下载:
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川西北高寒沙化草地是长江流域及黄河流域重要的地下水维护及调控源头，还是中国生物多样性的重要地域[1]。目前沙化草地恢复耦合机理研究主要在干旱地区和半干旱地区，而对于较为湿润的高寒沙化草地研究较少[2-4]。氮素是植物生长发育所需的大量营养元素之一，也是植物从土壤中吸收量最大的矿质元素[5]。自然界中限制各种生态系统生产力高低的主要因子，也是氮素[5]。研究高寒沙化草地恢复耦合机理，明确土壤氮素的变化特征和土壤氮素与沙化土地恢复之间的关系，对于如何恢复高寒沙化草地，保护高寒地区草甸等方面有重要作用，也利于掌握高寒沙化草地恢复过程对土壤肥力的影响机制[6]。土壤有机质含量的变化对禁牧的响应较快，因此有机质可作为恢复过程中植物种类选择的评价指标，以及禁牧期的恢复效果，由于土壤有机质和氮素在草原生态系统中的理化作用，其在土壤中的储量、分布能够直接影响草原生态系统功能的正常发挥[12]。且对该地区恢复时段和恢复过程的耦合机理或机制的研究对于实践中确定禁牧时间等有直接的指导作用。利用空间代替时间的方法，研讨了禁牧不同时间的川西北高寒草地的土壤水解性氮，全氮及土壤有机质含量和关系，以揭示其禁牧后恢复时间和恢复过程的耦合机理或机制，为地方政府生态恢复高寒沙化草地提供了方法参考。
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研究区位于青藏高原的东部边际，地理坐标介于102°08'—103°39'E，32°56'—34°19'N间，海拔3330~3770 m，是中国最大的高原。湿地和草甸为其主要的草地类型，大陆性高原寒带季风气候为其气候类型，有春秋急促、较长冬无夏的特点。其同比降水量791.95 mm，降水主要分散在5—10月，同比温度为0.9 ℃，同比积雪期为76 d，没有绝对的无霜期。
日照较长，太阳辐射强，同比日照2158.7 h，太阳辐射年比重为6194 MJ·m−2[7-9]。未治理区因为过分放牧，树木组成相对单纯，伴同发生沙生苔草等等盐生树木。[10-11] 围栏禁牧治理区的植被组成与正常放养的草地植被组成种类差别不太大，包括黄花蒿、充斥碱草，及早熟禾、臭草及冰草、甘肃马先蒿、莎草等杂草[12-14]。川西北草地的成土母质依不同地理环境有基本规律分布，多为三迭系泥岩、泥岩及第四纪的松散堆积物，土壤含沙量较为高[20]。
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于2018年7月在研究区进行调查取样。在地理位置相近，地形、海拔、坡向等相同的地域，选择了未围栏禁牧的沙地草地及施行5年及10年的放养禁令的沙地（见表1）。在现场选择3个样地，样地大小为20×20 m，五点取样法分层取样。取样分为0~20 cm，20~40 cm两层。
表 1 围栏禁牧样地信息表
Table 1. Basic information of grazing exclusion sample plots
样地 经纬度 海拔/m 物种丰富度/种 群落平均高度/cm 群落平均盖度/% 未恢复沙化草地 102°27′44.30 E, 33°44′21.53N 3435 3~8 27.00 7.00 102°27′44.23 E, 33°44′21.48N 3422 102°27′44.27E ,33°44′22.14N 3421 禁牧5年 102°28′87.98N,33°91′92.68E 3432 5~13 47.30 26.00 102°28′74.33N, 33°91′92.98E 3437 102°28′14.52N, 33°91′95.28E 3437 禁牧10年 102°37′54.62E, 33°43′48.64N 3462 7~14 69.60 39.30 102°37′54.15E, 33°43′48.92N 3466 102°37′54.02 E, 33°43′49.43N 3466 -
每个样方中，对于植物高度的测量，是通过卷尺测量所有植物的自然高度，再取平均值。目测估算植物覆盖率，并以百分比表示。
样品送至四川华标检测技术有限公司，对于土壤有机质通过重铬酸钾外部加热法测定，对于全氮通过半微量开尔文法测定，对于水解性氮通过碱水解扩散法测定[15-16]。
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数据统计、方差分析、相关分析采用SPSS 17.0软件，利用EXCEL 2010处理表格。
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不同围栏禁牧时间地层植被有显著增加，随着围栏禁牧时间的增长，沙化草地植被盖度及平均高度增加(见图1)。方差分析的结果显示，不同隔离带禁牧时间沙化草地树木盖度及平均株高均达极显著差异水平(F=135.011，P<0.01)、>(F=51.283，P<0.01)，隔离带禁牧5及10年沙化草地植被平均盖度分别为26%、39.3%，植被平均高度分别为47.30 cm及69.60 cm；围栏禁牧10年的沙化草地树木盖度及平均株高极显著高于围栏禁牧5年沙化草地，围栏禁牧5年也极显著高于未禁牧的沙化草地。说明了沙化草地展开围栏禁牧过程中，地层树木逐渐获得恢复。
图 1 不同围栏禁牧时间群落平均高度、平均盖度变化
Figure 1. Changes of average height and coverage of community in different grazing exclusion time
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研讨结果显示，研讨区沙化草地土壤有机质浓度介于0.78~5.29 g·kg−1间(见表2)。随着隔离带禁牧时间的增多，沙化草地各个覆盖层土壤有机质浓度逐渐增多，其中，0~20 cm覆盖层，隔离带禁牧5年、10年及未修补沙化草地相比土壤有机质浓度分别增多17.07%、34.05%。方差分析结果显示，0~20 cm覆盖层土壤有机质浓度差异达到明显显著水平(F=7.676，P<0.05)，隔离带禁牧5年、10年后沙化草地土壤有机质浓度都明显高于未修补沙化草地，围栏禁牧10年也明显高于围栏禁牧5年沙化草地，说明围栏禁牧过程对于沙化草地展开围栏禁牧过程中，
表 2 不同围栏禁牧时间土壤有机质含量
Table 2. Soil organic matter content in different grazing exclusion time
土层深度/cm 未修复/(g·kg−1) 5年/(g·kg−1) 10年/(g·kg−1) 0~20 3.55±0.22 4.16±0.34 4.76±0.62 20~40 1.40±0.56 3.33±1.26 4.14±0.76 有机质浓度在土壤0~20 cm覆盖层有很大的提高，且显现出后期的增多波幅缓于前期的特性。其在20~40 cm覆盖层，不同围栏禁牧时间沙化草地土壤有机质浓度降幅不及0~20 cm覆盖层，其中，围栏禁牧10年沙化草地明显高于围栏禁牧5年及未修补沙化草地，而是围栏禁牧5年及未修补沙化草地间差异还高达明显总体水平。其浓度差异也还高达明显显著水平(F=7.201，P<0.05)。
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统计分析结果显示，研讨区不同隔离带禁牧时间沙化草地土壤全氮浓度在0.016~0.028 g·kg−1（见表3）。随隔离带禁牧时间的增多，沙化草地各个覆盖层土壤全氮浓度也随之增多，其中，0~20 cm覆盖层变动最为显著，隔离带禁牧5年与未修补沙化草地相比土壤全氮浓度增多了19.68%，隔离带禁牧时间为10年后沙化草地土壤全氮浓度显著增多。方差分析结果显示，不同隔离带禁牧时间沙化草地0~20 cm覆盖层土壤全氮浓度差异显著水平（F=7.156*，P<0.05），其中，围栏禁牧10年沙化草地、明显高于围栏禁牧5年及未修补沙化草地。20~40 cm土层降幅仍然显著低于0~20 cm土层。方差分析结果显示，不同隔离带禁牧时间沙化草地20~40 cm覆盖层土壤全氮浓度差异达显著水平（F=17.370*，P<0.05）。隔离带禁牧过程中随土层深度的增加沙化草地土壤全氮的增多波幅逐渐增多，说明0~20 cm土层土壤因受生物学作用的影响小于下层土壤。
表 3 不同围栏禁牧时间土壤全氮含量
Table 3. Total soil nitrogen content in different grazing exclusion time
土层深度/cm 未修复/(g·kg−1) 5年/(g·kg−1) 10年/(g·kg−1) 0~20 0.020±0.0025 0.024±0.0005 0.026±0.0020 20~40 0.017±0.0015 0.025±0.0025 0.024±0.0005 -
土壤水解性氮能够被植物直接吸收，其含量一直作为衡量土壤氮素水平的重要指标。随着围栏禁牧时间的增加，在研究区沙化草地土壤中，土壤水解性氮含量呈现逐步增加的特征。各土层土壤水解性氮含量却呈现先减少和增加的特征，其中，0~20 cm土层，围栏禁牧5年沙化草地较未修复沙化草地水解性氮含量减少了23.80%，围栏禁牧10年沙化草地较围栏禁牧5年沙化草地水解性氮含量增加了24.19%；方差分析结果表明，该土层土壤水解性氮含量差异未达到极显著水平(F=1.858，P>0.05 )。20~40 cm土层，围栏禁牧5年沙化草地较未修复沙化草地水解性氮含量减少了31.49%，围栏禁牧10年沙化草地较围栏禁牧5年沙化草地水解性氮含量增加了1.13%。方差分析结果表明，不同围栏禁牧时间沙化草地 20~40 cm土层土壤水解性氮含量差异未达显著水平(F=2.948，P>0.05)。说明围栏禁牧过程中沙化草地表层土壤水解性氮含量是先减少在增加（见表4）。
表 4 不同围栏禁牧时间土壤水解性氮含量
Table 4. Soil hydrolytic nitrogen content in different grazing exclusion time
土层深度/cm 未修复/(mg·kg−1) 5年/(mg·kg−1) 10年/(mg·kg−1) 0~20 24.23±3.52 18.47±1.94 22.93±5.30 20~40 30.07±8.83 20.60±1.95 23.83±6.64 -
相关分析结果显示，研讨区沙化草地植被盖度及植被高度与土壤有机质呈正相关关系，其也与全氮呈正相关关系，树木盖度与土壤有机质的显著相关(r值为0.795*，P<0.05)，与土壤全氮的极显著相关(r值为0.800**，P<0.01)，其中树木高度与土壤有机质及全氮极显著正相关 (r值为0.831**、0.835**、0.840**，P<0.01)(见表5)，树木对于土壤有机质及养分的积聚具备显著影响，在没有外源追肥的前提之下，土壤的碳化、磷主要源于生物学作用，伴随禁牧时间的增多，沙化草地表面的植物恢复，生物量增多，盖度变大，同时沙化草地表面凋落物也会增多，随之土壤中微生物活性加强，土壤有机质及氮素浓度逐渐增多。
表 5 相关性分析
Table 5. Result of the correlation analysis
项目 有机质 全氮 水解性氮 植被盖度 植被高度 有机质 1 全氮 0.840** 1 水解性氮 0.102 −0.148 1 植被盖度 0.795* 0.800** −0.206 1 植被高度 0.831** 0.835** −0.16 0.956** 1 注：该表多重比较采用最小显著性差异LSD法；“*”表示显著（α=0.05），“**”表示极显著（α=0.01） -
研究表明，围栏禁牧10年的草地现状为沙化较为明显，形成了典型的露沙草地，有少量的枯枝落叶，围栏禁牧5年的草地现状为沙化明显，草地露沙严重，枯枝落叶量极少，未围栏禁牧的沙化草地现状为草地完全沙化，表层沙粒多，几乎没有枯枝落叶。建议在西北高寒沙化草地恢复过程中，禁牧时间应该尽量控制在10年以上。
土壤返回量、土壤质地和植被类型等多种因素都会对土壤有机质含量产生影响，特别是较大的返回量可促进土壤中更多有机质的积累。有研究表明随着围栏放牧禁令的增加，土壤有机质含量不断增加[17-18]，本文结果与前人研究结果一致。随着隔离带禁牧时间的增多，沙化草地各个土层土壤有机质浓度都呈现出增多态势，隔离带禁牧10年沙化草地土壤有机质比未修复沙化草地显著增多；20~40 cm土层土壤有机质浓度增多波幅显著高于0~20 cm土层。在禁止放牧过程中，放牧禁令有利于形成更好的凋落物层，降低土壤侵蚀强度，分解过程中凋落物中所含的养分逐渐释放到土壤中，土壤有机质含量增加。放牧禁令后期有机质含量的增加表明，禁牧十年后，研究区有机质的积累尚未达到顶峰[1]。笔者建议高寒沙化草地围栏禁牧生态恢复模式，可以同时考虑人工恢复或自然恢复和人工恢复[19]。
土壤全氮和有机质含量的变化趋势规律一致，但是在围栏禁牧过程中，水解性氮却是先减少在增加，说明在恢复过程中，地表植被逐渐恢复，是植物生长先吸收了部分水解性氮，导致水解性氮含量减少，在随着恢复时间的增长，形成了较好的枯枝落叶层，有机质也开始了分解形成氮素，故土壤水解性氮也才开始恢复[20-21]。本文研究结果表明，自然恢复或人工修复过程中，植物群落缺乏水解性氮。可以通过增施氮肥，加快恢复速度。
在土壤剖面上，20~40 cm土层土壤有机质和全氮含量的增加低于0~20 cm土层。如果不添加外部养分，则凋落物和植物根系会对0~20 cm土壤层中的土壤有机质和总氮产生很大影响。
在禁止围栏放牧期间，枯叶继续堆积。伴随着土壤微生物和动物的共同作用，植物根系残留物和土壤表面凋落物就会逐渐分解，并转化为土壤有机质。该部分有机质首先就会进入0~20 cm的土壤层，并在该土壤层积累。
Coupling Mechanism of Grazing Exclusion Period and Recovery Processes in Alpine Desertification Grassland in Northwest Sichuan
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摘要: 川西北沙化草地在围栏禁牧生态恢复过程中，土壤中有机质、全氮、水解性氮变化特征，研究对象为：未修复沙化草地、围栏禁牧生态恢复时间分别为5年、10年的沙化草地，研究其不同围栏禁牧时间沙化草地0~40 cm土层土壤中有机质、全氮、水解性氮的变化。其结果表明，随着围栏禁牧时间的增长，各土层土壤有机质、全氮含量均增加，植被盖度、高度均极显著提高，其中，增加幅度较大的是0~20 cm土层。围栏禁牧10年，沙化草地土壤有机质、全氮含量比未修复沙化草地分别增长34.05%、27.89%，均显著高于未修复沙化草地；各土层土壤水解性氮含量却呈现先减少后增加的特征，其中，0~20 cm土层，围栏禁牧5年沙化草地较未修复沙化草地水解性氮含量减少了23.80%，围栏禁牧10年沙化草地较围栏禁牧5年沙化草地水解性氮含量增加了24.19%；20~40 cm土层，围栏禁牧5年沙化草地较未修复沙化草地水解性氮含量减少了31.49%，围栏禁牧10年沙化草地较围栏禁牧5年沙化草地水解性氮含量增加了1.13%。Abstract: In the process of ecological restoration of grazing exclusion desertification grassland in northest Sichuan, the variation characteristics of soil organic matter, total nitrogen and hydrolytic nitrogen in 0−40 cm soil layer of unrestored sandy land, and grazing exclusion grassland with ecological restoration time of 5 and 10 years respectively were studied. The results showed that with the increase of grazing exclusion time, the vegetation coverage and height increased significantly, and the contents of soil organic matter and total nitrogen in each soil layer increased, especially in 0−20 cm soil layer. After 10 years of grazing exclusion, the contents of soil organic matter and total nitrogen in sandy land increased by 34.05% and 27.89% respectively, which were significantly higher than those in unrestored desertification grassland. However, the content of soil hydrolytic nitrogen in each soil layer decreased at first and then increased. In 0−20 cm soil layer, the hydrolytic nitrogen content of the fenced desertification grassland with 5-year grazing exclusion decreased by 23.80% compared with that of the unrestored desertification grassland. Compared with 5-year grazing exclusion sandy grassland, the hydrolytic nitrogen increases by 24.19% in 10-year grazing exclusion sandy grassland. In the soil layer of 20−40 cm, the hydrolytic nitrogen content of sandy grassland with 5-year grazing exclusion decreased by 31.49% compared with that of the unrestored desertification grassland, and the hydrolytic nitrogen content of desertification grassland with 10-year grazing exclusion increased by 1.13% compared with that of the 5-year grazing exclusion desertification grassland.
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图 1 不同围栏禁牧时间群落平均高度、平均盖度变化
Fig. 1 Changes of average height and coverage of community in different grazing exclusion time
表 1 围栏禁牧样地信息表
Tab. 1 Basic information of grazing exclusion sample plots
样地 经纬度 海拔/m 物种丰富度/种 群落平均高度/cm 群落平均盖度/% 未恢复沙化草地 102°27′44.30 E, 33°44′21.53N 3435 3~8 27.00 7.00 102°27′44.23 E, 33°44′21.48N 3422 102°27′44.27E ,33°44′22.14N 3421 禁牧5年 102°28′87.98N,33°91′92.68E 3432 5~13 47.30 26.00 102°28′74.33N, 33°91′92.98E 3437 102°28′14.52N, 33°91′95.28E 3437 禁牧10年 102°37′54.62E, 33°43′48.64N 3462 7~14 69.60 39.30 102°37′54.15E, 33°43′48.92N 3466 102°37′54.02 E, 33°43′49.43N 3466 
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表 2 不同围栏禁牧时间土壤有机质含量
Tab. 2 Soil organic matter content in different grazing exclusion time
土层深度/cm 未修复/(g·kg−1) 5年/(g·kg−1) 10年/(g·kg−1) 0~20 3.55±0.22 4.16±0.34 4.76±0.62 20~40 1.40±0.56 3.33±1.26 4.14±0.76
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表 3 不同围栏禁牧时间土壤全氮含量
Tab. 3 Total soil nitrogen content in different grazing exclusion time
土层深度/cm 未修复/(g·kg−1) 5年/(g·kg−1) 10年/(g·kg−1) 0~20 0.020±0.0025 0.024±0.0005 0.026±0.0020 20~40 0.017±0.0015 0.025±0.0025 0.024±0.0005
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表 4 不同围栏禁牧时间土壤水解性氮含量
Tab. 4 Soil hydrolytic nitrogen content in different grazing exclusion time
土层深度/cm 未修复/(mg·kg−1) 5年/(mg·kg−1) 10年/(mg·kg−1) 0~20 24.23±3.52 18.47±1.94 22.93±5.30 20~40 30.07±8.83 20.60±1.95 23.83±6.64
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表 5 相关性分析
Tab. 5 Result of the correlation analysis
项目 有机质 全氮 水解性氮 植被盖度 植被高度 有机质 1 全氮 0.840** 1 水解性氮 0.102 −0.148 1 植被盖度 0.795* 0.800** −0.206 1 植被高度 0.831** 0.835** −0.16 0.956** 1 注：该表多重比较采用最小显著性差异LSD法；“*”表示显著（α=0.05），“**”表示极显著（α=0.01）
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