修復(fù)措施對(duì)科爾沁鹽堿化草地枯落物分解的影響*

吳 朝，占布拉,*，王明玖，艷 秀

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草原與資源環(huán)境學(xué)院/草地資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部飼草栽培、加工與高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/內(nèi)蒙古自治區(qū)草地管理與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，呼和浩特 010018;2.通遼市科爾沁左翼中旗草原工作站,內(nèi)蒙古 ?？?029300)

在草地生態(tài)系統(tǒng)中，枯落物是生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分供應(yīng)的主要補(bǔ)給者，其產(chǎn)生、積累和分解直接或間接影響著植物的萌發(fā)、保護(hù)和群落的演替,在改善生態(tài)環(huán)境及提高生產(chǎn)力的過(guò)程中起著重要作用[1～2]。草地植物通過(guò)從土壤中吸收養(yǎng)分，除供自身生長(zhǎng)外又以枯落物的形式把部分生物量歸還到草地，經(jīng)過(guò)碎裂、異化和淋溶3個(gè)過(guò)程將養(yǎng)分釋放到土壤[3]，為植物根系吸收養(yǎng)分提供來(lái)源，從而保證植物對(duì)養(yǎng)分的再利用，實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部化學(xué)元素的交換[4～5]?？茽柷卟菰莾?nèi)蒙古草原的重要組成部分，由于氣候變化及過(guò)度放牧等自然和人為因素，導(dǎo)致90%的草原發(fā)生不同程度的退化，出現(xiàn)水土流失、裸地面積增大和生產(chǎn)力降低等問(wèn)題[6]。草地鹽堿化是草地退化的主要類(lèi)型，現(xiàn)階段對(duì)其管理的重點(diǎn)是植被恢復(fù)、可持續(xù)經(jīng)營(yíng)和利用。目前，國(guó)內(nèi)大多數(shù)學(xué)者的研究多集中在枯落物分解的環(huán)境因子、養(yǎng)分動(dòng)態(tài)和枯落物種類(lèi)的差異上，而對(duì)鹽堿化草地植被修復(fù)與枯落物分解之間的相關(guān)性研究較少?；诖吮尘?，本文研究了科爾沁鹽堿化草地枯落物分解對(duì)不同修復(fù)措施的響應(yīng)，以找出其分解規(guī)律，為鹽堿化草地植被恢復(fù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于科爾沁草原西北部的通遼市扎魯特旗，海拔高度為265m，地處121°12′23.151″E、44°33′139.007″N，試驗(yàn)期間(2019年10月～2020年10月)年均氣溫7.6℃，年降水量387.6mm，土壤為鹽堿土。中度鹽堿化草地的植物以羊草(Leymuschinensis)為主，伴有冰草(Agropyroncristatum)、糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)、達(dá)烏里胡枝子(Lespedezadavurica)、多根蔥(Alliumpolyrhizum)、野韭(Alliumramosum)、鋒芒草(Tragusracemosus)等；重度鹽堿化草地的植被稀疏且種類(lèi)貧乏，以一年生植物為主，主要有堿地膚(Kochiasieversiana)、堿蓬(Suaedasalsa)和虎尾草(Chlorisvirgata)等。試驗(yàn)地圍封于2017年7月。

1.2 研究方法

依據(jù)《天然草地退化、沙化、鹽漬化的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》[7]，將草地分為中度鹽堿化(M)和重度鹽堿化(H)2個(gè)梯度。試驗(yàn)采取完全隨機(jī)裂區(qū)設(shè)計(jì)，設(shè)3個(gè)處理：以不做任何措施的處理作為對(duì)照(CK)，以施有機(jī)肥(有機(jī)肥30～50 m3/hm2)的處理(O)和進(jìn)行鋪沙(鋪沙厚度10～15 cm)的處理(S)作為修復(fù)處理。每個(gè)處理面積為144m2(12m×12m)，3次重復(fù)，小區(qū)分別標(biāo)記為MCK(中度鹽堿化對(duì)照)、MO(中度鹽堿化施有機(jī)肥)、MS(中度鹽堿化鋪沙)、HCK(重度鹽堿化對(duì)照)、HO(重度鹽堿化施有機(jī)肥)、HS(重度鹽堿化鋪沙)。每個(gè)小區(qū)隨機(jī)設(shè)置3個(gè)1m2(1m×1m)的樣方放置枯落物，為模擬自然狀態(tài)下的分解，保證枯落物能與地表緊密接觸，將地表植物及枯落物去除。在封育草地中隨機(jī)布設(shè)10個(gè)1m2(1m×1m)的樣方，收集樣方中當(dāng)年新形成的枯落物。將收集的枯落物剪成5cm小段后在65℃下烘干至恒重，混合均勻后分別裝入10cm×15cm孔徑為1mm的尼龍網(wǎng)袋中，每袋裝10g(同時(shí)取一部分未裝袋的樣品測(cè)定其初始化學(xué)組成)。于2019年10月初將裝有枯落物的網(wǎng)袋放于樣方中用竹簽固定四角，每小區(qū)放置12個(gè)枯落物袋，3次重復(fù)，6個(gè)小區(qū)共216袋。按照季節(jié)動(dòng)態(tài)即2020年1月、4月、7月和10月初收集樣品，每個(gè)小區(qū)取3袋樣品帶回實(shí)驗(yàn)室。清除枯落物表面附著的泥土和其他雜質(zhì)后，從分解網(wǎng)袋轉(zhuǎn)移至信封中，置于烘箱65℃下烘48h，稱(chēng)重并記錄枯落物樣品的剩余質(zhì)量。粉碎后過(guò)40目篩，放置于干燥陰涼處待測(cè)。

1.3 測(cè)定指標(biāo)

枯落物初始化學(xué)含量測(cè)定指標(biāo)包括干物質(zhì)、纖維素、木質(zhì)素、全碳(C)、全氮(N)和全鉀(K)。其中，干物質(zhì)采用烘干法測(cè)定；纖維素和木質(zhì)素含量采用 Van Soest 酸性洗滌法測(cè)定；全碳(C)和全氮(N)含量用元素分析儀(Elementar vario MACRO CUBE)測(cè)定；全鉀(K)含量用火焰光度計(jì)測(cè)定。測(cè)定結(jié)果列表1。

表1 枯落物的初始化學(xué)性質(zhì)(g/kg)

1.4 數(shù)據(jù)處理與計(jì)算

枯落物質(zhì)量殘留率(RW)計(jì)算公式為：

RW=mt/m0×100%

式中：mt為t時(shí)刻枯落物烘干質(zhì)量(g)；m0為枯落物的初始烘干質(zhì)量(g)。

元素殘留率(RN)計(jì)算公式為：

RN=(ct×mt)/(c0×m0)×100%

式中：ct為t時(shí)刻枯落物元素含量(g/kg)；c0為初始元素含量(g/kg)。

數(shù)據(jù)利用Excel 2010錄入及整理分析，使用Sigmaplot 14.0制圖，運(yùn)用SAS 9.2進(jìn)行方差分析及相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 修復(fù)措施對(duì)枯落物殘留率的影響

從表2可以看出，經(jīng)過(guò)1年時(shí)間的分解，兩種退化梯度的枯落物在3種處理間具有相同的分解規(guī)律，均存在著慢速、快速兩個(gè)分解階段。枯落物在分解前期(前9個(gè)月內(nèi))分解速率較慢，僅中度鹽堿化草地的S處理質(zhì)量殘留率顯著(P<0.05)低于CK和O處理；分解12個(gè)月時(shí)，2種退化草地枯落物質(zhì)量殘留率表現(xiàn)為：中度鹽堿化草地>重度鹽堿化草地，3種處理間呈顯著差異(P<0.05)，表現(xiàn)為S處理>O處理>CK。CK的質(zhì)量殘留率在中度鹽堿化草地和重度鹽堿化草地中分別低于S處理(鋪沙)14.11%和14.64%，低于O處理(施有機(jī)肥)6.49%和5.04%。

表2 不同退化草地修復(fù)處理枯落物質(zhì)量殘留率變化

2.2 修復(fù)措施對(duì)枯落物纖維素和木質(zhì)素的影響

2.2.1對(duì)纖維素和木質(zhì)素含量的影響

隨著枯落物分解時(shí)間的延長(zhǎng)，6個(gè)處理中枯落物纖維素及木質(zhì)素含量均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，并伴有先快后慢的規(guī)律。從整體分解情況看，枯落物在重度鹽堿化草地纖維素含量高于中度鹽堿化草地。在分解1年后，枯落物纖維素含量的大小依次為HS>HO>MO>MCK>MS>HCK，其中含量最高的HS(540.6g/kg)與最低的HCK(489.2g/kg)之間相差5.14%。試驗(yàn)期間，木質(zhì)素含量在處理間差異波動(dòng)較大，中度鹽堿化草地木質(zhì)素含量高于重度鹽堿化草地，分解1年后枯落物木質(zhì)素含量的大小依次為MCK>MO>HO>MS>HCK>HS，其中含量最高的MCK(183.0g/kg)與最低的HS(120.9g/kg)之間相差6.21%，詳見(jiàn)圖1。

圖1 不同修復(fù)處理枯落物纖維素及木質(zhì)素含量變化

2.2.2對(duì)纖維素和木質(zhì)素殘留率的影響

由表3可以看出，在枯落物分解期間纖維素和木質(zhì)素殘留率均呈增加趨勢(shì)?？萋湮镌谥囟塞}堿化草地分解第3個(gè)月，纖維素殘留率處理HS顯著低于HO和HCK(P<0.05)；分解6個(gè)月時(shí)HO顯著低于HS(P<0.05)；分解12個(gè)月時(shí),兩種鹽堿化草地的纖維素殘留率處理S和處理O均顯著高于CK(P<0.05)。木質(zhì)素殘留率在中度鹽堿化草地分解3個(gè)月時(shí)，處理MCK顯著高于MS(P<0.05)；分解6個(gè)月時(shí)，處理MO顯著高于MS(P<0.05)；在重度鹽堿化草地分解12個(gè)月時(shí)，木質(zhì)素殘留率處理S和處理O顯著高于CK(P<0.05)。

表3 修復(fù)處理枯落物纖維素及木質(zhì)素殘留率變化

2.3 修復(fù)措施對(duì)枯落物C、N、K元素的影響

2.3.1對(duì)C、N、K元素含量的影響

從圖2可以看出，6種修復(fù)處理枯落物C含量在分解前9個(gè)月變化規(guī)律不一致，且處理間差異波動(dòng)較大，到9～12個(gè)月時(shí)有急劇減少的趨勢(shì)，其中處理MCK的C含量最高。N含量在分解前3個(gè)月處理間差異較大，除處理MCK外其他5個(gè)處理均有N富集現(xiàn)象，其中HS處理N含量最高，其次為MO和MS處理，HCK和HO處理富集不明顯。分解3～6月時(shí)，HS處理N含量減少明顯，其他5個(gè)處理變化不大；在分解6～9個(gè)月時(shí)，6個(gè)處理N含量均減少，在分解9～12個(gè)月時(shí)上升。K含量在整個(gè)分解過(guò)程中總體呈下降趨勢(shì)，且表現(xiàn)出中度鹽堿化草地含量高于重度鹽堿化草地的特征。

圖2 不同修復(fù)處理枯落物C、N、K元素含量變化

2.3.2對(duì)C、N、K元素殘留率的影響

由表4和表5可以看出，兩種退化草地枯落物隨著分解時(shí)間的延長(zhǎng)，C、K殘留率均呈下降趨勢(shì)。中度鹽堿化草地C殘留率CK處理最低，分解第6個(gè)月和第9個(gè)月顯著低于其他兩個(gè)處理，其次為處理O，S處理的C殘留率最高。重度鹽堿化草地分解前3個(gè)月C殘留率S處理顯著低于O處理，分解12月時(shí)兩種退化草地C殘留率從大到小均為S>O>CK，重度鹽堿化草地差異范圍要大于中度鹽堿化草地，中度鹽堿化草地C殘留率在54.03%～63.03%，重度鹽堿化草地殘留率在41.6%～65.2%，分別相差9%和23.6%。

表4 中度鹽堿化草地不同修復(fù)處理枯落物C、N、K元素殘留率

表5 重度鹽堿化草地不同修復(fù)處理枯落物C、N、K元素殘留率

枯落物N殘留率在兩種鹽堿化草地均為處理CK最低，處理S和處理O在分解前6個(gè)月增加，6～12月減少。中度鹽堿化草地分解前6個(gè)月，CK處理N殘留率顯著低于S處理和O處理，其次為S處理，O處理的N殘留率最高。重度鹽堿化草地分解第3個(gè)月和第12個(gè)月，S處理N殘留率顯著高于CK處理和O處理；分解第6個(gè)月，S處理N殘留率顯著高于O處理。分解1年時(shí)，中度鹽堿化草地N殘留率高于重度鹽堿草地，中度鹽堿化草地N殘留率為71.7%～83.09%，重度鹽堿化草地為54.05%～81.28%。

在分解6個(gè)月時(shí)，中度鹽堿化草地枯落物K殘留率處理S和O顯著高于CK；分解9個(gè)月時(shí)，S處理顯著高于CK和O處理；分解12個(gè)月時(shí)，3個(gè)處理K殘留率均呈顯著差異，其中S處理最高，其次為O處理，CK處理最低，K殘留率差異在16.12%～35.12%，殘留率相差一倍以上(19%)。重度鹽堿化草地分解9個(gè)月時(shí)，K殘留率O處理顯著高于CK和S處理；分解12月時(shí)，K殘留率在15.87%～20.81%間，殘留率及差異范圍均低于重度鹽堿化草地。

2.4 修復(fù)處理枯落物殘留率及元素含量之間的關(guān)系

由表6可以看出，枯落物在1年的分解過(guò)程中，6個(gè)處理枯落物殘留率與元素的相關(guān)性方向一致，但相關(guān)性存在差異。在中度鹽堿化草地，枯落物殘留率與C、K、木質(zhì)素含量之間的相關(guān)性均達(dá)到極顯著水平，與N含量和纖維素含量相關(guān)關(guān)系未達(dá)到顯著水平。在3種處理中分別表現(xiàn)為：MCK枯落物殘留率與C和木質(zhì)素含量相關(guān)性達(dá)到顯著水平；MS枯落物殘留率與C、K含量相關(guān)性達(dá)到顯著水平，與木質(zhì)素含量相關(guān)性達(dá)到極顯著水平；MO枯落物殘留率與C含量相關(guān)系數(shù)為0.99，達(dá)到極顯著水平，與木質(zhì)素含量相關(guān)系數(shù)為-0.99，達(dá)到顯著水平。

表6 不同修復(fù)處理枯落物殘留率與元素組成的相關(guān)性

重度鹽堿化草地中枯落物殘留率與C含量相關(guān)性達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，與K含量達(dá)到顯著水平(P<0.05)，與N、纖維素和木質(zhì)素含量之間相關(guān)關(guān)系未達(dá)到顯著水平(P>0.05)。在3種處理中分別表現(xiàn)為：HCK和HO處理枯落物殘留率與C含量相關(guān)性達(dá)到極顯著水平(P<0.01)；HS枯落物殘留率與C含量達(dá)到顯著水平(P<0.05)?？傮w來(lái)看，枯落物殘留率與C含量在所有處理中均顯著相關(guān)(P<0.05)；與N含量和纖維素含量呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)性較高但不顯著(P>0.05)；與K含量只在MS處理中顯著相關(guān)(P<0.05)；與木質(zhì)素含量在中度鹽堿化草地呈顯著相關(guān)(P<0.05)，在重度鹽堿化草地相關(guān)性不顯著(P>0.05)。

3 討論

在本研究中，枯落物初期(前9個(gè)月)的分解速率比在中國(guó)北方內(nèi)蒙草原上進(jìn)行的類(lèi)似研究要慢，經(jīng)過(guò)180d的分解后，中度鹽堿化草地的對(duì)照、鋪沙和施有機(jī)肥小區(qū)分解率均不到10%，而之前在自然環(huán)境條件下進(jìn)行的研究，克氏針茅(主要是莖)和雙齒蔥(主要是葉)經(jīng)過(guò)100d的分解殘留率減少約12%和27%[8]。本研究枯落物分解速率之所以緩慢，可能是由于本試驗(yàn)在鹽堿地進(jìn)行且試驗(yàn)前9個(gè)月缺乏有效降水，從而抑制了微生物活性，導(dǎo)致分解速率變緩。王常順在植被恢復(fù)對(duì)枯落物分解的影響研究中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的恢復(fù)植物體中物質(zhì)成分發(fā)生了顯著變化，植被恢復(fù)不僅改變枯落物質(zhì)量，同時(shí)也會(huì)引起群落微環(huán)境的變化[9]。本研究結(jié)果表明，枯落物在3年的圍封修復(fù)處理樣地，經(jīng)1年試驗(yàn)期的分解表現(xiàn)為中度鹽堿化草地質(zhì)量殘留率高于重度鹽堿化草地，3種修復(fù)措施枯落物分解速率表現(xiàn)為對(duì)照>施有機(jī)肥>鋪沙，這可能是由于鹽堿地含有較多的水溶性鹽或堿性物質(zhì)所致，因?yàn)辂}分多、堿性大、土壤水分充足時(shí)土壤腐殖質(zhì)遭到淋失的程度就會(huì)加大，從而導(dǎo)致了這種結(jié)果的出現(xiàn)。

在不同植被類(lèi)型與環(huán)境條件下，枯落物的分解速率及其影響因子存在明顯差異[10～13]。Abert認(rèn)為，N含量在分解初期會(huì)出現(xiàn)上升是因?yàn)槲⑸镌|(zhì)N含量的升高，微生物生物量是凋落葉中N元素絕對(duì)量上升的主要原因[14]。馬露莎在寧南山區(qū)草原6種典型植物枯落物分解特征研究中認(rèn)為，N可能通過(guò)自身濃度的變化改變組織內(nèi)木質(zhì)素含量，間接影響分解平衡[15]。本研究結(jié)果顯示，枯落物殘留率與N含量不存在顯著相關(guān)關(guān)系，這與大多數(shù)研究結(jié)果(枯落物分解速率與N含量顯著正相關(guān))不一致，這可能是鹽堿化草地作為一個(gè)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單的群落物種多樣性較差，相比其他群落結(jié)構(gòu)復(fù)雜的草地土壤微生境結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，甚至微生物活性差[16]，進(jìn)而對(duì)N濃度響應(yīng)不明顯。

4 結(jié)論

4.1供試中度和重度鹽堿化草地，枯落物分解1年后分解速率快慢依次為對(duì)照>施有機(jī)肥>鋪沙，質(zhì)量殘留率對(duì)照顯著低于鋪沙和施有機(jī)肥，且施有機(jī)肥顯著高于鋪沙。

4.2中度鹽堿化草地枯落物質(zhì)量殘留率、木質(zhì)素、C、N和K殘留率等均高于重度鹽堿化草地，纖維素殘留率低于重度鹽堿草地。

4.3纖維素殘留率與枯落物分解速率成正比；C、N殘留率與分解速率成反比，鋪沙處理最高；枯落物的殘留率與C、K含量呈正相關(guān)，與纖維素含量和木質(zhì)素含量呈負(fù)相關(guān)。