補(bǔ)播對(duì)退化荒漠草原土壤有機(jī)碳及其分布的影響

郭艷菊, 馬曉靜, 于 雙, 許冬梅

(寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 寧夏 銀川 750021)

過去幾十年間全球氣候變暖，碳循環(huán)引起全球范圍越來越多的關(guān)注[1]。土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳庫，其碳儲(chǔ)量約為大氣的2倍，植被的3倍[2-4]，對(duì)維持植物營養(yǎng)和緩解全球氣候變化具有重要的作用[5]。

草地生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組分，在全球碳循環(huán)中扮演著源、匯、庫的作用。草地土壤有機(jī)碳庫及其穩(wěn)定性與土壤侵蝕、生態(tài)系統(tǒng)的維持、發(fā)展及穩(wěn)定性機(jī)制相聯(lián)系[6]。然而，由于人類不合理的開發(fā)利用，導(dǎo)致草地退化，土壤有機(jī)碳大量流失[1,7]。土壤團(tuán)聚體的形成影響土壤有機(jī)碳的分解，是有機(jī)碳穩(wěn)定和保護(hù)的載體[8-9]，有助于抵御土壤的侵蝕[10]。不同管理措施可改變土壤團(tuán)聚體的更新與轉(zhuǎn)化，對(duì)土壤有機(jī)碳的固存產(chǎn)生影響[11]。研究表明，退化生態(tài)系統(tǒng)實(shí)施植被恢復(fù)措施后，植被蓋度及物種多樣性增加，提高了生態(tài)系統(tǒng)碳的固存能力[12-13]。

針對(duì)退化草地生態(tài)系統(tǒng)，可通過多種途徑進(jìn)行恢復(fù)和重建。其中，補(bǔ)播作為一種簡單、有效的措施，在退化草地生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)和重建中廣泛應(yīng)用。補(bǔ)播可提高退化草地的生產(chǎn)力、增加植被蓋度及物種多樣性等，有效改善草地生態(tài)環(huán)境[14]。本研究通過分析荒漠草原土壤有機(jī)碳及其在土壤剖面和不同粒級(jí)團(tuán)聚體中的分布，探討不同補(bǔ)播模式對(duì)退化荒漠草原土壤有機(jī)碳的影響，為退化草地植被恢復(fù)及土壤有機(jī)碳固存提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于寧夏東部風(fēng)沙區(qū)鹽池縣高沙窩鎮(zhèn)(37°04′～38°10′ N，106°03′～107°04′ E)。鹽池縣南北長110 km，東西寬66 km，總面積8 661.3 km2，平均海拔1 295～1 951 m，地勢(shì)呈南高北低。屬典型中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，光能豐富，年均氣溫7.8℃，年降水量250～350 mm，蒸發(fā)量2 000 mm以上；土壤類型以灰鈣土為主，其次是黑壚土和風(fēng)沙土。草原類型包括典型草原和荒漠草原，荒漠草原主要物種有牛枝子(Lespedezapotaninii)、蒙古冰草(Agropyronmongolicum)、短花針茅(Stipabreviflora)、賴草(Leymussecalinus)等。

1.2 研究方法

1.2.1試驗(yàn)設(shè)計(jì) 2014年6月，在研究區(qū)選取地勢(shì)較為平坦、退化程度均一的退化荒漠草原，土壤以灰鈣土風(fēng)蝕沙化形成的風(fēng)沙土為主，質(zhì)地疏松，植物群落結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。基于隔帶深翻土壤30 cm后(翻耕帶4 m，相鄰翻耕帶之間間隔6 m)，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)(區(qū)組間間隔6 m)，分別以蒙古冰草+沙生冰草(G)、沙生冰草(A.desertorum)(S)、蒙古冰草(A.mongolicum)(M)進(jìn)行條播，播種量22.5 kg·hm-2，行距30 cm，同時(shí)以未補(bǔ)播草地為對(duì)照(CK)，共4個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次，共12個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積4 m×20 m，小區(qū)間隔1 m。

1.2.2樣品采集 于2017年7月，在各處理小區(qū)按等間距設(shè)置3個(gè)取樣點(diǎn)，在各樣點(diǎn)分0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm土層采集原狀土壤樣品于保鮮盒中帶回室內(nèi)，用于土壤團(tuán)聚體的測(cè)定。同時(shí)，采集土壤樣品用密封袋保存，帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干后，過0.15 mm的篩，用于土壤有機(jī)碳的測(cè)定。

1.2.3測(cè)定方法 土壤團(tuán)聚體的測(cè)定采用沙維諾夫干篩法，按>2 mm，2～0.25 mm，0.25～0.053 mm，<0.053 mm不同粒級(jí)分離。土壤總有機(jī)碳及不同粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量采用Elemental rapid CS cube元素分析儀測(cè)定。

不同粒級(jí)團(tuán)聚體對(duì)土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率(%)由以下公式計(jì)算：

團(tuán)聚體對(duì)土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率=該粒級(jí)團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量×該粒級(jí)團(tuán)聚體含量/土壤有機(jī)碳含量× 100%

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理和作圖，采用DPS 7.05 軟件進(jìn)行單因素方差分析(One-way ANOVA)和LSD多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同補(bǔ)播模式荒漠草原土壤有機(jī)碳剖面分布

由表1可得，補(bǔ)播可以提高荒漠草原土壤有機(jī)碳含量。0～10 cm土層，各處理草地之間土壤有機(jī)碳含量差異不顯著，變化范圍2.94～3.88 g·kg-1。10～20 cm和20～30 cm土層，以沙生冰草補(bǔ)播草地有機(jī)碳含量最高，顯著高于未補(bǔ)播草地(P<0.05)。30～40 cm土層，各處理草地土壤有機(jī)碳含量均顯著高于未補(bǔ)播草地(P<0.05)，且不同補(bǔ)播模式草地之間差異不顯著。各處理草地0～40 cm土壤有機(jī)碳含量隨土層加深均逐漸增加，與0～20 cm土層相比，20～40 cm土層土壤有機(jī)碳含量提高了33.98%～77.81%。

表1 不同補(bǔ)播模式荒漠草原0～40 cm土層土壤有機(jī)碳Table 1 Contents of soil organic carbon at 0～40 cm depth of desert steppes under different reseeding measures

注：同行不同大寫字母表示不同處理之間差異顯著(P<0.05)；同列不同行小寫字母表示同一處理不同土層之間差異顯著(P<0.05)

Note:Different capital letters in the same row indicate significant difference among different treatments at the 0.05 level,and different lower-case letters in the same row indicate significant difference among different soil layers at the 0.05 level

2.2 不同補(bǔ)播模式荒漠草原土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳分布特征

不同補(bǔ)播模式荒漠草原土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳分布見圖1，可以看出，不同處理0～40 cm土層土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量均以<0.053 mm粒級(jí)最高，分布范圍為6.86～14.80 g·kg-1，0.053～0.25 mm粒級(jí)較低。0～10 cm土層，不同粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量在各處理間差異不顯著。10～20 cm和20～30 cm土層，不同處理之間<0.053及0.25～2 mm粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量差異不顯著；0.053～0.25 mm粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量，10～20 cm土層以沙生冰草補(bǔ)播草地顯著高于其他處理草地(P<0.05)，20～30 cm土層則以蒙古冰草+沙生冰草補(bǔ)播草地最高(P<0.05)；>2 mm粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量，未補(bǔ)播草地10～20 cm土層顯著低于沙生冰草補(bǔ)播草地(P<0.05)，20～30 cm土層顯著低于蒙古冰草補(bǔ)播草地(P<0.05)。30～40 cm土層，<0.053 mm，0.25～2 mm及>2 mm粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量均以蒙古冰草補(bǔ)播地最高，未補(bǔ)播草地最低，但各粒級(jí)有機(jī)碳含量在不同處理草地之間變異規(guī)律不同；三種補(bǔ)播模式草地之間0.053～0.25 mm粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量差異不顯著，且均顯著高于未補(bǔ)播草地。

2.3 不同粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳對(duì)全土有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率

由圖2，不同處理草地0～30 cm各土層均以0.053～0.25 mm粒級(jí)團(tuán)聚體對(duì)全土有機(jī)碳貢獻(xiàn)率最高，其范圍53.99%～83.68%，其次為>2 mm粒級(jí)團(tuán)聚體，0～30 cm各土層<0.053 mm和0.25～2 mm粒級(jí)團(tuán)聚體對(duì)全土有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率在不同處理草地之間差異不顯著。0～10 cm土層，0.053～0.25 mm粒級(jí)團(tuán)聚體對(duì)全土有機(jī)碳貢獻(xiàn)率以未補(bǔ)播草地最高，蒙古冰草+沙生冰草補(bǔ)播草地較低(P<0.05)。>2 mm粒級(jí)團(tuán)聚體對(duì)全土有機(jī)碳貢獻(xiàn)率以蒙古冰草+沙生冰草補(bǔ)播草地和沙生冰草補(bǔ)播草地較高，未補(bǔ)播草地較低(P<0.05)。10～20 cm土層，0.053～0.25 mm粒級(jí)團(tuán)聚體對(duì)全土有機(jī)碳貢獻(xiàn)率以未補(bǔ)播草地和蒙古冰草+沙生冰草補(bǔ)播草地較高(P<0.05)，>2 mm團(tuán)聚體對(duì)全土有機(jī)碳貢獻(xiàn)率以蒙古冰草補(bǔ)播地最高，顯著高于其他處理草地(P<0.05)。20～30 cm土層，蒙古冰草補(bǔ)播地0.053～0.25 mm粒級(jí)團(tuán)聚體對(duì)全土有機(jī)碳貢獻(xiàn)率顯著低于沙生冰草補(bǔ)播草地和未補(bǔ)播草地(P<0.05)。>2 mm粒級(jí)團(tuán)聚體對(duì)全土有機(jī)碳貢獻(xiàn)率則呈現(xiàn)出相反的變化趨勢(shì)(P<0.05)。30～40 cm土層，3種補(bǔ)播模式草地>0.25 mm粒級(jí)大團(tuán)聚體對(duì)全土有機(jī)碳的貢獻(xiàn)明顯增大，顯著高于未補(bǔ)播草地(P<0.05)。

圖2 不同補(bǔ)播模式草地0～40 cm土層不同粒級(jí)團(tuán)聚體對(duì)有機(jī)碳貢獻(xiàn)率Fig.2 Contribution rates of different aggregate fractions to soil organic carbon content at 0～40 cm depths of desert steppes under different reseeding measures

3 討論與結(jié)論

土壤有機(jī)碳含量是土壤肥力的重要指標(biāo)之一，同時(shí)也是影響草地生產(chǎn)力的重要因素[14]。補(bǔ)播有利于退化荒漠草原土壤有機(jī)碳的固存，除0～10 cm土層各處理草地土壤有機(jī)碳含量差異不顯著外，沙生冰草補(bǔ)播草地10～40 cm各土層均顯著高于對(duì)照(P<0.05)。張平良等對(duì)高寒農(nóng)牧交錯(cuò)帶植被恢復(fù)對(duì)土壤有機(jī)碳的影響研究表明，種植老芒麥對(duì)提高土壤有機(jī)質(zhì)含量效果顯著[15]。隨土層加深，各處理草地土壤有機(jī)碳含量逐漸增加(P<0.05)，這可能是由于荒漠草原總體植被覆蓋較低，由凋落物分解輸入土壤的有機(jī)碳較少，加上風(fēng)蝕和呼吸作用，導(dǎo)致表層土壤有機(jī)碳較深層土壤低。

團(tuán)聚體是土壤的基本結(jié)構(gòu)單位，土壤有機(jī)碳貫穿于團(tuán)聚體形成、穩(wěn)定及分解的全過程[16]。不同土層各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量對(duì)補(bǔ)播的響應(yīng)不同，0～30 cm土層，不同處理草地之間<0.053 mm和0.25～2 mm粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量差異不顯著，0.053～0.25 mm和>2 mm粒級(jí)團(tuán)聚體含量無規(guī)律性變化。不同處理各土層有機(jī)碳主要分布在<0.053 mm粒級(jí)團(tuán)聚體，這與張靜婭等[17]觀點(diǎn)相同，一方面可能是<0.053 mm粒級(jí)團(tuán)聚體比表面積大，表面的有機(jī)無機(jī)膠體結(jié)合土壤有機(jī)碳，另一方面可能是大團(tuán)聚體中富含年輕植物殘?bào)w，易被礦化，高度腐殖化的惰性部分存在于微團(tuán)聚體中，因此不斷積累，使得<0.053 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳含量增加。但華娟和高會(huì)議[18-19]等認(rèn)為團(tuán)聚體有機(jī)碳主要分布在大團(tuán)聚體中。隨土層加深，>2 mm粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量增加，與以往的研究結(jié)果一致[20-21]。

不同粒級(jí)團(tuán)聚體對(duì)全土有機(jī)碳貢獻(xiàn)率揭示了不同粒級(jí)團(tuán)聚體含量及不同粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳特征[22]。0～10 cm土層，>2 mm粒級(jí)團(tuán)聚體對(duì)全土有機(jī)碳貢獻(xiàn)率以蒙古冰草+沙生冰草補(bǔ)播草地最高，10～40 cm土層，以蒙古冰草補(bǔ)播草地最高(P<0.05)。0～30 cm各土層均以0.053～0.25 mm粒級(jí)團(tuán)聚體對(duì)全土有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率最高，這主要是由于0.053～0.25 mm粒級(jí)團(tuán)聚體百分含量最高，使得其對(duì)全土有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率最大。隨土層加深，各處理草地大團(tuán)聚體對(duì)全土有機(jī)碳貢獻(xiàn)率增大，至30～40 cm土層，不同補(bǔ)播模式>2 mm團(tuán)聚體對(duì)全土有機(jī)碳貢獻(xiàn)率均顯著高于未補(bǔ)播草地。結(jié)合土壤有機(jī)碳剖面分布，該結(jié)果也表明大團(tuán)聚體的形成對(duì)土壤有機(jī)碳具有一定的保護(hù)作用[8]。

綜上所述，補(bǔ)播有利于退化荒漠草原土壤有機(jī)碳的固存，在本研究所做處理中補(bǔ)播沙生冰草對(duì)土壤有機(jī)碳的增加效果較為明顯。