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Soil nitrogen characteristics of grassland on sandy soil undergoing vegetation restoratio

不同生态治理措施下高寒沙化草地土壤氮素变化特



全 文 :书犇犗犐:10.11686/犮狔狓犫2015571 犺狋狋狆://犮狔狓犫.犾狕狌.犲犱狌.犮狀
蒲琴,胡玉福,蒋双龙,何剑锋,舒向阳,杨泽鹏.不同生态治理措施下高寒沙化草地土壤氮素变化特征.草业学报,2016,25(7):2433.
PUQin,HUYuFu,JIANGShuangLong,HEJianFeng,SHUXiangYang,YANGZePeng.Soilnitrogencharacteristicsofgrasslandonsandy
soilundergoingvegetationrestoration.ActaPrataculturaeSinica,2016,25(7):2433.
不同生态治理措施下高寒沙化
草地土壤氮素变化特征
蒲琴1,胡玉福1,蒋双龙2,何剑锋1,舒向阳1,杨泽鹏1
(1.四川农业大学资源学院,四川 成都611130;2.开江县国土资源局,四川 达州636250)
摘要:草地沙化是我国最严重的生态环境问题之一。为研究不同生态治理措施对川西北高寒半湿润地区沙化草地
土壤氮素的影响,本研究以围栏禁牧布设沙障燕麦和草种混播(YMCD)、围栏禁牧布设沙障播撒草种(RGCD)和围
栏禁牧布设沙障自然恢复(WLCD)3种沙化草地治理措施为对象,以未修复沙化草地(CK)为对照,研究了沙化草
地生态修复过程中0~60cm 土层土壤氮素的变化特征。结果表明,生态修复3年后,YMCD、RGCD、WLCD3种
治理措施均显著促进地表植被的恢复、土壤物理性质的改善和氮素的积累。其中,YMCD治理措施效果最为显著,
其次是RGCD,WLCD效果相对较小。土壤氮素增加幅度呈现出微生物量氮(MBN)>硝态氮(NO3-N)>铵态氮
(NH4+N)>碱解氮(AN)>全氮(TN)特征。与未修复沙化草地相比,YMCD沙地草地地表植被覆盖度增加至
74.1%,土壤容重从1.45g/cm3 下降至1.39g/cm3,夏季地表午温从41.5℃下降至23.0℃;TN、AN、NH4+N、
NO3-N和 MBN含量分别增加了255.8%,270.2%,299.5%,357.8%和745.9%。相关性分析表明地表植被盖
度和土壤容重对沙化土壤氮素含量有显著影响。
关键词:生态治理;植被恢复;川西北;沙化草地;土壤氮素  
犛狅犻犾狀犻狋狉狅犵犲狀犮犺犪狉犪犮狋犲狉犻狊狋犻犮狊狅犳犵狉犪狊狊犾犪狀犱狅狀狊犪狀犱狔狊狅犻犾狌狀犱犲狉犵狅犻狀犵狏犲犵犲狋犪狋犻狅狀
狉犲狊狋狅狉犪狋犻狅狀
PUQin1,HUYuFu1,JIANGShuangLong2,HEJianFeng1,SHUXiangYang1,YANGZePeng1
1.犆狅犾犾犲犵犲狅犳犚犲狊狅狌狉犮犲狊,犛犻犮犺狌犪狀犃犵狉犻犮狌犾狋狌狉犪犾犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔,犆犺犲狀犵犱狌611130,犆犺犻狀犪;2.犅狌狉犲犪狌狅犳犔犪狀犱犪狀犱犚犲狊狅狌狉犮犲狊,犇犪狕犺狅狌
636250,犆犺犻狀犪
犃犫狊狋狉犪犮狋:Grasslanddesertificationisoneofthemostseriousecologicalandenvironmentalproblemsinour
country.Toinvestigatechangesinsoilnitrogenunderdifferentvegetationrestorationmeasuresindesertified
grasslands,thesoilnitrogencontentunder4vegetationrestorationmeasuresinasemihumidalpineregionin
northwestSichuanweremeasuredtoelucidatethecharacteristicsofsoiltotalnitrogenandcomponentsin0-60
cmsoillayerduringecologicalrestoration.Afterthreeyears’restoration;fencingwithmixedsowingofoat
andgrasses,fencingwithsowingofgrassesandnaturalrecoveryafterfencing,alrestorationproceduresin
creasedvegetationcoverandimprovedsoilphysicalproperties,particularlyfencingandsowingoatandgrasses.
IncreasingsoilNcontentappearedasmicrobialbiomassN>NO3-N>NH4+N>availableN>totalN.Com
24-33
2016年7月
   草 业 学 报   
   ACTAPRATACULTURAESINICA   
第25卷 第7期
Vol.25,No.7
收稿日期:20151223;改回日期:20160307
基金项目:国家支撑计划项目(2015BAC05B00)和四川省科技计划项目(2013SZ0110,2014SZ0057,2014SZ0159)资助。
作者简介:蒲琴(1991),女,四川南充人,在读硕士。Email:15184364457@163.com
通信作者Correspondingauthor.Email:huyufu@sicau.edu.cn
paredwiththeseverelydesertifiedgrassland,vegetationcoverafterfencingandsowingwithoatandgrassesin
creasedto74.1%,soilbulkdensitydecreasedto1.39g/cm3,whilesurfacetemperatureatnooninsummerde
creasedfrom41.5℃to23.0℃.ThetotalNcontent,availableN,NH4+N,NO3-Nandmicrobialbiomass
Ninoatquadratsincreasedby255.8%,270.3%,299.5%,357.8%and745.9%respectively.Soilparticle
compositionandbulkdensityweresignificantlycorrelatedwithsoiltotalnitrogenandNcomponentsindeserti
fiedgrassland.Weconcludedthatsowingoatwithgrassisaneffectivestrategyforrepairingdesertifiedgrass
lands.Oatsplaytheroleofapioneerspeciesbecauseofitsdroughtresistance,toleranceoflowfertilityand
strongtilering,promotingthegrowthofgrass.
犓犲狔狑狅狉犱狊:ecologicalprotection;vegetationrecovery;northwesternSichuan;sandygrassland;nitrogen
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,同时也是自然界
中的各种生态系统生产力高低的主要限制因子[12]。土壤硝态氮(NO3-N)、铵态氮(NH4+N)和微生物氮
(MBN)等有效氮虽然仅占土壤全氮总量极少的比例,但这一部分氮素是植物直接吸收利用的氮源,是评价土壤
生产力高低最有效的氮素指标[3]。生态恢复的过程中,一方面土壤有机态氮在微生物的作用下,分解并释放出可
供植物直接吸收和利用的硝态氮(NO3-N)、铵态氮(NH4+N)等[4];另一方面植物主要通过根系分泌物和植物
残体向土壤提供氮,影响土壤氮的输入,进而显著改变土壤性质[5]。同时,植被修复还有效防止了由于土壤侵蚀
而造成的氮素损失,有利于土壤中氮库的积累[6]。因此,氮素可作为评价治理措施效果的重要内容之一。由于氮
素在土壤中存在多种形态,各氮素形态循环过程也存在差异,不同形态氮的生物有效性及供应不同[7]。因此针
对不同生态治理措施下土壤氮素的不同形态进行研究,对揭示草地植被恢复过程中土壤氮素状况和土壤氮素循
环特点具有重要意义。
川西北高寒草地地处青藏高原东部边缘半湿润地区,是世界上最大的高原泥炭沼泽湿地[8],对我国生态环境
安全具有极为重要的作用。但长期以来受风蚀严重、超载放牧、人类活动强度加大等因素影响,该地区草地退化
严重导致成片草地沙化,截止2010年,该地区沙化面积占四川全省沙化土地面积的89.9%[9],严重制约了该地
区社会经济的可持续发展,削弱了该地区生态环境屏障的作用,该地区草地沙化治理迫在眉睫。目前,对高寒沙
化草地治理的相关研究多集中在干旱或半干旱地区[1012],而对于半湿润沙化草地治理的研究相对较少[1314]。近
年来,虽然在政策支持和广大沙化治理工作者的努力下,探索出了一些宝贵的治沙经验和成功的治沙模式[1518],
但是该地区仍存在大面积的成片沙地,草地沙化问题仍未得到根本解决,沙化形势依旧严峻,因此,进一步深入研
究沙化草地治理措施具有重要的意义。围栏禁牧是一种在该地区行之有效,且成本较低的沙化草地修复模式,但
围栏禁牧条件下,应采用何种治理手段才能达到最佳效果还有待探讨。因此本研究通过野外田间实验,在围栏禁
牧的沙化草地内设置燕麦和草种混播、播撒草种和自然恢复3种治沙措施,以未修复的沙化草地为对照,探讨不
同治理措施之间地表植被、土壤物理性质与NO3-N、NH4+N和 MBN的差异特征,以揭示不同生态治理措施
下土壤氮素积累特征和生态效应,以期为川西北高寒沙地筛选更优的沙化草地治理措施提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
研究区位于四川省阿坝藏族羌族自治州红原县境内(31°51′-33°19′N,101°51′-103°23′E),境域分属长
江、黄河两大水系,地势由东南向西北倾斜,地貌具有山原向丘状高原过渡的典型特征。区内属大陆性高原寒温
带季风气候,年均降雨量791.95mm,降雨主要集中在5-10月,年均气温为0.9℃,最冷月平均气温-10.3℃,
最热月平均气温10.9℃,年均积雪期为76d,无绝对的无霜期。日照时间长,太阳辐射强,年均日照时间2158.7
h,太阳辐射年总量为6194MJ/m2。植被以亚高山草甸为主,优势草种为华扁穗草(犅犾狔狊犿狌狊狊犻狀狅犮狅犿狆狉犲狊狊狌狊),
垂穗披碱草(犈犾狔犿狌狊狀狌狋犪狀狊),线叶嵩草(犓狅犫狉犲狊犻犪犮犪狆犻犾犾犻犳狅犾犻犪),赖草(犔犲狔犿狌狊狊犲犮犪犾犻狀狌狊),淡黄香青(犃狀犪狆犺犪犾犻狊
犳犾犪狏犲狊犮犲狀狊),四川嵩草(犓狅犫狉犲狊犻犪狊犲狋犮犺狑犪狀犲狀狊犻狊),白花前胡(犘犲狌犮犲犱犪狀狌犿狆狉犪犲狉狌狆狋狅狉狌犿)等。土壤类型以亚高山
52第25卷第7期 草业学报2016年
草甸土为主,沼泽土、沼泽化草甸土和风沙土等也有分布。近年来由于过度放牧、风蚀等原因,研究区部分草地沙
化严重,地表植被严重破坏,沙化土壤裸露,半流动沙地分布较多,仅有少量的沙生薹草(犆犪狉犲狓狆狉犪犲犮犾犪狉犪)、黑穗
薹草(犆犪狉犲狓犪狋狉犪狋犪)、川甘亚菊(犃犼犪狀犻犪狆狅狋犪狀犻狀犻犻)等沙生植物生长。
1.2 研究方法
1.2.1 实验设计  本试验设置在四川省红原县瓦切乡沙化草地围栏禁牧区内,该地于2008年开始围栏禁牧。
试验样地选择草地沙化严重,土壤裸露,植被盖度小于5%的半流动沙丘,实验前土壤氮素特征详见表1。修复前
先布设格网沙障进行固沙,沙方格规格为2m×2m,沙障材料为当地取材比较方便的高山红柳(犜犪犿犪狉犻狓狉犪犿狅
狊犻狊狊犻犿犪)枝条。沙障布设好后,采取围栏禁牧自然恢复(WLCD)、围栏禁牧播撒草种(RGCD)、围栏禁牧燕麦
(犃狏犲狀犪狊犪狋犻狏犪)和草种混播(YMCD)3种措施对沙化地进行修复,同时以邻近放牧草地(CK)为对照。围栏禁牧
播撒草种措施,主要是硬杆仲彬草(犓犲狀犵狔犻犾犻犪狉犻犵犻犱狌犾犪)、披碱草及黑麦草(犔狅犾犻狌犿狆犲狉犲狀狀犲)3种牧草混播,混合
比例按质量比1∶1∶1进行,草种用量为500粒/m2,均匀撒播土壤中。围栏禁牧混播燕麦和草种措施,将以上3
种草种与燕麦(白燕1号)按质量比1∶1∶1∶1混合,种植密度为500粒/m2,均匀撒播于土壤中。围栏禁牧自
然恢复措施主要是对沙化地进行终年围封,排除牛、羊等牲畜践踏,使其植被自然恢复。本试验于2012年5月开
始进行沙地治理,每种恢复措施设置大小为6m×6m的实验小区5个作为重复,各实验小区地形(坡度、坡向、
海拔)、植被、土壤等立地条件基本一致,实验过程中无外源施肥、灌溉。
表1 试验前土壤氮素特征(平均值±标准误)
犜犪犫犾犲1 犆犺犪狉犪犮狋犲狉犻狊狋犻犮狊狅犳狊狅犻犾狀犻狋狉狅犵犲狀犫犲犳狅狉犲狋犲狊狋(犕犲犪狀±犛犈)
土层
Depth
(cm)
含水量
Soilwater
(%)
容重
Bulkdensity
(g/cm3)
全氮
TotalN
(g/kg)
碱解氮
AvailableN
(mg/kg)
硝态氮
NO3-N
(mg/kg)
铵态氮
NH4+N
(mg/kg)
微生物量氮
Microbialbiomass
N(mg/kg)
0~20 2.67±0.13Bc 1.46±0.04Aa 0.128±0.08Aa 7.02±0.33Aa 1.67±0.13Aa 1.54±0.11Aa 1.47±0.13Aa
20~40 3.54±0.09Bb 1.47±0.07Aa 0.123±0.10Aa 4.79±0.16Bb 1.53±0.15Aa 1.32±0.10Aa 1.35±0.17Aa
40~60 4.41±0.10Aa 1.47±0.06Aa 0.116±0.08Aab 3.25±0.19Bc 1.11±0.09ABb 1.03±0.10ABb 1.12±0.11Ab
 注:不同大写字母表示不同土层间存在极显著差异(犘<0.01);不同小写字母表示不同土层间存在显著差异(犘<0.05)。
 Note:Differentcapitallettersinthesamecolumnindicatesignificantdifferencesatthe0.01level;differentlowercaselettersinthesamecolumnin
dicatesignificantdifferencesatthe0.05level.
1.2.2 土壤样品的采集  实验于2015年7月进行,每一个试验小区选取5个典型样点(1m×1m),记录样
方内地表植物群落盖度。每个样点按0~20cm,20~40cm,40~60cm3个土层采集样品,同时测定土壤容重、
水分、地表温度。土壤样品剔除根系、石块等杂物后,一部分鲜土保留在-4℃冰箱中用于测定土壤微生物量氮,
另一部分土壤自然风干后过0.25mm 筛,用于土壤基本理化性质及氮组分的测定。
1.2.3 测定项目及方法  土壤容重采用环刀法,土壤水分与地表温度于午时用TZSIW 型便携式土壤水分测
定仪测定,土壤全氮(TN)采用半微量凯氏法测定[19],碱解氮(AN)采用碱解扩散法测定[20],铵态氮(NH4+N)采
用靛酚蓝比色法测定[21],硝态氮(NO3-N)测定采用双波长紫外分光光度法[22],微生物量氮(MBN)测定采用氯
仿熏蒸紫外比色法[23]。
1.3 数据处理
采用SPSS17.0进行统计分析,方差分析采用单因素方差分析(oneANOVA)比较,相关性采用LSD多重
分析法分析比较,图表均使用Excel2010软件绘制。
2 结果与分析
2.1 治理措施下地表植被盖度变化特征
研究区内不同生态治理措施下地表植物群落外貌变化极其明显,地表植被平均盖度呈现出YMCD>RGCD
62 ACTAPRATACULTURAESINICA(2016) Vol.25,No.7
>WLCD>CK的规律(图1)。结果表明,CK植被平均盖度不足5%,而YMCD、RGCD、WLCD的植被盖度分别
是CK的16.35,10.35,3.97倍。方差分析结果表明,YMCD的植被盖度与CK达极显著差异(犘<0.01),
RGCD、WLCD的植被盖度与CK均达显著差异(犘<0.05)。表明了对川西北高寒沙化草地采取的3种治理措施
对改善地表植被状况有效果,但围栏禁牧燕麦与草种混播对恢复沙化土地植被效果最显著。
图1 不同植被恢复措施植物盖度特征
犉犻犵.1 犆犺犪狀犵犲狅犳狏犲犵犲狋犪狋犻狅狀犮狅狏犲狉狊犻狀犱犻犳犳犲狉犲狀狋
狏犲犵犲狋犪狋犻狅狀狉犲狊狋狅狉犪狋犻狅狀犿犲犪狊狌狉犲狊 
图2 不同植被恢复措施地表温度特征
犉犻犵.2 犆犺犪狀犵犲狅犳狊狌狉犳犪犮犲狋犲犿狆犲狉犪狋狌狉犲犻狀犱犻犳犳犲狉犲狀狋
狏犲犵犲狋犪狋犻狅狀狉犲狊狋狅狉犪狋犻狅狀犿犲犪狊狌狉犲狊 
 YMCD为围栏禁牧燕麦和草种混播,RGCD为围栏禁牧播撒草种,WLCD为围栏禁牧自然恢复,CK为未修复的沙化草地,下同。不同大写字母表
示不同修复模式间存在极显著差异(犘<0.01);不同小写字母表示不同修复模式间存在显著差异(犘<0.05)。YMCDindicatefencingandplantoat
andgrasses;RGCDindicatefencingandplantgrasses;WLCDindicatefencing;CKindicateseveredesertificationgrassland,thesamebelow.Differ
entcapitallettersindicatesignificantdifferencesatthe0.01level;differentlowercaselettersindicatesignificantdifferencesatthe0.05level.
2.2 夏季地表午温变化特征
研究区内极端高温是制约该地植被恢复的重要因素之一,研究发现4种不同的治理措施在夏季午时地表温
度上表现出明显特征(图2),其规律为CK>WLCD>RGCD>YMCD。其中CK温度高达39.5℃,与CK相比,
WLCD、RGCD、YMCD分别为CK的95.87%,68.93%,55.83%。相关分析表明YMCD地表温度与CK呈极
显著差异(犘<0.01),RGCD地表温度与CK呈显著差异(犘<0.05),WLCD地表温度与CK未达显著差异(犘>
0.05)。表明治理措施对于降低研究区的极端高温有明显作用,对改善地表局部生态小环境效果显著。
2.3 土壤容重和含水量变化特征
由表2可以看出,4种生态治理措施下土壤容重呈现随着土层深度增加而增加的规律,变化范围为1.37~
1.47g/cm3,YMCD、RGCD、WLCD土壤平均容重分别为1.39,1.41,1.43g/cm3,比CK(1.45g/cm3)降低
4.14%,2.76%,1.38%。相关性分析表明,0~60cm4种治理措施下土壤容重均未达显著差异水平(犘>
0.05)。土壤含水量均呈现随着土层增加而增加的规律。其中 YMCD土壤水分含量最高,平均值达5.06%;
RGCD次之,为4.62%;WLCD再次之,为3.86%;CK含水量最低,仅为3.38%。YMCD、RGCD土壤含水量与
CK均达显著差异水平(犘<0.05);WLCD土壤含水量与CK未达显著差异水平(犘>0.05)。从土层剖面上看,
0~40cm土层YMCD、RGCD土壤含水量与CK达显著差异水平(犘<0.05);WLCD土壤含水量与CK未达显
著差异水平(犘>0.05);40~60cm土层YMCD土壤含水量与CK达显著差异水平(犘<0.05);RGCD、WLCD
土壤含水量与CK未达显著差异显著水平(犘>0.05)。
2.4 全氮及碱解氮含量特征
不同生态治理措施对沙化草地土壤全氮及碱解氮含量的影响如图3、图4所示。YMCD、RGCD、WLCD、CK
土壤全氮和碱解氮含量的剖面分布总体上均随土层深度的增加而呈降低趋势。
4种治理措施下土壤全氮含量的变化范围为0.12~0.55g/kg,其高低顺序为YMCD>RGCD>WLCD>
CK。与CK相比,0~20cm 土层中 YMCD、RGCD、WLCD土壤全氮含量分别增加了316.67%,266.57%,
72第25卷第7期 草业学报2016年
117.32%;20~40cm土层中YMCD、RGCD、WLCD分别增加了233.33%,187.15%,57.52%;40~60cm土
层中YMCD、RGCD、WLCD分别增加了147.24%,70.70%,27.70%。方差分析表明,0~40cm 土层YMCD、
RGCD与CK土壤全氮含量均达极显著差异(犘<0.01);WLCD与CK土壤全氮含量均达显著差异(犘<0.05)。
40~60cm土层中YMCD与CK土壤全氮含量达极显著差异(犘<0.01),RGCD与CK达显著差异(犘<0.05),
WLCD与CK未达显著差异(犘>0.05)。
表2 土壤基本物理性质(平均值±标准误)
犜犪犫犾犲2 犘犺狔狊犻犮犪犾狔狆狉狅狆犲狉狋犻犲狊狅犳狊狅犻犾(犕犲犪狀±犛犈)
项目Item 土层Depth(cm) YMCD RGCD WLCD CK
容重Soilbulkdensity
(g/cm3)
0~20 1.37±0.11Aab 1.40±0.12Aa 1.41±0.09Aa 1.44±0.08Aa
20~40 1.38±0.09Aab 1.41±0.10Aa 1.43±0.10Aa 1.45±0.07Aa
40~60 1.41±0.10Aab 1.42±0.11Aab 1.45±0.08Aa 1.47±0.10Aa
均值 Average 1.39±0.10Aab 1.41±0.11Aa 1.43±0.09Aa 1.45±0.09Aa
含水量Soilwater(%) 0~20 4.41±0.43Aa 4.12±0.31Aa 3.10±0.52Ab 2.31±0.10Abc
20~40 4.92±0.45Aa 4.52±0.41Aa 3.84±0.38Aab 3.53±0.21Ab
40~60 5.85±0.57Aa 5.21±0.51Aab 4.63±0.32Ab 4.30±0.13Ab
均值 Average 5.06±0.35Aa 4.62±0.60Aab 3.86±0.28Abc 3.38±0.19Ac
 注:不同大写字母表示相同土层不同修复模式间差异极显著(犘<0.01);不同小写字母表示相同土层不同修复模式间差异显著(犘<0.05)。
 Note:Differentcapitallettersinthesamerowindicatesignificantdifferencesatthe0.01level;differentlowercaselettersinthesamerowindicate
significantdifferencesatthe0.05level.
图3 不同植被恢复措施土壤全氮含量
犉犻犵.3 犜犺犲犮狅狀狋犲狀狋狊狅犳狊狅犻犾狋狅狋犪犾狀犻狋狉狅犵犲狀狌狀犱犲狉犱犻犳犳犲狉犲狀狋
狏犲犵犲狋犪狋犻狅狀狉犲狊狋狅狉犪狋犻狅狀犿犲犪狊狌狉犲狊 
图4 不同植被恢复措施土壤碱解氮含量
犉犻犵.4 犜犺犲犮狅狀狋犲狀狋狊狅犳狊狅犻犾犪狏犪犻犾犪犫犾犲狀犻狋狉狅犵犲狀狌狀犱犲狉犱犻犳犳犲狉犲狀狋
狏犲犵犲狋犪狋犻狅狀狉犲狊狋狅狉犪狋犻狅狀犿犲犪狊狌狉犲狊 
 不同大写字母表示相同土层间不同修复模式间存在极显著差异(犘<0.01);不同小写字母表示相同土层间不同修复模式间存在显著差异(犘<
0.05),下同。Differentcapitallettersinthesamesoildepthindicatesignificantdifferencesatthe0.01level;differentlowercaselettersinthesame
soildepthindicatesignificantdifferencesatthe0.05level,thesameblow.
4种治理措施下土壤碱解氮含量的变化范围为3.13~24.75mg/kg,每种治理措施下土壤碱解氮均以0~20
cm土层含量为最高,其变化规律与全氮规律一致。与CK相比,YMCD、RGCD、WLCD土壤碱解氮平均含量分
别增加了270.25%,232.34%,123.03%。0~40cm土层YMCD、RGCD与CK土壤碱解氮含量差异均达极显
著(犘<0.01);WLCD与CK土壤碱解氮含量差异显著(犘<0.05)。40~60cm土层中YMCD、RGCD与CK土
壤碱解氮含量差异显著(犘<0.05),WLCD与CK未达显著差异(犘>0.05)。
82 ACTAPRATACULTURAESINICA(2016) Vol.25,No.7
2.5 铵态氮及硝态氮含量特征
图5为不同治理措施下土壤铵态氮含量变化特征。YMCD、RGCD、WLCD、CK土壤 NH4+N含量的剖面
分布总体上均随土层深度的增加而呈降低趋势,其高低顺序为 YMCD>RGCD>WLCD>CK。与CK相比,
YMCD、RGCD、WLCD土壤NH4+N平均含量分别增加了299.44%,227.23%,81.57%。在0~40cm土层
中,YMCD与CK土壤NH4+N含量均达极显著差异(犘<0.01),RGCD、WLCD与CK土壤NH4+N含量均达
显著差异水平(犘<0.05);40~60cm土层YMCD、RGCD与CK土壤NH4+N含量均达显著差异(犘<0.05),
WLCD与CK土壤NH4+N含量未达显著差异(犘>0.05)。
图6为不同生态治理措施下土壤中硝态氮含量变化。YMCD、RGCD、WLCD土壤NO3-N含量的剖面分
布总体上均随土层深度的增加而呈降低趋势,含量在1.03~9.17mg/kg之间。与CK相比,YMCD、RGCD、
WLCD土壤NO3-N含量分别增加了357.83%,289.90%,143.02%。相关性分析表明在0~40cm土层中,
YMCD、RGCD与CK土壤NO3-N含量达极显著差异(犘<0.01),WLCD与CK土壤NO3-N含量达显著差
异(犘<0.05);40~60cm土层中YMCD、RGCD与CK土壤 NO3-N均达显著差异(犘<0.05),WLCD与CK
土壤NO3-N未达显著差异(犘>0.05)。
图5 不同植被恢复措施土壤铵态氮含量
犉犻犵.5 犜犺犲犮狅狀狋犲狀狋狊狅犳犖犎4+犖狌狀犱犲狉犱犻犳犳犲狉犲狀狋
狏犲犵犲狋犪狋犻狅狀狉犲狊狋狅狉犪狋犻狅狀犿犲犪狊狌狉犲狊
 
图6 不同植被恢复措施土壤硝态氮含量
犉犻犵.6 犜犺犲犮狅狀狋犲狀狋狊狅犳犖犗3-犖狌狀犱犲狉犱犻犳犳犲狉犲狀狋
狏犲犵犲狋犪狋犻狅狀狉犲狊狋狅狉犪狋犻狅狀犿犲犪狊狌狉犲狊
 
2.6 土壤微生物量氮(MBN)
图7 不同植被恢复措施土壤微生物量氮含量
犉犻犵.7 犜犺犲犮狅狀狋犲狀狋狊狅犳犿犻犮狉狅犫犻犪犾犫犻狅犿犪狊狊犖狌狀犱犲狉
犱犻犳犳犲狉犲狀狋狏犲犵犲狋犪狋犻狅狀狉犲狊狋狅狉犪狋犻狅狀犿犲犪狊狌狉犲狊
 
不同生态治理措施对沙化草地土壤微生物量氮含
量的影响如图7所示,其变化范围在1.08~15.74
mg/kg。YMCD、RGCD、WLCD和CK在土壤剖面上
均呈现出随着土壤深度增加 MBN含量减少的趋势,
其高低顺序为YMCD>RGCD>WLCD>CK。0~20
cm土层中YMCD、RGCD、WLCD土壤 MBN含量与
CK相比分别增加了921.99%,578.00%,497.60%;
20~40cm土层中YMCD、RGCD、WLCD土壤 MBN
含量与 CK 相比分别增加了722.85%,459.43%,
360.95%;40~60cm土层 YMCD、RGCD、WLCD土
壤 MBN 含量与 CK 相比分别增加了522.25%,
480.74%,220.29%。方差分析表明,0~20cm 土层
中YMCD、RGCD、WLCD土壤 MBN含量与CK均达极显著水平(犘<0.01);20~40cm土层中YMCD、RGCD
土壤 MBN含量与CK均呈极显著差异水平(犘<0.01),WLCD土壤 MBN含量与CK呈显著差异水平(犘<
92第25卷第7期 草业学报2016年
0.05);40~60cm土层YMCD、RGCD、WLCD土壤 MBN含量与CK均呈显著差异水平(犘<0.05)。
2.7 土壤植被特征、颗粒组成与全氮及组分的关系
相关分析结果表明(表3),研究区植被盖度与全氮、NH4+N呈极显著正相关特征(犘<0.01),相关系数为
0.991和0.987;与碱解氮、NO3-N、MBN呈显著正相关(犘<0.05),相关系数为0.913,0.966,0.946。容重与
土壤全氮、碱解氮、NH4+N、NO3-N、MBN 呈极显著负相关(犘<0.01),相关系数为-0.907,-0.907,
-0.935,-0.898和-0.947。说明沙化草地治理过程中,土壤植被盖度与容重对氮素的积累和恢复具有显著影
响。
表3 沙化草地植被特征与土壤氮素相关性
犜犪犫犾犲3 犆狅狉狉犲犾犪狋犻狅狀犪狀犪犾狔狊犻狊犪犫狅狌狋狆犾犪狀狋犮犺犪狉犪犮狋犲狉狊犪狀犱狊狅犻犾狀犻狋狉狅犵犲狀
项目
Items
盖度
Vegetationcover
容重
Soilbulkdensity
全氮
TotalN
碱解氮
AvailableN
铵态氮
NH4+N
硝态氮
NO3-N
容重Soilbulkdensity -0.910
全氮 TotalN 0.991 -0.907
碱解氮AvailableN 0.913 -0.907 0.922
铵态氮NH4+N 0.987 -0.935 0.922 0.949
硝态氮NO3-N 0.966 -0.898 0.872 0.963 0.915
微生物量氮 MicrobialbiomassN 0.946 -0.947 0.914 0.941 0.931 0.958
  在0.05水平上显著相关。 在0.01水平上显著相关。
 indicatesignificantdifferencesatthe0.05level.indicatesignificantdifferencesatthe0.01leve.
3 讨论
氮素是土壤养分最重要的肥力指标之一,也是限制植物生长最主要的营养元素,在调节草原生态系统生产
量、结构与功能方面起到了关键性的作用[2426]。自然界中氮素通常以有机态、无机态和分子态3种形式存在。
本研究结果表明,0~60cm土层中围栏禁牧布设沙障燕麦和草种混播、围栏禁牧布设沙障撒播草种和围栏
禁牧布设沙障自然恢复3种治理措施下地表盖度、土壤氮素含量均显著高于对照,这一研究结果与秦[27]、Bar
rios等[28]、王杨等[29]对干旱半干旱地区沙化草地恢复治理结果相似,表明了人工植被恢复措施可以显著促进地
表植被恢复和氮素的积累。其原因是人工恢复措施下研究区地表植被逐步恢复,地表植被覆盖显著提高,土壤生
物作用增强,地上凋落物、植物根系及其分泌物增加,土壤有机质增加,在土壤微生物作用下土壤有机质的分解为
土壤提供了氮源[13]。另一方面,在人工植被恢复措施前布设沙障还有效防止了因土壤侵蚀而造成的氮素损失,
有利于土壤中氮库的积累[4]。
本文研究发现不同治理措施下沙化土地土壤全氮、碱解氮、铵态氮、硝态氮与微生物量氮增加速率呈现不同
特征。本文研究结果表明,土壤氮素增加幅度呈 MBN>NO3-N>NH4+N>AN>TN规律。邢肖毅等[30]在
对黄土丘陵区子午岭林区裸露地5种典型植被群落下土壤氮素变化特征进行研究时,指出该地区不同形态土壤
氮素增加幅度呈现出NH4+N>MBN>NO3-N>TN的特征。本研究结果与其存在相似性,但也存在一定差
异,其原因一方面可能是由于研究区环境条件和植被类型差异所致,另一方面,微生物量氮是最敏感性的土壤质
量指标之一,对土壤环境变化非常敏感[3132],因此在沙化土地修复过程中变化最为明显。
本研究还发现3种治理措施中,围栏禁牧布设沙障燕麦和草种混播对地表植被和土壤氮素积累影响最显著,
围栏禁牧布设沙障播撒草种次之,围栏禁牧布设沙障自然恢复效果相对较差。相关研究表明燕麦具有的抗寒、抗
旱、耐盐碱、耐贫瘠、根系分蘖力强等特性[3335],使其能在研究区极端干旱高温的恶劣生境下存活。沙化土地修复
过程中燕麦可发挥先锋植物的效果,其正常生长具有遮阴,降低地表极端高温,改变局部生态小气候,以及改善土
壤生态环境等作用,这为其他植物的生长提供有利条件,促进地表植被的恢复。因而在围栏禁牧布设沙障燕麦和
03 ACTAPRATACULTURAESINICA(2016) Vol.25,No.7
草种混播修复措施下,沙化土地地表植被恢复的效果最明显,土壤氮素的增加最为显著。本研究结果也说明围栏
禁牧布设沙障燕麦和草种混播措施下,夏季地表午温下降和土壤含水量增加最显著。围栏禁牧布设沙障播撒草
种措施能够显著提高地表植被和土壤氮素积累,但效果不及围栏禁牧布设沙障燕麦和草种混播措施,其原因主要
是研究区气候和环境条件恶劣,沙化土地地表植被严重破坏,土壤完全沙化,养分匮乏,人工播撒的草种存活率较
低,生长缓慢,地表植被恢复效果不及围栏禁牧燕麦和草种混播措施;围栏禁牧布设沙障自然恢复措施对沙化土
地生态修复效果相对较差,其原因主要是虽然沙化土地禁止了牲畜采食与践踏,但在恶劣气候和环境条件下,原
生草种生长繁殖缓慢[36],说明通过进行围栏禁牧对研究区沙化土地进行自然恢复需要较长的时间过程。
4 结论
生态修复3年后,围栏禁牧布设沙障燕麦和草种混播、围栏禁牧布设沙障播撒草种、围栏禁牧布设沙障自然
恢复均显著促进地表植被的恢复、土壤物理性质的改善和土壤氮素的积累。其中围栏禁牧布设沙障燕麦与草种
混播效果最显著。与未修复沙化草地相比,围栏禁牧燕麦和草种混播沙地地表植被覆盖度增加至74.07%,土壤
容重从1.45g/cm3 下降至1.39g/cm3,夏季地表午温从41.5℃下降至23.0℃,0~20cm土层中TN、AN、
NH4+N、NO3-N和MBN含量分别增加了316.67%,243.33%,301.70%,495.73%和921.99%;20~40cm
土层中 TN、AN、NH4+N、NO3-N和 MBN含量分别增加了233.33%,282.99%,323.11%,295.92%和
722.85%;40~60cm 土层中 TN、AN、NH4+N、NO3-N 和 MBN 含量分别增加了147.24%,315.53%,
259.78%,237.61%和522.25%。因此在恢复川西北沙化草地植被时,以燕麦为先锋植物,并配合种植多年生禾
本科植物,可作为川西北沙化草地优先考虑的治理措施。
川西北高寒草地不同的治理措施下土壤氮素增加幅度呈现出 MBN>NO3-N>NH4+N>AN>TN。与
未修复沙化草地相比,围栏禁牧布设沙障燕麦和草种混播的 TN、AN、NH4+N、NO3-N、MBN 分别增加了
255.77%,270.25%,299.44%,357.83%,745.93%;围栏禁牧布设沙障播撒草种分别增加了194.12%,
232.34%,227.23%,289.90%,527.54%;围栏禁牧布设沙障自然恢复分别增加了79.28%,123.03%,
81.57%,143.00%,375.96%。
犚犲犳犲狉犲狀犮犲狊:
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33第25卷第7期 草业学报2016年