退化草原土壤有机质对氮素添加梯度的响应

周丽娜，鲍雅静，李政海，张 靖，孙 振

(1.大连民族学院 环境与资源学院，辽宁大连116605;2.内蒙古大学生命科学学院，呼和浩特010021)

内蒙古典型草原具有分布范围广及面积大的特点，是构成内蒙古草地的主体，是中国重要的畜牧业生产基地，也是中国北方最重要的生态防线。近年来，由于气候变化和对草地资源不合理的开发利用，草原退化严重，其系统结构和功能受损，碳、氮正常循环受到影响［1］，加之地上植物连年的利用，土壤养分消耗严重，植被生长受到限制，导致草地生产力下降，严重阻碍了草地资源可持续发展。

土壤有机质作为土壤重要的组成成分，是土壤养分的主要来源，其含量高低影响着土壤肥力水平。在草地生态系统中，植物凋落物及根系是土壤有机质的主要来源，而土壤有机质经过微生物分解作用又为植物提供生长发育所需的各种营养元素，两者之间息息相关。氮素是植物体内蛋白质、核酸、叶绿素等的重要组分之一，也是某些植物激素、维生素等对生命活动起调节作用物质的主要成分［2］。氮素的缺乏会导致植物碳同化能力下降，抑制植物生长和根系发育。土壤增施氮肥后使之含氮量增加，既改变了原有土壤的营养状况，植物增加了氮素吸收，促进了光合作用［3］，同时还能提高植物对磷、钾和钙等营养元素的吸收，促进植物生长，进而影响进入到土壤中的有机质含量。

近年来，国内外对土壤有机质和氮素也做了很多相关研究。宋海星等［4］在研究水、氮供应和土壤空间对植物根系生理特性变化的影响时发现，氮素对植物根系的作用受控于土壤水分。潘庆民等［5］在研究氮素对内蒙古典型草原羊草种群的影响时发现，随氮素梯度的增加羊草种群生物量有显著增加。王青山等［6］主要研究了土壤有机质与氮素供应的相关关系，发现土壤全氮和速效氮的含量均与土壤有机质含量呈紧密的正相关关系。土壤中有机质含量的高低直接影响土壤氮素供应水平。但是，在氮素影响下退化草原土壤有机质含量变化的研究还相对较少。

本研究选取内蒙古典型草原区两种不同退化程度的草原群落即轻度退化草原和重度退化草原，通过氮素添加实验，研究土壤有机质含量对氮素添加梯度的响应规律，重点探讨氮素作用于不同退化程度草原时的最适值，为退化草地的恢复及草原管理的肥料运筹提供相关依据。

1 研究地区与研究方法

1.1 研究区概况

实验区位于内蒙古锡林郭勒盟锡林河流域中游白音锡勒牧场境内，其地理坐标为N43°31'～43°33'、E116°39'～ 116°43'。该区属于温带半干旱大陆性气候，年降水量为300～400 mm，主要集中在7—9月。土壤以暗栗钙土为主，羊草草原和大针茅草原是该地区分布最广的草原类型。植物群落种类组成比较丰富，主要有羊草(Leymus chinensis)、大针茅(Stipa grandis)、丛生禾草和一些杂类草等，属于内蒙古草原区的典型草原地带。

1.2 研究方法

1.2.1 样地选取

2008年初，在中国科学院内蒙古草原生态系统定位研究站实验样地附近，选取相距很近且有关环境因子一致的两块100 m×100 m草场样地，用围栏进行了围封。其中一块位于当地牧民打草场，围封前每年秋季打草一次，作为轻度退化草原试验样地，简称为YY样地。另一块位于当地牧民长期自由放牧已发生严重退化的草地，作为重度退化草原试验样地，简称为YT样地。在两块样地内进行了本底调查并进行了相同的氮素添加梯度试验。

1.2.2 实验设计

YT样地与YY样地里各选取一块约为14 m×22 m的区域，由东至西设置4列3 m×4 m的样方，共5排，并标号1—20。试验施用氮肥为NH4NO3，设计了4个处理，分别为0，30，50，80 g·m-2，模拟从低氮到高氮生境，每个处理有5个重复。在1—20号样方内采取随机区组的方式随机决定每个样方施用氮肥的量。氮素添加实验于2009年5月1日实施。

1.2.3 取样与测定方法

于2009年8月下旬利用土钻在每个样方内钻取3层土壤样品，每10 cm一层，即0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm，共120个土壤样品，风干后带回实验室，采用重铬酸钾氧化法进行土壤有机质的测 定［7］，结果见表1。

表1 YY样地与YT样地的植被与土壤概况

1.2.4 数据统计分析

试验数据用Excel软件整理，采用SPSS 20.0进行单因素方差分析(ANOVE)、相关性分析(Correlations)和独立样本 T检验(Independent samples-T test)。

2 结果与分析

2.1 土壤有机质含量对氮素添加梯度的响应

2.1.1 轻度退化草原土壤有机质含量对氮素添加梯度的响应

草原土壤有机质含量主要集中在深度为0～30 cm的土壤层，有机质含量随土壤深度增加而降低。单因素方差分析显示，在轻度退化样地，0～10 cm层和10～20 cm层土壤有机质在30 g·m-2氮素处理下显著高于其他3个氮素添加处理(0，50，80 g·m-2)，另外3个处理之间则无显著差异(p＜0.05)，20～30 cm层土壤有机质含量在4个氮素处理之间均无显著差异(如图1)。相关分析表明，轻度退化样地各层土壤有机质含量与氮素添加梯度均无显著相关关系，但0～10 cm和10～20 cm层之间，以及10～20 cm和20～30 cm之间具有显著相关关系(见表2)。显然对于轻度退化草原来说，氮素添加对土壤有机质的影响主要集中在0～20 cm土层，30 g·m-2是最适的添加量。

2.1.2 重度退化草原土壤有机质含量对氮素添加梯度的响应

在重度退化草原，当施氮量为30 g·m-2时，0～10 cm层土壤有机质含量的值相对较高，但没有达到统计学上的显著差异。单因素方差分析显示，重度退化样地，各层的土壤有机质在4种氮素添加梯度下均无显著差异(如图2)，且各层土壤有机质含量与氮素添加梯度均无显著相关关系，但0～10 cm和10～20 cm层之间具有极显著的相关关系(见表2)。

图1 轻度退化草原土壤有机质含量对氮素添加梯度的响应

图2 重度退化草原土壤有机质含量对氮素添加梯度的响应

表2 不同土层土壤有机质含量之间及其与氮素添加梯度的相关性分析

2.2 氮素添加梯度下不同退化程度草原土壤有机质含量比较

YY样地和YT样地各土层在氮素添加梯度下土壤有机质含量比较见表3。由表3可知，对于0～10 cm土层，在4个氮素梯度下，轻度退化样地的土壤有机质含量都显著高于重度退化样地;对于10～20 cm土层，在不施氮(0 g·m-2)和低氮添加处理下(30 g·m-2)，轻度退化样地的土壤有机质含量显著高于重度退化样地，在高氮添加处理下(50，80 g·m-2)两个样地土壤有机质含量轻度退化样地高于重度退化样地，但没有达到统计学上的显著差异;对于20～30 cm土层，在4个氮素梯度下，两个样地的土壤有机质含量均无显著差异。显然，随着草原的退化0～20 cm土壤层有机质含量会显著下降，而20～30 cm土壤层变化不显著。氮素的添加并没有显著改变这种格局，只是在10～20 cm土壤层，高氮处理对轻度退化样地土壤有机质含量有一定的抑制作用。

表3 YY样地和YT样地各土层在氮素添加梯度下土壤有机质质量分数比较

3 讨论

土壤作为陆地生态系统中最大的碳库，其土壤有机质是陆地生物圈生物地球化学循环的主要成分之一，指示土壤健康的关键指标［8］。研究发现在草地退化过程中，土壤结构和植物群落物种组成会发生明显变化，影响土壤中有机质含量和分布。张蕴薇等［9］在研究放牧强度对土壤物理性质的影响时发现，随放牧强度的增加，土壤容重随之增加，土壤渗透率呈下降趋势。即重牧严重破坏了土壤的结构，使土壤紧实，渗透率下降，导致土壤对水分和养分的保蓄能力下降，影响草地生产力从而影响土壤有机质含量。Frank等［10］利用13C技术研究不同放牧率对土壤有机质的影响时发现，重牧会使植物组成发生很大变化，会使有较浅根系和较高的有机质生产能力的C4植物大幅度增加，即植物根系集中在表层的比例增加，深层分布的根系量减少，土壤有机质主要分布在较浅土层。锡林郭勒典型草原区植物群落主要以羊草、大针茅、糙隐子草、丛生禾草和一些杂类草等种类组成，我们的研究表明，土壤有机质主要存在于0～20 cm土壤层，20～30 cm土壤层有机质含量相对较少，土壤有机质含量随着退化程度的加剧和土层深度的增加而减少。

在草原生态系统中，氮素是影响生产力高低的首要限制因子［8，11-13］，是生态系统最为重要的营养物质［3］。氮素添加对草地土壤有机质有重要影响。研究表明，在不同氮素添加梯度下，退化草原土壤有机质做出相应响应。在两种不同退化程度样地，土壤有机质表现出随着施氮量的增长而增加，当施氮量为30 g·m-2时，土壤有机质含量达到最大值，而施氮量超过30 g·m-2，在50，80 g·m-2时有下降趋势。这表明氮素添加对退化草原土壤有机质含量增加有促进作用，但并不是添加量越大越好。即适量的氮素添加会显著增加土壤有机质含量，继续增加氮素则发生相反作用。

比较氮素添加对两种退化样地土壤有机质的影响时发现，不同退化程度的草地土壤有机质对氮素添加的响应不同，其中轻度退化草地的响应更明显，土壤有机质含量随氮素添加梯度有显著变化，而重度退化样地土壤有机质对氮素添加则无明显响应。可能是由于在轻度退化草原，土壤结构和水分状况相比重度退化草原要好，氮素的添加充实了土壤中的养分，更利于植物生长，氮素对土壤有机质有明显的促进作用。在重度退化草原，土壤结构被破坏，保水性差，处于水分胁迫条件下，氮素的添加会增加土壤养分浓度，降低土壤水势，加剧水分胁迫。即在重度退化草地，水分是主要的限制因子，而氮肥对群落的作用则受控于土壤水分，这与宋海星等［4］在研究水、氮供应和土壤空间对植物根系生理特性变化的影响时发现的氮素对植物根系的作用受控于土壤水分的结果一致。鲍雅静等［14］在对羊草叶片SPAD值对水分梯度和氮素添加梯度的响应研究时也发现，不同退化程度草原的羊草叶片叶绿素含量对水氮响应有差异性。轻度退化草原，氮素是主要的影响因子;重度退化草原，水分是主要的限制因子。

不同退化程度样地因其土壤环境的不同，其主要的限制性因子是不相同的。对于轻度退化草地添加适量养分就能为植物生长提供最佳生长条件，而在重度退化草地，则需缓解其水分胁迫，在土壤水分状况良好状态下，植物才能更好地利用养分。内蒙古干旱-半干旱草原区放牧退化严重，导致土壤有机质含量大幅度降低，从而严重地限制了草原植被的生长。因此，只有针对不同的草原退化程度采取对应的生态调控措施，才能有效的进行退化草原恢复，维持草原生态系统的稳定性。

4 结论

对不同退化程度的草原进行比较，轻度退化草原的0～20 cm层土壤有机质显著高于重度退化样地，20～30 cm层二者无显著差异，氮素的添加并没有显著改变这种格局。

不同退化程度的草原对于氮素添加的响应不同:对于轻度退化草原，30 g·m-2氮素添加显著提高0～20 cm土层的土壤有机质含量，氮素是轻度退化草原主要的限制因子;对于重度退化草原，土壤有机质在氮素添加梯度下各层变化不显著，氮素不是重度退化草原的主要限制因子。

［1］萨茹拉，侯向阳，李金祥，等.不同放牧退化程度典型草原植被-土壤系统的有机碳储量［J］.草业学报，2013，22(5):18-26.

［2］陈雅君，闫庆伟，张璐，等.氮素与植物生长相关研究进展［J］.东北农业大学学报，2013，44(4):144-148.

［3］卢蒙.氮输入对生态系统碳、氮循环的影响:整合分析［D］.上海:复旦大学，2009.

［4］宋海星，李生秀.水、氮供应和土壤空间所引起的根系生理特性变化［J］.植物营养与肥料学报，2004，10(1):6-11.

［5］潘庆民，白永飞，韩兴国，等.氮素对内蒙古典型草原羊草种群的影响［J］.植物生态学报，2005，29(2):311-317.

［6］王青山，何利平.土壤有机质与氮素供应的相关关系［J］.山西林业科技，2003(S1):25-27.

［7］鲍士旦.土壤农化分析［M］.北京:中国农业出版社，2005.

［8］高英志，韩兴国，汪诗平.放牧对草原土壤的影响［J］.生态学报，2004，24(4):790-797.

［9］张蕴薇，韩建国，李志强.放牧强度对土壤物理性质的影响［J］.草地学报，2002，10(1):74-78.

［10］FRANK A B，TANAKA D L，HOFMANN L.Soil carbon and nitrogen of Northern Great Plains grass lands as influenced by long-term grazing［J］.Range manage，1995，48(5):470-474.

［11］BURKE I C，LAUENROTH W K，PARTON W J.Regional and temporal variation in net primary product ion and nitrogen mineralization in grasslands［J］.Ecology，1997，78:1330-1340.

［12］TILMAN D.Productivity and sustainability influenced by biodiversit y in grassland ecosystem ［J］.Nature，1996，379:718-720.

［13］王常慧，邢雪荣，韩兴国.草地生态系统中土壤氮素矿化影响因素的研究进展［J］.应用生态学报，2004，15(11):2184-2188.

［14］鲍雅静，覃名茗，李政海，等.羊草叶片SPAD值对水分梯度和氮素添加梯度的响应［J］.中国草地学报，2012，34(4):26-30.