陳白潔， 樊 博， 汪新川， 張振華*

(1. 中國(guó)科學(xué)院西北高原生物研究所適應(yīng)與進(jìn)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 青海 西寧 810008； 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049；3. 青海省牧草良種繁殖場(chǎng)， 青海 海南 813000)

青藏高原高寒草甸主要分布在青藏高原中部地區(qū)，是我國(guó)面積最大、分布最廣的典型高寒生態(tài)系統(tǒng)[1]。由于氣候變化和人類活動(dòng)的共同影響，導(dǎo)致其生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能都受到了極大的破壞和威脅[2-3]，在不同空間尺度上出現(xiàn)了不同程度的退化現(xiàn)象，制約了當(dāng)?shù)夭莸匦竽翗I(yè)發(fā)展以及青藏高原生態(tài)安全屏障作用的發(fā)揮。近些年，在受損高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)的治理和恢復(fù)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，建植人工草地能夠有效地解決“黑土灘”自然狀態(tài)下恢復(fù)速度慢、恢復(fù)效果不明顯等問(wèn)題[4-6]。低溫、干旱的氣候條件和養(yǎng)分貧瘠的土壤條件是人工草地的前期建立和后期恢復(fù)狀況以及穩(wěn)定性維持的主要限制因子[5]。土壤碳氮磷等元素是生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)的重要組成部分，其化學(xué)計(jì)量關(guān)系直接影響微生物種群動(dòng)態(tài)、有機(jī)質(zhì)分解、植物養(yǎng)分吸收等一系列地下生態(tài)過(guò)程[7-9]，對(duì)維持人工草地穩(wěn)定性起著十分重要的作用。通常認(rèn)為，土壤碳氮比(C/N)是土壤氮素礦化能力的一種標(biāo)志，反映了陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，低土壤C/N有利于植物對(duì)氮素的吸收利用[10-11]；土壤碳磷比(C/P)則是土壤磷素礦化的一種標(biāo)志，低土壤C/P有利于促進(jìn)微生物分解有機(jī)質(zhì)釋放養(yǎng)分[12]；土壤氮磷比(N/P)則被認(rèn)為是確定植物生長(zhǎng)限制性營(yíng)養(yǎng)元素的一種指示，同時(shí)也反映了群落的功能和結(jié)構(gòu)特征[13]。因此，掌握高寒人工草地土壤碳氮磷含量及其化學(xué)計(jì)量特征對(duì)于評(píng)估人工草地生態(tài)系統(tǒng)的健康和穩(wěn)定尤為重要。

土壤溫濕度會(huì)影響土壤中微生物的活躍程度，進(jìn)而調(diào)控土壤碳氮磷的輸出[14-15]。而無(wú)紡布覆蓋會(huì)通過(guò)增加土壤溫度、水分和通氣性來(lái)增強(qiáng)微生物活力和土壤酶活性，從而刺激土壤中物質(zhì)轉(zhuǎn)化和養(yǎng)分分解[16-19]，進(jìn)而促進(jìn)了植物對(duì)速效養(yǎng)分的吸收利用，造成植物生長(zhǎng)初期土壤水分和養(yǎng)分的損耗，使土壤速效養(yǎng)分含量下降[18-20]。另外，研究發(fā)現(xiàn)無(wú)紡布覆蓋還能降低雨水沖刷土壤的強(qiáng)度以及提高土壤孔隙度，進(jìn)而降低了土壤中速效鉀、磷和堿解氮的流失[21-23]。但研究人員發(fā)現(xiàn)，不同類型的無(wú)紡布對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響不同[24-26]。Zhou等[24]的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，播種后第10天，覆蓋麻纖維無(wú)紡布使根區(qū)土壤硝態(tài)氮含量明顯高于對(duì)照處理，而土壤有機(jī)質(zhì)含量在膜處理中較低。而Kumarh等[25]的研究表明，覆蓋由100%或混合的聚乳酸纖維制成的無(wú)紡布后，土壤中磷含量顯著增加而覆蓋蕁麻纖維無(wú)紡布土壤磷含量顯著降低。那么材質(zhì)不同且保溫保濕能力不同的無(wú)紡布對(duì)高寒人工草地土壤理化性質(zhì)影響如何，則需要我們進(jìn)一步研究。本研究基于對(duì)不同材質(zhì)可降解無(wú)紡布覆蓋種植的不同類型人工草地的土壤碳氮磷化學(xué)計(jì)量特征的研究，為高寒地區(qū)受損高寒草地土壤生態(tài)功能修復(fù)提供科學(xué)理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地點(diǎn)

研究地點(diǎn)位于青海省海北高寒草地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站(37°36′N，101°12′E)，平均海拔3 200 m，屬于典型高原大陸性氣候，僅有冷暖兩季，雨熱同期且干濕季分明，其年均溫為-1.1℃，年降水為480 mm[27-28]。該地區(qū)植被類型為典型高寒草甸，植物群落主要以禾本科和莎草科為優(yōu)勢(shì)種和建群種，土壤類型為草氈寒凍雛形土，具有發(fā)育年輕、土層薄、有機(jī)質(zhì)含量豐富等特征[29]。2019年生長(zhǎng)季降水量為237.4 mm，主要集中在6月底到9月中旬。其中，最大日降水量發(fā)生在6月28日(41.4 mm)，10 mm以上的日降水量主要集中在8月。2019年生長(zhǎng)季日均氣溫為8.02℃，日最高氣溫為15.84℃，日最低氣溫為1.43℃。在進(jìn)行本試驗(yàn)前，該地一直為農(nóng)耕地，主要種植燕麥等農(nóng)作物。

1.2 試驗(yàn)材料

本研究選取褐色秸稈纖維(Brown straw fiber，BS，簡(jiǎn)稱秸稈纖維)、白色麻纖維(White hemp fiber，WH，簡(jiǎn)稱麻纖維)、白色厚羊毛纖維(White thick wool fiber，WW1)、褐色厚羊毛纖維(Brown thick wool fiber，BW)和白色薄羊毛纖維(White thin wool fiber，WW2)共5種無(wú)紡布，其拉力分別為15，10，10，10和20 N，克重分別為70，40，140，140和40 g·m-2，透光率分別為0%，70%，40%，0%和70%，全碳含量分別為394.79，465.25，463.51，463.51和463.51 g·kg-1，全氮含量分別為3.28，2.88，92.33，92.33和92.33 g·kg-1，全磷含量分別為0.22，0.11，0.23，0.23和0.23 g·kg-1。選取的5種高寒牧草草種分別為‘青海’扁莖早熟禾(Poapratensis‘Qinghai’)、‘青海’冷地早熟禾(Poacrymophila‘Qinghai’)、垂穗披堿草(Elymusnutans)、星星草(Puccinelliatenuiflora)、‘青?！腥A羊茅(Festucasinensis‘Qinghai’)，其播種量依據(jù)青海人工草地常規(guī)種植經(jīng)驗(yàn)，分別設(shè)置為2，2，4，2和3 g·m-2。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)置5種高寒牧草和6種無(wú)紡布覆蓋處理(5種無(wú)紡布覆蓋處理和1種不覆膜對(duì)照處理)共30個(gè)處理，每個(gè)處理5個(gè)重復(fù)(Block)，共150個(gè)小區(qū)(Plot)，每個(gè)小區(qū)面積為1 m×2 m=2 m2。2019年5月24日對(duì)試驗(yàn)地進(jìn)行翻耕，翻耕深度為20 cm，翻耕平整后進(jìn)行播種，將牧草種子均勻撒播后壓實(shí)，用無(wú)紡布覆蓋，并用竹簽固定。

1.4 土壤樣品采集及指標(biāo)測(cè)定

2019年5—8月每15天左右，使用T型熱電偶(JM624，中國(guó))測(cè)定土壤10 cm處溫度。2019年8月底，在每個(gè)小區(qū)中隨機(jī)選取50 cm×50 cm的樣方，對(duì)其地上植株部分進(jìn)行刈割，65℃條件下烘干至恒重，計(jì)算其地上生物量。同時(shí)利用根鉆(直徑6公分)在刈割后的樣方中分0～10 cm土層和10～20 cm土層采集根系，每層兩鉆，混勻后裝入紗網(wǎng)袋，用水洗法漂洗干凈去除礫石雜質(zhì)后，65℃條件下烘干至恒重，計(jì)算其地下生物量，根系研磨粉碎后進(jìn)行全碳、全氮和全磷的測(cè)定；利用土鉆(直徑3公分)分層采集土壤樣品，每層兩鉆，混勻后過(guò)2 mm篩去除可見(jiàn)根系和礫石，部分土壤樣品用于土壤質(zhì)量含水量、無(wú)機(jī)氮(硝態(tài)氮、銨態(tài)氮)的測(cè)定，其余部分風(fēng)干后用于土壤無(wú)機(jī)碳(Soil inorganic carbon,SIC)、全碳(Soil total carbon,STC)、全氮(Soil total nitrogen,STN)和全磷(Soil total phosphorus,STP)的測(cè)定。土壤質(zhì)量含水量在105℃下烘干至恒重后法測(cè)定；土壤無(wú)機(jī)氮采用氯化鉀-連續(xù)流動(dòng)注射分析儀(Skalar Analytical,Breda,The Netherlands)進(jìn)行測(cè)定；土壤無(wú)機(jī)碳采用氣量法利用碳酸測(cè)定儀(荷蘭Eijkel kamp Calcimemer)進(jìn)行測(cè)定；土壤和根系全碳和全氮用元素分析儀(德國(guó)Vario EL/micro cube)進(jìn)行測(cè)定；土壤全磷采用NaOH堿熔-鉬銻抗分光光度法進(jìn)行測(cè)定；土壤有機(jī)碳(Soil organic carbon,SOC)通過(guò)計(jì)算得到：土壤有機(jī)碳=土壤全碳-土壤無(wú)機(jī)碳[30-31]；根系全磷采用鉬銻抗比色法(NY/T 2017-2011)進(jìn)行測(cè)定[32]。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS 24.0統(tǒng)計(jì)分析軟件，運(yùn)用雙因素方差分析檢驗(yàn)?zāi)敛莘N類和不同無(wú)紡布類型對(duì)SOC，STN，STP，SOC/STN(C/N)，SOC/STP(C/P)，STN/STP(N/P)，土壤含水量，土壤平均溫度以及最低溫度的影響，并對(duì)同種牧草不同無(wú)紡布處理間土壤最低溫度，平均溫度，含水量，SOC，STN，STP，C/N，C/P和N/P進(jìn)行多重比較(LSD法，α=0.05)。通過(guò)方差分析發(fā)現(xiàn)，牧草種類對(duì)土壤平均溫度、最低溫度和含水量均沒(méi)有顯著影響，無(wú)紡布處理和牧草種類間無(wú)顯著交互作用。因此，本研究只考慮不同材質(zhì)無(wú)紡布覆蓋對(duì)土壤溫度和濕度的影響。采用簡(jiǎn)單相關(guān)性分析法對(duì)土壤碳氮磷化學(xué)計(jì)量特征與土壤溫度、含水量、地上生物量、地下生物量、根系全碳、全氮、全磷、土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮進(jìn)行相關(guān)性分析本文均以P<0.05為差異顯著。采用Sigmaplot12.5軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤溫度和含水量

不同無(wú)紡布覆蓋對(duì)土壤溫度和土壤含水量的影響不同(圖1)。與不覆蓋對(duì)照處理相比，秸稈纖維無(wú)紡布覆蓋顯著降低了土壤最低溫度和平均溫度(降低值分別為1.47℃和1.62℃)，但卻顯著提高了0～10 cm土層5.14%和10～20 cm土層6.03%的土壤含水量。而麻纖維無(wú)紡布覆蓋與不覆蓋相比，顯著提高土壤最低溫度和平均溫度(增加值分別為1.37℃和0.44℃)，顯著降低0～10 cm土層15.62%和10～20 cm土層11.11%的土壤含水量。與不覆蓋對(duì)照處理相比，褐色厚羊毛纖維無(wú)紡布顯著提高了土壤最低溫度(增加值為0.99℃)，并且顯著降低0～10 cm土層8.54%和10～20 cm土層9.62%的土壤含水量。另外，白色薄羊毛纖維無(wú)紡布覆蓋與不覆蓋處理相比，顯著提高了土壤最低溫度(增加值為0.85℃)以及0～10 cm土層5.34%和10～20 cm土層3.62%的土壤含水量，卻顯著降低了土壤平均溫度(降低值為0.30℃)。與其他無(wú)紡布不同，白色厚羊毛纖維無(wú)紡布覆蓋與不覆蓋處理相比，則會(huì)顯著降低土壤最低溫度和土壤平均溫度(降低值分別為0.43℃和0.71℃)以及0～10 cm土層6.31%和10～20 cm土層4.07%的土壤含水量。

圖1 不同可降解無(wú)紡布覆蓋對(duì)土壤溫度、含水量的影響

2.2 土壤碳氮磷含量

研究結(jié)果顯示(圖2A，2B)，同種無(wú)紡布覆蓋處理下5種生態(tài)修復(fù)牧草不同深度SOC含量不同，而不同無(wú)紡布覆蓋處理對(duì)同種生態(tài)修復(fù)牧草不同深度SOC含量的影響也不同。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，與不覆蓋對(duì)照處理相比，麻纖維和褐色厚羊毛纖維無(wú)紡布覆蓋顯著降低了青海扁莖早熟禾草地10～20 cm 15.50%和31.08%的SOC含量。而建植青海冷地早熟禾草地，褐色厚羊毛纖維無(wú)紡布覆蓋顯著降低17.47%的0～10 cm SOC含量，麻纖維、白色厚和褐色厚羊毛纖維無(wú)紡布則分別顯著降低12.37%,13.75%和13.51%的10～20 cm SOC含量。另外，麻纖維和白色薄羊毛纖維無(wú)紡布覆蓋與不覆蓋處理相比，顯著降低了垂穗披堿草草地10～20 cm 17.53%和20.76%的SOC含量。與上面三種牧草不同，星星草草地覆蓋麻纖維和白色厚羊毛纖維無(wú)紡布與不覆蓋處理相比，顯著提高了0～10 cm 21.74%和17.47%的SOC含量，覆蓋白色厚羊毛纖維無(wú)紡布顯著提高10～20 cm 13.46%的SOC含量，而麻纖維和褐色厚羊毛纖維無(wú)紡布覆蓋顯著降低其10～20 cm 9.52%和8.85%的SOC含量。而與不覆蓋處理相比，青海中華羊茅草地覆蓋秸稈纖維無(wú)紡布顯著提高SOC含量(0～20 cm平均17.28%)，覆蓋褐色厚羊毛纖維無(wú)紡布顯著降低了SOC含量(0～20 cm平均12.79%)，而覆蓋麻纖維顯著降低11.68%的10～20 cm SOC含量。

圖2 不同可降解無(wú)紡布覆蓋對(duì)5種高寒牧草土壤有機(jī)碳含量的影響

對(duì)土壤全氮含量進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現(xiàn)(圖3A，3B)，褐色厚羊毛纖維無(wú)紡布覆蓋與不覆蓋處理相比顯著降低了青海扁莖早熟禾草地0～10 cm STN含量(降低了11.92%)，秸稈纖維、麻纖維和褐色厚羊毛纖維無(wú)紡布顯著降低了10～20 cm STN含量(分別降低了9.63%,26.31%和30.68%)。而青海冷地早熟禾草地種植地，麻纖維、白色厚和褐色厚羊毛纖維無(wú)紡布與不覆蓋處理相比，僅顯著降低了10～20 cm STN含量(分別降低了15.84%,23.57%和15.87%)。對(duì)于垂穗披堿草草地而言，褐色厚羊毛纖維無(wú)紡布覆蓋與不覆蓋處理相比，顯著降低了0～10 cm STN含量(降低19.90%)，麻纖維和白色薄羊毛纖維無(wú)紡布顯著降低了10～20 cm STN含量(分別降低18.47%和14.87%)。另外，與不覆蓋處理相比，麻纖維無(wú)紡布覆蓋顯著提高星星草草地0～10 cm STN含量(增加了14.86%)，而白色厚和白色薄羊毛纖維無(wú)紡布顯著提高0～20 cm STN含量(平均提高13.21%和15.25%)。秸稈纖維無(wú)紡布覆蓋與不覆蓋處理相比，顯著提高了中華羊茅草地0～20 cm 29.91%的STN含量，而麻纖維、白色厚和褐色厚羊毛纖維無(wú)紡布分別顯著降低其10～20 cm 17.17%,11.52%和16.60%的STN含量。

圖3 不同可降解無(wú)紡布覆蓋對(duì)5種高寒牧草土壤全氮含量的影響

對(duì)土壤全磷含量進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，同種無(wú)紡布覆蓋處理下5種生態(tài)修復(fù)牧草不同深度STP含量不同，而不同無(wú)紡布覆蓋處理對(duì)同種生態(tài)修復(fù)牧草STP含量的影響也不同(圖4A，4B)。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，與不覆蓋處理相比，褐色厚羊毛纖維無(wú)紡布覆蓋顯著降低青海扁莖早熟禾草地0～10 cm STP含量(降低8.93%)，而覆蓋麻纖維無(wú)紡布顯著降低其10～20 cm STP含量(降低11.94%)。秸稈纖維、麻纖維和褐色厚羊毛纖維無(wú)紡布覆蓋與不覆蓋處理相比，分別顯著降低了青海冷地早熟禾草地0～10 cm 13.52%，11.98%和9.17%的STP含量，5種可降解無(wú)紡布分別顯著降低其10～20 cm土層8.27%，6.37%，6.72%，9.94%和4.78%的STP含量。對(duì)于垂穗披堿草草地而言，5種可降解無(wú)紡布覆蓋與不覆蓋處理相比對(duì)STP含量沒(méi)有顯著影響。而星星草草地僅有白色薄羊毛纖維無(wú)紡布與不覆蓋處理相比，顯著提高了10～20 cm STP含量(提高6.78%)。與不覆蓋處理相比，秸稈纖維無(wú)紡布顯著提高青海中華羊茅0～20 cm STP含量(平均提高11.47%)，而麻纖維和褐色厚羊毛纖維無(wú)紡布覆蓋分別顯著降低其6.77%和3.60%的10～20 cm STP含量。

圖4 不同可降解無(wú)紡布覆蓋對(duì)5種高寒牧草土壤全磷含量的影響

2.3 土壤碳氮磷化學(xué)計(jì)量特征

同種無(wú)紡布覆蓋處理下5種生態(tài)修復(fù)牧草不同深度土壤C/N,C/P以及N/P的變化不同，而不同無(wú)紡布覆蓋處理對(duì)同種生態(tài)修復(fù)牧草同一深度土壤C/N,C/P以及N/P的影響也不同(表1)。

表1 不同材質(zhì)可降解無(wú)紡布覆蓋對(duì)5種高寒牧草土壤C/N,C/P和N/P的影響

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，5種可降解無(wú)紡布覆蓋對(duì)青海扁莖早熟禾、青海冷地早熟禾和星星草草地0～10 cm以及垂穗披堿草0～20 cm的土壤C/N沒(méi)有顯著影響。與不覆蓋處理相比，麻纖維無(wú)紡布覆蓋顯著提高了青海扁莖早熟禾草地10～20 cm土壤C/N(P<0.05)。另外，白色厚羊毛纖維無(wú)紡布覆蓋與不覆蓋處理相比，顯著提高了青海冷地早熟禾草地10～20 cm土壤C/N(P<0.05)。然而秸稈纖維、麻纖維和白色薄羊毛纖維無(wú)紡布覆蓋與不覆蓋處理相比，均顯著降低了星星草草地10～20 cm土壤C/N(P<0.05)。不同于其他草地，青海中華羊茅草地覆蓋褐色厚羊毛纖維無(wú)紡布與不覆蓋處理相比，顯著降低了0～10 cm土壤C/N，覆蓋白色厚羊毛纖維無(wú)紡布顯著提高其10～20 cm土壤C/N(P<0.05)。

與不覆蓋處理相比，5種可降解無(wú)紡布覆蓋對(duì)青海冷地早熟禾草地0～20 cm土壤C/P沒(méi)有顯著影響。白色薄羊毛纖維無(wú)紡布顯著提高青海扁莖早熟禾草地0～10 cm土壤C/P，而褐色厚羊毛纖維無(wú)紡布顯著降低了其10～20 cm土壤C/P(P<0.05)。同樣，褐色厚羊毛纖維無(wú)紡布覆蓋與不覆蓋處理相比，顯著降低了垂穗披堿草草地0～10 cm土壤C/P，而麻纖維、白色厚和白色薄羊毛纖維無(wú)紡布覆蓋顯著降低了其10～20 cm土壤C/P(P<0.05)。另外，與不覆蓋處理相比，白色厚羊毛纖維無(wú)紡布顯著提高了星星草草地0～20 cm土壤C/P，麻纖維顯著提高星星草草地0～10 cm土壤C/P，但顯著降低了10～20 cm土壤C/P(P<0.05)。青海中華羊茅草地覆蓋秸稈纖維無(wú)紡布與不覆蓋相比，能顯著提高0～10 cm土壤C/P，而覆蓋褐色厚羊毛纖維無(wú)紡布顯著降低了0～10 cm土壤C/P(P<0.05)。

分析發(fā)現(xiàn)，與不覆蓋處理相比，白色薄羊毛纖維無(wú)紡布覆蓋顯著提高了青海扁莖早熟禾草地0～10 cm土壤N/P，麻纖維和褐色厚羊毛纖維無(wú)紡布則顯著降低其10～20 cm土壤N/P(P<0.05)。青海冷地早熟禾草地和垂穗披堿草草地覆蓋白色厚羊毛纖維無(wú)紡布與不覆蓋處理相比，均顯著降低了10～20 cm土壤N/P(P<0.05)，此外，垂穗披堿草草地覆蓋麻纖維和白色薄羊毛纖維無(wú)紡布也會(huì)顯著降低10～20 cm土壤N/P(P<0.05)，而覆蓋褐色厚羊毛纖維無(wú)紡布顯著降低了0～10 cm土壤N/P。對(duì)于星星草草地而言，覆蓋麻纖維、白色厚和白色薄羊毛纖維無(wú)紡布與不覆蓋處理相比，均顯著提高了0～10 cm土壤N/P，而覆蓋秸稈纖維和白色薄羊毛纖維無(wú)紡布則顯著提高其10～20 cm土壤N/P(P<0.05)。另外，與不覆蓋處理相比，秸稈纖維無(wú)紡布覆蓋顯著提高了青海中華羊茅草地0～10 cm土壤N/P，而麻纖維、白色厚羊毛纖維和褐色厚羊毛纖維無(wú)紡布覆蓋均顯著降低了其10～20 cm土壤N/P(P<0.05)。

2.4 土壤碳氮磷化學(xué)計(jì)量特征與土壤理化性質(zhì)、生物量的關(guān)系

SOC,STN,STP,C/P以及N/P均與土壤溫濕度呈顯著相關(guān)(P<0.01)，而與地上、地下生物量沒(méi)有顯著相關(guān)關(guān)系(表2)。其中，SOC,STN,STP,C/P以及N/P均與土壤平均溫度和最低溫度呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，而與土壤含水量呈顯著正相關(guān)關(guān)系；此外，SOC,STN以及STP與根系全碳含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，而SOC以及C/P與根系全氮含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。另外，STP與土壤硝態(tài)氮含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，而土壤C/N僅與土壤銨態(tài)氮含量存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

表2 土壤碳氮磷化學(xué)計(jì)量特征與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性

3 討論

土壤碳、氮、磷是土壤養(yǎng)分的重要組分，也是維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定和健康的重要因子[33]。本研究發(fā)現(xiàn)褐色厚羊毛和麻纖維無(wú)紡布覆蓋均降低了5種牧草草地的土壤有機(jī)碳、全氮以及全磷的含量，而白色厚羊毛纖維無(wú)紡布覆蓋顯著降低了青海冷地早熟禾10～20 cm土壤有機(jī)碳、全氮以及全磷的含量等。這與很多學(xué)者關(guān)于覆膜對(duì)土壤有機(jī)碳、全氮以及全磷含量影響的研究結(jié)果一致[20,34]。以往研究認(rèn)為，無(wú)紡布覆蓋改善了土壤水熱條件，增加了微生物活性，加大了有機(jī)物礦化速率，促進(jìn)了植株對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收和積累，從而降低了土壤中土壤有機(jī)碳、全氮以及全磷的含量[35-36]。另外，土壤有機(jī)碳、全氮以及全磷的含量與土壤平均溫度、最低溫度、含水量以及根系全碳均呈顯著相關(guān)關(guān)系，但各指標(biāo)的解釋率存在差異(13.0%～49.0%)，表明土壤碳氮磷含量的變化受多個(gè)因素共同影響。本研究中無(wú)紡布覆蓋(除秸稈纖維無(wú)紡布外)可通過(guò)提高土壤最低溫度和土壤水分促進(jìn)人工草地牧草的生長(zhǎng)發(fā)育速率[37]，使牧草從土壤中吸收更多的土壤養(yǎng)分，從而導(dǎo)致土壤中有機(jī)碳、全氮以及全磷下降[35]。然而本研究還發(fā)現(xiàn)，秸稈纖維無(wú)紡布覆蓋會(huì)顯著提高青海中華羊茅草地土壤有機(jī)碳、全氮以及全磷的含量。這主要是因?yàn)?，一方面秸稈纖維無(wú)紡布本身較高的碳氮磷元素，在降解過(guò)程中可為土壤提供碳源、氮源和磷源；另一方面，秸稈纖維無(wú)紡布透氣性差阻礙了‘青?！腥A羊茅的生長(zhǎng)和發(fā)育，從而導(dǎo)致土壤中的碳、氮、磷元素沒(méi)有被植物充分吸收而滯留在土壤中[36-38]。另外，白色羊毛纖維無(wú)紡布覆蓋能顯著提高星星草草地土壤全碳、全氮含量，主要是因?yàn)榇藷o(wú)紡布本身全碳、氮含量較高(全碳463.51 g·kg-1、全氮92.33 g·kg-1)，通過(guò)降解可為土壤提供碳源和氮源。也有研究表明[39-40]，覆膜處理相較于未覆膜處理其對(duì)土壤有機(jī)碳、全氮以及全磷含量的影響無(wú)顯著差異，其原因可能是覆蓋時(shí)間較短，土壤有機(jī)碳、全氮以及全磷庫(kù)存量大且變化緩慢；同時(shí)，植物根系通過(guò)周轉(zhuǎn)和分泌物對(duì)土壤碳、氮和磷有一定的補(bǔ)充作用。在本研究中也發(fā)現(xiàn)，在無(wú)紡布覆蓋下一些高寒人工草地土壤有機(jī)碳、全氮以及全磷的變化并不顯著。一方面，由于無(wú)紡布本身的碳、氮和磷含量、降解速率以及牧草品種對(duì)氮和磷的吸收利用能力均會(huì)影響土壤中碳、氮和磷水平[33]，從而造成土壤中碳、氮和磷元素的變化有所不同；另一方面，由于覆膜改善了土壤水熱條件，可能加速了土壤有機(jī)質(zhì)的分解，為牧草生長(zhǎng)提供大量可利用養(yǎng)分[41]，但由于不同材質(zhì)無(wú)紡布對(duì)土壤水熱條件的影響有所差異，可能影響到土壤碳、氮和磷的礦化過(guò)程，導(dǎo)致覆膜后土壤中碳、氮和磷元素的變化的差異。因此，土壤碳、氮和磷的變化取決于養(yǎng)分的輸出與輸入水平，當(dāng)二者達(dá)到平衡時(shí)，土壤有機(jī)碳、全氮以及全磷含量變化差異不顯著。

由于無(wú)紡布覆蓋下土壤中碳、氮和磷含量發(fā)生變化，其化學(xué)計(jì)量會(huì)隨之發(fā)生變化。本研究發(fā)現(xiàn)，土壤C/N與土壤銨態(tài)氮含量存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，主要是因?yàn)楫?dāng)土壤C/N較低時(shí)，超過(guò)微生物生長(zhǎng)所需的氮素就會(huì)釋放到土壤中，增加了土壤氮的有效性[42]。而低土壤C/P則有利于促進(jìn)微生物對(duì)有機(jī)質(zhì)的分解過(guò)程和磷元素的釋放，進(jìn)而增加了土壤磷的有效性[12]，另外，當(dāng)土壤N/P較低時(shí)，植物的生長(zhǎng)發(fā)育更容易受到氮素的限制[43]。本研究中，5種可降解無(wú)紡布覆蓋雖對(duì)青海扁莖早熟禾、青海冷地早熟禾、垂穗披堿草和青海中華羊茅草地0～20 cm的土壤C/N以及星星草0～10 cm土壤C/N均沒(méi)有顯著影響，表明無(wú)紡布覆蓋下人工草地土壤有機(jī)碳和全氮含量的變化可能具有一致性。此外，與不覆蓋處理相比，5種可降解無(wú)紡布覆蓋都降低了各牧草10～20 cm土層土壤C/P和N/P，表明無(wú)紡布覆蓋有利于10～20 cm土層土壤磷元素的釋放，增加了10～20 cm土層土壤磷的有效性，同時(shí)也表明10～20 cm土壤氮元素更容易成為牧草生長(zhǎng)發(fā)育的限制性因素。

4 結(jié)論

綜上所述，在高寒地區(qū)建植青海中華羊茅人工草地，可通過(guò)覆蓋秸稈纖維無(wú)紡布來(lái)提高其土壤有機(jī)碳、全氮或全磷含量。而建植星星草人工草地可通過(guò)覆蓋麻纖維無(wú)紡布、白色厚羊毛纖維無(wú)紡布和白色薄羊毛纖維無(wú)紡布來(lái)提高其土壤有機(jī)碳、全氮或全磷含量。盡管覆蓋褐色厚羊毛無(wú)紡布不能顯著提高5種高寒牧草土壤碳、氮以及磷的含量，但卻能促進(jìn)青海扁莖早熟禾10～20 cm土層土壤磷的有效性。因此，今后對(duì)高寒人工草地進(jìn)行覆膜處理時(shí)，需要根據(jù)生態(tài)修復(fù)牧草的品種來(lái)選擇與之相適的無(wú)紡布材料進(jìn)行覆蓋，以提高其生態(tài)修復(fù)的效果，為高寒草地的生態(tài)恢復(fù)提供更加全面的科學(xué)依據(jù)。