Effects of different restorative measures on soil carbon and nitrogen and their component fractions in a degraded desert steppe

doi:10.11686/cyxb2020517

Abstract

Abstract:

This research investigated the impact of three restorative measures on soil carbon and nitrogen fractions in historically overgrazed desert steppe grassland in Yanchi County， Ningxia. The restorative measures investigated were deep tillage+reseeding （SR）， shallow tillage+reseeding （QR） and grazing exclusion （i.e. enclosure）（F）. Traditional grazing was taken as the control （CK）. Measurements made included soil organic carbon （SOC）， total nitrogen （TN）， particulate organic carbon （POC）， readily oxidizable organic carbon （ROC）， microbial biomass carbon （MBC）， nitrate nitrogen （NO₃^--N）， ammonium nitrogen （NH₄⁺-N） and microbial biomass nitrogen （MBN） for the 0-10 cm， 10-20 cm， 20-30 cm and 30-40 cm soil layers. It was found that： 1） For the QR treatment， soil SOC content （5.50-9.93 g·kg^-1）， soil TN content （0.17-0.23 g·kg^-1）， soil ROC content （0.53-0.99 g·kg^-1） and soil MBN content （62.82-73.20 mg·kg^-1） were generally higher than in other treatments. 2） Soil MBC content （386.00-481.80 mg·kg^-1） and the proportions of each component of carbon and nitrogen in SOC and TN were generally higher in the F treatment. 3） Soil POC， NH₄⁺-N and NO₃^–-N contents were decreased under the various restorative treatments compared with the CK treatment. 4） The contents of POC， NH₄⁺-N and NO₃^--N in each soil horizon were also decreased under the various restorative measures， compared with the CK treatment. Correlation analysis showed that SOC content was significantly positively correlated with TN and ROC content （P<0.01）， and significantly negatively correlated with MBC content （P<0.05）. Based on soil carbon and nitrogen fixation and preservation data， shallow tillage+reseeding was the most effective restorative measure for the degraded desert steppes in this study.

Key words: restoration measurements, soil organic carbon, soil total nitrogen, soil carbon and nitrogen fractions

Xing WANG, Shuang YU, Dong-mei XU, Ke-chen SONG. Effects of different restorative measures on soil carbon and nitrogen and their component fractions in a degraded desert steppe[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2022, 31(1): 26-35.

Figures/Tables 6

References 48

1	Elser J J， Fagan W F， Kerkhoff A J， et al. Biological stoichiometry of plant production： Metabolism， scaling and ecological response to global change. New Phytologist， 2010， 186： 593-608.
2	Li J P， Ma H B， Xie YZ， et al. Deep soil C and N pools in long-term fenced and overgrazed temperate grasslands in Northwest China. Scientific Reports， 2019， 9（1）： 16088-16099.
3	Teague W R， Foy J K， Cross B T， et al. Soil carbon and nitrogen changes following root-plowing of rangeland. Journal of Range Management， 2020， 52（6）： 666-670.
4	Dong Y Z， Wang Y L， Zhang J J， et al. Soil carbon and nitrogen storage of different land use types in northwestern Shanxi Loess Plateau. Journal of Applied Ecology， 2014， 25（4）： 955-960.
	董云中，王永亮，张建杰，等. 晋西北黄土高原丘陵区不同土地利用方式下土壤碳氮储量. 应用生态学报， 2014， 25（4）： 955-960.
5	Qi X， Jiang C S， Hao Q J， et al. Effects of different land uses on soil active organic carbon and nitrogen fractions in Jinyun Mountain. Environmental Science， 2015， 36（10）： 3816-3824.
	祁心，江长胜，郝庆菊，等. 缙云山不同土地利用方式对土壤活性有机碳、氮组分的影响. 环境科学， 2015， 36（10）： 3816-3824.
6	Halvorson A D， Jantalia C P. Nitrogen fertilization effects on irrigated no-till corn production and soil carbon and nitrogen. Agronomy Journal， 2011， 103（5）： 1423-1433.
7	Chan K Y， Heenan D P， Oates A. Soil carbon fractions and relationship to soil quality under different tillage and stubble management. Soil and Tillage Research， 2002， 63（3/4）： 133-139.
8	Giulia B， Else K B， Chidinma U O， et al. Sensitivity of labile carbon fractions to tillage and organic matter management and their potential as comprehensive soil quality indicators across pedoclimatic conditions in Europe. Ecological Indicators， 2019， 99： 38-50.
9	Hao S， Ping Z， Zhu Z Y， et al. Loss of labile organic carbon from subsoil due to land-use changes in subtropical China. Soil Biology and Biochemistry， 2015， 88： 148-157.
10	Cooper J， Baranski M， Stewart G， et al. Shallow non-inversion tillage in organic farming maintains crop yields and increases soil C stocks： A meta-analysis. Ecological Engineering， 2016， 94： 22-29.
11	Toenshoff T， Joergensen R G， Stuelpnagel R， et al. Dynamics of soil organic carbon fractions one year after the re-conversion of poplar and willow plantations to arable use and perennial grassland. Agriculture， Ecosystems and Environment， 2013， 174： 21-27.
12	He M， Wang Y C， Wang L G， et al. Effects of subsoiling combined with fertilization on the fractions of soil active organic carbon and soil active nitrogen， and enzyme activities in black soil in Northeast China. Acta Pedologica Sinica， 2020， 57（2）： 446-456.
	贺美，王迎春，王立刚，等. 深松施肥对黑土活性有机碳氮组分及酶活性的影响. 土壤学报， 2020， 57（2）： 446-456.
13	Matias E D， Juan A G， Juan M M， et al. Sensitivity of different soil quality indicators to assess sustainable land management： Influence of site features and seasonality. Soil and Tillage Research， 2016， 159： 9-22.
14	Abid M， Lal R. Tillage and drainage impact on soil quality： Aggregate stability， carbon and nitrogen pools. Soil and Tillage Research， 2008， 100（1/2）： 89-98.
15	Liu E， Teclemariam S G， Yan C R， et al. Long-term effects of no-tillage management practice on soil organic carbon and its fractions in the Northern China. Geoderma， 2014， 213： 379-384.
16	Wang W Y， Wang Q J， Wang C T， et al. The effect of land management on carbon and nitrogen status in plants and soil of alpine meadows on the Tibetan Plateau. Land Degradation and Development， 2005， 16： 405-415.
17	Xu D M， Xu X Z， Wang G H， et al. Variations in soil organic carbon content and distribution during natural restoration succession on the desert steppe in Ningxia. Acta Prataculturae Sinica， 2017， 26（8）： 35-42.
	许冬梅，许新忠，王国会，等. 宁夏荒漠草原自然恢复演替过程中土壤有机碳及其分布的变化. 草业学报， 2017， 26（8）： 35-42.
18	Shen Y， Liu C F， Ma H B， et al. Response of a soil seed bank to modes of grassland management on a desert steppe. Acta Ecologica Sinica， 2015， 35（14）： 4725-4732.
	沈艳，刘彩凤，马红彬，等. 荒漠草原土壤种子库对草地管理方式的响应. 生态学报， 2015， 35（14）： 4725-4732.
19	Guo Y J， Ma X J， Yu S， et al. Effects of reseeding on soil organic carbon content and its distribution in degraded desert steppes. Acta Agrestia Sinica， 2019， 27（2）： 315-319.
	郭艳菊，马晓静，于双，等. 补播对退化荒漠草原土壤有机碳及其分布的影响. 草地学报， 2019， 27（2）： 315-319.
20	Song N P， Yang X G， He X Z， et al. Soil nutrient effect of desert steppe reconstructed by artificial Caragana microphylla stand. Bulletin of Soil and Water Conservation， 2012， 32（4）： 21-26.
	宋乃平，杨新国，何秀珍，等. 荒漠草原人工柠条林重建的土壤养分效应. 水土保持通报， 2012， 32（4）： 21-26.
21	Tao L B， Yu S， Wang G H， et al. Effects of enclosure on characteristics and stability of vegetation community of desert steppe in sandy area of Eastern Ningxia. Chinese Journal of Grassland， 2018， 40（2）： 67-74.
	陶利波，于双，王国会，等. 封育对宁夏东部风沙区荒漠草原植物群落特征及其稳定性的影响. 中国草地学报， 2018， 40（2）： 67-74.
22	Wang X， Song N P， Yang X G， et al. Redundancy analysis of soil and vegetation of recovered grassland on abandoned land in the desert steppe. Acta Prataculturae Sinica， 2014， 23（2）： 90-97.
	王兴，宋乃平，杨新国，等. 荒漠草原弃耕恢复草地土壤与植被的RDA分析. 草业学报， 2014， 23（2）： 90-97.
23	Liu R T， Chai Y Q， Xu K， et al. Variations of ground vegetation and soil properties during the growth process of artificial sand-fixing Caragana intermedia plantations in desert steppe. Chinese Journal of Applied Ecology， 2012， 23（11）： 2955-2960.
	刘任涛，柴永青，徐坤，等. 荒漠草原区柠条人工固沙林生长过程中地表植被-土壤的变化. 应用生态学报， 2012， 23（11）： 2955-2960.
24	Wang G H， Wang J J， Tao L B， et al. Effects of enclosure on soil aggregate distribution and stability of desert steppe in Ningxia. Acta Agrestia Sinica， 2017， 25（1）： 76-81.
	王国会，王建军，陶利波，等. 围封对宁夏荒漠草原土壤团聚体组成及其稳定性的影响. 草地学报， 2017， 25（1）： 76-81.
25	Wang K， Deng L， Ren Z P， et al. Grazing exclusion significantly improves grassland ecosystem C and N pools in a desert steppe of Northwest China. Catena， 2016， 137： 441-448.
26	Li G Q， Zhao P P， Shao W S， et al. Studies on the soil physical and chemical properties and enzyme activities of two fenced plant communities in desert steppe grassland. Acta Prataculturae Sinica， 2019， 28（7）： 49-59.
	李国旗，赵盼盼，邵文山，等. 围封条件下荒漠草原两种植物群落土壤理化性状与酶活性的研究. 草业学报， 2019， 28（7）： 49-59.
27	Cambarrdella C A， Elliott E T. Carbon and nitrogen distribution in aggregates from cultivated and native grassland soils. Soil Science Society of America Journal， 1993， 57（4）： 1071-1076.
28	Yi Y L. Soil physical research. Beijing： Beijing University Press， 2009.
	依艳丽. 土壤物理研究法. 北京：北京大学出版社， 2009.
29	Bao S D. Soil agrochemical analysis. Beijing： China Agriculture Press， 2008.
	鲍士旦. 土壤农化分析. 北京：中国农业出版社， 2008.
30	Lu R K. Soil agricultural chemical analysis method. Beijing： China Agricultural Science and Technology Press， 2000.
	鲁如坤. 土壤农业化学分析方法. 北京：中国农业科技出版社， 2000.
31	Benbi D K， Brar K， Toor A S， et al. Total and labile pools of soil organic carbon in cultivated and undisturbed soils in Northern India. Geoderma， 2015， 237： 149-158.
32	Wu L G， Liu Z H， Zhang L， et al. Effects of artificial grassland establishment on soil nutrients and carbon properties in a black-soil-type degraded grassland. Plant and Soil， 2010， 33（1/2）： 469-479.
33	Liu S， Wang Y， Liu B B， et al. Effects of different land management practices on soil carbon and nitrogen， enzyme activities， and microbial diversities Northwest of Shanxi. Acta Ecologica Sinica， 2019， 39（12）： 4376-4389.
	刘爽，王雅，刘兵兵，等. 晋西北不同土地管理方式对土壤碳氮、酶活性及微生物的影响. 生态学报， 2019， 39（12）： 4376-4389.
34	Liang C， Schimel J P， Jastrow J D. The importance of anabolism in microbial control over soil carbon storage. Nature Microbiology， 2017， 64： 105-117.
35	Yang Y， Liu A J， Li L H， et al. Effects of different disturbance types on plant species composition and functional group characteristics of typical steppe in Inner Mongolia， China. Chinese Journal of Applied Ecology， 2016， 27（3）： 794-802.
	杨勇，刘爱军，李兰花，等. 不同干扰方式对内蒙古典型草原植物种组成和功能群特征的影响. 应用生态学报， 2016， 27（3）： 794-802.
36	Liu B， Wu N， Luo P， et al. Characteristics of soil nutrient distribution in high-altitude meadow ecosystems with different management and degradation scenarios. Chinese Journal of Eco-Agriculture， 2007（4）： 45-48.
	刘兵，吴宁，罗鹏，等. 草场管理措施及退化程度对土壤养分含量变化的影响. 中国生态农业学报， 2007（4）： 45-48.
37	Sun G， Wu N， Luo P. Effects of different management measures on soil nitrogen and carbon characteristics of grassland in Northwestern Sichuan. Chinese Journal of Plant Ecology， 2005（2）： 304-310.
	孙庚，吴宁，罗鹏. 不同管理措施对川西北草地土壤氮和碳特征的影响. 植物生态学报， 2005（2）： 304-310.
38	Li Y Q， Huo Y S， Zhao Y A， et al. Effects of different measures for improving degraded grassland on the soil carbon and nitrogen stocks in steppe of Inner Mongolia. Chinese Journal of Grassland， 2016， 38（5）： 91-95.
	李雅琼，霍艳双，赵一安，等. 不同改良措施对退化草原土壤碳、氮储量的影响. 中国草地学报， 2016， 38（5）： 91-95.
39	Jiang D M， He S F， Cao C Y， et al. Effect of reseeding with rake on soil physical and chemical properties and biological activity of Alkalized grassland. Chinese Journal of Grassland， 2006（4）： 18-23.
	蒋德明，贺山峰，曹成有，等. 翻耙补播对科尔沁碱化草地土壤理化性质和生物活性的影响. 中国草地学报， 2006（4）： 18-23.
40	Xiao Y， Huang Z G， Wu H T， et al. Compositions and contents of active organic carbon in different wetland soils in Sanjiang Plain， Northeast China. Acta Ecologica Sinica， 2015， 35（23）： 7625-7633.
	肖烨，黄志刚，武海涛，等. 三江平原不同湿地类型土壤活性有机碳组分及含量差异. 生态学报， 2015， 35（23）： 7625-7633.
41	Yin Y L， Wang Y Q， Li S X， et al. Effects of enclosing on soil microbial community diversity and soil stoichiometric characteristics in a degraded alpine meadow. Chinese Journal of Applied Ecology， 2019， 30（1）： 127-136.
	尹亚丽，王玉琴，李世雄，等. 围封对退化高寒草甸土壤微生物群落多样性及土壤化学计量特征的影响. 应用生态学报， 2019， 30（1）： 127-136.
42	Yang J， Sun Z J， Yang H L， et al. Effects of enclosure period on carbon and nitrogen characteristics and components of soil organic carbon in Artemisia desert. Pratacultural Science， 2016， 33（4）： 564-572.
	杨静，孙宗玖，杨合龙，等. 封育年限对蒿类荒漠土壤有机碳组分及其碳、氮特征的影响. 草业科学， 2016， 33（4）： 564-572.
43	Han C C， Yang Y， Liu B R， et al. The effect of enclosure years on soil organic carbon， total nitrogen， total phosphorus and microbial biomass carbon and nitrogen in desert steppe. Jiangsu Agricultural Sciences， 2017， 45（16）： 260-263.
	韩丛丛，杨阳，刘秉儒，等. 围封年限对荒漠草原土壤有机碳、全氮、全磷与微生物量碳、氮等的影响. 江苏农业科学， 2017， 45（16）： 260-263.
44	Johannes M， Knops H， Tilman D. Dynamics of soil nitrogen and carbon accumulation for 61 years after agricultural abandonment. Ecology， 2020， 81（1）： 88-98.
45	Bai Y X， Sheng M Y， Hu Q J， et al. Effects of land use change on soil organic carbon and its components in Karst rocky desertification of Southwest China. Chinese Journal of Applied Ecology， 2020， 31（5）： 1607-1616.
	白义鑫，盛茂银，胡琪娟，等. 西南喀斯特石漠化环境下土地利用变化对土壤有机碳及其组分的影响. 应用生态学报， 2020， 31（5）： 1607-1616.
46	Martinsen V， Mulder J， Austrheim G， et al. Carbon storage in low-alpine grassland soils： Effects of different grazing intensities of sheep. European Journal of Soil Science， 2011， 62： 822-833.
47	Liao S X， Ren Y T， Yuan X B， et al. Effect of enclosure on soil ammonium nitrogen and nitrate nitrogen of grassland in the Loess Plateau. Pratacultural Science， 2016， 33（6）： 1044-1053.
	廖圣祥，任运涛，袁晓波，等. 围封对黄土高原草地土壤铵态氮和硝态氮的影响. 草业科学， 2016， 33（6）： 1044-1053.
48	Wang F F， Xu H， Li T， et al. Effects and mechanisms of grazing on key processes of soil nitrogen cycling in grassland： A review. Chinese Journal of Applied Ecology， 2019， 30（10）： 3277-3284.
	王芳芳，徐欢，李婷，等. 放牧对草地土壤氮素循环关键过程的影响与机制研究进展. 应用生态学报， 2019， 30（10）： 3277-3284.

处理 Treatments	土壤水稳性大团聚体含量 Content of soil wet aggregates （%）	土壤容重 Soil bulk density （g·cm^-3）	土壤含水量 Soil moisture content （%）	植被盖度 Vegetation coverage （%）	地上生物量 Aboveground biomass （g·m^-2）	Shannon-Wiener指数Shannon-Wiener index
CK	16.37±0.04	1.13±0.02	3.65±0.07	42.00	55.50	1.43
SR	10.19±0.02	1.48±0.03	7.59±0.06	53.70	98.50	2.54
QR	22.41±0.02	1.41±0.02	7.89±0.04	69.00	82.40	2.61
F	11.21±0.04	1.47±0.02	2.97±0.03	59.30	87.20	1.56

处理 Treatments	土壤水稳性大团聚体含量 Content of soil wet aggregates （%）	土壤容重 Soil bulk density （g·cm^-3）	土壤含水量 Soil moisture content （%）	植被盖度 Vegetation coverage （%）	地上生物量 Aboveground biomass （g·m^-2）	Shannon-Wiener指数Shannon-Wiener index
CK	16.37±0.04	1.13±0.02	3.65±0.07	42.00	55.50	1.43
SR	10.19±0.02	1.48±0.03	7.59±0.06	53.70	98.50	2.54
QR	22.41±0.02	1.41±0.02	7.89±0.04	69.00	82.40	2.61
F	11.21±0.04	1.47±0.02	2.97±0.03	59.30	87.20	1.56

项目Items	土层深度Soil depth （cm）	CK	SR	QR	F
有机碳含量Content of soil organic carbon （SOC）	0~10	3.22±0.20b	3.74±0.25b	5.50±0.82a	3.27±0.11b
	10~20	3.65±0.06b	3.61±0.21b	6.17±1.68a	3.62±0.59b
	20~30	8.45±0.65b	5.75±0.97c	9.93±2.73a	3.75±0.55d
	30~40	11.72±0.52a	7.99±0.99a	9.63±1.35a	7.40±2.79a
全氮含量Content of total nitrogen （TN）	0~10	0.09±0.00c	0.14±0.02ab	0.18±0.00a	0.11±0.01bc
	10~20	0.10±0.01b	0.11±0.00b	0.23±0.02a	0.10±0.00b
	20~30	0.21±0.03a	0.22±0.04a	0.19±0.02ab	0.11±0.01b
	30~40	0.16±0.01b	0.22±0.03a	0.17±0.02b	0.17±0.01b

项目Items	土层深度Soil depth （cm）	CK	SR	QR	F
有机碳含量Content of soil organic carbon （SOC）	0~10	3.22±0.20b	3.74±0.25b	5.50±0.82a	3.27±0.11b
	10~20	3.65±0.06b	3.61±0.21b	6.17±1.68a	3.62±0.59b
	20~30	8.45±0.65b	5.75±0.97c	9.93±2.73a	3.75±0.55d
	30~40	11.72±0.52a	7.99±0.99a	9.63±1.35a	7.40±2.79a
全氮含量Content of total nitrogen （TN）	0~10	0.09±0.00c	0.14±0.02ab	0.18±0.00a	0.11±0.01bc
	10~20	0.10±0.01b	0.11±0.00b	0.23±0.02a	0.10±0.00b
	20~30	0.21±0.03a	0.22±0.04a	0.19±0.02ab	0.11±0.01b
	30~40	0.16±0.01b	0.22±0.03a	0.17±0.02b	0.17±0.01b

处理 Treatments	颗粒有机碳比例POC/SOC	易氧化有机碳比例ROC/SOC	微生物量碳比例MBC/SOC	铵态氮比例 NH₄⁺-N/TN	硝态氮比例 NO₃^--N/TN	微生物量氮比例MBN/TN
CK	29.54±3.51b	8.96±0.41b	0.75±0.12b	11.23±1.50a	3.65±0.59a	43.60±5.67ab
SR	18.34±2.38c	12.85±0.73a	0.74±0.06b	6.59±0.92b	1.49±0.27b	35.65±3.90b
QR	12.54±1.53d	9.44±0.77b	0.51±0.07b	5.50±0.48b	1.48±0.24b	36.75±2.20b
F	38.65±4.52a	14.64±1.55a	1.14±0.13a	7.14±0.48b	1.34±0.20b	48.08±3.28a