不同恢復措施對退化荒漠草原土壤碳氮及其組分特征的影響

王星，于雙，許冬梅，2*，宋珂辰

（1.寧夏大學農學院，寧夏 銀川 750021；2.寧夏大學，西北土地退化與生態恢復省部共建國家重點實驗室培養基地，寧夏 銀川 750021）

土壤碳、氮是地球上所有生物的關鍵營養元素，碳可改善土壤的持水能力，加快養分循環、改良土壤結構，氮是影響生態系統生產力的主要養分，與土壤碳緊密相關，對調節陸地生態系統的結構和功能具有重要作用［1—2］。土壤碳、氮主要受土壤礦物學、有機質輸入及微生物群落呼吸作用的控制。土地利用方式通過影響土壤碳的輸入、有機碳的分解速率、土壤侵蝕因子及植物群落結構等改變土壤碳、氮儲量，是影響土壤肥力的主要因素［3］。在土壤退化地區，通過保護性耕作、重建植被等措施，可以增加土壤碳、氮儲量［4］。

土壤碳、氮組分作為土壤的活性指標，周轉快、易被生物利用，具有一定的溶解性且易礦化分解，對自然環境的變化及人為擾動較為敏感，能及時反映土壤有機碳、氮庫總量的微小變化，對生態系統的退化或恢復具有一定的指示作用［5—7］。土壤活性碳、氮主要來源于動植物殘留物、根系分泌物和微生物的分解產物［8］。土壤耕作改變了土壤結構、植物凋落物及根系與土壤的結合，進而影響土壤通氣狀況、微生物活性及其與底物的接觸等，導致土壤碳氮組分的變化［9—10］。顆粒有機碳被認為是不同耕作措施下對土壤質量變化更為敏感的指標，不同深度土壤耕作配合施肥及牧草、作物種植可降低土壤顆粒有機碳、氮及微生物量碳、氮含量［7，11—12］。減少耕作可能會增加活性有機碳［13］。免耕土壤相對常規耕作能夠提高微生物量，保護性耕作可增加土壤顆粒有機碳、可溶性有機碳、微生物量碳和易氧化有機碳含量［14—16］。

寧夏荒漠草原占寧夏草地總面積的55%，是我國“兩屏三帶”生態安全體系建設的關鍵區域，也是重要的碳、氮儲庫［17］。然而，由于嚴酷的自然生境和人類過度擾動的雙重作用，草地沙化、退化較為嚴重，土壤結構遭到破壞，碳、氮等養分受損［18］。隨著國家生態環境保護和建設項目工程的實施，寧夏也全面實施禁牧封育，并通過補播優質牧草［19］、建植人工檸條（Caragana korshinskii）林［20］等措施以實現退化草地的恢復與重建，部分草地生態環境出現逆轉，植被蓋度增加、群落結構改善［21—23］，土壤結構趨于穩定、肥力提高［24—26］。本研究以寧夏荒漠草原為對象，通過實施禁牧封育、深翻耕處理后補播蒙古冰草（Agropyron mongolicum）+沙打旺（Astragalusadsurgens）、淺翻耕處理后補播蒙古冰草+沙打旺，研究不同恢復措施草地土壤有機碳、全氮及其組分含量的變化，探討不同恢復措施對荒漠草原土壤碳、氮及其組分的影響，以期為區域退化草地的恢復與重建提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于寧夏鹽池縣高沙窩鎮（107°03′15″—107°04′45″E，37°04′30″—38°10′30″N），地處毛烏素沙地南緣。平均海拔1600 m，年平均氣溫8.0℃，平均無霜期165 d；年平均降水量280 mm，主要集中在6—9月，年平均蒸發量2179.8 mm，是降水量的6～7倍。研究區地勢平坦，土壤類型以灰鈣土為主；土壤pH介于8.0～9.0，碳酸鈣含量超過10%［25］。植被組成主要以蒙古冰草、中亞白草（Pennisetum centrasiaticum）、牛枝子（Lespedeza potaninii）等為主。

1.2 試驗設計及土壤樣品采集

于2014年選取地勢平緩的退化草地，采用隨機區組設計，分別設置深翻耕+補播（SR）、淺翻耕+補播（QR）（深翻耕和淺翻耕的深度分別為25和15 cm）和禁牧封育（F）3個恢復措施，區組間隔為6 m，小區面積為4 m×20 m，小區間隔3 m。以蒙古冰草+沙打旺進行條播，行距50 cm，播種量為蒙古冰草15 kg·hm—2、沙打旺7.5 kg·hm—2，同時，以放牧草地為對照（CK）。共4個處理，每個處理重復3次。于2018年8月在每個小區分別設置1 m×1 m的樣方，調查植物群落的高度、蓋度和生物量，計算物種多樣性指數。去除地表覆被物后，挖取土壤剖面，采用多點混合法采集0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm和30～40 cm土壤樣品。去除雜物后帶回實驗室風干、研磨，分別過2和0.149 mm篩，用于土壤有機碳、全氮及其組分的測定。同時，用環刀分層采集土壤樣品，用于土壤容重及含水量的測定；用保鮮盒采集原狀土，用于土壤團聚體的測定。不同恢復措施下的荒漠草原基本情況見表1。

表1 不同恢復措施下的荒漠草原基本情況Table 1 Basic situation of desert steppes under different restoration measurements

1.3 土壤樣品測定指標及方法

采用元素分析儀（Rapid CS TOC，德國）測定土壤有機碳（soil organic carbon，SOC）含量［19］；采用全自動凱氏定氮儀（Buchi Labortechnik AGK-360，瑞士）測定全氮（total nitrogen，TN）含量［19］；采用六偏磷酸鈉分離法測定顆粒有機碳（particulate organic carbon，POC）含量［27］；采用高錳酸鉀氧化法測定易氧化有機碳（readily oxidizable organic carbon，ROC）含量［28］；采用靛酚藍分光光度法測定銨態氮（ammonium nitrogen，NH4+-N）含量［29］；硝態氮（nitrate nitrogen，NO3—-N）含量采用紫外分光光度法測定［29］；采用氯仿熏蒸法測定微生物量碳（microbial biomass carbon，MBC）、微生物量氮（microbial biomass nitrogen，MBN）含量［30］；采用濕篩法測定土壤水穩性團聚體（wet aggregates，WR0.25）［28］；采 用 環 刀 法 測 定 土 壤 容 重（bulk density）［28］；采 用 烘 干 法 測 定 土 壤 含 水 量（moisture content）［29］。

WR0.25的計算公式為：

式中：M T為水穩性團聚體總質量；M r為各粒級水穩性團聚體質量。

碳氮組分分配比例的計算公式為：

1.4 數據統計與分析

利用Excel 2010進行數據處理和統計分析，Origin 2018作圖；采用SPSS 18.0進行方差分析（One-way ANOVA）和多重比較（Duncan法），采用R 4.0.3中的Corrplot軟件包進行Pearson相關分析及繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同恢復措施荒漠草原土壤有機碳和全氮含量的變化

由表2可知，0～30 cm各土層土壤SOC含量以QR處理最高，分布范圍為5.50～9.93 g·kg—1。0～10 cm和10～20 cm土層中，QR處理草地的土壤SOC含量顯著高于CK處理和其他恢復措施（P＜0.05），SR處理、F處理和CK處理之間差異不顯著（P＞0.05）；20～30 cm土層，土壤SOC含量表現為QR處理＞CK處理＞SR處理＞F處理，且各處理間差異顯著（P＜0.05）。30～40 cm土層，土壤SOC含量變化范圍為7.40～11.72 g·kg—1，不同恢復措施與CK處理之間差異不顯著（P＞0.05）。

表2 不同恢復措施荒漠草原土壤有機碳和全氮含量Table 2 Contents of soil or ganic car bon and total nitr ogen of deser t steppes under differ ent r estor ation measur ements（g·kg-1）

土壤TN含量在0～10 cm和10～20 cm土層以QR處理最高。0～10 cm土層，QR處理草地TN含量為0.18 g·kg—1，顯著高于CK處理和F處理，SR處理TN含量為0.14 g·kg—1，顯著高于CK處理（P＜0.05）；10～20 cm土層，QR處理TN含量為0.23 g·kg—1，顯著高于其他各處理（P＜0.05）。20～30 cm土層，土壤TN含量以SR處理和CK處理較高，分別為0.22和0.21 g·kg—1，顯著高于F處理（P＜0.05）。30～40 cm土層，土壤TN含量以SR處理最高，為0.22 g·kg—1，顯著高于CK處理和其他恢復措施草地（P＜0.05）。

從剖面分布看，不同恢復措施及CK處理土壤SOC和TN含量隨土層的加深總體呈增加趨勢。

2.2 不同恢復措施荒漠草原土壤碳氮組分含量的變化

2.2.1不同恢復措施荒漠草原土壤活性有機碳含量的變化 不同恢復措施荒漠草原土壤活性有機碳含量的變化如圖1所示，在0～10 cm土層中，不同恢復措施及CK處理之間POC含量無顯著差異（P＞0.05）。10～20 cm土層，POC含量以CK處理最高，為1.45 g·kg—1，顯著高于QR處理的0.74 g·kg—1（P＜0.05）。20～40 cm土層，土壤POC含量表現為CK處理＞F處理＞QR處理＞SR處理，變化范圍分別為0.81～1.92 g·kg—1和0.66～2.31 g·kg—1；其中，20～30 cm土層，CK處理和F處理POC含量均顯著高于QR處理和SR處理，30～40 cm土層，CK處理和F處理POC含量顯著高于SR處理（P＜0.05）。從剖面變化看，CK處理和F處理隨土層的加深POC含量總體呈增加的趨勢，SR處理和QR處理隨土層的加深POC含量無明顯變化規律。

圖1 不同恢復措施荒漠草原土壤活性有機碳含量Fig.1 Soil active organic carbon content of desert steppes under different restoration measurements

0～10 cm土層，ROC含量以QR處理和SR處理較高，分別為0.53和0.51 g·kg—1，顯著高于CK處理（P＜0.05）。10～20 cm土層，ROC含量以QR處理最高，為0.59 g·kg—1，顯著高于CK處理（P＜0.05）。20～30 cm土層，ROC含量以QR處理最高，為0.99 g·kg—1，顯著高于其他各處理，此外SR處理和CK處理顯著高于F處理（P＜0.05）。30～40 cm土層，不同恢復措施及CK處理之間土壤ROC含量差異不顯著。總體看，各處理20～40cm土層ROC含量較0～20 cm淺層土壤高。

在0～10 cm土層中，F處理土壤MBC含量為481.80 mg·kg—1，顯著高于SR處理和CK處理（P＜0.05），CK處理、SR處理和QR處理之間差異不顯著（P＞0.05）。10～40 cm各土層，不同恢復措施及CK處理之間MBC含量差異不顯著（P＞0.05），其中，10～20 cm和20～30 cm土層以F處理較高，分別為448.80和386.00 mg·kg—1；30～40 cm土層以SR處理最高。從垂直分布看，F處理和CK處理土壤MBC含量隨土層的加深整體呈下降趨勢，SR處理和QR處理土壤MBC含量隨土層的加深無明顯變化規律。

2.2.2不同恢復措施荒漠草原土壤氮組分含量的變化 不同恢復措施荒漠草原土壤氮組分含量的變化如圖2所示，0～40 cm各土層土壤NH4+-N含量均以CK處理最高，分別為15.67、13.03、12.53和11.83 mg·kg—1。0～10 cm土層，CK處理NH4+-N含量顯著高于各恢復措施，SR處理和QR處理顯著高于F處理（P＜0.05）。10～20 cm土層，CK處理NH4+-N含量顯著高于QR處理和F處理（P＜0.05）。20～30 cm土層，CK處理NH4+-N含量顯著高于SR處理和F處理（P＜0.05），F處理NH4+-N含量最低，顯著低于QR處理（P＜0.05）。30～40 cm土層，不同恢復措施及CK處理之間NH4+-N含量無顯著差異（P＞0.05）。

圖2 不同恢復措施荒漠草原土壤氮組分含量Fig.2 Soil nitrogen components content of desert steppes under different restoration measurements

0～10 cm和10～20 cm土層，NO3—-N含量均以CK處理最高，分別為4.50和5.31 mg·kg—1，顯著高于其他各恢復措施（P＜0.05）；其中，0～10 cm土層，不同恢復措施草地之間NO3—-N含量差異不顯著（P＞0.05），10～20 cm土層，QR處理草地NO3—-N含量為3.51 mg·kg—1，顯著高于SR處理和F處理（P＜0.05）。20～30 cm和30～40 cm土層，不同恢復措施及CK處理之間土壤NO3—-N含量無顯著差異（P＞0.05）。

0～40 cm各土層土壤MBN含量均以QR處理最高，變化范圍為62.82～73.20 mg·kg—1。其中，0～10 cm和10～20 cm土層，不同恢復措施草地及CK處理之間無顯著差異（P＞0.05）；20～30 cm土層，土壤MBN含量變化為QR處理＞F處理＞SR處理＞CK處理（P＜0.05）；30～40 cm土層，QR處理土壤MBN含量為64.49 mg·kg—1，顯著高于CK處理（P＜0.05）。

隨土層加深，各處理土壤NH4+-N、NO3—-N和MBN含量的剖面變化均無明顯規律。

2.3 不同恢復措施荒漠草原土壤碳氮組分占有機碳及全氮的比例

不同恢復措施荒漠草原土壤碳、氮組分占SOC及TN的比例見表3。可以看出，土壤POC/SOC以F處理最高，為38.65%，顯著高于其他各處理（P＜0.05），QR處理最低，為12.54%。土壤ROC/SOC以F處理和SR處理較高，顯著高于QR處理和CK處理（P＜0.05）。土壤MBC/SOC變化范圍為0.51%～1.14%，以F處理最高，顯著高于CK處理和其他恢復措施（P＜0.05）。

表3 不同恢復措施荒漠草原土壤碳氮組分占總有機碳及全氮的比例Table 3 Proportion of soil carbon and nitrogen components in total organic carbon and total nitrogen of desert steppes under different restoration measurements（%）

土壤NH4+-N/TN和NO3—-N/TN均以CK處理最高，分別為11.23%和3.65%，顯著高于不同恢復措施（P＜0.05）；MBN/TN以F處理最高，為48.08%，顯著高于SR處理和QR處理（P＜0.05）。

2.4 不同恢復措施荒漠草原土壤碳氮及其組分的關系

不同恢復措施荒漠草原土壤水穩性團聚體及土壤碳、氮組分含量相關關系見圖3。可以看出，土壤SOC分別與TN、ROC、WR0.25，ROC分別與TN、WR0.25，NH4+-N與NO3—-N之間呈極顯著正相關（P＜0.01）；土壤TN與WR0.25之間呈顯著正相關（P＜0.05）；MBC分別與SOC、ROC之間呈顯著負相關（P＜0.05）。

圖3 不同恢復措施荒漠草原土壤水穩性團聚體及碳氮組分的相關性Fig.3 Correlations between WR 0.25，carbon and nitrogen components of desert steppes under different restoration measurements

3 討論

3.1 不同恢復措施對荒漠草原土壤有機碳和全氮的影響

土壤SOC含量是植物凋落物沉積體、根系分泌物及地下生物量等碳輸入過程與土壤異養呼吸等碳損失過程之間動態平衡的結果［27］。氮是所有生命體必不可少的營養元素［28］。在未受干擾的生態系統中，營養元素的釋放和積累接近平衡［27］，而土地利用方式的改變導致地表覆被變化，土壤受到一定程度的擾動，引起養分富集、流失和再分配的差異，進而影響土壤養分含量及其剖面分布特征［29］。退化荒漠草原實施禁牧封育及翻耕+補播措施后，QR處理0～30 cm各土層土壤SOC和0～20 cm土層土壤TN含量較CK處理顯著增加，這可能是由于淺翻耕對土壤的機械作用改善了淺層土壤的結構和通氣狀況，微生物群落構成向著有利于土壤碳氮積累的方向轉變，加之植物凋落物、根系等與土壤微生物的接觸面增大，促進了外源輸入物質的轉化，致使草地土壤碳氮含量增加［30］；此外，草地補播優化了植物群落結構，植被蓋度及地上、地下生物量等的增加為土壤微生物的活動提供了有效底物，改變了淺層土壤養分的循環及周轉［31］。退化荒漠草原實施SR處理后，30～40 cm土層TN含量顯著增加。草地實施耕作措施后，可有效打破犁底層，擴大土壤通透性，改善土壤微環境，增加土壤氮素的輸入［16］。深翻耕措施對土壤孔隙度和通透性的改變更為強烈，淋溶作用增強，使氮素向下遷移［32］，因而SR處理草地深層土壤TN含量較高。以往的研究也表明，退化草地實施翻耕補播后，土壤物理性質明顯改善，土壤SOC和TN含量均有所增加［33—34］。隨土層的加深，土壤SOC和TN含量總體呈增加趨勢，可能是由于荒漠草原生境較為嚴酷，植被稀疏，凋落物對表土有機碳輸入的貢獻較小，加之風蝕作用，導致淺層土壤碳氮等養分損失［17］。

3.2 不同恢復措施對荒漠草原土壤碳氮組分的影響

退化荒漠草原實施翻耕+補播措施后0～40 cm土層土壤ROC、ROC/SOC及MBN較CK處理總體均有一定程度增加，POC、MBC、NH4+-N和NO3—-N含量較CK處理則總體降低。土壤ROC是土壤有機碳中周轉最快的組分，它是土壤養分的潛在來源和土壤微生物活動的重要能源，也是土壤有機質動態變化的敏感性指標［35］。ROC與SOC相關性達到極顯著水平，表明ROC在一定程度上可指示SOC的累積程度。QR措施對地表的擾動及植被蓋度、生物量等的增加，使得土壤微生物群落結構改善、活性增強，加之外源有機物輸入的增加，加速了草地生態系統的物質循環，致使ROC、MBN含量升高。與CK處理相比，F處理0～10 cm土層土壤MBC含量顯著增加。伴隨著荒漠草原的自然恢復，F處理植被蓋度和生物量分別約為CK處理的1.41和1.67倍，植物生物量的增加促進了表層土壤微生物的增殖和SOC的轉化［36—37］。F處理POC/SOC、ROC/SOC、MBC/SOC和MBN/TN均為最高，表明在土壤不受任何擾動的條件下，為滿足退化草地生態系統自然恢復過程中植物生長對養分的需求，F處理土壤碳氮周轉速度加快，活性組分占SOC、TN的比例上升。以往的研究也表明，短期圍封不能顯著增加土壤SOC含量，但MBC含量增加顯著，隨圍封年限的延長，土壤SOC含量顯著上升［38—39］。退化草地實施SR、QR措施后，土壤POC含量降低，這可能是由于耕作導致土壤結構疏松，降低團聚體對SOC的保護作用，使土壤POC的分解加速［40—42］。土壤中NH4+-N和NO3—-N主要來源于土壤微生物的礦化作用，受土壤微生物種類、土壤環境及人類活動的影響［43］，退化荒漠草原實施不同恢復措施后，植被發生正向演替，植物生長對有效養分的需求增加，加之耕作措施對土壤通氣狀況的改善，可能增加了NO3—-N的淋溶作用，因此土壤NH4+-N、NO3—-N含量及其占TN的比率較CK處理草地有所降低，尤其是0～20 cm淺層土壤［44］。

4 結論

退化荒漠草原實施不同恢復措施后，淺翻耕+補播草地0～30 cm各土層SOC含量、0～20 cm土層TN含量較其他恢復措施及放牧草地顯著增加。

與放牧草地相比，淺翻耕+補播草地0～30 cm土層ROC含量和20～40 cm土層MBN含量顯著增加，POC、MBC、NH4+-N和NO3—-N含量則較放牧草地有不同程度下降。

翻耕+補播能提高土壤碳氮穩定性，除ROC/SOC外，翻耕+補播草地其他碳氮組分占SOC、TN的比例較放牧草地均有所降低；ROC與SOC含量呈極顯著正相關，可作為指示荒漠草原土壤SOC變化的有效指標。

綜上，在本研究所做處理中，淺翻耕+補播草地土壤SOC及TN含量較放牧草地顯著增加，是寧夏荒漠草原區退化草地恢復較為有效的措施，但不同措施對退化荒漠草原恢復的長期效應還需進一步監測和驗證。