增溫和施氮對內(nèi)蒙古荒漠草原土壤團聚體穩(wěn)定性及碳含量的影響

張 欣，任海燕，韓國棟

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學草原與資源環(huán)境學院/草地資源教育部重點實驗室/農(nóng)業(yè)部飼草栽培、加工與高效利用重點實驗室/內(nèi)蒙古自治區(qū)草地管理與利用重點實驗室，呼和浩特 010018)

全球氣候變化對陸地生態(tài)系統(tǒng)的影響已成為當今國內(nèi)外熱點研究問題之一，它們不僅影響土壤生物化學過程、植物群落結(jié)構(gòu)，而且會影響陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力[1]。而由于人類活動所導致的溫室效應(yīng)正在繼續(xù)和加劇。據(jù)IPCC(Intergovernmental panel on climate change)第五次報告指出，隨著環(huán)境中溫室氣體的增加，1880～2012年全球氣溫已經(jīng)上升了0.85℃，并且有持續(xù)升高的趨勢[2]。在溫度升高的同時，大氣氮沉降的速率也在增加，其主要原因是人類生產(chǎn)活動的加劇、工業(yè)發(fā)展迅速，使大量含氮化合物排放到大氣中[3]。1980～2010年中國氮沉降速率增加了25%，且此后以每年0.41kgN/hm2的速率增加[4]。

土壤團聚體作為土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，是影響土壤肥力狀況的重要因素，同時其良好的團聚作用對于調(diào)節(jié)土壤的水、肥、氣、熱也具有重要的作用[5]。土壤團聚體數(shù)量的多少在某種程度上不僅反映了土壤供儲養(yǎng)分，還反映了土壤通透性和持水性等能力的高低，對于土壤的固碳能力和保肥能力都非常重要[6]。土壤有機碳作為土壤團聚體的膠結(jié)物質(zhì)，其在土壤中含量的多少對團粒結(jié)構(gòu)的形成和穩(wěn)定有著重要的作用。研究表明，土壤有機碳含量越高越有利于土壤團聚體的形成和穩(wěn)定性的提升[7]，土壤團聚體內(nèi)有機碳的含量會隨著粒徑的減小而降低，土壤中大多數(shù)有機碳儲存在粒徑較大的團聚體中[8]；但也有研究表明，土壤團聚體內(nèi)的有機碳含量隨著粒徑的增加而降低[9]。另外，劉曉東對高寒草地的研究發(fā)現(xiàn)，土壤有機碳在<250μm微團聚體中含量最高，250～2000μm粒級中含量最低[10]?？傮w來看，各學者研究結(jié)果不盡一致，這可能與土壤性質(zhì)、施肥量、氣候等因素有關(guān)。為了進一步反映土壤團聚體分布狀況和穩(wěn)定性特征，科學家們提出了平均重量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)和分形維數(shù)(D)等評價土壤結(jié)構(gòu)性的指標，不同粒級團聚體對土壤養(yǎng)分的保持和供應(yīng)、孔隙組成、水力性質(zhì)和生物活動具有不同的作用。有研究顯示，MWD和GMD的值越大，表明土壤穩(wěn)定性越強，結(jié)構(gòu)越好[11]。而土壤分形維數(shù)不僅表示團聚體粒徑大小，還反映質(zhì)地均勻程度、土壤滲透性與抗蝕性以及土壤肥力，土壤團聚體分形維數(shù)越大土壤結(jié)構(gòu)越不穩(wěn)定，其抗侵蝕能力就越差[12]。因此，本研究依托長期增溫與施氮試驗基地，側(cè)重探討增溫和施氮處理下土壤的團聚體數(shù)量組成及其有機碳庫分布特征，系統(tǒng)分析在增溫和施氮處理下對半干旱草地生態(tài)系統(tǒng)土壤團聚體組成及團聚體有機碳分布的影響，為明確荒漠草原土壤碳固存機制及提升土壤肥力提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)自然概況

本試驗研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市四子王旗中南部的內(nèi)蒙古農(nóng)牧科學院綜合試驗示范中心(111°53E、41°46′N，海拔1456m)，試驗區(qū)地處中溫帶大陸性季風氣候區(qū)，四季分明且年溫差大，年降水量少而集中，7～9月降水量占全年降水量的70%；試驗區(qū)多年平均溫度為3.7℃，7月份月平均氣溫最高為20.7℃；無霜期較短，為90～120d。土壤類型大多為淡栗鈣土，土層較瘠薄，有機質(zhì)含量比較低，氮、磷含量較少，但鉀含量比較豐富。植被類型較為單一，以短花針茅(Stipabreviflora)為建群種,優(yōu)勢種為冷蒿(Artemisiafrigida)、無芒隱子草(Cleistogenessongorica),主要伴生種有銀灰旋花(Convolvulusammannii)、阿爾泰狗娃花(Heteropappusaltaicus)、櫛葉蒿(Neopallasiapectinata)、木地膚(Kochiaprostrata)、狹葉錦雞兒(Calaganastenophylla)等。

1.2 實驗設(shè)計

試驗樣地選在地勢平坦、植被類型分布均一的地塊。本試驗采用裂區(qū)設(shè)計，于2006年5月初開始，以增溫作為主處理因子，施氮作為副處理因子，共設(shè)置12個12m2(3m×4m)的主區(qū)，主區(qū)間距為3m，隨機選取6個主區(qū)進行增溫處理,另外6個作為對照處理。每個主區(qū)被分為2個6m2(3m×2m)的小區(qū)，并隨機選取其中1個小區(qū)進行施氮處理，另1個不施氮，因此有增溫(Warming，W)、氮素添加(Nitrogen addition，N)、增溫與氮素添加共同處理(Warming + Nitrogen，WN)和對照(Control，C)4個處理，每個處理設(shè)置6次重復，共有24個試驗小區(qū)。在增溫主區(qū)上方距離地面2.25m處懸掛一個MSR-2420紅外輻射器(KalgloElectronics Inc. Bethlehem，PA,USA)，其輸出的最大功率為2000W，使用時調(diào)至1600W，常年持續(xù)不間斷加熱。為了消除輻射器遮蔭或其他因素帶來的試驗誤差，在對照主區(qū)相同的位置也安裝了與輻射器大小、形狀相同的倒三角鐵皮模擬加熱器。全年地表增溫幅度平均達到1.3℃，在每年的6月底7月初施氮，以NH4NO3的形式進行噴施，一年一次。施氮率為10g N/m2·a(以純氮計算)，為內(nèi)蒙古草原生態(tài)系統(tǒng)氮素影響植物生長的閾值。為防止NH4NO3揮發(fā)，施氮工作在陰雨天進行，將溶于水中的NH4NO3用噴霧器均勻噴灑在氮素添加小區(qū)，同時在不施氮的小區(qū)噴灑等量的水以避免由于水分所帶來的誤差。

1.3 樣品采集及測定方法

1.3.1樣品采集

用于團聚體篩分的土壤樣品采集于2018年8月，篩分完成后將各粒徑的土壤稱重，取部分樣品風干后使用球磨儀將土壤粉碎，用于測定各粒徑團聚體內(nèi)的有機碳含量。

1.3.2樣品處理及測定

土壤團聚體顆粒分級采用干篩法[13]，用較小的機械外力將土體沿自然紋理斷裂，然后將土壤置于具不同篩孔的Retsch AS200儀器套篩上進行震蕩，設(shè)置1.5mm振幅震動2min，由此將土壤樣品分為大團聚體(>2000μm)、小團聚體(250～2000μm)和微團聚體(<250μm)3個團聚體粒級。篩分完成后，分別稱重，計算各級別機械穩(wěn)定性團聚體的百分含量。各粒徑團聚體中有機碳含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定。

式中，Qi是第i級團聚體碳(氮)儲量百分比(%)；Ci是第i級團聚體碳(氮含量)(g/kg)；Wi是第i級團聚體重量百分數(shù)(%)。

土壤穩(wěn)定性指標分別采用平均重量直徑(Mean weight diameter,MWD)、幾何平均直徑(Geometric mean diameter,GMD)以及分形維數(shù)(Fractal dimension,D)來描述，計算公式如下：

1.4 數(shù)據(jù)分析

使用Excel 2007進行數(shù)據(jù)整理計算，使用SAS 9.4進行方差分析，采用雙因素方差分析對土壤團聚體有機碳含量進行不同處理和粒徑間的雙因素方差分析，使用Sigmaplot 14.0作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 增溫和施氮對土壤團聚體分布特征的影響

試驗結(jié)果表明，在各處理下土壤各粒級團聚體含量總體表現(xiàn)為250～2000μm>250μm>2000μm(圖1)，其中250～2000μm粒級團聚體含量占團聚體總量的36%～44%，大于2000μm粒級團聚體含量占團聚體總量的21%～26%，總體以>250μm占據(jù)優(yōu)勢級。不同處理下對土壤團聚體各粒徑含量的影響無明顯變化。

2.2 增溫和施氮對土壤團聚體穩(wěn)定性的影響

從表1可以看出，在各處理下土壤平均重量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)和分形維數(shù)(D)均有一定的影響，但差異均不顯著(P>0.05)。與對照相比，在施氮處理下MWD和GMD值最低(分別為1.04和1.00)，D值最高(為2.65)；在增溫處理下，MWD和GMD值最高(分別為1.30和1.04)，D值最低(為2.53)；而在增溫+施氮處理下，土壤團聚體3個指標的變化幅度低于單一的增溫處理，但高于單一的施氮處理。

表1 不同處理下土壤團聚體穩(wěn)定性指標

2.3 增溫和施氮對土壤團聚體有機碳含量的影響

從試驗結(jié)果(表2)看出，隨著土壤團聚體粒徑的逐漸減少，在各處理下土壤團聚體內(nèi)有機碳含量均表現(xiàn)為<250μm內(nèi)有機碳含量最高，250～2000μm內(nèi)有機碳含量最少。而在增溫處理下，>2000μm內(nèi)有機碳含量與250～2000μm內(nèi)有機碳含量呈現(xiàn)出顯著差異(P<0.05)，而在其他處理下土壤團聚體各粒徑間無顯著性差異(P>0.05)。與對照相比，在增溫處理下顯著降低了>2000μm內(nèi)有機碳含量(P<0.05)，而對其他土壤團聚體粒徑無顯著(P>0.05)影響；施氮、增溫+施氮處理對各土壤團聚體粒徑也均無顯著(P>0.05)影響。

表2 不同處理下土壤團聚體有機碳含量

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標準差；不同大寫字母表示相同處理不同粒徑間差異顯著(P<0.05)，不同小寫字母表示相同粒徑不同處理間差異顯著(P<0.05)。

不同處理下有機碳儲量變化(表3)無相同規(guī)律性。在對照和增溫處理下，以>2000μm內(nèi)有機碳儲量最高，分別為32.39%和23.46%；250～2000μm內(nèi)有機碳儲量最低，分別為25.36%和17.34%。在施氮、增溫+施氮處理下，則以250～2000μm內(nèi)有機碳儲量最高，分別為32.72%和24.58%；>2000μm內(nèi)有機碳儲量最低，分別為23.16%和21.00%。在相同粒徑下的土壤有機碳儲量變化規(guī)律也不盡相同，除>2000μm內(nèi)有機碳儲量對照表現(xiàn)最高(32.39%)外，其余粒徑下有機碳儲量均表現(xiàn)為在施氮處理下最高，分別為32.72%和28.81%。

表3 不同處理下土壤團聚體有機碳儲量

3 討論

本研究結(jié)果表明，試驗區(qū)內(nèi)在各處理下的土壤團聚體組成以>250μm,即>2000μm和250～2000μm為優(yōu)勢粒級，表明土壤結(jié)構(gòu)良好。增溫增加了土壤團聚體的穩(wěn)定性，但并未呈現(xiàn)出顯著性差異(P>0.05)，表明溫度的增加并未對土壤團聚體的穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著性影響，這與安娜[6]在青藏高原高寒草甸上的實驗結(jié)果不同。一些研究表明，隨著溫度的升高，土壤團聚體的穩(wěn)定性下降[14]，但也有研究認為增溫對于土壤團聚體無顯著影響[15]，造成這種差異的原因可能是由于土壤團聚體的穩(wěn)定性不僅取決于單一因素，還取決于多種因素，例如土壤的溫濕度、土壤性質(zhì)和植物物種等[16]。氮沉降沒有顯著降低團聚體的穩(wěn)定性，這與李小嘉[17]的研究結(jié)果相同，但也有研究表明氮沉降會顯著降低土壤團聚體的穩(wěn)定性[18]。本試驗的研究結(jié)果與前人產(chǎn)生差異的原因，可能是由于氮沉降持續(xù)時間不同、植被不同和土壤類型不同造成的。

本研究表明，長期的增溫僅降低了>2000μm內(nèi)土壤團聚體有機碳含量，而對其他粒徑內(nèi)有機碳含量無顯著影響，產(chǎn)生的原因可能是在增溫條件下枯落物中碳的輸入和礦化過程中碳的輸出產(chǎn)生的平衡[6]。有研究表明，增溫造成的土壤干燥會增加土壤原有有機質(zhì)的礦化[19]，但降低了土壤返還新鮮有機物質(zhì)的分解[20]。在西藏高原高寒草甸的研究表明，無論是短期增溫還是長期增溫，對土壤團聚體的有機碳含量均無顯著影響[21]，這與本研究結(jié)果一致。氮沉降對于團聚體有機碳穩(wěn)定性的影響可能是由于不同團聚體而不同，在本研究中氮沉降僅增加了250～2000μm內(nèi)的有機碳含量，對3個粒級的團聚體有機碳含量并未呈現(xiàn)顯著性差異(P>0.05)。研究表明，施氮肥提高黑壚土中粒徑>2000μm和250～2000μm團聚體中有機碳的含量[22]。劉曉東等通過三年的氮素補充試驗，發(fā)現(xiàn)在不同施氮處理下低氮處理(50kgN/hm2.a)和中氮處理(100kg N/hm2.a)均顯著提高了草甸土壤中>2000μm、250～2000μm和<250μm團聚體粒徑中有機碳的含量[10]。造成這種差異的原因，可能是由于土壤性質(zhì)的差異和氮肥施用的不同，但由于增溫和施氮對于荒漠草原土壤團聚體有機碳含量的影響研究較少，還需要進一步研究和討論。

4 結(jié)論

在內(nèi)蒙古半干旱荒漠草原地區(qū)，土壤團聚體以>250μm(即>2000μm和250～2000μm)為優(yōu)勢粒級，施氮降低了土壤團聚體的穩(wěn)定性，而增溫增加了土壤團聚體的穩(wěn)定性，但均未造成顯著性差異(P>0.05)。增溫顯著降低了>2000μm內(nèi)有機碳含量，對其他粒徑無顯著影響；施氮對土壤團聚體中有機碳含量產(chǎn)生的影響不顯著，有機碳儲量在不同處理和不同粒徑下均無相同的變化趨勢。由此表明，長期的增溫和施氮處理對內(nèi)蒙古半干旱荒漠草原土壤團聚體穩(wěn)定性和有機碳含量均無很明顯的影響，但隨著氣候變化的加劇，或許會對荒漠草原土壤團聚體穩(wěn)定性和C庫造成消極影響。