土壤容重無顯著變化。

（2）草地土壤系統各性狀指標是相互作用、相互聯系的有機整體，土壤容重與土壤含水量、土壤有機碳和全氮都成極顯著負相關關系，而土壤含水量、有機碳和全氮 3項指標間相互成顯著正相關關系。

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朱瑞芬, 唐鳳蘭, 張月學, 等. 2012. 不同利用方式對東北羊草草地土壤微生物數量的影響[J]. 草地學報, 20(5): 842-847.

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

A

1674-5906（2015）02-0204-07

楊勇，宋向陽，詠梅，李蘭花，陳海軍，王保林，陳國清，王瑞利，劉愛軍，王明玖. 不同干擾方式對內蒙古典型草原土壤有機碳和全氮的影響[J]. 生態環境學報, 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.

國家林業局林業公益性行業科研專項（201204202）；內蒙古自治區科技計劃項目“不同生態類型區域生態評估及風險預測技術研究”（2014年3月8日立項）；內蒙古自治區研究生教育創新計劃資助項目（B20141012907Z）；內蒙古自治區科技計劃項目（20130438）；呼和浩特市科技計劃項目（2013150103000036）

楊勇（1984年生），男，博士研究生，助理研究員，研究方向為草地生態學。E-mail: yangyong606@Gmail.com *通信作者：E-mail: wangmj_0540@163.com；Liuaj_81@163.com

2014-11-28