劉 晨，康 慧，孫海蓮，吳建新，白 柳，崔媛媛，楊 帆，趙清格，王忠武，*

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學草原與資源環(huán)境學院/草地資源教育部重點實驗室/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部飼草栽培、加工與高效利用重點實驗室/內(nèi)蒙古自治區(qū)草地管理與利用重點實驗室，呼和浩特 010018；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學院，呼和浩特 010031；3.內(nèi)蒙古自治區(qū)退耕還林和外援項目管理中心，呼和浩特 010020)

荒漠草原作為干旱與半干旱區(qū)的過渡區(qū)域，是全球氣候變化的敏感區(qū)，水分及土壤養(yǎng)分的變化是影響其生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及組成穩(wěn)定的主要因素[1～3]。近年來，由于人為干擾造成荒漠草原生態(tài)環(huán)境不斷惡化，人們逐漸意識到保護荒漠草原的重要性[4]。目前，關(guān)于荒漠草原降水與土壤養(yǎng)分相關(guān)性的研究還比較少。為了研究干旱半干旱地區(qū)荒漠草原土壤養(yǎng)分對降水變化的響應，本試驗以內(nèi)蒙古四子王旗荒漠草原為研究對象，設(shè)立4個模擬降水梯度深入研究降水變化對土壤養(yǎng)分的影響，以期為荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)土壤養(yǎng)分的研究提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學院四子王旗基地(111°53′46″E、41°47′17″N，海拔1456m)，屬于溫帶大陸型季風氣候，夏季炎熱干旱，冬季寒冷風大，年均溫3.84℃，2018年總降水量274mm(高于近10年年均降水量54mm)，生長季5～10月份總降水量247mm，占總降水90%；土壤類型為淡栗鈣土，pH值為8.38；土壤全碳含量16.01g/kg，全氮含量1.67g/kg，全磷含量0.64g/kg，全鉀含量37.87g/kg。試驗區(qū)為荒漠草原，植被低矮稀疏，蓋度低，建群種為短花針茅(Stipabreviflora)，優(yōu)勢種為冷蒿(Artemisiafrigida)、無芒隱子草(Cleistogenessongorica)，主要伴生種有銀灰旋花(Convolvulusammannii)、櫛葉蒿(Neopallasiapectinata)和木地膚(Kochiaprostrata)等。

1.2 試驗設(shè)計

本研究模擬降水試驗在內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市四子王旗短花針茅荒漠草原進行。選擇地勢相對比較平坦的20m×20m樣地，設(shè)置4個不同降水梯度的區(qū)域(P1區(qū)域為減少自然降水量50%、P2區(qū)域為自然降水量、P3區(qū)域為增加自然降水量50%、P4區(qū)域為增加自然降水量100%)，每個降水處理區(qū)域面積均為4m×4m。內(nèi)蒙古四子王旗試驗基地設(shè)有長期氣象監(jiān)測站，每月根據(jù)氣象站監(jiān)測的自然降水數(shù)據(jù)計算出增加降水樣地所需要的降水量，再通過人工噴灑的方法將收集到的雨水均勻地澆到增水樣地中；減水樣地的減水處理，是通過安裝一塊寬20cm的透明“V”型亞克力板攔截一半的自然降水量。

1.3 試驗方法

用于測定土壤養(yǎng)分的樣品采集于2018年8月中旬，采用五點取樣法在每個小區(qū)內(nèi)用直徑3.5cm的土鉆采集0～10cm土壤，經(jīng)自然風干、研磨后過200目孔徑的篩子，用于土壤理化指標的測定。土壤全碳、全氮含量測定使用TOC元素分析儀(德國Elmental公司)；土壤全磷含量測定采用鉬銻抗比色法；土壤全鉀含量測定采用氫氧化鈉熔融火焰光度法；土壤有機碳含量測定采用重鉻酸鉀-外加熱法；土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量測定使用連續(xù)流動分析儀；土壤速效鉀含量測定采用醋酸銨-火焰光度法；土壤速效磷含量測定采用鉬銻抗比色法；土壤含水量測定使用PR2(英國Delta-T)水分管；土壤pH值測定使用電導率儀。

1.4 試驗數(shù)據(jù)分析

土壤養(yǎng)分、pH值及含水量數(shù)據(jù)在Excel 2020中進行初步整理，用R軟件進行單因素方差分析，并進行Duncan檢驗，顯著性水平為α=0.05；數(shù)據(jù)可視化使用SigmaPlot14.0軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 模擬降水對土壤pH值和含水量的影響

從圖1可以看出，土壤pH值在增加自然降水100%處理下最高，與減少自然降水50%、自然降水呈顯著差異(P<0.05)。圖2顯示，土壤體積含水量在減少自然降水50%處理下最低，與增加自然降水50%和增加自然降水100%處理呈顯著差異(P<0.05)。

P1為減少自然降水量50%，P2為自然降水量，P3為增加自然降水量50%，P4為增加自然降水量100%；不同大寫字母表示養(yǎng)分在不同降水處理間差異顯著；下圖同圖1 模擬降水對土壤pH的影響

圖2 模擬降水對土壤含水量的影響

2.2 模擬降水對土壤碳元素含量的影響

由圖3可知，在4個不同降水處理下土壤有機碳含量隨水分的增加呈上升趨勢。在減少自然降水量50%處理下，土壤有機碳的含量最高，顯著高于其他處理(P<0.05)；自然降水、增加自然降水量50%和增加自然降水量100%之間差異不顯著。由圖4可知，土壤全碳含量在減少自然降水量50%處理下最高，與增加自然降水量100%處理呈顯著性差異(P<0.05)；在自然降水和增加自然降水50%處理下差異不顯著。

圖3 模擬降水對土壤有機碳含量的影響

圖4 模擬降水對土壤全碳含量的影響

2.3 模擬降水對土壤氮元素含量的影響

由圖5可知，在4個不同降水處理下土壤全氮含量隨水分的增加呈下降趨勢。土壤全氮含量在減少自然降水50%處理下最高，顯著高于增加自然降水100%處理(P<0.05)；自然降水和增加自然降水50%之間差異不顯著。由圖6可知，在4個不同降水處理下土壤硝態(tài)氮含量隨水分的增加呈下降趨勢，土壤硝態(tài)氮含量在減少自然降水50%處理下最高，顯著高于其他處理(P<0.05)；自然降水、增加自然降水50%和增加自然降水100%之間差異不顯著。由圖7可知，在4個不同降水處理下土壤銨態(tài)氮含量隨水分的增加呈上升趨勢，但差異不顯著。

圖5 模擬降水對土壤全氮含量的影響

圖6 模擬降水對土壤硝態(tài)氮含量的影響

圖7 模擬降水對土壤銨態(tài)氮含量的影響

2.4 模擬降水對土壤鉀元素含量的影響

由圖8可知，在4個不同降水處理下土壤全鉀含量隨水分的增加呈下降趨勢，但差異不顯著。由圖9可知，土壤速效鉀含量在4個不同降水處理間差異不顯著。

圖8 模擬降水對土壤全鉀含量的影響

圖9 模擬降水對土壤速效鉀含量的影響

2.5 模擬降水對土壤磷元素含量的影響

由圖10可知，在4個不同降水處理下土壤全磷含量隨水分的增加呈下降趨勢，但差異不顯著。由圖11可知，土壤速效磷含量在4個不同降水處理間差異不顯著。

圖10 模擬降水對土壤全磷含量的影響

圖11 模擬降水對土壤速效磷含量的影響

3 討論

土壤是草地植被生長發(fā)育最重要的營養(yǎng)庫，為草地植物生長提供必要的營養(yǎng)物質(zhì)，土壤中蘊含的各種營養(yǎng)元素是衡量土壤肥力的重要指標[5]。降水是荒漠草原土壤水分最主要的來源，它能改變土壤體積含水量。降水作為土壤養(yǎng)分運輸?shù)妮d體，對土壤各元素養(yǎng)分的可利用性以及土壤中碳、氮、磷、鉀元素含量都產(chǎn)生了重要影響[6]。本試驗結(jié)果表明，與自然降水相比，增加降水和減少降水均改變了土壤體積含水量，不同降水處理的處理效應十分顯著。土壤pH值在增水100%處理下最高并顯著高于其他處理，土壤pH與土壤含水量呈正相關(guān)，這與脫云飛對降水和pH的研究結(jié)論一致[7]，與魏金明[8]在內(nèi)蒙古典型草原增水處理土壤pH值呈現(xiàn)顯著升高趨勢的研究結(jié)果一致。增加降水土壤pH增大，是由于隨著降水的增加土壤中的酸性離子流失，致使土壤pH增大。土壤有機碳、全碳元素含量隨著降水梯度的增加呈下降趨勢，且土壤有機碳在減水50%處理下含量最高，這與劉海威在黃土高原區(qū)的研究一致[9]，這是由于減少降水會使土壤表層有機碳的分解速度下降[10～11]，進而促使有機碳在土壤表土層進行積累[12]。土壤全氮元素含量、硝態(tài)氮元素含量隨著降水梯度的增加呈顯著下降趨勢，在減水50%處理下最高。Zhou對北方半干旱草地生態(tài)系統(tǒng)的研究發(fā)現(xiàn)[13]，通過增加降水會提高土壤中氮素的轉(zhuǎn)移進而促進植物對氮素的吸收利用，土壤氮元素的含量與降水量呈正相關(guān)關(guān)系[14]。但水分過多會引起土壤氮元素淋溶，導致土壤氮元素含量降低[15]。尤其是硝態(tài)氮比銨態(tài)氮更容易隨土壤淋溶丟失，所以會出現(xiàn)隨著降水增加硝態(tài)氮含量大幅度減少的情況。土壤鉀元素含量在降水處理下沒有出現(xiàn)顯著性差異，這可能是因為試驗區(qū)鉀元素含量十分充足[16]，未成為植物生長發(fā)育的限制因子，降水對鉀元素含量沒有造成顯著性影響。土壤磷元素含量在降水處理下也沒有出現(xiàn)顯著性差異，這是因為磷是一種沉積性礦物質(zhì)，磷元素主要來源于巖石風化以及植被凋落物分解[17]，因此短期的降水處理不能使土壤中的磷元素產(chǎn)生顯著性變化。

4 結(jié)論

4.1降水處理首先影響荒漠草原的土壤體積含水量，進而影響土壤養(yǎng)分動態(tài)。

4.2土壤有機碳、全碳、全氮、硝態(tài)氮對短期增水的反饋較為明顯，土壤中碳元素和氮元素含量與降水密切相關(guān)，減少降水能夠積累更多的土壤碳元素、氮元素養(yǎng)分含量。

4.3增加100%的降水明顯降低土壤碳元素、氮元素養(yǎng)分的含量，過高的降水量會導致養(yǎng)分淋溶，造成土壤養(yǎng)分流失。