放牧、氮添加對荒漠草原植物和土壤碳氮的影響

李宏宇,高翠萍,呂廣一,楊昌祥,張春英,王成杰*

(1.內蒙古農業大學草原與資源環境學院,內蒙古 呼和浩特 010011; 2.內蒙古農業大學草地資源教育部重點實驗室,內蒙古呼和浩特 010011; 3.內蒙古烏蘭察布市化德縣林業和草原局,內蒙古 烏蘭察布 012000)

放牧作為一種生產經營活動,是我國草原最重要的利用方式之一。放牧通過家畜踐踏、采食和排泄糞便對土壤產生直接和間接的影響[1],家畜的踐踏作用直接導致土壤緊實度和容重等物理性質的增加,進而引起土壤化學狀況的改變,家畜的采食和糞尿返還則通過影響植物的生長對土壤產生正向或負向的反饋調節作用[2-3]。目前,國內外有關放牧對草地生態系統碳氮貯量影響的研究結果不相一致。閆瑞瑞等[4]研究結果表明:隨著放牧強度的增大,土壤碳氮含量及土壤碳氮貯量均呈顯著線性下降趨勢。呂廣一等[5]通過對3種草原類型的研究,表明過度放牧降低了草原植物葉片、根系及土壤中全氮含量和穩定氮同位素值。另有研究認為放牧增加了草原土壤的碳氮含量[6-7],如高永恒等[8]研究不同放牧強度下高山草甸的碳氮格局時得出,隨著放牧強度的增加,不同程度地增加了土壤有機碳氮的貯量。所以放牧和土壤碳氮之間存在復雜的相互關系。目前我國有90%左右的草地處于不同程度的退化狀態,嚴重退化的草地占60%以上,成為制約區域經濟發展和生態文明建設的主要因素,而長期過度放牧會影響草原生態系統的營養物質循環過程,是導致這些草地大面積退化的主要原因[9]。

退化草地土壤養分缺乏,氮添加作為一種重要技術措施常被用于退化草地的恢復治理[10-11]。全球氮添加的試驗表明施氮可對植物的生長、物種結構及土壤肥力等產生一系列影響,大多研究證實植物的各項生長指標均隨氮素供應的增加而顯著增加[12-13],如秦加敏等[14]研究發現,氮添加顯著提高了植物生物量及碳、氮庫,同時改變了地上、地下部分生物量和碳、氮庫的分配。李瑞瑞等[15]報道:隨氮添加量的增加,土壤有機碳(Soil organic carbon,SOC)含量顯著增加,土壤可溶性有機碳(Dissolved organic carbon,DOC)和全氮含量顯著高于對照樣地。然而,過量的氮添加可導致植物生產力下降且不利于土壤碳氮含量的積累[16-18]。因此如何借鑒科學的草地施肥手段來恢復和改進退化的草地已成為當今研究的重要課題,同時對生態系統人為管理及預測全球變化下的生態系統N循環過程具有重要的理論和實踐意義。

在草原生態系統中,土壤與植被彼此制約又相互協調。內蒙古荒漠草原是我國北方重要的生態屏障和畜牧業生產基地,長期過度放牧導致草原退化,嚴重影響了生態系統的穩定及草原畜牧業發展的可持續性。目前在過度放牧背景的荒漠草原,通過外源氮素輸入恢復過程中,對植物和土壤碳氮含量變化規律及之間的相關關系研究甚少,且結論尚不一致;在不同氮添加處理的恢復措施中,植物和土壤的穩定碳氮同位素組成是如何變化的,也沒有確定的結論。本研究收集了重度放牧的荒漠草原上氮添加處理下的建群種植物短花針茅葉片及0～10 cm土壤樣品,通過測定短花針茅葉片和土壤全碳、全氮、穩定碳氮同位素及土壤有機碳、速效氮含量,結合土壤溫濕度數據,分析了放牧和氮添加后荒漠草原植物短花針茅葉片、土壤碳氮含量和穩定同位素的差異及變化規律,了解生態系統碳氮循環過程,探究了荒漠草原植物—土壤間碳氮含量的相關程度及土壤溫濕度在此生態系統中的調節作用,以期為退化草地恢復提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本試驗于內蒙古自治區包頭市達茂旗希拉穆仁鎮以南,建立的荒漠草原長期放牧試驗平臺(41°15′15″N,111°13′32″E)進行,該地屬于中溫帶半干旱大陸性季風氣候,平均海拔高度1 602 m,晝夜溫差較大,年平均氣溫相對較低,平均氣溫2.0℃,蒸發量為2 307 mm。年平均日照總時數3 200 h。降雨期每年大約70 d,7—9月為雨季,年平均降水量為285 mm。土壤類型為淡栗鈣土,土質粗糙,主要植物種有克氏針茅(Stipakrylovii)、冷蒿(Artemisiafrigida)、短花針茅(StipaBreviflora)、糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)、羊草(Leymuschinensis)、沙生冰草(Agropyrondesertorum)等。

1.2 試驗設計

本試驗平臺于2014年開始放牧試驗,設置無牧(Grazing prohibition,UG)、輕度放牧(Light grazing,LG)和重度放牧(Heavy grazing,HG)3個載畜率水平,每半年載畜率分別為0只羊單位·hm-2(NG),0.58只羊單位·hm-2(LG),1.74只羊單位·hm-2(HG)。本試驗中,我們的放牧強度是依據家畜的采食量、物種的組成及植被的覆蓋度所計算的中度放牧。放牧家畜為體重年齡接近的成年蒙古馬,分別為0,1,3匹,1匹馬=5個羊單位,放牧的蒙古馬健康狀況大致相同,體重為(350±50)kg,放牧時間為每年的6—9月,每月連續放牧5天。

通過參考區域大氣氮沉降水平[19]和內蒙古草原生態系統氮沉降的飽和量[20]。本研究于2021年7月開始氮添加試驗,在無牧和重度放牧樣地各設置4種氮添加處理水平:對照(CK,0 g·m-2·a-1)、低氮(LN,5 g·m-2·a-1)、中氮(MN,10 g·m-2·a-1)和高氮(HN,20 g·m-2·a-1)。每個處理設3個重復,共計24個3 m×2 m的小區,各小區隨機分布,小區間均設有>2 m的隔離帶(圖1)。施肥種類為尿素(含氮46%),根據氮添加水平,每年在7月中旬將生長季(6—9月)所需要噴施的尿素溶于水中均勻噴灑在小區內,對照處理(CK)小區內同時施等量的水,確保與施氮小區間的水分平衡。在10月中旬將非生長季(10月—翌年5月)氮肥一次性施入土壤中。

1.3 試驗樣品采集和測定

于2022年8月初植物生長旺盛期,在每個小區內,對短花針茅選擇5株形態上大致相似、無病蟲害的健康成熟個體進行標記,并收集其部分葉片裝入信封袋,放入保鮮箱,帶回實驗室,所收集的葉片需全部是完整、無病蟲害且未被家畜采食過的葉片。植物葉片樣品在105℃下殺青10 min,然后在65℃下烘干至恒重,用球磨儀磨碎,過40目篩后進行化學測定。用德國Elementar公司生產的isoprime100穩定同位素質譜儀連接元素分析儀(Vario Isotope Select)測定短花針茅葉片全碳、全氮和穩定碳氮同位素值。

利用土壤溫濕度速測儀測得每個小區內0～10 cm土層的土壤溫濕度數據。土壤樣品的采集主要用土鉆隨機取樣,在每個小區內0～10 cm土層取3鉆混合均勻作為一個樣品的重復,土壤樣品放入耐高溫的塑封袋標記后,帶回實驗室,然后過篩(1 mm)去除砂石和樹根殘渣。將土樣進行風干處理后用堿解擴散法測定土壤速效氮含量。取一部分風干土樣放入烘箱在65℃下烘干48 h。將烘干后的土壤樣品過80目的篩子,用球磨儀研磨,制樣供測,用德國Elementar公司生產的isoprime100穩定同位素質譜儀連接元素分析儀(Vario Isotope Select)測定土壤全碳、全氮和穩定碳氮同位素值。另取研磨后的土壤樣品用0.5 mol·L-1的鹽酸酸洗6次,每次酸洗1 h,用超純水反復淋洗(消除土壤中無機碳的影響),置于105℃烘箱中烘干至恒重,制樣供測,用德國Elementar公司生產的元素分析儀(Vario Isotope Select)測定土壤有機碳含量。其中短花針茅葉片和土壤δ13C和δ15N由以下公式計算:

δ13C=(R樣品/R標準-1)×1000‰

(1)

δ15N=(R樣品/R標準-1)×1000‰

(2)

式中,R樣品表示植物或土壤樣品13C/12C或15N/14N的值;R標準表示標準物,其中碳同位素采用國際通用標準物PDB(Pee Dee Belemnite),氮同位素采用國際標準物N2-atm(大氣中的氮氣)。

1.4 數據處理

通過SPSS 26中的線性混合模型,分析了放牧和氮添加的主效應以及交互作用對短花針茅葉片、土壤碳氮含量和穩定同位素的影響。通過SPSS 26中的單因素方差分析來對比放牧和氮添加處理間短花針茅葉片、土壤碳氮含量和穩定同位素的差異,通過LSD方法對結果進行多重比較。通過SPSS 26中的皮爾森相關性分析探究了短花針茅葉片和土壤各指標間的相關關系,用Origin 2022做相關關系圖。

2 結果與分析

2.1 放牧、氮添加對土壤溫濕度的影響

在禁牧樣地上土壤溫度平均為33.7℃,比重牧樣地土壤溫度高3.7℃,重牧顯著降低了土壤溫度(P<0.05,圖2a)。對比禁牧和重牧樣地N0處理,重牧樣地土壤濕度低于禁牧樣地,表明高強度的放牧使草地土壤水分喪失,土壤濕度降低(圖2b)。與對照處理(N0)相比,氮添加對土壤溫度和濕度均無顯著影響。

圖2 放牧、氮添加對土壤溫濕度的影響Fig.2 Effect of Grazing and Nitrogen Addition on Soil Temperature and Humidity注:N0,對照(CK,0 g·m-2·a-1);N5,低氮(LN,5 g·m-2·a-1);N10,中氮(MN,10 g·m-2·a-1);N20,高氮(HN,20 g·m-2·a-1),G,放牧;N,氮添加;G×N,放牧和氮添加的交互作用;P<0.05,顯著差異,P<0.01,極顯著差異;R2,線性混合模型指數;不同大寫字母表示放牧處理間差異顯著,不同小寫字母表示氮添加處理間差異顯著;下同Note:N0,Control(CK,0 g·m-2·a-1);N5,Low Nitrogen(LN,5 g·m-2·a-1);N10,Medium Nitrogen(MN,10 g·m-2·a-1);N20,High Nitrogen (HN,20 g·m-2·a-1);G,Grazing;N,Nitrogen Addition;G×N,Interaction of Grazing and Nitrogen Addition;P<0.05,significant difference,P<0.01,highly significant difference;R2,Linear Mixed Model Index;Different capital letters indicate significant differences among grazing treatments,and different lowercase letters indicate significant differences among N-addition treatments;the same as below

2.2 放牧、氮添加對短花針茅葉片TC,TN含量和δ13C,δ15N的影響

放牧、氮添加及其交互作用對短花針茅葉片TC含量均無顯著影響,在重牧樣地上短花針茅葉片TC含量整體表現為N10>N0>N5>N20(圖3a)。與禁牧樣地相比,放牧增加了各施氮處理水平短花針茅葉片TN含量,但結果未達顯著水平(圖3b)。

圖3 放牧、氮添加對短花針茅葉片碳氮含量和穩定同位素的影響Fig.3 Effect of Grazing and Nitrogen Addition on Carbon and Nitrogen Content and Stable Isotopes of Stipa Breviflora Leaves

與禁牧樣地相比,放牧使短花針茅葉片δ13C值顯著降低(P<0.05,圖3c)。氮添加對短花針茅葉片δ13C值無顯著影響。放牧、氮添加及其交互作用對短花針茅葉片δ15N值均有顯著影響(P<0.05,圖3d)。在重牧樣地上短花針茅葉片δ15N值整體表現為N10>N0>N5>N20,說明施氮處理N10水平有利于短花針茅葉片的氮同化能力。

2.3 放牧、氮添加對土壤TC,TN和δ13C,δ15N的影響

放牧、氮添加均顯著增加了土壤TC含量(P<0.05,圖4a)。與禁牧樣地相比,放牧顯著增加了土壤TN含量(P<0.05,圖4b),氮添加對土壤TN含量無顯著影響,但在重牧樣地上施氮處理N10水平的土壤TN含量均高于N5和N20水平。

圖4 放牧、氮添加對土壤碳氮含量和穩定同位素的影響Fig.4 Effect of Grazing and Nitrogen Addition on Soil Carbon and Nitrogen Content and Stable Isotopes

放牧、氮添加對土壤δ13C、δ15N值均無顯著影響,放牧和氮添加的交互作用對土壤δ13C值有顯著影響(P<0.05,圖4c)。放牧、氮添加均顯著增加了土壤AN含量(P<0.05,圖4f),在重牧樣地上土壤AN含量整體表現為N10>N20>N5>N0,表明施氮處理N10水平對土壤AN含量增加效果強于N5和N20水平。

2.4 短花針茅葉片和土壤各指標的相關性分析

土壤TN和AN含量與土壤溫度(Soil temperature,ST)有顯著負相關關系(P<0.05),說明隨著溫度的升高,土壤中的可利用性氮含量顯著降低;短花針茅葉片TN含量與ST有極顯著負相關關系(P<0.01),這和土壤TN含量與ST的相關關系具有一致性;土壤TN含量與土壤濕度(Soil moisture,SM)有顯著正相關關系(P<0.05),說明隨著SM的增大,土壤TN含量也顯著增加。短花針茅葉片δ13C值與SM有顯著負相關關系(P<0.05);土壤TC含量與土壤δ13C值有顯著的負相關關系(P<0.05);土壤AN含量與土壤TN含量有極顯著的正相關關系(P<0.01,圖5)。

圖5 短花針茅葉片和土壤各指標的相關性分析Fig.5 Correlation Analysis of Various Indicators of Stipa Breviflora Leaves and Soil注:葉片全碳、全氮和穩定碳氮同位素值為各處理下短花針茅葉片的值。ST,土壤溫度;SM,土壤濕度;LTC,短花針茅葉片全碳;LTN,短花針茅葉片全氮;Lδ13C,短花針茅葉片穩定碳同位素;Lδ15N,短花針茅葉片穩定氮同位素;STC,土壤全碳;STN,土壤全氮;Sδ13C,土壤穩定碳同位素;Sδ15N,土壤穩定氮同位素;SOC,土壤有機碳;SAN,土壤速效氮;*和**表示在P<0.05或P<0.01具有顯著或極顯著相關關系Note:Leaf total carbon,total nitrogen and stable carbon and nitrogen isotope values are for short-flowered needlegrass leaves under each treatment.ST,Soil temperature;SM,Soil moisture;LTC,Stipa Breviflora leaf total carbon;LTN,Stipa Breviflora leaf total nitrogen;Lδ13C,Stipa Breviflora leaf stable carbon isotope;Lδ15N,Stipa Breviflora leaf stable nitrogen isotope;STC,Soil total carbon;STN,Soil total nitrogen;Sδ13C,Soil stable carbon isotope;Sδ15N,Soil stable nitrogen isotope;SOC,Soil organic carbon;SAN,Soil effective nitrogen;*and**indicate a significant or highly significant correlation at P<0.05 or P<0.01

3 討論

3.1 放牧、氮添加對短花針茅葉片和土壤碳氮含量的影響

生物的內穩態機制認為生物有機體在環境變化中具有保持其體內化學組成相對恒定的能力[21],但當生物受到外界環境干擾時,其化學計量比也會受到影響[22]。國內外關于放牧對草地生態系統植物和土壤碳氮含量的影響開展了大量研究,但其結果不相一致。本研究中,放牧使土壤TC和TN含量顯著增加(圖4a和4b),碳氮含量增加的原因主要有以下3個方面:家畜的踐踏促進枯落物破碎,從而加速枯落物的分解和碳氮素周轉;相對于禁牧樣地,過度放牧地的家畜排泄物較多,經過礦質淋溶和有機質分解等會有較多的碳氮回歸土壤[23],有利于土壤碳氮的積累;另外地上植物被家畜大量采食后,土壤碳氮含量的累積速度超過了葉片對碳氮的吸收利用,最終導致土壤碳氮含量的增加。本研究中氮添加對土壤SOC含量無顯著影響(圖4e),這與李煥茹等[24]的研究結果存在差異,可能與草原類型和氮添加量有關。本研究表明氮添加各處理水平對短花針茅葉片TN含量均有增加效果(圖3b),這與李海霞等[25]研究結果相似,短花針茅作為C3植物,其體內有較高的類囊體成分,提高了光合CO2固定效率,從而具有較高的氮素利用效率。同時植物地上部較根系對氮添加更為敏感,所以短期的氮添加可以加速植物葉片對氮的吸收。

植物是生物地球化學循環的重要環節,根系將兩者緊密聯系在一起,植物從土壤中吸收養分,以枯落物和根系分泌物歸還土壤,因此植物體內的養分狀況體現了植物對環境的適應,而土壤養分狀況又反映了植物的養分需求[26]。本研究中土壤TC含量與短花針茅葉片TC含量呈負相關關系,但未達到顯著水平(圖5),說明短花針茅葉片碳含量會隨著土壤碳含量的增加而降低,表明碳在土壤和植物中的循環較緩慢,使得碳大部分滯留在土壤中。土壤TN含量與短花針茅葉片TN含量呈正相關關系,但未達到顯著水平(圖5),說明氮添加使土壤氮含量增加的同時加速了土壤和短花針茅葉片的氮循環速率,提高了短花針茅葉片的氮利用率。本研究結果顯示土壤TN和AN含量與ST均有顯著負相關關系,短花針茅葉片TN含量與ST有極顯著負相關關系(圖5)。表明ST和SM在調節生態系統的水循環和氮循環過程中,土壤和植物作為生態系統的重要組成部分,也受其調節作用。另外,土壤TC含量與土壤TN和AN含量顯著相關(圖5)。表明氮添加在短期內可以提高土壤氮的有效性,有助于根系對氮的吸收并轉移至地上部,促進葉片光合作用,使葉片合成更多的碳水化合物再運輸至根系,從而增加土壤的碳含量[27-28]。綜上所述,本研究認為放牧和氮添加都能在一定程度上提高土壤碳氮的有效性,短期氮添加能加速短花針茅葉片氮循環速率和氮利用性,有利于加速土壤的養分循環。

3.2 放牧、氮添加對短花針茅葉片和土壤穩定碳氮同位素的影響

植物穩定性同位素自然豐度的形成,普遍認為是由于同位素效應(Isotope effect)的兩種不同過程導致的,一種是同位素分餾(Isotope fractionation),即在植物生長過程中,環境的不同造成植物體內同位素和元素的差異。另外一種是同位素判別(Isotope discrimination),簡單的說就是由于植物自身的差異造成的對同位素和元素的選擇不同,導致植物體內元素自然豐度的差異[29-30]。放牧、氮添加對土壤δ13C值均沒有顯著影響,放牧和氮添加的交互作用對土壤δ13C值影響顯著(圖4c)。另外,禁牧樣地N0水平下短花針茅葉片δ13C值為-24.48‰,重牧樣地N0水平下短花針茅葉片δ13C值為-25.59‰,放牧使短花針茅葉片δ13C值顯著降低1.11‰(圖3c)。這可能因為在重度放牧強度下家畜對草地植被的采食程度加劇[31],草地地上生物量降低,進而減少了土壤覆蓋層,增加了陽光的穿透力,加速了土壤水分的蒸發。使原本適于土壤微生物生存的環境發生惡化,從而降低草原土壤的δ13C值。又由于植物—土壤的相互作用,短花針茅在土壤面對家畜干擾的過程中,對CO2的分辨能力發生變化,使短花針茅葉片δ13C值也顯著降低。研究結果中禁牧樣地N0水平下短花針茅葉片δ15N值為-0.48‰,四種處理間變化為-1.59‰～-0.48‰;重牧樣地N0水平下短花針茅葉片δ15N值為-0.82‰,四種處理間變化為-2.55‰～-0.74‰。放牧、氮添加及其交互作用都使短花針茅葉片δ15N值顯著降低(圖3 d)。這與李昕宇[32]研究結果相似,說明短花針茅生長能力較弱,面對家畜采食的干擾,雖然能及時改變生長策略,但對于環境變化的耐受性不高,導致短花針茅對氮素利用率降低,從而使葉片δ15N值顯著降低。土壤δ15N值變化范圍為3.09‰～5.33‰,比短花針茅葉片δ15N值平均偏正2.85‰。目前對于土壤δ15N值較植物δ15N值偏正現象的解釋是植物分解過程中有機氮中的14N優先發生分解并被植物吸收,而保存在土壤中的殘余部分則相對富集15N,導致土壤中δ15N值較植物體偏正[33]。

在氮限制生態系統進行人為施氮是全球變化的主要組成部分,而穩定C和N同位素比率(δ13C和δ15N)的自然豐度通常被引用為生態系統C和N循環過程和狀態的可靠指標[34]。本研究中由于短花針茅葉片δ13C與ST的正相關和與SM的負相關的綜合作用,使短花針茅葉片δ13C值整體有上升的趨勢。這與Li等[35]結論一致,溫度升高會導致土壤水分蒸發加強,使土壤可利用水分的量減少,植物光合作用的速率增大,消耗CO2的量逐漸增多,植物葉片內部的CO2濃度逐漸減小,從而使δ13C值增大。綜上所述,土壤和短花針茅葉片δ13C和δ15N值受碳氮循環及諸多環境因素的影響,在放牧和氮添加的綜合作用下,土壤和植物δ13C和δ15N具有相近的趨勢,以上研究結果初步表明土壤和植物穩定碳氮同位素組成可能為荒漠草原環境變化示蹤提供指示。

4 結論

放牧、氮添加對荒漠草原植物短花針茅葉片和土壤碳氮含量均有一定的影響。短花針茅葉片碳氮含量隨土壤碳氮含量的變化而變化,表明該地區土壤的碳氮組成可以反映生長植物的碳氮組成變化;氮添加對土壤碳氮含量無顯著影響,對短花針茅的影響僅表現為使葉片δ15N值顯著降低,表明短期氮添加對植物分解過程中的分餾效應影響顯著;短花針茅葉片和土壤各指標與土壤溫濕度均有不同程度的相關關系,表明荒漠草原土壤溫濕度對生態系統碳氮循環有調節作用。