裴 雯， 陳 清， 張洛梓， 賈麗英

(1.天津師范大學(xué)天津市水資源與水環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300387； 2.天津師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院， 天津 300387)

土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元[1]，也是土壤中物質(zhì)轉(zhuǎn)化與能量流動(dòng)的場所，在土壤養(yǎng)分和水分保持方面具有重要作用[1-6]。土壤團(tuán)聚體構(gòu)成比例及團(tuán)聚體穩(wěn)定性是評價(jià)土壤結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo)[7]。過度放牧是引起內(nèi)蒙古草原退化的重要原因之一，過度放牧條件下家畜的踐踏破壞了土壤表皮結(jié)構(gòu)，造成土壤團(tuán)聚體構(gòu)成比例失調(diào)及團(tuán)聚體穩(wěn)定性下降，更易發(fā)生土壤侵蝕[3,8]。水分和氮素是內(nèi)蒙古草原生產(chǎn)力水平的重要限制因子[9-11]。降水變化和大氣氮沉降會(huì)改變土壤的理化性狀，對團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的影響程度可能同時(shí)受到放牧活動(dòng)的調(diào)控[12-13]，進(jìn)而影響草原生態(tài)系統(tǒng)的功能[12]。有研究發(fā)現(xiàn)水分或者氮素添加提高了土壤中大團(tuán)聚體含量和土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性[14-16]，使土壤結(jié)構(gòu)得到改善[5]，另有研究表明水分或氮素添加沒有使土壤團(tuán)聚體組成發(fā)生顯著變化[14,17-19]，不同的研究結(jié)果可能是由于各生態(tài)系統(tǒng)土壤環(huán)境因子和土地利用方式的不同造成的。目前，對于草原土壤團(tuán)聚體的研究大多集中在單一因子如放牧對土壤團(tuán)聚體的影響[1,2,4,7,20-26]，放牧、水分和氮素及其交互作用對土壤團(tuán)聚體構(gòu)成比例及穩(wěn)定性影響的研究鮮見報(bào)道。因此，本研究通過在內(nèi)蒙古草原為期十年的定位試驗(yàn)，分別在中度和過度放牧樣地添加水分和氮素，研究放牧強(qiáng)度、水分、氮素三因子及其交互作用對土壤團(tuán)聚體構(gòu)成比例及穩(wěn)定性的影響，旨在深入理解草原土壤結(jié)構(gòu)對當(dāng)前環(huán)境變化的響應(yīng)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

研究地點(diǎn)位于內(nèi)蒙古草原生態(tài)系統(tǒng)定位研究站羊草樣地北側(cè)，錫林河流域中部(43°26′～ 44°29′N，115°32′～117°12′E)。該地區(qū)是溫帶典型草原，屬于半干旱草原氣候，土壤為暗栗鈣土；年平均氣溫為0.7℃，冬季寒冷干燥，夏季溫暖濕潤；年平均降水量343 mm，降水集中于5—9月份，占全年降水量的80%左右，且降水的年際變化顯著[9,29]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與樣品采集

2005年5月在中度放牧(MG)和過度放牧(HG)樣地選取地勢平坦，植被均勻且有代表性的區(qū)域并圍欄，以排除放牧干擾。樣地的圍欄面積為0.2 ha。在2005年以前MG和HG樣地進(jìn)行了30年的連續(xù)放牧，其中，MG樣地的歷史放牧強(qiáng)度約為2只羊·ha-1，HG樣地的歷史放牧強(qiáng)度約為4只羊·ha-1。試驗(yàn)前兩塊樣地的土壤理化性狀和物種組成詳見陳清等[9]研究。試驗(yàn)設(shè)3個(gè)因素：放牧強(qiáng)度、水分和氮素。其中，放牧強(qiáng)度包括2個(gè)水平，分別為中度放牧(MG)和過度放牧(HG)；水分包括2個(gè)水平，分別為自然降水處理(Pa)、模擬豐水年降水及分布進(jìn)行補(bǔ)充灌溉(Pw)；氮素包括2個(gè)水平，為0(N0)，50 kg N·ha-1(N50)，共8個(gè)處理，每個(gè)處理4次重復(fù)，每個(gè)小區(qū)面積為5 m×8 m。灌溉依據(jù)試驗(yàn)樣地長期降雨數(shù)據(jù)，根據(jù)內(nèi)蒙古草原生態(tài)系統(tǒng)定位站 1982—2003 年氣象資料，按全年降雨量排序，將前25%的年份定義為豐水年份，豐水和貧水年份5—9月的平均降水量分別為380 mm和220 mm。本試驗(yàn)擬模擬豐水年5—9月每10天的降水量及其分布，于每月10號、20號、30號進(jìn)行一次性補(bǔ)充灌溉；每次計(jì)劃灌溉量=同月10天內(nèi)豐水年降水量-當(dāng)年10天內(nèi)試驗(yàn)樣地降水量，如果試驗(yàn)當(dāng)年某10天內(nèi)的降水量超過豐水年的降水量，則不進(jìn)行灌溉，并在下個(gè)10天相應(yīng)減少灌溉量，保持5—9月總水分投入量和分布與豐水年基本相同。施肥在每年5月15日左右進(jìn)行。為了保證施肥均勻，將各小區(qū)所需尿素(直徑1.5 mm)與過2 mm篩的風(fēng)干土(直徑<2 mm)按肥土比1∶10的比例充分混勻，在清晨無風(fēng)時(shí)撒施[9]。灌溉和施肥的具體操作步驟詳見陳清等[9]研究。

于2014年和2015年8月中旬分別進(jìn)行土樣采集。圍欄內(nèi)每個(gè)小區(qū)使用直徑為3 cm的土鉆隨機(jī)取3鉆土混為一份樣品，取土深度為0～15 cm，過2 mm篩后混合均勻，采用“四分法”選取部分土壤，裝入封口袋中密封。取土?xí)r避免對土壤樣品過分?jǐn)_動(dòng)，以免破壞團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)。土壤樣品風(fēng)干后去除根系和雜草，過2 mm篩，用于分析土壤團(tuán)聚體特征及其土壤有機(jī)碳和全氮含量。

1.3 土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的測定與計(jì)算

1.3.1土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的測定 土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的測定采用濕篩法[28]，稱取25 g風(fēng)干土，將其放置在團(tuán)聚體分析儀套篩的最上端篩子內(nèi)，調(diào)整桶內(nèi)水面高度，使水面剛好漫過風(fēng)干土，將風(fēng)干土浸泡5 min后，啟動(dòng)儀器進(jìn)行分級，以振幅3 cm上下震蕩30 min，之后將各級孔徑篩子收集的土壤組分沖洗至鋁盒中，在60℃下烘干至恒重后稱重，記錄<0.053 mm，0.053～0.25 mm，0.25～0.5 mm，>0.5 mm粒級土壤團(tuán)聚體重量。

1.3.2團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)計(jì)算

1)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體一般以0.25 mm為界限分為大團(tuán)聚體和微團(tuán)聚體。大團(tuán)聚體比重(R0.25)計(jì)算公式為：

式中：Mr>0.25為粒徑>0.25 mm團(tuán)聚體的重量(g)，MT為團(tuán)聚體總重量(g),Mr<0.25為粒徑<0.25 mm團(tuán)聚體的重量(g)。

2)平均重量直徑(Mean weight diameter，MWD)計(jì)算公式為:

式中，i是各級團(tuán)聚體組分的編號，xi是篩分出來的任一粒徑范圍團(tuán)聚體的平均直徑，wi是對應(yīng)于xi的團(tuán)聚體百分含量[1]。

3)幾何平均直徑(Geometric mean diameter，GMD)計(jì)算公式為：

式中，i是各級團(tuán)聚體組分的編號，xi是篩分出來的任一粒徑范圍團(tuán)聚體的平均直徑，wi是對應(yīng)于xi的團(tuán)聚體百分含量[1]。

1.4 土壤有機(jī)碳和全氮的測定

土壤有機(jī)碳(Soil organic carbon，SOC)和總氮(Total nitrogen，TN)含量采用元素分析儀(Vario EL III,Elementar,Germany)測定[29]。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)采用Origin進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與作圖，采用SPSS 17.0軟件對不同處理下的土壤團(tuán)聚體各粒級含量和土壤有機(jī)碳和全氮含量、團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)進(jìn)行單因素方差分析和相關(guān)性分析，以及對放牧強(qiáng)度、水分、氮素進(jìn)行三因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 放牧強(qiáng)度、水分和氮素對土壤各級團(tuán)聚體含量的影響

放牧強(qiáng)度對>0.5 mm，0.053～0.25 mm及<0.053 mm粒級的土壤團(tuán)聚體含量影響顯著(P<0.05)(圖1)。由圖1可知，中度和過度放牧樣地在不同處理?xiàng)l件下均以0.053～0.25 mm粒級的土壤團(tuán)聚體為主。過度放牧樣地>0.5 mm粒級大團(tuán)聚體和<0.053 mm粒級團(tuán)聚體含量顯著低于中度放牧樣地該粒級含量(P<0.05)；過度放牧樣地0.053～0.25 mm粒級團(tuán)聚體含量顯著高于中度放牧樣地(P<0.05)。

圖1 中度和過度放牧樣地各粒級土壤團(tuán)聚體含量

增加水分顯著提高過度放牧樣地>0.5 mm粒級團(tuán)聚體含量(P<0.05)，其余粒級組間無顯著變化(圖3)；中度放牧樣地各粒級團(tuán)聚體含量不受水分添加影響(圖2)。氮素添加顯著降低過度放牧樣地自然降水處理0.053～0.25 mm粒級團(tuán)聚體含量(P<0.05)，不影響過度放牧樣地其它粒級團(tuán)聚體發(fā)生顯著變化(圖5)；氮素添加沒有使中度放牧樣地各粒級團(tuán)聚體含量發(fā)生顯著變化(圖4)。

圖2 水分對中度放牧樣地各粒級團(tuán)聚體含量的影響

圖3 水分對過度放牧樣地各粒級團(tuán)聚體含量的影響

圖4 氮素對中度放牧樣地各粒級團(tuán)聚體含量的影響

2.2 放牧強(qiáng)度、水分和氮素對土壤有機(jī)碳、全氮含量的影響

不同放牧強(qiáng)度樣地土壤有機(jī)碳、總氮差異顯著(P<0.05)(表2)。過度放牧樣地的有機(jī)碳、總氮含量均顯著低于中度放牧樣地(P<0.05)(圖6，圖7)。水分增加顯著提高過度放牧樣地土壤有機(jī)碳、總氮含量，但不影響中度放牧樣地土壤有機(jī)碳、總氮含量(圖6，圖7)。氮素添加沒有使中度和過度放牧樣地土壤有機(jī)碳和總氮發(fā)生顯著變化(表2)。

表1 放牧強(qiáng)度、水分和氮素對土壤各粒級團(tuán)聚體含量的影響的三因素方差分析結(jié)果

圖6 放牧強(qiáng)度、水分對土壤有機(jī)碳含量的影響

圖7 放牧強(qiáng)度、水分對土壤總氮含量的影響

表2 放牧強(qiáng)度、水分和氮素對土壤有機(jī)碳、總氮含量的影響的三因素方差分析結(jié)果

2.3 放牧強(qiáng)度、水分和氮素對土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)的影響

中度放牧樣地R0.25、團(tuán)聚體MWD和GWD均顯著大于過度放牧樣地(P<0.05)(表3)。僅添加氮素使過度放牧樣地大團(tuán)聚體(>0.25 mm)比重顯著增加(P<0.05)(圖7)，而水氮同時(shí)添加對中度和過度放牧樣地大團(tuán)聚體(>0.25 mm)比重的影響均不顯著。

表3 放牧強(qiáng)度對土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)的影響

圖8 放牧強(qiáng)度、水分、氮素對R0.25的影響

表4 放牧強(qiáng)度、水分和氮素對土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)的影響以及三因素方差分析結(jié)果

2.4 土壤團(tuán)聚體各粒級與穩(wěn)定性指標(biāo)和土壤理化性質(zhì)之間的相關(guān)性

土壤有機(jī)碳和總氮含量與>0.5 mm粒級團(tuán)聚體含量、大團(tuán)聚體比重(R0.25)均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，與0.053～0.25 mm粒級團(tuán)聚體含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。同時(shí)，MWD和GWD與>0.5 mm粒級團(tuán)聚體含量也呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。

表5 土壤團(tuán)聚體各粒級與穩(wěn)定性指標(biāo)和土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性

3 討論

3.1 放牧強(qiáng)度對土壤團(tuán)聚體的影響

與中度放牧樣地相比，過度放牧使草原土壤大團(tuán)聚體(>0.25 mm)含量減少，微團(tuán)聚體(0.25～0.053 mm)含量增加，土壤有機(jī)碳、全氮含量顯著降低，土壤大團(tuán)聚體(>0.25 mm)比重顯著降低。隨放牧強(qiáng)度增加，地表植被蓋度降低，土壤表皮受到破壞，地表土壤和養(yǎng)分的損失加大，枯枝落葉、地下根系及根系分泌物向土壤輸入的有機(jī)物質(zhì)減少，土壤有機(jī)碳和全氮含量顯著降低[3,8,30-32]，進(jìn)而導(dǎo)致土壤大團(tuán)聚體數(shù)量下降，逐漸以微團(tuán)聚體為主[1,3,8]。GMD和MWD常用來反映土壤團(tuán)聚體大小和分布狀況，其值越大團(tuán)聚體的平均粒徑團(tuán)聚度越高，穩(wěn)定性越強(qiáng)[1,2,14,33-34]。本研究結(jié)果顯示隨放牧強(qiáng)度增加，MWD和GWD顯著減小，土壤穩(wěn)定性顯著降低。這一結(jié)果與高寒草原和高寒草甸[1,35]、寧夏荒漠草原[3]、三江源地區(qū)高寒嵩草草甸土壤[23]、克氏針茅草原[26]和川西北高寒草地[36]、三江源區(qū)紫花針茅草原[2]、內(nèi)蒙古草原[29,37]等草原上的研究類似。

3.2 水分添加對中度和過度放牧樣地土壤團(tuán)聚體粒級含量的影響

草原土壤團(tuán)聚體的變化對于水分添加的響應(yīng)受到放牧強(qiáng)度的影響，過度放牧樣地土壤團(tuán)聚體對于水分投入的響應(yīng)要高于中度放牧樣地。水分增加可提高過度放牧樣地土壤有機(jī)碳和總氮含量和土壤大團(tuán)聚體(>0.5 mm)含量。這可能是由于過度放牧導(dǎo)致土壤中有機(jī)碳和全氮含量降低，長期水分添加可以提高土壤中有機(jī)碳含量，而有機(jī)碳是重要的膠結(jié)物質(zhì)，能夠增強(qiáng)團(tuán)聚體的團(tuán)聚性，促進(jìn)團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成[8,38-39]，從而導(dǎo)致土壤大團(tuán)聚體增加。內(nèi)蒙古荒漠草原[8]和青藏高原[40]、31個(gè)溫帶和熱帶研究站點(diǎn)[12,41]、黃土丘陵區(qū)典型草原[14]的研究也得到了相似的結(jié)果。然而，長期水分添加沒有影響中度放牧樣地土壤團(tuán)聚體組成。課題組前期研究表明：中度放牧樣地長期水分添加造成生產(chǎn)力氮素限制，長期水分投入反而降低了土壤氮素礦化量和礦化速率，沒有增加植被生產(chǎn)力，促進(jìn)退化植物物種豐度增加[42]。本研究表明長期水分添加并沒有使中度放牧樣地有機(jī)碳和全氮含量顯著提高，因此，也沒有使土壤大團(tuán)聚體含量和比重增加。

3.3 氮素添加對土壤團(tuán)聚體粒級含量的影響

長期少量N素添加可能會(huì)改善過度放牧樣地土壤團(tuán)聚體的結(jié)構(gòu)，但不影響中度放牧樣地土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)組成。在過度放牧樣地中，氮素添加顯著降低過度放牧樣地微團(tuán)聚體(0.053～0.25 mm)含量，在貝加爾針茅草原[43]、青藏高原[44]、西北旱地[17]、黃土旱塬地帶[45]、低山黃土丘陵區(qū)[16]、青藏高原南部沖擊平原[46]的研究也得出相似的結(jié)果。此外，氮素添加顯著提高過度放牧樣地大團(tuán)聚體(>0.25 mm)所占比重但未增加其含量。而中度放牧樣地氮素投入后各粒級土壤團(tuán)聚體含量均沒有發(fā)生顯著變化。研究表明，N的補(bǔ)充有助于團(tuán)聚體內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)形成穩(wěn)定的土壤結(jié)構(gòu)，使較小的團(tuán)聚體重新膠結(jié)形成較大粒級的團(tuán)聚體[15,43,47-50]。本研究氮素投入沒有增加大團(tuán)聚體含量可能是因?yàn)镹添加量設(shè)置較低，僅為50 kg N·ha-1，相當(dāng)于華北平原地區(qū)大氣氮素沉降的最低值[51]，在其他研究中[48-50]，N添加量是本研究N添加的2～5倍，足量的氮素補(bǔ)充影響根系環(huán)境及根際周圍的物化過程、增強(qiáng)微生物的數(shù)量及活性、增加有機(jī)質(zhì)及氮的積累[44]，并促進(jìn)大團(tuán)聚體的形成，而少量的氮素投入可能不足以引起土壤有機(jī)碳和大團(tuán)聚體數(shù)量的改變。

4 結(jié)論

隨放牧強(qiáng)度增加，土壤大團(tuán)聚體含量減少，微團(tuán)聚體含量增加，團(tuán)聚體穩(wěn)定性下降；長期水分添加顯著增加了過度放牧樣地大團(tuán)聚體含量，對中度放牧樣地?zé)o顯著影響；長期少量氮素添加顯著降低過度放牧樣地微團(tuán)聚體含量，增加大團(tuán)聚體比重，對中度放牧樣地?zé)o顯著影響。過度放牧樣地土壤團(tuán)聚體的組成對水分和氮素投入的響應(yīng)比中度放牧樣地更為明顯。