退化草原土壤有機質對氮素添加梯度的響應

周麗娜，鮑雅靜，李政海，張 靖，孫 振

(1.大連民族學院 環境與資源學院，遼寧大連116605;2.內蒙古大學生命科學學院，呼和浩特010021)

內蒙古典型草原具有分布范圍廣及面積大的特點，是構成內蒙古草地的主體，是中國重要的畜牧業生產基地，也是中國北方最重要的生態防線。近年來，由于氣候變化和對草地資源不合理的開發利用，草原退化嚴重，其系統結構和功能受損，碳、氮正常循環受到影響［1］，加之地上植物連年的利用，土壤養分消耗嚴重，植被生長受到限制，導致草地生產力下降，嚴重阻礙了草地資源可持續發展。

土壤有機質作為土壤重要的組成成分，是土壤養分的主要來源，其含量高低影響著土壤肥力水平。在草地生態系統中，植物凋落物及根系是土壤有機質的主要來源，而土壤有機質經過微生物分解作用又為植物提供生長發育所需的各種營養元素，兩者之間息息相關。氮素是植物體內蛋白質、核酸、葉綠素等的重要組分之一，也是某些植物激素、維生素等對生命活動起調節作用物質的主要成分［2］。氮素的缺乏會導致植物碳同化能力下降，抑制植物生長和根系發育。土壤增施氮肥后使之含氮量增加，既改變了原有土壤的營養狀況，植物增加了氮素吸收，促進了光合作用［3］，同時還能提高植物對磷、鉀和鈣等營養元素的吸收，促進植物生長，進而影響進入到土壤中的有機質含量。

近年來，國內外對土壤有機質和氮素也做了很多相關研究。宋海星等［4］在研究水、氮供應和土壤空間對植物根系生理特性變化的影響時發現，氮素對植物根系的作用受控于土壤水分。潘慶民等［5］在研究氮素對內蒙古典型草原羊草種群的影響時發現，隨氮素梯度的增加羊草種群生物量有顯著增加。王青山等［6］主要研究了土壤有機質與氮素供應的相關關系，發現土壤全氮和速效氮的含量均與土壤有機質含量呈緊密的正相關關系。土壤中有機質含量的高低直接影響土壤氮素供應水平。但是，在氮素影響下退化草原土壤有機質含量變化的研究還相對較少。

本研究選取內蒙古典型草原區兩種不同退化程度的草原群落即輕度退化草原和重度退化草原，通過氮素添加實驗，研究土壤有機質含量對氮素添加梯度的響應規律，重點探討氮素作用于不同退化程度草原時的最適值，為退化草地的恢復及草原管理的肥料運籌提供相關依據。

1 研究地區與研究方法

1.1 研究區概況

實驗區位于內蒙古錫林郭勒盟錫林河流域中游白音錫勒牧場境內，其地理坐標為N43°31'～43°33'、E116°39'～ 116°43'。該區屬于溫帶半干旱大陸性氣候，年降水量為300～400 mm，主要集中在7—9月。土壤以暗栗鈣土為主，羊草草原和大針茅草原是該地區分布最廣的草原類型。植物群落種類組成比較豐富，主要有羊草(Leymus chinensis)、大針茅(Stipa grandis)、叢生禾草和一些雜類草等，屬于內蒙古草原區的典型草原地帶。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地選取

2008年初，在中國科學院內蒙古草原生態系統定位研究站實驗樣地附近，選取相距很近且有關環境因子一致的兩塊100 m×100 m草場樣地，用圍欄進行了圍封。其中一塊位于當地牧民打草場，圍封前每年秋季打草一次，作為輕度退化草原試驗樣地，簡稱為YY樣地。另一塊位于當地牧民長期自由放牧已發生嚴重退化的草地，作為重度退化草原試驗樣地，簡稱為YT樣地。在兩塊樣地內進行了本底調查并進行了相同的氮素添加梯度試驗。

1.2.2 實驗設計

YT樣地與YY樣地里各選取一塊約為14 m×22 m的區域，由東至西設置4列3 m×4 m的樣方，共5排，并標號1—20。試驗施用氮肥為NH4NO3，設計了4個處理，分別為0，30，50，80 g·m-2，模擬從低氮到高氮生境，每個處理有5個重復。在1—20號樣方內采取隨機區組的方式隨機決定每個樣方施用氮肥的量。氮素添加實驗于2009年5月1日實施。

1.2.3 取樣與測定方法

于2009年8月下旬利用土鉆在每個樣方內鉆取3層土壤樣品，每10 cm一層，即0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm，共120個土壤樣品，風干后帶回實驗室，采用重鉻酸鉀氧化法進行土壤有機質的測 定［7］，結果見表1。

表1 YY樣地與YT樣地的植被與土壤概況

1.2.4 數據統計分析

試驗數據用Excel軟件整理，采用SPSS 20.0進行單因素方差分析(ANOVE)、相關性分析(Correlations)和獨立樣本 T檢驗(Independent samples-T test)。

2 結果與分析

2.1 土壤有機質含量對氮素添加梯度的響應

2.1.1 輕度退化草原土壤有機質含量對氮素添加梯度的響應

草原土壤有機質含量主要集中在深度為0～30 cm的土壤層，有機質含量隨土壤深度增加而降低。單因素方差分析顯示，在輕度退化樣地，0～10 cm層和10～20 cm層土壤有機質在30 g·m-2氮素處理下顯著高于其他3個氮素添加處理(0，50，80 g·m-2)，另外3個處理之間則無顯著差異(p＜0.05)，20～30 cm層土壤有機質含量在4個氮素處理之間均無顯著差異(如圖1)。相關分析表明，輕度退化樣地各層土壤有機質含量與氮素添加梯度均無顯著相關關系，但0～10 cm和10～20 cm層之間，以及10～20 cm和20～30 cm之間具有顯著相關關系(見表2)。顯然對于輕度退化草原來說，氮素添加對土壤有機質的影響主要集中在0～20 cm土層，30 g·m-2是最適的添加量。

2.1.2 重度退化草原土壤有機質含量對氮素添加梯度的響應

在重度退化草原，當施氮量為30 g·m-2時，0～10 cm層土壤有機質含量的值相對較高，但沒有達到統計學上的顯著差異。單因素方差分析顯示，重度退化樣地，各層的土壤有機質在4種氮素添加梯度下均無顯著差異(如圖2)，且各層土壤有機質含量與氮素添加梯度均無顯著相關關系，但0～10 cm和10～20 cm層之間具有極顯著的相關關系(見表2)。

圖1 輕度退化草原土壤有機質含量對氮素添加梯度的響應

圖2 重度退化草原土壤有機質含量對氮素添加梯度的響應

表2 不同土層土壤有機質含量之間及其與氮素添加梯度的相關性分析

2.2 氮素添加梯度下不同退化程度草原土壤有機質含量比較

YY樣地和YT樣地各土層在氮素添加梯度下土壤有機質含量比較見表3。由表3可知，對于0～10 cm土層，在4個氮素梯度下，輕度退化樣地的土壤有機質含量都顯著高于重度退化樣地;對于10～20 cm土層，在不施氮(0 g·m-2)和低氮添加處理下(30 g·m-2)，輕度退化樣地的土壤有機質含量顯著高于重度退化樣地，在高氮添加處理下(50，80 g·m-2)兩個樣地土壤有機質含量輕度退化樣地高于重度退化樣地，但沒有達到統計學上的顯著差異;對于20～30 cm土層，在4個氮素梯度下，兩個樣地的土壤有機質含量均無顯著差異。顯然，隨著草原的退化0～20 cm土壤層有機質含量會顯著下降，而20～30 cm土壤層變化不顯著。氮素的添加并沒有顯著改變這種格局，只是在10～20 cm土壤層，高氮處理對輕度退化樣地土壤有機質含量有一定的抑制作用。

表3 YY樣地和YT樣地各土層在氮素添加梯度下土壤有機質質量分數比較

3 討論

土壤作為陸地生態系統中最大的碳庫，其土壤有機質是陸地生物圈生物地球化學循環的主要成分之一，指示土壤健康的關鍵指標［8］。研究發現在草地退化過程中，土壤結構和植物群落物種組成會發生明顯變化，影響土壤中有機質含量和分布。張蘊薇等［9］在研究放牧強度對土壤物理性質的影響時發現，隨放牧強度的增加，土壤容重隨之增加，土壤滲透率呈下降趨勢。即重牧嚴重破壞了土壤的結構，使土壤緊實，滲透率下降，導致土壤對水分和養分的保蓄能力下降，影響草地生產力從而影響土壤有機質含量。Frank等［10］利用13C技術研究不同放牧率對土壤有機質的影響時發現，重牧會使植物組成發生很大變化，會使有較淺根系和較高的有機質生產能力的C4植物大幅度增加，即植物根系集中在表層的比例增加，深層分布的根系量減少，土壤有機質主要分布在較淺土層。錫林郭勒典型草原區植物群落主要以羊草、大針茅、糙隱子草、叢生禾草和一些雜類草等種類組成，我們的研究表明，土壤有機質主要存在于0～20 cm土壤層，20～30 cm土壤層有機質含量相對較少，土壤有機質含量隨著退化程度的加劇和土層深度的增加而減少。

在草原生態系統中，氮素是影響生產力高低的首要限制因子［8，11-13］，是生態系統最為重要的營養物質［3］。氮素添加對草地土壤有機質有重要影響。研究表明，在不同氮素添加梯度下，退化草原土壤有機質做出相應響應。在兩種不同退化程度樣地，土壤有機質表現出隨著施氮量的增長而增加，當施氮量為30 g·m-2時，土壤有機質含量達到最大值，而施氮量超過30 g·m-2，在50，80 g·m-2時有下降趨勢。這表明氮素添加對退化草原土壤有機質含量增加有促進作用，但并不是添加量越大越好。即適量的氮素添加會顯著增加土壤有機質含量，繼續增加氮素則發生相反作用。

比較氮素添加對兩種退化樣地土壤有機質的影響時發現，不同退化程度的草地土壤有機質對氮素添加的響應不同，其中輕度退化草地的響應更明顯，土壤有機質含量隨氮素添加梯度有顯著變化，而重度退化樣地土壤有機質對氮素添加則無明顯響應?？赡苁怯捎谠谳p度退化草原，土壤結構和水分狀況相比重度退化草原要好，氮素的添加充實了土壤中的養分，更利于植物生長，氮素對土壤有機質有明顯的促進作用。在重度退化草原，土壤結構被破壞，保水性差，處于水分脅迫條件下，氮素的添加會增加土壤養分濃度，降低土壤水勢，加劇水分脅迫。即在重度退化草地，水分是主要的限制因子，而氮肥對群落的作用則受控于土壤水分，這與宋海星等［4］在研究水、氮供應和土壤空間對植物根系生理特性變化的影響時發現的氮素對植物根系的作用受控于土壤水分的結果一致。鮑雅靜等［14］在對羊草葉片SPAD值對水分梯度和氮素添加梯度的響應研究時也發現，不同退化程度草原的羊草葉片葉綠素含量對水氮響應有差異性。輕度退化草原，氮素是主要的影響因子;重度退化草原，水分是主要的限制因子。

不同退化程度樣地因其土壤環境的不同，其主要的限制性因子是不相同的。對于輕度退化草地添加適量養分就能為植物生長提供最佳生長條件，而在重度退化草地，則需緩解其水分脅迫，在土壤水分狀況良好狀態下，植物才能更好地利用養分。內蒙古干旱-半干旱草原區放牧退化嚴重，導致土壤有機質含量大幅度降低，從而嚴重地限制了草原植被的生長。因此，只有針對不同的草原退化程度采取對應的生態調控措施，才能有效的進行退化草原恢復，維持草原生態系統的穩定性。

4 結論

對不同退化程度的草原進行比較，輕度退化草原的0～20 cm層土壤有機質顯著高于重度退化樣地，20～30 cm層二者無顯著差異，氮素的添加并沒有顯著改變這種格局。

不同退化程度的草原對于氮素添加的響應不同:對于輕度退化草原，30 g·m-2氮素添加顯著提高0～20 cm土層的土壤有機質含量，氮素是輕度退化草原主要的限制因子;對于重度退化草原，土壤有機質在氮素添加梯度下各層變化不顯著，氮素不是重度退化草原的主要限制因子。

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