補播對退化荒漠草原土壤有機碳及其分布的影響

郭艷菊, 馬曉靜, 于 雙, 許冬梅

(寧夏大學農學院, 寧夏 銀川 750021)

過去幾十年間全球氣候變暖，碳循環引起全球范圍越來越多的關注[1]。土壤是陸地生態系統最大的碳庫，其碳儲量約為大氣的2倍，植被的3倍[2-4]，對維持植物營養和緩解全球氣候變化具有重要的作用[5]。

草地生態系統是陸地生態系統的重要組分，在全球碳循環中扮演著源、匯、庫的作用。草地土壤有機碳庫及其穩定性與土壤侵蝕、生態系統的維持、發展及穩定性機制相聯系[6]。然而，由于人類不合理的開發利用，導致草地退化，土壤有機碳大量流失[1,7]。土壤團聚體的形成影響土壤有機碳的分解，是有機碳穩定和保護的載體[8-9]，有助于抵御土壤的侵蝕[10]。不同管理措施可改變土壤團聚體的更新與轉化，對土壤有機碳的固存產生影響[11]。研究表明，退化生態系統實施植被恢復措施后，植被蓋度及物種多樣性增加，提高了生態系統碳的固存能力[12-13]。

針對退化草地生態系統，可通過多種途徑進行恢復和重建。其中，補播作為一種簡單、有效的措施，在退化草地生態系統恢復和重建中廣泛應用。補播可提高退化草地的生產力、增加植被蓋度及物種多樣性等，有效改善草地生態環境[14]。本研究通過分析荒漠草原土壤有機碳及其在土壤剖面和不同粒級團聚體中的分布，探討不同補播模式對退化荒漠草原土壤有機碳的影響，為退化草地植被恢復及土壤有機碳固存提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于寧夏東部風沙區鹽池縣高沙窩鎮(37°04′～38°10′ N，106°03′～107°04′ E)。鹽池縣南北長110 km，東西寬66 km，總面積8 661.3 km2，平均海拔1 295～1 951 m，地勢呈南高北低。屬典型中溫帶大陸性季風氣候，光能豐富，年均氣溫7.8℃，年降水量250～350 mm，蒸發量2 000 mm以上；土壤類型以灰鈣土為主，其次是黑壚土和風沙土。草原類型包括典型草原和荒漠草原，荒漠草原主要物種有牛枝子(Lespedezapotaninii)、蒙古冰草(Agropyronmongolicum)、短花針茅(Stipabreviflora)、賴草(Leymussecalinus)等。

1.2 研究方法

1.2.1試驗設計 2014年6月，在研究區選取地勢較為平坦、退化程度均一的退化荒漠草原，土壤以灰鈣土風蝕沙化形成的風沙土為主，質地疏松，植物群落結構不穩定。基于隔帶深翻土壤30 cm后(翻耕帶4 m，相鄰翻耕帶之間間隔6 m)，采用隨機區組設計(區組間間隔6 m)，分別以蒙古冰草+沙生冰草(G)、沙生冰草(A.desertorum)(S)、蒙古冰草(A.mongolicum)(M)進行條播，播種量22.5 kg·hm-2，行距30 cm，同時以未補播草地為對照(CK)，共4個處理，每個處理重復3次，共12個小區，小區面積4 m×20 m，小區間隔1 m。

1.2.2樣品采集 于2017年7月，在各處理小區按等間距設置3個取樣點，在各樣點分0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm土層采集原狀土壤樣品于保鮮盒中帶回室內，用于土壤團聚體的測定。同時，采集土壤樣品用密封袋保存，帶回實驗室風干后，過0.15 mm的篩，用于土壤有機碳的測定。

1.2.3測定方法 土壤團聚體的測定采用沙維諾夫干篩法，按>2 mm，2～0.25 mm，0.25～0.053 mm，<0.053 mm不同粒級分離。土壤總有機碳及不同粒級團聚體有機碳含量采用Elemental rapid CS cube元素分析儀測定。

不同粒級團聚體對土壤有機碳的貢獻率(%)由以下公式計算：

團聚體對土壤有機碳的貢獻率=該粒級團聚體中有機碳含量×該粒級團聚體含量/土壤有機碳含量× 100%

1.3 數據分析

采用Excel進行基礎數據處理和作圖，采用DPS 7.05 軟件進行單因素方差分析(One-way ANOVA)和LSD多重比較。

2 結果與分析

2.1 不同補播模式荒漠草原土壤有機碳剖面分布

由表1可得，補播可以提高荒漠草原土壤有機碳含量。0～10 cm土層，各處理草地之間土壤有機碳含量差異不顯著，變化范圍2.94～3.88 g·kg-1。10～20 cm和20～30 cm土層，以沙生冰草補播草地有機碳含量最高，顯著高于未補播草地(P<0.05)。30～40 cm土層，各處理草地土壤有機碳含量均顯著高于未補播草地(P<0.05)，且不同補播模式草地之間差異不顯著。各處理草地0～40 cm土壤有機碳含量隨土層加深均逐漸增加，與0～20 cm土層相比，20～40 cm土層土壤有機碳含量提高了33.98%～77.81%。

表1 不同補播模式荒漠草原0～40 cm土層土壤有機碳Table 1 Contents of soil organic carbon at 0～40 cm depth of desert steppes under different reseeding measures

注：同行不同大寫字母表示不同處理之間差異顯著(P<0.05)；同列不同行小寫字母表示同一處理不同土層之間差異顯著(P<0.05)

Note:Different capital letters in the same row indicate significant difference among different treatments at the 0.05 level,and different lower-case letters in the same row indicate significant difference among different soil layers at the 0.05 level

2.2 不同補播模式荒漠草原土壤團聚體有機碳分布特征

不同補播模式荒漠草原土壤團聚體有機碳分布見圖1，可以看出，不同處理0～40 cm土層土壤團聚體有機碳含量均以<0.053 mm粒級最高，分布范圍為6.86～14.80 g·kg-1，0.053～0.25 mm粒級較低。0～10 cm土層，不同粒級團聚體有機碳含量在各處理間差異不顯著。10～20 cm和20～30 cm土層，不同處理之間<0.053及0.25～2 mm粒級團聚體有機碳含量差異不顯著；0.053～0.25 mm粒級團聚體有機碳含量，10～20 cm土層以沙生冰草補播草地顯著高于其他處理草地(P<0.05)，20～30 cm土層則以蒙古冰草+沙生冰草補播草地最高(P<0.05)；>2 mm粒級團聚體有機碳含量，未補播草地10～20 cm土層顯著低于沙生冰草補播草地(P<0.05)，20～30 cm土層顯著低于蒙古冰草補播草地(P<0.05)。30～40 cm土層，<0.053 mm，0.25～2 mm及>2 mm粒級團聚體有機碳含量均以蒙古冰草補播地最高，未補播草地最低，但各粒級有機碳含量在不同處理草地之間變異規律不同；三種補播模式草地之間0.053～0.25 mm粒級團聚體有機碳含量差異不顯著，且均顯著高于未補播草地。

2.3 不同粒級團聚體有機碳對全土有機碳的貢獻率

由圖2，不同處理草地0～30 cm各土層均以0.053～0.25 mm粒級團聚體對全土有機碳貢獻率最高，其范圍53.99%～83.68%，其次為>2 mm粒級團聚體，0～30 cm各土層<0.053 mm和0.25～2 mm粒級團聚體對全土有機碳的貢獻率在不同處理草地之間差異不顯著。0～10 cm土層，0.053～0.25 mm粒級團聚體對全土有機碳貢獻率以未補播草地最高，蒙古冰草+沙生冰草補播草地較低(P<0.05)。>2 mm粒級團聚體對全土有機碳貢獻率以蒙古冰草+沙生冰草補播草地和沙生冰草補播草地較高，未補播草地較低(P<0.05)。10～20 cm土層，0.053～0.25 mm粒級團聚體對全土有機碳貢獻率以未補播草地和蒙古冰草+沙生冰草補播草地較高(P<0.05)，>2 mm團聚體對全土有機碳貢獻率以蒙古冰草補播地最高，顯著高于其他處理草地(P<0.05)。20～30 cm土層，蒙古冰草補播地0.053～0.25 mm粒級團聚體對全土有機碳貢獻率顯著低于沙生冰草補播草地和未補播草地(P<0.05)。>2 mm粒級團聚體對全土有機碳貢獻率則呈現出相反的變化趨勢(P<0.05)。30～40 cm土層，3種補播模式草地>0.25 mm粒級大團聚體對全土有機碳的貢獻明顯增大，顯著高于未補播草地(P<0.05)。

圖2 不同補播模式草地0～40 cm土層不同粒級團聚體對有機碳貢獻率Fig.2 Contribution rates of different aggregate fractions to soil organic carbon content at 0～40 cm depths of desert steppes under different reseeding measures

3 討論與結論

土壤有機碳含量是土壤肥力的重要指標之一，同時也是影響草地生產力的重要因素[14]。補播有利于退化荒漠草原土壤有機碳的固存，除0～10 cm土層各處理草地土壤有機碳含量差異不顯著外，沙生冰草補播草地10～40 cm各土層均顯著高于對照(P<0.05)。張平良等對高寒農牧交錯帶植被恢復對土壤有機碳的影響研究表明，種植老芒麥對提高土壤有機質含量效果顯著[15]。隨土層加深，各處理草地土壤有機碳含量逐漸增加(P<0.05)，這可能是由于荒漠草原總體植被覆蓋較低，由凋落物分解輸入土壤的有機碳較少，加上風蝕和呼吸作用，導致表層土壤有機碳較深層土壤低。

團聚體是土壤的基本結構單位，土壤有機碳貫穿于團聚體形成、穩定及分解的全過程[16]。不同土層各粒級團聚體有機碳含量對補播的響應不同，0～30 cm土層，不同處理草地之間<0.053 mm和0.25～2 mm粒級團聚體有機碳含量差異不顯著，0.053～0.25 mm和>2 mm粒級團聚體含量無規律性變化。不同處理各土層有機碳主要分布在<0.053 mm粒級團聚體，這與張靜婭等[17]觀點相同，一方面可能是<0.053 mm粒級團聚體比表面積大，表面的有機無機膠體結合土壤有機碳，另一方面可能是大團聚體中富含年輕植物殘體，易被礦化，高度腐殖化的惰性部分存在于微團聚體中，因此不斷積累，使得<0.053 mm團聚體有機碳含量增加。但華娟和高會議[18-19]等認為團聚體有機碳主要分布在大團聚體中。隨土層加深，>2 mm粒級團聚體有機碳含量增加，與以往的研究結果一致[20-21]。

不同粒級團聚體對全土有機碳貢獻率揭示了不同粒級團聚體含量及不同粒級團聚體有機碳特征[22]。0～10 cm土層，>2 mm粒級團聚體對全土有機碳貢獻率以蒙古冰草+沙生冰草補播草地最高，10～40 cm土層，以蒙古冰草補播草地最高(P<0.05)。0～30 cm各土層均以0.053～0.25 mm粒級團聚體對全土有機碳的貢獻率最高，這主要是由于0.053～0.25 mm粒級團聚體百分含量最高，使得其對全土有機碳的貢獻率最大。隨土層加深，各處理草地大團聚體對全土有機碳貢獻率增大，至30～40 cm土層，不同補播模式>2 mm團聚體對全土有機碳貢獻率均顯著高于未補播草地。結合土壤有機碳剖面分布，該結果也表明大團聚體的形成對土壤有機碳具有一定的保護作用[8]。

綜上所述，補播有利于退化荒漠草原土壤有機碳的固存，在本研究所做處理中補播沙生冰草對土壤有機碳的增加效果較為明顯。