修复措施对科尔沁盐碱化草地枯落物分解的影响*

吴 朝，占布拉,*，王明玖，艳 秀

(1.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/农业农村部饲草栽培、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;2.通辽市科尔沁左翼中旗草原工作站,内蒙古 保康 029300)

在草地生态系统中，枯落物是生态系统养分供应的主要补给者，其产生、积累和分解直接或间接影响着植物的萌发、保护和群落的演替,在改善生态环境及提高生产力的过程中起着重要作用[1～2]。草地植物通过从土壤中吸收养分，除供自身生长外又以枯落物的形式把部分生物量归还到草地，经过碎裂、异化和淋溶3个过程将养分释放到土壤[3]，为植物根系吸收养分提供来源，从而保证植物对养分的再利用，实现生态系统内部化学元素的交换[4～5]。科尔沁草原是内蒙古草原的重要组成部分，由于气候变化及过度放牧等自然和人为因素，导致90%的草原发生不同程度的退化，出现水土流失、裸地面积增大和生产力降低等问题[6]。草地盐碱化是草地退化的主要类型，现阶段对其管理的重点是植被恢复、可持续经营和利用。目前，国内大多数学者的研究多集中在枯落物分解的环境因子、养分动态和枯落物种类的差异上，而对盐碱化草地植被修复与枯落物分解之间的相关性研究较少。基于此背景，本文研究了科尔沁盐碱化草地枯落物分解对不同修复措施的响应，以找出其分解规律，为盐碱化草地植被恢复提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于科尔沁草原西北部的通辽市扎鲁特旗，海拔高度为265m，地处121°12′23.151″E、44°33′139.007″N，试验期间(2019年10月～2020年10月)年均气温7.6℃，年降水量387.6mm，土壤为盐碱土。中度盐碱化草地的植物以羊草(Leymuschinensis)为主，伴有冰草(Agropyroncristatum)、糙隐子草(Cleistogenessquarrosa)、达乌里胡枝子(Lespedezadavurica)、多根葱(Alliumpolyrhizum)、野韭(Alliumramosum)、锋芒草(Tragusracemosus)等；重度盐碱化草地的植被稀疏且种类贫乏，以一年生植物为主，主要有碱地肤(Kochiasieversiana)、碱蓬(Suaedasalsa)和虎尾草(Chlorisvirgata)等。试验地围封于2017年7月。

1.2 研究方法

依据《天然草地退化、沙化、盐渍化的分级标准》[7]，将草地分为中度盐碱化(M)和重度盐碱化(H)2个梯度。试验采取完全随机裂区设计，设3个处理：以不做任何措施的处理作为对照(CK)，以施有机肥(有机肥30～50 m3/hm2)的处理(O)和进行铺沙(铺沙厚度10～15 cm)的处理(S)作为修复处理。每个处理面积为144m2(12m×12m)，3次重复，小区分别标记为MCK(中度盐碱化对照)、MO(中度盐碱化施有机肥)、MS(中度盐碱化铺沙)、HCK(重度盐碱化对照)、HO(重度盐碱化施有机肥)、HS(重度盐碱化铺沙)。每个小区随机设置3个1m2(1m×1m)的样方放置枯落物，为模拟自然状态下的分解，保证枯落物能与地表紧密接触，将地表植物及枯落物去除。在封育草地中随机布设10个1m2(1m×1m)的样方，收集样方中当年新形成的枯落物。将收集的枯落物剪成5cm小段后在65℃下烘干至恒重，混合均匀后分别装入10cm×15cm孔径为1mm的尼龙网袋中，每袋装10g(同时取一部分未装袋的样品测定其初始化学组成)。于2019年10月初将装有枯落物的网袋放于样方中用竹签固定四角，每小区放置12个枯落物袋，3次重复，6个小区共216袋。按照季节动态即2020年1月、4月、7月和10月初收集样品，每个小区取3袋样品带回实验室。清除枯落物表面附着的泥土和其他杂质后，从分解网袋转移至信封中，置于烘箱65℃下烘48h，称重并记录枯落物样品的剩余质量。粉碎后过40目筛，放置于干燥阴凉处待测。

1.3 测定指标

枯落物初始化学含量测定指标包括干物质、纤维素、木质素、全碳(C)、全氮(N)和全钾(K)。其中，干物质采用烘干法测定；纤维素和木质素含量采用 Van Soest 酸性洗涤法测定；全碳(C)和全氮(N)含量用元素分析仪(Elementar vario MACRO CUBE)测定；全钾(K)含量用火焰光度计测定。测定结果列表1。

表1 枯落物的初始化学性质(g/kg)

1.4 数据处理与计算

枯落物质量残留率(RW)计算公式为：

RW=mt/m0×100%

式中：mt为t时刻枯落物烘干质量(g)；m0为枯落物的初始烘干质量(g)。

元素残留率(RN)计算公式为：

RN=(ct×mt)/(c0×m0)×100%

式中：ct为t时刻枯落物元素含量(g/kg)；c0为初始元素含量(g/kg)。

数据利用Excel 2010录入及整理分析，使用Sigmaplot 14.0制图，运用SAS 9.2进行方差分析及相关性分析。

2 结果与分析

2.1 修复措施对枯落物残留率的影响

从表2可以看出，经过1年时间的分解，两种退化梯度的枯落物在3种处理间具有相同的分解规律，均存在着慢速、快速两个分解阶段。枯落物在分解前期(前9个月内)分解速率较慢，仅中度盐碱化草地的S处理质量残留率显著(P<0.05)低于CK和O处理；分解12个月时，2种退化草地枯落物质量残留率表现为：中度盐碱化草地>重度盐碱化草地，3种处理间呈显著差异(P<0.05)，表现为S处理>O处理>CK。CK的质量残留率在中度盐碱化草地和重度盐碱化草地中分别低于S处理(铺沙)14.11%和14.64%，低于O处理(施有机肥)6.49%和5.04%。

表2 不同退化草地修复处理枯落物质量残留率变化

2.2 修复措施对枯落物纤维素和木质素的影响

2.2.1对纤维素和木质素含量的影响

随着枯落物分解时间的延长，6个处理中枯落物纤维素及木质素含量均呈现增加趋势，并伴有先快后慢的规律。从整体分解情况看，枯落物在重度盐碱化草地纤维素含量高于中度盐碱化草地。在分解1年后，枯落物纤维素含量的大小依次为HS>HO>MO>MCK>MS>HCK，其中含量最高的HS(540.6g/kg)与最低的HCK(489.2g/kg)之间相差5.14%。试验期间，木质素含量在处理间差异波动较大，中度盐碱化草地木质素含量高于重度盐碱化草地，分解1年后枯落物木质素含量的大小依次为MCK>MO>HO>MS>HCK>HS，其中含量最高的MCK(183.0g/kg)与最低的HS(120.9g/kg)之间相差6.21%，详见图1。

图1 不同修复处理枯落物纤维素及木质素含量变化

2.2.2对纤维素和木质素残留率的影响

由表3可以看出，在枯落物分解期间纤维素和木质素残留率均呈增加趋势。枯落物在重度盐碱化草地分解第3个月，纤维素残留率处理HS显著低于HO和HCK(P<0.05)；分解6个月时HO显著低于HS(P<0.05)；分解12个月时,两种盐碱化草地的纤维素残留率处理S和处理O均显著高于CK(P<0.05)。木质素残留率在中度盐碱化草地分解3个月时，处理MCK显著高于MS(P<0.05)；分解6个月时，处理MO显著高于MS(P<0.05)；在重度盐碱化草地分解12个月时，木质素残留率处理S和处理O显著高于CK(P<0.05)。

表3 修复处理枯落物纤维素及木质素残留率变化

2.3 修复措施对枯落物C、N、K元素的影响

2.3.1对C、N、K元素含量的影响

从图2可以看出，6种修复处理枯落物C含量在分解前9个月变化规律不一致，且处理间差异波动较大，到9～12个月时有急剧减少的趋势，其中处理MCK的C含量最高。N含量在分解前3个月处理间差异较大，除处理MCK外其他5个处理均有N富集现象，其中HS处理N含量最高，其次为MO和MS处理，HCK和HO处理富集不明显。分解3～6月时，HS处理N含量减少明显，其他5个处理变化不大；在分解6～9个月时，6个处理N含量均减少，在分解9～12个月时上升。K含量在整个分解过程中总体呈下降趋势，且表现出中度盐碱化草地含量高于重度盐碱化草地的特征。

图2 不同修复处理枯落物C、N、K元素含量变化

2.3.2对C、N、K元素残留率的影响

由表4和表5可以看出，两种退化草地枯落物随着分解时间的延长，C、K残留率均呈下降趋势。中度盐碱化草地C残留率CK处理最低，分解第6个月和第9个月显著低于其他两个处理，其次为处理O，S处理的C残留率最高。重度盐碱化草地分解前3个月C残留率S处理显著低于O处理，分解12月时两种退化草地C残留率从大到小均为S>O>CK，重度盐碱化草地差异范围要大于中度盐碱化草地，中度盐碱化草地C残留率在54.03%～63.03%，重度盐碱化草地残留率在41.6%～65.2%，分别相差9%和23.6%。

表4 中度盐碱化草地不同修复处理枯落物C、N、K元素残留率

表5 重度盐碱化草地不同修复处理枯落物C、N、K元素残留率

枯落物N残留率在两种盐碱化草地均为处理CK最低，处理S和处理O在分解前6个月增加，6～12月减少。中度盐碱化草地分解前6个月，CK处理N残留率显著低于S处理和O处理，其次为S处理，O处理的N残留率最高。重度盐碱化草地分解第3个月和第12个月，S处理N残留率显著高于CK处理和O处理；分解第6个月，S处理N残留率显著高于O处理。分解1年时，中度盐碱化草地N残留率高于重度盐碱草地，中度盐碱化草地N残留率为71.7%～83.09%，重度盐碱化草地为54.05%～81.28%。

在分解6个月时，中度盐碱化草地枯落物K残留率处理S和O显著高于CK；分解9个月时，S处理显著高于CK和O处理；分解12个月时，3个处理K残留率均呈显著差异，其中S处理最高，其次为O处理，CK处理最低，K残留率差异在16.12%～35.12%，残留率相差一倍以上(19%)。重度盐碱化草地分解9个月时，K残留率O处理显著高于CK和S处理；分解12月时，K残留率在15.87%～20.81%间，残留率及差异范围均低于重度盐碱化草地。

2.4 修复处理枯落物残留率及元素含量之间的关系

由表6可以看出，枯落物在1年的分解过程中，6个处理枯落物残留率与元素的相关性方向一致，但相关性存在差异。在中度盐碱化草地，枯落物残留率与C、K、木质素含量之间的相关性均达到极显著水平，与N含量和纤维素含量相关关系未达到显著水平。在3种处理中分别表现为：MCK枯落物残留率与C和木质素含量相关性达到显著水平；MS枯落物残留率与C、K含量相关性达到显著水平，与木质素含量相关性达到极显著水平；MO枯落物残留率与C含量相关系数为0.99，达到极显著水平，与木质素含量相关系数为-0.99，达到显著水平。

表6 不同修复处理枯落物残留率与元素组成的相关性

重度盐碱化草地中枯落物残留率与C含量相关性达到极显著水平(P<0.01)，与K含量达到显著水平(P<0.05)，与N、纤维素和木质素含量之间相关关系未达到显著水平(P>0.05)。在3种处理中分别表现为：HCK和HO处理枯落物残留率与C含量相关性达到极显著水平(P<0.01)；HS枯落物残留率与C含量达到显著水平(P<0.05)。总体来看，枯落物残留率与C含量在所有处理中均显著相关(P<0.05)；与N含量和纤维素含量呈负相关，相关性较高但不显著(P>0.05)；与K含量只在MS处理中显著相关(P<0.05)；与木质素含量在中度盐碱化草地呈显著相关(P<0.05)，在重度盐碱化草地相关性不显著(P>0.05)。

3 讨论

在本研究中，枯落物初期(前9个月)的分解速率比在中国北方内蒙草原上进行的类似研究要慢，经过180d的分解后，中度盐碱化草地的对照、铺沙和施有机肥小区分解率均不到10%，而之前在自然环境条件下进行的研究，克氏针茅(主要是茎)和双齿葱(主要是叶)经过100d的分解残留率减少约12%和27%[8]。本研究枯落物分解速率之所以缓慢，可能是由于本试验在盐碱地进行且试验前9个月缺乏有效降水，从而抑制了微生物活性，导致分解速率变缓。王常顺在植被恢复对枯落物分解的影响研究中发现，经过长时间的恢复植物体中物质成分发生了显著变化，植被恢复不仅改变枯落物质量，同时也会引起群落微环境的变化[9]。本研究结果表明，枯落物在3年的围封修复处理样地，经1年试验期的分解表现为中度盐碱化草地质量残留率高于重度盐碱化草地，3种修复措施枯落物分解速率表现为对照>施有机肥>铺沙，这可能是由于盐碱地含有较多的水溶性盐或碱性物质所致，因为盐分多、碱性大、土壤水分充足时土壤腐殖质遭到淋失的程度就会加大，从而导致了这种结果的出现。

在不同植被类型与环境条件下，枯落物的分解速率及其影响因子存在明显差异[10～13]。Abert认为，N含量在分解初期会出现上升是因为微生物原生质N含量的升高，微生物生物量是凋落叶中N元素绝对量上升的主要原因[14]。马露莎在宁南山区草原6种典型植物枯落物分解特征研究中认为，N可能通过自身浓度的变化改变组织内木质素含量，间接影响分解平衡[15]。本研究结果显示，枯落物残留率与N含量不存在显著相关关系，这与大多数研究结果(枯落物分解速率与N含量显著正相关)不一致，这可能是盐碱化草地作为一个结构比较简单的群落物种多样性较差，相比其他群落结构复杂的草地土壤微生境结构简单，甚至微生物活性差[16]，进而对N浓度响应不明显。

4 结论

4.1供试中度和重度盐碱化草地，枯落物分解1年后分解速率快慢依次为对照>施有机肥>铺沙，质量残留率对照显著低于铺沙和施有机肥，且施有机肥显著高于铺沙。

4.2中度盐碱化草地枯落物质量残留率、木质素、C、N和K残留率等均高于重度盐碱化草地，纤维素残留率低于重度盐碱草地。

4.3纤维素残留率与枯落物分解速率成正比；C、N残留率与分解速率成反比，铺沙处理最高；枯落物的残留率与C、K含量呈正相关，与纤维素含量和木质素含量呈负相关。