不同生態修復措施對毛烏素沙化草地土壤碳的短期影響*

邵麗文,劉思博,常 虹,王靜宜,3,殷國梅

(1.內蒙古大學生態與環境學院,呼和浩特 010021;2.內蒙古自治區農牧業科學院,呼和浩特 010031;3.內蒙古農業大學沙漠治理學院,呼和浩特 010011)

碳是生態系統能量流動和生物地球化學循環的主要媒介,許多草地生態系統服務都由植物、微生物、土壤、大氣之間的碳循環支撐。草地為生物多樣性提供棲息地,促進糧食生產,并提供諸多文化服務[1]。因此,了解草地碳庫的維持機制是草地保護和可持續利用的重要基礎[2]。其中草地生物量碳只占草地生態系統碳儲存量的一小部分,而土壤以土壤有機碳(SOC)和植物碳(根系、其他地下生物量碳)的形式含有草地總碳庫的80%—94%[2]。

在土壤中儲存著陸地生態系統中最大的碳庫,它由有機碳庫和無機碳庫兩部分組成,前者是濕潤、半濕潤地區碳庫的主要形式,而后者是干旱、半干旱地區土壤碳庫的主要形式,干旱、半干旱地區的土壤無機碳是土壤有機碳的2—5倍[3]。土壤碳庫中微小的變化直接影響陸地碳循環以及二氧化碳與氣候變化的反饋作用[4]。其中土壤活性有機碳雖然占比較小,但與土壤中的全碳相比,更能反映土壤中的細微變化,與土壤的利用方式、耕作措施以及土壤理化性狀之間都有關系[5]。張秀芝等認為有機肥和化肥同時施用,能提高土壤有機碳的含量,提升土壤有機碳的活性[6]。無機碳是指土壤在風化過程中形成的碳酸鹽礦物態碳[7]。

目前大量的研究證明,由于氣候變化、過度放牧等人類不合理利用方式導致了草地退化越來越嚴重,直接造成土壤有機碳的下降,通過人為干預措施(圍欄封育、施肥補播等)能夠加快退化草地的恢復[8]。通過施肥等保護性的修復措施能夠改變土壤有機物的輸入,影響土壤有機碳的分解速率,提高土壤活性有機碳的含量,從而改變土壤有機碳的儲量[9]。而且退化的生態系統實施修復措施之后,植被的蓋度以及物種的多樣性逐漸提高,也提高了土壤碳的固存能力[10]。雖然修復措施對碳的影響這方面的研究較多,但是在毛烏素這片區域研究較少,故本實驗選址在毛烏素沙地,分析不同修復措施(施肥、補播、噴藻、圍封等)下,毛烏素沙地土壤碳含量在土壤剖面不同深度處的分布特征,探討不同修復措施對土壤碳的影響,這不僅可以為退化草地植被恢復提供理論依據,通過不同修復措施治理還能增加土壤碳庫容量,對于減少碳排放、緩解碳排放對全球環境的影響也具有重要的現實意義。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于內蒙古自治區鄂爾多斯市烏審旗嘎魯圖鎮蘇力德蘇木塔來烏素嘎查(108°17′36″—109°40′22″E,37°38′54″—39°23′50″N),樣地所在區域位于毛烏素沙地腹地。氣候屬溫帶大陸性氣候,冬冷夏熱,年溫差大,降水集中,四季分明。年平均氣溫6.8℃,年降水量350—400 mm,年蒸發量2200—2800 mm,年平均風速3.4 m/s,無霜期113—156 d。試驗地土壤多為風沙土,原生植被為中間錦雞兒(Caragana liouana)與黑沙蒿(Artemisia ordosica)群落,試驗區植被蓋度為10%以下,植物種類為沙蓬(Agriophyllum squarrosum)和苦豆子(Sophora alopecuroides)。

1.2 實驗設計和方法

試驗于2021年6月初進行,9月下旬進行土壤采樣。本試驗在圍封和禁牧的條件下進行,具體的修復措施包括圍封(CK),施肥(AF),補播(RS),噴藻(AS),施肥+補播(AF+RS)和藻類拌種+補播(A+RS)6種處理,其中圍封(CK)作為對照組。試驗采用隨機區組設計,分為3個試驗區組,每個區組內分布不同的修復措施(見圖1)。其中施肥修復的有機肥為羊糞廄肥,施肥量為3000 kg/hm2,補播的草種組合播量比例為草木樨(Melilotus suaveolens)∶羊柴(Corethrodendron fruticosum)∶老芒麥(Elymus sibiricus)∶無芒雀麥(Bromus inermis)∶扁穗冰草(Agropyron cristatum)∶披堿草(Elymus dahuricus)=11.25∶11.25∶30.00∶30.00∶22.50∶25.05;噴施和拌種的藻類為小球藻(Chlorella vulgaris)、微鞘藻(Microcoleus chthonoplastes)、偽枝藻(Scytonema sinense)、席藻(Phormidiaceae)共4種,均為混合噴施或拌種,噴施量均為2250 kg/hm2,噴施比例為微鞘藻∶偽枝藻∶席藻∶小球藻=3∶2∶1∶1。

圖1 實驗區組分布示意圖Fig.1 Experimental block distribution schematic translation

1.3 測定方法

在上述樣地中,采用土鉆分別采取0—10 cm、10—20 cm、20—30 cm 3個土層的土壤樣品,在每個樣地內同一土層中隨機選擇3點進行樣品采集并獲得復合樣品。

土壤全碳采用重鉻酸鉀容量法測定[11-12],土壤有機碳采用重鉻酸鉀外加熱法測定[13-14],土壤無機碳采用氣量法測定[15],土壤易氧化有機碳采用333 mmol/L高錳酸鉀氧化法測定[9,16],土壤惰性有機碳采用酸水解法測定[11]。

1.4 數據處理

試驗獲取數據通過Excel進行統計,用SPSS 26運用單因素方差(one-way ANOVA)對不同生態修復方式下各土層土壤有機碳含量進行統計分析,處理之間的顯著性差異分析均設P=0.05水平,利用Duncan氏多重檢驗比較平均值的差異顯著性,用Origin 2022進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 土壤全碳(C)在不同修復措施之下的差異

通過對不同修復措施處理下土壤全碳含量的分析,結果見圖2。在0—10 cm 的土層中,施肥+補播(AF+RS)修復措施下含碳量顯著(P＜0.05)高于對照區(CK),通過AF+RS處理,土壤全碳含量增加了23.77%;藻類拌種+補播(A+RS)措施中全碳的含量高于CK,土壤全碳含量增加了3.63%;施肥(AF)、補播(RS)、噴藻(AS)措施中全碳的含量低于對照區(CK),土壤全碳含量分別降低了5.60%、5.00%、0.45%,均沒有顯著差異(P＞0.05)。在10—20 cm 的土層中,AF+RS修復措施全碳的含量高于其他修復措施,土壤全碳含量增加了10.90%,但均沒有顯著差異(P＞0.05)。20—30 cm土層同上。結果表明AF+RS修復措施在生態修復過程中對全碳的影響效果更好。

圖2 不同修復措施對土壤全碳的影響Fig.2 Effects of different restoration measures on soil organic carbon

2.2 土壤有機碳(SOC)在不同修復措施之下的差異

通過對不同修復措施處理下土壤有機碳的分析,結果見圖3。在0—10 cm 的土層中,AF、AF+RS和A+RS處理區的土壤有機碳含量有所增加,土壤有機碳含量分別增加了73.75%、20.84%、56.11%;而RS、AS處理區的有機碳含量低于對照區(CK),且均沒有顯著差異(P＞0.05),土壤有機碳含量分別降低了8.62%、10.82%。在10—20 cm 的土層中,AF和A+RS處理區的土壤有機碳含量增加更為明顯,土壤有機碳含量增加了28.84%、23.45%,僅RS處理區土壤有機碳的含量低于對照區(CK),土壤有機碳含量降低了29.64%。在20—30 cm 的土層中,同樣是AF和A+RS處理區的土壤有機碳含量相較于CK 有所增加,含量分別增加了29.57%、29.06%,但沒有顯著差異(P＞0.05)。結果表明施肥(AF)與藻類拌種+補播(A+RS)修復措施在3個土層中對土壤有機碳的影響更為明顯。

圖3 不同修復措施對土壤有機碳的影響Fig.3 Effects of different restoration measures on soil organic carbon

2.3 土壤無機碳(SIC)在不同修復措施之下的差異

通過對不同修復措施處理下土壤無機碳含量的分析,結果見圖4。在0—10 cm 的土層中,AF和A+RS分別與AF+RS之間有顯著差異(P＜0.05),在AF+RS措施中,土壤無機碳含量相較于AF和A+RS分別提高了171.58%、74.92%。在10—20 cm 與20—30 cm 的土層中,各措施之間土壤無機碳的含量均沒有顯著差異。結果表明,在沙化草地修復的過程中AF+RS修復措施僅在0—10 cm土層中對土壤無機碳的影響更明顯。

圖4 不同修復措施對土壤無機碳的影響Fig.4 Effects of different restoration measures on soil inorganic carbon

2.4 土壤易氧化有機碳(EOC)在不同修復措施之下的差異

通過對不同修復措施處理下土壤易氧化有機碳的分析,結果見圖5。在0—10 cm 的土層中,AF+RS與A+RS 處理區土壤易氧化有機碳的含量高于CK,土壤易氧化有機碳含量分別增加了5.77%、45.00%,但差異不顯著(P＞0.05),另外AF、RS、AS與CK 相比,低于對照區,土壤易氧化有機碳含量分別降低了15.77%、1.92%、25.77%。其中A+RS的易氧化有機碳的含量顯著的高于AS,易氧化有機碳含量增加了95.00%;在10—20 cm 土層中,CK 易氧化有機碳的含量高于其他修復措施的易氧化有機碳含量,且差異不顯著(P＞0.05);在20—30 cm 的土層中,RS、AS、AF+RS、A+RS措施中易氧化有機碳的含量高于對照區(CK),其土壤易氧化有機碳的含量分別增加了9.75%、4.66%、15.25%、42.80%,AF的易氧化有機碳的含量低于CK,含量降低了21.61%,但差異均不顯著(P＞0.05),另外A+RS處理下易氧化有機碳的含量顯著(P＜0.05)地高于AF,土壤易氧化有機碳的含量增高了82.16%。結果表明A+RS修復措施在沙質草地生態修復中對易氧化有機碳含量的提高效果較好。

圖5 不同修復措施對土壤易氧化有機碳的影響Fig.5 Effects of different restoration measures on soil oxidative organic carbon

2.5 土壤惰性有機碳(ROC)在不同修復措施之下的差異

通過對不同修復措施處理下土壤惰性有機碳含量的分析,結果見圖6。在0—10 cm 的土層中,AF+RS修復措施中土壤惰性有機碳含量顯著(P＜0.05)高于AF、RS和A+RS,土壤惰性有機碳含量分別增加了32.39%、36.10%、37.20%。在10—20 cm 的土層中,AF+RS修復措施土壤惰性有機碳的含量高于其他修復措施,但均沒有顯著差異。在20—30 cm 的土層中,結果同上。結果表明AF+RS修復措施在沙化草地土壤的修復過程中對土壤惰性有機碳的影響效果更加明顯。

圖6 不同修復措施對土壤惰性有機碳的影響Fig.6 Effects of different restoration measures on soil inert organic carbon

3 討論

土壤全碳的垂直分布特征隨土壤深度的增加而降低,僅施肥+補播措施對全碳的影響較大。土壤有機碳在不同措施下的垂直分布規律表現為表層土壤含量較高,隨土層深度的增加而遞減。其中噴藻、藻類拌種+補播兩種處理以及圍封樣地,土壤有機碳含量隨土層加深呈現先升高后降低的趨勢。在本研究中不同恢復措施對土壤有機碳含量均沒有顯著差異,僅施肥(AF)和藻類拌種+補播(A+RS)措施下效果較好。劉強等[17]的研究表明與對照區相比,不同的施肥措施均能增加不同土層土壤有機碳的含量,且土壤有機碳含量隨土層深度的增加而下降,這一結果與本文相似。

曾駿等[18]通過18年的定位試驗分析不同施肥措施下對土壤無機碳的影響。實驗結果表明施肥對土壤無機碳的影響隨土層的增加而增加。李學峰等[19]在砒砂巖區的碳含量研究中表明,在0—40 cm土層中,土壤無機碳含量垂直分布趨勢與土壤有機碳呈負相關,隨深度增加土壤無機碳含量升高,而在本研究中隨著土壤深度的進一步加深,出現了相似的結果,但是變動不明顯。分析其原因是0—30 cm 有機質含量較高,其分解過程釋放的大量CO2會傳導至土壤表層,在土壤水分的參與下生成碳酸,使得土壤p H 值降低,導致碳酸鹽更容易分解,并在淋溶作用下隨水分遷移,從而土壤表層土壤無機碳的含量低。土壤無機碳在干旱半干旱區主要分布在下層土壤,而本文監測的是0—30 cm的土壤深度,土層較淺。另外時間年限區別較大,也是導致最終結果有差異的原因之一。

張瑞等[9]研究表明施肥能夠顯著提高易氧化有機碳的含量,其中通過單施有機肥或者有機肥與化肥配施的效果優于單施化肥。這一結果與本研究不一致,本研究中結果顯示,通過施肥后的易氧化有機碳的含量低于對照樣地。王艷等[20]的研究通過施加有機肥以及施加化肥發現易氧化有機碳的剖面分布隨著土層的加深其含量呈現逐漸降低的趨勢。這一結果與本研究相似,在施肥處理下,易氧化有機碳含量隨著土層的加深呈現逐漸降低的趨勢。施肥+補播這種修復措施對土壤惰性有機碳的含量影響較大。

4 結論

在不同的修復措施下,土壤中的碳在剖面的分布存在著明顯的差異,但由于實驗時間較短,土壤碳的變動主要集中在0—10 cm 的土層中。其中施肥(AF)這一措施,對土壤有機碳的影響較大,通過施肥措施0—10 cm 的土層中土壤有機碳的含量提升了73.75%;在補播(RS)下,對土壤中各類碳的影響不大;噴藻(AS)措施對土壤無機碳、土壤惰性有機碳影響較明顯;施肥+補播(AF+RS)措施對土壤碳含量有明顯的提升,該修復措施下土壤全碳顯著高于對照區;藻類拌種+補播(A+RS)措施同樣影響著各類土壤碳含量。在10—20 cm、20—30 cm 的土層中不同修復措施對土壤碳的影響均沒有顯著的差異性。