围封条件下荒漠草原4种典型植物群落枯落物输入对土壤理化性质的影响

李学斌， 陈林，樊瑞霞，吴秀玲，谢应忠

（1.宁夏大学西北土地退化与生态恢复国家重点实验室培育基地，银川750021；2.宁夏农业勘查设计院，银川750001）

围封条件下荒漠草原4种典型植物群落枯落物输入对土壤理化性质的影响

李学斌1*， 陈林1，樊瑞霞1，吴秀玲2，谢应忠1

（1.宁夏大学西北土地退化与生态恢复国家重点实验室培育基地，银川750021；2.宁夏农业勘查设计院，银川750001）

采用野外原位实验和室内控制实验相结合的方法研究了围封条件下荒漠草原4种典型植物群落（沙芦草群落、甘草群落、赖草群落和沙蒿群落）枯落物分解对土壤理化性质的影响.结果表明：荒漠草原4种典型植被群落围封内枯落物蓄积量显著高于围封外，枯落物的蓄积增加了土壤的持水量，但枯落物的分解短期内对土壤体积质量、孔隙度及持水性能影响较小；枯落物在分解过程中，由于积累了大量腐殖酸导致了p H值降低，且土壤的p H值也呈降低趋势，但变化幅度不大，与枯落物p H值呈现一定的拟合效果；枯落物输入短期内对土壤全氮和有机碳有正效应.荒漠草原枯落物蓄积与分解能有效改善土壤中的水分运移与空间分布，并为土壤注入更多的有机质和养分元素，从而改变土壤理化性质.“退耕还草”“封栏封育”等国家重大生态工程地实施对荒漠草原植被与土壤的恢复产生了积极的影响.

荒漠草原；枯落物；土壤理化性质

SummaryLitter not only can avoid plants being suffered from splash erosion，wind erosion and other physical protection of rain，but also can accelerate the accumulation of soil moisture，nutrients，and improve soil fertility.In the last decade，The National Projects of Ecological Engineering such as Returning Cropland to Grass and Enclosure Steppe，have been performed，but effects of litter input on soil physical and chemical properties under the fenced condition in desert steppe remain poorly understood.

We created field decomposition experiment and laboratory experiment based on four typical plant communities under a fenced condition，which were Agropyron crisatum community，Glycyrrhiza uralensis community，Leymus secalinus community and Artemisia desertorum community，and analyzed the basic characteristics of four typical plant communities，litter accumulation and decomposition，and soil moisture and nutrients，respectively.

The results showed that the litter accumulation under the fenced condition was significantly higher than that of the no fenced condition，and the litter accumulation increased soil water holding capacity，while the litter decomposition had weak effect on soil bulk density，total porosity and water holding capacity in the short term. Although soil p H value decreased with the litter accumulation，but the variation was small.Litter input had positive effect on the soil total nitrogen in the short-term，but the effect was weak，and the soil total nitrogen and organic carbon increased with increasing litter accumulation.These results supported that the litter accumulation and decomposition in the desert steppe could effectively improve the soil water movement and spatial distribution，and transport more organic and nutrient elements into the soil，thus change the physical and chemical properties of soil.

The finding suggests that litter has positive effect on vegetation and soil restoration of the desert steppe，which plays more important role in maintaining ecosystem stability in the arid sand areas.

枯落物作为养分的基本载体，在养分循环中成为连接植物与土壤的重要“纽带”，是草地生态系统养分循环的物质基础，在养分循环和维持土壤肥力等方面发挥着非常重要的作用［1-2］.目前，有关枯落物的研究已经从枯落物的枯落量、分解过程及影响因子等基本特征，深入到枯落物对土壤性质、植物生长、群落的演替，以及植被生产力等生态功能的研究上［3-4］.关于枯落物与土壤性质的关系，国内外也有大量的研究报道［5-6］，陈光升等［7］对西南山地森林凋落物回归土壤后的研究表明，凋落物分解输入对土壤体积质量、孔隙度等影响不大，但土壤p H值升高，且有机碳及氮含量呈升高的趋势；马存平等［8］研究结果表明，枯落物的输入能够降低土壤体积质量，减少土壤的无效蒸发，增加土壤的蓄水能力，同时，土壤有机质、全量养分含量均有显著增加.但这些研究主要集中在森林生态系统及西南山地和东北等典型草原生态系统，而对荒漠草原鲜有研究.

近年来，随着“西部大开发”“退耕还林还草”“封育禁牧”等重大生态工程的实施，草地生态系统得到了不同程度的休养生息，在家畜等草食性动物退出草地生态系统后，枯落物成为联系植被与土壤的重要中间环节，但是植被枯落物分解如何影响土壤性质，如何更好地发挥草地生态系统的自我维持机制等问题尚未解决.故本试验基于北方农牧交错带“退耕还草”和“封育禁牧”后荒漠草原恢复的实际情况，选择荒漠草原4种典型植物群落枯落物分解对土壤理化性质的影响加以研究，揭示枯落物分解与输入对土壤的生态效应，为植被恢复和草地的合理利用提供理论基础.由于草地土壤直接接纳枯落物的物质输送和分解转化主要对土壤表层有影响，因此本文以表层土壤（0～15 cm）来讨论枯落物分解对土壤理化性质的影响.

1 材料与方法

1.1 研究地点

实验样地位于宁夏盐池县国家级草原资源管理监测站（37.95°N，107.00°E），该研究区属于典型中温带大陆性气候，年平均气温为8.1℃，近50年年平均降雨量为288 mm，且主要集中在5—9月，约占年降雨量的60%；年平均无霜期为165 d；土壤类型主要为灰钙土和风沙土.植物类型主要以灌丛沙生植被和荒漠植被为主，植物群落中常见种类以旱生和中旱生为主.样地封育时间为2001年.研究对象选取了荒漠草原4种典型植物群落：沙芦草群落、甘草群落、赖草群落和沙蒿群落.基本情况见表1.

1.2 研究方法

采用野外原位实验和室内控制实验相结合的方法研究荒漠草原4种植物群落枯落物分解对土壤理化性质的影响.

野外原位实验：采用“枯落物袋掷入法”.2012年4月5日，将4种植物群落的枯枝落叶进行收集，带回实验室65℃烘干后称质量20 g，剪成5 cm左右的小段，装入大小为25 cm×25 cm的尼龙网袋中，按“S”型随机置于样地作为处理，埋入10 cm左右的土层中，清除地表的枯落物层，于5、6、8、9、10月在枯落物分解袋周围采集土样，带回实验室进行土壤体积质量、孔隙度、土壤水分等物理性质和p H值、有机碳、全氮、速效磷、速效钾等化学性质分析；同时，采集邻近的未放置枯落物分解袋的土壤（每月清理地表的枯落物，使其不受枯落物的影响）作为对照.设置3个重复.

室内控制实验：在埋置枯落物袋的同时，分别在每个样地内采集0～15 cm土层的土壤，带回实验室过2 mm筛，在25℃人工气候培养箱中培养7 d，然后称取300 g鲜土，加入质量为4.0 g的枯落物，混合均匀，将制备好的土壤装入250 m L烧杯中，烧杯口用塑料薄膜密封，在薄膜上用针刺若干个通气小孔，每个时期各处理设置3次重复.没有放置枯落物的为对照.将烧杯置入人工气候箱中，在温度为（25±0.5）℃、相对湿度为（70±5）%、光照为昼夜交替的条件下分别培养0、15、30、60、90 d后测定土壤理化性质.

表1 荒漠草原4种典型植物群落样地基本特征Table 1 Basic characteristics of four typical plant communities in the desert steppe

2 结果与分析

2.1 枯落物对土壤物理性质的影响

2.1.1 枯落物对土壤体积质量、孔隙状况的影响

土壤体积质量是表征土壤质量的重要参数之一，是土壤紧实度的敏感性指标［9］.结果（表2）表明：荒漠草原4种植物群落有枯落物袋处理的土壤体积质量在实验期内与对照相比变化极小，没有明显的规律性改变，说明荒漠草原枯落物分解在较短时间内对土壤体积质量的影响很小，几乎不变.土壤孔隙度也称土壤孔度，充满着水分与空气，其大小、数量与分配是土壤物理性质的重要基础，也是评价土壤结构特征的重要指标［10-11］.4种植物群落有枯落物袋的处理和无枯落物的对照相比，土壤总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度均没有显著差异，说明在短期内枯落物分解对土壤的孔隙状况影响也是有限的.

2.1.2 枯落物对土壤持水性能的影响 土壤的持水性能是影响土壤抗雨水击溅和水蚀能力的体现，是反映土壤生态学功能的一项重要指标［12］.结果（表3）表明：沙芦草群落和甘草群落土壤最大持水量、毛管持水量、最小持水量处理均高于对照，增幅分别在4.29%～8.88%、4.75%～13.77%、5.56%～16.36%和2.34%～2.61%、2.57%～2.88%、2.96%～3.34%之间；赖草群落和沙蒿群落土壤持水性能在实验期内没有表现出较强的规律性.田超等［13］研究表明，枯落物的输入能够改变土地物理性质，提高土壤的持水性能.该研究说明荒漠草原枯落物蓄积与分解对土壤的持水量产生了一定影响，但影响结果有待于长时段的研究数据来支撑.

2.2 枯落物对土壤化学性质的影响

2.2.1 枯落物对土壤p H值的影响 土壤酸碱度是描述土壤性质的重要指标之一，枯落物可改变土壤的p H值，从而影响了营养元素的可利用性；枯落物通过诱导土壤p H值的变化进而影响土壤的物理结构，因此也影响水分的渗透［14］.研究结果（表4）显示，荒漠草原4种植物群落枯落物在不同分解时期p H值变化范围在6.40～7.38之间，整体呈中、偏碱性，且随着分解进程有降低的趋势，分解初期（5月份）p H值最高，分解末期（10月份）p H值最低.推测认为，土壤中积累了大量枯落物分解合成的腐殖酸导致了p H的降低.而4种植物群落土壤p H值范围在8.61～9.11之间，土壤整体偏碱性（表5）.总的来看，土壤p H值大小表现为沙蒿群落＞

赖草群落＞沙芦草群落＞甘草群落；随着分解时间的延长，4种群落土壤p H值均表现为先升高后降低的趋势，且生长季末净值较生长季初低，降幅为0.45%～0.56%；处理和对照相比，4种群落的土壤p H值总体表现为对照＞处理，差异显著性随群落不同而有所不同，分解期内，赖草群落对照和处理之间均无显著差异，沙芦草和沙蒿群落仅在6月份处理和对照之间有显著差异，甘草群落则在4和8月期间有显著差异.当然，枯落物对土壤p H值的影响还需要长时段、连续的实验监测.

表2 枯落物对0～12cm土层土壤体积质量和孔隙状况的影响Table2 Effect of litter on soi lvolume mass and porosity condition of 0-15 cm soil layer

表3 枯落物蓄积与分解对0～12cm土层土壤持水性能的影响Table3 Effectoflitteraccumulationanddecompositiononsoilwaterholdingcapacityof0 15cmsoillayer

表4 枯落物不同分解时期的p H值Table 4 p H value of litter decomposition in different time

表5 枯落物分解对土壤0～12 cm土层p H值的影响Table 5 Effect of litter decomposition on p H value of 0-15 cm soil layer

2.2.2 枯落物对土壤全氮含量变化的影响 荒漠草原4种植物群落类型土壤全氮含量的室内控制实验结果（图1）表明，在培养期内，4种群落土壤全氮含量总体变化趋势为先降低后升高，在0～15 d内，呈降低的趋势，30～90 d逐渐升高，90 d达到最大值；处理土壤全氮含量与对照相比，总体为处理高于对照，但差别极小，增幅在1.85%～17.24%，且0～30 d的增幅（1.85%～13.04%）小于60～90 d的增幅（7.32%～17.24%）.陈玉平等［15］研究表明，枯落物输入能够显著增加土壤氮和有机质的含量.该研究分析认为，对于荒漠草原而言，枯落物对土壤全氮含量的影响需要较长的时间才能显现.

图1 在室内培养条件下添加枯落物土壤全氮质量分数的变化Fig.1 Effect of litter addition on total nitrogen content of soil under the condition of laboratory incubation

图2 在野外实验中添加枯落物土壤全氮质量分数的变化Fig.2 Effect of litter addition on total nitrogen content of soil under the condition of field experiment

野外原位实验结果（图2）表明：甘草群落土壤全氮含量的季节动态为降低趋势，氮含量最大月（4月份）与最低月（10月份）相差0.06 g/kg.4种群落土壤全氮含量均较低，室内测定数据介于0.21～0.53 g/kg之间，低于1.00 g/kg；野外测定数据全部介于0.23～0.39 g/kg之间，更是低于0.50 g/ kg.4种群落基本表现为春季与秋季土壤全氮含量略高，夏季较低，这可能与该地区春、秋2季土壤水分含量较高，促进了养分的循环与流动；同一时期不同群落类型相比，甘草群落土壤全氮含量最高，沙蒿群落最低，沙芦草与赖草群落之间差异不大.无论是野外实验还是室内实验，均表现出处理高于对照，但差异较小，因此对荒漠草原而言，枯落物输入短期内对土壤全氮含量影响是有限的.

但是，室内实验与野外实验也有差异.室内培养15 d时，土壤全氮含量下降为0.27 g/kg，之后呈缓慢上升的趋势，90 d时，土壤全氮含量为0.41 g/ kg，比对照上升了0.11 g/kg，增加了26.8%.造成野外实验与室内实验差异的原因可能在于：一方面，野外枯落物分解受环境因素影响，分解缓慢，养分释放较少；另一方面，生长季内植物从土壤中吸收氮素，致使野外实验土壤全氮含量低于室内实验；另外，野外实验中土壤氮素受淋溶等作用，总体呈降低的趋势.处理与对照相比，除8月份处理低于对照外，其他月份均为处理高于对照，说明甘草群落枯落物的分解导致了土壤全氮含量的升高，但处理与对照的变化很小，最大也仅相差10%.

2.2.3 枯落物对土壤有机碳的影响 4种植物群落枯落物输入后土壤有机碳含量随时间变化的室内实验结果见图3.在不同时期，不同植物群落土壤有机碳的变化范围为4.31～16.48 g/kg，变幅较大，最大值是最小值的3.8倍，赖草和沙蒿群落土壤有机碳含量随着培养时间的增加呈递增的趋势，而沙芦草和甘草群落随时间的变化规律性不明显.甘草群落土壤有机碳含量最大，其次为沙芦草、赖草，沙蒿最小.在实验期内，4种植物群落土壤有机碳含量处理均高于对照，沙蒿群落增幅最大，最大增幅接近1倍，其他3种群落增幅在15.05%～51.95%之间.

4种植物群落野外实验土壤有机碳含量随时间变化的结果见图4.沙蒿群落土壤有机碳含量随着分解时间的延长整体呈现出升高的趋势，甘草、沙芦草和赖草群落均是5、6和9月的含量较低，4和8月维持在一年中的中等水平，10月则达到了最大值，这可能是由于在雨水相对丰富的生长季，植物生长旺盛，引起了土壤有机碳含量短期内的下降；沙芦草群落土壤有机碳含量在5、6和8月处理低于对照，其他月份处理高于对照，甘草群落5、6月处理低于对照，8、9、10月处理高于对照，赖草群落仅在5月处理低于对照，而沙蒿群落在整个生长季内均表现为处理高于对照；甘草群落土壤有机碳含量最大，其次为沙芦草、赖草，沙蒿最小，与室内结果一致.

图3 在室内培养条件下添加枯落物土壤有机碳质量分数的变化Fig.3 Effect of litter addition on soil organic carbon content under the condition of laboratory

图4 在野外实验中添加枯落物土壤有机碳质量分数的变化Fig.4 Effect of litter addition on soil organic carbon content under the condition of field experiment

3 讨论与结论

水分和有机质的积累是荒漠草原植物恢复、土壤正向演替的两大动力源［16］.荒漠草原枯落物蓄积与分解能有效改善土壤中水分运移与空间分布，并为土壤注入更多的有机质和养分元素，从而改变土壤理化性质.枯落物的存在不仅可以避免土壤受到雨滴的击溅侵蚀、风蚀而起到物理保护的作用，还可以加速土壤水分、养分的蓄积，提高土壤肥力，加速土壤的正向演替［17］.

Herandez等［18］认为，土壤体积质量大小和孔隙状况主要受到土壤颗粒组成、土壤有机质含量、放牧践踏等因素的影响.在本研究中，枯落物输入后土壤体积质量比无枯落物输入土壤体积质量略高，但差异不显著.土壤总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度在有或无枯落物输入情况下没有明显的规律性.这可能是由于本项研究实验周期较短.马艳萍等［19］认为，在荒漠草原典型的表层沙化动力系统中，植被生产力低，地表裸露率高，风成过程极易产生.而“封育禁牧”使得荒漠草原枯落物的蓄积直接覆盖在表层土壤上，增加了表层土壤的粗糙系数和持水性能.本实验的4个群落围封内枯落物蓄积量显著高于围封外.

荒漠草原枯落物的蓄积与分解可以促进土壤酸碱度的改变.徐秋芳等［20］研究发现，不同树木枯落物的分解对土壤p H值产生一定的影响，如杉木、马尾松的枯落物分解使得土壤p H值降低，而檫木枯落物分解使得土壤p H值升高.也有学者认为枯落物不会影响土壤的酸碱性［21］.本研究4种植物群落枯落物在分解过程中p H值总体呈现降低的趋势，这是由于枯落物经分解和腐殖化，转变成为腐殖质，腐殖质中含有腐殖质酸.而在枯落物输入后，土壤p H值随分解时间的延长呈现上下波动，总体略降低，但变化幅度不大，与枯落物p H值呈现一定的拟合效果.这是因为宁夏盐池县荒漠草原地下水相对较低，土壤盐碱化程度严重，枯落物的分解和腐殖化过程提高了土壤中CO2和有机酸的含量和浓度，在一定程度上中和碱性土壤，改善土壤理化性质.说明荒漠草原封育禁牧后，枯落物的输入对改善土壤酸碱度有一定作用，但本实验还缺乏长时段、序列性研究数据支撑.

在同一地区，深层土壤的理化性质相对比较稳定，而表层土壤受枯落物和植被影响较大［22］.枯落物的蓄积量、分解和组分等因素不同程度影响着表层土壤的C、N、P、K等养分的含量.在本实验中，无论是室内实验还是野外实验，枯落物的输入对土壤全氮含量均呈正态效应，但土壤全氮含量的变化总体都比较小，这是因为土壤全氮含量的95%以上都是有机形态的，不易受到外界环境的影响，因此波动较小，这与汪思龙等［23］的研究结果类似.

以上所述，荒漠草原封育禁牧后枯落物蓄积与分解对土壤理化性质有一定的影响，荒漠草原区植被枯落物的输入对提高土壤肥力具有极为重要的生态学功能.

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Effects of four typical plant community litter input on soil physical and chemical properties under the fenced condition in desert steppe.Journal of Zhejiang University（Agric.&Life Sci.），2015，41（1）：101-110

Li Xuebin1*，Chen Lin1，Fan Ruixia1，Wu Xiuling2，Xie Yingzhong1(1.Key Laboratory for Restoration and Reconstruction of Degraded Ecosystem in Northwestern China of Ministry of Education,Ningxia University, Yinchuan 750021,China；2.Ningxia Agricultural Prospecting and Design Institute,Yinchuan 750001,China)

desert steppe；litter；soil physical and chemical properties

S 812.8；S 158.3

A

10.3785/j.issn.1008-9209.2014.03.121

国家自然科学基金资助项目（31260581）；教育部科学技术研究项目（413060）；国家重大基础研究前期研究专项（2012CB723206）.

李学斌，E-mail：lixuebin@nxu.edu.cn

2014 03 12；接受日期（Accepted）：2014 11 20；

日期（Published online）：2015 01 19

URL：http：//www.cnki.net/kcms/detail/33.1247.S.20150119.1706.009.html