放牧、水分和氮素對內蒙古草原土壤團聚體的影響

裴 雯， 陳 清， 張洛梓， 賈麗英

(1.天津師范大學天津市水資源與水環境重點實驗室， 天津 300387； 2.天津師范大學地理與環境科學學院， 天津 300387)

土壤團聚體是土壤結構的基本單元[1]，也是土壤中物質轉化與能量流動的場所，在土壤養分和水分保持方面具有重要作用[1-6]。土壤團聚體構成比例及團聚體穩定性是評價土壤結構的重要指標[7]。過度放牧是引起內蒙古草原退化的重要原因之一，過度放牧條件下家畜的踐踏破壞了土壤表皮結構，造成土壤團聚體構成比例失調及團聚體穩定性下降，更易發生土壤侵蝕[3,8]。水分和氮素是內蒙古草原生產力水平的重要限制因子[9-11]。降水變化和大氣氮沉降會改變土壤的理化性狀，對團聚體結構的影響程度可能同時受到放牧活動的調控[12-13]，進而影響草原生態系統的功能[12]。有研究發現水分或者氮素添加提高了土壤中大團聚體含量和土壤團聚體的穩定性[14-16]，使土壤結構得到改善[5]，另有研究表明水分或氮素添加沒有使土壤團聚體組成發生顯著變化[14,17-19]，不同的研究結果可能是由于各生態系統土壤環境因子和土地利用方式的不同造成的。目前，對于草原土壤團聚體的研究大多集中在單一因子如放牧對土壤團聚體的影響[1,2,4,7,20-26]，放牧、水分和氮素及其交互作用對土壤團聚體構成比例及穩定性影響的研究鮮見報道。因此，本研究通過在內蒙古草原為期十年的定位試驗，分別在中度和過度放牧樣地添加水分和氮素，研究放牧強度、水分、氮素三因子及其交互作用對土壤團聚體構成比例及穩定性的影響，旨在深入理解草原土壤結構對當前環境變化的響應。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

研究地點位于內蒙古草原生態系統定位研究站羊草樣地北側，錫林河流域中部(43°26′～ 44°29′N，115°32′～117°12′E)。該地區是溫帶典型草原，屬于半干旱草原氣候，土壤為暗栗鈣土；年平均氣溫為0.7℃，冬季寒冷干燥，夏季溫暖濕潤；年平均降水量343 mm，降水集中于5—9月份，占全年降水量的80%左右，且降水的年際變化顯著[9,29]。

1.2 試驗設計與樣品采集

2005年5月在中度放牧(MG)和過度放牧(HG)樣地選取地勢平坦，植被均勻且有代表性的區域并圍欄，以排除放牧干擾。樣地的圍欄面積為0.2 ha。在2005年以前MG和HG樣地進行了30年的連續放牧，其中，MG樣地的歷史放牧強度約為2只羊·ha-1，HG樣地的歷史放牧強度約為4只羊·ha-1。試驗前兩塊樣地的土壤理化性狀和物種組成詳見陳清等[9]研究。試驗設3個因素：放牧強度、水分和氮素。其中，放牧強度包括2個水平，分別為中度放牧(MG)和過度放牧(HG)；水分包括2個水平，分別為自然降水處理(Pa)、模擬豐水年降水及分布進行補充灌溉(Pw)；氮素包括2個水平，為0(N0)，50 kg N·ha-1(N50)，共8個處理，每個處理4次重復，每個小區面積為5 m×8 m。灌溉依據試驗樣地長期降雨數據，根據內蒙古草原生態系統定位站 1982—2003 年氣象資料，按全年降雨量排序，將前25%的年份定義為豐水年份，豐水和貧水年份5—9月的平均降水量分別為380 mm和220 mm。本試驗擬模擬豐水年5—9月每10天的降水量及其分布，于每月10號、20號、30號進行一次性補充灌溉；每次計劃灌溉量=同月10天內豐水年降水量-當年10天內試驗樣地降水量，如果試驗當年某10天內的降水量超過豐水年的降水量，則不進行灌溉，并在下個10天相應減少灌溉量，保持5—9月總水分投入量和分布與豐水年基本相同。施肥在每年5月15日左右進行。為了保證施肥均勻，將各小區所需尿素(直徑1.5 mm)與過2 mm篩的風干土(直徑<2 mm)按肥土比1∶10的比例充分混勻，在清晨無風時撒施[9]。灌溉和施肥的具體操作步驟詳見陳清等[9]研究。

于2014年和2015年8月中旬分別進行土樣采集。圍欄內每個小區使用直徑為3 cm的土鉆隨機取3鉆土混為一份樣品，取土深度為0～15 cm，過2 mm篩后混合均勻，采用“四分法”選取部分土壤，裝入封口袋中密封。取土時避免對土壤樣品過分擾動，以免破壞團聚體結構。土壤樣品風干后去除根系和雜草，過2 mm篩，用于分析土壤團聚體特征及其土壤有機碳和全氮含量。

1.3 土壤水穩性團聚體的測定與計算

1.3.1土壤水穩性團聚體的測定 土壤水穩性團聚體的測定采用濕篩法[28]，稱取25 g風干土，將其放置在團聚體分析儀套篩的最上端篩子內，調整桶內水面高度，使水面剛好漫過風干土，將風干土浸泡5 min后，啟動儀器進行分級，以振幅3 cm上下震蕩30 min，之后將各級孔徑篩子收集的土壤組分沖洗至鋁盒中，在60℃下烘干至恒重后稱重，記錄<0.053 mm，0.053～0.25 mm，0.25～0.5 mm，>0.5 mm粒級土壤團聚體重量。

1.3.2團聚體穩定性指標計算

1)土壤水穩性團聚體一般以0.25 mm為界限分為大團聚體和微團聚體。大團聚體比重(R0.25)計算公式為：

式中：Mr>0.25為粒徑>0.25 mm團聚體的重量(g)，MT為團聚體總重量(g),Mr<0.25為粒徑<0.25 mm團聚體的重量(g)。

2)平均重量直徑(Mean weight diameter，MWD)計算公式為:

式中，i是各級團聚體組分的編號，xi是篩分出來的任一粒徑范圍團聚體的平均直徑，wi是對應于xi的團聚體百分含量[1]。

3)幾何平均直徑(Geometric mean diameter，GMD)計算公式為：

式中，i是各級團聚體組分的編號，xi是篩分出來的任一粒徑范圍團聚體的平均直徑，wi是對應于xi的團聚體百分含量[1]。

1.4 土壤有機碳和全氮的測定

土壤有機碳(Soil organic carbon，SOC)和總氮(Total nitrogen，TN)含量采用元素分析儀(Vario EL III,Elementar,Germany)測定[29]。

1.5 統計分析

數據采用Origin進行數據分析與作圖，采用SPSS 17.0軟件對不同處理下的土壤團聚體各粒級含量和土壤有機碳和全氮含量、團聚體穩定性指標進行單因素方差分析和相關性分析，以及對放牧強度、水分、氮素進行三因素方差分析。

2 結果與分析

2.1 放牧強度、水分和氮素對土壤各級團聚體含量的影響

放牧強度對>0.5 mm，0.053～0.25 mm及<0.053 mm粒級的土壤團聚體含量影響顯著(P<0.05)(圖1)。由圖1可知，中度和過度放牧樣地在不同處理條件下均以0.053～0.25 mm粒級的土壤團聚體為主。過度放牧樣地>0.5 mm粒級大團聚體和<0.053 mm粒級團聚體含量顯著低于中度放牧樣地該粒級含量(P<0.05)；過度放牧樣地0.053～0.25 mm粒級團聚體含量顯著高于中度放牧樣地(P<0.05)。

圖1 中度和過度放牧樣地各粒級土壤團聚體含量

增加水分顯著提高過度放牧樣地>0.5 mm粒級團聚體含量(P<0.05)，其余粒級組間無顯著變化(圖3)；中度放牧樣地各粒級團聚體含量不受水分添加影響(圖2)。氮素添加顯著降低過度放牧樣地自然降水處理0.053～0.25 mm粒級團聚體含量(P<0.05)，不影響過度放牧樣地其它粒級團聚體發生顯著變化(圖5)；氮素添加沒有使中度放牧樣地各粒級團聚體含量發生顯著變化(圖4)。

圖2 水分對中度放牧樣地各粒級團聚體含量的影響

圖3 水分對過度放牧樣地各粒級團聚體含量的影響

圖4 氮素對中度放牧樣地各粒級團聚體含量的影響

2.2 放牧強度、水分和氮素對土壤有機碳、全氮含量的影響

不同放牧強度樣地土壤有機碳、總氮差異顯著(P<0.05)(表2)。過度放牧樣地的有機碳、總氮含量均顯著低于中度放牧樣地(P<0.05)(圖6，圖7)。水分增加顯著提高過度放牧樣地土壤有機碳、總氮含量，但不影響中度放牧樣地土壤有機碳、總氮含量(圖6，圖7)。氮素添加沒有使中度和過度放牧樣地土壤有機碳和總氮發生顯著變化(表2)。

表1 放牧強度、水分和氮素對土壤各粒級團聚體含量的影響的三因素方差分析結果

圖6 放牧強度、水分對土壤有機碳含量的影響

圖7 放牧強度、水分對土壤總氮含量的影響

表2 放牧強度、水分和氮素對土壤有機碳、總氮含量的影響的三因素方差分析結果

2.3 放牧強度、水分和氮素對土壤團聚體穩定性指標的影響

中度放牧樣地R0.25、團聚體MWD和GWD均顯著大于過度放牧樣地(P<0.05)(表3)。僅添加氮素使過度放牧樣地大團聚體(>0.25 mm)比重顯著增加(P<0.05)(圖7)，而水氮同時添加對中度和過度放牧樣地大團聚體(>0.25 mm)比重的影響均不顯著。

表3 放牧強度對土壤團聚體穩定性指標的影響

圖8 放牧強度、水分、氮素對R0.25的影響

表4 放牧強度、水分和氮素對土壤團聚體穩定性指標的影響以及三因素方差分析結果

2.4 土壤團聚體各粒級與穩定性指標和土壤理化性質之間的相關性

土壤有機碳和總氮含量與>0.5 mm粒級團聚體含量、大團聚體比重(R0.25)均呈極顯著正相關關系(P<0.01)，與0.053～0.25 mm粒級團聚體含量呈極顯著負相關關系(P<0.01)。同時，MWD和GWD與>0.5 mm粒級團聚體含量也呈極顯著正相關關系(P<0.01)。

表5 土壤團聚體各粒級與穩定性指標和土壤理化性質的相關性

3 討論

3.1 放牧強度對土壤團聚體的影響

與中度放牧樣地相比，過度放牧使草原土壤大團聚體(>0.25 mm)含量減少，微團聚體(0.25～0.053 mm)含量增加，土壤有機碳、全氮含量顯著降低，土壤大團聚體(>0.25 mm)比重顯著降低。隨放牧強度增加，地表植被蓋度降低，土壤表皮受到破壞，地表土壤和養分的損失加大，枯枝落葉、地下根系及根系分泌物向土壤輸入的有機物質減少，土壤有機碳和全氮含量顯著降低[3,8,30-32]，進而導致土壤大團聚體數量下降，逐漸以微團聚體為主[1,3,8]。GMD和MWD常用來反映土壤團聚體大小和分布狀況，其值越大團聚體的平均粒徑團聚度越高，穩定性越強[1,2,14,33-34]。本研究結果顯示隨放牧強度增加，MWD和GWD顯著減小，土壤穩定性顯著降低。這一結果與高寒草原和高寒草甸[1,35]、寧夏荒漠草原[3]、三江源地區高寒嵩草草甸土壤[23]、克氏針茅草原[26]和川西北高寒草地[36]、三江源區紫花針茅草原[2]、內蒙古草原[29,37]等草原上的研究類似。

3.2 水分添加對中度和過度放牧樣地土壤團聚體粒級含量的影響

草原土壤團聚體的變化對于水分添加的響應受到放牧強度的影響，過度放牧樣地土壤團聚體對于水分投入的響應要高于中度放牧樣地。水分增加可提高過度放牧樣地土壤有機碳和總氮含量和土壤大團聚體(>0.5 mm)含量。這可能是由于過度放牧導致土壤中有機碳和全氮含量降低，長期水分添加可以提高土壤中有機碳含量，而有機碳是重要的膠結物質，能夠增強團聚體的團聚性，促進團粒結構的形成[8,38-39]，從而導致土壤大團聚體增加。內蒙古荒漠草原[8]和青藏高原[40]、31個溫帶和熱帶研究站點[12,41]、黃土丘陵區典型草原[14]的研究也得到了相似的結果。然而，長期水分添加沒有影響中度放牧樣地土壤團聚體組成。課題組前期研究表明：中度放牧樣地長期水分添加造成生產力氮素限制，長期水分投入反而降低了土壤氮素礦化量和礦化速率，沒有增加植被生產力，促進退化植物物種豐度增加[42]。本研究表明長期水分添加并沒有使中度放牧樣地有機碳和全氮含量顯著提高，因此，也沒有使土壤大團聚體含量和比重增加。

3.3 氮素添加對土壤團聚體粒級含量的影響

長期少量N素添加可能會改善過度放牧樣地土壤團聚體的結構，但不影響中度放牧樣地土壤團聚體結構組成。在過度放牧樣地中，氮素添加顯著降低過度放牧樣地微團聚體(0.053～0.25 mm)含量，在貝加爾針茅草原[43]、青藏高原[44]、西北旱地[17]、黃土旱塬地帶[45]、低山黃土丘陵區[16]、青藏高原南部沖擊平原[46]的研究也得出相似的結果。此外，氮素添加顯著提高過度放牧樣地大團聚體(>0.25 mm)所占比重但未增加其含量。而中度放牧樣地氮素投入后各粒級土壤團聚體含量均沒有發生顯著變化。研究表明，N的補充有助于團聚體內部化學反應形成穩定的土壤結構，使較小的團聚體重新膠結形成較大粒級的團聚體[15,43,47-50]。本研究氮素投入沒有增加大團聚體含量可能是因為N添加量設置較低，僅為50 kg N·ha-1，相當于華北平原地區大氣氮素沉降的最低值[51]，在其他研究中[48-50]，N添加量是本研究N添加的2～5倍，足量的氮素補充影響根系環境及根際周圍的物化過程、增強微生物的數量及活性、增加有機質及氮的積累[44]，并促進大團聚體的形成，而少量的氮素投入可能不足以引起土壤有機碳和大團聚體數量的改變。

4 結論

隨放牧強度增加，土壤大團聚體含量減少，微團聚體含量增加，團聚體穩定性下降；長期水分添加顯著增加了過度放牧樣地大團聚體含量，對中度放牧樣地無顯著影響；長期少量氮素添加顯著降低過度放牧樣地微團聚體含量，增加大團聚體比重，對中度放牧樣地無顯著影響。過度放牧樣地土壤團聚體的組成對水分和氮素投入的響應比中度放牧樣地更為明顯。