不同利用方式下草地土壤理化性質及碳、氮固持研究

張超，閆瑞瑞，梁慶偉，娜日蘇，李彤，楊秀芳，包玉海，辛曉平*

（1.內蒙古師范大學地理科學學院，內蒙古 呼和浩特010022；2.中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京100081；3.赤峰市農牧科學研究院，內蒙古 赤峰024031；4.中國科學院植物研究所，北京100093；5.中國科學院大學，北京100049）

草地生態系統作為陸地生態系統的重要組成部分，是全球分布最廣的生態系統類型之一，我國的草地面積約為4×108hm2，約占世界草地面積的12.5%［1］。在全球氣候變化下，草地不僅是陸地生態系統碳循環的核心要素之一，也是碳交換機制的核心［2］，同時對維持大氣成分、氣候調節、防風固沙、水土保持及保護生物多樣性等方面都具有重要的生態學價值，在全球碳循環和氣候變化響應中發揮著重要作用。土壤作為陸地生態系統中最大的碳庫，是全球碳循環過程中不可或缺的一部分，其存儲的有機碳約為植物碳庫的3倍、大氣碳庫的2倍，約占整個陸地生態系統碳庫的2/3［3］。草地土壤碳庫是草地生態系統中最大的碳儲庫，因此，研究草地生態系統土壤理化性質及土壤碳、氮貯量對調控全球陸地碳循環過程具有重要意義。

土壤理化性質是衡量土壤質量狀況的重要指標，因此對土壤理化性質進行研究能夠最直接的表現土壤自然肥力。目前已有學者研究放牧、施肥以及人工草地建立等不同利用管理方式對草地土壤理化性質的影響，如高英志等［4］、單貴蓮等［5］、李強等［6］以及李麗君等［7］研究并發現，持續放牧能夠增加土壤容重、pH，降低土壤養分濃度。此外，還有研究發現，輕度放牧有利于土壤有機碳的短期積累，但過度放牧會導致表層養分流失［8］。土地利用方式改變是影響土壤理化性質最直接的因素［9］，蘇永中等［10］通過以科爾沁沙地開墾后的退化草地為研究對象，經過14年不同的土地利用和管理對比其土壤物理、化學和生物學性狀特征，結果表明適當合理的土地利用方式對土壤理化性質有重要的影響。孫建等［11］、杜偉［12］通過對比不同處理措施對土壤理化性質的影響，結果發現有機肥與無機肥配施可以改善土壤容重、土壤儲水量和緊實度，同時對土壤養分的提高也有一定促進作用。目前，遙感技術與地面測點的結合已成為大尺度草產量動態監測的主要手段［13］，因此利用遙感數據的植被指數來反映草地的基本生長狀況較為便捷可行，張凱等［14］、任海娟［15］基于遙感技術提取草地地上生物量信息，并進行估產，均呈現出較高的估算精度。因此對土壤理化性質的研究并借助遙感手段將較好地反映不同利用方式下草地土壤的肥力和生長狀況。草地土壤碳、氮貯量及固碳效應變化的研究是草地碳循環研究的核心，早期國外學者［16-18］研究放牧對土壤碳、氮含量的影響，發現放牧一定程度影響碳素向土壤的輸入，進一步影響土壤有機碳含量。West等［19］，Fornara等［20］針對不同作物研究發現，采取免耕和增加輪作的復染性使土壤年平均固碳率為正值，豆科C4植物和植物的功能群組能夠使生態系統的固碳效率提高5～6倍。此外我國部分學者［21-23］也針對不同利用方式草地的土壤碳、氮變化情況進行了大量相關研究，由此可見，研究不同利用方式對草原土壤碳、氮變化及固碳效應的影響，不僅便于明確草地碳循環途徑及其在全球碳循環中的作用，而且有助于研究草地系統對于氣候變化的響應。

阿魯科爾沁旗地處中國北方生態脆弱帶，由于多年干旱以及長期的農牧生產過程中人們的不合理利用導致草地退化沙化十分嚴重，水土保持能力下降，對災害氣候現象的抵抗力降低［24］，造成生產力大幅度下降。草地退化不僅影響草地畜牧業的健康發展，也會阻礙當地牧民脫貧致富，進一步會影響到社會經濟持續穩定發展［25］。我國長期以來主要的草地恢復措施有圍欄封育、休牧輪牧以及淺耕翻、施肥、切根、補播優良牧草等人為恢復措施，來恢復和改良退化草地［26］。當地政府也采取了相應的管理措施來恢復草地生產力，并取得了一定的效果。

本研究以阿魯科爾沁旗為研究區域，通過將退化的天然牧草地與人工牧草地以及人工灌溉的混播型放牧草地在土壤理化性質、碳、氮變化和固碳效應等方面進行研究，分析了不同利用方式對草地碳、氮貯量的影響，為當地相關部門對草地的合理管理和利用提供了參考依據。

1 材料與方法

1.1 樣地設定

研究區位于內蒙古自治區中部的阿魯科爾沁旗紹根鎮，屬典型的大陸性氣候，年日照時數2760～3030 h，年均氣溫5.5℃，年均積溫2900～3400℃，年均降水量300～400 mm，無霜期95～140 d。阿魯科爾沁旗草牧場地面積為1.29×106hm2，約占總土地面積的91%。其土壤類型主要是栗鈣土和風沙土，境內草原類型是典型草原，主要植物種類為針茅（Stipa capillata）、糙隱子草（Cleistogenes squarrosa）、羊草（Leymus chinensis）以及其他雜草等。經過對試驗站周圍的實地考察后，在阿魯科爾沁旗紹根鎮選取3塊具有代表性的不同草地利用類型的樣地（圖1），分別為退化的天然草地，其地理位置為120.50° E，43.55° N；人工播種灌溉的放牧人工草地，其地理位置為120.51° E，43.55° N，播種時間2016年7月，混播草種類為無芒雀麥（Bromus inermis）、紫花苜蓿（Medicago sativa）和二色胡枝子（Lespedeza bicolor）；刈割人工草地，其地理位置為120.42° E，43.55° N，該樣地種植飼用燕麥（Avena sativa），一年刈割2次，第1次播種時間2019年4月5日，刈割時間2019年6月30日；第2次播種時間2019年7月25日，刈割時間2019年10月20日。試驗于2019年7月5日-9月18日進行，每個樣地選3個地勢起伏較小的樣點作為重復。

1.2 土壤物理性質的測定

1.2.1 土壤含水量的測定 采用烘干法測定，在所選樣點附近取0～10 cm，10～20 cm土層的土樣，放入鋁盒并帶回實驗站測其鮮重，而后放入烘箱75℃烘干至恒重，測量干重及鋁盒的重量，最后計算得出土壤水分含量。每個樣地3個重復，每3 d進行一次實驗。

1.2.2 土壤容重的測定 采用環刀法測定，用容積為100 cm3的環刀在每個樣點附近隨機取0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm土層的土樣，并裝入小鋁盒，帶回室內立即稱重，再將土樣放至75℃烘箱烘至恒重，測定土壤容重。每個樣地3個重復。

1.3 土壤養分及土壤微生物含量的測定

使用土鉆法，在所選樣點附近取0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm土層的土樣，置于室內風干，混合均勻后，去除細根及雜質，研磨后分別過1.00和0.25 mm土壤篩，用四分法取土200 g左右，帶回實驗室進行養分分析。再分離出200 g左右放入冰柜冷凍后，測定其微生物量C和N含量。每個樣地3個重復。采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法［27］測定土壤有機碳（soil organic carbon，SOC）含量，采用凱氏定氮法［27］測定全氮含量，采用硫酸-高氯酸消解-鉬銻抗比色法［28］測定全磷含量，采用元素分析儀［29］測定全碳含量，采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法［27］測定有效磷含量，采用硫酸鉀浸提-總有機碳分析儀［30］測定微生物量C含量，采用硫酸鉀浸提-流動分析儀［30］測定微生物量N含量。

圖1 試驗樣地示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental plotNG：天然草地Natural grassland；GAG：放牧人工草地Grazed artificial grassland；MAG：刈割人工草地Mown artificial grassland.

1.4 土壤有機碳及土壤氮貯量的計算

不同草地利用類型下不同土層土壤有機碳貯量（soil organic carbon storage，SOCS，t·hm-2）及土壤氮貯量（total nitrogen storage，TNs，t·hm-2）的計算公式如下：

式中：H為土層土壤的厚度（cm）；Bi為土層土壤的容重（g·cm-3）；SOC為土壤有機碳含量（g·kg-1）；TN為土壤全氮含量（g·kg-1）。

1.5 土壤碳、氮固持能力的估算

本研究以天然草地的土壤有機碳貯量和土壤氮貯量作為背景，將人工草地土壤碳、氮固持能力定義為不同人工草地的土壤有機碳貯量和土壤氮貯量與天然草地的差值。差值為正，則表示該人工草地的建立表現為碳、氮固持，差值為負，則表現為碳、氮流失。

1.6 統計分析

1.6.1 土壤數據處理 應用Excel 2010軟件對所得數據進行簡單記錄和處理并制作相關圖表；采用SPSS 22.0統計軟件對數據進行多重比較和單因素方差分析。

1.6.2 遙感數據處理 應用完全覆蓋研究區的2019年生長季5-9月的Landsat8_OLI數據，于美國地質調查局網站（USGS，http：//glovis.usgs.gov/）獲取，共計10景，利用ENVI 5.3軟件，經過輻射定標和大氣校正、圖像裁剪等預處理，再進行波段運算得到研究區2019年5-9月的NDVI均值數據。

2 結果與分析

2.1 不同利用方式下草地生長狀況對比分析

利用2019年5-9月Landsat8_OLI數據，通過計算NDVI值代表3種類型的生長狀況。從整體上看，在2019年整個生長季內不同利用方式下草地的生長狀況為刈割人工草地＞放牧人工草地＞天然草地（圖2），對應的NDVI值分別為0.47、0.40和0.34。由于第一次刈割時間為6月30日，因此在7月，刈割人工草地NDVI均值明顯低于其他兩個樣地，其余時間均高于放牧人工草地和天然草地。

圖2 不同利用方式下草地2019年5-9月NDVI均值Fig.2 Average grassland NDVI of May-September 2019 under different utilization modes

2.2 不同利用方式下草地理化性質對比分析

2.2.1 土壤物理性質對比分析 容重是土壤的重要物理性質，它是衡量土壤緊實程度的一個指標。土壤容重增大，會影響土壤水肥氣熱條件的變化與作物根系在土壤中的穿插，進而會對作物的生長造成不利影響。不同土壤深度下3種利用方式的土壤容重差異并不顯著（表1），0～10 cm刈割人工草地的容重相對最大，為1.55 g·cm-3，天然草地最小，為1.35 g·cm-3；刈割人工草地在10～20 cm、20～30 cm均小于放牧人工草地和天然草地，放牧人工草地在0～20 cm的土壤容重均大于天然草地，但20～30 cm放牧人工草地小于天然草地。縱向來看，放牧人工草地和刈割人工草地的土壤容重均隨土壤深度的增加而減小，天然草地則隨土壤深度的增加而增大，但差異不顯著。

表1 不同利用方式下草地不同土層的土壤肥力指標Table 1 Soil fertility indexes of different soil layers of grassland under different utilization modes

土壤含水量通常用于指示土壤的緊實度及滲透能力的大小，放牧家畜對土壤的踐踏和對植物的采食會導致植物葉面積減小，最終影響土壤的含水量。從總體來說，3種草地類型0～20 cm的土壤含水量從大到小為放牧人工草地＞刈割人工草地＞天然草地，且差異顯著（P＜0.05），天然草地最低，0～10 cm的含水量為3.55%，10～20 cm為3.62%，放牧人工草地最高，0～10 cm含水量為8.84%，10～20 cm為8.26%，約為天然草地的2倍。除此之外，不同利用類型的草地土壤含水量垂直分布差異不顯著，但天然草地0～10 cm相對低于10～20 cm，而放牧和刈割人工草地0～10 cm相對高于10～20 cm（表1）。

2.2.2 土壤養分及微生物含量對比分析 通過對比3種不同類型草地的全碳含量（表1）發現，在0～10 cm天然草地的全碳含量與其他草地差異均不顯著，放牧人工草地最高，為7.89 g·kg-1，顯著高于刈割人工草地（5.78 g·kg-1，P＜0.05），天然草地和放牧人工草地20～30 cm全碳含量均顯著高于刈割人工草地（P＜0.05）。

放牧人工草地的全氮含量在0～10 cm為0.88 g·kg-1，顯著高于天然草地和刈割人工草地（P＜0.05），刈割人工草地10～20 cm和20～30 cm分別為0.56和0.50 g·kg-1，顯著低于放牧人工草地和天然草地（P＜0.05），放牧人工草地的全氮含量在0～30 cm均為最高。

3種不同類型草地的土壤全磷含量差異不顯著，整體上來說，土壤全磷含量由大到小為放牧人工草地＞天然草地＞刈割人工草地。

不同草地利用類型的土壤微生物量碳含量差異不顯著，0～20 cm表現為放牧人工草地＞刈割人工草地＞天然草地，天然草地20～30 cm最高，為86.13 mg·kg-1，刈割人工草地相對最低，為72.12 mg·kg-1。

0～30 cm土壤微生物量氮含量由大到小為放牧人工草地＞刈割人工草地＞天然草地，放牧人工草地0～10 cm為28.45 mg·kg-1，顯著高于天然草地和刈割人工草地（P＜0.05），刈割人工草地10～20 cm、20～30 cm的微生物量氮含量與其他兩種利用類型草地無顯著差異，放牧人工草地最高，10～20 cm為15.51 mg·kg-1，20～30 cm為13.98 mg·kg-1，顯著高于天然草地（P＜0.05）。

天然草地和放牧人工草地的微生物量碳、氮含量整體隨著土壤深度的增加而減少，且放牧人工草地0～10 cm土層的微生物量氮含量顯著高于10～30 cm（P＜0.05）。

2.3 不同草地利用類型對土壤碳、氮固持能力的影響

通過對不同草地類型不同土壤深度的土壤碳、氮貯量對比（圖3）發現，3種草地的土壤碳貯量由大到小為：天然草地＞放牧人工草地＞刈割人工草地。在0～10 cm處，3種草地類型的土壤碳貯量差異并不顯著，天然草地的土壤碳貯量相對最高，為（10.89±0.51）t·hm-2，刈割人工草地的土壤碳貯量最低，為（7.81±0.37）t·hm-2；在10～20 cm、20～30 cm放牧人工草地的土壤碳貯量分別為（9.48±0.29）、（9.32±0.48）t·hm-2，天然草地的土壤碳貯量分別為（8.97±0.34）、（8.90±0.17）t·hm-2，均顯著高于刈割人工草地（P＜0.05）。3種草地的土壤氮貯量大小與土壤的碳貯量的大小一致，即3種草地的土壤氮貯量由大到小為：天然草地＞放牧人工草地＞刈割人工草地，在0～10 cm處，3種草地類型的土壤氮貯量差異并不顯著；在10～20 cm、20～30 cm土層放牧人工草地的土壤氮貯量分別為（1.12±0.03）和（1.11±0.07）t·hm-2，天然草地的土壤氮貯量分別為（1.02±0.01）和（1.05±0.02）t·hm-2，均顯著高于刈割人工草地（P＜0.05）。根據上述分析可以看出，在0～10 cm放牧人工草地和刈割人工草地均表現為碳、氮的流失，10～30 cm放牧人工草地表現為碳、氮固持，而刈割人工草地仍然表現為碳、氮流失。此外，隨著土壤深度的增加，天然草地和刈割人工草地碳、氮貯量逐漸下降，且刈割人工草地在0～10 cm處均顯著高于20～30 cm（P＜0.05）。

圖3 不同利用方式下草地0～30 cm土層的土壤碳、氮貯量Fig.3 Soil carbon and nitrogen storage in the soil layer of 0-30 cm under different utilization modes不同大寫字母表示同一土層不同樣地類型間差異顯著（P＜0.05），不同小寫字母表示同一樣地類型不同土層間差異顯著（P＜0.05）。Different uppercase letters indicate significant differences in different types of the same soil layer（P＜0.05），different lowercase letters indicate significant differences among different soil layers of the same type（P＜0.05）.

3 討論

通過植被指數NDVI來模擬不同草地利用類型整個生長季的生長狀況，本研究發現，刈割人工草地＞放牧人工草地＞天然草地，可見相對于退化天然草地而言，建設人工草地和對草地實施播種、灌溉等人為干預，均可以使草地的生長狀況明顯改善，有效地提高草地生產力。

對比分析不同草地利用類型的土壤物理性質發現，0～10 cm刈割人工草地的容重相對最大，一方面可能是由于灌水使表層土壤下沉，另一方面是機械碾壓地表，造成了表層的土壤容重增大；放牧人工草地在0～20 cm的土壤容重均大于天然草地，分析其原因可能是由于放牧人工草地人工灌溉的存在以及放牧程度相對于天然草地較大所導致。縱向來看，放牧人工草地和刈割人工草地的土壤容重均隨土壤深度的增加而減小，天然草地的土壤容重則隨土壤深度的增加而增大。從而表明，人工草地的建立，以及放牧會導致土壤表層的容重增大，但對于深層土壤的容重具有一定的改善作用，這一結論與賈倩民等［31］以及姚寶輝等［32］在研究人工草地的建立對土壤理化性質的影響時所得到的結論不盡相同。對比3種草地類型的土壤含水量從大到小為放牧人工草地＞刈割人工草地＞天然草地，主要因為放牧人工草地和刈割人工草地均有人工灌溉的存在，其次由于天然草地植被覆蓋度較低，導致土壤吸水和保水能力下降，可見通過對牧草地進行灌溉等人工管理以及建立人工牧草地均可以及時彌補水分的缺失，可有效提高牧草產量，恢復草地生產力。

對不同草地類型的土壤養分及微生物含量進行對比分析發現，放牧人工草地的全碳、全氮含量均為最高，可能是由于合理的人工播種和灌溉提高了草地的生產能力，進而提高土壤的通透性和養分的可利用性。而刈割人工草地的全碳、全氮含量均為最低，主要是因為取土樣時刈割人工草地處于第二次播種期間，由于在播種前對土地進行翻耕等人為操作，導致土壤團聚體和地表結皮被破壞，提高了土壤有機質分解速率。對比發現3種不同類型草地的土壤全磷含量差異并不顯著。3種草地的土壤微生物量碳、氮含量的大小表現為放牧人工草地＞刈割人工草地＞天然草地。這主要是由于適宜的土壤溫度與土壤含水量對土壤微生物的種群數量有著促進作用。因此人工草地的建立以及對草地實施優勢種補播和灌溉可以有效提升土壤的養分及微生物含量，但在人工管理過程中的不合理行為也會導致土壤養分的流失。除此之外，天然草地和放牧人工草地的微生物量碳、氮含量均呈現出隨著土壤深度的增加而減少的趨勢，這一結果與張鳳云［33］在研究南方雙季稻區不同耕作和秸稈還田模式對水稻（Oryza sativa）根際與非根際土壤微生物生物量碳、氮含量的影響時得出的結論一致。

通過對比分析3種草地類型的土壤碳、氮貯量發現，3種草地類型的土壤碳、氮貯量表現為天然草地＞放牧人工草地＞刈割人工草地，天然草地在0～10 cm處的碳、氮貯量均為最高，在0～30 cm，刈割人工草地的土壤碳、氮的固持能力均表現為碳、氮流失，分析其原因可能是由于刈割人工草地在管理過程中翻地、播種以及大型農機械的碾壓導致土壤的碳、氮固持能力相對較低。而在10～30 cm放牧人工草地表現為碳、氮固持，可見合理的人工管理及適當的放牧，有助于提高土壤的碳、氮固持能力。對比不同草地類型土壤碳、氮貯量的垂直分布發現天然草地和刈割人工草地均表現出隨著土壤深度的增加碳貯量逐漸下降的趨勢，這一結論與閆瑞瑞等［34］在通過小區控制放牧試驗探討不同放牧梯度下土壤碳、氮變化及固碳效應時所得出的結論相一致。

4 結論

本研究通過對3種不同利用方式下草地的生長狀況、土壤理化性質以及土壤碳、氮變化研究發現，相對于退化的天然草地而言，建立人工草地和對草地實施補播灌溉等人工管理，均可以不同程度的改善土壤性狀，保持土壤養分含量和微生物含量，提高土壤的碳、氮固持能力，進而提升草地的生長狀況和草地生產力；但在人工管理過程中部分人為因素如大型農機械對土壤表層結構的破壞以及過度的放牧行為等也會導致土壤的理化性質較差，對土壤的碳、氮變化產生不利影響。