賀蘭山不同海拔土壤顆粒有機(jī)碳、氮特征

楊益，牛得草＊，文海燕，張寶林，董強(qiáng)，陳菊蘭，傅華

（1.蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院 草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點(diǎn)實驗室，甘肅 蘭州730020；2.內(nèi)蒙古阿拉善盟草原總站，內(nèi)蒙古 巴彥浩特750306；3.內(nèi)蒙古阿拉善盟畜牧研究所，內(nèi)蒙古 巴彥浩特750306）

＊土壤表層（0～1m土層）有機(jī)碳庫大約有1 550Pg（1Pg＝1015g），其儲量大約是大氣碳庫的3倍，生物有機(jī)體碳庫的3.8倍，為地球表層最大的有機(jī)碳庫，因此，土壤表層有機(jī)碳庫變化在全球碳循環(huán)中起著關(guān)鍵作用［1，2］。土壤有機(jī)碳的降解及其遷移過程是一個極其復(fù)雜的生物、物理和化學(xué)過程，對有機(jī)質(zhì)組分進(jìn)行定量化估算，并且研究其碳氮含量的變化，有助于進(jìn)一步了解土壤碳周轉(zhuǎn)的基本特征［3］?；瘜W(xué)分析方法將土壤有機(jī)碳分為胡敏酸（包括胡敏素）和富里酸，對認(rèn)識土壤有機(jī)質(zhì)化學(xué)組成起到很大作用，但由于此方法對土壤有機(jī)質(zhì)原狀結(jié)構(gòu)有破壞性，所以分離的有機(jī)碳組分不能解釋土壤有機(jī)碳庫的穩(wěn)定性［4］。應(yīng)用物理分組方法對有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)破壞程度極小，分離的有機(jī)碳組分能夠反映原狀有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能，尤其反映有機(jī)質(zhì)周轉(zhuǎn)特征［5］，所以這種方法在土壤有機(jī)碳的研究中受到更多的重視。物理分組方法獲得的顆粒有機(jī)質(zhì)部分，是指與沙粒（53～2 000μm）結(jié)合的有機(jī)碳部分，周轉(zhuǎn)期5～20年，屬于有機(jī)質(zhì)中慢庫，其有機(jī)碳主要來源于分解速度中等的植物殘體分解產(chǎn)物［6］。一些研究者［4，7，8］應(yīng)用物理分組方法研究了不同土地利用方式對土壤碳庫穩(wěn)定性的影響及機(jī)制，結(jié)果表明，土壤碳庫的穩(wěn)定性主要決定于土壤顆粒有機(jī)碳的比例，土壤顆粒有機(jī)碳比例越高，土壤碳庫越不穩(wěn)定。山地生態(tài)系統(tǒng)，由于沿海拔梯度水熱因子變化劇烈，發(fā)育了不同植被類型的生態(tài)系統(tǒng)。不同植被類型下土壤由于承接其凋落物和根系分泌物類型不同以及氣候因子等的差異［9，10］，形成的土壤碳庫特別是顆粒有機(jī)質(zhì)狀況勢必會存在差別。因此，研究同一地區(qū)沿海拔梯度不同植被下土壤顆粒有機(jī)質(zhì)含量與分配比例對揭示植被及相應(yīng)氣候因子對土壤碳庫的調(diào)控及影響具有重要意義［11］。

賀蘭山位于阿拉善荒漠東南邊境，由于相對高度差別較大，水熱變化迅速，形成了明顯的垂直地帶性植被及土壤類型［12］。本試驗應(yīng)用顆粒大小的物理分組方法對賀蘭山沿海拔梯度的土壤顆粒碳、氮含量及其分配比例進(jìn)行了研究，旨在揭示草地退化過程中土壤碳氮的穩(wěn)定性，為該區(qū)草地的保護(hù)，及退化草地的恢復(fù)和重建提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)設(shè)在內(nèi)蒙古阿拉善左旗境內(nèi)賀蘭山中段（西坡）及其山前地帶（105°32′～105°51′E，38°39′～39°19′N；海拔3 556～1 360m）。氣候?qū)傧募撅L(fēng)影響的西界，也是我國年降水量200mm等水量線的重要分水嶺。由于地處干旱區(qū)內(nèi)，加之山體相對高差大，使大氣降水、植被及土壤類型有明顯的垂直地帶性分布規(guī)律。主峰3 500m以上，年降水量可達(dá)500mm，年均溫－2.8℃，無霜期60～70d。而低海拔區(qū)域，年平均溫度8℃左右，年降水量約150mm。隨海拔的降低，土壤類型依次為亞高山草甸土、灰褐土、棕鈣土、灰漠土和風(fēng)沙土。其土壤母質(zhì)為結(jié)晶巖石，由于不完全淋溶作用，這些土壤形成一個或多個鈣沉積層。高山草甸區(qū)土壤厚度為70～80cm，荒漠區(qū)土壤厚度達(dá)到180～200cm［13］。2005年，沿海拔梯度，分別在賀蘭山上部的高山草甸、中部及較低地區(qū)山地草原和山前地帶荒漠草原和草原化荒漠區(qū)，設(shè)置調(diào)查樣地，共計8個樣地（表1），用于植被與土壤的觀測研究。

表1 各樣地的基本情況Table 1 General conditions of sampling sites

1.2 土壤樣品采集與分析

1.2.1 土壤樣品的采集 2005年9月，在各樣地內(nèi)設(shè)置5個50m×100m的樣區(qū)，每1樣區(qū)設(shè)置1條固定樣線，沿每一樣線用土鉆采集10個土樣，混合為1個樣本，取樣深度為0～10和10～20cm。土樣自然風(fēng)干，一部分過2mm篩，4℃樣品儲存室保存，用以測定土壤顆粒有機(jī)碳和氮；另一部分過0.5mm篩，樣品存儲室保存，用以測定土壤有機(jī)質(zhì)和土壤全氮。

1.2.2 植被特征的測定 于2005年9月在研究樣地選擇地勢植被較一致的地段，分別設(shè)置5塊面積為100m×50m的樣區(qū)，每樣區(qū)內(nèi)設(shè)置1條長度為100m的樣線，沿固定樣線，以10m間隔，設(shè)置10個樣方，分別進(jìn)行群落學(xué)調(diào)查，測定蓋度和生物量。在高山草甸設(shè)置0.25m×0.25m樣方，山地草原設(shè)置1m×1m樣方，山地荒漠草原和草原化荒漠設(shè)置4m×4m灌木樣方（內(nèi)部套1m×1m草本樣方）。各樣方內(nèi)草本植物齊地面剪下，灌木收獲其地上同化器官，按植物種稱取其鮮重和烘干重（65℃烘干至恒重），計算生物量。高山草甸和山地草原采用樣點(diǎn)法，山地荒漠草原和草原化荒漠采用樣線法，樣線長50m，測定各種植物的分蓋度，計算總蓋度［13，14］。

1.2.3 分析方法 土壤顆粒有機(jī)碳和氮含量按照Franzluebbers和Stuedemann［15］提供的方法測定。通過濕篩法得到土壤顆粒有機(jī)碳組分，稱取20.00g過2mm篩的風(fēng)干土，放入250mL三角瓶，加入100mL 0.1mol／L Na4P2O7，振蕩16h，然后，將土壤懸液過0.053mm篩，并反復(fù)用蒸餾水沖洗。把所有留在篩子上方的物質(zhì)，在55℃下烘72h后稱重，這些物質(zhì)即為土壤顆粒組分。計算這部分土樣占整個土壤樣品比例就為土壤顆粒組分比例。把這些物質(zhì)研磨過0.15mm篩，用K2Cr2O4－H2SO4外加熱法和凱氏定氮法分析其碳、氮含量，即土壤顆粒組分碳、氮含量；土壤有機(jī)碳和土壤全氮分別采用K2Cr2O4－H2SO4外加熱法和凱氏定氮法測定［16］。根據(jù)土壤顆粒組分比例和土壤顆粒組分碳、氮含量，計算土壤顆粒有機(jī)碳和氮含量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

用SPSS 11.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。采用單因子方差分析（One Way－ANOVA）和LSD法對不同類型樣地土壤顆粒有機(jī)碳和氮含量進(jìn)行比較。采用Pearson相關(guān)分析描述各變量之間的關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同海拔土壤顆粒有機(jī)碳和氮含量變化特征

隨著海拔的降低，土壤顆粒有機(jī)碳、氮含量及其分配比例都發(fā)生了顯著變化（表2）。土壤顆粒有機(jī)碳、氮含量隨著海拔的降低而顯著降低（P＜0.05），在0～10cm土層，二者在2 940m處最高，分別為72.25和4.60 g／kg，在1 360m處最低，分別為0.60和0.05g／kg；10～20cm土層也表現(xiàn)出相同的趨勢。各樣地不同土層顆粒碳、氮含量相比較，均表現(xiàn)為0～10cm土層土壤顆粒碳、氮含量高于10～20cm土層（表2）。

表2 不同海拔土壤顆粒碳、氮及土壤有機(jī)碳、全氮含量Table 2 The soil particulate fraction，soil organic carbon and total nitrogen content in different elevations

顆粒有機(jī)碳分配比例隨海拔的降低先降低后升高，0～10cm土層在2 940m處最高，在1 820m處最低，10～20cm土層在2 940m處最高，在1 700m處最低。顆粒有機(jī)氮分配比例隨海拔的變化在2個土層表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律，在0～10cm土層，顆粒有機(jī)氮分配比例先降低后升高，在2 940m處最高，在1 820m處最低，而在10～20cm土層，其隨海拔降低大致呈降低趨勢，在2 940m處最高，1 360m處最低。

同時，0～10和10～20cm土層土壤有機(jī)碳和全氮隨海拔的降低均表現(xiàn)出顯著的下降趨勢，且存在較大的差異（表2），0～10cm土層，土壤有機(jī)碳和全氮的變化范圍分別為1.69～111.51g／kg和0.23～8.18g／kg。10～20cm土層，土壤有機(jī)碳和全氮的變化范圍分別為1.38～86.45g／kg和0.23～6.47g／kg。

2.2 不同草地類型土壤顆粒碳和氮含量的變化特征

2.2.1 植被特征 隨海拔梯度的升高，草地植被蓋度和生物量都發(fā)生了顯著變化（圖1）。植被蓋度和生物量均在草甸最高（100%和177.6g／m2），其次是山地草原（52.0%和31.0g／m2），草原化荒漠最低（36.3%和52.1 g／m2）。

圖1 各樣地植被特征Fig.1 Vegetation characters of different sampling sites

2.2.2 不同草地類型土壤顆粒碳、氮及土壤有機(jī)碳、全氮特征 不同草地類型間土壤顆粒有機(jī)碳、氮含量及其分配比例以及土壤有機(jī)碳、全氮含量都存在顯著差異（P＜0.05）（表3）。土壤顆粒有機(jī)碳、顆粒有機(jī)氮、有機(jī)碳及全氮含量均在高山草甸最高，草原化荒漠最低，各植被類型之間的差異達(dá)到顯著水平。顆粒有機(jī)碳分配比例在高山草甸最高，山地荒漠草原最低。顆粒有機(jī)氮分配比例在高山草甸最高，2個土層的最低點(diǎn)存在差異，0～10cm土層在山地荒漠草原最低，而在10～20cm土層則在草原化荒漠最低。

2.3 顆粒有機(jī)碳、氮分配比例與環(huán)境和植被的關(guān)系

相關(guān)性分析結(jié)果表明，顆粒有機(jī)碳、氮分配比例與草地植被特征和環(huán)境因子間存在顯著的相關(guān)關(guān)系（P＜0.05），二者隨植被蓋度、地上生物量及降水量的增加顯著增加，隨溫度的增加而顯著降低（表4）。

3 討論

本研究結(jié)果顯示，隨著海拔的升高，土壤顆粒有機(jī)碳含量增加，該結(jié)果與向成華等［11］的報道一致。0～10cm層土壤顆粒碳、氮含量均高于10～20cm土層。該結(jié)果與徐俠等［17］的研究結(jié)果一致，這主要是因為土壤顆粒有機(jī)碳含量大小在很大程度上取決于土壤總有機(jī)碳含量，與下層土壤相比，0～10cm層土壤受植物的凋落物影響較大，豐富的植物殘體為表層土壤輸入了較多的有機(jī)質(zhì)，另外，植物殘體的分解提高了表層土壤的養(yǎng)分，同時促進(jìn)了植物根系在表層的生長［18，19］。最終，凋落物的增加和根系生長過程中分泌物排放的增多，可能會促進(jìn)微生物的活動，有助于使表層土壤積累更多的活性有機(jī)碳［20］。在植被從高山草甸到草原化荒漠的演變過程中土壤顆粒有機(jī)碳、氮含量表現(xiàn)出顯著的降低趨勢，其原因可能是植被類型發(fā)生改變使凋落物和根系分泌物、化學(xué)組成（C／N）及根系分布等隨之發(fā)生變化從而影響到土壤顆粒碳、氮含量［21］。

表3 不同草地類型土壤顆粒碳、氮及土壤有機(jī)碳、全氮含量Table 3 The soil particulate fraction and soil organic carbon and total nitrogen content in different range types

表4 顆粒有機(jī)碳、氮分配比例與植被和環(huán)境的相關(guān)系數(shù)（0～20cm）Table 4 Correlation between particulate fraction proportions and vegetation characteristics and climate factors at 0－20cm soil depth

顆粒有機(jī)碳、氮分配比例反映了土壤中非穩(wěn)定性有機(jī)碳、氮的相對數(shù)量［22］，從這2個指標(biāo)可以表明有機(jī)質(zhì)的穩(wěn)定性，排除了有機(jī)質(zhì)總量的差異［4］。顆粒有機(jī)碳、氮的分配比例越高，有機(jī)質(zhì)中不穩(wěn)定部分越高，在受到自然因素和人類活動的影響后，土壤有機(jī)質(zhì)中分解的部分就越多［23］。土壤顆粒有機(jī)碳在不同海拔的差異直接反映了土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性隨海拔的變化趨勢［24］。本研究表明，土壤顆粒碳、氮分配比例隨海拔的降低大致呈先降低后升高的趨勢。在高海拔區(qū)（2 940m）最高，在1 820，1 700m最低，而在低海拔區(qū)其值又升高。從中可以看出，其變化趨勢與植被類型有密切的關(guān)系，即從高山草甸到山地荒漠草原，土壤顆粒碳、氮分配比例顯著降低；而山地荒漠草原土壤顆粒碳、氮分配比例又較草原化荒漠顯著增加。該結(jié)果表明，高山草甸土壤中非穩(wěn)定性有機(jī)質(zhì)部分所占比例最大，在受到外界的干擾后，該部分易被分解。從本研究的結(jié)果還能看出，2個土層土壤顆粒有機(jī)碳、氮分配比例的變化有差異，這可能是因為土壤深度的差異影響了水熱要素、土壤性質(zhì)和土壤微生物的功能從而使土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性不同［25］。本研究結(jié)果顯示，土壤顆粒有機(jī)碳、氮分配比例與植被蓋度、地上生物量、降水量及溫度的相關(guān)性均達(dá)到顯著水平（P＜0.05）；說明土壤顆粒有機(jī)碳、氮分配比例的變化與植被特征和氣候因素有密不可分的關(guān)系。土壤顆粒有機(jī)碳、氮分配比例與植被蓋度、地上生物量呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系，這可能是因為植物的凋落物和根系分泌物經(jīng)過微生物的分解是土壤非保護(hù)性有機(jī)質(zhì)的主要來源［17］，所以植被狀況與土壤顆粒有機(jī)碳、氮分配比例密切相關(guān)。土壤顆粒有機(jī)碳、氮分配比例與降水量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與溫度呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，可能是因為水熱條件影響了微生物的活性［26］。

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