放牧、氮添加对荒漠草原植物和土壤碳氮的影响

李宏宇,高翠萍,吕广一,杨昌祥,张春英,王成杰*

(1.内蒙古农业大学草原与资源环境学院,内蒙古 呼和浩特 010011; 2.内蒙古农业大学草地资源教育部重点实验室,内蒙古呼和浩特 010011; 3.内蒙古乌兰察布市化德县林业和草原局,内蒙古 乌兰察布 012000)

放牧作为一种生产经营活动,是我国草原最重要的利用方式之一。放牧通过家畜践踏、采食和排泄粪便对土壤产生直接和间接的影响[1],家畜的践踏作用直接导致土壤紧实度和容重等物理性质的增加,进而引起土壤化学状况的改变,家畜的采食和粪尿返还则通过影响植物的生长对土壤产生正向或负向的反馈调节作用[2-3]。目前,国内外有关放牧对草地生态系统碳氮贮量影响的研究结果不相一致。闫瑞瑞等[4]研究结果表明:随着放牧强度的增大,土壤碳氮含量及土壤碳氮贮量均呈显著线性下降趋势。吕广一等[5]通过对3种草原类型的研究,表明过度放牧降低了草原植物叶片、根系及土壤中全氮含量和稳定氮同位素值。另有研究认为放牧增加了草原土壤的碳氮含量[6-7],如高永恒等[8]研究不同放牧强度下高山草甸的碳氮格局时得出,随着放牧强度的增加,不同程度地增加了土壤有机碳氮的贮量。所以放牧和土壤碳氮之间存在复杂的相互关系。目前我国有90%左右的草地处于不同程度的退化状态,严重退化的草地占60%以上,成为制约区域经济发展和生态文明建设的主要因素,而长期过度放牧会影响草原生态系统的营养物质循环过程,是导致这些草地大面积退化的主要原因[9]。

退化草地土壤养分缺乏,氮添加作为一种重要技术措施常被用于退化草地的恢复治理[10-11]。全球氮添加的试验表明施氮可对植物的生长、物种结构及土壤肥力等产生一系列影响,大多研究证实植物的各项生长指标均随氮素供应的增加而显著增加[12-13],如秦加敏等[14]研究发现,氮添加显著提高了植物生物量及碳、氮库,同时改变了地上、地下部分生物量和碳、氮库的分配。李瑞瑞等[15]报道:随氮添加量的增加,土壤有机碳(Soil organic carbon,SOC)含量显著增加,土壤可溶性有机碳(Dissolved organic carbon,DOC)和全氮含量显著高于对照样地。然而,过量的氮添加可导致植物生产力下降且不利于土壤碳氮含量的积累[16-18]。因此如何借鉴科学的草地施肥手段来恢复和改进退化的草地已成为当今研究的重要课题,同时对生态系统人为管理及预测全球变化下的生态系统N循环过程具有重要的理论和实践意义。

在草原生态系统中,土壤与植被彼此制约又相互协调。内蒙古荒漠草原是我国北方重要的生态屏障和畜牧业生产基地,长期过度放牧导致草原退化,严重影响了生态系统的稳定及草原畜牧业发展的可持续性。目前在过度放牧背景的荒漠草原,通过外源氮素输入恢复过程中,对植物和土壤碳氮含量变化规律及之间的相关关系研究甚少,且结论尚不一致;在不同氮添加处理的恢复措施中,植物和土壤的稳定碳氮同位素组成是如何变化的,也没有确定的结论。本研究收集了重度放牧的荒漠草原上氮添加处理下的建群种植物短花针茅叶片及0～10 cm土壤样品,通过测定短花针茅叶片和土壤全碳、全氮、稳定碳氮同位素及土壤有机碳、速效氮含量,结合土壤温湿度数据,分析了放牧和氮添加后荒漠草原植物短花针茅叶片、土壤碳氮含量和稳定同位素的差异及变化规律,了解生态系统碳氮循环过程,探究了荒漠草原植物—土壤间碳氮含量的相关程度及土壤温湿度在此生态系统中的调节作用,以期为退化草地恢复提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本试验于内蒙古自治区包头市达茂旗希拉穆仁镇以南,建立的荒漠草原长期放牧试验平台(41°15′15″N,111°13′32″E)进行,该地属于中温带半干旱大陆性季风气候,平均海拔高度1 602 m,昼夜温差较大,年平均气温相对较低,平均气温2.0℃,蒸发量为2 307 mm。年平均日照总时数3 200 h。降雨期每年大约70 d,7—9月为雨季,年平均降水量为285 mm。土壤类型为淡栗钙土,土质粗糙,主要植物种有克氏针茅(Stipakrylovii)、冷蒿(Artemisiafrigida)、短花针茅(StipaBreviflora)、糙隐子草(Cleistogenessquarrosa)、羊草(Leymuschinensis)、沙生冰草(Agropyrondesertorum)等。

1.2 试验设计

本试验平台于2014年开始放牧试验,设置无牧(Grazing prohibition,UG)、轻度放牧(Light grazing,LG)和重度放牧(Heavy grazing,HG)3个载畜率水平,每半年载畜率分别为0只羊单位·hm-2(NG),0.58只羊单位·hm-2(LG),1.74只羊单位·hm-2(HG)。本试验中,我们的放牧强度是依据家畜的采食量、物种的组成及植被的覆盖度所计算的中度放牧。放牧家畜为体重年龄接近的成年蒙古马,分别为0,1,3匹,1匹马=5个羊单位,放牧的蒙古马健康状况大致相同,体重为(350±50)kg,放牧时间为每年的6—9月,每月连续放牧5天。

通过参考区域大气氮沉降水平[19]和内蒙古草原生态系统氮沉降的饱和量[20]。本研究于2021年7月开始氮添加试验,在无牧和重度放牧样地各设置4种氮添加处理水平:对照(CK,0 g·m-2·a-1)、低氮(LN,5 g·m-2·a-1)、中氮(MN,10 g·m-2·a-1)和高氮(HN,20 g·m-2·a-1)。每个处理设3个重复,共计24个3 m×2 m的小区,各小区随机分布,小区间均设有>2 m的隔离带(图1)。施肥种类为尿素(含氮46%),根据氮添加水平,每年在7月中旬将生长季(6—9月)所需要喷施的尿素溶于水中均匀喷洒在小区内,对照处理(CK)小区内同时施等量的水,确保与施氮小区间的水分平衡。在10月中旬将非生长季(10月—翌年5月)氮肥一次性施入土壤中。

1.3 试验样品采集和测定

于2022年8月初植物生长旺盛期,在每个小区内,对短花针茅选择5株形态上大致相似、无病虫害的健康成熟个体进行标记,并收集其部分叶片装入信封袋,放入保鲜箱,带回实验室,所收集的叶片需全部是完整、无病虫害且未被家畜采食过的叶片。植物叶片样品在105℃下杀青10 min,然后在65℃下烘干至恒重,用球磨仪磨碎,过40目筛后进行化学测定。用德国Elementar公司生产的isoprime100稳定同位素质谱仪连接元素分析仪(Vario Isotope Select)测定短花针茅叶片全碳、全氮和稳定碳氮同位素值。

利用土壤温湿度速测仪测得每个小区内0～10 cm土层的土壤温湿度数据。土壤样品的采集主要用土钻随机取样,在每个小区内0～10 cm土层取3钻混合均匀作为一个样品的重复,土壤样品放入耐高温的塑封袋标记后,带回实验室,然后过筛(1 mm)去除砂石和树根残渣。将土样进行风干处理后用碱解扩散法测定土壤速效氮含量。取一部分风干土样放入烘箱在65℃下烘干48 h。将烘干后的土壤样品过80目的筛子,用球磨仪研磨,制样供测,用德国Elementar公司生产的isoprime100稳定同位素质谱仪连接元素分析仪(Vario Isotope Select)测定土壤全碳、全氮和稳定碳氮同位素值。另取研磨后的土壤样品用0.5 mol·L-1的盐酸酸洗6次,每次酸洗1 h,用超纯水反复淋洗(消除土壤中无机碳的影响),置于105℃烘箱中烘干至恒重,制样供测,用德国Elementar公司生产的元素分析仪(Vario Isotope Select)测定土壤有机碳含量。其中短花针茅叶片和土壤δ13C和δ15N由以下公式计算:

δ13C=(R样品/R标准-1)×1000‰

(1)

δ15N=(R样品/R标准-1)×1000‰

(2)

式中,R样品表示植物或土壤样品13C/12C或15N/14N的值;R标准表示标准物,其中碳同位素采用国际通用标准物PDB(Pee Dee Belemnite),氮同位素采用国际标准物N2-atm(大气中的氮气)。

1.4 数据处理

通过SPSS 26中的线性混合模型,分析了放牧和氮添加的主效应以及交互作用对短花针茅叶片、土壤碳氮含量和稳定同位素的影响。通过SPSS 26中的单因素方差分析来对比放牧和氮添加处理间短花针茅叶片、土壤碳氮含量和稳定同位素的差异,通过LSD方法对结果进行多重比较。通过SPSS 26中的皮尔森相关性分析探究了短花针茅叶片和土壤各指标间的相关关系,用Origin 2022做相关关系图。

2 结果与分析

2.1 放牧、氮添加对土壤温湿度的影响

在禁牧样地上土壤温度平均为33.7℃,比重牧样地土壤温度高3.7℃,重牧显著降低了土壤温度(P<0.05,图2a)。对比禁牧和重牧样地N0处理,重牧样地土壤湿度低于禁牧样地,表明高强度的放牧使草地土壤水分丧失,土壤湿度降低(图2b)。与对照处理(N0)相比,氮添加对土壤温度和湿度均无显著影响。

图2 放牧、氮添加对土壤温湿度的影响Fig.2 Effect of Grazing and Nitrogen Addition on Soil Temperature and Humidity注:N0,对照(CK,0 g·m-2·a-1);N5,低氮(LN,5 g·m-2·a-1);N10,中氮(MN,10 g·m-2·a-1);N20,高氮(HN,20 g·m-2·a-1),G,放牧;N,氮添加;G×N,放牧和氮添加的交互作用;P<0.05,显著差异,P<0.01,极显著差异;R2,线性混合模型指数;不同大写字母表示放牧处理间差异显著,不同小写字母表示氮添加处理间差异显著;下同Note:N0,Control(CK,0 g·m-2·a-1);N5,Low Nitrogen(LN,5 g·m-2·a-1);N10,Medium Nitrogen(MN,10 g·m-2·a-1);N20,High Nitrogen (HN,20 g·m-2·a-1);G,Grazing;N,Nitrogen Addition;G×N,Interaction of Grazing and Nitrogen Addition;P<0.05,significant difference,P<0.01,highly significant difference;R2,Linear Mixed Model Index;Different capital letters indicate significant differences among grazing treatments,and different lowercase letters indicate significant differences among N-addition treatments;the same as below

2.2 放牧、氮添加对短花针茅叶片TC,TN含量和δ13C,δ15N的影响

放牧、氮添加及其交互作用对短花针茅叶片TC含量均无显著影响,在重牧样地上短花针茅叶片TC含量整体表现为N10>N0>N5>N20(图3a)。与禁牧样地相比,放牧增加了各施氮处理水平短花针茅叶片TN含量,但结果未达显著水平(图3b)。

图3 放牧、氮添加对短花针茅叶片碳氮含量和稳定同位素的影响Fig.3 Effect of Grazing and Nitrogen Addition on Carbon and Nitrogen Content and Stable Isotopes of Stipa Breviflora Leaves

与禁牧样地相比,放牧使短花针茅叶片δ13C值显著降低(P<0.05,图3c)。氮添加对短花针茅叶片δ13C值无显著影响。放牧、氮添加及其交互作用对短花针茅叶片δ15N值均有显著影响(P<0.05,图3d)。在重牧样地上短花针茅叶片δ15N值整体表现为N10>N0>N5>N20,说明施氮处理N10水平有利于短花针茅叶片的氮同化能力。

2.3 放牧、氮添加对土壤TC,TN和δ13C,δ15N的影响

放牧、氮添加均显著增加了土壤TC含量(P<0.05,图4a)。与禁牧样地相比,放牧显著增加了土壤TN含量(P<0.05,图4b),氮添加对土壤TN含量无显著影响,但在重牧样地上施氮处理N10水平的土壤TN含量均高于N5和N20水平。

图4 放牧、氮添加对土壤碳氮含量和稳定同位素的影响Fig.4 Effect of Grazing and Nitrogen Addition on Soil Carbon and Nitrogen Content and Stable Isotopes

放牧、氮添加对土壤δ13C、δ15N值均无显著影响,放牧和氮添加的交互作用对土壤δ13C值有显著影响(P<0.05,图4c)。放牧、氮添加均显著增加了土壤AN含量(P<0.05,图4f),在重牧样地上土壤AN含量整体表现为N10>N20>N5>N0,表明施氮处理N10水平对土壤AN含量增加效果强于N5和N20水平。

2.4 短花针茅叶片和土壤各指标的相关性分析

土壤TN和AN含量与土壤温度(Soil temperature,ST)有显著负相关关系(P<0.05),说明随着温度的升高,土壤中的可利用性氮含量显著降低;短花针茅叶片TN含量与ST有极显著负相关关系(P<0.01),这和土壤TN含量与ST的相关关系具有一致性;土壤TN含量与土壤湿度(Soil moisture,SM)有显著正相关关系(P<0.05),说明随着SM的增大,土壤TN含量也显著增加。短花针茅叶片δ13C值与SM有显著负相关关系(P<0.05);土壤TC含量与土壤δ13C值有显著的负相关关系(P<0.05);土壤AN含量与土壤TN含量有极显著的正相关关系(P<0.01,图5)。

图5 短花针茅叶片和土壤各指标的相关性分析Fig.5 Correlation Analysis of Various Indicators of Stipa Breviflora Leaves and Soil注:叶片全碳、全氮和稳定碳氮同位素值为各处理下短花针茅叶片的值。ST,土壤温度;SM,土壤湿度;LTC,短花针茅叶片全碳;LTN,短花针茅叶片全氮;Lδ13C,短花针茅叶片稳定碳同位素;Lδ15N,短花针茅叶片稳定氮同位素;STC,土壤全碳;STN,土壤全氮;Sδ13C,土壤稳定碳同位素;Sδ15N,土壤稳定氮同位素;SOC,土壤有机碳;SAN,土壤速效氮;*和**表示在P<0.05或P<0.01具有显著或极显著相关关系Note:Leaf total carbon,total nitrogen and stable carbon and nitrogen isotope values are for short-flowered needlegrass leaves under each treatment.ST,Soil temperature;SM,Soil moisture;LTC,Stipa Breviflora leaf total carbon;LTN,Stipa Breviflora leaf total nitrogen;Lδ13C,Stipa Breviflora leaf stable carbon isotope;Lδ15N,Stipa Breviflora leaf stable nitrogen isotope;STC,Soil total carbon;STN,Soil total nitrogen;Sδ13C,Soil stable carbon isotope;Sδ15N,Soil stable nitrogen isotope;SOC,Soil organic carbon;SAN,Soil effective nitrogen;*and**indicate a significant or highly significant correlation at P<0.05 or P<0.01

3 讨论

3.1 放牧、氮添加对短花针茅叶片和土壤碳氮含量的影响

生物的内稳态机制认为生物有机体在环境变化中具有保持其体内化学组成相对恒定的能力[21],但当生物受到外界环境干扰时,其化学计量比也会受到影响[22]。国内外关于放牧对草地生态系统植物和土壤碳氮含量的影响开展了大量研究,但其结果不相一致。本研究中,放牧使土壤TC和TN含量显著增加(图4a和4b),碳氮含量增加的原因主要有以下3个方面:家畜的践踏促进枯落物破碎,从而加速枯落物的分解和碳氮素周转;相对于禁牧样地,过度放牧地的家畜排泄物较多,经过矿质淋溶和有机质分解等会有较多的碳氮回归土壤[23],有利于土壤碳氮的积累;另外地上植物被家畜大量采食后,土壤碳氮含量的累积速度超过了叶片对碳氮的吸收利用,最终导致土壤碳氮含量的增加。本研究中氮添加对土壤SOC含量无显著影响(图4e),这与李焕茹等[24]的研究结果存在差异,可能与草原类型和氮添加量有关。本研究表明氮添加各处理水平对短花针茅叶片TN含量均有增加效果(图3b),这与李海霞等[25]研究结果相似,短花针茅作为C3植物,其体内有较高的类囊体成分,提高了光合CO2固定效率,从而具有较高的氮素利用效率。同时植物地上部较根系对氮添加更为敏感,所以短期的氮添加可以加速植物叶片对氮的吸收。

植物是生物地球化学循环的重要环节,根系将两者紧密联系在一起,植物从土壤中吸收养分,以枯落物和根系分泌物归还土壤,因此植物体内的养分状况体现了植物对环境的适应,而土壤养分状况又反映了植物的养分需求[26]。本研究中土壤TC含量与短花针茅叶片TC含量呈负相关关系,但未达到显著水平(图5),说明短花针茅叶片碳含量会随着土壤碳含量的增加而降低,表明碳在土壤和植物中的循环较缓慢,使得碳大部分滞留在土壤中。土壤TN含量与短花针茅叶片TN含量呈正相关关系,但未达到显著水平(图5),说明氮添加使土壤氮含量增加的同时加速了土壤和短花针茅叶片的氮循环速率,提高了短花针茅叶片的氮利用率。本研究结果显示土壤TN和AN含量与ST均有显著负相关关系,短花针茅叶片TN含量与ST有极显著负相关关系(图5)。表明ST和SM在调节生态系统的水循环和氮循环过程中,土壤和植物作为生态系统的重要组成部分,也受其调节作用。另外,土壤TC含量与土壤TN和AN含量显著相关(图5)。表明氮添加在短期内可以提高土壤氮的有效性,有助于根系对氮的吸收并转移至地上部,促进叶片光合作用,使叶片合成更多的碳水化合物再运输至根系,从而增加土壤的碳含量[27-28]。综上所述,本研究认为放牧和氮添加都能在一定程度上提高土壤碳氮的有效性,短期氮添加能加速短花针茅叶片氮循环速率和氮利用性,有利于加速土壤的养分循环。

3.2 放牧、氮添加对短花针茅叶片和土壤稳定碳氮同位素的影响

植物稳定性同位素自然丰度的形成,普遍认为是由于同位素效应(Isotope effect)的两种不同过程导致的,一种是同位素分馏(Isotope fractionation),即在植物生长过程中,环境的不同造成植物体内同位素和元素的差异。另外一种是同位素判别(Isotope discrimination),简单的说就是由于植物自身的差异造成的对同位素和元素的选择不同,导致植物体内元素自然丰度的差异[29-30]。放牧、氮添加对土壤δ13C值均没有显著影响,放牧和氮添加的交互作用对土壤δ13C值影响显著(图4c)。另外,禁牧样地N0水平下短花针茅叶片δ13C值为-24.48‰,重牧样地N0水平下短花针茅叶片δ13C值为-25.59‰,放牧使短花针茅叶片δ13C值显著降低1.11‰(图3c)。这可能因为在重度放牧强度下家畜对草地植被的采食程度加剧[31],草地地上生物量降低,进而减少了土壤覆盖层,增加了阳光的穿透力,加速了土壤水分的蒸发。使原本适于土壤微生物生存的环境发生恶化,从而降低草原土壤的δ13C值。又由于植物—土壤的相互作用,短花针茅在土壤面对家畜干扰的过程中,对CO2的分辨能力发生变化,使短花针茅叶片δ13C值也显著降低。研究结果中禁牧样地N0水平下短花针茅叶片δ15N值为-0.48‰,四种处理间变化为-1.59‰～-0.48‰;重牧样地N0水平下短花针茅叶片δ15N值为-0.82‰,四种处理间变化为-2.55‰～-0.74‰。放牧、氮添加及其交互作用都使短花针茅叶片δ15N值显著降低(图3 d)。这与李昕宇[32]研究结果相似,说明短花针茅生长能力较弱,面对家畜采食的干扰,虽然能及时改变生长策略,但对于环境变化的耐受性不高,导致短花针茅对氮素利用率降低,从而使叶片δ15N值显著降低。土壤δ15N值变化范围为3.09‰～5.33‰,比短花针茅叶片δ15N值平均偏正2.85‰。目前对于土壤δ15N值较植物δ15N值偏正现象的解释是植物分解过程中有机氮中的14N优先发生分解并被植物吸收,而保存在土壤中的残余部分则相对富集15N,导致土壤中δ15N值较植物体偏正[33]。

在氮限制生态系统进行人为施氮是全球变化的主要组成部分,而稳定C和N同位素比率(δ13C和δ15N)的自然丰度通常被引用为生态系统C和N循环过程和状态的可靠指标[34]。本研究中由于短花针茅叶片δ13C与ST的正相关和与SM的负相关的综合作用,使短花针茅叶片δ13C值整体有上升的趋势。这与Li等[35]结论一致,温度升高会导致土壤水分蒸发加强,使土壤可利用水分的量减少,植物光合作用的速率增大,消耗CO2的量逐渐增多,植物叶片内部的CO2浓度逐渐减小,从而使δ13C值增大。综上所述,土壤和短花针茅叶片δ13C和δ15N值受碳氮循环及诸多环境因素的影响,在放牧和氮添加的综合作用下,土壤和植物δ13C和δ15N具有相近的趋势,以上研究结果初步表明土壤和植物稳定碳氮同位素组成可能为荒漠草原环境变化示踪提供指示。

4 结论

放牧、氮添加对荒漠草原植物短花针茅叶片和土壤碳氮含量均有一定的影响。短花针茅叶片碳氮含量随土壤碳氮含量的变化而变化,表明该地区土壤的碳氮组成可以反映生长植物的碳氮组成变化;氮添加对土壤碳氮含量无显著影响,对短花针茅的影响仅表现为使叶片δ15N值显著降低,表明短期氮添加对植物分解过程中的分馏效应影响显著;短花针茅叶片和土壤各指标与土壤温湿度均有不同程度的相关关系,表明荒漠草原土壤温湿度对生态系统碳氮循环有调节作用。