放牧強度對內蒙古荒漠草原土壤碳氮及其穩定同位素的影響

于志慧， 呂廣一， 王新雅， 徐學寶， 賈東璇， 王成杰*

(1. 內蒙古農業大學草原與資源環境學院， 內蒙古 呼和浩特 010011； 2. 內蒙古農業大學草地資源教育部重點實驗室，內蒙古 呼和浩特 010011)

土壤養分影響著草原植物的生長和發育，是調控草原植物群落結構與功能的重要驅動力之一[1]；碳、氮元素在土壤中占有主要地位，是影響土壤養分循環與轉化的重要元素，也是評價土壤肥力的重要指標。土壤有機碳(SOC)與土壤穩定碳同位素(δ13C)可以表征土壤碳庫的大小及土壤碳庫的動態輸入與輸出，對于評估草地生態系統碳平衡以及氣候變暖的反饋都有著重要的意義。氮作為維持植物生命活動的必要元素之一，草地生態系中氮含量的變化已成為人們研究工作的熱點，穩定氮同位素(δ15N)能有效闡明氮在草地生態系統中的輸入、轉化與輸出。并且，利用穩定碳、氮同位素的示蹤功能研究草地生態系統中碳氮循環、碳氮元素與環境的關系，已成為了解草地生態系統功能動態變化的重要研究手段[2-4]。

放牧是草地生態系統主要利用方式之一，在草地生態系統發展中扮演著重要的角色[5]。放牧家畜通過對植物莖葉的采食，抑制了植物營養物質的積累，進而影響植物生長發育[6]。草地植物退化會導致土壤發生退化，有研究發現過度放牧導致內蒙古荒漠草原有機碳含量降低，土壤空間異質性增高[7]；張林等[8]對不同放牧強度下荒漠草原土壤有機碳及其δ13C值分布特征研究，發現放牧強度越大，土壤SOC含量越低，土壤δ13C值越偏正；自由放牧相比，圍封處理下內蒙古希拉穆仁荒漠草原土壤有機碳、全氮和土壤含水量顯著增加，土壤狀況得到了明顯改善[9]。放牧家畜還會通過糞便排泄物和踐踏等行為間接影響土壤含水量、溫度、容重等土壤物理因子，這些因子的空間變化間接影響著草地植物組成與空間多樣性，進而影響草地生態系統的生產力[10]。

本文通過對內蒙古希拉穆仁荒漠草原在不同放牧強度下0～50 cm土壤碳、氮元素的研究，系統的討論土壤SOC，TN含量及土壤δ13C，δ15N組成對荒漠草原不同放牧強度的響應特征，探究荒漠草原不同放牧強度下土壤物理性質在0～50 cm土壤剖面上的變化規律及土壤溫濕度與土壤碳、氮元素之間的關系。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區是在2014年建立的荒漠草原長期放牧實驗平臺(41°47′ N，111°53′ E)，位于內蒙古自治區包頭市達茂旗希拉穆仁鎮以南，占地26 hm2，海拔1 687 m。該區屬于中溫帶半干旱大陸性季風氣候，晝夜溫差較大，年平均氣溫相對較低，年平均日照總時數3 200 h。每年7—9月為雨季，年平均降水量為285 mm，蒸發量為2 307 mm。

研究區設置無牧(No grazing，NG)、輕度放牧(Light grazing，LG)和重度放牧(Heavy grazing，HG)3個載畜率水平，放牧家畜為體重接近成年的蒙古馬，分別為0，1，3匹，載畜率分別為0只羊單位·hm-2·月-1(NG)，0.58只羊單位·hm-2·月-1(LG)，1.74只羊單位·hm-2·月-1(HG)。1匹馬=5個羊單位，放牧的蒙古馬健康狀況大致相同，體重為(350±50) kg，每個處理均設置3個重復，共9個樣地，各樣地的面積均為1.44 hm2。放牧時間為每年的6—9月，每月月初連續放牧5天，家畜夜晚不歸牧，不進行補飼，早晚各飲一次水。

試驗區土質粗糙，土壤類型為栗鈣土，主要植物種有克氏針茅(Stipakrylovii)、短花針茅(StipabrevifloraGriseb.)、無芒隱子草(Cleistogenessongorica(Roshev.) Ohwi)、冷篙(ArtemisiafrigidaWilld.)、羊草(Leymuschinensis(Trin. ex Bunge) Tzvelev)、沙生冰草(Agropyrondesertorum(Fisch. ex Link) Schult.)等。

1.2 研究方法

1.2.1樣品采集 2020年8月上旬在內蒙古希拉穆仁荒漠草原9個試驗區內進行樣品采集，試驗區已經過6年的累計放牧效應，各樣地草地植被群落和土壤特征分異明顯。每個樣地隨機選擇3個樣點，使用內徑為7 cm的土鉆分5層(0～5，5～10，10～20，20～35，35～50 cm)取樣，每一層取3鉆混合均勻作為一個樣品的重復，樣品放在耐高溫的采樣袋標記后，帶回實驗室。在每個樣點的5個土層中用容積為100 cm3的環刀取土，現場稱重，計算樣本凈濕土重，以便后續測定土壤容重[11]。在取土過程中及時剔除石頭根系等雜物，并用同層土壤替代。

1.2.2樣品處理及測定 環刀帶回實驗室后，將環刀置于烘箱中烘干至恒重，稱得烘干土及環刀重量，計算土壤重量及含水量。土壤容重由以下公式計算：

(1)

式中：M為環刀內凈濕土重(g)，V為環刀容積(cm3)，W為每個環刀對應的土壤重量含水量(%)。

采樣袋帶回實驗室后，放入烘箱在65℃下烘干48 h。先將采樣袋中的樣品過80目的篩子，再用0.5 mol·L-1的鹽酸酸洗6次，每次酸洗后都要用超純水反復淋洗(消除土壤中無機碳的影響)，65℃干燥至恒重后制成供試樣品。土壤δ13C,δ15N及有機碳含量(SOC)、全氮含量(TN)用德國Elementar公司生產的isoprime100穩定同位素質譜儀連接元素分析儀(Vario Isotope Select)測定。土壤δ13C和δ15N由以下公式計算：

(2)

(3)

式中：R樣品表示土壤樣品13C/12C或15N/14N的值。R標準表示標準物，其中碳同位素采用國際通用標準物PDB(Pee Dee Belemnite)，氮同位素采用國際標準物N2-atm(大氣中的氮氣)。

1.3土壤剖面溫度與含水量的測定 本研究采樣點5個土層土壤溫度、土壤含水量測定使用智熵系列全自動土壤溫濕度監測儀(型號：YT-TDR-2)。全自動土壤溫濕度監測儀通過傳感器再設計和數據清洗算法實現高質量的數據輸出。

1.4數據分析 通過Excel 2019對數據進行初步整理，對不同放牧強度、不同深度的土壤數據采用IBM SPSS Statistics 23進行單因素方差分析，結果表示為平均值±標準誤，采用Sigmaplot 14.0軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 不同放牧強度對土壤物理性質和地上生物量的影響

由表1可知，3種放牧強度樣地土壤容重在同一放牧強度不同土層表現出：NG樣地土壤容重隨土壤深度的增加呈現出先增大后減小的變化趨勢，且35～50 cm土層顯著低于5～10 cm土層土壤容重(P<0.05)，LG和HG樣地各土層間土壤容重差異均不顯著。同一土層不同放牧強度，0～20 cm土層上3種放牧強度下土壤容重差異均不顯著；在20～50 cm土層上土壤容重的變化規律為：HG>LG>NG，且HG樣地土壤容重顯著高于NG樣地(P<0.05)，說明HG顯著增大了土壤容重。

同一放牧強度不同土層，在0～50 cm的垂直剖面上3種放牧強度下土壤含水量均呈現出隨土壤深度的增加而減小的趨勢，且0～5 cm土層土壤含水量均顯著高于35～50 cm土層(P<0.05)。同一土層不同放牧強度，在0～5 cm土層3種放牧樣地土壤含水量差異不顯著；5～50 cm土層HG樣地土壤含水量顯著低于NG樣地(P<0.05)，表明HG顯著降低了土壤含水量(P<0.05,表1)。

在0～50 cm的垂直剖面上，同一放牧強度下各土層間土壤溫度差異均不顯著；同一土層不同放牧強度下土壤溫度也無顯著差異(表1)。

不同放牧強度下，3種放牧樣地草地地上生物量的大小順序為：NG>LG>HG；與NG和LG相比，HG顯著降低了荒漠草原草地地上生物量(P<0.05,表1)。

表1 不同放牧強度下土壤物理性質隨深度的變化Table 1 Variation of soil physical properties with depth at different grazing intensities

2.2 不同放牧強度對土壤SOC，TN，δ13C，δ15N的影響

內蒙古希拉穆仁荒漠草原，土壤SOC含量在整個剖面上變化范圍為11.37～13.43 g·kg-1，NG樣地土壤SOC含量顯著高于LG和HG樣地(P<0.05)。這表明在一定的放牧強度內，土壤SOC含量隨著放牧強度的增大而減小(圖1 a)。土壤TN含量在整個剖面上的變化范圍為1.26～1.53 g·kg-1，大小順序為NG(1.53 g·kg-1)>LG(1.32 g·kg-1)>HG(1.26 g·kg-1)，其中NG樣地土壤TN含量顯著高于HG樣地(P<0.05)，說明HG顯著降低了土壤TN含量(圖1 b)。

土壤δ13C值隨放牧強度的增加呈增大的趨勢，但不同放牧強度對土壤δ13C值影響不顯著。NG,LG和HG樣地土壤δ13C值分別為-24.13‰，-23.94‰，-23.82‰，LG和HG樣地土壤δ13C值分別比NG樣地偏正0.19‰和0.36‰(圖1 c)。土壤δ15N值與土壤δ13C的變化趨勢相反，即NG(5.39‰)>LG(5.26‰)>HG(4.93‰)，其中NG樣地土壤δ15N值顯著高于HG樣地(P<0.05)，說明放牧降低了土壤δ15N值(圖1d)。

圖1 不同放牧強度下土壤有機碳、全氮、穩定碳同位素、穩定氮同位素的變化Fig.1 Changes in soil organic carbon,total nitrogen,stable carbon isotopes and stable nitrogen isotopes under different grazing intensities注：不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)Note：Different lowercase letters indicate significant differences between treatments at the 0.05 level

2.3 不同放牧強度下土壤SOC，TN，δ13C，δ15N沿土壤剖面的變化特征

在0～50 cm土壤SOC含量變化均表現為：NG>LG>HG，其中HG樣地5～10 cm土層土壤SOC含量土壤顯著低于NG樣地(P<0.05)。在土壤的垂直剖面上，NG和LG樣地土壤SOC含量隨土壤深度的增呈現先增加后減小的單峰變化趨勢，在5～10 cm土層達到最大，隨后減小。HG樣地土壤SOC含量隨土壤深度的增大而減小(表2)。

在0～50 cm的垂直剖面上，3種放牧樣地土壤δ13C值均隨土壤深度的增加而增大，其變化范圍為：-24.77‰～-23.74‰(NG)，-24.44‰～-23.71‰(LG)，-24.33‰～-23.51‰(HG)，且3種放牧強度下10～50 cm土層土壤δ13C值均顯著高于0～5 cm土層土壤δ13C值(P<0.05)。此外，5個土層中HG樣地土壤δ13C值均高于NG和LG樣地，其中，HG樣地0～5 cm土層土壤δ13C值顯著高于NG和LG樣地(P<0.05,表2)。

表2 不同放牧強度下土壤SOC、δ13C隨深度的變化Table 2 Variation of soil SOC and δ13C with depth at different grazing intensities

5個土層土壤TN含量均表現為：NG>LG，HG，其中LG和HG樣地5～10 cm處土壤TN含量顯著低于NG樣地(P<0.05)。3種放牧強度下土壤TN含量在垂直剖面上的變化規律均表現為：先隨剖面深度的增加而增大，至5～10 cm達到最大，隨后隨剖面深度的增大而減小。這與土壤SOC含量在NG和LG樣地沿土壤剖面變化規律一致(表3)。

在0～50 cm的垂直剖面內，3種放牧樣地土壤δ15N值均隨土壤深度的增加而增大，其變化范圍為：4.47‰～6.06‰(NG)，4.18‰～5.79‰(LG)，3.93‰～5.53‰(HG)，且NG樣地10～50 cm土層土壤δ15N值顯著高于0～5 cm土層土壤δ15N值(P<0.05)。此外，在0～50 cm土層HG樣地土壤δ15N值均低于NG和LG樣地，在5～10 cm土層HG樣地土壤δ15N值顯著低于NG和LG樣地(P<0.05,表3)。

表3 不同放牧強度下土壤TN、δ15N隨深度的變化Table 3 Variation of soil TN and δ15N with depth under different grazing intensities

2.4 土壤溫度和含水量與土壤SOC，TN，δ13C，δ15N的關系

將不同放牧處理下全部深度土壤SOC含量和土壤δ13C值與其相對應的土壤含水量和土壤溫度進行線性回歸。結果表明，土壤δ13C值與土壤含水量存在顯著的線性負相關關系(P<0.05，R2=0.307，圖2 a)，土壤δ13C值與土壤含水量的回歸方程為y=﹣0.065x-23.335，說明土壤含水量越高，土壤δ13C值越小。土壤δ13C值與土壤溫度存在極顯著的線性正相關關系(P<0.01，R2=0.650，圖2b)，土壤δ13C值與土壤溫度的回歸方程為y=0.432x-30.327，即土壤δ13C值隨著土壤溫度的升高而增大。

土壤SOC含量與土壤含水量存在極顯著的線性正相關關系(P<0.01，R2=0.445，圖2c)，土壤SOC值與土壤含水量的回歸方程為y=0.617x+6.238，說明土壤含水量越高，土壤SOC含量越大。但土壤SOC含量與土壤溫度線性相關關系不顯著(R2=0.002，圖2d)。

圖3顯示，土壤δ15N值與土壤含水量無顯著相關關系，與土壤溫度存在線性正相關關系(R2=0.230，圖3b)，但未達到顯著水平。

圖3 土壤全氮含量、土壤穩定氮同位素與土壤含水量、溫度的關系Fig.3 Relationship between soil total nitrogen content,soil stable nitrogen isotopes and soil water content and temperature

土壤TN含量與土壤含水量呈顯著正相關關系(P<0.05，R2=0.423，圖2c)，土壤TN含量與土壤含水量回歸方程為y=0.072x-0.693。土壤TN含量與土壤溫度無顯著相關關系。

圖2 土壤有機碳、土壤穩定碳同位素與土壤含水量、溫度的關系Fig.2 Relationship between soil organic carbon,soil stable carbon isotopes and soil water content and temperature

3 討論

3.1 不同放牧強度對土壤物理性質和地上生物量的影響

土壤容重是承擔草地植被水分和空氣供應的重要場所，也是衡量草地土壤退化的重要指標之一，對家畜的踩踏活動尤為敏感[7]。對NG，LG，HG 3種放牧強度下土壤理化性質指標進行研究，發現HG顯著增大了20～50 cm土層的土壤容重。土壤含水量表現出與土壤容重相反的變化趨勢，即HG顯著減小了5～50 cm土層的土壤含水量。HG顯著降低了草地地上生物量，其原因主要有以下兩個方面：HG增大了家畜對土壤的踐踏，使土壤孔隙度減小，土壤緊實度增大；在HG強度下家畜對草地植被的采食程度加劇[12]，草地地上生物量降低，進而減少了土壤覆蓋層，增加了陽光的穿透，加速了土壤水分的蒸發。使原本適于土壤微生物生存的環境發生惡化，草原土壤養分減少。朱國棟等[9]在荒漠草原對土壤理化性質的研究也體現了相似的研究結果。

3.2 不同放牧強度對土壤SOC和TN的影響

土壤SOC，TN含量不但影響植物生長發育和土壤肥力，而且是影響有機質分解的重要因素。本研究中，土壤SOC，TN含量隨著放牧強度的增大而減小(圖1a,1b)，這與前人[13]在半荒漠草地生態系統的研究結果一致。隨著放牧強度的增大，家畜對草地的采食與踐踏程度加劇，導致草地植物的地上生物量減少，草地初級生產力降低，外部氮源供給及地下碳輸入減少[14]，使土壤SOC，TN含量降低。

在草地生態系統中，植物凋落物、動植物和微生物殘體及植物根系分泌物都是土壤有機質的重要來源。在同一氣候條件下，放牧是導致草地SOC，TN在同一剖面深度含量不同的主要原因[15]。一般認為，表層土壤具有良好的通氣狀況，水熱條件也適合土壤微生物存活，植物凋落物和植被根系分泌物又為土壤提供了豐富的碳、氮來源，促使土壤SOC，TN主要富集于土壤表層[16-18]。本研究中：NG和LG樣地土壤SOC，TN含量在0～50 cm的剖面上呈先增加后減少的單峰變化趨勢，在5～10 cm處土壤SOC，TN含量最高，這與前人對土壤SOC，TN在垂直剖面上研究的結果較為相似[9，19-20]。表2和表3結果顯示HG樣地土壤SOC，TN含量在剖面上隨著土壤深度的增大而減小，表層土壤(0～5 cm)SOC，TN含量最高。其主要原因是HG條件下表層土壤(0～5 cm)受家畜活動影響最強，連續多年HG會導致植物根系淺層化[7]；放牧家畜一方面通過采食抑制植物光合作用，降低草地地上生產力，使生態系統中流入地下的能量減少，進而限制SOC，TN的輸入；另一方面家畜的尿液和糞便通過揮發和淋溶作用向土壤歸還一部分碳、氮，進而導致HG樣地表層土壤SOC，TN的含量增加，其他土層SOC，TN含量隨深度的增加而減小[8]。蔡曉布[21]也曾指出長期過度放牧會導致草地土壤肥力下降。HG不但會影響草原土壤碳、氮儲量，改變其循環周期，而且打破了草地生態系統土壤碳、氮的動態平衡[5]。這使荒漠草原的生態環境更加脆弱，最終導致荒漠草原發生進一步退化。

相關分析結果顯示土壤含水量與土壤SOC含量呈極顯著正相關關系(P<0.01)，與土壤TN含量呈顯著正相關關系(P<0.05)。土壤含水量提高一方面促進了植物根系發育和植物生長，有利于凋落物回歸土壤，益于土壤有機質的形成與積累；另一方面通過減少土壤含氧量，降低土壤微生物活性改變土壤呼吸速率和氮礦化速率[22]，進而增大土壤SOC，TN的含量(圖2，圖3)。

3.3 不同放牧強度對土壤δ13C值和δ15N值的影響

不同放牧強度下草地植被發育狀況直接影響有機質來源及組成，致使土壤δ13C值分布出現差異。本研究發現，土壤δ13C值隨放牧強度的增加呈增大的趨勢(圖1c)。張林等[8]在內蒙古烏蘭察布荒漠草原也有相似發現，其原因可能是：家畜的踐踏作用加速了凋落物的碎屑化程度及表層土壤有機質的分解，而凋落物和土壤有機質在土壤微生物的作用下會發生同位素分餾。微生物生長繁殖過程中優先利用貧化13C的有機碳組分，留下富集13C的有機碳組分形成土壤有機碳，使LG和HG樣地土壤相對于NG樣地具有較高的δ13C值[23]。另外由于放牧會減少草地植被覆蓋度及生物量，使凋落物和草地初級生產力降低，進而阻礙了土壤中有機碳的積累。土壤有機碳中富含新近形成的12C對老土中富含13C的“稀釋”程度降低[8]，導致LG和HG樣地土壤δ13C值升高。此外，在0～50 cm的土壤剖面上，3種放牧強度下樣地土壤δ13C值均隨土壤深度的增加而增大。造成這種現象有如下原因：(1)13C修斯效應自工業革命以來，化石燃料燃燒產生大量貧化13C的CO2，導致13C貧化的有機物積累在土壤表層，年齡較大的深層土壤比表層土壤擁有更高的δ13C值[24]。(2)植物的碳同位素值比根系低1～2‰，造成深層土壤δ13C值高于表層土壤[25]。(3)同位素動力學分餾與重同位素相比，輕同位素結合鍵容易斷裂更易在產物中富集[8]。微生物在分解、利用土壤有機質的過程中，由呼吸代謝釋放的CO2中12C占比較多，從而導致更多的13C富集于微生物碳庫，最終返還給土壤中，使土壤δ13C值升高[24]。大多學者認為微生物分解土壤有機碳是造成土壤δ13C值隨深度增加而增大的主要原因[8，24-25]。

土壤含水量與土壤δ13C值呈顯著負相關(P<0.05)，植物葉片凋落物是土壤有機碳的重要來源，而葉片與年均降水量呈顯著負相關[26]，因此土壤δ13C值會反映葉片δ13C。土壤溫度與土壤δ13C值呈極顯著正相關(P<0.01)，土壤溫度主要通過影響土壤微生物活性而改變土壤δ13C值，而且土壤有機碳的周轉時間隨著溫度的增加而減少[27]，即高溫促進土壤有機質的分解。這與前人[28]在青藏高原地區對土壤δ13C組成研究結果相悖，可見溫度對土壤穩定碳同位素組分產生的復雜調控是不可忽視的。

本研究結果顯示，隨著放牧強度的增加土壤δ15N值減小。由于放牧降低了土壤微生物活性，有機質分解速率降低，礦化作用和硝化作用在轉化過程中可利用的底物減少，土壤氮分餾作用減小[29]，故而土壤δ15N值隨放牧強度的增大而減小。土壤δ15N值隨土壤深度的增加而增大，呂廣一[30]和熊鑫等[31]人也有相似研究結果。由于表層土壤中有15N貧化的凋落物和植物殘體輸入，導致表層土壤δ15N值較低；在微生物分解的作用下，土壤有機質中較輕的14N流失，剩余15N富集[29]，并且在微生物同化有機質的過程中會產生15N富集的微生物和微生物殘體，故隨著時間的推移15N富集的微生物氮源在深層土壤中累積[31]。

4 結論

本文通過對不同放牧強度下0～50 cm土壤有機碳、全氮含量及穩定碳、氮同位素組成研究，發現重度放牧下土壤有機碳、全氮含量顯著低于無牧和輕度放牧，重度放牧阻礙了土壤有機質的積累，并顯著增大了0～5 cm土壤穩定碳同位素值，降低了5～10 cm土壤穩定氮同位素值；隨土壤深度增加，3種放牧強度樣地均表現出土壤有機碳、全氮含量減小，土壤穩定碳同位素值增大，土壤穩定氮同位素值降低的趨勢。隨放牧強度增加，草地地上生物量顯著降低，土壤容重增大，土壤含水量急劇下降。相關分析顯示土壤含水量與土壤δ13C值呈顯著負相關，與土壤SOC，TN含量呈顯著正相關；土壤溫度與土壤δ13C值呈極顯著正相關。