补播对退化荒漠草原土壤有机碳及其分布的影响

郭艳菊, 马晓静, 于 双, 许冬梅

(宁夏大学农学院, 宁夏 银川 750021)

过去几十年间全球气候变暖，碳循环引起全球范围越来越多的关注[1]。土壤是陆地生态系统最大的碳库，其碳储量约为大气的2倍，植被的3倍[2-4]，对维持植物营养和缓解全球气候变化具有重要的作用[5]。

草地生态系统是陆地生态系统的重要组分，在全球碳循环中扮演着源、汇、库的作用。草地土壤有机碳库及其稳定性与土壤侵蚀、生态系统的维持、发展及稳定性机制相联系[6]。然而，由于人类不合理的开发利用，导致草地退化，土壤有机碳大量流失[1,7]。土壤团聚体的形成影响土壤有机碳的分解，是有机碳稳定和保护的载体[8-9]，有助于抵御土壤的侵蚀[10]。不同管理措施可改变土壤团聚体的更新与转化，对土壤有机碳的固存产生影响[11]。研究表明，退化生态系统实施植被恢复措施后，植被盖度及物种多样性增加，提高了生态系统碳的固存能力[12-13]。

针对退化草地生态系统，可通过多种途径进行恢复和重建。其中，补播作为一种简单、有效的措施，在退化草地生态系统恢复和重建中广泛应用。补播可提高退化草地的生产力、增加植被盖度及物种多样性等，有效改善草地生态环境[14]。本研究通过分析荒漠草原土壤有机碳及其在土壤剖面和不同粒级团聚体中的分布，探讨不同补播模式对退化荒漠草原土壤有机碳的影响，为退化草地植被恢复及土壤有机碳固存提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于宁夏东部风沙区盐池县高沙窝镇(37°04′～38°10′ N，106°03′～107°04′ E)。盐池县南北长110 km，东西宽66 km，总面积8 661.3 km2，平均海拔1 295～1 951 m，地势呈南高北低。属典型中温带大陆性季风气候，光能丰富，年均气温7.8℃，年降水量250～350 mm，蒸发量2 000 mm以上；土壤类型以灰钙土为主，其次是黑垆土和风沙土。草原类型包括典型草原和荒漠草原，荒漠草原主要物种有牛枝子(Lespedezapotaninii)、蒙古冰草(Agropyronmongolicum)、短花针茅(Stipabreviflora)、赖草(Leymussecalinus)等。

1.2 研究方法

1.2.1试验设计 2014年6月，在研究区选取地势较为平坦、退化程度均一的退化荒漠草原，土壤以灰钙土风蚀沙化形成的风沙土为主，质地疏松，植物群落结构不稳定。基于隔带深翻土壤30 cm后(翻耕带4 m，相邻翻耕带之间间隔6 m)，采用随机区组设计(区组间间隔6 m)，分别以蒙古冰草+沙生冰草(G)、沙生冰草(A.desertorum)(S)、蒙古冰草(A.mongolicum)(M)进行条播，播种量22.5 kg·hm-2，行距30 cm，同时以未补播草地为对照(CK)，共4个处理，每个处理重复3次，共12个小区，小区面积4 m×20 m，小区间隔1 m。

1.2.2样品采集 于2017年7月，在各处理小区按等间距设置3个取样点，在各样点分0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm土层采集原状土壤样品于保鲜盒中带回室内，用于土壤团聚体的测定。同时，采集土壤样品用密封袋保存，带回实验室风干后，过0.15 mm的筛，用于土壤有机碳的测定。

1.2.3测定方法 土壤团聚体的测定采用沙维诺夫干筛法，按>2 mm，2～0.25 mm，0.25～0.053 mm，<0.053 mm不同粒级分离。土壤总有机碳及不同粒级团聚体有机碳含量采用Elemental rapid CS cube元素分析仪测定。

不同粒级团聚体对土壤有机碳的贡献率(%)由以下公式计算：

团聚体对土壤有机碳的贡献率=该粒级团聚体中有机碳含量×该粒级团聚体含量/土壤有机碳含量× 100%

1.3 数据分析

采用Excel进行基础数据处理和作图，采用DPS 7.05 软件进行单因素方差分析(One-way ANOVA)和LSD多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同补播模式荒漠草原土壤有机碳剖面分布

由表1可得，补播可以提高荒漠草原土壤有机碳含量。0～10 cm土层，各处理草地之间土壤有机碳含量差异不显著，变化范围2.94～3.88 g·kg-1。10～20 cm和20～30 cm土层，以沙生冰草补播草地有机碳含量最高，显著高于未补播草地(P<0.05)。30～40 cm土层，各处理草地土壤有机碳含量均显著高于未补播草地(P<0.05)，且不同补播模式草地之间差异不显著。各处理草地0～40 cm土壤有机碳含量随土层加深均逐渐增加，与0～20 cm土层相比，20～40 cm土层土壤有机碳含量提高了33.98%～77.81%。

表1 不同补播模式荒漠草原0～40 cm土层土壤有机碳Table 1 Contents of soil organic carbon at 0～40 cm depth of desert steppes under different reseeding measures

注：同行不同大写字母表示不同处理之间差异显著(P<0.05)；同列不同行小写字母表示同一处理不同土层之间差异显著(P<0.05)

Note:Different capital letters in the same row indicate significant difference among different treatments at the 0.05 level,and different lower-case letters in the same row indicate significant difference among different soil layers at the 0.05 level

2.2 不同补播模式荒漠草原土壤团聚体有机碳分布特征

不同补播模式荒漠草原土壤团聚体有机碳分布见图1，可以看出，不同处理0～40 cm土层土壤团聚体有机碳含量均以<0.053 mm粒级最高，分布范围为6.86～14.80 g·kg-1，0.053～0.25 mm粒级较低。0～10 cm土层，不同粒级团聚体有机碳含量在各处理间差异不显著。10～20 cm和20～30 cm土层，不同处理之间<0.053及0.25～2 mm粒级团聚体有机碳含量差异不显著；0.053～0.25 mm粒级团聚体有机碳含量，10～20 cm土层以沙生冰草补播草地显著高于其他处理草地(P<0.05)，20～30 cm土层则以蒙古冰草+沙生冰草补播草地最高(P<0.05)；>2 mm粒级团聚体有机碳含量，未补播草地10～20 cm土层显著低于沙生冰草补播草地(P<0.05)，20～30 cm土层显著低于蒙古冰草补播草地(P<0.05)。30～40 cm土层，<0.053 mm，0.25～2 mm及>2 mm粒级团聚体有机碳含量均以蒙古冰草补播地最高，未补播草地最低，但各粒级有机碳含量在不同处理草地之间变异规律不同；三种补播模式草地之间0.053～0.25 mm粒级团聚体有机碳含量差异不显著，且均显著高于未补播草地。

2.3 不同粒级团聚体有机碳对全土有机碳的贡献率

由图2，不同处理草地0～30 cm各土层均以0.053～0.25 mm粒级团聚体对全土有机碳贡献率最高，其范围53.99%～83.68%，其次为>2 mm粒级团聚体，0～30 cm各土层<0.053 mm和0.25～2 mm粒级团聚体对全土有机碳的贡献率在不同处理草地之间差异不显著。0～10 cm土层，0.053～0.25 mm粒级团聚体对全土有机碳贡献率以未补播草地最高，蒙古冰草+沙生冰草补播草地较低(P<0.05)。>2 mm粒级团聚体对全土有机碳贡献率以蒙古冰草+沙生冰草补播草地和沙生冰草补播草地较高，未补播草地较低(P<0.05)。10～20 cm土层，0.053～0.25 mm粒级团聚体对全土有机碳贡献率以未补播草地和蒙古冰草+沙生冰草补播草地较高(P<0.05)，>2 mm团聚体对全土有机碳贡献率以蒙古冰草补播地最高，显著高于其他处理草地(P<0.05)。20～30 cm土层，蒙古冰草补播地0.053～0.25 mm粒级团聚体对全土有机碳贡献率显著低于沙生冰草补播草地和未补播草地(P<0.05)。>2 mm粒级团聚体对全土有机碳贡献率则呈现出相反的变化趋势(P<0.05)。30～40 cm土层，3种补播模式草地>0.25 mm粒级大团聚体对全土有机碳的贡献明显增大，显著高于未补播草地(P<0.05)。

图2 不同补播模式草地0～40 cm土层不同粒级团聚体对有机碳贡献率Fig.2 Contribution rates of different aggregate fractions to soil organic carbon content at 0～40 cm depths of desert steppes under different reseeding measures

3 讨论与结论

土壤有机碳含量是土壤肥力的重要指标之一，同时也是影响草地生产力的重要因素[14]。补播有利于退化荒漠草原土壤有机碳的固存，除0～10 cm土层各处理草地土壤有机碳含量差异不显著外，沙生冰草补播草地10～40 cm各土层均显著高于对照(P<0.05)。张平良等对高寒农牧交错带植被恢复对土壤有机碳的影响研究表明，种植老芒麦对提高土壤有机质含量效果显著[15]。随土层加深，各处理草地土壤有机碳含量逐渐增加(P<0.05)，这可能是由于荒漠草原总体植被覆盖较低，由凋落物分解输入土壤的有机碳较少，加上风蚀和呼吸作用，导致表层土壤有机碳较深层土壤低。

团聚体是土壤的基本结构单位，土壤有机碳贯穿于团聚体形成、稳定及分解的全过程[16]。不同土层各粒级团聚体有机碳含量对补播的响应不同，0～30 cm土层，不同处理草地之间<0.053 mm和0.25～2 mm粒级团聚体有机碳含量差异不显著，0.053～0.25 mm和>2 mm粒级团聚体含量无规律性变化。不同处理各土层有机碳主要分布在<0.053 mm粒级团聚体，这与张静娅等[17]观点相同，一方面可能是<0.053 mm粒级团聚体比表面积大，表面的有机无机胶体结合土壤有机碳，另一方面可能是大团聚体中富含年轻植物残体，易被矿化，高度腐殖化的惰性部分存在于微团聚体中，因此不断积累，使得<0.053 mm团聚体有机碳含量增加。但华娟和高会议[18-19]等认为团聚体有机碳主要分布在大团聚体中。随土层加深，>2 mm粒级团聚体有机碳含量增加，与以往的研究结果一致[20-21]。

不同粒级团聚体对全土有机碳贡献率揭示了不同粒级团聚体含量及不同粒级团聚体有机碳特征[22]。0～10 cm土层，>2 mm粒级团聚体对全土有机碳贡献率以蒙古冰草+沙生冰草补播草地最高，10～40 cm土层，以蒙古冰草补播草地最高(P<0.05)。0～30 cm各土层均以0.053～0.25 mm粒级团聚体对全土有机碳的贡献率最高，这主要是由于0.053～0.25 mm粒级团聚体百分含量最高，使得其对全土有机碳的贡献率最大。随土层加深，各处理草地大团聚体对全土有机碳贡献率增大，至30～40 cm土层，不同补播模式>2 mm团聚体对全土有机碳贡献率均显著高于未补播草地。结合土壤有机碳剖面分布，该结果也表明大团聚体的形成对土壤有机碳具有一定的保护作用[8]。

综上所述，补播有利于退化荒漠草原土壤有机碳的固存，在本研究所做处理中补播沙生冰草对土壤有机碳的增加效果较为明显。