蒲琴，胡玉福*，蔣雙龍，何劍鋒，舒向陽(yáng)，楊澤鵬

(1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源學(xué)院，四川 成都611130；2.開(kāi)江縣國(guó)土資源局，四川 達(dá)州636250)

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不同生態(tài)治理措施下高寒沙化草地土壤氮素變化特征

蒲琴1，胡玉福1*，蔣雙龍2，何劍鋒1，舒向陽(yáng)1，楊澤鵬1

(1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源學(xué)院，四川 成都611130；2.開(kāi)江縣國(guó)土資源局，四川 達(dá)州636250)

摘要：草地沙化是我國(guó)最嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題之一。為研究不同生態(tài)治理措施對(duì)川西北高寒半濕潤(rùn)地區(qū)沙化草地土壤氮素的影響，本研究以圍欄禁牧布設(shè)沙障燕麥和草種混播(YMCD)、圍欄禁牧布設(shè)沙障播撒草種(RGCD)和圍欄禁牧布設(shè)沙障自然恢復(fù)(WLCD)3種沙化草地治理措施為對(duì)象，以未修復(fù)沙化草地(CK)為對(duì)照，研究了沙化草地生態(tài)修復(fù)過(guò)程中0～60 cm 土層土壤氮素的變化特征。結(jié)果表明,生態(tài)修復(fù)3年后，YMCD、RGCD、WLCD 3種治理措施均顯著促進(jìn)地表植被的恢復(fù)、土壤物理性質(zhì)的改善和氮素的積累。其中，YMCD治理措施效果最為顯著，其次是RGCD，WLCD效果相對(duì)較小。土壤氮素增加幅度呈現(xiàn)出微生物量氮(MBN)>硝態(tài)氮(NO3--N)>銨態(tài)氮(NH4+-N)>堿解氮(AN)>全氮(TN)特征。與未修復(fù)沙化草地相比，YMCD沙地草地地表植被覆蓋度增加至74.1%，土壤容重從1.45 g/cm3下降至1.39 g/cm3，夏季地表午溫從41.5 ℃下降至23.0 ℃；TN、AN、NH4+-N、NO3--N和MBN含量分別增加了255.8%，270.2%，299.5%，357.8%和745.9%。相關(guān)性分析表明地表植被蓋度和土壤容重對(duì)沙化土壤氮素含量有顯著影響。

關(guān)鍵詞：生態(tài)治理；植被恢復(fù)；川西北；沙化草地；土壤氮素

氮素是植物生長(zhǎng)發(fā)育所需的大量營(yíng)養(yǎng)元素之一，也是植物從土壤中吸收量最大的礦質(zhì)元素，同時(shí)也是自然界中的各種生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力高低的主要限制因子[1-2]。土壤硝態(tài)氮(NO3--N)、銨態(tài)氮(NH4+-N)和微生物氮(MBN)等有效氮雖然僅占土壤全氮總量極少的比例，但這一部分氮素是植物直接吸收利用的氮源，是評(píng)價(jià)土壤生產(chǎn)力高低最有效的氮素指標(biāo)[3]。生態(tài)恢復(fù)的過(guò)程中，一方面土壤有機(jī)態(tài)氮在微生物的作用下，分解并釋放出可供植物直接吸收和利用的硝態(tài)氮(NO3--N)、銨態(tài)氮(NH4+-N)等[4]；另一方面植物主要通過(guò)根系分泌物和植物殘?bào)w向土壤提供氮，影響土壤氮的輸入，進(jìn)而顯著改變土壤性質(zhì)[5]。同時(shí)，植被修復(fù)還有效防止了由于土壤侵蝕而造成的氮素?fù)p失，有利于土壤中氮庫(kù)的積累[6]。因此，氮素可作為評(píng)價(jià)治理措施效果的重要內(nèi)容之一。由于氮素在土壤中存在多種形態(tài)，各氮素形態(tài)循環(huán)過(guò)程也存在差異, 不同形態(tài)氮的生物有效性及供應(yīng)不同[7]。因此針對(duì)不同生態(tài)治理措施下土壤氮素的不同形態(tài)進(jìn)行研究，對(duì)揭示草地植被恢復(fù)過(guò)程中土壤氮素狀況和土壤氮素循環(huán)特點(diǎn)具有重要意義。

川西北高寒草地地處青藏高原東部邊緣半濕潤(rùn)地區(qū)，是世界上最大的高原泥炭沼澤濕地[8]，對(duì)我國(guó)生態(tài)環(huán)境安全具有極為重要的作用。但長(zhǎng)期以來(lái)受風(fēng)蝕嚴(yán)重、超載放牧、人類活動(dòng)強(qiáng)度加大等因素影響，該地區(qū)草地退化嚴(yán)重導(dǎo)致成片草地沙化，截止2010年，該地區(qū)沙化面積占四川全省沙化土地面積的89.9%[9]，嚴(yán)重制約了該地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，削弱了該地區(qū)生態(tài)環(huán)境屏障的作用，該地區(qū)草地沙化治理迫在眉睫。目前，對(duì)高寒沙化草地治理的相關(guān)研究多集中在干旱或半干旱地區(qū)[10-12]，而對(duì)于半濕潤(rùn)沙化草地治理的研究相對(duì)較少[13-14]。近年來(lái)，雖然在政策支持和廣大沙化治理工作者的努力下，探索出了一些寶貴的治沙經(jīng)驗(yàn)和成功的治沙模式[15-18]，但是該地區(qū)仍存在大面積的成片沙地，草地沙化問(wèn)題仍未得到根本解決，沙化形勢(shì)依舊嚴(yán)峻，因此，進(jìn)一步深入研究沙化草地治理措施具有重要的意義。圍欄禁牧是一種在該地區(qū)行之有效，且成本較低的沙化草地修復(fù)模式，但圍欄禁牧條件下，應(yīng)采用何種治理手段才能達(dá)到最佳效果還有待探討。因此本研究通過(guò)野外田間實(shí)驗(yàn)，在圍欄禁牧的沙化草地內(nèi)設(shè)置燕麥和草種混播、播撒草種和自然恢復(fù)3種治沙措施，以未修復(fù)的沙化草地為對(duì)照，探討不同治理措施之間地表植被、土壤物理性質(zhì)與NO3--N、NH4+-N和MBN的差異特征，以揭示不同生態(tài)治理措施下土壤氮素積累特征和生態(tài)效應(yīng)，以期為川西北高寒沙地篩選更優(yōu)的沙化草地治理措施提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于四川省阿壩藏族羌族自治州紅原縣境內(nèi)(31°51′-33°19′ N, 101°51′-103°23′ E)，境域分屬長(zhǎng)江、黃河兩大水系，地勢(shì)由東南向西北傾斜，地貌具有山原向丘狀高原過(guò)渡的典型特征。區(qū)內(nèi)屬大陸性高原寒溫帶季風(fēng)氣候，年均降雨量791.95 mm，降雨主要集中在5-10月，年均氣溫為0.9 ℃，最冷月平均氣溫-10.3 ℃，最熱月平均氣溫10.9 ℃，年均積雪期為76 d，無(wú)絕對(duì)的無(wú)霜期。日照時(shí)間長(zhǎng)，太陽(yáng)輻射強(qiáng)，年均日照時(shí)間2158.7 h，太陽(yáng)輻射年總量為6194 MJ/m2。植被以亞高山草甸為主，優(yōu)勢(shì)草種為華扁穗草(Blysmussinocompressus)，垂穗披堿草(Elymusnutans)，線葉嵩草(Kobresiacapillifolia)，賴草(Leymussecalinus)，淡黃香青(Anaphalisflavescens)，四川嵩草(Kobresiasetchwanensis)，白花前胡(Peucedanumpraeruptorum)等。土壤類型以亞高山草甸土為主，沼澤土、沼澤化草甸土和風(fēng)沙土等也有分布。近年來(lái)由于過(guò)度放牧、風(fēng)蝕等原因，研究區(qū)部分草地沙化嚴(yán)重，地表植被嚴(yán)重破壞，沙化土壤裸露，半流動(dòng)沙地分布較多，僅有少量的沙生薹草(Carexpraeclara)、黑穗薹草(Carexatrata)、川甘亞菊(Ajaniapotaninii)等沙生植物生長(zhǎng)。

1.2研究方法

1.2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)本試驗(yàn)設(shè)置在四川省紅原縣瓦切鄉(xiāng)沙化草地圍欄禁牧區(qū)內(nèi)，該地于2008年開(kāi)始圍欄禁牧。試驗(yàn)樣地選擇草地沙化嚴(yán)重，土壤裸露，植被蓋度小于5%的半流動(dòng)沙丘，實(shí)驗(yàn)前土壤氮素特征詳見(jiàn)表1。修復(fù)前先布設(shè)格網(wǎng)沙障進(jìn)行固沙，沙方格規(guī)格為2 m×2 m，沙障材料為當(dāng)?shù)厝〔谋容^方便的高山紅柳(Tamarixramosissima)枝條。沙障布設(shè)好后，采取圍欄禁牧自然恢復(fù)(WLCD)、圍欄禁牧播撒草種(RGCD)、圍欄禁牧燕麥(Avenasativa)和草種混播(YMCD)3種措施對(duì)沙化地進(jìn)行修復(fù)，同時(shí)以鄰近放牧草地(CK)為對(duì)照。圍欄禁牧播撒草種措施，主要是硬桿仲彬草(Kengyiliarigidula)、披堿草及黑麥草(Loliumperenne)3種牧草混播，混合比例按質(zhì)量比1∶1∶1進(jìn)行，草種用量為500粒/m2，均勻撒播土壤中。圍欄禁牧混播燕麥和草種措施，將以上3種草種與燕麥(白燕1號(hào))按質(zhì)量比1∶1∶1∶1混合，種植密度為500 粒/m2，均勻撒播于土壤中。圍欄禁牧自然恢復(fù)措施主要是對(duì)沙化地進(jìn)行終年圍封，排除牛、羊等牲畜踐踏，使其植被自然恢復(fù)。本試驗(yàn)于2012年5月開(kāi)始進(jìn)行沙地治理，每種恢復(fù)措施設(shè)置大小為6 m×6 m的實(shí)驗(yàn)小區(qū)5個(gè)作為重復(fù)，各實(shí)驗(yàn)小區(qū)地形(坡度、坡向、海拔)、植被、土壤等立地條件基本一致，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中無(wú)外源施肥、灌溉。

表1　試驗(yàn)前土壤氮素特征(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)Table 1　Characteristics of soil nitrogen before test (Mean±SE)

注：不同大寫字母表示不同土層間存在極顯著差異(P<0.01)；不同小寫字母表示不同土層間存在顯著差異(P<0.05)。

Note: Different capital letters in the same column indicate significant differences at the 0.01 level; different lowercase letters in the same column indicate significant differences at the 0.05 level.

1.2.2土壤樣品的采集實(shí)驗(yàn)于2015年7月進(jìn)行，每一個(gè)試驗(yàn)小區(qū)選取5個(gè)典型樣點(diǎn)(1 m×1 m)，記錄樣方內(nèi)地表植物群落蓋度。每個(gè)樣點(diǎn)按0～20 cm，20～40 cm，40～60 cm 3個(gè)土層采集樣品，同時(shí)測(cè)定土壤容重、水分、地表溫度。土壤樣品剔除根系、石塊等雜物后，一部分鮮土保留在-4 ℃冰箱中用于測(cè)定土壤微生物量氮，另一部分土壤自然風(fēng)干后過(guò)0.25 mm 篩，用于土壤基本理化性質(zhì)及氮組分的測(cè)定。

1.2.3測(cè)定項(xiàng)目及方法土壤容重采用環(huán)刀法，土壤水分與地表溫度于午時(shí)用TZS-IW型便攜式土壤水分測(cè)定儀測(cè)定，土壤全氮(TN)采用半微量凱氏法測(cè)定[19]，堿解氮(AN)采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定[20]，銨態(tài)氮(NH4+-N)采用靛酚藍(lán)比色法測(cè)定[21]，硝態(tài)氮(NO3--N)測(cè)定采用雙波長(zhǎng)紫外分光光度法[22]，微生物量氮(MBN)測(cè)定采用氯仿熏蒸紫外比色法[23]。

1.3數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 17.0 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，方差分析采用單因素方差分析(one-ANOVA)比較，相關(guān)性采用LSD多重分析法分析比較，圖表均使用Excel 2010軟件繪制。

2結(jié)果與分析

2.1治理措施下地表植被蓋度變化特征

研究區(qū)內(nèi)不同生態(tài)治理措施下地表植物群落外貌變化極其明顯，地表植被平均蓋度呈現(xiàn)出YMCD>RGCD>WLCD>CK的規(guī)律(圖1)。結(jié)果表明，CK植被平均蓋度不足5%，而YMCD、RGCD、WLCD的植被蓋度分別是CK的16.35, 10.35, 3.97倍。方差分析結(jié)果表明，YMCD的植被蓋度與CK達(dá)極顯著差異(P<0.01)，RGCD、WLCD的植被蓋度與CK均達(dá)顯著差異(P<0.05)。表明了對(duì)川西北高寒沙化草地采取的3種治理措施對(duì)改善地表植被狀況有效果，但圍欄禁牧燕麥與草種混播對(duì)恢復(fù)沙化土地植被效果最顯著。

圖1　不同植被恢復(fù)措施植物蓋度特征Fig.1　Change of vegetation covers in different vegetation restoration measures

圖2　不同植被恢復(fù)措施地表溫度特征Fig.2　Change of surface temperature in different vegetation restoration measures

YMCD為圍欄禁牧燕麥和草種混播，RGCD為圍欄禁牧播撒草種，WLCD為圍欄禁牧自然恢復(fù)，CK為未修復(fù)的沙化草地，下同。不同大寫字母表示不同修復(fù)模式間存在極顯著差異(P<0.01)；不同小寫字母表示不同修復(fù)模式間存在顯著差異(P<0.05)。YMCD indicate fencing and plant oat and grasses; RGCD indicate fencing and plant grasses; WLCD indicate fencing; CK indicate severe desertification grassland, the same below. Different capital letters indicate significant differences at the 0.01 level; different lowercase letters indicate significant differences at the 0.05 level.

2.2夏季地表午溫變化特征

研究區(qū)內(nèi)極端高溫是制約該地植被恢復(fù)的重要因素之一，研究發(fā)現(xiàn)4種不同的治理措施在夏季午時(shí)地表溫度上表現(xiàn)出明顯特征(圖2)，其規(guī)律為CK>WLCD>RGCD>YMCD。其中CK溫度高達(dá)39.5 ℃，與CK相比，WLCD、RGCD、YMCD分別為CK的95.87%, 68.93%, 55.83%。相關(guān)分析表明YMCD地表溫度與CK呈極顯著差異(P<0.01)，RGCD地表溫度與CK呈顯著差異(P<0.05)，WLCD地表溫度與CK未達(dá)顯著差異(P>0.05)。表明治理措施對(duì)于降低研究區(qū)的極端高溫有明顯作用，對(duì)改善地表局部生態(tài)小環(huán)境效果顯著。

2.3土壤容重和含水量變化特征

由表2可以看出，4種生態(tài)治理措施下土壤容重呈現(xiàn)隨著土層深度增加而增加的規(guī)律，變化范圍為1. 37～1. 47 g/cm3，YMCD、RGCD、WLCD土壤平均容重分別為1.39, 1.41, 1.43 g/cm3，比CK(1. 45 g/cm3)降低4.14%, 2.76%, 1.38%。相關(guān)性分析表明，0～60 cm 4種治理措施下土壤容重均未達(dá)顯著差異水平(P>0.05)。土壤含水量均呈現(xiàn)隨著土層增加而增加的規(guī)律。其中YMCD土壤水分含量最高，平均值達(dá)5.06%；RGCD次之，為4.62%；WLCD再次之，為3.86%；CK含水量最低，僅為3.38%。YMCD、RGCD土壤含水量與CK均達(dá)顯著差異水平(P<0.05)；WLCD土壤含水量與CK未達(dá)顯著差異水平(P>0.05)。從土層剖面上看，0～40 cm土層YMCD、RGCD土壤含水量與CK達(dá)顯著差異水平(P<0.05)；WLCD土壤含水量與CK未達(dá)顯著差異水平(P>0.05)；40～60 cm土層YMCD土壤含水量與CK達(dá)顯著差異水平(P<0.05)；RGCD、WLCD土壤含水量與CK未達(dá)顯著差異顯著水平(P>0.05)。

2.4全氮及堿解氮含量特征

不同生態(tài)治理措施對(duì)沙化草地土壤全氮及堿解氮含量的影響如圖3、圖4所示。YMCD、RGCD、WLCD、CK土壤全氮和堿解氮含量的剖面分布總體上均隨土層深度的增加而呈降低趨勢(shì)。

4種治理措施下土壤全氮含量的變化范圍為0.12～0.55 g/kg，其高低順序?yàn)閅MCD>RGCD>WLCD>CK。與CK相比，0～20 cm土層中YMCD、RGCD、WLCD土壤全氮含量分別增加了316.67%, 266.57%, 117.32%；20～40 cm土層中YMCD、RGCD、WLCD分別增加了233.33%, 187.15%, 57.52%；40～60 cm土層中YMCD、RGCD、WLCD分別增加了147.24%, 70.70%, 27.70%。方差分析表明，0～40 cm 土層YMCD、RGCD與CK土壤全氮含量均達(dá)極顯著差異(P<0.01)；WLCD與CK土壤全氮含量均達(dá)顯著差異(P<0.05)。40～60 cm土層中YMCD與CK土壤全氮含量達(dá)極顯著差異(P<0.01)，RGCD與CK達(dá)顯著差異(P<0.05)，WLCD與CK未達(dá)顯著差異(P>0.05)。

表2　土壤基本物理性質(zhì)(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)Table 2　Physically properties of soil (Mean±SE)

注：不同大寫字母表示相同土層不同修復(fù)模式間差異極顯著(P<0.01)；不同小寫字母表示相同土層不同修復(fù)模式間差異顯著(P<0.05)。

Note: Different capital letters in the same row indicate significant differences at the 0.01 level; different lowercase letters in the same row indicate significant differences at the 0.05 level.

圖3　不同植被恢復(fù)措施土壤全氮含量Fig.3　The contents of soil total nitrogen under different vegetation restoration measures

圖4　不同植被恢復(fù)措施土壤堿解氮含量Fig.4　The contents of soil available nitrogen under different vegetation restoration measures

不同大寫字母表示相同土層間不同修復(fù)模式間存在極顯著差異(P<0.01)；不同小寫字母表示相同土層間不同修復(fù)模式間存在顯著差異(P<0.05)，下同。Different capital letters in the same soil depth indicate significant differences at the 0.01 level; different lowercase letters in the same soil depth indicate significant differences at the 0.05 level, the same blow.

4種治理措施下土壤堿解氮含量的變化范圍為3.13～24.75 mg/kg，每種治理措施下土壤堿解氮均以0～20 cm土層含量為最高，其變化規(guī)律與全氮規(guī)律一致。與CK相比，YMCD、RGCD、WLCD土壤堿解氮平均含量分別增加了270.25%, 232.34%, 123.03%。0～40 cm土層YMCD、RGCD與CK土壤堿解氮含量差異均達(dá)極顯著(P<0.01)；WLCD與CK土壤堿解氮含量差異顯著(P<0.05)。40～60 cm土層中YMCD、RGCD與CK土壤堿解氮含量差異顯著(P<0.05)，WLCD與CK未達(dá)顯著差異(P>0.05)。

2.5銨態(tài)氮及硝態(tài)氮含量特征

圖5為不同治理措施下土壤銨態(tài)氮含量變化特征。YMCD、RGCD、WLCD、CK土壤NH4+-N含量的剖面分布總體上均隨土層深度的增加而呈降低趨勢(shì)，其高低順序?yàn)閅MCD>RGCD>WLCD>CK。與CK相比，YMCD、RGCD、WLCD土壤NH4+-N平均含量分別增加了299.44%, 227.23%, 81.57%。在0～40 cm土層中，YMCD與CK土壤NH4+-N含量均達(dá)極顯著差異(P<0.01)，RGCD、WLCD與CK土壤NH4+-N含量均達(dá)顯著差異水平(P<0.05)；40～60 cm土層YMCD、RGCD與CK土壤NH4+-N含量均達(dá)顯著差異(P<0.05)，WLCD與CK土壤NH4+-N含量未達(dá)顯著差異(P>0.05)。

圖6為不同生態(tài)治理措施下土壤中硝態(tài)氮含量變化。YMCD、RGCD、WLCD土壤NO3--N含量的剖面分布總體上均隨土層深度的增加而呈降低趨勢(shì)，含量在1.03～9.17 mg/kg之間。與CK相比，YMCD、RGCD、WLCD土壤NO3--N含量分別增加了357.83%, 289.90%, 143.02%。相關(guān)性分析表明在0～40 cm土層中，YMCD、RGCD與CK土壤NO3--N含量達(dá)極顯著差異(P<0.01)，WLCD與CK土壤NO3--N含量達(dá)顯著差異(P<0.05)；40～60 cm土層中YMCD、RGCD與CK土壤NO3--N均達(dá)顯著差異(P<0.05)，WLCD與CK土壤NO3--N未達(dá)顯著差異(P>0.05)。

圖5　不同植被恢復(fù)措施土壤銨態(tài)氮含量Fig.5　The contents of NH4+-N under different vegetation restoration measures

圖6　不同植被恢復(fù)措施土壤硝態(tài)氮含量Fig.6　The contents of NO3--N under different vegetation restoration measures

2.6土壤微生物量氮(MBN)

圖7　不同植被恢復(fù)措施土壤微生物量氮含量Fig.7　The contents of microbial biomass N under different vegetation restoration measures

不同生態(tài)治理措施對(duì)沙化草地土壤微生物量氮含量的影響如圖7所示，其變化范圍在1.08～15.74 mg/kg。YMCD、RGCD、WLCD和CK在土壤剖面上均呈現(xiàn)出隨著土壤深度增加MBN含量減少的趨勢(shì),其高低順序?yàn)閅MCD>RGCD>WLCD>CK。0～20 cm土層中YMCD、RGCD、WLCD土壤MBN含量與CK相比分別增加了921.99%, 578.00%, 497.60%；20～40 cm土層中YMCD、RGCD、WLCD土壤MBN含量與CK相比分別增加了722.85%, 459.43%，360.95%；40～60 cm土層 YMCD、RGCD、WLCD土壤MBN含量與CK相比分別增加了522.25%, 480.74%, 220.29%。方差分析表明，0～20 cm 土層中YMCD、RGCD、WLCD土壤MBN含量與CK均達(dá)極顯著水平(P<0.01)；20～40 cm土層中YMCD、RGCD土壤MBN含量與CK均呈極顯著差異水平(P<0.01)，WLCD土壤MBN含量與CK呈顯著差異水平(P<0.05)；40～60 cm土層YMCD、RGCD、WLCD土壤MBN含量與CK均呈顯著差異水平(P<0.05)。

2.7土壤植被特征、顆粒組成與全氮及組分的關(guān)系

相關(guān)分析結(jié)果表明(表3)，研究區(qū)植被蓋度與全氮、NH4+-N呈極顯著正相關(guān)特征(P<0.01)，相關(guān)系數(shù)為0.991和0.987；與堿解氮、NO3--N、MBN呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，相關(guān)系數(shù)為0.913，0.966，0.946。容重與土壤全氮、堿解氮、NH4+-N、NO3--N、MBN呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，相關(guān)系數(shù)為-0.907, -0.907, -0.935, -0.898和-0.947。說(shuō)明沙化草地治理過(guò)程中，土壤植被蓋度與容重對(duì)氮素的積累和恢復(fù)具有顯著影響。

表3　沙化草地植被特征與土壤氮素相關(guān)性Table 3　Correlation analysis about plant characters and soil nitrogen

* 在 0.05 水平上顯著相關(guān)。** 在 0.01 水平上顯著相關(guān)。

* indicate significant differences at the 0.05 level. ** indicate significant differences at the 0.01 leve.

3討論

氮素是土壤養(yǎng)分最重要的肥力指標(biāo)之一，也是限制植物生長(zhǎng)最主要的營(yíng)養(yǎng)元素，在調(diào)節(jié)草原生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)量、結(jié)構(gòu)與功能方面起到了關(guān)鍵性的作用[24-26]。自然界中氮素通常以有機(jī)態(tài)、無(wú)機(jī)態(tài)和分子態(tài)3種形式存在。

本研究結(jié)果表明，0～60 cm土層中圍欄禁牧布設(shè)沙障燕麥和草種混播、圍欄禁牧布設(shè)沙障撒播草種和圍欄禁牧布設(shè)沙障自然恢復(fù)3種治理措施下地表蓋度、土壤氮素含量均顯著高于對(duì)照，這一研究結(jié)果與秦彧[27]、Barrios等[28]、王楊等[29]對(duì)干旱半干旱地區(qū)沙化草地恢復(fù)治理結(jié)果相似，表明了人工植被恢復(fù)措施可以顯著促進(jìn)地表植被恢復(fù)和氮素的積累。其原因是人工恢復(fù)措施下研究區(qū)地表植被逐步恢復(fù)，地表植被覆蓋顯著提高，土壤生物作用增強(qiáng)，地上凋落物、植物根系及其分泌物增加，土壤有機(jī)質(zhì)增加，在土壤微生物作用下土壤有機(jī)質(zhì)的分解為土壤提供了氮源[13]。另一方面，在人工植被恢復(fù)措施前布設(shè)沙障還有效防止了因土壤侵蝕而造成的氮素?fù)p失，有利于土壤中氮庫(kù)的積累[4]。

本文研究發(fā)現(xiàn)不同治理措施下沙化土地土壤全氮、堿解氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮與微生物量氮增加速率呈現(xiàn)不同特征。本文研究結(jié)果表明，土壤氮素增加幅度呈MBN>NO3--N>NH4+-N>AN>TN規(guī)律。邢肖毅等[30]在對(duì)黃土丘陵區(qū)子午嶺林區(qū)裸露地5種典型植被群落下土壤氮素變化特征進(jìn)行研究時(shí)，指出該地區(qū)不同形態(tài)土壤氮素增加幅度呈現(xiàn)出NH4+-N>MBN>NO3--N>TN的特征。本研究結(jié)果與其存在相似性，但也存在一定差異，其原因一方面可能是由于研究區(qū)環(huán)境條件和植被類型差異所致，另一方面，微生物量氮是最敏感性的土壤質(zhì)量指標(biāo)之一，對(duì)土壤環(huán)境變化非常敏感[31-32]，因此在沙化土地修復(fù)過(guò)程中變化最為明顯。

本研究還發(fā)現(xiàn)3種治理措施中，圍欄禁牧布設(shè)沙障燕麥和草種混播對(duì)地表植被和土壤氮素積累影響最顯著，圍欄禁牧布設(shè)沙障播撒草種次之，圍欄禁牧布設(shè)沙障自然恢復(fù)效果相對(duì)較差。相關(guān)研究表明燕麥具有的抗寒、抗旱、耐鹽堿、耐貧瘠、根系分蘗力強(qiáng)等特性[33-35]，使其能在研究區(qū)極端干旱高溫的惡劣生境下存活。沙化土地修復(fù)過(guò)程中燕麥可發(fā)揮先鋒植物的效果，其正常生長(zhǎng)具有遮陰，降低地表極端高溫，改變局部生態(tài)小氣候，以及改善土壤生態(tài)環(huán)境等作用，這為其他植物的生長(zhǎng)提供有利條件，促進(jìn)地表植被的恢復(fù)。因而在圍欄禁牧布設(shè)沙障燕麥和草種混播修復(fù)措施下，沙化土地地表植被恢復(fù)的效果最明顯，土壤氮素的增加最為顯著。本研究結(jié)果也說(shuō)明圍欄禁牧布設(shè)沙障燕麥和草種混播措施下，夏季地表午溫下降和土壤含水量增加最顯著。圍欄禁牧布設(shè)沙障播撒草種措施能夠顯著提高地表植被和土壤氮素積累，但效果不及圍欄禁牧布設(shè)沙障燕麥和草種混播措施，其原因主要是研究區(qū)氣候和環(huán)境條件惡劣，沙化土地地表植被嚴(yán)重破壞，土壤完全沙化，養(yǎng)分匱乏，人工播撒的草種存活率較低，生長(zhǎng)緩慢，地表植被恢復(fù)效果不及圍欄禁牧燕麥和草種混播措施；圍欄禁牧布設(shè)沙障自然恢復(fù)措施對(duì)沙化土地生態(tài)修復(fù)效果相對(duì)較差，其原因主要是雖然沙化土地禁止了牲畜采食與踐踏，但在惡劣氣候和環(huán)境條件下，原生草種生長(zhǎng)繁殖緩慢[36]，說(shuō)明通過(guò)進(jìn)行圍欄禁牧對(duì)研究區(qū)沙化土地進(jìn)行自然恢復(fù)需要較長(zhǎng)的時(shí)間過(guò)程。

4結(jié)論

生態(tài)修復(fù)3年后，圍欄禁牧布設(shè)沙障燕麥和草種混播、圍欄禁牧布設(shè)沙障播撒草種、圍欄禁牧布設(shè)沙障自然恢復(fù)均顯著促進(jìn)地表植被的恢復(fù)、土壤物理性質(zhì)的改善和土壤氮素的積累。其中圍欄禁牧布設(shè)沙障燕麥與草種混播效果最顯著。與未修復(fù)沙化草地相比，圍欄禁牧燕麥和草種混播沙地地表植被覆蓋度增加至74.07%，土壤容重從1.45 g/cm3下降至1.39 g/cm3，夏季地表午溫從41.5 ℃下降至23.0 ℃，0～20 cm土層中TN、AN、NH4+-N、NO3--N和MBN含量分別增加了316.67%, 243.33%, 301.70%, 495.73%和921.99%；20～40 cm土層中TN、AN、NH4+-N、NO3--N和MBN含量分別增加了233.33%, 282.99%, 323.11%, 295.92%和722.85%；40～60 cm土層中TN、AN、NH4+-N、NO3--N和MBN含量分別增加了147.24%, 315.53%, 259.78%, 237.61%和522.25%。因此在恢復(fù)川西北沙化草地植被時(shí)，以燕麥為先鋒植物，并配合種植多年生禾本科植物，可作為川西北沙化草地優(yōu)先考慮的治理措施。

川西北高寒草地不同的治理措施下土壤氮素增加幅度呈現(xiàn)出MBN>NO3--N>NH4+-N>AN>TN。與未修復(fù)沙化草地相比，圍欄禁牧布設(shè)沙障燕麥和草種混播的TN、AN、NH4+-N、NO3--N、MBN分別增加了255.77%, 270.25%, 299.44%, 357.83%, 745.93%；圍欄禁牧布設(shè)沙障播撒草種分別增加了194.12%, 232.34%, 227.23%, 289.90%, 527.54%；圍欄禁牧布設(shè)沙障自然恢復(fù)分別增加了79.28%, 123.03%, 81.57%, 143.00%, 375.96%。

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DOI：10.11686/cyxb2015571

*收稿日期：2015-12-23；改回日期：2016-03-07

基金項(xiàng)目：國(guó)家支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2015BAC05B00)和四川省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2013SZ0110，2014SZ0057，2014SZ0159)資助。

作者簡(jiǎn)介：蒲琴(1991-)，女，四川南充人，在讀碩士。E-mail：15184364457@163.com *通信作者Corresponding author. E-mail：huyufu@sicau.edu.cn

* 1Soil nitrogen characteristics of grassland on sandy soil undergoing vegetation restoration

PU Qin1, HU Yu-Fu1*, JIANG Shuang-Long2, HE Jian-Feng1, SHU Xiang-Yang1, YANG Ze-Peng1

1.CollegeofResources,SichuanAgriculturalUniversity,Chengdu611130,China; 2.BureauofLandandResources,Dazhou636250,China

Abstract:Grassland desertification is one of the most serious ecological and environmental problems in our country. To investigate changes in soil nitrogen under different vegetation restoration measures in desertified grasslands, the soil nitrogen content under 4 vegetation restoration measures in a semi-humid alpine region in northwest Sichuan were measured to elucidate the characteristics of soil total nitrogen and components in 0-60 cm soil layer during ecological restoration. After three years’ restoration; fencing with mixed sowing of oat and grasses, fencing with sowing of grasses and natural recovery after fencing, all restoration procedures increased vegetation cover and improved soil physical properties, particularly fencing and sowing oat and grasses. Increasing soil N content appeared as microbial biomass N>NO3--N>NH4+-N>available N>total N. Compared with the severely desertified grassland, vegetation cover after fencing and sowing with oat and grasses increased to 74.1%, soil bulk density decreased to 1.39 g/cm3, while surface temperature at noon in summer decreased from 41.5 ℃ to 23.0 ℃. The total N content, available N, NH4+-N, NO3--N and microbial biomass N in oat quadrats increased by 255.8%, 270.3%, 299.5%, 357.8% and 745.9% respectively. Soil particle composition and bulk density were significantly correlated with soil total nitrogen and N components in desertified grassland. We concluded that sowing oat with grass is an effective strategy for repairing desertified grasslands. Oats play the role of a pioneer species because of its drought resistance, tolerance of low fertility and strong tillering, promoting the growth of grass.

Key words:ecological protection; vegetation recovery; northwestern Sichuan; sandy grassland; nitrogen

http://cyxb.lzu.edu.cn

蒲琴, 胡玉福, 蔣雙龍, 何劍鋒, 舒向陽(yáng), 楊澤鵬. 不同生態(tài)治理措施下高寒沙化草地土壤氮素變化特征. 草業(yè)學(xué)報(bào), 2016, 25(7): 24-33.

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