圍封條件下荒漠草原4種典型植物群落枯落物輸入對土壤理化性質(zhì)的影響

李學斌， 陳林，樊瑞霞，吳秀玲，謝應忠

（1.寧夏大學西北土地退化與生態(tài)恢復國家重點實驗室培育基地，銀川750021；2.寧夏農(nóng)業(yè)勘查設計院，銀川750001）

圍封條件下荒漠草原4種典型植物群落枯落物輸入對土壤理化性質(zhì)的影響

李學斌1*， 陳林1，樊瑞霞1，吳秀玲2，謝應忠1

（1.寧夏大學西北土地退化與生態(tài)恢復國家重點實驗室培育基地，銀川750021；2.寧夏農(nóng)業(yè)勘查設計院，銀川750001）

采用野外原位實驗和室內(nèi)控制實驗相結合的方法研究了圍封條件下荒漠草原4種典型植物群落（沙蘆草群落、甘草群落、賴草群落和沙蒿群落）枯落物分解對土壤理化性質(zhì)的影響.結果表明：荒漠草原4種典型植被群落圍封內(nèi)枯落物蓄積量顯著高于圍封外，枯落物的蓄積增加了土壤的持水量，但枯落物的分解短期內(nèi)對土壤體積質(zhì)量、孔隙度及持水性能影響較??；枯落物在分解過程中，由于積累了大量腐殖酸導致了p H值降低，且土壤的p H值也呈降低趨勢，但變化幅度不大，與枯落物p H值呈現(xiàn)一定的擬合效果；枯落物輸入短期內(nèi)對土壤全氮和有機碳有正效應.荒漠草原枯落物蓄積與分解能有效改善土壤中的水分運移與空間分布，并為土壤注入更多的有機質(zhì)和養(yǎng)分元素，從而改變土壤理化性質(zhì).“退耕還草”“封欄封育”等國家重大生態(tài)工程地實施對荒漠草原植被與土壤的恢復產(chǎn)生了積極的影響.

荒漠草原；枯落物；土壤理化性質(zhì)

SummaryLitter not only can avoid plants being suffered from splash erosion，wind erosion and other physical protection of rain，but also can accelerate the accumulation of soil moisture，nutrients，and improve soil fertility.In the last decade，The National Projects of Ecological Engineering such as Returning Cropland to Grass and Enclosure Steppe，have been performed，but effects of litter input on soil physical and chemical properties under the fenced condition in desert steppe remain poorly understood.

We created field decomposition experiment and laboratory experiment based on four typical plant communities under a fenced condition，which were Agropyron crisatum community，Glycyrrhiza uralensis community，Leymus secalinus community and Artemisia desertorum community，and analyzed the basic characteristics of four typical plant communities，litter accumulation and decomposition，and soil moisture and nutrients，respectively.

The results showed that the litter accumulation under the fenced condition was significantly higher than that of the no fenced condition，and the litter accumulation increased soil water holding capacity，while the litter decomposition had weak effect on soil bulk density，total porosity and water holding capacity in the short term. Although soil p H value decreased with the litter accumulation，but the variation was small.Litter input had positive effect on the soil total nitrogen in the short-term，but the effect was weak，and the soil total nitrogen and organic carbon increased with increasing litter accumulation.These results supported that the litter accumulation and decomposition in the desert steppe could effectively improve the soil water movement and spatial distribution，and transport more organic and nutrient elements into the soil，thus change the physical and chemical properties of soil.

The finding suggests that litter has positive effect on vegetation and soil restoration of the desert steppe，which plays more important role in maintaining ecosystem stability in the arid sand areas.

枯落物作為養(yǎng)分的基本載體，在養(yǎng)分循環(huán)中成為連接植物與土壤的重要“紐帶”，是草地生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)的物質(zhì)基礎，在養(yǎng)分循環(huán)和維持土壤肥力等方面發(fā)揮著非常重要的作用［1-2］.目前，有關枯落物的研究已經(jīng)從枯落物的枯落量、分解過程及影響因子等基本特征，深入到枯落物對土壤性質(zhì)、植物生長、群落的演替，以及植被生產(chǎn)力等生態(tài)功能的研究上［3-4］.關于枯落物與土壤性質(zhì)的關系，國內(nèi)外也有大量的研究報道［5-6］，陳光升等［7］對西南山地森林凋落物回歸土壤后的研究表明，凋落物分解輸入對土壤體積質(zhì)量、孔隙度等影響不大，但土壤p H值升高，且有機碳及氮含量呈升高的趨勢；馬存平等［8］研究結果表明，枯落物的輸入能夠降低土壤體積質(zhì)量，減少土壤的無效蒸發(fā)，增加土壤的蓄水能力，同時，土壤有機質(zhì)、全量養(yǎng)分含量均有顯著增加.但這些研究主要集中在森林生態(tài)系統(tǒng)及西南山地和東北等典型草原生態(tài)系統(tǒng)，而對荒漠草原鮮有研究.

近年來，隨著“西部大開發(fā)”“退耕還林還草”“封育禁牧”等重大生態(tài)工程的實施，草地生態(tài)系統(tǒng)得到了不同程度的休養(yǎng)生息，在家畜等草食性動物退出草地生態(tài)系統(tǒng)后，枯落物成為聯(lián)系植被與土壤的重要中間環(huán)節(jié)，但是植被枯落物分解如何影響土壤性質(zhì)，如何更好地發(fā)揮草地生態(tài)系統(tǒng)的自我維持機制等問題尚未解決.故本試驗基于北方農(nóng)牧交錯帶“退耕還草”和“封育禁牧”后荒漠草原恢復的實際情況，選擇荒漠草原4種典型植物群落枯落物分解對土壤理化性質(zhì)的影響加以研究，揭示枯落物分解與輸入對土壤的生態(tài)效應，為植被恢復和草地的合理利用提供理論基礎.由于草地土壤直接接納枯落物的物質(zhì)輸送和分解轉化主要對土壤表層有影響，因此本文以表層土壤（0～15 cm）來討論枯落物分解對土壤理化性質(zhì)的影響.

1 材料與方法

1.1 研究地點

實驗樣地位于寧夏鹽池縣國家級草原資源管理監(jiān)測站（37.95°N，107.00°E），該研究區(qū)屬于典型中溫帶大陸性氣候，年平均氣溫為8.1℃，近50年年平均降雨量為288 mm，且主要集中在5—9月，約占年降雨量的60%；年平均無霜期為165 d；土壤類型主要為灰鈣土和風沙土.植物類型主要以灌叢沙生植被和荒漠植被為主，植物群落中常見種類以旱生和中旱生為主.樣地封育時間為2001年.研究對象選取了荒漠草原4種典型植物群落：沙蘆草群落、甘草群落、賴草群落和沙蒿群落.基本情況見表1.

1.2 研究方法

采用野外原位實驗和室內(nèi)控制實驗相結合的方法研究荒漠草原4種植物群落枯落物分解對土壤理化性質(zhì)的影響.

野外原位實驗：采用“枯落物袋擲入法”.2012年4月5日，將4種植物群落的枯枝落葉進行收集，帶回實驗室65℃烘干后稱質(zhì)量20 g，剪成5 cm左右的小段，裝入大小為25 cm×25 cm的尼龍網(wǎng)袋中，按“S”型隨機置于樣地作為處理，埋入10 cm左右的土層中，清除地表的枯落物層，于5、6、8、9、10月在枯落物分解袋周圍采集土樣，帶回實驗室進行土壤體積質(zhì)量、孔隙度、土壤水分等物理性質(zhì)和p H值、有機碳、全氮、速效磷、速效鉀等化學性質(zhì)分析；同時，采集鄰近的未放置枯落物分解袋的土壤（每月清理地表的枯落物，使其不受枯落物的影響）作為對照.設置3個重復.

室內(nèi)控制實驗：在埋置枯落物袋的同時，分別在每個樣地內(nèi)采集0～15 cm土層的土壤，帶回實驗室過2 mm篩，在25℃人工氣候培養(yǎng)箱中培養(yǎng)7 d，然后稱取300 g鮮土，加入質(zhì)量為4.0 g的枯落物，混合均勻，將制備好的土壤裝入250 m L燒杯中，燒杯口用塑料薄膜密封，在薄膜上用針刺若干個通氣小孔，每個時期各處理設置3次重復.沒有放置枯落物的為對照.將燒杯置入人工氣候箱中，在溫度為（25±0.5）℃、相對濕度為（70±5）%、光照為晝夜交替的條件下分別培養(yǎng)0、15、30、60、90 d后測定土壤理化性質(zhì).

表1 荒漠草原4種典型植物群落樣地基本特征Table 1 Basic characteristics of four typical plant communities in the desert steppe

2 結果與分析

2.1 枯落物對土壤物理性質(zhì)的影響

2.1.1 枯落物對土壤體積質(zhì)量、孔隙狀況的影響

土壤體積質(zhì)量是表征土壤質(zhì)量的重要參數(shù)之一，是土壤緊實度的敏感性指標［9］.結果（表2）表明：荒漠草原4種植物群落有枯落物袋處理的土壤體積質(zhì)量在實驗期內(nèi)與對照相比變化極小，沒有明顯的規(guī)律性改變，說明荒漠草原枯落物分解在較短時間內(nèi)對土壤體積質(zhì)量的影響很小，幾乎不變.土壤孔隙度也稱土壤孔度，充滿著水分與空氣，其大小、數(shù)量與分配是土壤物理性質(zhì)的重要基礎，也是評價土壤結構特征的重要指標［10-11］.4種植物群落有枯落物袋的處理和無枯落物的對照相比，土壤總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度均沒有顯著差異，說明在短期內(nèi)枯落物分解對土壤的孔隙狀況影響也是有限的.

2.1.2 枯落物對土壤持水性能的影響 土壤的持水性能是影響土壤抗雨水擊濺和水蝕能力的體現(xiàn)，是反映土壤生態(tài)學功能的一項重要指標［12］.結果（表3）表明：沙蘆草群落和甘草群落土壤最大持水量、毛管持水量、最小持水量處理均高于對照，增幅分別在4.29%～8.88%、4.75%～13.77%、5.56%～16.36%和2.34%～2.61%、2.57%～2.88%、2.96%～3.34%之間；賴草群落和沙蒿群落土壤持水性能在實驗期內(nèi)沒有表現(xiàn)出較強的規(guī)律性.田超等［13］研究表明，枯落物的輸入能夠改變土地物理性質(zhì)，提高土壤的持水性能.該研究說明荒漠草原枯落物蓄積與分解對土壤的持水量產(chǎn)生了一定影響，但影響結果有待于長時段的研究數(shù)據(jù)來支撐.

2.2 枯落物對土壤化學性質(zhì)的影響

2.2.1 枯落物對土壤p H值的影響 土壤酸堿度是描述土壤性質(zhì)的重要指標之一，枯落物可改變土壤的p H值，從而影響了營養(yǎng)元素的可利用性；枯落物通過誘導土壤p H值的變化進而影響土壤的物理結構，因此也影響水分的滲透［14］.研究結果（表4）顯示，荒漠草原4種植物群落枯落物在不同分解時期p H值變化范圍在6.40～7.38之間，整體呈中、偏堿性，且隨著分解進程有降低的趨勢，分解初期（5月份）p H值最高，分解末期（10月份）p H值最低.推測認為，土壤中積累了大量枯落物分解合成的腐殖酸導致了p H的降低.而4種植物群落土壤p H值范圍在8.61～9.11之間，土壤整體偏堿性（表5）.總的來看，土壤p H值大小表現(xiàn)為沙蒿群落＞

賴草群落＞沙蘆草群落＞甘草群落；隨著分解時間的延長，4種群落土壤p H值均表現(xiàn)為先升高后降低的趨勢，且生長季末凈值較生長季初低，降幅為0.45%～0.56%；處理和對照相比，4種群落的土壤p H值總體表現(xiàn)為對照＞處理，差異顯著性隨群落不同而有所不同，分解期內(nèi)，賴草群落對照和處理之間均無顯著差異，沙蘆草和沙蒿群落僅在6月份處理和對照之間有顯著差異，甘草群落則在4和8月期間有顯著差異.當然，枯落物對土壤p H值的影響還需要長時段、連續(xù)的實驗監(jiān)測.

表2 枯落物對0～12cm土層土壤體積質(zhì)量和孔隙狀況的影響Table2 Effect of litter on soi lvolume mass and porosity condition of 0-15 cm soil layer

表3 枯落物蓄積與分解對0～12cm土層土壤持水性能的影響Table3 Effectoflitteraccumulationanddecompositiononsoilwaterholdingcapacityof0 15cmsoillayer

表4 枯落物不同分解時期的p H值Table 4 p H value of litter decomposition in different time

表5 枯落物分解對土壤0～12 cm土層p H值的影響Table 5 Effect of litter decomposition on p H value of 0-15 cm soil layer

2.2.2 枯落物對土壤全氮含量變化的影響 荒漠草原4種植物群落類型土壤全氮含量的室內(nèi)控制實驗結果（圖1）表明，在培養(yǎng)期內(nèi)，4種群落土壤全氮含量總體變化趨勢為先降低后升高，在0～15 d內(nèi)，呈降低的趨勢，30～90 d逐漸升高，90 d達到最大值；處理土壤全氮含量與對照相比，總體為處理高于對照，但差別極小，增幅在1.85%～17.24%，且0～30 d的增幅（1.85%～13.04%）小于60～90 d的增幅（7.32%～17.24%）.陳玉平等［15］研究表明，枯落物輸入能夠顯著增加土壤氮和有機質(zhì)的含量.該研究分析認為，對于荒漠草原而言，枯落物對土壤全氮含量的影響需要較長的時間才能顯現(xiàn).

圖1 在室內(nèi)培養(yǎng)條件下添加枯落物土壤全氮質(zhì)量分數(shù)的變化Fig.1 Effect of litter addition on total nitrogen content of soil under the condition of laboratory incubation

圖2 在野外實驗中添加枯落物土壤全氮質(zhì)量分數(shù)的變化Fig.2 Effect of litter addition on total nitrogen content of soil under the condition of field experiment

野外原位實驗結果（圖2）表明：甘草群落土壤全氮含量的季節(jié)動態(tài)為降低趨勢，氮含量最大月（4月份）與最低月（10月份）相差0.06 g/kg.4種群落土壤全氮含量均較低，室內(nèi)測定數(shù)據(jù)介于0.21～0.53 g/kg之間，低于1.00 g/kg；野外測定數(shù)據(jù)全部介于0.23～0.39 g/kg之間，更是低于0.50 g/ kg.4種群落基本表現(xiàn)為春季與秋季土壤全氮含量略高，夏季較低，這可能與該地區(qū)春、秋2季土壤水分含量較高，促進了養(yǎng)分的循環(huán)與流動；同一時期不同群落類型相比，甘草群落土壤全氮含量最高，沙蒿群落最低，沙蘆草與賴草群落之間差異不大.無論是野外實驗還是室內(nèi)實驗，均表現(xiàn)出處理高于對照，但差異較小，因此對荒漠草原而言，枯落物輸入短期內(nèi)對土壤全氮含量影響是有限的.

但是，室內(nèi)實驗與野外實驗也有差異.室內(nèi)培養(yǎng)15 d時，土壤全氮含量下降為0.27 g/kg，之后呈緩慢上升的趨勢，90 d時，土壤全氮含量為0.41 g/ kg，比對照上升了0.11 g/kg，增加了26.8%.造成野外實驗與室內(nèi)實驗差異的原因可能在于：一方面，野外枯落物分解受環(huán)境因素影響，分解緩慢，養(yǎng)分釋放較少；另一方面，生長季內(nèi)植物從土壤中吸收氮素，致使野外實驗土壤全氮含量低于室內(nèi)實驗；另外，野外實驗中土壤氮素受淋溶等作用，總體呈降低的趨勢.處理與對照相比，除8月份處理低于對照外，其他月份均為處理高于對照，說明甘草群落枯落物的分解導致了土壤全氮含量的升高，但處理與對照的變化很小，最大也僅相差10%.

2.2.3 枯落物對土壤有機碳的影響 4種植物群落枯落物輸入后土壤有機碳含量隨時間變化的室內(nèi)實驗結果見圖3.在不同時期，不同植物群落土壤有機碳的變化范圍為4.31～16.48 g/kg，變幅較大，最大值是最小值的3.8倍，賴草和沙蒿群落土壤有機碳含量隨著培養(yǎng)時間的增加呈遞增的趨勢，而沙蘆草和甘草群落隨時間的變化規(guī)律性不明顯.甘草群落土壤有機碳含量最大，其次為沙蘆草、賴草，沙蒿最小.在實驗期內(nèi)，4種植物群落土壤有機碳含量處理均高于對照，沙蒿群落增幅最大，最大增幅接近1倍，其他3種群落增幅在15.05%～51.95%之間.

4種植物群落野外實驗土壤有機碳含量隨時間變化的結果見圖4.沙蒿群落土壤有機碳含量隨著分解時間的延長整體呈現(xiàn)出升高的趨勢，甘草、沙蘆草和賴草群落均是5、6和9月的含量較低，4和8月維持在一年中的中等水平，10月則達到了最大值，這可能是由于在雨水相對豐富的生長季，植物生長旺盛，引起了土壤有機碳含量短期內(nèi)的下降；沙蘆草群落土壤有機碳含量在5、6和8月處理低于對照，其他月份處理高于對照，甘草群落5、6月處理低于對照，8、9、10月處理高于對照，賴草群落僅在5月處理低于對照，而沙蒿群落在整個生長季內(nèi)均表現(xiàn)為處理高于對照；甘草群落土壤有機碳含量最大，其次為沙蘆草、賴草，沙蒿最小，與室內(nèi)結果一致.

圖3 在室內(nèi)培養(yǎng)條件下添加枯落物土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)的變化Fig.3 Effect of litter addition on soil organic carbon content under the condition of laboratory

圖4 在野外實驗中添加枯落物土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)的變化Fig.4 Effect of litter addition on soil organic carbon content under the condition of field experiment

3 討論與結論

水分和有機質(zhì)的積累是荒漠草原植物恢復、土壤正向演替的兩大動力源［16］.荒漠草原枯落物蓄積與分解能有效改善土壤中水分運移與空間分布，并為土壤注入更多的有機質(zhì)和養(yǎng)分元素，從而改變土壤理化性質(zhì).枯落物的存在不僅可以避免土壤受到雨滴的擊濺侵蝕、風蝕而起到物理保護的作用，還可以加速土壤水分、養(yǎng)分的蓄積，提高土壤肥力，加速土壤的正向演替［17］.

Herandez等［18］認為，土壤體積質(zhì)量大小和孔隙狀況主要受到土壤顆粒組成、土壤有機質(zhì)含量、放牧踐踏等因素的影響.在本研究中，枯落物輸入后土壤體積質(zhì)量比無枯落物輸入土壤體積質(zhì)量略高，但差異不顯著.土壤總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度在有或無枯落物輸入情況下沒有明顯的規(guī)律性.這可能是由于本項研究實驗周期較短.馬艷萍等［19］認為，在荒漠草原典型的表層沙化動力系統(tǒng)中，植被生產(chǎn)力低，地表裸露率高，風成過程極易產(chǎn)生.而“封育禁牧”使得荒漠草原枯落物的蓄積直接覆蓋在表層土壤上，增加了表層土壤的粗糙系數(shù)和持水性能.本實驗的4個群落圍封內(nèi)枯落物蓄積量顯著高于圍封外.

荒漠草原枯落物的蓄積與分解可以促進土壤酸堿度的改變.徐秋芳等［20］研究發(fā)現(xiàn)，不同樹木枯落物的分解對土壤p H值產(chǎn)生一定的影響，如杉木、馬尾松的枯落物分解使得土壤p H值降低，而檫木枯落物分解使得土壤p H值升高.也有學者認為枯落物不會影響土壤的酸堿性［21］.本研究4種植物群落枯落物在分解過程中p H值總體呈現(xiàn)降低的趨勢，這是由于枯落物經(jīng)分解和腐殖化，轉變成為腐殖質(zhì)，腐殖質(zhì)中含有腐殖質(zhì)酸.而在枯落物輸入后，土壤p H值隨分解時間的延長呈現(xiàn)上下波動，總體略降低，但變化幅度不大，與枯落物p H值呈現(xiàn)一定的擬合效果.這是因為寧夏鹽池縣荒漠草原地下水相對較低，土壤鹽堿化程度嚴重，枯落物的分解和腐殖化過程提高了土壤中CO2和有機酸的含量和濃度，在一定程度上中和堿性土壤，改善土壤理化性質(zhì).說明荒漠草原封育禁牧后，枯落物的輸入對改善土壤酸堿度有一定作用，但本實驗還缺乏長時段、序列性研究數(shù)據(jù)支撐.

在同一地區(qū)，深層土壤的理化性質(zhì)相對比較穩(wěn)定，而表層土壤受枯落物和植被影響較大［22］.枯落物的蓄積量、分解和組分等因素不同程度影響著表層土壤的C、N、P、K等養(yǎng)分的含量.在本實驗中，無論是室內(nèi)實驗還是野外實驗，枯落物的輸入對土壤全氮含量均呈正態(tài)效應，但土壤全氮含量的變化總體都比較小，這是因為土壤全氮含量的95%以上都是有機形態(tài)的，不易受到外界環(huán)境的影響，因此波動較小，這與汪思龍等［23］的研究結果類似.

以上所述，荒漠草原封育禁牧后枯落物蓄積與分解對土壤理化性質(zhì)有一定的影響，荒漠草原區(qū)植被枯落物的輸入對提高土壤肥力具有極為重要的生態(tài)學功能.

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Li Xuebin1*，Chen Lin1，F(xiàn)an Ruixia1，Wu Xiuling2，Xie Yingzhong1(1.Key Laboratory for Restoration and Reconstruction of Degraded Ecosystem in Northwestern China of Ministry of Education,Ningxia University, Yinchuan 750021,China；2.Ningxia Agricultural Prospecting and Design Institute,Yinchuan 750001,China)

desert steppe；litter；soil physical and chemical properties

S 812.8；S 158.3

A

10.3785/j.issn.1008-9209.2014.03.121

國家自然科學基金資助項目（31260581）；教育部科學技術研究項目（413060）；國家重大基礎研究前期研究專項（2012CB723206）.

李學斌，E-mail：lixuebin@nxu.edu.cn

2014 03 12；接受日期（Accepted）：2014 11 20；

日期（Published online）：2015 01 19

URL：http：//www.cnki.net/kcms/detail/33.1247.S.20150119.1706.009.html