青藏高原東部高寒草甸草地土壤物理性狀對(duì)氮元素添加的響應(yīng)
2016-01-28 08:09劉曉東尹國(guó)麗武均陳建綱馬隆喜師尚禮
草業(yè)學(xué)報(bào) 2015年10期
劉曉東，尹國(guó)麗，武均，陳建綱，馬隆喜，師尚禮*
(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)研究中心，甘肅 蘭州 730070；
3.甘肅省天水市畜牧技術(shù)推廣站，甘肅 天水 741000；4.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資環(huán)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；5.夏河縣草原站，甘肅 夏河 747100)
青藏高原東部高寒草甸草地土壤物理性狀對(duì)氮元素添加的響應(yīng)
劉曉東1,2,3，尹國(guó)麗1,2，武均4，陳建綱1,2，馬隆喜5，師尚禮1,2*
(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)研究中心，甘肅 蘭州 730070；
3.甘肅省天水市畜牧技術(shù)推廣站，甘肅 天水 741000；4.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資環(huán)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；5.夏河縣草原站，甘肅 夏河 747100)
摘要：依托設(shè)置于青藏高原東部夏河縣?？撇菰奶烊徊莸刎赘钚筒輬?chǎng)培育定位試驗(yàn)，探討不同氮元素添加量對(duì)高寒草甸草地土壤物理性狀的影響。本試驗(yàn)共設(shè)4個(gè)處理，分別為對(duì)照(CK，0 kg N/hm2)、低氮(LN，50 kg N/hm2)、中氮(MN，100 kg N/hm2)、高氮(HN，150 kg N/hm2)。通過(guò)對(duì)高寒草甸草地土壤容重、孔隙度、緊實(shí)度、土壤團(tuán)聚體等物理性狀進(jìn)行測(cè)定與分析，結(jié)果表明,MN與HN處理可顯著降低0～10 cm土壤容重與土壤緊實(shí)度、增加土壤總孔隙度、非毛管孔隙度與最大持水量。20～30 cm土層中LN、MN、HN處理均可顯著增加土壤容重、土壤緊實(shí)度，降低土壤總孔隙度、最大持水量。對(duì)土壤團(tuán)聚體的影響，與CK處理相比MN、HN處理可顯著提高各土層≥0.25 mm機(jī)械穩(wěn)定性土壤團(tuán)聚體含量、提升土壤團(tuán)聚體平均重量直徑(MWD)；較之CK處理，LN、MN處理可顯著提升各土層≥0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量，同時(shí)不同氮元素添加處理均可顯著提升水穩(wěn)性團(tuán)聚體和MWD，表明氮元素添加對(duì)該區(qū)土壤侵蝕性有較好的抑制作用，進(jìn)而減少水土和養(yǎng)分的流失。對(duì)地上和地下生物量的影響，MN、HN處理能顯著提升草地地上生物量；MN處理顯著增加了地下生物量、HN處理顯著降低了地下生物量；LN處理對(duì)地上與地下生物量的影響不顯著。通過(guò)試驗(yàn)得出結(jié)論MN處理對(duì)土壤物理性狀的改善效果較好，該處理改善了土壤容重、孔隙度及土壤緊實(shí)度，提高了土壤干篩≥0.25 mm機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體與濕篩≥0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量及其穩(wěn)定性(MWD)，增加了草地地上生物量和地下生物量。
關(guān)鍵詞：高寒草甸；氮元素添加；土壤物理性狀；土壤團(tuán)聚體；土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性
Effects of nitrogen addition on the physical properties of soil in an alpine meadow on the eastern Qinghai-Tibetan Plateau
LIU Xiao-Dong1,2,3, YIN Guo-Li1,2, WU Jun4, CHEN Jian-Gang1,2, MA Long-Xi5, SHI Shang-Li1,2*
1.CollegeofGrasslandScience,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou730070,China; 2.KeyEcosystemLaboratoryoftheMinistryofEducation,PrataculturalEngineeringLaboratoryofGansuProvince,Sino-USCenterforGrazinglandEcosystemSustainability,Lanzhou730070,China;3.TianshuiAnimalHusbandryTechniqueExtensionStation,Tianshui741000,China;4.CollegeofResourcesandEnvironmentalSciences,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou730070,China; 5.Grasslandstation,Xiahecounty,Xiahe747100,China
Abstract:A 3-year study was conducted from 2012 to 2014 to determine the effects of nitrogen (N) addition on the physical properties of soil in an alpine meadow in Xiahe County on the eastern Qinghai-Tibetan Plateau. The four treatments were as follows: CK (control, no N addition), LN (low N, 50 kg N/ha), MN (medium N, 100 kg N/ha), and HN (high N, 150 kg N/ha). Each N-addition treatment had three replicates of 54 m2(6 m×9 m), with a 1.5 m isolation band between adjacent plots. Analyses of soil bulk density, soil porosity, soil compaction, and soil aggregates showed that MN and HN treatments reduced soil bulk density and soil compaction, increased soil porosity and non-capillary porosity, and maximized water-holding capacity in the 0-10 cm soil layer. In the 20-30 cm soil layer, compared with CK, all N-addition treatments showed higher soil bulk density and soil compaction, reduced soil porosity, and maximized water-holding capacity. In terms of the effect of N addition on the stability of soil aggregates in the 0-30 cm soil layer, the LN, MN, and HN treatments dramatically increased the macro-aggregate content (≥0.25 mm) and MWD (mean weight diameter), with the MN treatment having the strongest effect. Compared with CK, LN and MN dramatically improved the water-stable aggregate content. All of the N-addition treatments significantly promoted soil aggregation and increased the MWD of aggregates. The results indicated that N addition could effectively prevent soil erosion, and hence, control the loss of water and soil nutrients. The MN and HN treatments significantly increased the aboveground biomass in the grassland, while underground biomass was increased in the MN treatment and decreased in the HN treatment. The results of this study showed that the MN treatment was the most beneficial treatment in terms of improving soil properties. This treatment increased soil bulk density, reduced soil porosity, and increased soil compaction, increased the content of ≥0.25 mm soil aggregates and improved aggregate stability, and increased both the aboveground and underground biomass of plants in the grassland.
Key words:alpine meadow; nitrogen addition; soil physical properties; soil aggregates; soil aggregate stability
青藏高原是全球地理系統(tǒng)中最為獨(dú)特的單元，該區(qū)域存在極端懸殊、對(duì)比強(qiáng)烈的氣候和植被，同時(shí)也是全球生態(tài)圈中的生態(tài)系統(tǒng)脆弱區(qū)、敏感區(qū)[1-2]。在過(guò)去30年，由于草地不合理利用導(dǎo)致青藏高原約有37%高寒草甸原植被發(fā)生退化[3]。草地退化的原因十分復(fù)雜，但從生態(tài)系統(tǒng)學(xué)理論的觀點(diǎn)來(lái)看，其本質(zhì)上是由于草地生態(tài)系統(tǒng)中能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)失衡所致[4]。土壤養(yǎng)分隨著畜產(chǎn)品及草產(chǎn)品的輸出被過(guò)量地帶出草地，在沒(méi)有得到有效添加的情況下，草地土壤供給養(yǎng)分的能力逐漸下降，而此對(duì)土壤理化性質(zhì)有直接、深刻的影響[5]。
土壤物理性狀影響著土壤水肥氣熱的協(xié)調(diào)性和土壤中養(yǎng)分、水分的運(yùn)移，決定著土壤供給植被養(yǎng)分的能力，而土壤團(tuán)聚體作為土壤基本結(jié)構(gòu)單元，其數(shù)量、穩(wěn)定性常作為土壤穩(wěn)定性的重要指標(biāo)[6]。土壤團(tuán)聚體的數(shù)量、大小及分布對(duì)改善土壤環(huán)境具有重要作用，尤其對(duì)土壤養(yǎng)分固持、孔隙度、導(dǎo)水率及土壤持水能力的提升發(fā)揮著重要的作用[7]。
草地營(yíng)養(yǎng)元素添加是維持草地生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分平衡的一種重要管理措施[8-11]，氮元素添加可提高土壤中的有效氮含量，增加植物和土壤中有機(jī)碳的積累。氮元素的輸入(自然氮沉降和人為氮添加)對(duì)受到氮限制的陸地生態(tài)系統(tǒng)碳與氮循環(huán)過(guò)程必然產(chǎn)生相應(yīng)的變化[12-14]，同時(shí)氮元素輸入提高了高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)氮素的可利用性，進(jìn)而對(duì)土壤以及整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)過(guò)程產(chǎn)生影響。然而輸入到生態(tài)系統(tǒng)中氮的最適宜量是多少，氮元素輸入對(duì)土壤物理性狀造成怎樣的影響。本文通過(guò)高寒草甸草地氮元素添加試驗(yàn)，研究了氮元素增加對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響，旨在揭示土壤容重、土壤孔隙度、土壤持水量、土壤團(tuán)聚體含量及其穩(wěn)定性對(duì)氮元素添加的響應(yīng)，為高寒草甸的維護(hù)，草地生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展和適應(yīng)性管理提供科學(xué)依據(jù)。
1材料與方法
1.1 研究區(qū)自然條件及概況
甘南藏族自治州夏河縣地處青藏高原東緣，海拔3000～3800 m，草地以高寒草甸為主[7]。該地區(qū)屬高原大陸性氣候,寒冷陰濕，植被生長(zhǎng)期不足6個(gè)月，年均溫4.2℃，最高氣溫29.9℃、最低氣溫-26.7℃，年均日照時(shí)數(shù)2296.1 h，無(wú)霜期年均56 d，年均降水量432.5 mm，降水空間及年際間分布不平衡，主要集中在5-8月，年均蒸發(fā)量1333.5 mm，約為降雨量的3倍。地帶性土壤為高山草甸土，呈暗棕色，土壤微堿性且發(fā)育年輕，土層淺薄30～40 cm。
1.2 樣地選擇
2012-2014年于夏河縣?？撇菰诵牡貛ч_(kāi)展試驗(yàn)(35°05.6′ N， 102°24.1′ E)，樣地位于海拔3192 m，草地類型為高寒草甸，輕度退化草地(根據(jù)GB 19377-2003)。樣地長(zhǎng)期為冬春牧場(chǎng)，夏秋季休牧，休牧?xí)r期5～11月。樣地植被類型為禾草類+雜草類群系，禾草類主要以垂穗披堿草(Elymusnutans)、賴草(Leymussecalinus)、草地早熟禾(Poaannua)、短花針茅(Stipabreviflora)等為主；雜草類中以冷蒿(Artemisiafrigida)、球花蒿(Artemisiasmithii)、大籽蒿(Artemisiasieversiana)、多裂委陵菜(Potentillamultifida)等為主；輔以豆科類與毒草類，豆科類為黃花棘豆(Oxytropis)、扁蓿豆(Melissitusruthenicus)、斜莖黃芪(Astragalusadsurgen)，毒草類為鈍裂銀蓮花(Ajugaovalifolia)、小花草玉梅(Anemonerivularis)等。
1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
試驗(yàn)設(shè)置了低氮(LN，50 kg N/hm2)、中氮(MN，100 kg N/hm2)、高氮(HN，150 kg N/hm2)3個(gè)氮元素添加水平，氮源為尿素(N，46%)，同時(shí)將不添加氮元素設(shè)為對(duì)照處理(CK，0 kg N/hm2)。試驗(yàn)設(shè)3次重復(fù)，小區(qū)面積6 m×9 m，小區(qū)間隔離帶寬1.5 m，隨機(jī)區(qū)組排列，試驗(yàn)期間樣地被圍欄圍封，具體處理見(jiàn)表1。連續(xù)3年(2012-2014年)在草地返青期(由于年際之間氣象因素的不確定性，導(dǎo)致每年草地返青日期不統(tǒng)一，但一般草地返青在5月中下旬)將各處理氮元素添加總量的一半在雨前均勻地撒于小區(qū)內(nèi)，剩余的氮元素在7月上旬雨前全部施入草地。
表1 處理方法描述
1.4 數(shù)據(jù)采集與測(cè)定方法
1.4.1土壤物理指標(biāo)的采集與測(cè)定于2014年8月10日在每個(gè)小區(qū)內(nèi)隨機(jī)選取3個(gè)點(diǎn)挖土壤剖面，用環(huán)刀法在每個(gè)樣地內(nèi)按照土層深度0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm共計(jì)3層取樣，每層3次重復(fù)，所采土樣帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行土壤容重、總孔隙度和毛管孔隙度的測(cè)定[15]；同時(shí)在每個(gè)小區(qū)隨機(jī)測(cè)定10次土壤緊實(shí)度(采用美國(guó)Fieldscout SC-900數(shù)顯式土壤緊實(shí)度儀，壓力分辨率為35 kPa，最大量程為0～40 cm，測(cè)壓為0～7000 kPa)；土壤團(tuán)聚體采用干篩法和薩維諾夫法，參考Van Bavel[16]和Mazurak[17]的計(jì)算方法。
利用平均重量直徑(MWD，mm)表征團(tuán)聚體穩(wěn)定性[19]。
(1)
式中，Ri是某級(jí)別團(tuán)聚體平均直徑(mm)，wi是該級(jí)別團(tuán)聚體干重(g)。
土壤最大持水量、土壤毛管持水量和毛管持水量的計(jì)算公式為[20]：
W=10000×P×h
(2)
式中，W為土壤持水量(t/hm2)；P為土壤孔隙度(%)；h為土層厚度(m)。
1.4.2地上與地下生物量采集與測(cè)定 于2014年8月10日在每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)隨機(jī)設(shè)置3個(gè)0.5 m×0.5 m樣方，剪取整個(gè)地上部分生物量，在80℃條件下烘至恒重并稱量。同時(shí)在每個(gè)已經(jīng)剪取生物量的樣方內(nèi)，用根鉆(d=8 cm)隨機(jī)在樣方內(nèi)取10鉆，每鉆深度40 cm，將其帶回實(shí)驗(yàn)室置于015目紗網(wǎng)中用水沖洗凈泥沙后在65℃條件下烘干至恒重并稱量[18]。
1.5 數(shù)據(jù)處理
采用Excel 2013進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理和圖表繪制，并采用Genstat 16th軟件進(jìn)行單因素方差分析(one-way ANOVA)和最小顯著極差法(LSR法)進(jìn)行多重比較。
2結(jié)果與分析
2.1 土壤容重和土壤總孔隙度變化
從表2可知，由于土壤受氮元素添加的影響，土壤容量變幅為1.03 g/m3(MN)～1.26 g/m3(HN)，增加了18.25%；土壤總孔隙度變幅為51.35%(HN)～61.06%(CK)，增加了15.90%；毛管孔隙度變幅為46.65%(HN)～54.31%(MN)，增加了14.11%；非毛管孔隙度最小為4.58%(LN)變化到6.88%(HN)，增加了33.43%。
在0～10 cm土層中，CK、LN處理土壤容重顯著高于MN、HN處理(P<0.05)，CK、LN處理分別比MN、HN處理高了2.83%，1.89%和3.74%，2.80%；土壤總孔隙度顯著性與土壤容重反之，其中MN處理土壤總孔隙度最高為61.06%；土壤毛管孔隙度各處理間無(wú)顯著差異；非毛管孔隙度CK、LN處理顯著低于MN、HN處理。10～20 cm土層中，HN處理土壤容重顯著高于CK處理，LN、MN處理與CK、HN處理間土壤容重?zé)o顯著差異；在土壤總孔隙度中CK處理總孔隙度顯著高于HN處理，與LN、MN處理間無(wú)顯著差異；CK處理非毛管孔隙度顯著小于氮元素添加處理。在20～30 cm土層中，土壤容重呈現(xiàn)出與0～10 cm土層相反的趨勢(shì)，MN、HN處理土壤容重顯著高于LN處理，LN處理顯著高于CK處理，LN、MN和HN處理分別比CK處理高0.82%，3.20%，3.97%；土壤總孔隙度中CK處理顯著高于LN處理，LN處理顯著高于MN、HN處理；土壤毛管孔隙度中CK處理顯著高于氮元素添加處理，LN顯著高于MN、HN處理；各處理間非毛管孔隙度無(wú)顯著性。
表2 不同氮元素添加量處理對(duì)土壤容重和孔隙度的影響
注：表中同列不同小寫(xiě)字母表示統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)不同處理間P<0.05水平差異顯著，下同。
Note：Different lowercase letters stand for significant difference among different treatment atP<0.05 level, the same below.
2.2 土壤持水能力的變化
表3可以看出，在土壤剖面垂直結(jié)構(gòu)上最大持水量、毛管持水量和非毛管持水量均隨土層深度增加而不斷減小。在不同氮元素添加處理下，土壤最大持水量中，MN處理最大，為610.61 t/hm2、HN處理最低，為513.47 t/hm2；毛管持水量中MN處理最大，為543.05 t/hm2、HN處理最低，為466.45 t/hm2；非毛管持水量的變化范圍在45.80～68.76 t/hm2之間。
在0～10 cm土層中，在最大持水量和非毛管吃水量中MN、HN處理均顯著高于LN、CK處理，各處理毛管持水量間無(wú)差異性；在10～20 cm土層中，較之CK處理，氮元素添加處理均減小了最大持水量和毛管持水量，但非毛管持水量中反之，CK處理非毛管持水量最??；在20～30 cm土層中，氮元素添加處理也減小了最大持水量和毛管持水量，但各處理間非毛管持水量無(wú)顯著差異。
表3 不同氮元素添加量處理對(duì)土壤持水能力的影響
2.3 土壤緊實(shí)度
土壤緊實(shí)度又叫土壤硬度或土壤堅(jiān)實(shí)度，是土壤重要的物理性狀[5]。由圖1可知，土壤緊實(shí)度整體呈現(xiàn)出隨土層加深而緊實(shí)度增加的趨勢(shì)。較之CK處理，氮元素添加處理對(duì)土壤緊實(shí)度產(chǎn)生了影響，尤其明顯改變了0～20 cm土層的緊實(shí)度。地表(0～2.5 cm)緊實(shí)度LN>CK>HN>MN，變化范圍在 265.38~409.86 kPa。在2.5 cm后各處理緊實(shí)度出現(xiàn)分化，這種分化在2.5～20.0 cm土層內(nèi)呈相反的兩種趨勢(shì)。CK與LN處理表現(xiàn)相似，在2.5 cm之后土壤緊實(shí)度繼續(xù)增加，兩者均在7.5 cm處出現(xiàn)減小的拐點(diǎn)，然后在15 cm處土壤緊實(shí)度又開(kāi)始增加，呈反S型，但在整個(gè)過(guò)程中土壤緊實(shí)度LN>CK處理。MN與HN處理相似，在2.5 cm處兩者土壤堅(jiān)實(shí)度持續(xù)減小，在10 cm處出現(xiàn)土壤緊實(shí)度增大的拐點(diǎn)并持續(xù)增大，整個(gè)過(guò)程中土壤緊實(shí)度HN
圖1 不同氮元素添加處理緊實(shí)度變化Fig.1 Variation of soil compaction under different levels nitrogen supplement
2.4 土壤團(tuán)聚體
2.4.1土壤團(tuán)聚體數(shù)量土壤團(tuán)聚體包括機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體和水穩(wěn)性團(tuán)聚體。機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體能夠反映土壤抗機(jī)械損傷的能力，水穩(wěn)性團(tuán)聚體能夠反映土壤抗水蝕的能力[21]。通常將≥0.25 mm 的團(tuán)聚體稱為大團(tuán)聚體，大團(tuán)聚體含量越高，表明土壤結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。
圖2可知，在干篩法處理下，土壤中≥0.25 mm機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量隨著土層加深變化雖無(wú)明顯規(guī)律，但氮元素添加處理中≥0.25 mm機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量均大于CK處理。在0～10 cm，各處理≥0.25 mm機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量的大小順序?yàn)镸N>LN>HN>CK；在10～20 cm和20～30 cm土層中，各處理≥0.25 mm機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量的大小順序均為HN>MN>LN>CK。在濕篩法處理下，各處理土壤≥0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量均隨土層的加深呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，同時(shí)氮元素添加處理≥0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量依然均大于CK處理。0～10 cm土層，各處理≥0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量的大小依次為MN>HN>LN>CK，與CK處理相比LN、MN、HN處理中≥0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量分別提升了8.47%，13.14%，10.46%；10～20 cm，各處理≥0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量的大小依次為MN>HN>LN>CK，與CK處理相比LN、MN、HN處理≥0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量分別提升了17.06%，24.73%，19.07%。20～30 cm各處理≥0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量的大小依次為：LN>MN>HN>CK，與CK處理相比LN、MN、HN處理≥0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量分別增加了16.93%，8.16%，5.02%。
圖2 不同氮元素添加量處理的干、濕篩下≥0.25 mm土壤團(tuán)聚體含量Fig.2 The content of ≥0.25 mm soil aggregate under different levels nitrogen supplement by dry and wet sieving
2.4.2土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性平均重量直徑(MWD)是評(píng)價(jià)土壤結(jié)構(gòu)的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，平均重量直徑的增加說(shuō)明土壤大團(tuán)聚體(≥0.25 mm)的含量也在增加，有利于提高土壤蓄水保墑能力、增強(qiáng)地上植被對(duì)營(yíng)養(yǎng)的吸收能力[7]。
由圖3可知，干篩下的MWD均高于濕篩，這是由于水分的浸泡致使大量非水穩(wěn)性團(tuán)聚體分解。在干篩下，各處理MWD隨土層深度變化無(wú)明顯規(guī)律，但同土層各處理間存在顯著性。0～10 cm土層，干篩MWD大小排序LN>MN>HN>CK，氮元素添加處理MWD與CK處理比較，分別是CK的1.24，1.21，1.18倍；10～20 cm土層，各處理間均有顯著性，其中MN處理MWD最大、CK處理MWD最小，分別為3.34，2.98 mm；20～30 cm土層，各處理MWD大小排序?yàn)長(zhǎng)N>MN>HN>CK，分別是CK的1.26，1.22，1.17倍。在濕篩下，各處理MWD隨土層加深逐漸減小，不同土層各處理間差異顯著，氮元素添加處理MWD在不同土層中顯著大于對(duì)照處理(CK)。0～10 cm土層，各處理MWD大小排序?yàn)長(zhǎng)N>HN>MN>CK；10～20 cm與20～30 cm土層，各處理MWD大小排序均為MN>>HN>LN>CK。
圖3 不同氮元素添加量下土壤團(tuán)聚體平均重量直徑(MWD)Fig.3 The soil aggregate MWD under different levels nitrogen supplement by dry and wet sieving
不同小寫(xiě)字母表示統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)不同處理間P<0.05水平差異顯著，下同。Different lowercase letters stand for significant difference among different treatment atP<0.05 level, the same below.
2.5 地上生物量與地下生物量
由圖4可知，草地地上生物量隨著氮元素添加量的增加而增加，CK處理最低，其地上生物量為235.59 g/m2，LN、MN、HN處理地上生物量分別比CK處理增加了7.82%，37.15%，47.01%。各處理草地地下生物量大小的排序?yàn)镸N>LN>CK>HN，MN處理地下生物量為1765.12 g/m2，分別比CK、LN、HN處理高14.00%，11.47%，18.58%。
圖4 不同氮元素添加量處理地上及地下生物量Fig.4 Aboveground and underground biomass under different levels nitrogen addition
3討論
3.1 不同氮元素添加量對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響
由于高寒草甸土壤系統(tǒng)的復(fù)雜性、滯后性和彈性[22]，氮元素添加對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響不盡相同。通過(guò)連續(xù)3年試驗(yàn)后，各處理土壤容重均隨土層的加深而增加，土壤孔隙度則呈現(xiàn)出與容重相反的趨勢(shì)，這與張仁陟[23]的研究結(jié)果一致，但同層土壤各處理間土壤容重有不同差異。草地地上植被與地下根系對(duì)氮素添加的不同反應(yīng)是造成土壤容重變化的主要原因，這與朱德峰等[24]、黃細(xì)熹[25]的研究結(jié)果相吻合。通過(guò)當(dāng)年數(shù)據(jù)表明，0～10 cm土層中MN和HN處理根系重量占根系總重的58.22%，63.29%，CK與LN處理根系重量占根系總重的42.77%，46.85%。氮元素添加使草地的地下根系的水平與垂直分布發(fā)生變化，在MN、HN處理下0～10 cm土層養(yǎng)分含量較高，植被根系的趨肥性[26]使得該層土壤中根系密集，良好的根部環(huán)境提高了微生物活性和數(shù)量、促進(jìn)了有機(jī)質(zhì)的積累，而路海東等[33]、楊寧等[34]的研究也表明有機(jī)質(zhì)的積累使得土壤容重減小，因此地下根系的密集程度是造成該層土壤容重變化的主要原因。10～20 cm土層中，CK、LN、MN、HN處理根量分別占根量總重的28.21%，26.99%，22.32%，21.79%，而土壤容重大小排序?yàn)镠N>MN>LN>CK，根量的減少致使土壤容重增加，但由于根量的變幅較小，導(dǎo)致該層土壤容重變幅亦小。20～40 cm，CK、LN、MN、HN處理根系重分別占總重的29.02%，26.16%，19.46%，14.92%， MN與HN處理地下根量的減少致使土壤容重增加，土壤資源限制性從一定程度上調(diào)節(jié)根量的變化。相較CK處理，由于其土壤資源的限制性導(dǎo)致根系的向下延伸以保證更多的營(yíng)養(yǎng)吸收[27]。土壤容重的變化引起總孔隙度的改變，而且二者呈相反的趨勢(shì)。
3.2 不同氮元素添加量對(duì)土壤持水能力的影響
土壤持水能力高低取決于在一定土壤厚度條件下土壤容重和孔隙的大小，土壤容重較小時(shí)土體疏松、孔隙度大、土壤持水能力強(qiáng)，但土壤容重增大時(shí)土壤板結(jié)、孔隙度減小、土壤的儲(chǔ)水空間也相應(yīng)減小從而降低了土壤持水能力，因此不同氮元素添加處理中土壤容重和孔隙度的變化直觀地反映了氮元素添加對(duì)土壤持水能力強(qiáng)弱的影響[20]。在不同氮元素添加處理下MN、HN處理顯著改善了0～10 cm土層的最大持水量和非毛管持水量，但各處理之間毛管持水量無(wú)顯著差異。最大持水量受孔隙度的影響，其表現(xiàn)出與孔隙度一致的規(guī)律，植被根系對(duì)土壤持水能力有明顯影響。10～30 cm土層中，由于地下生物量變化引起土壤容重改變導(dǎo)致土壤持水能力發(fā)生變化，CK處理最大持水量、毛管持水量均為最大。
較之CK處理，0～10 cm和10～20 cm土層中氮元素添加處理非毛管持水量均高于CK處理，20～30 cm土層中各處理間非毛管持水量無(wú)差異，說(shuō)明氮素的添加一定程度上增加了非毛管孔隙度，進(jìn)而增加了非毛管持水量。
3.3 不同氮元素添加量對(duì)土壤團(tuán)聚體及穩(wěn)定性的影響
在氮元素添加處理下，≥0.25 mm機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體與≥0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量、干篩與濕篩MWD均隨土層的加深而減小，同時(shí)≥0.25 mm機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體與≥0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量及干篩、濕篩下MWD均高于CK處理，說(shuō)明氮元素添加明顯提高了≥0.25 mm機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體與≥0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體的含量，也提升土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性(MWD)，這與劉恩科等[28]的研究結(jié)果一致。楊建國(guó)等[29]的研究指出影響≥0.25 mm團(tuán)聚體的主要因素是全氮和有機(jī)質(zhì)，在當(dāng)年的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中顯示0～30 cm土層，CK處理的有機(jī)質(zhì)含量最高(48.90 g/kg)，分別比LN、MN、HN處理高1.32%，1.39%，4.77%，同時(shí)CK處理的全氮含量最低(3.23 g/kg)，分別比LN、MN、HN處理低3.55%，8.34%，3.94%。土壤中有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化形成的腐殖質(zhì)與土壤中物理性粘粒結(jié)合，再同其他礦物質(zhì)顆粒膠結(jié)成土壤團(tuán)聚體，因此本研究中物理粘粒對(duì)土壤團(tuán)聚體的形成有很大的影響，從而可能使得氮元素含量的高低成了影響土壤機(jī)械穩(wěn)定性和水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定性的主要因素。在有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)穩(wěn)定的情況下，全氮含量的影響對(duì)土壤團(tuán)聚體形成的影響大于有機(jī)質(zhì)[30]。雖然氮元素的添加促進(jìn)了有機(jī)質(zhì)的礦化速率，但根系微生物也促進(jìn)著有機(jī)質(zhì)的形成[31]，LN處理由于氮元素添加量較少使得土壤有機(jī)質(zhì)降低有限；MN處理氮元素添加導(dǎo)致根的分布發(fā)生變化增加了根層的根量，同時(shí)促進(jìn)了有機(jī)質(zhì)的形成，但一定量的氮元素添加依舊促進(jìn)了有機(jī)質(zhì)的礦化，但二者之間達(dá)到了動(dòng)態(tài)的平衡；HN處理過(guò)高的氮元素添加成了有機(jī)質(zhì)礦化的加速劑，導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)顯著下降[27]。
土壤機(jī)械穩(wěn)定性和水穩(wěn)性團(tuán)聚體≥0.25 mm團(tuán)聚體含量的增加，提高了土壤穩(wěn)定性(MWD)，但其并不隨氮元素添加量的增加而增加，說(shuō)明土壤對(duì)氮元素添加量存在上限。從研究結(jié)果可以看出，LN處理由于氮元素添加的量最小，對(duì)土壤理化性質(zhì)改變有限；MN處理對(duì)土壤的機(jī)械穩(wěn)定性和水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定性提升效果相對(duì)最好；較之MN處理，HN處理降低了土壤的機(jī)械穩(wěn)定性和水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定性?？傮w來(lái)說(shuō)，氮元素添加可提升機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體和水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量及穩(wěn)定性，這一現(xiàn)象說(shuō)明適量的氮元素添加對(duì)該區(qū)土壤侵蝕性有較好的抑制作用，進(jìn)而減少土水和養(yǎng)分的流失。土壤團(tuán)聚體的形成是一個(gè)非常復(fù)雜且受諸多因素影響的過(guò)程[32]，因此氮素添加對(duì)增加團(tuán)聚體含量及其提升穩(wěn)定性的因素還有待進(jìn)一步研究。
3.4 不同氮元素添加量對(duì)地上及地下生物量的影響
氮元素添加顯著提升了地上生物量，但LN處理相比MN、HN處理提升幅度有限，說(shuō)明高寒草甸地上植被對(duì)氮元素添加的量存在一定的耐受范圍，而50 kg N/hm2的氮元素添加量沒(méi)有達(dá)到使地上植被生物量產(chǎn)生質(zhì)的變化的范圍，因此LN處理對(duì)地上生物量的提升相較CK處理無(wú)顯著差異。不同的氮元素添加處理下，MN處理在0～40 cm土層根量最高，其中MN分別高于CK、LN、HN處理14.00%，11.47%，18.58%，這更進(jìn)一步的說(shuō)明了土壤養(yǎng)分資源分布及其限制性是調(diào)節(jié)根系分布的主要因素。
4結(jié)論
通過(guò)連續(xù)3年對(duì)高寒草甸土壤進(jìn)行不同氮元素添加量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不同的氮元素添加量對(duì)高寒草甸土壤容重、孔隙度、土壤持水能力、緊實(shí)度均有一定的影響。MN、HN處理可顯著降低0～10 cm土層土壤容重與土壤緊實(shí)度、增加土壤總孔隙度、非毛管孔隙度和最大持水量，雖然對(duì)毛管孔隙度與毛管持水量具有提升作用但不明顯。在20～30 cm土層，較之CK處理，不同氮元素添加量均顯著增加土壤容重與土壤緊實(shí)度、降低土壤總孔隙度與最大持水量。不同的氮元素添加量均可提升0～20 cm土層非毛管孔隙度與非毛管持水量但提升幅度有限。
干篩下，較之CK處理，MN、HN處理均可顯著提高各土層≥0.25 mm機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量、提升土壤團(tuán)聚體MWD，而低氮僅可顯著增加和提升0～10 cm和20～30 cm土層≥0.25 mm機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量和土壤團(tuán)聚體MWD。濕篩下較之CK處理，LN、MN處理均可顯著提升各土層≥0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量，HN處理僅顯著提高0～10 cm和10～20 cm土層≥0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量，同時(shí)氮元素添加處理均可顯著提升水穩(wěn)性團(tuán)聚體MWD。
氮元素添加處理增加了草地地上生物量，較之CK處理，LN處理可提升地上生物量，但無(wú)差異，MN和HN處理顯著增加了草地地上生物量。與CK處理相比，MN處理顯著提升了地下生物量，而HN處理顯著降低了地下生物量。
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通訊作者*Corresponding author. E-mail：shishl@gsau.edu.cn
作者簡(jiǎn)介：劉曉東(1983-)，男，甘肅天水人，中級(jí)畜牧師，在讀博士。E-mail：liuxiaodongcom@163.com
基金項(xiàng)目：國(guó)家公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)《青藏高原社區(qū)畜牧業(yè)》課題201203010資助。
收稿日期：2015-03-18；改回日期：2015-04-30
DOI：10.11686/cyxb2015154
