短期封育對伊犁絹蒿荒漠草地土壤氮及其粒徑組成的影響

哈里·阿力騰別克， 崔雨萱， 劉慧霞， 董乙強,3,4， 孫 強， 崔荷婷，錢茹雪， 孫宗玖,3,4*

(1. 新疆農業大學草業學院， 新疆 烏魯木齊 830052； 2. 新疆維吾爾自治區草原總站， 新疆 烏魯木齊 830049；3. 新疆草地資源與生態自治區重點實驗室， 新疆 烏魯木齊 830052； 4.西部干旱荒漠區草地資源與生態教育部重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830052)

伊犁絹蒿(Seriphidiumtransiliense)荒漠草地屬于典型的中亞氣候型荒漠植被，是新疆北疆春秋牧場的主要組成部分，具有較好的飼用價值[1]。新疆擁有伊犁絹蒿荒漠草地114.34×104hm2，占全疆荒漠草地總面積的4.25%[2]。由于長期超載過牧，導致伊犁絹蒿荒漠草地退化嚴重，一些區域甚至完全被破壞[3]，嚴重威脅了荒漠-綠洲復合生態系統安全，亟待恢復治理。圍欄封育是世界上廣泛應用的退化草地恢復治理的重要措施之一[4]，它主要通過杜絕家畜的采食及踐踏，使草地植被及土壤理化性質得以逐步改善[4-5]，最終實現草地生態系統的良性循環。

土壤粒徑是反映土壤母質來源、成土過程中的重要指標[6]，土壤氮素是限制荒漠植物生長最主要的營養元素[7]。因此分析土壤粒徑組成及氮素含量對評價草地土壤修復及養分管理具有重要指示意義。目前，由于封育前所處區域草地類型、水熱條件、草地退化程度及封育時間等方面的差異，導致有關封育對土壤粒徑和全氮、堿解氮影響的研究結果存在一定爭議[8-12]。一些研究表明，封育可以促進退化草地的修復，如封育提高了阿拉善荒漠草地[8]、寧夏鹽池荒漠草原[9]、青藏高原高寒草甸[10]的土壤黏粉粒含量、土壤全氮、堿解氮含量。也有研究發現，封育對土壤粒徑及氮含量的影響不顯著，甚至呈現降低趨勢，如Lu等[11]認為，短期封育后退化草地在0～30 cm土層土壤粒徑及堿解氮含量影響不顯著，土壤全氮在0～15 cm土層顯著降低。另外，Tai等[12]也指出，溫帶典型草原實施短期封育后有效改善了植被生物量及土壤養分，而對溫帶荒漠草地土壤氮的影響不顯著。與此同時，土壤粒徑組成與土壤養分間存在一定的相關性。如土壤質地越細，土壤有機質、全氮含量越高[8]，且土壤沙化過程中土壤粒徑組成與土壤養分存在同增同減現象，黏粒含量的減少會導致氮素的衰減更明顯，從而導致土壤穩定性降低[13]。雖然已有研究表明，封育后伊犁絹蒿荒漠草地土壤全氮及其堿解氮含量因區域差異而有所不同[14-16]，但均局限于單點樣地的差異比較，缺乏區域尺度下的多點分析，同時對封育后土壤粒徑的分析相對較少。基于以上認識，本研究以新疆天山北坡不同區域伊犁絹蒿荒漠草地為對象，通過對土壤全氮、堿解氮及其粒徑組成的測定，明確其對短期封育響應的異同，以期為退化荒漠草地的恢復治理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區地處新疆天山北坡山前低山荒漠帶(43°47′～44°01′N，86°09′～89°25′E，海拔950～1 270 m)，為典型大陸性干旱氣候，夏季炎熱干燥，冬季寒冷，年均溫度4℃～9℃，年均降水量為150～350 mm，年潛在蒸發量為2 000 mm左右。土壤類型為灰漠土，土層較厚，均在1 m以上。研究區植被以伊犁絹蒿為建群種，伴生種有木地膚(Kochiaprostrata)、角果藜(Ceratocarpusarenarius)、叉毛蓬(Petrosimoniasibirica)、短柱苔草(Carexturkestanica)等。早春生長彎果胡盧巴(Trigonellaarcuata)、沙蔥(Alliummongolicum)等短命及類短命植物。

1.2 試驗設計

采用多地成對試驗設計，在天山北坡的瑪納斯縣(中段)、呼圖壁縣(中段)、奇臺縣(東段)各選擇1塊植被組成、群落特征及地形地貌上相似的伊犁絹蒿荒漠草地樣地，每樣地均設置封育(Grazing exclusion,GE)和對照樣地(The control,CK)兩個處理。封育處理用網圍欄進行全年禁牧，瑪納斯、呼圖壁、奇臺樣地封育面積依次為4.0×104，4.0×104，2.0×104hm2，且截止到2019年6月，依次封育4年、4年、7年；對照處理位于封育處理外圍，屬于當地牧民傳統自由放牧的春秋牧場，放牧強度為中度放牧，牲畜多為綿羊。各樣地所處位置、海拔、植被群落特征及水熱等情況詳見表1。

表1 試驗樣地基本信息Table 1 Basic information of experimental site

1.3 野外取樣及土壤分析

2019年6月，在瑪納斯縣、呼圖壁縣、奇臺縣每個樣地的封育區和對照區各布設100 m的樣線5條，樣線間距為20 m，每條樣線上等距離設置5個1 m×1 m樣方，樣方間距為20 m(圖1)。每個樣方分種測定高度、蓋度、密度及地上生物量，收集地上凋落物生物量，然后在每條樣線上等距離選取3個已測產樣方進行土樣的采集。在每個樣方中心位置挖取土壤剖面1個，按土層深度0～5 cm，5～10 cm，10～20 cm，20～30 cm，30～50 cm分層采集土樣，并將同一樣線獲得的土樣分層混勻形成混合樣，用布袋封裝帶回實驗室，共計獲得土樣150個(3個樣地× 2個處理/樣地× 5條樣線/處理× 5個土層樣/樣線)。室內每份土樣在剔除可見植物根系、石礫等雜物后陰干，一部分過0.25 mm和1 mm的土壤篩，用于土壤全氮和堿解氮含量的測定，另一部分過2 mm的土壤篩，用于土壤粒徑組成的測定。土壤全氮及堿解氮含量分別采用凱氏定氮法和堿解擴散法進行測定[17]，土壤粒徑分析采用吸管法進行，粒徑分級采用美國制土壤標準，即砂粒(2.0～0.05 mm)、粉粒(0.05～0.002 mm)、黏粒(<0.002 mm)含量百分比[18]。

圖1 試驗點位置及取樣樣方布設Fig.1 Location of the study site and the sampling quadrats design

1.4 數據分析

采用SPSS 23.0軟件中的獨立樣本T檢驗法對每個樣地的封育區和對照區土壤全氮、堿解氮及其土壤粒徑進行差異性分析，利用Pearson法對各檢驗指標進行相關性分析，并利用雙因素(封育與樣地)分析封育對土壤氮素含量及其土壤粒徑的總體影響。運用Origin 9.0軟件進行圖形的繪制，結果以“均值±標準差”來表示。

2 結果與分析

2.1 封育對伊犁絹蒿荒漠草地土壤指標的總體影響

雙因素分析表明(表2)，樣地對伊犁絹蒿荒漠草地土壤粒徑組成及土壤氮含量極顯著影響(P<0.01)，封育僅顯著影響土壤砂粒、黏粒含量(P<0.05)，而兩者互作僅顯著影響土壤黏粒、全氮含量(P<0.05)。

表2 封育及樣地對伊犁絹蒿荒漠草地土壤各指標影響的方差分析Table 2 Variance analysis of grazing exclusion and plots on soil indexes at Seriphidium transiliense desert grassland

2.2 土壤全氮含量

短期封育后伊犁絹蒿荒漠草地0～50 cm土層全氮含量變化不顯著(圖2a)。從各土層看，奇臺樣地(圖2 d)、瑪納斯樣地(圖2b)、呼圖壁樣地(圖2c)土壤全氮含量變化依次為1.18～1.82 g·kg-1，1.16～1.58 g·kg-1，1.16～1.41 g·kg-1，且瑪納斯樣地封育區略低于對照區3.99%～15.23%(圖2b)，而奇臺縣樣地封育區略高于對照區1.34%～38.55%(圖2 d)，呼圖壁樣地在10～20 cm，20～30 cm，30～50 cm土層土壤全氮含量增加18.72%，14.85%，18.00%(圖2c)。圖2也可看出，除奇臺縣樣地外，封育后瑪納斯和呼圖壁樣地0～5 cm土層全氮含量均呈降低趨勢。

圖2 封育對伊犁絹蒿荒漠土壤全氮的影響Fig.2 The effects of grazing exclusion on soil total nitrogen in Seriphidium transiliense desert注：a為0～50 cm土層全氮含量；b，c，d分別為瑪納斯、呼圖壁、奇臺樣地土壤全氮含量Note:a refers to the total nitrogen content in 0～50 cm soil layer;b,c,and d refers to soil refers to the total nitrogen content in Manas,Hutubi and Qitai plot,respectively

2.3 土壤堿解氮含量

由圖3所示，與對照相比，封育后瑪納斯樣地0～50 cm土層堿解氮含量顯著降低，奇臺樣地顯著增加，而呼圖壁樣地增加不顯著(圖3a)。從各土層看，瑪納斯樣地(圖3b)、呼圖壁樣地(圖3c)、奇臺樣地(圖3d)土壤堿解氮含量依次為30.53～63.08 mg·kg-1，21.76～54.21 mg·kg-1，18.04～53.74 mg·kg-1，且與對照相比，封育后瑪納斯樣地土壤堿解氮含量5～50 cm各土層顯著降低13.16%～27.97%(P<0.05)，而呼圖壁樣地、奇臺樣地分別僅在5～10 cm，0～5 cm土層顯著增加13.64%，32.57%(P<0.01)，其余土層堿解氮含量均增加不顯著。

圖3 封育對伊犁絹蒿荒漠草地土壤堿解氮的影響Fig.3 The effects of grazing exclusion on soil alkali-hydrolyzable nitrogen in Seriphidium transiliense desert注：a為0～50 cm土層堿解氮含量；b，c，d分別為瑪納斯、呼圖壁、奇臺樣地土壤堿解氮含量Note:a refers to the alkali-hydrolyzable nitrogen content in 0～50 cm soil layer;b,c,and d refers to soil refers to the alkali-hydrolyzable nitrogen content in Manas,Hutubi and Qitai plot,respectively

2.4 土壤砂粒

封育后伊犁絹蒿荒漠草地0～50 cm土層砂粒含量因區域差異有所不同，呼圖壁、奇臺樣地封育區顯著低于對照區(P<0.05)，而瑪納斯樣地封育區高于對照區(圖4a)。從各土層看，與對照相比，封育后呼圖壁樣地5～10 cm，10～20 cm，30～50 cm土層砂粒含量顯著減少8.33%，11.80%和26.93%(P<0.05)，而20～30 cm土層則顯著增加23.47%(P<0.01)(圖4c)；奇臺樣地0～5 cm，5～10 cm，10～20 cm土層砂粒含量顯著降低22.31%，14.03%，22.23%(P<0.01)，且0～50 cm各土層平均減少14.63%(圖4 d)，瑪納斯樣地僅在5～10 cm，10～20 cm土層砂粒含量減少0.91%，4.59%，其余土層均增加不顯著(圖4b)。

圖4 封育對伊犁絹蒿荒漠土壤砂粒的影響Fig.4 The effects of grazing exclusion on soil sand content in Seriphidium transiliense desert注：a為0～50 cm土層砂粒含量；b，c，d分別為瑪納斯、呼圖壁、奇臺樣地土壤砂粒含量Note:a refers to the sand content in 0～50 cm soil layer;b,c,and d refers to soil refers to the sand content in Manas,Hutubi and Qitai plot,respectively

2.5 土壤粉粒

封育后瑪納斯、奇臺樣地伊犁絹蒿荒漠草地0～50 cm土層粉粒含量顯著增加(P<0.05)，而呼圖壁樣地則增加不顯著(圖5a)。與對照相比，瑪納斯樣地10～20 cm土層粉粒含量顯著增加7.23%(P<0.01)，且0～50 cm土層平均增加3.37%(圖5b)；呼圖壁樣地10～20 cm，30～50 cm土層依次顯著增加4.55%，25.33%(P<0.05)，而20～30 cm土層顯著減少16.49%(P<0.01)(圖5c)，且0～50 cm土層平均增加2.37%；奇臺樣地10～20 cm土層粉粒含量顯著增加5.43%(P<0.05)，且0～50 cm土層平均增加2.46%(圖5d)。

圖5 封育對伊犁絹蒿荒漠土壤粉粒的影響Fig. 5 The effects of grazing exclusion on soil silt content in Seriphidium transiliense desert注：a為0～50 cm土層粉粒含量；b，c，d分別為瑪納斯、呼圖壁、奇臺樣地土壤粉粒含量Note:a refers to the silt content in 0～50 cm soil layer;b,c,and d refers to soil refers to the silt content in Manas,Hutubi and Qitai plot,respectively

2.6 土壤黏粒

封育后呼圖壁、奇臺樣地伊犁絹蒿荒漠草地0～50 cm土層黏粒含量顯著增加(P<0.01)，而瑪納斯樣地降低不顯著(圖6a)。與對照相比，封育后瑪納斯樣地0～50 cm各土層黏粒含量均增降不顯著，平均減少3.21%(圖6b)；呼圖壁樣地0～5 cm，5～10 cm土層顯著增加8.74%，16.66%(P<0.01)，且0～50 cm土層平均增加8.76%(圖6c)；奇臺樣地0～5 cm，5～10 cm，10～20 cm土層黏粒含量顯著增加28.80%，21.54%，16.71%(P<0.01)，且0～50 cm土層平均增加12.97%(圖6d)。

圖6 封育對伊犁絹蒿荒漠土壤黏粒的影響Fig.6 The effects of grazing exclusion on soil clay content in Seriphidium transiliense desert注：a為0～50 cm土層黏粒含量；b，c，d分別為瑪納斯、呼圖壁、奇臺樣地土壤黏粒含量Note:a refers to the clay content in 0～50 cm soil layer;b,c,and d refers to soil refers to the clay content in Manas,Hutubi and Qitai plot,respectively

2.7 相關分析

由圖7所示，伊犁絹蒿荒漠草地土壤全氮含量與土壤砂粒呈顯著負相關(P<0.05)，與黏粒含量呈顯著正相關(P<0.05)，而土壤堿解氮含量與土壤砂粒含量呈不顯著負相關，與土壤黏粒含量呈顯著正相關(P<0.05)。

圖7 伊犁絹蒿荒漠草地土壤各指標間的相關性Fig.7 Correlation of soil indexes in the desert grassland of Seriphidium transiliense注：*表示存在顯著相關(P<0.05)，紅色表示正相關，藍色表示負相關，圈越大相關系數絕對值越大。TN，全氮含量；AN，堿解氮含量；Sand，砂粒含量；Silt，粉粒含量；Clay，黏粒含量Note:* indicates significant correlation (P<0.05), Red indicates positive correlation and blue indicates negative correlation. The larger the circle,the greater the absolute value of the correlation coefficient. TN,Total nitrogen content;AN,content of alkali-hydrolyzable nitrogen;Sand,Sand content;Silt,Silt content;Clay,Clay content

3 討論

3.1 短期封育對土壤氮素的影響

土壤氮素含量是指示土壤肥力的重要指標，也是陸地生態系統氮庫的主要組成部分[19]。封育后草地土壤全氮含量呈現顯著增加[20]、僅表層顯著變化[21]、不顯著變化[14]或顯著降低[15,22]等多種結果。本研究發現，伊犁絹蒿荒漠草地土壤全氮含量介于1.16～1.82 g·kg-1，平均值為1.49 g·kg-1，且總體看短期封育后0～50 cm土層全氮含量變化不顯著，與前人研究結果存在一定差異[20-22]，與楊合龍等[14]研究結果“封育1～9年后輕度退化蒿類荒漠草地土壤全氮變化不明顯”相似。本研究發現，由于所處區域不同，封育后荒漠草地土壤全氮變化趨勢并不一致。如瑪納斯樣地土壤全氮含量封育區略低于對照區3.99%～15.23%(圖2b)，這與楊靜等[22]研究結果相似，可能是由于短期封育后伊犁絹蒿荒漠草地地上活體生物量得到明顯增加，但其凋落物及地下生物量積累相對較少甚至降低[23]，導致植被生長對土壤氮的吸收量高于其向土壤的返回量所致[24]。呼圖壁、奇臺樣地土壤全氮封育區高于對照區6.43%～17.93%，可能是由于地上活體生物量增加明顯，且地下生物量積累相對較多[23]，導致土壤氮的輸出量低于其輸入量所致。土壤堿解氮含量是反映近期土壤氮素供應能力大小的一個重要指標[25]。前人研究表明，封育后堿解氮含量呈現增加、降低、不變等多種結果[9,14-16,21]。本研究表明，短期封育后伊犁絹蒿荒漠草地土壤堿解氮含量因所處區域差異而有所不同。如封育后瑪納斯樣地土壤堿解氮顯著降低14.62%，這與李國旗等[26]研究結果“封育后沙蘆草群落0～10 cm土層堿解氮含量顯著降低”相似，可能與對照區家畜采食及踐踏過程中排泄了大量糞尿，而糞尿中含有大量的硝態氮有關[27]，也可能與封育后土壤全氮含量降低相關。封育后奇臺樣地及呼圖壁樣地土壤堿解氮含量呈增加趨勢，可能與其土壤全氮含量增加相關。同時研究也發現，土壤堿解氮含量具有明顯的表聚現象，封育后呼圖壁樣地堿解氮僅在5～10 cm土層顯著增加13.64%，奇臺樣地僅在0～5 cm土層封育區顯著高于對照區32.57%(P<0.01)，且都隨著土層的加深呈降低趨勢，這與張云舒等[28]的研究結果相同。這可能與封育后植被凋落物的返還主要集中在土壤表層，凋落物的降解提高了土壤堿解氮含量有關。

3.2 土壤粒徑組成對短期封育的響應

土壤粒徑組成又稱土壤質地，是保持土壤質量的自然屬性[29]。研究表明，退化草地封育后土壤黏粉粒含量增加、砂粒減少[8-9,30]。也有研究認為，封育30年后土壤粉粒含量顯著降低，且長期封育促進土壤向粗顆粒發展，中細顆粒積累減少，不利于土壤結構改善[31]。Yang和Song認為，封育5年對寧夏退化荒漠草原土壤粒徑組成影響不顯著[32]。本研究表明，短期封育后伊犁絹蒿荒漠草地總體土壤砂粒含量呈現降低趨勢，而黏粉粒含量增加，這與前人研究結果相似[8-9,30]。同時指出的是，因研究樣地所屬區域水熱條件、封育時間長短等方面的不同(表1)，導致封育對伊犁絹蒿荒漠草地土壤粒徑組成的影響也存在差異(圖4～圖6)。如封育后瑪納斯樣地土壤砂粒、黏粒含量增降不顯著，而土壤粉粒含量僅在10～20 cm土層顯著增加7.23%，這與謝莉等[30]認為“隨著封育年限增加，灰鈣土細顆粒變化不顯著”相似。封育后呼圖壁、奇臺樣地土壤砂粒含量整體上顯著降低，而土壤黏粉粒含量顯著增加，這與前人研究結果吻合[8-9,30]。以上結果說明，封育后伊犁絹蒿荒漠土壤粒徑變化與其植被恢復程度息息相關，同時也印證了Li等[10]的觀點。一方面封育后退化草地植物群落的高度、蓋度及生物量得到明顯增加，降低了風對土壤的侵蝕作用，也易將大氣中的細顆粒在降塵、降水過程中儲存下來[33]，另一方面，凋落物和根系數量的輸入和分解可以有效改善土壤養分，一定程度上緩解了土壤結構的改變[34]。對于瑪納斯樣地而言，封育后草地地上活體生物量、凋落物量及地下生物量恢復相對較低，導致其土壤粒徑組成變化不顯著，而奇臺及呼圖壁樣地植被的恢復效果相對較高，導致其黏粒成分顯著增加[23]。

3.3 土壤氮與粒徑組成的相關分析

土壤顆粒吸附能力與土壤養分之間有著一定的關系，其中土壤細顆粒是影響土壤養分含量多寡的關鍵性粒級[35]，且一般認為土壤細顆粒與土壤碳、氮形成有機-無機復合體，土壤顆粒越細就會對土壤碳、氮的吸附作用更強[36]。如牛宋芳等[37]得出，土壤全氮、堿解氮與黏粉粒含量呈極顯著正相關，與細砂、中砂含量呈極顯著負相關。本研究結果表明，土壤全氮、堿解氮含量隨土壤黏粉粒含量增加而增加，隨其砂粒含量增加而減少，與前人的研究結果相一致[35-37]。這可能是與封育后退化草地地上活體生物量及群落蓋度有所增加，導致風蝕和水蝕對土壤黏粉粒含量的影響減小，進而改善了土壤質地，使細顆粒土壤能更好地從土壤液體介質中吸收和儲存更多的有效養分有關[38]。同時，本研究結果也印證了何玉惠等[39]的研究結果，進一步證實了土壤粒徑與土壤養分之間有一定的相關性。

4 結論

短期封育對伊犁絹蒿荒漠草地土壤0～50 cm土層全氮含量影響不顯著，其全氮含量為1.16～1.82 g·kg-1，而土壤堿解氮含量因區域的不同而有所差異，封育后瑪納斯樣地顯著降低14.62%，奇臺樣地顯著增加16.76%，呼圖壁樣地增加不顯著。

短期封育增加了伊犁絹蒿荒漠草地0～50 cm土層土壤黏粉粒含量，減少了砂粒含量，且不同區域表現不一致。封育后呼圖壁、奇臺樣地土壤砂粒含量整體顯著降低，黏粉粒含量顯著增加，而瑪納斯樣地僅土壤粉粒含量顯著增加，土壤砂粒、黏粒增降不顯著。

總體看，短期封育后伊犁絹蒿荒漠草地土壤粒徑朝細顆粒化轉變，而土壤全氮含量未得到明顯改善，堿解氮含量因區域的差異而有所不同。因此，封育措施對退化伊犁絹蒿荒漠草地土壤特征的影響還需要長期的持續研究。