切根和淺耕翻措施對退化草地生長季土壤性質及植物群落的影響

高志成,田佳妮,霍艷雙,舒 鍇,寶音陶格濤,*

1 內蒙古大學生命科學學院,呼和浩特 010021 2 中國常駐聯合國糧農機構代表處,羅馬 00144

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切根和淺耕翻措施對退化草地生長季土壤性質及植物群落的影響

高志成1,田佳妮2,霍艷雙1,舒 鍇1,寶音陶格濤1,*

1 內蒙古大學生命科學學院,呼和浩特 010021 2 中國常駐聯合國糧農機構代表處,羅馬 00144

草地退化是我國主要生態問題之一,研究草地不同改良措施的生態效應對于科學有效地恢復草地生態系統具有重要意義。以切根、淺耕翻兩種典型改良措施為對象,在內蒙古錫林郭勒盟毛登草原內蒙古大學生態學研究基地研究了兩種改良措施對土壤硝化速率、羊草群落植物生物多樣性和生物量的影響。結果表明：與對照相比,淺耕翻措施顯著降低了土壤硝化速率(P<0.05),切根措施對土壤硝化速率有提高效果,且土壤硝化速率呈現出明顯的時間動態,土壤硝化速率6月份顯著最高、9月份顯著最低；淺耕翻措施顯著降低了羊草群落植物多樣性和生物量(P<0.05),而切根處理則顯著提高了羊草群落植物多樣性(P<0.05),切根處理對植物生物量提高有作用但效果不顯著。研究結果表明不同草地恢復措施顯著影響了土壤性質和植物群落,在短期內,淺耕翻措施不是草地恢復的有效措施,而切根處理有助于提高退化草地生物多樣性。

退化草地；硝態氮；礦化速率；生物量；生物多樣性

我國五大草原中面積最大的為內蒙古草原,占地面積約8666.7萬hm2,是內蒙古最主要的資源之一。但是由于過度人工利用如過度放牧、刈割等,目前內蒙古許多地區草地退化嚴重,退化草地面積已經占全內蒙古草地面積的三分之一[1],因此退化草地的改良就變得尤為迫切。目前關于退化草地改良措施中的圍欄封育處理、施肥處理、淺耕翻處理的相關研究已經很多,大多處理都能改善草地的退化程度[2]。而關于切根處理對于退化草地改良效果的研究并不詳盡。最新的研究表明,切根處理有利于草地的自我恢復及演替[3],但對于這些處理的生態效應的比較研究開展較少。

本研究以內蒙古草原兩種典型退化草地改良方式切根處理和淺耕翻處理為對象,研究這兩種處理對土壤性質(硝態氮礦化速率)和植物群落(植物多樣性和生物量)的影響。其目標是：探明不同改良措施對土壤性質和植物群落組成的影響,明確退化草地改良的有效途徑,為科學開展退化草地恢復提供科學依據。

1 研究地點與方法

1.1 試驗樣地及環境

本實驗選取的樣地位于內蒙古錫林郭勒盟毛登牧場內蒙古大學草地生態學研究基地,地理位置44°10′ N、116°28′ E。本區大陸性氣候明顯,屬于溫帶草原半干旱氣候。據氣象部門數據統計,年平均溫度為-0.4℃,最冷月(1月)平均溫度為-22.5℃,最熱月(7月)平均溫度為18.8℃。年降水量在300—400 mm之間且不同年份差異較大。豐水年與干旱年的降水量分別為500、160 mm。全年約70%的降水量集中于6—8月。年蒸發量約1700 mm。主要植被為因過度放牧而導致的羊草草原退化變體,即含小葉錦雞兒(Caraganamicrofeila)灌叢的冷蒿(Artemisiafrigida)+叢生小禾草+羊草群落。小區內為不同處理下的退化羊草草地群落。小區面積為25 m×50 m,隔離帶面積為5 m×50 m。

1.2 退化羊草草原改良措施方案

本實驗中不同改良措施處理由切根處理、淺耕翻處理、對照3部分組成。其中切根時間為2015年6月30日—7月4日,使用器材為9QP-830型盤齒式草地破土切根機,切根深12 cm。淺耕翻具體時間為2015年6月28日—6月29日用四鏵犁耕翻并在次年進行了一次耙地處理,深度18—20 cm。

1.3 取樣與測定分析方法

大量土壤氮素礦化的研究資料顯示,土壤氮素含量及礦化量的估算方法大致有4種,分別為原位培養法、化學法、植物吸收法和模型構建法[7]。化學法較難測定微量氮素,植物吸收法受外界環境干擾較大,容易造成誤差。模型構建法比較費時。原位培養法適用于干旱半干旱地區的土壤氮礦化量、礦化速率的研究,與實驗區環境相符,是本實驗理想的氮素礦化測定方法。原位培養法又包含頂蓋埋管法、離子交換法、樹脂芯法、以及應用較早的埋袋法等。頂蓋埋管法和樹脂芯法是當前使用最為廣泛的兩種研究方法,它們的優點是能盡可能縮小或者避免淋溶的影響,使土壤中自由水、結合水及土壤機械組成得到很好的保持,且處理耗時、成本較少,得到的數據精確度較高,適合雨季或者草原返青季氮素含量及礦化量的研究。這兩種方法可以有效防止無機氮如銨態氮、硝態氮等水溶性離子的淋溶。但樹脂芯法成本較高,故本實驗采用原位培養法中的頂蓋埋管原位培養法進行研究。

在植物生長高峰期(8月中旬)研究樣地各處理實驗區內隨機選取5個1.0 m×1.0 m的樣方分別調查樣方內的植物種類、自然高度(每個樣方內隨機選取5株植物,測定其自然高度取平均值)、密度、采用收獲法測量植物群落的地上生物量。植物群落物種多樣性以多樣性指數和均勻性指數表征。

土壤樣品 選取3塊實驗樣地,分別為1號切根處理、2號淺耕翻處理、3號對照,在各塊實驗地上分別均勻布置2個4 m×4 m的樣方,將兩組6個長10 cm,直徑8 cm的PVC塑料管打入到每個樣地中的兩點并取兩個土柱樣品,每個樣方內各取一個土柱,帶回實驗室內進行室內初始硝態氮的含量測定,另一個PVC管上端用塑料布封住,頂端扎出10余個小孔以便于管內土壤與外界保持良好的通氣狀態,底部用紗布封住,重新填入取土原地以模擬自然環境的土壤中氮元素的礦化速率,30天后將土柱取出,帶回實驗室進行培養后硝態氮的含量測定。

土壤預處理 土壤中硝態氮的測定需先對土壤進行預處理。首先把取好的土樣推開放到通氣狀況良好的地方使其自然風干,然后把自然風干后的土去除大塊雜質后通過孔徑為2 mm的篩網過篩。

土壤全氮的測定 半微量凱氏定氮法[8]。

土壤硝態氮的測定 紫外分光光度法(紫外可見分光光度計U3900)[9]。

植物樣品：取回后用電子天平(精度0.01 g)稱取其植物鮮重,之后在烘箱內65°C恒溫下烘至恒重后,再次稱量植物干重。

1.3.1 硝態氮礦化速率

土壤硝態氮礦化速率=(培養后硝態氮含量-培養前硝態氮含量)/培養時間

1.3.2 多樣性指數

Shannon-wiener信息多樣性指數

H=-∑PilnPi

式中,Pi為種i的概率。

1.4.3 均勻性指數

E=H/lnS

式中,H為Shannon-wiener指數；S為植物物種豐富度。

1.4 數據分析

運用SPSS統計軟件進行方差分析。

2 實驗結果與分析

2.1 不同改良措施對土壤硝化速率的影響

不同改良措施(切根、淺耕翻等)、時間(月份)及其二者的交互作用對土壤硝態氮礦化速率影響極為顯著(P<0.05)(表1)。不同改良措施對土壤硝化速率的影響表現在：淺耕翻處理顯著降低了土壤硝化速率(P<0.05),而切根處理提高了土壤硝化速率,但效果不顯著(P<0.05)。

表1 不同改良措施和時間對土壤硝態氮礦化速率的影響

圖1 不同改良處理硝態氮礦化速率 Fig.1 Different treatments of the improved nitrate nitrogen mineralization rate

時間對土壤硝化速率的影響顯著,具體表現在6月土壤硝化速率顯著高于7月、8月和9月(P<0.05),而9月土壤硝化速率顯著低于6月、7月和8月,7月和8月的土壤硝化速率差異不顯著(圖1)。這種差異可能與6月降雨量最高(1306 mm)和9月降雨量最低有關(147 mm)。

2.2 不同改良措施對草地物種多樣性的影響

根據表2可以看出,不同處理下群落物種豐富度指數(S)、群落的多樣性指數(H)和群落均勻性指數(E)均表現為切根>CK>淺耕翻處理,其中淺耕翻樣地物種豐富度、多樣性指數及均勻性指數均顯著低于對照及切根(P<0.05),切根處理群落多樣性指數顯著高于對照及淺耕翻處理(P<0.05),其它措施間差異不顯著。結果表明一年內淺耕翻處理后可顯著降低群落物種豐富度、多樣性指數及均勻性指數,而切根處理則較對照有所增加。

表2 不同處理措施植物群落物種多樣性的比較

同列不同字母表示數據間差異顯著(P<0.05)

2.3 不同改良措施對羊草種群生物量的影響

圖2 不同改良措施之間草地羊草種群生物量 Fig.2 The biomass of Leymus Chinensis community by Different treatments

不同處理措施對羊草群落的生物量也造成了一定的影響。在一年內淺耕翻處理對于生物量的影響最大,顯著減少了退化羊草群落的生物量(P<0.05),切根處理提高了羊草群落的生物量,但與對照的差異不顯著(圖2)。

3 討論與展望

土壤供氮能力的強弱是土壤肥力的重要衡量指標之一,也是土壤理化性質的重要評價參數。目前,以氮礦化速率為指標反映土壤供氮能力的研究很少。趙寧等研究表明,放牧會顯著提高土壤氮素的礦化敏感性,且放牧所致的草地退化越嚴重,土壤氮素礦化的敏感性就越高[10]。曹自成等研究證明羊草產量與根莖中氮元素含量有著顯著的正相關關系[11]。Abbasi M K等利用15N同位素標記技術研究了不同土層深度氮素礦化速率的影響[12]。以上研究都未將改良措施應用于氮素的礦化,因此不同改良措施對于土壤硝態氮的礦化以及土壤供氮能力的提升效果并不明確。本研究結果表明,不同改良措施對于土壤氮素的影響程度不同且不同月份氮素含量差異較大。切根處理短期內加快了土壤中硝態氮的礦化速率,但差異不顯著；淺耕翻處理在短期內顯著降低了土壤中硝態氮的含量及礦化速率。這可能是由于淺耕翻處理側重于對土壤的物理改變并極大地改變了土壤結構以及植被直接生存的環境,在短期內對植被的干擾較大。切根處理相對淺耕翻處理對土壤物理性質的改變較小,且增大了土壤孔隙,更適于微生物活動進而提高了硝態氮的礦化速率。

草地生產力和群落結構是研究草地生態系統最重要的生態學指標,生產力的高低和群落結構是否穩定是判斷草地生態系統演替階段和退化程度的依據。生物量能夠有效地反映草地生態系統的生產力,草地群落物種數量、多樣性以及均勻程度能夠體現草地群落結構,因此本文采取生物量、物種豐富度、群落多樣性指數和群落豐富度指標等作為評價草地現狀的研究指標。對于退化羊草草地的群落結構以及群落生物量而言,寶音陶格濤等研究表明,淺耕翻處理會隨著年限的增加逐漸提升羊草的種群優勢度并使其逐步復壯,成為建群種,使草地逐漸恢復。本研究結果表明,淺耕翻處理在短期內會顯著降低群落的生物量,而切根處理在短期內使群落生物量有所增加。這與前人研究差異較大,主要是由于本研究更側重于短時間尺度下不同改良措施對退化草地的改良效果。淺耕翻初期(特別是第一、第二年)土壤性質的巨大改變不僅能使羊草等多年生草本植物無法生存,甚至使一、二年生雜草植物也受到巨大脅迫,但一定時間后,淺耕翻處理使得土壤結構更為疏松,微生物生長繁殖更為活躍進而向更有利于植物生長的土壤團聚體結構發展,最終使得草地恢復。楊波等研究表明,相對改良前,在淺耕翻處理兩年后,土壤結構才更適宜植被生長[13]。因此,對于退化草地的恢復,淺耕翻處理的效果無法在短期內得到較好的顯示。產生如此結果的另外的原因還與本次淺耕翻采用了與以往研究不一樣的處理方式即在淺耕翻的次年再進行一次耙地處理,以便控制雜草,這樣相對以往的淺耕翻改良的當年進行粑地,延緩了羊草的恢復。烏云其其格等研究表明,切根處理與羊草的自我復壯有明顯的相關關系,即適度切根會使得羊草群落生物量增加,優勢種比例上升,有助于羊草草原恢復[14],與本研究結果一致,但本研究更側重于退化草地全部植物群落生物量的研究,而非僅羊草生物量。因此,本實驗更有利于研究退化草地的整體恢復狀況。

退化羊草群落生物多樣性的提高是草地生態系統恢復過程的重要指示特征,也是研究草地植被演替的重要表現因素之一。Schmid等研究表明,生態系統群落生物多樣性與生產力和生物量呈正相關關系[15]。本研究結果表明,切根處理顯著提高了群落的生物多樣性,這可能是由于切根處理降低了一年生等短命植物與其他植物的競爭,使得一、二年生植物迅速在返青季生長、繁殖,最終提高了生物多樣性。淺耕翻處理降低生物多樣性的可能是由于改變土壤理化性質使得大多數植物無法生存所致[16]。除此之外,除此之外,在草原區受中度干擾的群落多樣性最高,中度和重度退化草地群落多樣性會很低,就本研究而言,改良是在重度退化的草地上進行的,因此,干擾較小的切根改良會促進群落多樣性恢復,而擾動強烈的淺耕翻處理會降低群落生物多樣性。就生物多樣性與生物量的關系來看,生物多樣性與生物量呈現正相關關系,與前人研究結果一致。切根處理能在一到兩年內對退化草地生物多樣性恢復快速響應。就退化羊草群落生物多樣性而言,切根處理是退化草地恢復較好的改良措施。

對于退化草地的恢復措施,目前主要有圍欄封育,淺耕翻,切根,補播,施肥,鋤毒草等方式[17]。圍欄封育的年限較長,一般3a會出現顯著變化,但恢復到較高生產力的草原植被群落則需要至少10年以上的時間。施肥能改善土壤營養狀況,但大面積施肥存在諸多弊端如影響地下水水質等。補播是根據現有土壤狀況,在退化草地上播種適宜的禾本科牧草以達到改良的目的。一般而言,改良措施都是針對群落生產力恢復而進行的,但不同時間尺度下群落生產力、退化草地整體恢復效應以及生態響應會有所不同。長時間尺度下退化草地整體恢復效果較好,但在短期內,適度干擾下的改良措施能有效提高群落生產力及生物多樣性。因此,評判改良措施的優劣應以恢復目的以及時間尺度為依據。本實驗研究表明,淺耕翻處理在退化草地恢復初期顯著降低了硝態氮礦化速率、生物多樣性以及生物量,而切根處理在短期內(特別是處理的第一、第二年)對于土壤供氮能力以及群落生物多樣性的提升有顯著效果。因此,切根處理適用于需要在短期內迅速提高草地供氮能力、生物多樣性及生產力地區的改良,而淺耕翻處理則不適用于退化草地的短期改良,應在不同的草地用途和恢復階段有針對性地采取不同的草地改良措施。目前,對于不同改良措施之間交互作用的研究較少,要想系統并較為完整地研究退化草地的恢復問題,還必須考慮土壤微生物與植物對土壤養分的競爭關系、不同物種組成對養分的利用程度、不同退化草地土壤理化性質等多方面交互作用的影響。

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Effects of root pruning and shallow plowing on soil properties and plant communities in deteriorated steppe

GAO Zhicheng1, TIAN Jiani2, HUO Yanshuang1, SHU Kai1, BAOYIN Taogetao1,*

1SchoolofLifeScience,InnerMongoliaUniversity,Hohhot010021,China2PermanentRepresentationofthePeople′sRepublicofChinatotheUNAgenciesforFoodandAgriculture,ViadegliUrali12,Rome00144,Italy

Grassland degradation is one of the main ecological problems in the arid and semi-arid areas of China. Nitrogen content, which is typically reflected by the mineralization rate of soil nitrate nitrogen, plays a very significant role in plant life in deteriorated steppe regions. The key to addressing the limitation of soil nitrogen content is determining how to increase the exchange speed of soil nitrate nitrogen mineralization using different ameliorative treatments. Furthermore, biomass, the accumulation of organic matter per unit leaf area, is also a vital evaluation factor for primary productivity. Species diversity, the index of which generally increases with an increase of biomass, is an indicator of ecosystem stability. The species diversity of deteriorated steppe communities reflects the restoration status of grassland and changes in soil physical and chemical properties. The aim of the present study was to provide a scientific basis for the development of deteriorated steppe restoration by determining the effective use of different ameliorative treatments. In this regard, we examined the effects of two typical ameliorative treatments, namely, shallow plowing and root pruning of deteriorated grassland, in Inner Mongolia in order to determine the effects of different treatments on soil properties (the mineralization rate of soil nitrate nitrogen) and the character ofLeymuschinensiscommunities (biomass and biodiversity). The data was obtained at the research base of the School of Life Science, Inner Mongolia University of Mao Deng grassland, Xilin Gol, Inner Mongolia. The research focused on the relationship between different treatments and biodiversity, biomass, and the mineralization rate of soil nitrate nitrogen. Compared with the control treatment, our results indicate that the mineralization rate of soil nitrate nitrogen was reduced by shallow plowing (P< 0.05). This might be attributable to changes in soil structure and the natural habitat of most plant caused by shallow plowing, which often causes marked disturbance to the soil in the first and second years after plowing. The mineralization rate of soil nitrate nitrogen was increased by root pruning but the effect was not significant. This might be due to the reduction in certain species whose growth requires a high content of nitrite nitrogen, although the total biomass increased. The mineralization rate of soil nitrate nitrogen differed according to the time of year. The lowest nitrification rate was in June, whereas the highest was in September. Shallow plowing significantly reduced the diversity and biomass of theL.chinensiscommunity, whereas root pruning significantly increased the diversity of this community (P< 0.05). This is because the growth of annuals is more rapid in seasons with high precipitation. Root pruning reduced the competition between short-lived plants and other plants. Accordingly, annuals could grow very well and increased in number. This might be closely related to the increase in biomass. Although the biomass of theL.chinensiscommunity was incr eased by root pruning, the difference was not significant. The data show that different treatments have a marked impact on soil properties and biota. Furthermore, root pruning treatment, but not shallow plowing, contributes to the biodiversity of deteriorated steppe in the short term.

deteriorated grassland; nitrate nitrogen; mineralization rate; biomass; biodiversity

國家自然科學基金(31160138)；內蒙古自然科學基金重大項目(2015ZD05)

2016- 06- 26; 網絡出版日期:2016- 08- 26

10.5846/stxb201606261255

*通訊作者Corresponding author.E-mail: bytgtnm@126.com

高志成,田佳妮,霍艷雙,舒鍇,寶音陶格濤.切根和淺耕翻措施對退化草地生長季土壤性質及植物群落的影響.生態學報,2017,37(11):3824- 3829.

Gao Z C, Tian J N, Huo Y S, Shu K, Baoyin Taogetao.Effects of root pruning and shallow plowing on soil properties and plant communities in deteriorated steppe.Acta Ecologica Sinica,2017,37(11):3824- 3829.