青藏高原東部不同草地類型土壤養(yǎng)分的分布規(guī)律

顧振寬，杜國(guó)禎，，朱煒歆，索南吉，張世虎

（1．蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，甘肅 蘭州730020；2．蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)與干旱教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州730000）

土壤有機(jī)碳是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)全球變化具有反饋?zhàn)饔茫?］。陸地生態(tài)系統(tǒng)作為人類的居住環(huán)境和人類活動(dòng)的主要場(chǎng)所，其碳含量約為大氣碳庫(kù)的2倍，對(duì)于陸地生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)規(guī)律和機(jī)制的研究是全球碳氮循環(huán)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)［2］。氮是大氣圈中含量最豐富的元素，也是各種植物生長(zhǎng)和發(fā)育所需的大量營(yíng)養(yǎng)元素，也是調(diào)節(jié)陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)量、結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)鍵性元素，能夠限制群落初級(jí)和次級(jí)生產(chǎn)力，在草原生態(tài)系統(tǒng)乃至全球碳氮循環(huán)中至關(guān)重要［3］。在草地生態(tài)系統(tǒng)中，土壤全氮不僅是主要的土壤肥力指標(biāo)，也是土壤氮素肥力的基礎(chǔ)。土壤全氮含量不僅與溫度和降水量等環(huán)境因子相關(guān)，而且與土壤特性、土地利用方式、植被特征及人類的干擾程度有關(guān)［4］。

在草原生態(tài)系統(tǒng)中，磷是最重要的化學(xué)元素之一，其分布和儲(chǔ)量對(duì)草原生態(tài)系統(tǒng)功能的正常發(fā)揮具有重要作用［5］。土壤不僅對(duì)生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程、結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)力具有重要影響［6］，而且影響植物群落的發(fā)生、發(fā)育和演替速度［5－6］，在植被恢復(fù)過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。而在各陸地生態(tài)系統(tǒng)中，草地生態(tài)系統(tǒng)的研究尤為重要。青藏高原對(duì)全球氣候變化十分敏感，其草地土壤有機(jī)碳總量約占其有機(jī)碳總量的23．44%，研究和保護(hù)青藏高原草地，對(duì)碳儲(chǔ)存和調(diào)節(jié)大氣CO2含量變化都具有重要意義［7］。青藏高原廣泛分布的高寒草甸、高寒草原與高寒沼澤草甸屬自然控制類型，并占青藏高原面積的絕大部分［7］。目前，有關(guān)青藏高原東緣地區(qū)不同草地類型對(duì)土壤養(yǎng)分影響的信息十分缺乏。因此，研究該地區(qū)不同植被類型土壤有機(jī)碳、全氮和全磷的分布規(guī)律，對(duì)評(píng)價(jià)草地生態(tài)系統(tǒng)潛在的生產(chǎn)力具有重要意義。本研究以青藏高原東緣地區(qū)不同植被類型的草地為對(duì)象，分析不同草地類型的土壤垂直結(jié)構(gòu)上的土壤有機(jī)碳、全氮和全磷含量及其關(guān)系，旨在為草地的健康評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1．1 研究區(qū)自然概況 研究樣地位于青藏高原東部地區(qū)甘肅省甘南州境內(nèi)（100°45′～104°45′E，33°06′～35°70′N(xiāo)），海拔2 900～4 000m；年均降水量450～780mm，主要分布于7－9月；年平均氣溫1．8℃，1月均溫－10．7℃，7月均溫11．7℃，生長(zhǎng)季最高氣溫23．6～28．9℃；年平均霜期不少于270 d。高寒草甸地勢(shì)開(kāi)闊，多風(fēng)，氣候寒冷。土壤類型為高山草甸土和灰褐土。草地類型主要包括高寒草甸、高寒灌叢草甸、亞高寒草甸、沼澤化草甸、荒漠化草原、林間草地和鹽漬化沼澤。植被主要包括禾本科、莎草科植物及多種其他科屬雙子葉植物。

表1 研究樣地概況Table 1 Brief introduction of experimental sites

1．2 研究方法

1．2．1 采樣設(shè)計(jì)與土樣采集 采樣點(diǎn)選取具有代表性且地上植被完整的放牧地。樣地分布在甘南州各鄉(xiāng)、鎮(zhèn)、村，共7處，按草地類型分為高寒草甸、高寒灌叢草甸、亞高寒草甸、沼澤化草甸、荒漠化草原、林間草地和鹽漬化沼澤。各樣地用GPS定位，用打土柱法取土樣。根據(jù)草地類型在每個(gè)樣地隨機(jī)選取10個(gè)樣點(diǎn)，每個(gè)樣點(diǎn)取3個(gè)土層深度，分別為0～15、15～30、30～60cm，每個(gè)土層9次重復(fù)，用自封袋帶回實(shí)驗(yàn)室。

1．2．2 分析方法 土壤有機(jī)碳測(cè)定采用重鉻酸鉀法。用定量的重鉻酸鉀－硫酸溶液，在電砂浴加熱，剩余的重鉻酸鉀用硫酸亞鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，并以二氧化硅為添加物作試劑空白標(biāo)定，根據(jù)氧化前后氧化劑質(zhì)量差值，算出有機(jī)碳量。土壤全氮測(cè)定采用半微量開(kāi)氏法。全磷的測(cè)定采用鉬銻抗比色法，用流動(dòng)注射分析儀（FS－ZV）測(cè)定。

1．2．3 數(shù)據(jù)分析 數(shù)據(jù)應(yīng)用SPSS 16．0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)不同草地類型和不同土層深度中的土壤有機(jī)碳、全氮和全磷數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2．1 不同草地類型下不同土層土壤有機(jī)碳含量的分布 隨著土壤深度和草地類型的變化，不同草地類型中0～15cm土壤有機(jī)碳含量的順序依次是林間草地＞高寒灌叢草甸＞高寒草甸＞沼澤化草甸＞鹽漬化沼澤＞亞高寒草甸＞荒漠化草甸；15～30cm土層依次為林間草地＞鹽漬化沼澤＞高寒灌叢草甸＞沼澤化草甸＞高寒草甸＞亞高寒草甸＞荒漠化草原；30～60cm土層依次是林間草地＞沼澤化草甸＞高寒灌叢草甸＞荒漠化草原＞高寒草甸＞亞高寒草甸＞鹽漬化沼澤（表2）。不同草地類型中，土壤有機(jī)碳含量在不同深度土層的垂直分布不同。其中，高寒草甸和荒漠化草原土壤隨土層自上而下依次降低，在鹽漬化沼澤和亞高寒草甸的土壤垂直結(jié)構(gòu)上差異顯著（P＜0．05），但表層和中間層差異不顯著（P＞0．05）。高寒灌叢草甸、沼澤化草甸和林間草地在15～30和30～60cm土層差異不顯著，但均顯著低于0～15cm土層。

2．2 不同草地類型下不同土層全氮含量的分布 全氮含量隨土壤深度和草地類型不同而變化。在0～15cm土層范圍內(nèi)，全氮含量的順序依次是沼澤化草甸＞林間草地＞高寒灌叢草甸＞高寒草甸＞鹽漬化沼澤＞荒漠化草原＞亞高寒草甸；15～30cm順序?yàn)檎訚苫莸椋靖吆鄥膊莸椋玖珠g草地＞亞高寒草甸＞高寒草甸＞鹽漬化沼澤＞荒漠化草原；30～60cm依次為沼澤化草甸＞鹽漬化沼澤＞林間草地＞高寒灌叢草甸＞荒漠化草原＞亞高寒草甸＞高寒草甸（表3）。高寒草甸、高寒灌叢草甸、荒漠化草原和沼澤化草甸土壤全氮含量自上而下依次降低，且差異顯著（P＜0．05）；鹽漬化沼澤土壤全氮含量在30～60cm土層最高，其次是0～15和15～30 cm；林間草地在15～30和30～60cm全氮含量差異不顯著，但均顯著低于0～15cm。

2．3 不同草地類型下不同土層全磷含量的分布 不同草地類型土壤全磷在0～15cm土層中含量順序是高寒灌叢草甸＞沼澤化草甸＞高寒草甸＞鹽漬化沼澤＞亞高寒草甸＞荒漠化草原＞林間草地；15～30cm順序?yàn)楦吆鄥膊莸椋菊訚苫莸椋靖吆莸椋玖珠g草地＞亞高寒草甸＞鹽漬化沼澤＞荒漠化草原；30～60cm順序依次是高寒灌叢草甸＞沼澤化草甸＞高寒草甸＞鹽漬化沼澤＞林間草地＞亞高寒草甸＞荒漠化草原（表4）。土壤全磷在高寒草甸、高寒灌叢草甸、沼澤化草甸和亞高寒草甸中隨著土層的加深而依次降低，且差異顯著（P＜0．05）?；哪菰?5～30和30～60cm剖面不顯著（P＞0．05），0～15cm顯著高于其他土層；林間草地全磷含量在15～30cm最高，其次是30～60和0～15cm，且3個(gè)土層間差異顯著，這與鹽漬化沼澤相反。

表2 主要草地類型的土壤有機(jī)碳含量Table 2 Soil organic carbon concentration of investigated grasslands %

表3 主要草地類型的土壤全氮含量Table 3 Soil total nitrogen concentration of investigated grasslands %

表4 主要草地類型的土壤全磷含量Table 4 Soil total phosphorous concentration of investigated grasslands g·kg－1

2．4 不同草地類型土壤有機(jī)碳與全氮的關(guān)系

考慮不同草地類型和土層差異，在0～15cm土層除沼澤化草甸外，其他草地類型土壤有機(jī)碳和全氮含量相關(guān)系數(shù)均較高（表5）；15～30cm土層除沼澤化草甸呈不相關(guān)外，高寒灌叢草甸、鹽漬化沼澤和林間草地土壤有機(jī)碳和全氮含量相關(guān)系數(shù)均較高；在30～60cm土層7種草地類型土壤有機(jī)碳和全氮均呈顯著或極顯著正相關(guān)。

表5 不同草地類型與不同深度土壤有機(jī)碳和全氮含量相關(guān)系數(shù)Table 5 Correlation coefficient between grasslands and soil organic carbon and total nitrogen of different soil depth

3 討論

通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，青藏高原東部不同植被類型，以及不同土層深度間的土壤有機(jī)碳、全氮和全磷含量的分布具有一定的規(guī)律性。土壤有機(jī)碳的主要來(lái)源是植物殘?bào)w的凋落分解，不同的植被導(dǎo)致土壤有機(jī)碳含量不同［8］，植物功能類型也顯著影響土壤有機(jī)碳含量［6，8］。一般情況下，灌叢土壤中有機(jī)碳含量主要分布在土層的底部，草地中主要分布在土層中部，森林中主要分布在土壤表層［9］。本研究表明，林間草地、高寒灌叢草甸和高寒草甸土壤中有大量的有機(jī)碳，而荒漠化草原、亞高寒草甸和鹽漬化草甸土壤有機(jī)碳含量相對(duì)較低。這與艾麗等［10］研究結(jié)果基本一致。林地和高寒灌叢草甸植被生產(chǎn)力較高，植物殘?bào)w較多，高寒草甸土壤有機(jī)質(zhì)輸入多，但分解慢；不同草地類型地上生物量順序依次是林間草地＞沼澤化草甸＞鹽漬化沼澤＞寒灌叢草甸＞高寒草甸＞亞高寒草甸＞荒漠化草原和鹽漬化沼澤。亞高寒草甸和荒漠草原植被生產(chǎn)力低，土壤中有機(jī)質(zhì)輸入量少。此外，林地和灌叢中的灌木殘?bào)w中木質(zhì)素要比草本植物殘?bào)w中高，土壤有機(jī)質(zhì)較穩(wěn)定［11］。不同草地類型的海拔、氣候要素和土壤特性不同，導(dǎo)致有機(jī)碳分解和淋溶輸出不同［7，12］。在本研究中，不同草地類型土壤有機(jī)碳含量隨土層變化趨勢(shì)不同，可能是土壤－大氣界面的氣體擴(kuò)散，土壤微生物和動(dòng)物異養(yǎng)呼吸碳排放，而土壤中的CO2排放主要是通過(guò)土壤微生物的呼吸。對(duì)于光照、溫度和水分都充足的沼澤化草甸表層，碳排放和擴(kuò)散較快［13－15］。在草地生態(tài)系統(tǒng)中，土壤有機(jī)碳含量主要受氣候、植被［16］、土壤屬性以及人類活動(dòng)的綜合影響，且各種因素間可能存在著互作效應(yīng)。

本研究表明，不同草地類型下土壤中全氮含量也不同，可能是不同草地類型下土壤淋溶過(guò)程使氮素在土壤不同深度含量不同，根系和地表凋落物中碳氮比和微生物區(qū)系也會(huì)使土壤氮分解不同［17］。植被類型是影響土壤碳、氮含量的關(guān)鍵，植被恢復(fù)增加土壤養(yǎng)分含量。沼澤化草甸、高寒灌叢草甸和林間草地全氮含量在0～15cm較高，因?yàn)橥寥罍囟容^低，水分含量較大，且植物種類豐富；亞高寒草甸和荒漠化草原土壤比較干燥，且植物稀疏植物種類比較少，所以全氮含量低［17］。不同草地類型生物多樣性差異較大，草地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力隨著植物生物多樣性提高而增加，且物種多樣性高時(shí)，礦質(zhì)氮利用更完全，氮淋溶損失更少。因此，物種丟失會(huì)威脅生態(tài)系統(tǒng)的功能和可持續(xù)性。此外，物種構(gòu)成對(duì)生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程也存在影響［12］。草地類型、海拔、氣候要素和土壤特性等都會(huì)影響土壤全氮的累積量。

不同草地類型下，不同剖面土壤全磷的分布不同。本研究表明，高寒灌叢草甸、沼澤化草甸和高寒草甸土壤全磷含量高，而荒漠化草原、林間草地和亞高寒草甸較低。荒漠化草原和鹽漬化沼澤土壤全磷含量在15～30cm高于30～60cm。林間草地剖面土壤全磷的含量依次是15～30cm＞30～60cm＞0～15cm。土壤全磷含量的高低，受土壤母質(zhì)、成土作用和耕作施肥的影響很大［14］。放牧強(qiáng)度也影響土壤剖面全磷含量，荒漠化草原、林間草地和亞高寒草甸全磷含量低是由于過(guò)度放牧導(dǎo)致草地退化［17］。同一放牧制度下不同土層速效磷的變化較大，隨著土層深度增加其含量降低；全磷含量在同一放牧制度不同土層的變化不大。禁牧有效地保持了土壤的磷元素含量，從而有利于土壤養(yǎng)分的積累［14］。

土壤全氮與有機(jī)碳含量具有顯著正相關(guān)性，不考慮海拔因素，0～30cm土層中土壤碳氮含量的相關(guān)系數(shù)均較高（0．67以上）。本研究表明，在不同草地類型和不同深度土層的共同影響下，在0～15cm剖面除沼澤化草甸外，其他草地類型土壤有機(jī)碳都與全氮呈正相關(guān)，達(dá)到極顯著水平；15～30cm沼澤化草甸土壤有機(jī)碳與全氮不相關(guān)；30～60cm土壤有機(jī)碳與全氮均呈正相關(guān)，并達(dá)顯著水平。土壤有機(jī)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大體上取決于土壤中的全氮含量。土壤中的全氮較多，主要來(lái)源于有機(jī)質(zhì)中的氮素，有機(jī)態(tài)氮占全氮的80%以上，土壤中全氮與有機(jī)碳含量的比值為1∶10～1∶12［18－19］。沼澤化草甸在0～15和15～30cm深度土壤有機(jī)碳和全氮不相關(guān)，這可能是由于土壤有機(jī)碳受氣候、海拔、土層和植被的影響所導(dǎo)致的。另外，土壤含水量和微生物呼吸也會(huì)產(chǎn)生影響。關(guān)于沼澤化草甸不同深度土層土壤有機(jī)碳和全氮的關(guān)系有待進(jìn)一步研究。

［1］ Raich J W，Potter C S．Global patterns of carbon dioxide emissions from soils［J］．Global Biogeochemical Cycles，1995，9（1）：23－36．

［2］ 王根緒，程國(guó)棟，沈永平．青藏高原草地土壤有機(jī)碳庫(kù)及其全球意義［J］．冰川凍土，2002，24（6）：693－700．

［3］ 李明峰，董云社，齊玉春，等．溫帶草原土地利用變化對(duì)土壤碳氮含量的影響［J］．中國(guó)草地，2005，27（1）：1－6．

［4］ 王長(zhǎng)庭，龍瑞軍，王啟基，等．高寒草甸不同海拔梯度土壤有機(jī)質(zhì)氮磷的分布和生產(chǎn)力變化及其與環(huán)境因子的關(guān)系［J］．草業(yè)學(xué)報(bào)，2005，14（4）：15－20．

［5］ 李香真，陳佐忠．不同放牧率對(duì)草原植物與土壤C、N、P的影響［J］．草地學(xué)報(bào)，1998，6（2）：90－98．

［6］ 楊小波，張?zhí)伊郑瑓菓c書(shū)．海南瓊北地區(qū)不同植被類型物種多樣性與土壤肥力的關(guān)系［J］．生態(tài)學(xué)報(bào)，2002，22（2）：190－196．

［7］ 薛曉娟，李英年，杜明遠(yuǎn)，等．祁連山東段南麓不同海拔土壤有機(jī)質(zhì)及全氮的分布狀況［J］．冰川凍土，2009，31（4）：642－649．

［8］ Jackson R B，Schenk H J，Jobbágy E G，et al．Below－ground consequences of vegetation change and their treatment in models［J］．Ecological Application，2000，10（2）：470－483．

［9］ Jobbágy E G，Jackson R B．The vertical distribution of soil organic carbon and its relation to climate and vegetation［J］．Ecological Applications，2000，10（2）：423－436．

［10］ 艾麗，吳建國(guó)，劉建泉，等．土壤有機(jī)碳和全氮含量及其與海拔、植被和氣候要素的關(guān)系［J］．中國(guó)園藝文摘，2010（3）：27－33．

［11］ 傅華，裴世芳，張洪榮．賀蘭山西坡不同海拔梯度草地土壤氮特征［J］．草業(yè)學(xué)報(bào)，2005，14（6）：50－56．

［12］ 王常慧，邢雪榮，韓興國(guó)．草地生態(tài)系統(tǒng)中土壤氮素礦化影響因素的研究進(jìn)展［J］．應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2004，15（11）：2184－2188．

［13］ 傅華，陳亞明，王彥榮，等．阿拉善主要草地類型土壤

有機(jī)碳特征及其影響因素［J］．生態(tài)學(xué)報(bào)，2004，24（3）：469－476．

［14］ 李耀，衛(wèi)智軍．不同放牧制度對(duì)典型草原土壤中全磷和速效磷的影響［J］．內(nèi)蒙古草業(yè)，2010，22（1）：5－6．

［15］ 馬效國(guó)，樊麗琴，陸妮，等．不同土地利用方式對(duì)苜蓿茬地土壤微生物、生物量碳氮的影響［J］．草業(yè)科學(xué)，2005，22（10）：13－17．

［16］ 劉楠，張英?。拍翆?duì)典型草原土壤有機(jī)碳及全氮的影響［J］．草業(yè)科學(xué)，2010，27（4）：11－14．

［17］ 劉蓉，張衛(wèi)國(guó)，江小雷，等．垂穗披堿草群落退化演替的植被特性及其與土壤性狀的相關(guān)性研究［J］．草業(yè)科學(xué)，2010，27（10）：96－103．

［18］ 洪瑜，方晰，田大倫．湘中丘陵區(qū)不同土地利用方式土壤碳氮含量的特征［J］．中南林學(xué)院學(xué)報(bào)，2006（6）：9－16．

［19］ 陳開(kāi)華，殷恒霞，劉俊英，等．高寒草甸不同植被類型土壤全氮含量變化動(dòng)態(tài)分析［J］．生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2009，18（6）：2321－2325．Abstract：The vertical distributions of carbon，nitrogen and phosphorous in the soil profiles in 7grassland types in the eastern Tibetan Plateau were investigated．These grassland types were：alpine meadow，alpine shrub meadow，sub－alpine meadow，swamp meadow，desertified steppe，interforest grassland and salinealkaline meadow．Our results showed that soil organic carbon decreased with soil depth in the 7different grassland types，and that the cumulative amount of soil organic carbon at 0－15cm depth in the 7types was decreased in the following order：interforest grassland＞alpine shrub meadow＞alpine meadow＞swamp meadow＞saline－alkaline meadow＞sub－alpine meadow＞desertified steppe （P＜0．05）．The dynamic of soil total nitrogen in soil depths was similar to that of soil organic carbon，and the cumulative amount of soil total nitrogen at 0－15cm depth in the investigated types，from highest to lowest，was：swamp meadow＞interforest grassland＞alpine shrub meadow＞testalpine meadow＞swamp meadow＞saline－alkaline meadow＞desertified steppe＞sub－alpine meadow （P＜0．05）．Soil total phosphorus showed no obvious pattern in the desertified steppe and interforest grassland types，and the cumulative amount of soil total phosphorus at 0－15cm depth in the 7types was decreased in the following order：alpine shrub meadow＞swamp meadow＞alpine meadow＞saline－alkaline meadow＞sub－alpine meadow＞desertified steppe＞interforest grassland（P＜0．05）．Soil nutrient distribution varies when soil depth increases in different grassland types．Soil organic carbon was significantly correlated with soil total nitrogen in all grassland types except the swamp meadow．