不同恢复措施对宁夏荒漠草原土壤碳氮储量的影响

于双，许冬梅,2*，许爱云，刘金龙，陶利波

(1.宁夏大学农学院，宁夏 银川 750021；2.宁夏大学西北土地退化与生态恢复省部共建国家重点实验室培养基地，宁夏 银川 750021)

土壤有机碳和氮元素含量可以直观地反映土壤肥力的高低，也是草地土壤质量和草地健康评价的重要指标之一，直接影响草地的生产力[1-4]。土壤有机碳是陆地生态系统中储量最大的碳库，约为大气碳储量的2倍，植物碳储量的3倍[5]。全球草地总碳储量约为308 Pg C, 其中约92%储存在土壤中[6]；中国草地总碳储量为28.95 Pg C，其中约94%储存于土壤中[7]。草地生态系统中，碳氮循环密切相关，二者之间相互作用、相互影响[8]。草地土壤碳氮储量的增加，对改善全球碳氮循环、缓解全球气候变化具有重要价值[9-10]。因此，掌握土壤碳氮储量的变化特征，对维系土壤质量、保护生态环境具有重要意义[11-12]。研究发现，土壤扰动方式和强度对草地土壤碳氮储量产生显著影响，随草地退化程度的加剧，土壤碳氮储量呈显著下降趋势[13-14]。围栏封育、浅耕翻和耙地等恢复、改良措施有利于退化草地土壤碳氮的累积[15-16]。

荒漠草原是宁夏天然草地的主体类型，在区域经济发展和生态安全维护中具有重要地位。然而，由于自然环境的敏感脆弱性，加之人类过度干扰，草地退化、沙化严重，导致植被发生逆向演替，土壤粗粒化、碳氮等养分损失加剧[17-18]。随着退牧还草等政策的实施，近年来，在宁夏荒漠草原区通过围栏封育、天然草地补播及人工柠条林建植等措施，促进退化草地生态系统的恢复，植物群落结构及土壤性状得以改善[19-21]。本研究以退化荒漠草原为对象，研究不同恢复措施条件下，草地土壤总有机碳、全氮含量及其分布特征，分析不同恢复措施草地土壤有机碳和全氮储量的差异，为揭示荒漠草原生态系统有机碳和全氮储量变化，提升草地生态管理水平提供理论参考，对该区生态环境建设具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本研究区位于宁夏东部风沙区盐池县高沙窝镇 (E 106°03′-107°04′，N 37°04′-38°10′)。盐池县南靠黄土高原，北与毛乌素沙地相连。气候类型属于典型中温带大陆性季风气候，平均气温7.8 ℃；气温冬冷夏热，极端最高温度34.9 ℃，极端最低温度-24.2 ℃，冬夏两季气候迥异，平均温差28 ℃左右，年均无霜期165 d；年降水量250～350 mm，且从东南向西北递减；平均海拔1295～1951 m，地势呈南高北低，土壤类型以灰钙土为主，其次是黑垆土和风沙土。试验区系短花针茅(Stipabreviflora)和牛枝子(Lespedezapotaninii)为建群种的荒漠草原，在宁夏荒漠草原区具有一定的代表性，主要建群物种有短花针茅、牛枝子、蒙古冰草(Agropyronmongolicum)、赖草(Leymussecalinus)等。

1.2 试验设计

在研究区选择退化程度一致、地势较为平坦的草地。于2014年6月采用随机区组设计(区组间隔6 m)，设置封育+未补播(F)、深翻耕+补播(S)、浅翻耕+补播(Q)、免耕+补播(M)4个恢复措施，每个处理3个重复小区，小区面积为4 m×20 m，小区间距为3 m。补播组合为蒙古冰草+沙打旺(Astragalusadsurgens)，播种量22.5 kg·hm-2(蒙古冰草15 kg·hm-2、沙打旺7.5 kg·hm-2)，播种方式为条播，行距50 cm。同时，以传统放牧草地为对照，共5个处理。

1.3 样品采集及处理

于2017年8月初，在每个小区内采用多点混合法分别采集0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm和30～40 cm土壤样品，去除杂物及植物根系、凋落物等，带回实验室，于室内风干、研磨，分别过0.149和2 mm筛，保存于密封袋内，用于土壤有机碳和全氮的测定。同时，挖取土壤剖面，利用环刀分层采集土样，用于土壤容重的测定。

1.4 样品指标测定及计算方法

土壤容重采用环刀法测定[22]；有机碳(total organic carbon, TOC)采用Elemental rapid CS cube元素分析仪测定；全氮(total nitrogen, TN)采用BUCHI Labortechnik AG K-360全自动凯氏定氮仪测定[23]。

土壤有机碳、全氮密度及储量的计算[10]：

SOCi=Ci×Di×Ei×(1-Gi)/100
TNi=Ni×Di×Ei×(1-Gi)/100

式中：SOCi为某层土壤的有机碳密度(kg·m-2)，TNi为某层土壤的全氮密度(kg·m-2)，Ci为土壤有机碳含量(g·kg-1)，Ni为土壤全氮含量(g·kg-1)，Di为土壤容重(g·cm-3)，Ei为土层厚度(cm)；Gi为粒径>2 mm 的石砾含量(%)，研究区土壤无粒径>2 mm 石砾，所以Gi取值为0。

式中：SOCt为土壤有机碳储量(t·hm-2)，TNt为土壤全氮储量(t·hm-2)，K为土层数，SOCi为某层土壤的有机碳密度(kg·m-2)，TNi为某层土壤的全氮密度(kg·m-2)。

1.5 数据分析

采用Excel进行数据汇总，DPS 9.5软件进行统计分析，采用one-way ANOVA和LSD法进行方差分析和多重比较分析。

2 结果与分析

2.1 不同恢复措施草地土壤有机碳和全氮含量的剖面分布特征

由图1可知，0～10 cm和10～20 cm土层，土壤有机碳含量均以浅翻耕处理的草地最高，分别为7.45和7.25 g·kg-1，显著高于放牧草地，深翻耕草地及封育处理的草地(P<0.05)。20～30 cm土层，不同处理草地有机碳含量变化范围为5.03～9.93 g·kg-1，以浅翻耕草地和免耕处理的草地土壤有机碳含量较高，显著高于深翻耕和封育处理的草地(P<0.05)；封育草地土壤有机碳含量最低，显著低于其他恢复措施草地及放牧草地(P<0.05)。30～40 cm土层，不同处理草地之间土壤有机碳含量差异不显著(P>0.05)。从剖面分布看，不同处理草地土壤有机碳含量随土层的加深变化规律不完全一致，但总体表现为0～10 cm和10～20 cm土层含量较低，20～30 cm和30～40 cm土层含量较高。

0～10 cm和10～20 cm土层全氮含量均以浅翻耕处理草地最高，分别为0.17和0.23 g·kg-1；0～10 cm土层，浅翻耕处理草地显著高于封育和放牧草地(P<0.05)，封育草地与深翻耕及免耕草地之间差异不显著，放牧草地与免耕及封育草地之间差异不显著(P>0.05)；10～20 cm土层，浅翻耕处理草地全氮含量显著高于其他处理(P<0.05)，其他恢复措施及放牧草地之间差异不显著(P>0.05)。20～30 cm和30～40 cm土层，全氮含量均以深翻耕处理草地最高，分别为0.26和0.20 g·kg-1；20～30 cm土层，深翻耕处理草地全氮含量显著高于封育草地(P<0.05)；30～40 cm土层，深翻耕处理草地全氮含量显著高于放牧、免耕及封育草地(P<0.05)，浅翻耕、免耕、封育及放牧草地之间差异不显著(P>0.05)。从剖面分布看，各处理措施草地20～40 cm土层全氮含量较0～20 cm土层高，其中，深耕翻和放牧草地增加显著(P<0.05)。

图1 不同恢复措施草地土壤有机碳和全氮含量Fig.1 Contents of soil organic carbon and total nitrogen of grasslands under different restoration measures 图中不同小写字母表示同一土层不同处理在0.05水平差异显著。S: 深翻耕+补播; Q: 浅翻耕+补播; M: 免耕+补播; F: 封育+未补播; CK: 传统放牧。下同。Different small letters mean significant differences at 0.05 level among different restoration measures at the same soil depth. S: Deep ploughed+reseeding; Q: Shallow ploughed+reseeding; M: No-tillage+reseeding; F: Enclosed+no reseeding; CK: Grazing. The same below.

2.2 不同恢复措施草地土壤有机碳和全氮密度

如表1所示，不同处理草地各土层土壤容重分布范围为1.36～1.55 g·cm-3，其中，0～10 cm和30～40 cm土层，各处理草地之间差异不显著(P>0.05)；10～20 cm和20～30 cm土层，以深翻耕和放牧草地较高，浅翻耕处理草地最低，显著低于深翻耕、免耕和放牧草地(P<0.05)。

表1 不同恢复措施草地土壤容重、有机碳和全氮密度 Table 1 Soil bulk， density of organic carbon and total nitrogen of grassland under different restoration measures

注：同行不同字母表示同一土层不同处理在0.05水平差异显著(P<0.05)，下同。

Note： The different lowercase letters in the same line indicate significant difference at 0.05 level among different restoration measures at the same soil depth (P<0.05), the same below.

0～10 cm和10～20 cm土层有机碳密度均以浅翻耕处理草地最高，分别为1.10和1.00 kg·m-2，显著高于放牧、深翻耕和封育草地(P<0.05)，放牧、深翻耕、免耕及封育草地之间差异不显著(P>0.05)。不同处理草地20～30 cm和30～40 cm土层有机碳密度变化范围分别为0.76～1.41 kg·m-2和0.99～1.58 kg·m-2，均以浅翻耕和放牧草地较高，封育草地较低，但各处理草地之间差异不显著(P>0.05)。

全氮密度在0～10 cm和10～20 cm土层均以浅翻耕处理草地最大，分别为0.025和0.031 kg·m-2，其中0～10 cm土层，浅翻耕处理草地显著高于放牧和封育草地(P<0.05)；10～20 cm土层，浅翻耕处理草地显著高于放牧、封育、深翻耕及免耕草地。20～30 cm土层，全氮密度以深翻耕草地最高(0.039 kg·m-2)，显著高于封育草地(0.020 kg·m-2)(P<0.05)。30～40 cm土层，全氮密度仍以深翻耕处理草地最高，显著高于放牧、免耕和封育草地(P<0.05)。从垂直分布看，随土层的加深，有机碳和全氮密度的变化趋势与有机碳和全氮含量变化趋势一致。

2.3 不同恢复措施草地土壤有机碳和全氮储量

不同恢复措施草地土壤有机碳和全氮储量如图2所示，可以看出，不同处理草地0～40 cm土层土壤有机碳储量变化为浅翻耕草地>免耕草地>放牧草地>深翻耕草地>封育草地；其中浅翻耕处理草地土壤有机碳储量为47.72 t·hm-2，显著高于封育草地的27.63 t·hm-2(P<0.05)。0～40 cm土层土壤全氮储量表现为浅翻耕草地>深翻耕草地>免耕草地>封育草地>放牧草地，浅翻耕处理草地全氮储量为1.09 t·hm-2，显著高于免耕、封育及放牧草地(P<0.05)，免耕、封育、放牧及深翻耕处理草地之间差异不显著(P>0.05)。从垂直变化看，不同处理草地各土层对0～40 cm土壤有机碳及全氮储量贡献率分别为：0～10 cm: 13.5%～23.1%和17.0%～24.6%；10～20 cm: 15.1%～21.8%和16.7%～28.9%；20～30 cm: 27.4%～34.3%和24.0%～38.0%；30～40 cm: 26.4%～37.1%和24.0%～32.5%。总体来看，各处理草地20～40 cm土层对土壤有机碳和全氮储量的贡献率较0～20 cm的高。

图2 不同恢复措施草地土壤有机碳和全氮储量Fig.2 The storage of soil organic carbon and total nitrogen of grasslands under different restoration measures

3 讨论与结论

土壤有机碳是草地土壤质量的重要表征，在揭示植被、土壤及其他环境因子的关系中具有重要作用，其含量高低直接影响土壤的生物化学过程，进而改变草地土壤的肥力[24]。植被组成，土地利用方式及管理措施等对土壤有机碳具有一定影响[25]。0～30 cm土层中，土壤有机碳含量均以浅翻耕处理草地最高，其次是免耕草地，封育草地较低，这是由于补播改善了植物群落结构，植物凋落物的积累与分解改变了浅层土壤养分的循环及周转，导致浅翻耕和免耕处理有机碳含量较高(P<0.05)。30～40 cm土层中，各恢复措施草地及放牧草地之间有机碳含量差异不显著(P>0.05)。表明在本研究的处理中，浅翻耕有利于草地土壤有机碳的积累。前人对不同改良措施对退化羊草(Leymuschinensis)草地影响的研究表明，0～30 cm土层有机碳含量在恢复8年后表现为浅耕翻改良>耙地改良>围栏封育>围栏外自由放牧；24年后则表现为围栏封育>耙地改良>浅耕翻改良>围栏外自由放牧[15,26]；因此，随着恢复年限的增加，封育可能更利于草地土壤有机碳的积累。

土壤氮素是植物生长所需的主要营养元素之一，对草地生态系统生产量、结构与功能的调节具有重要作用[27-29]。0～20 cm土层，全氮含量均以浅翻耕处理草地较高，放牧草地最低。20～40 cm土层，全氮含量以深翻耕处理草地最高，浅翻耕处理草地次之，免耕草地较低。这可能是由于深翻耕对土壤扰动较强，导致土壤水分流失，有机碳分解加速，淋溶作用增强，使得氮素等养分向下迁移[2]。孙庚等[30]对川西北草地土壤氮和碳特征的影响研究表明，不同管理措施对川西北草地氮元素的积累和转化速率影响显著，围栏草地和翻耕草地全氮含量分别比放牧草地高46%和51%，氮转化速率和呼吸速率大大加快，尤其是翻耕草地。本研究中深翻耕草地和浅翻耕草地全氮含量较放牧草地分别增加了41%和43%。李凌浩[31]在土地利用变化对草原生态系统土壤碳贮量的影响研究中表明，围栏封育、浅耕等不同恢复措施和放牧、砍伐等利用方式对土壤氮元素分布、转化及其含量有重要影响。总体来看，本研究不同恢复措施草地浅层土壤有机碳和全氮含量较低，与以往的研究结果一致[32]。可能是由于研究区地处较为干旱的风沙区，风蚀作用强烈，植被盖度总体较低，凋落物积累较少，导致浅层土壤有机碳和全氮含量相对较低。

土壤碳库是植物健康生长的主要营养源，其储量巨大，约是大气碳库的2倍[33]。土壤氮储量是衡量土壤氮元素供应状况的重要指标[34]。本研究结果表明0～40 cm土层土壤有机碳储量浅翻耕草地>免耕草地>放牧草地>深翻耕草地>封育草地，0～40 cm土层土壤全氮储量表现为浅翻耕草地>深翻耕草地>免耕草地>封育草地>放牧草地。有机碳和全氮储量均以浅翻耕处理草地最高，可能是浅翻耕改变了土壤上层的结构变化，土壤孔隙度增大，加之补播过程既疏松了土壤，又增加了植被盖度与凋落物的积累，从而导致浅翻耕处理草地土壤有机碳、全氮氮含量较高。周瑶等[35]对不同恢复措施宁夏典型草原土壤碳、氮储量的研究表明，封育禁牧有利于该区碳、氮储量的累积。李雅琼等[15]研究表明，围栏封育、耙地改良、浅耕翻改良等恢复措施均使退化草地碳、氮储量有所增加。

综上所述，在本研究所做处理中，退化草地恢复初期，浅翻耕处理较免耕、深翻耕和封育措施更有利于荒漠草原土壤有机碳和全氮储量的积累。