于志慧， 吕广一， 王新雅， 徐学宝， 贾东璇， 王成杰*

(1. 内蒙古农业大学草原与资源环境学院， 内蒙古 呼和浩特 010011； 2. 内蒙古农业大学草地资源教育部重点实验室，内蒙古 呼和浩特 010011)

土壤养分影响着草原植物的生长和发育，是调控草原植物群落结构与功能的重要驱动力之一[1]；碳、氮元素在土壤中占有主要地位，是影响土壤养分循环与转化的重要元素，也是评价土壤肥力的重要指标。土壤有机碳(SOC)与土壤稳定碳同位素(δ13C)可以表征土壤碳库的大小及土壤碳库的动态输入与输出，对于评估草地生态系统碳平衡以及气候变暖的反馈都有着重要的意义。氮作为维持植物生命活动的必要元素之一，草地生态系中氮含量的变化已成为人们研究工作的热点，稳定氮同位素(δ15N)能有效阐明氮在草地生态系统中的输入、转化与输出。并且，利用稳定碳、氮同位素的示踪功能研究草地生态系统中碳氮循环、碳氮元素与环境的关系，已成为了解草地生态系统功能动态变化的重要研究手段[2-4]。

放牧是草地生态系统主要利用方式之一，在草地生态系统发展中扮演着重要的角色[5]。放牧家畜通过对植物茎叶的采食，抑制了植物营养物质的积累，进而影响植物生长发育[6]。草地植物退化会导致土壤发生退化，有研究发现过度放牧导致内蒙古荒漠草原有机碳含量降低，土壤空间异质性增高[7]；张林等[8]对不同放牧强度下荒漠草原土壤有机碳及其δ13C值分布特征研究，发现放牧强度越大，土壤SOC含量越低，土壤δ13C值越偏正；自由放牧相比，围封处理下内蒙古希拉穆仁荒漠草原土壤有机碳、全氮和土壤含水量显著增加，土壤状况得到了明显改善[9]。放牧家畜还会通过粪便排泄物和践踏等行为间接影响土壤含水量、温度、容重等土壤物理因子，这些因子的空间变化间接影响着草地植物组成与空间多样性，进而影响草地生态系统的生产力[10]。

本文通过对内蒙古希拉穆仁荒漠草原在不同放牧强度下0～50 cm土壤碳、氮元素的研究，系统的讨论土壤SOC，TN含量及土壤δ13C，δ15N组成对荒漠草原不同放牧强度的响应特征，探究荒漠草原不同放牧强度下土壤物理性质在0～50 cm土壤剖面上的变化规律及土壤温湿度与土壤碳、氮元素之间的关系。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区是在2014年建立的荒漠草原长期放牧实验平台(41°47′ N，111°53′ E)，位于内蒙古自治区包头市达茂旗希拉穆仁镇以南，占地26 hm2，海拔1 687 m。该区属于中温带半干旱大陆性季风气候，昼夜温差较大，年平均气温相对较低，年平均日照总时数3 200 h。每年7—9月为雨季，年平均降水量为285 mm，蒸发量为2 307 mm。

研究区设置无牧(No grazing，NG)、轻度放牧(Light grazing，LG)和重度放牧(Heavy grazing，HG)3个载畜率水平，放牧家畜为体重接近成年的蒙古马，分别为0，1，3匹，载畜率分别为0只羊单位·hm-2·月-1(NG)，0.58只羊单位·hm-2·月-1(LG)，1.74只羊单位·hm-2·月-1(HG)。1匹马=5个羊单位，放牧的蒙古马健康状况大致相同，体重为(350±50) kg，每个处理均设置3个重复，共9个样地，各样地的面积均为1.44 hm2。放牧时间为每年的6—9月，每月月初连续放牧5天，家畜夜晚不归牧，不进行补饲，早晚各饮一次水。

试验区土质粗糙，土壤类型为栗钙土，主要植物种有克氏针茅(Stipakrylovii)、短花针茅(StipabrevifloraGriseb.)、无芒隐子草(Cleistogenessongorica(Roshev.) Ohwi)、冷篙(ArtemisiafrigidaWilld.)、羊草(Leymuschinensis(Trin. ex Bunge) Tzvelev)、沙生冰草(Agropyrondesertorum(Fisch. ex Link) Schult.)等。

1.2 研究方法

1.2.1样品采集 2020年8月上旬在内蒙古希拉穆仁荒漠草原9个试验区内进行样品采集，试验区已经过6年的累计放牧效应，各样地草地植被群落和土壤特征分异明显。每个样地随机选择3个样点，使用内径为7 cm的土钻分5层(0～5，5～10，10～20，20～35，35～50 cm)取样，每一层取3钻混合均匀作为一个样品的重复，样品放在耐高温的采样袋标记后，带回实验室。在每个样点的5个土层中用容积为100 cm3的环刀取土，现场称重，计算样本净湿土重，以便后续测定土壤容重[11]。在取土过程中及时剔除石头根系等杂物，并用同层土壤替代。

1.2.2样品处理及测定 环刀带回实验室后，将环刀置于烘箱中烘干至恒重，称得烘干土及环刀重量，计算土壤重量及含水量。土壤容重由以下公式计算：

(1)

式中：M为环刀内净湿土重(g)，V为环刀容积(cm3)，W为每个环刀对应的土壤重量含水量(%)。

采样袋带回实验室后，放入烘箱在65℃下烘干48 h。先将采样袋中的样品过80目的筛子，再用0.5 mol·L-1的盐酸酸洗6次，每次酸洗后都要用超纯水反复淋洗(消除土壤中无机碳的影响)，65℃干燥至恒重后制成供试样品。土壤δ13C,δ15N及有机碳含量(SOC)、全氮含量(TN)用德国Elementar公司生产的isoprime100稳定同位素质谱仪连接元素分析仪(Vario Isotope Select)测定。土壤δ13C和δ15N由以下公式计算：

(2)

(3)

式中：R样品表示土壤样品13C/12C或15N/14N的值。R标准表示标准物，其中碳同位素采用国际通用标准物PDB(Pee Dee Belemnite)，氮同位素采用国际标准物N2-atm(大气中的氮气)。

1.3土壤剖面温度与含水量的测定 本研究采样点5个土层土壤温度、土壤含水量测定使用智熵系列全自动土壤温湿度监测仪(型号：YT-TDR-2)。全自动土壤温湿度监测仪通过传感器再设计和数据清洗算法实现高质量的数据输出。

1.4数据分析 通过Excel 2019对数据进行初步整理，对不同放牧强度、不同深度的土壤数据采用IBM SPSS Statistics 23进行单因素方差分析，结果表示为平均值±标准误，采用Sigmaplot 14.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同放牧强度对土壤物理性质和地上生物量的影响

由表1可知，3种放牧强度样地土壤容重在同一放牧强度不同土层表现出：NG样地土壤容重随土壤深度的增加呈现出先增大后减小的变化趋势，且35～50 cm土层显著低于5～10 cm土层土壤容重(P<0.05)，LG和HG样地各土层间土壤容重差异均不显著。同一土层不同放牧强度，0～20 cm土层上3种放牧强度下土壤容重差异均不显著；在20～50 cm土层上土壤容重的变化规律为：HG>LG>NG，且HG样地土壤容重显著高于NG样地(P<0.05)，说明HG显著增大了土壤容重。

同一放牧强度不同土层，在0～50 cm的垂直剖面上3种放牧强度下土壤含水量均呈现出随土壤深度的增加而减小的趋势，且0～5 cm土层土壤含水量均显著高于35～50 cm土层(P<0.05)。同一土层不同放牧强度，在0～5 cm土层3种放牧样地土壤含水量差异不显著；5～50 cm土层HG样地土壤含水量显著低于NG样地(P<0.05)，表明HG显著降低了土壤含水量(P<0.05,表1)。

在0～50 cm的垂直剖面上，同一放牧强度下各土层间土壤温度差异均不显著；同一土层不同放牧强度下土壤温度也无显著差异(表1)。

不同放牧强度下，3种放牧样地草地地上生物量的大小顺序为：NG>LG>HG；与NG和LG相比，HG显著降低了荒漠草原草地地上生物量(P<0.05,表1)。

表1 不同放牧强度下土壤物理性质随深度的变化Table 1 Variation of soil physical properties with depth at different grazing intensities

2.2 不同放牧强度对土壤SOC，TN，δ13C，δ15N的影响

内蒙古希拉穆仁荒漠草原，土壤SOC含量在整个剖面上变化范围为11.37～13.43 g·kg-1，NG样地土壤SOC含量显著高于LG和HG样地(P<0.05)。这表明在一定的放牧强度内，土壤SOC含量随着放牧强度的增大而减小(图1 a)。土壤TN含量在整个剖面上的变化范围为1.26～1.53 g·kg-1，大小顺序为NG(1.53 g·kg-1)>LG(1.32 g·kg-1)>HG(1.26 g·kg-1)，其中NG样地土壤TN含量显著高于HG样地(P<0.05)，说明HG显著降低了土壤TN含量(图1 b)。

土壤δ13C值随放牧强度的增加呈增大的趋势，但不同放牧强度对土壤δ13C值影响不显著。NG,LG和HG样地土壤δ13C值分别为-24.13‰，-23.94‰，-23.82‰，LG和HG样地土壤δ13C值分别比NG样地偏正0.19‰和0.36‰(图1 c)。土壤δ15N值与土壤δ13C的变化趋势相反，即NG(5.39‰)>LG(5.26‰)>HG(4.93‰)，其中NG样地土壤δ15N值显著高于HG样地(P<0.05)，说明放牧降低了土壤δ15N值(图1d)。

图1 不同放牧强度下土壤有机碳、全氮、稳定碳同位素、稳定氮同位素的变化Fig.1 Changes in soil organic carbon,total nitrogen,stable carbon isotopes and stable nitrogen isotopes under different grazing intensities注：不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)Note：Different lowercase letters indicate significant differences between treatments at the 0.05 level

2.3 不同放牧强度下土壤SOC，TN，δ13C，δ15N沿土壤剖面的变化特征

在0～50 cm土壤SOC含量变化均表现为：NG>LG>HG，其中HG样地5～10 cm土层土壤SOC含量土壤显著低于NG样地(P<0.05)。在土壤的垂直剖面上，NG和LG样地土壤SOC含量随土壤深度的增呈现先增加后减小的单峰变化趋势，在5～10 cm土层达到最大，随后减小。HG样地土壤SOC含量随土壤深度的增大而减小(表2)。

在0～50 cm的垂直剖面上，3种放牧样地土壤δ13C值均随土壤深度的增加而增大，其变化范围为：-24.77‰～-23.74‰(NG)，-24.44‰～-23.71‰(LG)，-24.33‰～-23.51‰(HG)，且3种放牧强度下10～50 cm土层土壤δ13C值均显著高于0～5 cm土层土壤δ13C值(P<0.05)。此外，5个土层中HG样地土壤δ13C值均高于NG和LG样地，其中，HG样地0～5 cm土层土壤δ13C值显著高于NG和LG样地(P<0.05,表2)。

表2 不同放牧强度下土壤SOC、δ13C随深度的变化Table 2 Variation of soil SOC and δ13C with depth at different grazing intensities

5个土层土壤TN含量均表现为：NG>LG，HG，其中LG和HG样地5～10 cm处土壤TN含量显著低于NG样地(P<0.05)。3种放牧强度下土壤TN含量在垂直剖面上的变化规律均表现为：先随剖面深度的增加而增大，至5～10 cm达到最大，随后随剖面深度的增大而减小。这与土壤SOC含量在NG和LG样地沿土壤剖面变化规律一致(表3)。

在0～50 cm的垂直剖面内，3种放牧样地土壤δ15N值均随土壤深度的增加而增大，其变化范围为：4.47‰～6.06‰(NG)，4.18‰～5.79‰(LG)，3.93‰～5.53‰(HG)，且NG样地10～50 cm土层土壤δ15N值显著高于0～5 cm土层土壤δ15N值(P<0.05)。此外，在0～50 cm土层HG样地土壤δ15N值均低于NG和LG样地，在5～10 cm土层HG样地土壤δ15N值显著低于NG和LG样地(P<0.05,表3)。

表3 不同放牧强度下土壤TN、δ15N随深度的变化Table 3 Variation of soil TN and δ15N with depth under different grazing intensities

2.4 土壤温度和含水量与土壤SOC，TN，δ13C，δ15N的关系

将不同放牧处理下全部深度土壤SOC含量和土壤δ13C值与其相对应的土壤含水量和土壤温度进行线性回归。结果表明，土壤δ13C值与土壤含水量存在显著的线性负相关关系(P<0.05，R2=0.307，图2 a)，土壤δ13C值与土壤含水量的回归方程为y=﹣0.065x-23.335，说明土壤含水量越高，土壤δ13C值越小。土壤δ13C值与土壤温度存在极显著的线性正相关关系(P<0.01，R2=0.650，图2b)，土壤δ13C值与土壤温度的回归方程为y=0.432x-30.327，即土壤δ13C值随着土壤温度的升高而增大。

土壤SOC含量与土壤含水量存在极显著的线性正相关关系(P<0.01，R2=0.445，图2c)，土壤SOC值与土壤含水量的回归方程为y=0.617x+6.238，说明土壤含水量越高，土壤SOC含量越大。但土壤SOC含量与土壤温度线性相关关系不显著(R2=0.002，图2d)。

图3显示，土壤δ15N值与土壤含水量无显著相关关系，与土壤温度存在线性正相关关系(R2=0.230，图3b)，但未达到显著水平。

图3 土壤全氮含量、土壤稳定氮同位素与土壤含水量、温度的关系Fig.3 Relationship between soil total nitrogen content,soil stable nitrogen isotopes and soil water content and temperature

土壤TN含量与土壤含水量呈显著正相关关系(P<0.05，R2=0.423，图2c)，土壤TN含量与土壤含水量回归方程为y=0.072x-0.693。土壤TN含量与土壤温度无显著相关关系。

图2 土壤有机碳、土壤稳定碳同位素与土壤含水量、温度的关系Fig.2 Relationship between soil organic carbon,soil stable carbon isotopes and soil water content and temperature

3 讨论

3.1 不同放牧强度对土壤物理性质和地上生物量的影响

土壤容重是承担草地植被水分和空气供应的重要场所，也是衡量草地土壤退化的重要指标之一，对家畜的踩踏活动尤为敏感[7]。对NG，LG，HG 3种放牧强度下土壤理化性质指标进行研究，发现HG显著增大了20～50 cm土层的土壤容重。土壤含水量表现出与土壤容重相反的变化趋势，即HG显著减小了5～50 cm土层的土壤含水量。HG显著降低了草地地上生物量，其原因主要有以下两个方面：HG增大了家畜对土壤的践踏，使土壤孔隙度减小，土壤紧实度增大；在HG强度下家畜对草地植被的采食程度加剧[12]，草地地上生物量降低，进而减少了土壤覆盖层，增加了阳光的穿透，加速了土壤水分的蒸发。使原本适于土壤微生物生存的环境发生恶化，草原土壤养分减少。朱国栋等[9]在荒漠草原对土壤理化性质的研究也体现了相似的研究结果。

3.2 不同放牧强度对土壤SOC和TN的影响

土壤SOC，TN含量不但影响植物生长发育和土壤肥力，而且是影响有机质分解的重要因素。本研究中，土壤SOC，TN含量随着放牧强度的增大而减小(图1a,1b)，这与前人[13]在半荒漠草地生态系统的研究结果一致。随着放牧强度的增大，家畜对草地的采食与践踏程度加剧，导致草地植物的地上生物量减少，草地初级生产力降低，外部氮源供给及地下碳输入减少[14]，使土壤SOC，TN含量降低。

在草地生态系统中，植物凋落物、动植物和微生物残体及植物根系分泌物都是土壤有机质的重要来源。在同一气候条件下，放牧是导致草地SOC，TN在同一剖面深度含量不同的主要原因[15]。一般认为，表层土壤具有良好的通气状况，水热条件也适合土壤微生物存活，植物凋落物和植被根系分泌物又为土壤提供了丰富的碳、氮来源，促使土壤SOC，TN主要富集于土壤表层[16-18]。本研究中：NG和LG样地土壤SOC，TN含量在0～50 cm的剖面上呈先增加后减少的单峰变化趋势，在5～10 cm处土壤SOC，TN含量最高，这与前人对土壤SOC，TN在垂直剖面上研究的结果较为相似[9，19-20]。表2和表3结果显示HG样地土壤SOC，TN含量在剖面上随着土壤深度的增大而减小，表层土壤(0～5 cm)SOC，TN含量最高。其主要原因是HG条件下表层土壤(0～5 cm)受家畜活动影响最强，连续多年HG会导致植物根系浅层化[7]；放牧家畜一方面通过采食抑制植物光合作用，降低草地地上生产力，使生态系统中流入地下的能量减少，进而限制SOC，TN的输入；另一方面家畜的尿液和粪便通过挥发和淋溶作用向土壤归还一部分碳、氮，进而导致HG样地表层土壤SOC，TN的含量增加，其他土层SOC，TN含量随深度的增加而减小[8]。蔡晓布[21]也曾指出长期过度放牧会导致草地土壤肥力下降。HG不但会影响草原土壤碳、氮储量，改变其循环周期，而且打破了草地生态系统土壤碳、氮的动态平衡[5]。这使荒漠草原的生态环境更加脆弱，最终导致荒漠草原发生进一步退化。

相关分析结果显示土壤含水量与土壤SOC含量呈极显著正相关关系(P<0.01)，与土壤TN含量呈显著正相关关系(P<0.05)。土壤含水量提高一方面促进了植物根系发育和植物生长，有利于凋落物回归土壤，益于土壤有机质的形成与积累；另一方面通过减少土壤含氧量，降低土壤微生物活性改变土壤呼吸速率和氮矿化速率[22]，进而增大土壤SOC，TN的含量(图2，图3)。

3.3 不同放牧强度对土壤δ13C值和δ15N值的影响

不同放牧强度下草地植被发育状况直接影响有机质来源及组成，致使土壤δ13C值分布出现差异。本研究发现，土壤δ13C值随放牧强度的增加呈增大的趋势(图1c)。张林等[8]在内蒙古乌兰察布荒漠草原也有相似发现，其原因可能是：家畜的践踏作用加速了凋落物的碎屑化程度及表层土壤有机质的分解，而凋落物和土壤有机质在土壤微生物的作用下会发生同位素分馏。微生物生长繁殖过程中优先利用贫化13C的有机碳组分，留下富集13C的有机碳组分形成土壤有机碳，使LG和HG样地土壤相对于NG样地具有较高的δ13C值[23]。另外由于放牧会减少草地植被覆盖度及生物量，使凋落物和草地初级生产力降低，进而阻碍了土壤中有机碳的积累。土壤有机碳中富含新近形成的12C对老土中富含13C的“稀释”程度降低[8]，导致LG和HG样地土壤δ13C值升高。此外，在0～50 cm的土壤剖面上，3种放牧强度下样地土壤δ13C值均随土壤深度的增加而增大。造成这种现象有如下原因：(1)13C修斯效应自工业革命以来，化石燃料燃烧产生大量贫化13C的CO2，导致13C贫化的有机物积累在土壤表层，年龄较大的深层土壤比表层土壤拥有更高的δ13C值[24]。(2)植物的碳同位素值比根系低1～2‰，造成深层土壤δ13C值高于表层土壤[25]。(3)同位素动力学分馏与重同位素相比，轻同位素结合键容易断裂更易在产物中富集[8]。微生物在分解、利用土壤有机质的过程中，由呼吸代谢释放的CO2中12C占比较多，从而导致更多的13C富集于微生物碳库，最终返还给土壤中，使土壤δ13C值升高[24]。大多学者认为微生物分解土壤有机碳是造成土壤δ13C值随深度增加而增大的主要原因[8，24-25]。

土壤含水量与土壤δ13C值呈显著负相关(P<0.05)，植物叶片凋落物是土壤有机碳的重要来源，而叶片与年均降水量呈显著负相关[26]，因此土壤δ13C值会反映叶片δ13C。土壤温度与土壤δ13C值呈极显著正相关(P<0.01)，土壤温度主要通过影响土壤微生物活性而改变土壤δ13C值，而且土壤有机碳的周转时间随着温度的增加而减少[27]，即高温促进土壤有机质的分解。这与前人[28]在青藏高原地区对土壤δ13C组成研究结果相悖，可见温度对土壤稳定碳同位素组分产生的复杂调控是不可忽视的。

本研究结果显示，随着放牧强度的增加土壤δ15N值减小。由于放牧降低了土壤微生物活性，有机质分解速率降低，矿化作用和硝化作用在转化过程中可利用的底物减少，土壤氮分馏作用减小[29]，故而土壤δ15N值随放牧强度的增大而减小。土壤δ15N值随土壤深度的增加而增大，吕广一[30]和熊鑫等[31]人也有相似研究结果。由于表层土壤中有15N贫化的凋落物和植物残体输入，导致表层土壤δ15N值较低；在微生物分解的作用下，土壤有机质中较轻的14N流失，剩余15N富集[29]，并且在微生物同化有机质的过程中会产生15N富集的微生物和微生物残体，故随着时间的推移15N富集的微生物氮源在深层土壤中累积[31]。

4 结论

本文通过对不同放牧强度下0～50 cm土壤有机碳、全氮含量及稳定碳、氮同位素组成研究，发现重度放牧下土壤有机碳、全氮含量显著低于无牧和轻度放牧，重度放牧阻碍了土壤有机质的积累，并显著增大了0～5 cm土壤稳定碳同位素值，降低了5～10 cm土壤稳定氮同位素值；随土壤深度增加，3种放牧强度样地均表现出土壤有机碳、全氮含量减小，土壤稳定碳同位素值增大，土壤稳定氮同位素值降低的趋势。随放牧强度增加，草地地上生物量显著降低，土壤容重增大，土壤含水量急剧下降。相关分析显示土壤含水量与土壤δ13C值呈显著负相关，与土壤SOC，TN含量呈显著正相关；土壤温度与土壤δ13C值呈极显著正相关。