刘 晨，康 慧，孙海莲，吴建新，白 柳，崔媛媛，杨 帆，赵清格，王忠武，*

(1.内蒙古农业大学草原与资源环境学院/草地资源教育部重点实验室/农业农村部饲草栽培、加工与高效利用重点实验室/内蒙古自治区草地管理与利用重点实验室，呼和浩特 010018；2.内蒙古自治区农牧业科学院，呼和浩特 010031；3.内蒙古自治区退耕还林和外援项目管理中心，呼和浩特 010020)

荒漠草原作为干旱与半干旱区的过渡区域，是全球气候变化的敏感区，水分及土壤养分的变化是影响其生态系统结构及组成稳定的主要因素[1～3]。近年来，由于人为干扰造成荒漠草原生态环境不断恶化，人们逐渐意识到保护荒漠草原的重要性[4]。目前，关于荒漠草原降水与土壤养分相关性的研究还比较少。为了研究干旱半干旱地区荒漠草原土壤养分对降水变化的响应，本试验以内蒙古四子王旗荒漠草原为研究对象，设立4个模拟降水梯度深入研究降水变化对土壤养分的影响，以期为荒漠草原生态系统土壤养分的研究提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于内蒙古自治区农牧业科学院四子王旗基地(111°53′46″E、41°47′17″N，海拔1456m)，属于温带大陆型季风气候，夏季炎热干旱，冬季寒冷风大，年均温3.84℃，2018年总降水量274mm(高于近10年年均降水量54mm)，生长季5～10月份总降水量247mm，占总降水90%；土壤类型为淡栗钙土，pH值为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，全钾含量37.87g/kg。试验区为荒漠草原，植被低矮稀疏，盖度低，建群种为短花针茅(Stipabreviflora)，优势种为冷蒿(Artemisiafrigida)、无芒隐子草(Cleistogenessongorica)，主要伴生种有银灰旋花(Convolvulusammannii)、栉叶蒿(Neopallasiapectinata)和木地肤(Kochiaprostrata)等。

1.2 试验设计

本研究模拟降水试验在内蒙古自治区乌兰察布市四子王旗短花针茅荒漠草原进行。选择地势相对比较平坦的20m×20m样地，设置4个不同降水梯度的区域(P1区域为减少自然降水量50%、P2区域为自然降水量、P3区域为增加自然降水量50%、P4区域为增加自然降水量100%)，每个降水处理区域面积均为4m×4m。内蒙古四子王旗试验基地设有长期气象监测站，每月根据气象站监测的自然降水数据计算出增加降水样地所需要的降水量，再通过人工喷洒的方法将收集到的雨水均匀地浇到增水样地中；减水样地的减水处理，是通过安装一块宽20cm的透明“V”型亚克力板拦截一半的自然降水量。

1.3 试验方法

用于测定土壤养分的样品采集于2018年8月中旬，采用五点取样法在每个小区内用直径3.5cm的土钻采集0～10cm土壤，经自然风干、研磨后过200目孔径的筛子，用于土壤理化指标的测定。土壤全碳、全氮含量测定使用TOC元素分析仪(德国Elmental公司)；土壤全磷含量测定采用钼锑抗比色法；土壤全钾含量测定采用氢氧化钠熔融火焰光度法；土壤有机碳含量测定采用重铬酸钾-外加热法；土壤铵态氮、硝态氮含量测定使用连续流动分析仪；土壤速效钾含量测定采用醋酸铵-火焰光度法；土壤速效磷含量测定采用钼锑抗比色法；土壤含水量测定使用PR2(英国Delta-T)水分管；土壤pH值测定使用电导率仪。

1.4 试验数据分析

土壤养分、pH值及含水量数据在Excel 2020中进行初步整理，用R软件进行单因素方差分析，并进行Duncan检验，显著性水平为α=0.05；数据可视化使用SigmaPlot14.0软件。

2 结果与分析

2.1 模拟降水对土壤pH值和含水量的影响

从图1可以看出，土壤pH值在增加自然降水100%处理下最高，与减少自然降水50%、自然降水呈显著差异(P<0.05)。图2显示，土壤体积含水量在减少自然降水50%处理下最低，与增加自然降水50%和增加自然降水100%处理呈显著差异(P<0.05)。

P1为减少自然降水量50%，P2为自然降水量，P3为增加自然降水量50%，P4为增加自然降水量100%；不同大写字母表示养分在不同降水处理间差异显著；下图同图1 模拟降水对土壤pH的影响

图2 模拟降水对土壤含水量的影响

2.2 模拟降水对土壤碳元素含量的影响

由图3可知，在4个不同降水处理下土壤有机碳含量随水分的增加呈上升趋势。在减少自然降水量50%处理下，土壤有机碳的含量最高，显著高于其他处理(P<0.05)；自然降水、增加自然降水量50%和增加自然降水量100%之间差异不显著。由图4可知，土壤全碳含量在减少自然降水量50%处理下最高，与增加自然降水量100%处理呈显著性差异(P<0.05)；在自然降水和增加自然降水50%处理下差异不显著。

图3 模拟降水对土壤有机碳含量的影响

图4 模拟降水对土壤全碳含量的影响

2.3 模拟降水对土壤氮元素含量的影响

由图5可知，在4个不同降水处理下土壤全氮含量随水分的增加呈下降趋势。土壤全氮含量在减少自然降水50%处理下最高，显著高于增加自然降水100%处理(P<0.05)；自然降水和增加自然降水50%之间差异不显著。由图6可知，在4个不同降水处理下土壤硝态氮含量随水分的增加呈下降趋势，土壤硝态氮含量在减少自然降水50%处理下最高，显著高于其他处理(P<0.05)；自然降水、增加自然降水50%和增加自然降水100%之间差异不显著。由图7可知，在4个不同降水处理下土壤铵态氮含量随水分的增加呈上升趋势，但差异不显著。

图5 模拟降水对土壤全氮含量的影响

图6 模拟降水对土壤硝态氮含量的影响

图7 模拟降水对土壤铵态氮含量的影响

2.4 模拟降水对土壤钾元素含量的影响

由图8可知，在4个不同降水处理下土壤全钾含量随水分的增加呈下降趋势，但差异不显著。由图9可知，土壤速效钾含量在4个不同降水处理间差异不显著。

图8 模拟降水对土壤全钾含量的影响

图9 模拟降水对土壤速效钾含量的影响

2.5 模拟降水对土壤磷元素含量的影响

由图10可知，在4个不同降水处理下土壤全磷含量随水分的增加呈下降趋势，但差异不显著。由图11可知，土壤速效磷含量在4个不同降水处理间差异不显著。

图10 模拟降水对土壤全磷含量的影响

图11 模拟降水对土壤速效磷含量的影响

3 讨论

土壤是草地植被生长发育最重要的营养库，为草地植物生长提供必要的营养物质，土壤中蕴含的各种营养元素是衡量土壤肥力的重要指标[5]。降水是荒漠草原土壤水分最主要的来源，它能改变土壤体积含水量。降水作为土壤养分运输的载体，对土壤各元素养分的可利用性以及土壤中碳、氮、磷、钾元素含量都产生了重要影响[6]。本试验结果表明，与自然降水相比，增加降水和减少降水均改变了土壤体积含水量，不同降水处理的处理效应十分显著。土壤pH值在增水100%处理下最高并显著高于其他处理，土壤pH与土壤含水量呈正相关，这与脱云飞对降水和pH的研究结论一致[7]，与魏金明[8]在内蒙古典型草原增水处理土壤pH值呈现显著升高趋势的研究结果一致。增加降水土壤pH增大，是由于随着降水的增加土壤中的酸性离子流失，致使土壤pH增大。土壤有机碳、全碳元素含量随着降水梯度的增加呈下降趋势，且土壤有机碳在减水50%处理下含量最高，这与刘海威在黄土高原区的研究一致[9]，这是由于减少降水会使土壤表层有机碳的分解速度下降[10～11]，进而促使有机碳在土壤表土层进行积累[12]。土壤全氮元素含量、硝态氮元素含量随着降水梯度的增加呈显著下降趋势，在减水50%处理下最高。Zhou对北方半干旱草地生态系统的研究发现[13]，通过增加降水会提高土壤中氮素的转移进而促进植物对氮素的吸收利用，土壤氮元素的含量与降水量呈正相关关系[14]。但水分过多会引起土壤氮元素淋溶，导致土壤氮元素含量降低[15]。尤其是硝态氮比铵态氮更容易随土壤淋溶丢失，所以会出现随着降水增加硝态氮含量大幅度减少的情况。土壤钾元素含量在降水处理下没有出现显著性差异，这可能是因为试验区钾元素含量十分充足[16]，未成为植物生长发育的限制因子，降水对钾元素含量没有造成显著性影响。土壤磷元素含量在降水处理下也没有出现显著性差异，这是因为磷是一种沉积性矿物质，磷元素主要来源于岩石风化以及植被凋落物分解[17]，因此短期的降水处理不能使土壤中的磷元素产生显著性变化。

4 结论

4.1降水处理首先影响荒漠草原的土壤体积含水量，进而影响土壤养分动态。

4.2土壤有机碳、全碳、全氮、硝态氮对短期增水的反馈较为明显，土壤中碳元素和氮元素含量与降水密切相关，减少降水能够积累更多的土壤碳元素、氮元素养分含量。

4.3增加100%的降水明显降低土壤碳元素、氮元素养分的含量，过高的降水量会导致养分淋溶，造成土壤养分流失。