黃怡, 趙聰, 楊洋, 劉軻, 牟秋雨, 楊林, 胡進(jìn)耀*

1. 綿陽師范學(xué)院生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 綿陽 621000；

2. 西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都 611756；

3. 森林與草原防災(zāi)減災(zāi)四川省高校工程研究中心，四川 綿陽 621000

川西北高寒沙化草地是長(zhǎng)江流域及黃河流域重要的地下水維護(hù)及調(diào)控源頭，還是中國(guó)生物多樣性的重要地域[1]。目前沙化草地恢復(fù)耦合機(jī)理研究主要在干旱地區(qū)和半干旱地區(qū)，而對(duì)于較為濕潤(rùn)的高寒沙化草地研究較少[2-4]。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[5]。自然界中限制各種生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力高低的主要因子，也是氮素[5]。研究高寒沙化草地恢復(fù)耦合機(jī)理，明確土壤氮素的變化特征和土壤氮素與沙化土地恢復(fù)之間的關(guān)系，對(duì)于如何恢復(fù)高寒沙化草地，保護(hù)高寒地區(qū)草甸等方面有重要作用，也利于掌握高寒沙化草地恢復(fù)過程對(duì)土壤肥力的影響機(jī)制[6]。土壤有機(jī)質(zhì)含量的變化對(duì)禁牧的響應(yīng)較快，因此有機(jī)質(zhì)可作為恢復(fù)過程中植物種類選擇的評(píng)價(jià)指標(biāo)，以及禁牧期的恢復(fù)效果，由于土壤有機(jī)質(zhì)和氮素在草原生態(tài)系統(tǒng)中的理化作用，其在土壤中的儲(chǔ)量、分布能夠直接影響草原生態(tài)系統(tǒng)功能的正常發(fā)揮[12]。且對(duì)該地區(qū)恢復(fù)時(shí)段和恢復(fù)過程的耦合機(jī)理或機(jī)制的研究對(duì)于實(shí)踐中確定禁牧?xí)r間等有直接的指導(dǎo)作用。利用空間代替時(shí)間的方法，研討了禁牧不同時(shí)間的川西北高寒草地的土壤水解性氮，全氮及土壤有機(jī)質(zhì)含量和關(guān)系，以揭示其禁牧后恢復(fù)時(shí)間和恢復(fù)過程的耦合機(jī)理或機(jī)制，為地方政府生態(tài)恢復(fù)高寒沙化草地提供了方法參考。

1 材料與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)位于青藏高原的東部邊際，地理坐標(biāo)介于102°08'—103°39'E，32°56'—34°19'N 間，海拔3 330～3 770 m，是中國(guó)最大的高原。濕地和草甸為其主要的草地類型，大陸性高原寒帶季風(fēng)氣候?yàn)槠錃夂蝾愋?，有春秋急促、較長(zhǎng)冬無夏的特點(diǎn)。其同比降水量791.95 mm，降水主要分散在5—10月，同比溫度為0.9 ℃，同比積雪期為76 d，沒有絕對(duì)的無霜期。

日照較長(zhǎng)，太陽輻射強(qiáng)，同比日照2 158.7 h，太陽輻射年比重為6 194 MJ·m?2[7-9]。未治理區(qū)因?yàn)檫^分放牧，樹木組成相對(duì)單純，伴同發(fā)生沙生苔草等等鹽生樹木。[10-11]圍欄禁牧治理區(qū)的植被組成與正常放養(yǎng)的草地植被組成種類差別不太大，包括黃花蒿、充斥堿草，及早熟禾、臭草及冰草、甘肅馬先蒿、莎草等雜草[12-14]。川西北草地的成土母質(zhì)依不同地理環(huán)境有基本規(guī)律分布，多為三迭系泥巖、泥巖及第四紀(jì)的松散堆積物，土壤含沙量較為高[20]。

1.2 土壤樣品采集

于2018年7月在研究區(qū)進(jìn)行調(diào)查取樣。在地理位置相近，地形、海拔、坡向等相同的地域，選擇了未圍欄禁牧的沙地草地及施行5年及10年的放養(yǎng)禁令的沙地（見表1）。在現(xiàn)場(chǎng)選擇3個(gè)樣地，樣地大小為20×20 m，五點(diǎn)取樣法分層取樣。取樣分為0～20 cm，20～40 cm 兩層。

表 1 圍欄禁牧樣地信息表Tab. 1 Basic information of grazing exclusion sample plots

1.3 測(cè)定方法

每個(gè)樣方中，對(duì)于植物高度的測(cè)量，是通過卷尺測(cè)量所有植物的自然高度，再取平均值。目測(cè)估算植物覆蓋率，并以百分比表示。

樣品送至四川華標(biāo)檢測(cè)技術(shù)有限公司，對(duì)于土壤有機(jī)質(zhì)通過重鉻酸鉀外部加熱法測(cè)定，對(duì)于全氮通過半微量開爾文法測(cè)定，對(duì)于水解性氮通過堿水解擴(kuò)散法測(cè)定[15-16]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、方差分析、相關(guān)分析采用SPSS 17.0軟件，利用EXCEL 2010處理表格。

2 結(jié)果與分析

2.1 植被蓋度和高度變化

不同圍欄禁牧?xí)r間地層植被有顯著增加，隨著圍欄禁牧?xí)r間的增長(zhǎng)，沙化草地植被蓋度及平均高度增加(見圖1)。方差分析的結(jié)果顯示，不同隔離帶禁牧?xí)r間沙化草地樹木蓋度及平均株高均達(dá)極顯著差異水平 (F=135.011，P<0.01)、>(F=51.283，P<0.01)，隔離帶禁牧5及10年沙化草地植被平均蓋度分別為26%、39.3%，植被平均高度分別為47.30 cm及69.60 cm；圍欄禁牧10年的沙化草地樹木蓋度及平均株高極顯著高于圍欄禁牧5年沙化草地，圍欄禁牧5年也極顯著高于未禁牧的沙化草地。說明了沙化草地展開圍欄禁牧過程中，地層樹木逐漸獲得恢復(fù)。

2.2 土壤有機(jī)質(zhì)變化

研討結(jié)果顯示，研討區(qū)沙化草地土壤有機(jī)質(zhì)濃度介于 0.78～5.29 g·kg?1間 (見表 2)。隨著隔離帶禁牧?xí)r間的增多，沙化草地各個(gè)覆蓋層土壤有機(jī)質(zhì)濃度逐漸增多，其中，0～20 cm覆蓋層，隔離帶禁牧5年、10年及未修補(bǔ)沙化草地相比土壤有機(jī)質(zhì)濃度分別增多17.07%、34.05%。方差分析結(jié)果顯示，0～20 cm覆蓋層土壤有機(jī)質(zhì)濃度差異達(dá)到明顯顯著水平(F=7.676，P<0.05)，隔離帶禁牧5年、10年后沙化草地土壤有機(jī)質(zhì)濃度都明顯高于未修補(bǔ)沙化草地，圍欄禁牧10年也明顯高于圍欄禁牧5年沙化草地，說明圍欄禁牧過程對(duì)于沙化草地展開圍欄禁牧過程中，

圖 1 不同圍欄禁牧?xí)r間群落平均高度、平均蓋度變化Fig. 1 Changes of average height and coverage of community in different grazing exclusion time

表 2 不同圍欄禁牧?xí)r間土壤有機(jī)質(zhì)含量Tab. 2 Soil organic matter content in different grazing exclusion time

有機(jī)質(zhì)濃度在土壤0～20 cm覆蓋層有很大的提高，且顯現(xiàn)出后期的增多波幅緩于前期的特性。其在20～40 cm覆蓋層，不同圍欄禁牧?xí)r間沙化草地土壤有機(jī)質(zhì)濃度降幅不及0～20 cm覆蓋層，其中，圍欄禁牧10年沙化草地明顯高于圍欄禁牧5年及未修補(bǔ)沙化草地，而是圍欄禁牧5年及未修補(bǔ)沙化草地間差異還高達(dá)明顯總體水平。其濃度差異也還高達(dá)明顯顯著水平(F=7.201，P<0.05)。

2.3 土壤全氮變化

統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果顯示，研討區(qū)不同隔離帶禁牧?xí)r間沙化草地土壤全氮濃度在 0.016～0.028 g·kg?1（見表3）。隨隔離帶禁牧?xí)r間的增多，沙化草地各個(gè)覆蓋層土壤全氮濃度也隨之增多，其中，0～20 cm覆蓋層變動(dòng)最為顯著，隔離帶禁牧5年與未修補(bǔ)沙化草地相比土壤全氮濃度增多了19.68%，隔離帶禁牧?xí)r間為10年后沙化草地土壤全氮濃度顯著增多。方差分析結(jié)果顯示，不同隔離帶禁牧?xí)r間沙化草地0～20 cm覆蓋層土壤全氮濃度差異顯著水平（F=7.156*，P<0.05），其中，圍欄禁牧10年沙化草地、明顯高于圍欄禁牧5年及未修補(bǔ)沙化草地。20～40 cm土層降幅仍然顯著低于0～20 cm土層。方差分析結(jié)果顯示，不同隔離帶禁牧?xí)r間沙化草地20～40 cm覆蓋層土壤全氮濃度差異達(dá)顯著水平（F=17.370*，P<0.05）。隔離帶禁牧過程中隨土層深度的增加沙化草地土壤全氮的增多波幅逐漸增多，說明0～20 cm土層土壤因受生物學(xué)作用的影響小于下層土壤。

表 3 不同圍欄禁牧?xí)r間土壤全氮含量Tab. 3 Total soil nitrogen content in different grazing exclusion time

2.4 土壤水解性氮變化

土壤水解性氮能夠被植物直接吸收，其含量一直作為衡量土壤氮素水平的重要指標(biāo)。隨著圍欄禁牧?xí)r間的增加，在研究區(qū)沙化草地土壤中，土壤水解性氮含量呈現(xiàn)逐步增加的特征。各土層土壤水解性氮含量卻呈現(xiàn)先減少和增加的特征，其中，0～20 cm土層，圍欄禁牧5年沙化草地較未修復(fù)沙化草地水解性氮含量減少了23.80%，圍欄禁牧10年沙化草地較圍欄禁牧5年沙化草地水解性氮含量增加了24.19%；方差分析結(jié)果表明，該土層土壤水解性氮含量差異未達(dá)到極顯著水平(F=1.858，P>0.05 )。20～40 cm土層，圍欄禁牧5年沙化草地較未修復(fù)沙化草地水解性氮含量減少了31.49%，圍欄禁牧10年沙化草地較圍欄禁牧5年沙化草地水解性氮含量增加了1.13%。方差分析結(jié)果表明，不同圍欄禁牧?xí)r間沙化草地 20～40 cm土層土壤水解性氮含量差異未達(dá)顯著水平(F=2.948，P>0.05)。說明圍欄禁牧過程中沙化草地表層土壤水解性氮含量是先減少在增加（見表4）。

表 4 不同圍欄禁牧?xí)r間土壤水解性氮含量Tab. 4 Soil hydrolytic nitrogen content in different grazing exclusion time

2.5 植被蓋度和高度與土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、水解性氮相關(guān)性分析

相關(guān)分析結(jié)果顯示，研討區(qū)沙化草地植被蓋度及植被高度與土壤有機(jī)質(zhì)呈正相關(guān)關(guān)系，其也與全氮呈正相關(guān)關(guān)系，樹木蓋度與土壤有機(jī)質(zhì)的顯著相關(guān)(r值為0.795*，P<0.05)，與土壤全氮的極顯著相關(guān)(r值為0.800**，P<0.01)，其中樹木高度與土壤有機(jī)質(zhì)及全氮極顯著正相關(guān) (r值為0.831**、0.835**、0.840**，P<0.01)(見表5)，樹木對(duì)于土壤有機(jī)質(zhì)及養(yǎng)分的積聚具備顯著影響，在沒有外源追肥的前提之下，土壤的碳化、磷主要源于生物學(xué)作用，伴隨禁牧?xí)r間的增多，沙化草地表面的植物恢復(fù)，生物量增多，蓋度變大，同時(shí)沙化草地表面凋落物也會(huì)增多，隨之土壤中微生物活性加強(qiáng)，土壤有機(jī)質(zhì)及氮素濃度逐漸增多。

表 5 相關(guān)性分析Tab. 5 Result of the correlation analysis

3 討論

研究表明，圍欄禁牧10年的草地現(xiàn)狀為沙化較為明顯，形成了典型的露沙草地，有少量的枯枝落葉，圍欄禁牧5年的草地現(xiàn)狀為沙化明顯，草地露沙嚴(yán)重，枯枝落葉量極少，未圍欄禁牧的沙化草地現(xiàn)狀為草地完全沙化，表層沙粒多，幾乎沒有枯枝落葉。建議在西北高寒沙化草地恢復(fù)過程中，禁牧?xí)r間應(yīng)該盡量控制在10年以上。

土壤返回量、土壤質(zhì)地和植被類型等多種因素都會(huì)對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量產(chǎn)生影響，特別是較大的返回量可促進(jìn)土壤中更多有機(jī)質(zhì)的積累。有研究表明隨著圍欄放牧禁令的增加，土壤有機(jī)質(zhì)含量不斷增加[17-18]，本文結(jié)果與前人研究結(jié)果一致。隨著隔離帶禁牧?xí)r間的增多，沙化草地各個(gè)土層土壤有機(jī)質(zhì)濃度都呈現(xiàn)出增多態(tài)勢(shì)，隔離帶禁牧10年沙化草地土壤有機(jī)質(zhì)比未修復(fù)沙化草地顯著增多；20～40 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)濃度增多波幅顯著高于0～20 cm土層。在禁止放牧過程中，放牧禁令有利于形成更好的凋落物層，降低土壤侵蝕強(qiáng)度，分解過程中凋落物中所含的養(yǎng)分逐漸釋放到土壤中，土壤有機(jī)質(zhì)含量增加。放牧禁令后期有機(jī)質(zhì)含量的增加表明，禁牧十年后，研究區(qū)有機(jī)質(zhì)的積累尚未達(dá)到頂峰[1]。筆者建議高寒沙化草地圍欄禁牧生態(tài)恢復(fù)模式，可以同時(shí)考慮人工恢復(fù)或自然恢復(fù)和人工恢復(fù)[19]。

土壤全氮和有機(jī)質(zhì)含量的變化趨勢(shì)規(guī)律一致，但是在圍欄禁牧過程中，水解性氮卻是先減少在增加，說明在恢復(fù)過程中，地表植被逐漸恢復(fù)，是植物生長(zhǎng)先吸收了部分水解性氮，導(dǎo)致水解性氮含量減少，在隨著恢復(fù)時(shí)間的增長(zhǎng)，形成了較好的枯枝落葉層，有機(jī)質(zhì)也開始了分解形成氮素，故土壤水解性氮也才開始恢復(fù)[20-21]。本文研究結(jié)果表明，自然恢復(fù)或人工修復(fù)過程中，植物群落缺乏水解性氮?？梢酝ㄟ^增施氮肥，加快恢復(fù)速度。

在土壤剖面上，20～40 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量的增加低于0～20 cm土層。如果不添加外部養(yǎng)分，則凋落物和植物根系會(huì)對(duì)0～20 cm土壤層中的土壤有機(jī)質(zhì)和總氮產(chǎn)生很大影響。

在禁止圍欄放牧期間，枯葉繼續(xù)堆積。伴隨著土壤微生物和動(dòng)物的共同作用，植物根系殘留物和土壤表面凋落物就會(huì)逐漸分解，并轉(zhuǎn)化為土壤有機(jī)質(zhì)。該部分有機(jī)質(zhì)首先就會(huì)進(jìn)入0～20 cm的土壤層，并在該土壤層積累。