圍封對內蒙古荒漠草原土壤理化性質及穩(wěn)定碳氮同位素的影響①

朱國棟，郭 娜，呂廣一，王成杰

(內蒙古農業(yè)大學草原與資源環(huán)境學院，呼和浩特 010018)

荒漠草原是內蒙古中西部地區(qū)的主要植被類型，總面積約 11.2 萬 km2，占內蒙古草原總面積的10.7%[1]。盡管荒漠草原生產力較低、穩(wěn)定性較差，但它仍然是內蒙古地區(qū)重要的畜牧業(yè)養(yǎng)殖基地，也是我國北方重要的生態(tài)屏障[2]。近年來，由于受長期的人類生產開發(fā)、超載放牧及全球氣候變化的多重影響[3-4]，導致內蒙古荒漠草原出現了不同程度的退化現象。日益凸顯的草畜矛盾嚴重制約著內蒙古當地社會經濟和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

長期的過度放牧(主要是放牧家畜的采食、踐踏和排泄糞便)會影響草原生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)物質循環(huán)過程，進而使草地土壤的物理化學成分也發(fā)生變化，導致草原退化程度加劇。而圍欄封育作為當前退化草原恢復與重建的最重要措施之一，在各類型退化草原中被廣泛利用[5-6]。大多數學者研究認為圍封有利于土壤養(yǎng)分的增加，對退化草地土壤有著明顯的恢復作用。如李軍保等[7]的研究結果表明，隨著圍封年限的延長，表層土壤容重明顯減小；土壤有機質、全氮含量隨圍封年限的延長呈增加趨勢。梁瀟灑等[8]對遼西退化草地實施圍封后的研究結果說明圍封提高了草地碳固持能力，且隨圍封年限的增加植物碳儲存量分別提高了5 倍和8.39 倍，土壤碳庫分別提高了43%和94%。但尹亞麗等[9]的研究結果認為，長期圍封禁牧對輕度退化草地土壤養(yǎng)分和土壤微生物無明顯影響，且會造成牧草資源浪費，適度放牧可以保持草地資源的可持續(xù)利用。

近年來有關圍欄封育對草原生態(tài)系統(tǒng)的影響方面的研究主要集中在植物多樣性和土壤理化性質上，而且由于土壤系統(tǒng)的復雜性、草地類型的多樣性以及圍封年限和圍封前草地放牧方式、強度的不同，圍封對草地土壤理化性質的影響也沒有統(tǒng)一的結論，針對內蒙古退化荒漠草原實施圍封后土壤穩(wěn)定碳、氮同位素變化特征的研究也鮮有報道。穩(wěn)定碳同位素(δ13C)組成能有效闡明土壤有機質的分解程度、土壤有機碳組分變化和含量的微小轉化和遷移；穩(wěn)定氮同位素(δ15N)能夠在一定的時間和空間上綜合反映土壤氮循環(huán)特征，也是探究生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)與評價生態(tài)系統(tǒng)氮效應的一個重要指標[10-11]。因此，本研究以內蒙古高原地帶的荒漠草原為研究對象，選取自由放牧為對照，探討不同圍封年限(3 a 和5 a)恢復措施下土壤理化性質及穩(wěn)定碳、氮同位素的變化，以期為監(jiān)測草原退化提供新的微觀指標，最終為退化草地的恢復治理及草地資源的可持續(xù)利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于內蒙古自治區(qū)包頭市達爾罕茂明安聯合旗希拉穆仁鎮(zhèn)以南，距離鎮(zhèn)政府大約 3 km(41°15′15 ″ N, 111°13′32 ″ E，海拔1 687 m)。其氣候類型屬于中溫帶半干旱大陸性季風氣候，春、秋季常表現為氣候干旱，且多伴有風，降雨量少，夏季是雨季，降水量較充足，冬季則寒冷且干燥，年均年降水量為280 mm，蒸發(fā)量為降水量的8 倍多，降雨主要集中在7—9 月；年均溫度相對較低，全年≥10℃有效積溫1 985 ～ 2 800℃，年平均日照總時數3 200 h，無霜期較短，為83 d；春、冬季寒冷皆以北風或西北風為主要風向，全年風級較高日數可達63 d。試驗地土壤類型為粟鈣土，土質較為粗糙。其主要植被為克氏針茅(Stipa krylovii)、冷蒿(Artemisia frigide)、羊草(Leymus chinense)、短花針茅(Stipa breviflora Griseb)、木地膚(Kochia prostrata schrad)、冰草(Agropyron desertorum)等。試驗區(qū)草疏不盛、草層低矮，大約8月為草最茂盛的時期。

1.2 試驗設計

2014 年與2016 年選擇位于內蒙古中西部希拉穆仁退化荒漠草原實行圍欄封育措施，即到試驗研究采集樣品時(2018 年)圍封的年限分別為5 a 和3 a。每次圍封時均設置3 個平行樣地，每個樣地的面積為1.2 hm2。同時在圍欄外自由放牧草地設置3 個面積相同的平行樣地作為對照區(qū)。試驗共9 個樣地。自由放牧時間從每年的6 月初開始，到9 月底結束，共持續(xù)4 個月。自由放牧樣地主要放牧家畜為成年蒙古羯羊，放牧強度約2.9 只羊單位/ (hm2·半年)，屬于重度放牧樣地[12]。

1.3 土壤取樣與測定分析

于2018 年9 月下旬分別在每個樣地隨機布設3個采樣點，用內徑4 cm 的土鉆取0 ～ 10 cm 深度的土壤樣品，每個取樣點土壤取3 鉆混合，作為1 個重復，除去石頭、根系等雜物后裝入密封袋中帶回實驗室測定土壤理化性質和穩(wěn)定碳、氮同位素值。另外用容積為 100 cm3的環(huán)刀在每個樣地內隨機取表層土壤(0 ～5 cm)樣品2 份，測定土壤容重。

土壤理化性質的測定方法：用環(huán)刀法測定土壤容重，土壤含水量用烘干法測定。土壤全氮和全碳含量含量采用元素分析儀(Elementar Vario MACRO CUBE(德國))測定，樣品的C/N 比值為測定的全碳含量與全氮含量的比值。

土壤樣品有機碳含量及其碳、氮同位素值的測定：風干研磨過篩后的土壤樣品，加入 0.5 mol/L HCl酸化6 h 以去除無機碳，再用去離子水反復淋洗樣品直至濾液呈中性，然后在65℃條件下干燥。完成處理后的樣品送到內蒙古農業(yè)大學草地資源教育部重點實驗室穩(wěn)定性同位素分析室進行分析，用元素分析儀(Elementar Vario MACRO CUBE)和同位素質譜儀(Isoprime 100(德國))聯用測定有機碳含量及穩(wěn)定碳、氮同位素組成，計算公式為：

式中：R為同位素比值，R下標中的C、N 和“樣品”“標準”為測定的同位素“碳”“氮”和測定的“待測樣品”“標準樣品”。13C/12C 和15N/14N 分別對應于國際標準 ViennaPDB 與大氣中的氮標準，分析誤差為＜±0.2‰，測定的穩(wěn)定碳、氮同位素值用標準樣品校正即可。

1.4 數據分析

采用 Microsoft Excel 2007 對數據進行錄入和整理。采用 SPSS 21.0 統(tǒng)計軟件對不同圍封年限的土壤數據進行 One-way ANOVA 分析，并采用Duncan 法檢驗顯著性；采用Pearson 相關方法分別檢驗土壤有機碳、全氮與其對應的穩(wěn)定碳、氮同位素的相關關系。

2 結果

2.1 不同圍封年限對荒漠草原土壤理化性質的影響

由表1 可以看出，不同圍封年限對內蒙古退化荒漠草原的土壤理化性質產生了顯著的影響。圍封3、5 a 和自由放牧樣地的土壤容重(單位為g/cm3)分別為1.30 ± 0.04、1.22 ± 0.08 和 1.37 ± 0.03。與自由放牧樣地相比，圍封3 a 和圍封5 a 的樣地土壤容重顯著降低了5.1%(P＜0.05)和10.9%(P＜0.01)。說明圍封顯著降低了內蒙古退化荒漠草原土壤容重，且隨圍封年限的增加，土壤容重逐漸降低。不同圍封年限內，土壤含水量(以質量分數計)的大小順序為圍封 5 a(19.20% ± 0.19%)＞圍封3 a(18.50 %± 0.82%)＞自由放牧(17.74 %± 0.28%)，表明圍封顯著增加了土壤的含水量(P＜0.05)。

圍封3 a 和5 a 后，土壤表層(0 ～ 10 cm)有機碳含量顯著增加(P＜0.05)，并且與自由放牧樣地相比，在圍封5 a 后表現出極顯著差異(P＜0.01)。土壤全碳含量(單位為g/kg)與土壤有機碳含量(單位為g/kg)的變化規(guī)律一致，即圍封 5 a(17.57 ± 0.88)＞圍封3a(16.33 ± 0.66)＞自由放牧(15.59 ± 0.80)。圍封5 a 樣地相比圍封3 a 和自由放牧樣地顯著增大(P＜0.01)。圍封3 a 與自由放牧樣地相比，土壤全碳含量差異不顯著(P＞0.05)。與兩種不同年限圍封樣地相比，自由放牧樣地土壤全氮含量分別顯著升高 7.6% 和5.1%(P＜0.01)，而圍封5 a 樣地土壤全氮含量略高于圍封3 a 樣地，但并未表現出顯著性差異(P＞0.05)。圍封3 a 和圍封5 a 樣地的土壤碳氮比(C/N)均顯著高于自由放牧樣地(P＜0.01)，并且圍封5 a 樣地土壤C/N顯著大于圍封3 a 樣地(P＜0.05)。以上結果表明，圍封雖然在一定年限內降低了土壤的肥力，但是隨著圍封年限的增長，土壤的肥力表現出增大的趨勢；并且圍封顯著增加了草地的固碳能力，在一定程度上也促進了草地的生長。

表1 不同圍封年限對荒漠草原土壤理化性質的影響Table 1 Effects of enclosure on soil physiochemical properties in desert steppe

2.2 不同圍封年限對荒漠草原土壤碳、氮同位素組成的影響

圍封對內蒙古退化荒漠草原土壤碳、氮同位素組成的影響較大。自由放牧的樣地土壤δ13C 值的變化范圍為 -24.47‰ ～ -23.79‰，平均值為-24.1‰ ± 0.25‰，圍封3 a 和5 a 后土壤δ13C 的平均值分別為 -24.36‰ ± 0.21‰ 和 -24.59‰ ±0.21‰。與自由放牧樣地相比，圍封3 a 后土壤δ13C值降低 1.1%，經方差分析差異顯著(P＜0.05)；圍封5 a 后土壤δ13C 值降低2.0%，并表現出極顯著差異(P＜0.01)。圍封5 a 后土壤δ13C 值顯著低于圍封3 a 的樣地(P＜0.05)(圖1A)。這表明在一定圍封年限內，隨著圍封年限的增加，土壤的δ13C 值逐漸減小。土壤δ15N 值表現出與土壤δ13C 值一樣的變化趨勢，即自由放牧(3.85‰ ± 0.43‰)＞圍封 3 a(3.46‰ ± 0.46‰)＞圍封5 a(3.22‰ ± 0.29‰)(圖1B)。與自由放牧樣地相比，圍封3 a 后土壤δ15N值降低10.1%，差異達顯著水平(P＜0.05)；圍封5 a后土壤δ15N 值降低16.4%，差異達到極顯著水平(P＜0.01)。圍封5 a 土壤δ15N 值相比圍封3 a 土壤降低6.9%，但差異不顯著(P＞0.05)。說明土壤δ15N值隨圍封年限的增加顯著降低。

圖1 不同圍封年限對荒漠草原土壤的δ13C 和δ15N 值的影響Fig. 1 Effects of enclosure on soil δ13C and δ15N in desert steppe

2.3 土壤碳、氮同位素與其對應有機碳、全氮含量的關系

將不同圍封年限與自由放牧條件下全部土壤的有機碳與全氮含量與其對應的δ13C 和δ15N 值進行線性回歸，結果表明，土壤δ13C 值與有機碳含量存在顯著的線性負相關關系(P＜0.05，R2= 0.18，圖2A)，土壤δ13C 值與有機碳含量的回歸方程為y= -0.088 3x-23.149，說明土壤有機碳含量越高，土壤δ13C 值越小。而土壤δ15N 值與全氮含量存在極顯著的線性正相關關系(P＜0.01，R2=0.31)(圖2B)。土壤δ15N 值與全氮含量的回歸方程為y=3.257 4x-2.267 3，說明隨著土壤全氮含量的增加土壤δ15N 值增大。

3 討論

3.1 不同圍封年限對荒漠草原土壤物理性質的影響

土壤容重不僅是判斷土壤緊實度的重要指標，還能夠表明土壤的退化趨勢。本研究發(fā)現，圍封顯著改變了退化荒漠草地的土壤容重和含水量。圍封樣地的土壤容重顯著小于自由放牧樣地，并且隨著圍封年限的增長逐漸減小。而土壤含水量則表現出與土壤容重相反的變化趨勢，即隨圍封年限的增長逐漸增加。這是因為一方面圍封直接消除了家畜對草地表面土層的踐踏，降低了土壤緊實度，使土壤空隙度增大[13]，土壤滲透性增加，導致土壤容重變小，土壤含水量增加。另一方面因為圍封排除了家畜對植被的采食，為植被的生長提供了有利環(huán)境，植物根系生長也能降低土壤容重[14]，同時圍封導致樣地內植被的蓋度、高度、密度、生物量以及地表凋落物的數量增大，減少了地表的裸露程度，從而減弱了表層土壤水分的蒸散發(fā)，使得土壤含水量增加。此結果表明，圍封改善了退化荒漠草原土壤的物理性質。這與李洋等[15]對青海省圍封2 a的高寒草甸和劉建等[16]對寧夏鹽池縣不同圍封類型19 a 和圍封 8 a 的沙化草地的研究結果相一致。

圖2 土壤有機碳和全氮含量與其對應的δ13C 和δ15N 值的相關關系Fig. 2 Correlation between contents of soil organic carbon and total nitrogen with corresponding values of δ13C and δ15N

3.2 不同圍封年限對荒漠草原土壤有機碳及其碳同位素組成的影響

土壤有機碳是影響土壤質量的重要因素，其含量變化是土壤質量和營養(yǎng)狀況演變的重要標志，也是判斷草原退化的敏感指標。而土壤穩(wěn)定碳同位素(δ13C)組成能有效闡明土壤有機質的分解程度、土壤有機碳組分變化和含量的微小轉化和遷移。本研究中，與自由放牧樣地相比，不同圍封年限處理表層土壤有機碳含量和全碳含量均顯著增加，說明圍封促進了退化荒漠草原有機質的積累。這主要是因為圍封減少了放牧干擾，增加了樣地內地表植被生物量和植被蓋度[17]，提高了草地初級生產力及凋落物的積累，使輸入土壤中的有機碳數量增加，同時也提高了富含12C 的新近形成有機碳對富含13C 的老土有機碳的“稀釋”程度[18]。自由放牧樣地相比圍封樣地，放牧家畜對植被莖干以上部分(主要是植物葉片和部分莖)的采食更為嚴重，導致最后輸入土壤的有機質主要來自植被的莖干部分。而Badeck 等[19]的研究結果表明，葉片平均δ13C 值比莖干低 0. 96‰，本課題之前對該研究區(qū)植被不同器官的δ13C 值的測定也表明，植物葉片的δ13C 值平均比植物莖的δ13C 值低0.87‰。這表明與圍封相比，自由放牧樣地土壤中輸入了富集δ13C值的有機物質，進一步增加了自由放牧樣地土壤有機碳的δ13C 值。所以圍封3 a 和5 a 樣地相比自由放牧樣地，表層土壤(0 ～ 10 cm)有機碳的δ13C 值分別偏負0.26‰ 和0.49‰。另外，圍封增加土壤中有機物質輸入的同時有效減少了水、風等的侵蝕，也消除了家畜的踐踏行為使表層土壤有機碳的分解速率減緩，提高了土壤碳固持能力，從而使土壤有機質含量升高[8,20]。在土壤有機碳分解過程中微生物優(yōu)先利用12C[21]，使殘留的有機質富集13C，因為圍封減緩了這一分解過程，所以使得圍封樣地土壤有機質的δ13C 值比自由放牧樣地更低。此研究結果與旦增塔慶等[22]對西藏高寒草甸實施圍封(5、7、11 a)和趙云飛等[23]對若爾蓋退化草甸的研究結果相一致。本研究區(qū)域土壤有機碳含量與δ13C 值呈顯著負相關關系(P＜0.05)，說明土壤有機碳含量越高，土壤δ13C 值越小，這與王毛蘭等[24]的研究結果相似。

3.3 不同圍封年限對荒漠草原土壤全氮及其氮同位素組成的影響

土壤全氮是評價土壤質量的重要指標之一，不僅直接影響著土壤肥力和植物生長，而且在全球氣候變化及氮循環(huán)中發(fā)揮重要作用[25]。針對圍封對退化草地土壤全氮含量影響的研究結果并不一致。多數學者的研究結果均表明，圍封提髙了土壤全氮等養(yǎng)分的含量[26]。而張云舒等[27]對新疆博格達山北坡圍欄封育7 a 的荒漠草地土壤養(yǎng)分研究結果表明，圍欄封育后土壤全氮含量幾乎沒有變化。本研究中，圍封樣地的土壤全氮含量顯著低于自由放牧樣地。一方面是由于自由放牧有利于提高氮的循環(huán)速率及可利用性，例如牧草被家畜采食后的再生促進氮素向地上植物幼嫩器官重新運輸分配，結合自由放牧樣地家畜的糞便較多，提供了大量的有機氮源，逐漸增加土壤全氮含量。此外，牲畜排泄物增加了可利用氮的同時由于氨揮發(fā)發(fā)生比較強烈的分餾效應，使較多含輕氮(14N)的物質流失，重氮(15N)物質剩余，從而也會造成土壤表層15N 的斑塊化分布和δ15N 顯著增加[28]。另一方面，圍封降低了土壤容重，使土壤呼吸提高，凋落物氮固持和地上立枯生物量增加，同時使土壤微生物轉化率和凈氮礦化下降，進而導致封育后土壤氮素降低。相反地，放牧提高了土壤的凈氮礦化速率，促進淋溶、揮發(fā)和反硝化等過程，增加貧化15N 的流失，形成一個開放的氮系統(tǒng)，從而引起土壤δ15N 值的增加[29]。因此，本研究中自由放牧樣地經過圍封處理后土壤δ15N值顯著降低，并且有隨圍封年限增加逐漸減低的趨勢，而土壤全氮隨圍封年限的增長有增加的趨勢，說明圍封有利于減緩土壤氮循環(huán)過程。此研究結果與前人的研究結果一致[30]。但也有研究認為長期的放牧導致氮循環(huán)速率降低，土壤的δ15N 值也隨之降低。例如，吳田鄉(xiāng)等[31]對內蒙古典型草原生態(tài)系統(tǒng)的研究也發(fā)現，放牧顯著降低了0 ～ 20 cm 土壤δ15N 值。本研究中土壤δ15N 值與全氮含量存在極顯著的線性正相關關系(P＜0.01)。張青青等[32]在天山北坡山地草原的研究中發(fā)現，無論在放牧還是圍封條件下，隨著土壤全氮含量的增加土壤δ15N 值均表現為先降低后增加的變化趨勢。當土壤全氮含量大約低于1 g/kg 時，土壤全氮含量與土壤δ15N 值成負相關關系，而當土壤全氮含量高于1 g/kg 時則表現出正相關關系。本研究中不管是自由放牧樣地還是圍封樣地土壤全氮含量均大于1.5 g/kg，因此本研究與其有相似的結果。

3.4 不同圍封年限對荒漠草原土壤碳氮比的影響

土壤碳氮比(C/N)可以反映土壤有機質在分解過程中的礦化效率，較低的C/N 有利于土壤的礦化作用，土壤 C/N 與有機質的分解速率呈反比。一般情況下，C/N 低的土壤有機碳的分解速率較快[33]，會有更多的12CO2從土壤中釋放，導致剩余土壤碳庫富集13C，所以相比圍封樣地，自由放牧樣地土壤δ13C 值更大。本研究中不同圍封年限土壤C/N 均顯著高于自由放牧樣地(P＜0.01)，并且圍封5 a 后土壤C/N 顯著大于圍封3a 樣地(P＜0.05)。退化荒漠草原實施圍封后，植物群落蓋度和地上生物量增加，導致有機物輸入量增加，土壤有機質分解速率減慢，有機碳含量消耗減少，同時放牧家畜糞便增加了自由放牧樣地的全氮含量，因此圍封樣地土壤 C/N 較高，這與劉憶軒等[34]的研究結論一致。說明圍封在一定程度上不利于土壤的礦化作用，有機質分解速率降低，從而有利于有機碳的積累。

4 結論

1)與自由放牧相比，圍封顯著增加了土壤含水量、有機碳含量、全碳含量以及C/N(P＜0.05)，并且隨圍封年限的增長而增大。而土壤容重則表現出相反的變化，即隨圍封年限的增長而顯著減小(P＜0.05)。土壤全氮含量則是自由放牧樣地顯著高于圍封樣地(P＜0.05)，表明放牧顯著增加了土壤的全氮含量?？傮w來說，圍封改善了內蒙古荒漠草原土壤狀況。

2)內蒙古荒漠草原土壤δ13C 值和δ15N 值表現出一致的變化規(guī)律：相比自由放牧樣地，圍封顯著降低了土壤的δ13C 值和δ15N 值，且隨圍封年限的增加逐漸減小(P＜0.05)。研究區(qū)域土壤有機碳、全氮含量與其穩(wěn)定同位素相互間有顯著的相關性。

3)圍封有利于促進退化荒漠草原土壤有機碳的積累，減緩土壤氮循環(huán)，改善土壤性質。但其恢復的具體過程和機理，還需要更全面深入的研究來揭示。