增温和施氮对内蒙古荒漠草原土壤团聚体稳定性及碳含量的影响

张 欣，任海燕，韩国栋

(内蒙古农业大学草原与资源环境学院/草地资源教育部重点实验室/农业部饲草栽培、加工与高效利用重点实验室/内蒙古自治区草地管理与利用重点实验室，呼和浩特 010018)

全球气候变化对陆地生态系统的影响已成为当今国内外热点研究问题之一，它们不仅影响土壤生物化学过程、植物群落结构，而且会影响陆地生态系统生产力[1]。而由于人类活动所导致的温室效应正在继续和加剧。据IPCC(Intergovernmental panel on climate change)第五次报告指出，随着环境中温室气体的增加，1880～2012年全球气温已经上升了0.85℃，并且有持续升高的趋势[2]。在温度升高的同时，大气氮沉降的速率也在增加，其主要原因是人类生产活动的加剧、工业发展迅速，使大量含氮化合物排放到大气中[3]。1980～2010年中国氮沉降速率增加了25%，且此后以每年0.41kgN/hm2的速率增加[4]。

土壤团聚体作为土壤结构的基本单元，是影响土壤肥力状况的重要因素，同时其良好的团聚作用对于调节土壤的水、肥、气、热也具有重要的作用[5]。土壤团聚体数量的多少在某种程度上不仅反映了土壤供储养分，还反映了土壤通透性和持水性等能力的高低，对于土壤的固碳能力和保肥能力都非常重要[6]。土壤有机碳作为土壤团聚体的胶结物质，其在土壤中含量的多少对团粒结构的形成和稳定有着重要的作用。研究表明，土壤有机碳含量越高越有利于土壤团聚体的形成和稳定性的提升[7]，土壤团聚体内有机碳的含量会随着粒径的减小而降低，土壤中大多数有机碳储存在粒径较大的团聚体中[8]；但也有研究表明，土壤团聚体内的有机碳含量随着粒径的增加而降低[9]。另外，刘晓东对高寒草地的研究发现，土壤有机碳在<250μm微团聚体中含量最高，250～2000μm粒级中含量最低[10]。总体来看，各学者研究结果不尽一致，这可能与土壤性质、施肥量、气候等因素有关。为了进一步反映土壤团聚体分布状况和稳定性特征，科学家们提出了平均重量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)和分形维数(D)等评价土壤结构性的指标，不同粒级团聚体对土壤养分的保持和供应、孔隙组成、水力性质和生物活动具有不同的作用。有研究显示，MWD和GMD的值越大，表明土壤稳定性越强，结构越好[11]。而土壤分形维数不仅表示团聚体粒径大小，还反映质地均匀程度、土壤渗透性与抗蚀性以及土壤肥力，土壤团聚体分形维数越大土壤结构越不稳定，其抗侵蚀能力就越差[12]。因此，本研究依托长期增温与施氮试验基地，侧重探讨增温和施氮处理下土壤的团聚体数量组成及其有机碳库分布特征，系统分析在增温和施氮处理下对半干旱草地生态系统土壤团聚体组成及团聚体有机碳分布的影响，为明确荒漠草原土壤碳固存机制及提升土壤肥力提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区自然概况

本试验研究区位于内蒙古自治区乌兰察布市四子王旗中南部的内蒙古农牧科学院综合试验示范中心(111°53E、41°46′N，海拔1456m)，试验区地处中温带大陆性季风气候区，四季分明且年温差大，年降水量少而集中，7～9月降水量占全年降水量的70%；试验区多年平均温度为3.7℃，7月份月平均气温最高为20.7℃；无霜期较短，为90～120d。土壤类型大多为淡栗钙土，土层较瘠薄，有机质含量比较低，氮、磷含量较少，但钾含量比较丰富。植被类型较为单一，以短花针茅(Stipabreviflora)为建群种,优势种为冷蒿(Artemisiafrigida)、无芒隐子草(Cleistogenessongorica),主要伴生种有银灰旋花(Convolvulusammannii)、阿尔泰狗娃花(Heteropappusaltaicus)、栉叶蒿(Neopallasiapectinata)、木地肤(Kochiaprostrata)、狭叶锦鸡儿(Calaganastenophylla)等。

1.2 实验设计

试验样地选在地势平坦、植被类型分布均一的地块。本试验采用裂区设计，于2006年5月初开始，以增温作为主处理因子，施氮作为副处理因子，共设置12个12m2(3m×4m)的主区，主区间距为3m，随机选取6个主区进行增温处理,另外6个作为对照处理。每个主区被分为2个6m2(3m×2m)的小区，并随机选取其中1个小区进行施氮处理，另1个不施氮，因此有增温(Warming，W)、氮素添加(Nitrogen addition，N)、增温与氮素添加共同处理(Warming + Nitrogen，WN)和对照(Control，C)4个处理，每个处理设置6次重复，共有24个试验小区。在增温主区上方距离地面2.25m处悬挂一个MSR-2420红外辐射器(KalgloElectronics Inc. Bethlehem，PA,USA)，其输出的最大功率为2000W，使用时调至1600W，常年持续不间断加热。为了消除辐射器遮荫或其他因素带来的试验误差，在对照主区相同的位置也安装了与辐射器大小、形状相同的倒三角铁皮模拟加热器。全年地表增温幅度平均达到1.3℃，在每年的6月底7月初施氮，以NH4NO3的形式进行喷施，一年一次。施氮率为10g N/m2·a(以纯氮计算)，为内蒙古草原生态系统氮素影响植物生长的阈值。为防止NH4NO3挥发，施氮工作在阴雨天进行，将溶于水中的NH4NO3用喷雾器均匀喷洒在氮素添加小区，同时在不施氮的小区喷洒等量的水以避免由于水分所带来的误差。

1.3 样品采集及测定方法

1.3.1样品采集

用于团聚体筛分的土壤样品采集于2018年8月，筛分完成后将各粒径的土壤称重，取部分样品风干后使用球磨仪将土壤粉碎，用于测定各粒径团聚体内的有机碳含量。

1.3.2样品处理及测定

土壤团聚体颗粒分级采用干筛法[13]，用较小的机械外力将土体沿自然纹理断裂，然后将土壤置于具不同筛孔的Retsch AS200仪器套筛上进行震荡，设置1.5mm振幅震动2min，由此将土壤样品分为大团聚体(>2000μm)、小团聚体(250～2000μm)和微团聚体(<250μm)3个团聚体粒级。筛分完成后，分别称重，计算各级别机械稳定性团聚体的百分含量。各粒径团聚体中有机碳含量采用重铬酸钾外加热法测定。

式中，Qi是第i级团聚体碳(氮)储量百分比(%)；Ci是第i级团聚体碳(氮含量)(g/kg)；Wi是第i级团聚体重量百分数(%)。

土壤稳定性指标分别采用平均重量直径(Mean weight diameter,MWD)、几何平均直径(Geometric mean diameter,GMD)以及分形维数(Fractal dimension,D)来描述，计算公式如下：

1.4 数据分析

使用Excel 2007进行数据整理计算，使用SAS 9.4进行方差分析，采用双因素方差分析对土壤团聚体有机碳含量进行不同处理和粒径间的双因素方差分析，使用Sigmaplot 14.0作图。

2 结果与分析

2.1 增温和施氮对土壤团聚体分布特征的影响

试验结果表明，在各处理下土壤各粒级团聚体含量总体表现为250～2000μm>250μm>2000μm(图1)，其中250～2000μm粒级团聚体含量占团聚体总量的36%～44%，大于2000μm粒级团聚体含量占团聚体总量的21%～26%，总体以>250μm占据优势级。不同处理下对土壤团聚体各粒径含量的影响无明显变化。

2.2 增温和施氮对土壤团聚体稳定性的影响

从表1可以看出，在各处理下土壤平均重量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)和分形维数(D)均有一定的影响，但差异均不显著(P>0.05)。与对照相比，在施氮处理下MWD和GMD值最低(分别为1.04和1.00)，D值最高(为2.65)；在增温处理下，MWD和GMD值最高(分别为1.30和1.04)，D值最低(为2.53)；而在增温+施氮处理下，土壤团聚体3个指标的变化幅度低于单一的增温处理，但高于单一的施氮处理。

表1 不同处理下土壤团聚体稳定性指标

2.3 增温和施氮对土壤团聚体有机碳含量的影响

从试验结果(表2)看出，随着土壤团聚体粒径的逐渐减少，在各处理下土壤团聚体内有机碳含量均表现为<250μm内有机碳含量最高，250～2000μm内有机碳含量最少。而在增温处理下，>2000μm内有机碳含量与250～2000μm内有机碳含量呈现出显著差异(P<0.05)，而在其他处理下土壤团聚体各粒径间无显著性差异(P>0.05)。与对照相比，在增温处理下显著降低了>2000μm内有机碳含量(P<0.05)，而对其他土壤团聚体粒径无显著(P>0.05)影响；施氮、增温+施氮处理对各土壤团聚体粒径也均无显著(P>0.05)影响。

表2 不同处理下土壤团聚体有机碳含量

注：表中数据为平均值±标准差；不同大写字母表示相同处理不同粒径间差异显著(P<0.05)，不同小写字母表示相同粒径不同处理间差异显著(P<0.05)。

不同处理下有机碳储量变化(表3)无相同规律性。在对照和增温处理下，以>2000μm内有机碳储量最高，分别为32.39%和23.46%；250～2000μm内有机碳储量最低，分别为25.36%和17.34%。在施氮、增温+施氮处理下，则以250～2000μm内有机碳储量最高，分别为32.72%和24.58%；>2000μm内有机碳储量最低，分别为23.16%和21.00%。在相同粒径下的土壤有机碳储量变化规律也不尽相同，除>2000μm内有机碳储量对照表现最高(32.39%)外，其余粒径下有机碳储量均表现为在施氮处理下最高，分别为32.72%和28.81%。

表3 不同处理下土壤团聚体有机碳储量

3 讨论

本研究结果表明，试验区内在各处理下的土壤团聚体组成以>250μm,即>2000μm和250～2000μm为优势粒级，表明土壤结构良好。增温增加了土壤团聚体的稳定性，但并未呈现出显著性差异(P>0.05)，表明温度的增加并未对土壤团聚体的稳定性产生显著性影响，这与安娜[6]在青藏高原高寒草甸上的实验结果不同。一些研究表明，随着温度的升高，土壤团聚体的稳定性下降[14]，但也有研究认为增温对于土壤团聚体无显著影响[15]，造成这种差异的原因可能是由于土壤团聚体的稳定性不仅取决于单一因素，还取决于多种因素，例如土壤的温湿度、土壤性质和植物物种等[16]。氮沉降没有显著降低团聚体的稳定性，这与李小嘉[17]的研究结果相同，但也有研究表明氮沉降会显著降低土壤团聚体的稳定性[18]。本试验的研究结果与前人产生差异的原因，可能是由于氮沉降持续时间不同、植被不同和土壤类型不同造成的。

本研究表明，长期的增温仅降低了>2000μm内土壤团聚体有机碳含量，而对其他粒径内有机碳含量无显著影响，产生的原因可能是在增温条件下枯落物中碳的输入和矿化过程中碳的输出产生的平衡[6]。有研究表明，增温造成的土壤干燥会增加土壤原有有机质的矿化[19]，但降低了土壤返还新鲜有机物质的分解[20]。在西藏高原高寒草甸的研究表明，无论是短期增温还是长期增温，对土壤团聚体的有机碳含量均无显著影响[21]，这与本研究结果一致。氮沉降对于团聚体有机碳稳定性的影响可能是由于不同团聚体而不同，在本研究中氮沉降仅增加了250～2000μm内的有机碳含量，对3个粒级的团聚体有机碳含量并未呈现显著性差异(P>0.05)。研究表明，施氮肥提高黑垆土中粒径>2000μm和250～2000μm团聚体中有机碳的含量[22]。刘晓东等通过三年的氮素补充试验，发现在不同施氮处理下低氮处理(50kgN/hm2.a)和中氮处理(100kg N/hm2.a)均显著提高了草甸土壤中>2000μm、250～2000μm和<250μm团聚体粒径中有机碳的含量[10]。造成这种差异的原因，可能是由于土壤性质的差异和氮肥施用的不同，但由于增温和施氮对于荒漠草原土壤团聚体有机碳含量的影响研究较少，还需要进一步研究和讨论。

4 结论

在内蒙古半干旱荒漠草原地区，土壤团聚体以>250μm(即>2000μm和250～2000μm)为优势粒级，施氮降低了土壤团聚体的稳定性，而增温增加了土壤团聚体的稳定性，但均未造成显著性差异(P>0.05)。增温显著降低了>2000μm内有机碳含量，对其他粒径无显著影响；施氮对土壤团聚体中有机碳含量产生的影响不显著，有机碳储量在不同处理和不同粒径下均无相同的变化趋势。由此表明，长期的增温和施氮处理对内蒙古半干旱荒漠草原土壤团聚体稳定性和有机碳含量均无很明显的影响，但随着气候变化的加剧，或许会对荒漠草原土壤团聚体稳定性和C库造成消极影响。