放牧、水分和氮素对内蒙古草原土壤团聚体的影响

裴 雯， 陈 清， 张洛梓， 贾丽英

(1.天津师范大学天津市水资源与水环境重点实验室， 天津 300387； 2.天津师范大学地理与环境科学学院， 天津 300387)

土壤团聚体是土壤结构的基本单元[1]，也是土壤中物质转化与能量流动的场所，在土壤养分和水分保持方面具有重要作用[1-6]。土壤团聚体构成比例及团聚体稳定性是评价土壤结构的重要指标[7]。过度放牧是引起内蒙古草原退化的重要原因之一，过度放牧条件下家畜的践踏破坏了土壤表皮结构，造成土壤团聚体构成比例失调及团聚体稳定性下降，更易发生土壤侵蚀[3,8]。水分和氮素是内蒙古草原生产力水平的重要限制因子[9-11]。降水变化和大气氮沉降会改变土壤的理化性状，对团聚体结构的影响程度可能同时受到放牧活动的调控[12-13]，进而影响草原生态系统的功能[12]。有研究发现水分或者氮素添加提高了土壤中大团聚体含量和土壤团聚体的稳定性[14-16]，使土壤结构得到改善[5]，另有研究表明水分或氮素添加没有使土壤团聚体组成发生显著变化[14,17-19]，不同的研究结果可能是由于各生态系统土壤环境因子和土地利用方式的不同造成的。目前，对于草原土壤团聚体的研究大多集中在单一因子如放牧对土壤团聚体的影响[1,2,4,7,20-26]，放牧、水分和氮素及其交互作用对土壤团聚体构成比例及稳定性影响的研究鲜见报道。因此，本研究通过在内蒙古草原为期十年的定位试验，分别在中度和过度放牧样地添加水分和氮素，研究放牧强度、水分、氮素三因子及其交互作用对土壤团聚体构成比例及稳定性的影响，旨在深入理解草原土壤结构对当前环境变化的响应。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

研究地点位于内蒙古草原生态系统定位研究站羊草样地北侧，锡林河流域中部(43°26′～ 44°29′N，115°32′～117°12′E)。该地区是温带典型草原，属于半干旱草原气候，土壤为暗栗钙土；年平均气温为0.7℃，冬季寒冷干燥，夏季温暖湿润；年平均降水量343 mm，降水集中于5—9月份，占全年降水量的80%左右，且降水的年际变化显著[9,29]。

1.2 试验设计与样品采集

2005年5月在中度放牧(MG)和过度放牧(HG)样地选取地势平坦，植被均匀且有代表性的区域并围栏，以排除放牧干扰。样地的围栏面积为0.2 ha。在2005年以前MG和HG样地进行了30年的连续放牧，其中，MG样地的历史放牧强度约为2只羊·ha-1，HG样地的历史放牧强度约为4只羊·ha-1。试验前两块样地的土壤理化性状和物种组成详见陈清等[9]研究。试验设3个因素：放牧强度、水分和氮素。其中，放牧强度包括2个水平，分别为中度放牧(MG)和过度放牧(HG)；水分包括2个水平，分别为自然降水处理(Pa)、模拟丰水年降水及分布进行补充灌溉(Pw)；氮素包括2个水平，为0(N0)，50 kg N·ha-1(N50)，共8个处理，每个处理4次重复，每个小区面积为5 m×8 m。灌溉依据试验样地长期降雨数据，根据内蒙古草原生态系统定位站 1982—2003 年气象资料，按全年降雨量排序，将前25%的年份定义为丰水年份，丰水和贫水年份5—9月的平均降水量分别为380 mm和220 mm。本试验拟模拟丰水年5—9月每10天的降水量及其分布，于每月10号、20号、30号进行一次性补充灌溉；每次计划灌溉量=同月10天内丰水年降水量-当年10天内试验样地降水量，如果试验当年某10天内的降水量超过丰水年的降水量，则不进行灌溉，并在下个10天相应减少灌溉量，保持5—9月总水分投入量和分布与丰水年基本相同。施肥在每年5月15日左右进行。为了保证施肥均匀，将各小区所需尿素(直径1.5 mm)与过2 mm筛的风干土(直径<2 mm)按肥土比1∶10的比例充分混匀，在清晨无风时撒施[9]。灌溉和施肥的具体操作步骤详见陈清等[9]研究。

于2014年和2015年8月中旬分别进行土样采集。围栏内每个小区使用直径为3 cm的土钻随机取3钻土混为一份样品，取土深度为0～15 cm，过2 mm筛后混合均匀，采用“四分法”选取部分土壤，装入封口袋中密封。取土时避免对土壤样品过分扰动，以免破坏团聚体结构。土壤样品风干后去除根系和杂草，过2 mm筛，用于分析土壤团聚体特征及其土壤有机碳和全氮含量。

1.3 土壤水稳性团聚体的测定与计算

1.3.1土壤水稳性团聚体的测定 土壤水稳性团聚体的测定采用湿筛法[28]，称取25 g风干土，将其放置在团聚体分析仪套筛的最上端筛子内，调整桶内水面高度，使水面刚好漫过风干土，将风干土浸泡5 min后，启动仪器进行分级，以振幅3 cm上下震荡30 min，之后将各级孔径筛子收集的土壤组分冲洗至铝盒中，在60℃下烘干至恒重后称重，记录<0.053 mm，0.053～0.25 mm，0.25～0.5 mm，>0.5 mm粒级土壤团聚体重量。

1.3.2团聚体稳定性指标计算

1)土壤水稳性团聚体一般以0.25 mm为界限分为大团聚体和微团聚体。大团聚体比重(R0.25)计算公式为：

式中：Mr>0.25为粒径>0.25 mm团聚体的重量(g)，MT为团聚体总重量(g),Mr<0.25为粒径<0.25 mm团聚体的重量(g)。

2)平均重量直径(Mean weight diameter，MWD)计算公式为:

式中，i是各级团聚体组分的编号，xi是筛分出来的任一粒径范围团聚体的平均直径，wi是对应于xi的团聚体百分含量[1]。

3)几何平均直径(Geometric mean diameter，GMD)计算公式为：

式中，i是各级团聚体组分的编号，xi是筛分出来的任一粒径范围团聚体的平均直径，wi是对应于xi的团聚体百分含量[1]。

1.4 土壤有机碳和全氮的测定

土壤有机碳(Soil organic carbon，SOC)和总氮(Total nitrogen，TN)含量采用元素分析仪(Vario EL III,Elementar,Germany)测定[29]。

1.5 统计分析

数据采用Origin进行数据分析与作图，采用SPSS 17.0软件对不同处理下的土壤团聚体各粒级含量和土壤有机碳和全氮含量、团聚体稳定性指标进行单因素方差分析和相关性分析，以及对放牧强度、水分、氮素进行三因素方差分析。

2 结果与分析

2.1 放牧强度、水分和氮素对土壤各级团聚体含量的影响

放牧强度对>0.5 mm，0.053～0.25 mm及<0.053 mm粒级的土壤团聚体含量影响显著(P<0.05)(图1)。由图1可知，中度和过度放牧样地在不同处理条件下均以0.053～0.25 mm粒级的土壤团聚体为主。过度放牧样地>0.5 mm粒级大团聚体和<0.053 mm粒级团聚体含量显著低于中度放牧样地该粒级含量(P<0.05)；过度放牧样地0.053～0.25 mm粒级团聚体含量显著高于中度放牧样地(P<0.05)。

图1 中度和过度放牧样地各粒级土壤团聚体含量

增加水分显著提高过度放牧样地>0.5 mm粒级团聚体含量(P<0.05)，其余粒级组间无显著变化(图3)；中度放牧样地各粒级团聚体含量不受水分添加影响(图2)。氮素添加显著降低过度放牧样地自然降水处理0.053～0.25 mm粒级团聚体含量(P<0.05)，不影响过度放牧样地其它粒级团聚体发生显著变化(图5)；氮素添加没有使中度放牧样地各粒级团聚体含量发生显著变化(图4)。

图2 水分对中度放牧样地各粒级团聚体含量的影响

图3 水分对过度放牧样地各粒级团聚体含量的影响

图4 氮素对中度放牧样地各粒级团聚体含量的影响

2.2 放牧强度、水分和氮素对土壤有机碳、全氮含量的影响

不同放牧强度样地土壤有机碳、总氮差异显著(P<0.05)(表2)。过度放牧样地的有机碳、总氮含量均显著低于中度放牧样地(P<0.05)(图6，图7)。水分增加显著提高过度放牧样地土壤有机碳、总氮含量，但不影响中度放牧样地土壤有机碳、总氮含量(图6，图7)。氮素添加没有使中度和过度放牧样地土壤有机碳和总氮发生显著变化(表2)。

表1 放牧强度、水分和氮素对土壤各粒级团聚体含量的影响的三因素方差分析结果

图6 放牧强度、水分对土壤有机碳含量的影响

图7 放牧强度、水分对土壤总氮含量的影响

表2 放牧强度、水分和氮素对土壤有机碳、总氮含量的影响的三因素方差分析结果

2.3 放牧强度、水分和氮素对土壤团聚体稳定性指标的影响

中度放牧样地R0.25、团聚体MWD和GWD均显著大于过度放牧样地(P<0.05)(表3)。仅添加氮素使过度放牧样地大团聚体(>0.25 mm)比重显著增加(P<0.05)(图7)，而水氮同时添加对中度和过度放牧样地大团聚体(>0.25 mm)比重的影响均不显著。

表3 放牧强度对土壤团聚体稳定性指标的影响

图8 放牧强度、水分、氮素对R0.25的影响

表4 放牧强度、水分和氮素对土壤团聚体稳定性指标的影响以及三因素方差分析结果

2.4 土壤团聚体各粒级与稳定性指标和土壤理化性质之间的相关性

土壤有机碳和总氮含量与>0.5 mm粒级团聚体含量、大团聚体比重(R0.25)均呈极显著正相关关系(P<0.01)，与0.053～0.25 mm粒级团聚体含量呈极显著负相关关系(P<0.01)。同时，MWD和GWD与>0.5 mm粒级团聚体含量也呈极显著正相关关系(P<0.01)。

表5 土壤团聚体各粒级与稳定性指标和土壤理化性质的相关性

3 讨论

3.1 放牧强度对土壤团聚体的影响

与中度放牧样地相比，过度放牧使草原土壤大团聚体(>0.25 mm)含量减少，微团聚体(0.25～0.053 mm)含量增加，土壤有机碳、全氮含量显著降低，土壤大团聚体(>0.25 mm)比重显著降低。随放牧强度增加，地表植被盖度降低，土壤表皮受到破坏，地表土壤和养分的损失加大，枯枝落叶、地下根系及根系分泌物向土壤输入的有机物质减少，土壤有机碳和全氮含量显著降低[3,8,30-32]，进而导致土壤大团聚体数量下降，逐渐以微团聚体为主[1,3,8]。GMD和MWD常用来反映土壤团聚体大小和分布状况，其值越大团聚体的平均粒径团聚度越高，稳定性越强[1,2,14,33-34]。本研究结果显示随放牧强度增加，MWD和GWD显著减小，土壤稳定性显著降低。这一结果与高寒草原和高寒草甸[1,35]、宁夏荒漠草原[3]、三江源地区高寒嵩草草甸土壤[23]、克氏针茅草原[26]和川西北高寒草地[36]、三江源区紫花针茅草原[2]、内蒙古草原[29,37]等草原上的研究类似。

3.2 水分添加对中度和过度放牧样地土壤团聚体粒级含量的影响

草原土壤团聚体的变化对于水分添加的响应受到放牧强度的影响，过度放牧样地土壤团聚体对于水分投入的响应要高于中度放牧样地。水分增加可提高过度放牧样地土壤有机碳和总氮含量和土壤大团聚体(>0.5 mm)含量。这可能是由于过度放牧导致土壤中有机碳和全氮含量降低，长期水分添加可以提高土壤中有机碳含量，而有机碳是重要的胶结物质，能够增强团聚体的团聚性，促进团粒结构的形成[8,38-39]，从而导致土壤大团聚体增加。内蒙古荒漠草原[8]和青藏高原[40]、31个温带和热带研究站点[12,41]、黄土丘陵区典型草原[14]的研究也得到了相似的结果。然而，长期水分添加没有影响中度放牧样地土壤团聚体组成。课题组前期研究表明：中度放牧样地长期水分添加造成生产力氮素限制，长期水分投入反而降低了土壤氮素矿化量和矿化速率，没有增加植被生产力，促进退化植物物种丰度增加[42]。本研究表明长期水分添加并没有使中度放牧样地有机碳和全氮含量显著提高，因此，也没有使土壤大团聚体含量和比重增加。

3.3 氮素添加对土壤团聚体粒级含量的影响

长期少量N素添加可能会改善过度放牧样地土壤团聚体的结构，但不影响中度放牧样地土壤团聚体结构组成。在过度放牧样地中，氮素添加显著降低过度放牧样地微团聚体(0.053～0.25 mm)含量，在贝加尔针茅草原[43]、青藏高原[44]、西北旱地[17]、黄土旱塬地带[45]、低山黄土丘陵区[16]、青藏高原南部冲击平原[46]的研究也得出相似的结果。此外，氮素添加显著提高过度放牧样地大团聚体(>0.25 mm)所占比重但未增加其含量。而中度放牧样地氮素投入后各粒级土壤团聚体含量均没有发生显著变化。研究表明，N的补充有助于团聚体内部化学反应形成稳定的土壤结构，使较小的团聚体重新胶结形成较大粒级的团聚体[15,43,47-50]。本研究氮素投入没有增加大团聚体含量可能是因为N添加量设置较低，仅为50 kg N·ha-1，相当于华北平原地区大气氮素沉降的最低值[51]，在其他研究中[48-50]，N添加量是本研究N添加的2～5倍，足量的氮素补充影响根系环境及根际周围的物化过程、增强微生物的数量及活性、增加有机质及氮的积累[44]，并促进大团聚体的形成，而少量的氮素投入可能不足以引起土壤有机碳和大团聚体数量的改变。

4 结论

随放牧强度增加，土壤大团聚体含量减少，微团聚体含量增加，团聚体稳定性下降；长期水分添加显著增加了过度放牧样地大团聚体含量，对中度放牧样地无显著影响；长期少量氮素添加显著降低过度放牧样地微团聚体含量，增加大团聚体比重，对中度放牧样地无显著影响。过度放牧样地土壤团聚体的组成对水分和氮素投入的响应比中度放牧样地更为明显。