不同恢復措施對寧夏荒漠草原土壤碳氮儲量的影響

于雙，許冬梅,2*，許愛云，劉金龍，陶利波

(1.寧夏大學農學院，寧夏 銀川 750021；2.寧夏大學西北土地退化與生態恢復省部共建國家重點實驗室培養基地，寧夏 銀川 750021)

土壤有機碳和氮元素含量可以直觀地反映土壤肥力的高低，也是草地土壤質量和草地健康評價的重要指標之一，直接影響草地的生產力[1-4]。土壤有機碳是陸地生態系統中儲量最大的碳庫，約為大氣碳儲量的2倍，植物碳儲量的3倍[5]。全球草地總碳儲量約為308 Pg C, 其中約92%儲存在土壤中[6]；中國草地總碳儲量為28.95 Pg C，其中約94%儲存于土壤中[7]。草地生態系統中，碳氮循環密切相關，二者之間相互作用、相互影響[8]。草地土壤碳氮儲量的增加，對改善全球碳氮循環、緩解全球氣候變化具有重要價值[9-10]。因此，掌握土壤碳氮儲量的變化特征，對維系土壤質量、保護生態環境具有重要意義[11-12]。研究發現，土壤擾動方式和強度對草地土壤碳氮儲量產生顯著影響，隨草地退化程度的加劇，土壤碳氮儲量呈顯著下降趨勢[13-14]。圍欄封育、淺耕翻和耙地等恢復、改良措施有利于退化草地土壤碳氮的累積[15-16]。

荒漠草原是寧夏天然草地的主體類型，在區域經濟發展和生態安全維護中具有重要地位。然而，由于自然環境的敏感脆弱性，加之人類過度干擾，草地退化、沙化嚴重，導致植被發生逆向演替，土壤粗粒化、碳氮等養分損失加劇[17-18]。隨著退牧還草等政策的實施，近年來，在寧夏荒漠草原區通過圍欄封育、天然草地補播及人工檸條林建植等措施，促進退化草地生態系統的恢復，植物群落結構及土壤性狀得以改善[19-21]。本研究以退化荒漠草原為對象，研究不同恢復措施條件下，草地土壤總有機碳、全氮含量及其分布特征，分析不同恢復措施草地土壤有機碳和全氮儲量的差異，為揭示荒漠草原生態系統有機碳和全氮儲量變化，提升草地生態管理水平提供理論參考，對該區生態環境建設具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本研究區位于寧夏東部風沙區鹽池縣高沙窩鎮 (E 106°03′-107°04′，N 37°04′-38°10′)。鹽池縣南靠黃土高原，北與毛烏素沙地相連。氣候類型屬于典型中溫帶大陸性季風氣候，平均氣溫7.8 ℃；氣溫冬冷夏熱，極端最高溫度34.9 ℃，極端最低溫度-24.2 ℃，冬夏兩季氣候迥異，平均溫差28 ℃左右，年均無霜期165 d；年降水量250～350 mm，且從東南向西北遞減；平均海拔1295～1951 m，地勢呈南高北低，土壤類型以灰鈣土為主，其次是黑壚土和風沙土。試驗區系短花針茅(Stipabreviflora)和牛枝子(Lespedezapotaninii)為建群種的荒漠草原，在寧夏荒漠草原區具有一定的代表性，主要建群物種有短花針茅、牛枝子、蒙古冰草(Agropyronmongolicum)、賴草(Leymussecalinus)等。

1.2 試驗設計

在研究區選擇退化程度一致、地勢較為平坦的草地。于2014年6月采用隨機區組設計(區組間隔6 m)，設置封育+未補播(F)、深翻耕+補播(S)、淺翻耕+補播(Q)、免耕+補播(M)4個恢復措施，每個處理3個重復小區，小區面積為4 m×20 m，小區間距為3 m。補播組合為蒙古冰草+沙打旺(Astragalusadsurgens)，播種量22.5 kg·hm-2(蒙古冰草15 kg·hm-2、沙打旺7.5 kg·hm-2)，播種方式為條播，行距50 cm。同時，以傳統放牧草地為對照，共5個處理。

1.3 樣品采集及處理

于2017年8月初，在每個小區內采用多點混合法分別采集0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm和30～40 cm土壤樣品，去除雜物及植物根系、凋落物等，帶回實驗室，于室內風干、研磨，分別過0.149和2 mm篩，保存于密封袋內，用于土壤有機碳和全氮的測定。同時，挖取土壤剖面，利用環刀分層采集土樣，用于土壤容重的測定。

1.4 樣品指標測定及計算方法

土壤容重采用環刀法測定[22]；有機碳(total organic carbon, TOC)采用Elemental rapid CS cube元素分析儀測定；全氮(total nitrogen, TN)采用BUCHI Labortechnik AG K-360全自動凱氏定氮儀測定[23]。

土壤有機碳、全氮密度及儲量的計算[10]：

SOCi=Ci×Di×Ei×(1-Gi)/100
TNi=Ni×Di×Ei×(1-Gi)/100

式中：SOCi為某層土壤的有機碳密度(kg·m-2)，TNi為某層土壤的全氮密度(kg·m-2)，Ci為土壤有機碳含量(g·kg-1)，Ni為土壤全氮含量(g·kg-1)，Di為土壤容重(g·cm-3)，Ei為土層厚度(cm)；Gi為粒徑>2 mm 的石礫含量(%)，研究區土壤無粒徑>2 mm 石礫，所以Gi取值為0。

式中：SOCt為土壤有機碳儲量(t·hm-2)，TNt為土壤全氮儲量(t·hm-2)，K為土層數，SOCi為某層土壤的有機碳密度(kg·m-2)，TNi為某層土壤的全氮密度(kg·m-2)。

1.5 數據分析

采用Excel進行數據匯總，DPS 9.5軟件進行統計分析，采用one-way ANOVA和LSD法進行方差分析和多重比較分析。

2 結果與分析

2.1 不同恢復措施草地土壤有機碳和全氮含量的剖面分布特征

由圖1可知，0～10 cm和10～20 cm土層，土壤有機碳含量均以淺翻耕處理的草地最高，分別為7.45和7.25 g·kg-1，顯著高于放牧草地，深翻耕草地及封育處理的草地(P<0.05)。20～30 cm土層，不同處理草地有機碳含量變化范圍為5.03～9.93 g·kg-1，以淺翻耕草地和免耕處理的草地土壤有機碳含量較高，顯著高于深翻耕和封育處理的草地(P<0.05)；封育草地土壤有機碳含量最低，顯著低于其他恢復措施草地及放牧草地(P<0.05)。30～40 cm土層，不同處理草地之間土壤有機碳含量差異不顯著(P>0.05)。從剖面分布看，不同處理草地土壤有機碳含量隨土層的加深變化規律不完全一致，但總體表現為0～10 cm和10～20 cm土層含量較低，20～30 cm和30～40 cm土層含量較高。

0～10 cm和10～20 cm土層全氮含量均以淺翻耕處理草地最高，分別為0.17和0.23 g·kg-1；0～10 cm土層，淺翻耕處理草地顯著高于封育和放牧草地(P<0.05)，封育草地與深翻耕及免耕草地之間差異不顯著，放牧草地與免耕及封育草地之間差異不顯著(P>0.05)；10～20 cm土層，淺翻耕處理草地全氮含量顯著高于其他處理(P<0.05)，其他恢復措施及放牧草地之間差異不顯著(P>0.05)。20～30 cm和30～40 cm土層，全氮含量均以深翻耕處理草地最高，分別為0.26和0.20 g·kg-1；20～30 cm土層，深翻耕處理草地全氮含量顯著高于封育草地(P<0.05)；30～40 cm土層，深翻耕處理草地全氮含量顯著高于放牧、免耕及封育草地(P<0.05)，淺翻耕、免耕、封育及放牧草地之間差異不顯著(P>0.05)。從剖面分布看，各處理措施草地20～40 cm土層全氮含量較0～20 cm土層高，其中，深耕翻和放牧草地增加顯著(P<0.05)。

圖1 不同恢復措施草地土壤有機碳和全氮含量Fig.1 Contents of soil organic carbon and total nitrogen of grasslands under different restoration measures 圖中不同小寫字母表示同一土層不同處理在0.05水平差異顯著。S: 深翻耕+補播; Q: 淺翻耕+補播; M: 免耕+補播; F: 封育+未補播; CK: 傳統放牧。下同。Different small letters mean significant differences at 0.05 level among different restoration measures at the same soil depth. S: Deep ploughed+reseeding; Q: Shallow ploughed+reseeding; M: No-tillage+reseeding; F: Enclosed+no reseeding; CK: Grazing. The same below.

2.2 不同恢復措施草地土壤有機碳和全氮密度

如表1所示，不同處理草地各土層土壤容重分布范圍為1.36～1.55 g·cm-3，其中，0～10 cm和30～40 cm土層，各處理草地之間差異不顯著(P>0.05)；10～20 cm和20～30 cm土層，以深翻耕和放牧草地較高，淺翻耕處理草地最低，顯著低于深翻耕、免耕和放牧草地(P<0.05)。

表1 不同恢復措施草地土壤容重、有機碳和全氮密度 Table 1 Soil bulk， density of organic carbon and total nitrogen of grassland under different restoration measures

注：同行不同字母表示同一土層不同處理在0.05水平差異顯著(P<0.05)，下同。

Note： The different lowercase letters in the same line indicate significant difference at 0.05 level among different restoration measures at the same soil depth (P<0.05), the same below.

0～10 cm和10～20 cm土層有機碳密度均以淺翻耕處理草地最高，分別為1.10和1.00 kg·m-2，顯著高于放牧、深翻耕和封育草地(P<0.05)，放牧、深翻耕、免耕及封育草地之間差異不顯著(P>0.05)。不同處理草地20～30 cm和30～40 cm土層有機碳密度變化范圍分別為0.76～1.41 kg·m-2和0.99～1.58 kg·m-2，均以淺翻耕和放牧草地較高，封育草地較低，但各處理草地之間差異不顯著(P>0.05)。

全氮密度在0～10 cm和10～20 cm土層均以淺翻耕處理草地最大，分別為0.025和0.031 kg·m-2，其中0～10 cm土層，淺翻耕處理草地顯著高于放牧和封育草地(P<0.05)；10～20 cm土層，淺翻耕處理草地顯著高于放牧、封育、深翻耕及免耕草地。20～30 cm土層，全氮密度以深翻耕草地最高(0.039 kg·m-2)，顯著高于封育草地(0.020 kg·m-2)(P<0.05)。30～40 cm土層，全氮密度仍以深翻耕處理草地最高，顯著高于放牧、免耕和封育草地(P<0.05)。從垂直分布看，隨土層的加深，有機碳和全氮密度的變化趨勢與有機碳和全氮含量變化趨勢一致。

2.3 不同恢復措施草地土壤有機碳和全氮儲量

不同恢復措施草地土壤有機碳和全氮儲量如圖2所示，可以看出，不同處理草地0～40 cm土層土壤有機碳儲量變化為淺翻耕草地>免耕草地>放牧草地>深翻耕草地>封育草地；其中淺翻耕處理草地土壤有機碳儲量為47.72 t·hm-2，顯著高于封育草地的27.63 t·hm-2(P<0.05)。0～40 cm土層土壤全氮儲量表現為淺翻耕草地>深翻耕草地>免耕草地>封育草地>放牧草地，淺翻耕處理草地全氮儲量為1.09 t·hm-2，顯著高于免耕、封育及放牧草地(P<0.05)，免耕、封育、放牧及深翻耕處理草地之間差異不顯著(P>0.05)。從垂直變化看，不同處理草地各土層對0～40 cm土壤有機碳及全氮儲量貢獻率分別為：0～10 cm: 13.5%～23.1%和17.0%～24.6%；10～20 cm: 15.1%～21.8%和16.7%～28.9%；20～30 cm: 27.4%～34.3%和24.0%～38.0%；30～40 cm: 26.4%～37.1%和24.0%～32.5%。總體來看，各處理草地20～40 cm土層對土壤有機碳和全氮儲量的貢獻率較0～20 cm的高。

圖2 不同恢復措施草地土壤有機碳和全氮儲量Fig.2 The storage of soil organic carbon and total nitrogen of grasslands under different restoration measures

3 討論與結論

土壤有機碳是草地土壤質量的重要表征，在揭示植被、土壤及其他環境因子的關系中具有重要作用，其含量高低直接影響土壤的生物化學過程，進而改變草地土壤的肥力[24]。植被組成，土地利用方式及管理措施等對土壤有機碳具有一定影響[25]。0～30 cm土層中，土壤有機碳含量均以淺翻耕處理草地最高，其次是免耕草地，封育草地較低，這是由于補播改善了植物群落結構，植物凋落物的積累與分解改變了淺層土壤養分的循環及周轉，導致淺翻耕和免耕處理有機碳含量較高(P<0.05)。30～40 cm土層中，各恢復措施草地及放牧草地之間有機碳含量差異不顯著(P>0.05)。表明在本研究的處理中，淺翻耕有利于草地土壤有機碳的積累。前人對不同改良措施對退化羊草(Leymuschinensis)草地影響的研究表明，0～30 cm土層有機碳含量在恢復8年后表現為淺耕翻改良>耙地改良>圍欄封育>圍欄外自由放牧；24年后則表現為圍欄封育>耙地改良>淺耕翻改良>圍欄外自由放牧[15,26]；因此，隨著恢復年限的增加，封育可能更利于草地土壤有機碳的積累。

土壤氮素是植物生長所需的主要營養元素之一，對草地生態系統生產量、結構與功能的調節具有重要作用[27-29]。0～20 cm土層，全氮含量均以淺翻耕處理草地較高，放牧草地最低。20～40 cm土層，全氮含量以深翻耕處理草地最高，淺翻耕處理草地次之，免耕草地較低。這可能是由于深翻耕對土壤擾動較強，導致土壤水分流失，有機碳分解加速，淋溶作用增強，使得氮素等養分向下遷移[2]。孫庚等[30]對川西北草地土壤氮和碳特征的影響研究表明，不同管理措施對川西北草地氮元素的積累和轉化速率影響顯著，圍欄草地和翻耕草地全氮含量分別比放牧草地高46%和51%，氮轉化速率和呼吸速率大大加快，尤其是翻耕草地。本研究中深翻耕草地和淺翻耕草地全氮含量較放牧草地分別增加了41%和43%。李凌浩[31]在土地利用變化對草原生態系統土壤碳貯量的影響研究中表明，圍欄封育、淺耕等不同恢復措施和放牧、砍伐等利用方式對土壤氮元素分布、轉化及其含量有重要影響。總體來看，本研究不同恢復措施草地淺層土壤有機碳和全氮含量較低，與以往的研究結果一致[32]。可能是由于研究區地處較為干旱的風沙區，風蝕作用強烈，植被蓋度總體較低，凋落物積累較少，導致淺層土壤有機碳和全氮含量相對較低。

土壤碳庫是植物健康生長的主要營養源，其儲量巨大，約是大氣碳庫的2倍[33]。土壤氮儲量是衡量土壤氮元素供應狀況的重要指標[34]。本研究結果表明0～40 cm土層土壤有機碳儲量淺翻耕草地>免耕草地>放牧草地>深翻耕草地>封育草地，0～40 cm土層土壤全氮儲量表現為淺翻耕草地>深翻耕草地>免耕草地>封育草地>放牧草地。有機碳和全氮儲量均以淺翻耕處理草地最高，可能是淺翻耕改變了土壤上層的結構變化，土壤孔隙度增大，加之補播過程既疏松了土壤，又增加了植被蓋度與凋落物的積累，從而導致淺翻耕處理草地土壤有機碳、全氮氮含量較高。周瑤等[35]對不同恢復措施寧夏典型草原土壤碳、氮儲量的研究表明，封育禁牧有利于該區碳、氮儲量的累積。李雅瓊等[15]研究表明，圍欄封育、耙地改良、淺耕翻改良等恢復措施均使退化草地碳、氮儲量有所增加。

綜上所述，在本研究所做處理中，退化草地恢復初期，淺翻耕處理較免耕、深翻耕和封育措施更有利于荒漠草原土壤有機碳和全氮儲量的積累。