鄂爾多斯高原不同年限棄耕農(nóng)田土壤養(yǎng)分特征

楊 柳，蔡文濤，來(lái)利明，周繼華，姜聯(lián)合，鄭元潤(rùn)?

(1.中國(guó)科學(xué)院植物研究所北方資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100093，北京；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，100049，北京)

在干旱與半干旱草地生態(tài)系統(tǒng)，本土灌木或木本植物密度、蓋度和生物量增加的全球普遍發(fā)生的現(xiàn)象稱(chēng)為草地灌叢化[1]。灌叢化是干旱與半干旱區(qū)植被退化的主要表現(xiàn)形式[2]，是全球干旱與半干旱區(qū)面臨的重要生態(tài)問(wèn)題[3]。草原生態(tài)系統(tǒng)中，灌木激增被看作是草原退化和沙漠化的一個(gè)重要標(biāo)志[4]，這種由以草本植物為優(yōu)勢(shì)向以灌木植物為優(yōu)勢(shì)的植被變化，通常是不可逆的[5]。在美洲[6]、非洲[7]、澳大利亞[8]、地中海地區(qū)[9]和內(nèi)蒙古地區(qū)[10]均有灌叢化發(fā)生的報(bào)道。氣候變化[11]、CO2濃度升高[12]、火燒[13]、放牧[14]和土地利用方式的改變[15]等因素，都會(huì)造成灌叢化，灌叢化通常會(huì)影響草地生物量與生物多樣性，造成生態(tài)系統(tǒng)功能下降[16]。

盡管草地灌叢化發(fā)生的時(shí)間仍存在爭(zhēng)議，但基本上是在19世紀(jì)中后期開(kāi)始明顯增加，20世紀(jì)呈現(xiàn)加速發(fā)展的趨勢(shì)[17]，受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。研究表明，大約10%～20%的干旱與半干旱區(qū)正在經(jīng)歷草地灌叢化[18]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于草地灌叢化的研究，多集中于受自然因素和人為因素干擾的灌叢化區(qū)域，如灌叢化導(dǎo)致北美草原和奇奇瓦沙漠群落物種豐富度顯著下降[6,15]；人為干擾使內(nèi)蒙古高原草本植物的水分獲取能力降低，導(dǎo)致灌木生物量增加，加劇灌叢化的發(fā)生[19]。但關(guān)于草地灌叢化區(qū)域棄耕農(nóng)田植被與土壤變化的報(bào)道較少，如棄耕地植被演替過(guò)程中土樣養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化[20]，棄耕地植物群落物種多樣性特征[21]的研究等。農(nóng)田棄耕主要是由于土壤肥力下降所致，農(nóng)田棄耕后土壤理化性質(zhì)，植物群落組成和生物多樣性等均會(huì)發(fā)生變化。

鄂爾多斯高原為我國(guó)典型的生態(tài)過(guò)渡帶，屬于農(nóng)牧交錯(cuò)帶，由于過(guò)度放牧、土地開(kāi)墾和氣候變化等因素影響，地帶性植被本氏針茅(Stipabungeana)草原已發(fā)生嚴(yán)重灌叢化，成為以半灌木油蒿(Artemisiaordosica)為主的草地。由于鄂爾多斯高原土地開(kāi)墾歷史較長(zhǎng)，存在不同年限的棄耕農(nóng)田，在經(jīng)歷時(shí)間不等的棄耕后，植物群落組成和土壤理化性質(zhì)均發(fā)生不同程度的變化，且存在由以油蒿為主的灌叢化草地向地帶性本氏針茅草原演替的趨勢(shì)；因此，鄂爾多斯高原是研究土地開(kāi)墾對(duì)草地灌叢化發(fā)生過(guò)程及其可恢復(fù)性的理想場(chǎng)所。筆者通過(guò)對(duì)鄂爾多斯高原不同年限棄耕農(nóng)田土壤養(yǎng)分變化的研究，揭示隨棄耕年限增加，棄耕農(nóng)田土壤養(yǎng)分變化特征及其與地上植物群落的關(guān)系，為鄂爾多斯高原棄耕農(nóng)田的植被恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

鄂爾多斯高原位于溫帶季風(fēng)區(qū)西緣，冬季寒冷，夏季涼爽，年平均氣溫為6～8 ℃，年均降水量為150～500 mm，集中于7—9月。鄂爾多斯高原的景觀類(lèi)型大致可分為軟梁、硬梁和灘地3種類(lèi)型，其中，軟梁和硬梁占90%左右，土壤主要為栗鈣土或淡栗鈣土。鄂爾多斯高原地帶性植被為暖溫帶本氏針茅草原，半灌木油蒿群落是風(fēng)沙土上最普遍的植被類(lèi)型，軟梁和硬梁棄耕農(nóng)田為鄂爾多斯高原棄耕農(nóng)田的主體部分。研究地點(diǎn)位于鄂爾多斯市伊金霍洛旗中部伊金霍洛鎮(zhèn)，介于E 109°50′～109°52′，N 39°24～39°26′的棄耕農(nóng)田上。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)置

野外試驗(yàn)于2015年5—10月植物生長(zhǎng)季進(jìn)行。分別在軟梁和硬梁選擇具有代表性的棄耕農(nóng)田，并設(shè)置樣地，軟梁農(nóng)田的棄耕年限為1、6、10、15和20年，硬梁農(nóng)田的棄耕年限為3、6、10、15和20年，以自然植被作為對(duì)照(CK)，但由于放牧的影響，僅作為未開(kāi)墾樣地的參考。每個(gè)樣地設(shè)置3個(gè)重復(fù)，灌木植物群落樣方為5 m×5 m，草本植物群落樣方為1 m×1 m，共計(jì)36個(gè)樣方。記錄樣地的物種組成、群落蓋度、高度和密度等指標(biāo)。為保證各樣地的可比性和環(huán)境條件的一致性，軟梁和硬梁不同年限棄耕樣地及對(duì)照樣地盡量集中在2 km的范圍內(nèi)。

采用環(huán)刀法采取土壤樣品，取樣時(shí)間為5—10月每月中旬。軟梁取樣深度為0～50 cm，在0～10 cm土層每隔5 cm取樣，取2層土樣；在10～50 cm土層每隔10 cm分層取樣，取4層土樣。土壤樣品取樣個(gè)數(shù)為6，3次重復(fù)。硬梁取樣深度為0～40 cm，在0～10 cm土層每隔5 cm取樣，取2層土樣；在10～40 cm土層每隔10 cm分層取樣，取3層土樣。土壤樣品取樣個(gè)數(shù)為5，3次重復(fù)。樣品帶回實(shí)驗(yàn)室于105 ℃烘干至恒質(zhì)量。

2.2 測(cè)定方法

土壤全碳、全氮采用元素分析儀法(電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(iCAP 6300 ICP-OES Spectrpmeter，Thermo Scientific，USA))測(cè)定；土壤全磷、全鉀采用HF-HClO4-HNO3消解- ICP法(vario EL III CHNOS Elemental Analyzer，Elementar Analysensysteme GmbH，Germany)測(cè)定。

2.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用SPSS 17.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，全碳、全氮、全磷、全鉀和C/N采用雙因素方差分析(two-way ANOVA)和新復(fù)極差法(Duncan)進(jìn)行多重比較。

3 結(jié)果與分析

對(duì)于軟梁棄耕農(nóng)田，不同棄耕年限對(duì)土壤全碳、全氮、全磷、全鉀和C/N影響極顯著(P<0.01)；土層深度對(duì)全鉀影響不顯著(P>0.05)，對(duì)全碳、全氮、全磷、C/N影響極顯著(P<0.01)；棄耕年限與土層深度的交互作用對(duì)全鉀影響不顯著(P>0.05)，對(duì)全氮、全磷、C/N影響極顯著(P<0.01)，對(duì)全碳影響顯著(P<0.05)。對(duì)于硬梁棄耕農(nóng)田，不同棄耕年限對(duì)土壤全碳、全氮、全鉀和C/N影響極顯著(P<0.01)，對(duì)全磷影響顯著(P<0.05)；土層深度對(duì)全鉀影響不顯著(P>0.05)，對(duì)全氮、C/N影響極顯著(P<0.01)，對(duì)全碳、全磷影響顯著(P<0.05)；棄耕年限與土層深度的交互作用對(duì)全碳、全磷、全鉀影響不顯著(P>0.05)，對(duì)全氮、C/N影響極顯著(P<0.01)。

3.1 棄耕農(nóng)田土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化

對(duì)于軟梁棄耕農(nóng)田，同一土層不同棄耕年限土壤全碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化差異顯著。隨棄耕年限增加，0～10 cm土層全碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈先減小后增加趨勢(shì)；10～50 cm土層全碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈先減小后增加再減小趨勢(shì)。同一棄耕年限不同土層土壤全碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)有所不同。隨土層深度增加，棄耕1年全碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈上升趨勢(shì)；棄耕6、10、15和20年、自然植被(CK)全碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈降低趨勢(shì)(表1)。

同一土層不同棄耕年限土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化差異顯著。隨棄耕年限增加，全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)總體呈增加趨勢(shì)。同一棄耕年限，土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨土層深度增加呈降低趨勢(shì)(表1)。

除40～50 cm土層外，同一土層不同棄耕年限土壤全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化差異顯著。隨棄耕年限增加，全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)總體呈增加趨勢(shì)。同一棄耕年限，土壤全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨土層深度增加呈減小趨勢(shì)(表1)。

除0～5 cm土層外，同一土層不同棄耕年限土壤全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化差異顯著。土壤全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)在棄耕過(guò)程中變化幅度較小，在20.63～25.17 g/kg范圍內(nèi)波動(dòng)(表1)。

對(duì)于硬梁棄耕農(nóng)田，同一土層不同棄耕年限土壤全碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化差異顯著。隨棄耕年限增加，0～20 cm土層全碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈先減小后增加再減小趨勢(shì)；20～40 cm土層全碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈先增加后減小趨勢(shì)。同一棄耕年限不同土層土壤全碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)有所不同。隨土層深度增加，棄耕3、6、10、15年全碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈增加趨勢(shì)，棄耕20年、自然植被(CK)全碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈減小趨勢(shì)(表2)。

表1 軟梁棄耕農(nóng)田土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)Tab.1 Content of soil nutrients in abandoned croplands of Ruanliang (Mean±SE)

注：表中不同小寫(xiě)字母表示同一土層不同棄耕年限間差異顯著(P<0.05)。樣本數(shù)為108。Notes: Different normal letters for the same layer indicate significant difference among different abandoned years at 0.05 levels. Samples’ number is 108.

除0～5 cm土層外，同一土層不同棄耕年限土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化差異顯著。隨棄耕年限增加，0～10 cm土層全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈先減小后增加趨勢(shì)；10～40 cm土層全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈先增加后減小趨勢(shì)。同一棄耕年限隨土層深度增加，棄耕6年全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈波動(dòng)變化；其他年限土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈下降趨勢(shì)(表2)。

表2 硬梁棄耕農(nóng)田土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)Tab.2 Content of soil nutrients in abandoned croplands of Yingliang (Mean±SE)

注：表中不同小寫(xiě)字母表示同一土層不同棄耕年限間差異顯著(P<0.05)。樣本數(shù)為90。 Notes: Different normal letters for the same layer indicate significant difference among different abandoned years at 0.05 levels. Sample’s number is 90.

除10～20和30～40 cm土層外，同一土層不同棄耕年限土壤全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化差異顯著。隨棄耕年限增加，0～10和30～40 cm土層全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈先減小后增加趨勢(shì)；10～30 cm土層全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈先增加后減小趨勢(shì)。隨土層深度增加，棄耕3、6、15和20年全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈下降趨勢(shì)；棄耕10年、自然植被(CK)全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈先減小后上升趨勢(shì)(表2)。

同一土層不同棄耕年限土壤全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化差異顯著。隨棄耕年限增加，0～10 cm土層全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈先增加后減小趨勢(shì)；10～40 cm土層全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈減小趨勢(shì)。隨土層深度增加，棄耕3、20年全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈上升趨勢(shì)；棄耕6、10年全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈下降趨勢(shì)；棄耕15年、自然植被(CK)全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化趨勢(shì)不明顯(表2)。

3.2 棄耕農(nóng)田土壤C/N變化特征

對(duì)于軟梁棄耕農(nóng)田，隨棄耕年限增加，0～10 cm土層土壤C/N呈先減小后增加趨勢(shì)；10～40 cm土層土壤C/N呈先減小后增加再減小趨勢(shì)；40～50 cm土層土壤C/N變化趨勢(shì)不明顯。同一棄耕年限不同土層土壤C/N變化有所不同，隨土層深度增加，棄耕1、6、10、15和20年土壤C/N呈上升趨勢(shì)，自然植被(CK)土壤C/N呈下降趨勢(shì)(圖1a)。

對(duì)于硬梁棄耕農(nóng)田，隨棄耕年限增加，各土層土壤C/N呈先減小后增加再減小趨勢(shì)。同一棄耕年限不同土層土壤C/N變化有所不同。隨著土層深度的增加，土壤C/N呈增加的趨勢(shì)(圖1b)。

(a)樣本數(shù)為108；(b)樣本數(shù)為90。Samples’ number in (a) is 108, and samples’ number in (b) is 90.圖1 不同棄耕農(nóng)田土壤C/N (平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)Fig.1 C/N in different abandoned croplands (mean±SE)

4 討論

研究表明，隨著土壤深度的增加，土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)總體呈下降趨勢(shì)，隨著棄耕年限增加，土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)總體呈逐步增加或先增加后減小趨勢(shì)[22]。

蔡文濤[23]研究表明，鄂爾多斯高原軟梁棄耕農(nóng)田群落演替可分為3個(gè)階段：1、2年生雜草群落階段(狗尾草(Setariaviridis)+沙蓬(Agriophyllumsquarrosum))；油蒿(Artemisiaordosica)灌叢化草地階段；多年生草本植物群落階段。硬梁棄耕農(nóng)田演替過(guò)程經(jīng)歷了雜草和本氏針茅草地2個(gè)階段。與上述演替過(guò)程相適應(yīng)，土壤養(yǎng)分也會(huì)發(fā)生規(guī)律性變化。在軟梁和硬梁2種不同景觀類(lèi)型中，棄耕農(nóng)田植被恢復(fù)過(guò)程中的土壤養(yǎng)分變化規(guī)律不同。隨棄耕年限增加，軟梁棄耕農(nóng)田土壤養(yǎng)分總體呈逐步增加的趨勢(shì)，這可能由于在植被恢復(fù)過(guò)程中，枯落物大量積累，經(jīng)過(guò)微生物的分解，使得土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，加之根際微生物的作用，使土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈增加的趨勢(shì)[24]；土壤全碳在棄耕6年時(shí)出現(xiàn)降低，這可能由于棄耕恢復(fù)初期，植被迅速生長(zhǎng)消耗了土壤中的大量養(yǎng)分，使土壤全碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)出現(xiàn)暫時(shí)回落[25]；另一個(gè)重要原因是，此時(shí)半灌木植物油蒿開(kāi)始出現(xiàn)，半灌木快速生長(zhǎng)，導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低。隨著土層深度的增加，土壤養(yǎng)分呈減小的趨勢(shì)，表層土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)要高于深層土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，具有表聚性[26]。土壤全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈波動(dòng)變化，這可能是棄耕農(nóng)田植被恢復(fù)過(guò)程中產(chǎn)生的土壤養(yǎng)分效應(yīng)[24]。在硬梁棄耕農(nóng)田，不同土層深度和不同棄耕年限的土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化趨勢(shì)不同，這可能是由于硬梁農(nóng)田植被恢復(fù)過(guò)程中，土壤養(yǎng)分消耗和積累動(dòng)態(tài)平衡所導(dǎo)致的趨勢(shì)差異，也可能由于硬梁和軟梁本身土壤組成的差異，以及硬梁植被演替并未經(jīng)過(guò)半灌木油蒿，而由雜草群落階段逐步過(guò)渡到本氏針茅階段有關(guān)。

土地利用方式改變會(huì)影響植被生產(chǎn)力與土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，土壤C/N也會(huì)發(fā)生變化，全球平均土壤C/N約為13.33[27]。研究表明，隨著土壤深度與棄耕年限增加，土壤C/N呈減小的趨勢(shì)[28]。筆者研究中，軟梁和硬梁棄耕農(nóng)田土壤C/N變化趨勢(shì)不同，這可能是由于植被恢復(fù)過(guò)程中，植被的枯落物對(duì)土壤不同養(yǎng)分的回歸作用不同，導(dǎo)致土壤中碳和氮的積累量存在差異[29]，而出現(xiàn)土壤C/N變化不同。其次，對(duì)于軟梁棄耕農(nóng)田，C/N分別在半灌木入侵的主要階段(棄耕10年)和多年生草本植物出現(xiàn)階段(棄耕20年)出現(xiàn)2個(gè)高峰，由于油蒿為鄂爾多斯高原的偏途頂級(jí)群落，多年生草本植物為鄂爾多斯高原相對(duì)穩(wěn)定的植物群落，表明穩(wěn)定植物群落的存在會(huì)相對(duì)提高土壤的C/N比。而硬梁則由雜草階段逐漸過(guò)渡到地帶性本氏草茅群落，因而在植被恢復(fù)過(guò)程中，僅在第10年出現(xiàn)較為明顯的C/N高峰。

盡管鄂爾多斯高原已實(shí)行禁牧政策，在具體執(zhí)行過(guò)程中，仍存在一定程度的放牧，但放牧強(qiáng)度與過(guò)去相比大幅度降低。筆者研究中，無(wú)論是不同時(shí)限的棄耕農(nóng)田樣地，還是對(duì)照樣地，均存在一定放牧干擾現(xiàn)象；因而，不同棄耕年限棄耕農(nóng)田土壤養(yǎng)分的變化與不存在人為干擾的樣地會(huì)存在較大差別，變化規(guī)律可能不及棄耕后圍封去除人為干擾的樣地明顯，但提供了農(nóng)田棄耕后，自然恢復(fù)與放牧綜合影響下，土壤養(yǎng)分變化規(guī)律的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，與目前我國(guó)棄耕農(nóng)田的實(shí)際更為吻合。其次，由于在進(jìn)行農(nóng)業(yè)耕作時(shí)，會(huì)施加有機(jī)肥及化肥；因此，在棄耕一定時(shí)期內(nèi)，由于不再施加肥料，棄耕農(nóng)田土壤養(yǎng)分發(fā)生一定程度下降的趨勢(shì)是較為普遍的現(xiàn)象。

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