錫林郭勒草原土壤主要營養(yǎng)成分的空間分布

賀俊杰

(錫林浩特國家氣候觀象臺(tái),內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000)

土壤是自然生態(tài)環(huán)境中極為重要的組成部分[1]，它既是植物賴以生存的空間，也是農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)。土壤肥力狀況(土壤中氮、磷、鉀和有機(jī)質(zhì)含量等)直接影響植物的生長發(fā)育和最終產(chǎn)量的形成。20世紀(jì)80年代以來，我國以牧草與飼料作物生產(chǎn)為主的設(shè)施栽培有了迅猛發(fā)展[2]。但是，對(duì)草地資源的不合理利用，造成生態(tài)系統(tǒng)失調(diào)，致使錫林郭勒草地退化面積近64%，土壤營養(yǎng)成分降低，草地質(zhì)量嚴(yán)重下降[3-4]，從而影響到畜牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

近年來，關(guān)于錫林郭勒草原土壤營養(yǎng)成分的研究取得了很多成果，諸如許中旗等[5]從土壤N、P、K 及土壤有機(jī)質(zhì)等方面研究了人為干擾(包括放牧、開墾和禁牧)對(duì)典型草原生態(tài)系統(tǒng)土壤養(yǎng)分含量的影響；鄭云玲[6]得出圍欄內(nèi)的各樣地土壤全氮，全磷含量以及牧草氮、磷含量基本高于圍欄外的結(jié)論；劉忠寬等[7]在內(nèi)蒙古典型草原(錫林河中游二級(jí)臺(tái)上)，對(duì)不同放牧率草地休牧3年后的土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性和植物群落的數(shù)量變化特征進(jìn)行了研究；趙娜等[8]研究了渾善達(dá)克沙地榆林密度與土壤養(yǎng)分的關(guān)系等。但這些研究范圍僅局限于某個(gè)區(qū)域，而對(duì)錫林郭勒草原土壤營養(yǎng)成分總體分布及綜合評(píng)價(jià)尚未見報(bào)道。目前，很多關(guān)于土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)方法的論述[9-11]，如聚類分析、因子分析、主成分分析等被應(yīng)用于土壤質(zhì)量的綜合評(píng)價(jià)[12-14]。本研究預(yù)計(jì)采用主成分分析方法，對(duì)錫林郭勒草原土壤主要營養(yǎng)成分含量進(jìn)行分析和綜合評(píng)價(jià)，旨在揭示錫林郭勒草原土壤營養(yǎng)成分分布特征，為草原資源合理應(yīng)用和生態(tài)系統(tǒng)的有效保護(hù)及恢復(fù)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1研究區(qū)概況 錫林郭勒盟處于歐亞大陸草原帶的中部(41°35′-46°46′ N，111°03′-120°00′ E)，土地面積20.3萬km2，草原面積占總土地面積97.2%，既是內(nèi)蒙古草原的主體，也是西北干旱區(qū)向東北濕潤區(qū)和華北旱作農(nóng)業(yè)區(qū)的過渡地帶。地勢(shì)平坦開闊，土壤以風(fēng)沙土為主，部分地區(qū)有栗鈣土、棕鈣土和草甸土等。其草原類型多樣，自東向西依次為草甸草原(包括烏拉蓋、東烏珠穆沁旗和西烏珠穆沁旗)、典型草原(包括錫林浩特市、阿巴嘎旗、鑲黃旗、正鑲白旗、正藍(lán)旗、太仆寺旗和多倫縣)和荒漠化草原(包括蘇尼特左旗、蘇尼特右旗和二連浩特市)。草甸草原建群種牧草為羊草(Leymuschinensis)、貝加爾針茅(Stipabaicalensis)，典型草原建群種牧草為克氏針茅(S.kryloyii)、羊草，荒漠化草原建群種牧草為多根蔥(Alliumpolyrrhizum)、沙生針茅(S.kryloyii)、小葉錦雞兒(Garaganamicrophylia)等。大部地區(qū)伴生糙隱子草(Cleistogenesserotina)、矮蔥(A.anisopodium)、冷蒿(Artemisiafrigida)、知母(Anemarrhenaasphodeloides)等。夏季盛行東南季風(fēng)，雨熱同季，降水存在很大的空間異質(zhì)性。年均氣溫2.5 ℃，降水量273 mm，日照時(shí)數(shù)3 024.7 h。錫林郭勒盟在內(nèi)蒙古自治區(qū)的地理位置(a)和研究區(qū)土壤采樣地分布(b)詳見圖1。

圖1 錫林郭勒盟在內(nèi)蒙古自治區(qū)的地理位置(a)和研究區(qū)土壤采樣地分布(b)Fig.1 Geographic position of Xilin Gol region in Inner Mongolia(a)and soil sampling site in the study area(b)

1.2資料來源 資料來源于錫林浩特國家氣候觀象臺(tái)化驗(yàn)室(內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象局天然草地牧草和土壤營養(yǎng)成分化驗(yàn)室)2005-2012年測(cè)定的土壤營養(yǎng)成分全氮、全磷、全鉀和有機(jī)質(zhì)含量?；?yàn)土樣每年10月上旬在錫林郭勒盟13個(gè)旗(縣、市)天然草地采取。在充分考慮監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)代表性的前提下，采樣點(diǎn)按照錫林郭勒盟草地類型所包括的旗(縣)，每個(gè)旗(縣)取樣10個(gè)。即草甸草原取樣30個(gè)，典型草原取樣70個(gè)，荒漠化草原取樣30個(gè)。取土方法為選取5 cm×5 cm×30 cm的垂直剖面，分別取0-5、5-10、10-20和20-30 cm四層土樣，除去雜物裝入有編號(hào)的盛土盒內(nèi)，按層拌勻后各取300～500 g土樣裝入布袋，再經(jīng)過自然風(fēng)干、研磨和過篩等工序留存待測(cè)。

1.3分析方法

1.3.1營養(yǎng)成分含量的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn) 根據(jù)全國第2次土壤普查土壤營養(yǎng)成分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[15]進(jìn)行分級(jí)(表1)。

表1 全國第2次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn) Table 1 Second soil survey nutrients grading standards g·kg-1

1.3.2土壤變異性 按照變異系數(shù)的劃分等級(jí)[16](弱變異性，CV<10%；中等變異性，10%≤CV≤100%；強(qiáng)變異性，CV>100%)。

1.3.3數(shù)據(jù)分析 采用主成分分析法[17-20]對(duì)各指標(biāo)在各旗(縣、市)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，各指標(biāo)間進(jìn)行相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1錫林郭勒草原土壤營養(yǎng)成分整體分布 對(duì)比分析表1、表2可知，錫林郭勒草原土壤全氮含量為4級(jí)(缺乏)、全鉀含量為2級(jí)(豐富)、全磷含量為5級(jí)(很缺乏)、有機(jī)質(zhì)含量為3級(jí)(中等)。其中，草甸草原土壤全氮含量為3級(jí)(中等)、全磷含量為5級(jí)(很缺乏)、全鉀和有機(jī)質(zhì)含量為2級(jí)(豐富)；典型草原土壤全氮和有機(jī)質(zhì)含量為3級(jí)(中等)、全磷含量為5級(jí)(很缺乏)、全鉀含量為2級(jí)(豐富)；荒漠化草原土壤全氮和全磷含量為5級(jí)(很缺乏)、全鉀含量為2級(jí)(豐富)、有機(jī)質(zhì)含量為4級(jí)(缺乏)。

土壤的異質(zhì)性是土壤特性在不同空間位置上存在明顯差異的屬性[21]。研究發(fā)現(xiàn)，錫林郭勒草原土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和全鉀變異性依次減弱，變異系數(shù)分別為39.4%、35.2%、24.3%和12.5%。其中，草甸草原土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和全鉀變異系數(shù)分別為21.1%、14.7%、12.4%和1.0%，典型草原分別為33.7%、29.6%、27.6%和15.4%，荒漠化草原分別為32.6%、31.6%、10.1%和10.2%。

2.2錫林郭勒草原土壤營養(yǎng)成分含量分布 各種土壤肥力質(zhì)量有著性質(zhì)上的差異和高低之分，因此如何科學(xué)、合理、實(shí)用地評(píng)價(jià)土壤肥力質(zhì)量，為指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供理論依據(jù)，顯得尤為重要[22]。通過研究土壤營養(yǎng)成分在特定土壤中的空間分布情況，可為有效地分配和利用有限的土地資源提供參考。可以看出，錫林郭勒盟各旗(縣、市)土壤全磷、全氮級(jí)別均相對(duì)較低，土壤有機(jī)質(zhì)相對(duì)全氮總體表現(xiàn)為中等，土壤全鉀較高，其中阿巴嘎旗、二連浩特市和蘇尼特左旗為1級(jí)(表3)。

2.3土壤營養(yǎng)成分綜合評(píng)價(jià) 土壤全量氮、磷、鉀和有機(jī)質(zhì)營養(yǎng)成分含量的高低反映了它們各自在土壤中的豐缺狀況。某個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)不能完全反映一個(gè)地域養(yǎng)分的綜合狀況，所以對(duì)土壤營養(yǎng)成分綜合評(píng)價(jià)十分必要?，F(xiàn)采用主成分分析方法[17-19]綜合量化各指標(biāo)權(quán)重，以提高分析結(jié)果的客觀性。第1、第2主成分的方差貢獻(xiàn)率分別為70.84%、17.14%，累積貢獻(xiàn)率達(dá)87.98%，代表了各供試樣品87.98%的信息。所以，提取兩個(gè)主成分可以基本反映全部指標(biāo)的信息(表4)。全氮、有機(jī)質(zhì)、全磷在第1主成分中基本反映了上述成分的信息；全鉀在第2主成分上有較高的載荷，說明第2主成分反映了該成分的信息(表5)。

綜合指標(biāo)排名越靠前，綜合養(yǎng)分也就越高。錫林郭勒草原土壤綜合養(yǎng)分排名先后依次為草甸草原、典型草原和荒漠化草原。其中，錫林浩特市土壤綜合營養(yǎng)成分最高，二連浩特市最低(表6)。

2.4土壤營養(yǎng)成分與降水量、牧草生長狀況的關(guān)系

2.4.1土壤營養(yǎng)成分與降水量的關(guān)系 錫林郭勒盟土壤營養(yǎng)成分的全氮、有機(jī)質(zhì)與年平均降水量呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系，全鉀呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(表7)。即年平均降水量越多，土壤的全氮、有機(jī)質(zhì)含量越高，全鉀含量越低，反之亦然。錫林郭勒盟年降水量等值線呈現(xiàn)由東南向西北依次遞減的趨勢(shì)，這與其土壤綜合養(yǎng)分變化依草原類型呈現(xiàn)由東南向西北遞減趨勢(shì)相一致。

2.4.2土壤營養(yǎng)成分與牧草生長狀況的關(guān)系 錫林郭勒盟土壤營養(yǎng)成分的全氮與牧草高度、覆蓋度、優(yōu)良牧草比例呈顯著正相關(guān)；全磷與優(yōu)良牧草比例呈顯著正相關(guān)；全鉀雖與各牧草生長指標(biāo)呈現(xiàn)一定負(fù)相關(guān)，但對(duì)土壤全鉀含量影響不大；有機(jī)質(zhì)與各牧草生長指標(biāo)呈顯著正相關(guān)。即土壤營養(yǎng)成分的有機(jī)質(zhì)含量受植被的影響最大，其次是全氮，全磷最小(表7)。說明植被生長狀況越好，土壤營養(yǎng)成分總體就越高，反之亦然。

表2 各旗(縣、市)土壤營養(yǎng)成分均Table 2 Soil nutrients of experimental counties in Xilin Gol g·kg-1

表3 各旗(縣、市)土壤營養(yǎng)成分級(jí)別Table 3 Soil nutrients level of experimental sites

表4 總方差解釋表Table 4 Total variance explained

表5 主成分載荷陣Table 5 Component matrixa

錫林郭勒盟草原牧草生長狀況為草甸草原>典型草原>荒漠化草原(表8)。由此可見，錫林郭勒盟土壤營養(yǎng)成分總體變化趨勢(shì)與牧草生長狀況所呈現(xiàn)的由東南向西北依次遞減的趨勢(shì)相一致。綜上所述，錫林郭勒盟土壤營養(yǎng)成分的積累和空間分布受降水量分布、植被生長狀況等因素的影響。

3 討論

土壤是一個(gè)由生物及非生物組成的復(fù)雜綜合體，有集散、轉(zhuǎn)化、傳遞物質(zhì)和能量的作用。土壤養(yǎng)分狀況優(yōu)劣是土壤物理、化學(xué)、生物等因素耦合的結(jié)果，可以表明土壤從環(huán)境條件和營養(yǎng)條件兩方面供應(yīng)和協(xié)調(diào)作物生長發(fā)育的能力[23]。通過對(duì)錫林郭勒草原土壤營養(yǎng)成分研究，探明其土壤肥力條件和養(yǎng)分的空間分布，為退化、沙化草地人工恢復(fù)和合理利用草地資源提供依據(jù)。

表6 土壤營養(yǎng)成分綜合主成分值及排名Table 6 Soil nutrients principal component values and ranking

表7 土壤營養(yǎng)成分與降水量和牧草生長狀況的相關(guān)系數(shù)Table 7 Correlation coefficient between soil nutrients and grass growth, precipitation

表8 錫林郭勒盟不同草地類型牧草生長狀況 Table 8 Forage grass growth conditions of different grassland types in Xilin Gol

錫林郭勒草原土壤營養(yǎng)成分總體處于中等水平，土壤綜合養(yǎng)分變化依草原類型呈東南向西北遞減趨勢(shì)。說明土壤營養(yǎng)成分的積累和空間分布受降水量分布[24]、植被生長狀況等因素影響。這與朱立博等[25]得出的土壤養(yǎng)分含量與植被水平相互關(guān)聯(lián)，植被類型的土壤養(yǎng)分特征與植被特征存在明顯的正相關(guān)關(guān)系，總體趨勢(shì)為植被水平高其土壤養(yǎng)分含量也較高，不同養(yǎng)分對(duì)植被水平差異的響應(yīng)靈敏度不同的結(jié)論相吻合。因此，土壤養(yǎng)分的空間分布狀況是土壤、植被和周圍環(huán)境共同作用的結(jié)果[26]。

由于形成土壤因素的相互影響，土壤綜合體不同位置的屬性相互作用產(chǎn)生依賴，導(dǎo)致土壤的物理和化學(xué)性質(zhì)具有一定的空間結(jié)構(gòu)性[1]。研究土壤養(yǎng)分的變異特征，不僅可以反映植被對(duì)土壤養(yǎng)分的影響狀況，同時(shí)可為植被的環(huán)境評(píng)價(jià)提供依據(jù)[26]。研究發(fā)現(xiàn)，錫林郭勒草原變異性除全鉀呈弱變異外，其余均為中等變異；在主成分分析過程中，同一草原類型土壤肥力排名存在很大的差異。

錫林郭勒草原土壤主要營養(yǎng)成分含量除全磷很缺乏外，其余均在中等水平以上。土壤全氮、全磷、全鉀和有機(jī)質(zhì)是土壤的主要成分，是確定土壤養(yǎng)分狀況的主要因子，可為植物提供大量有效養(yǎng)分。氮可提高植物生物量、改善營養(yǎng)價(jià)值，增加種子蛋白質(zhì)含量，提高植物的營養(yǎng)價(jià)值；磷可增加植物產(chǎn)量和改善品質(zhì)，加速植物分集和促進(jìn)籽粒飽滿，提高結(jié)籽率；鉀可提高植物品質(zhì)和抗逆性；有機(jī)質(zhì)有助于提高土溫、增強(qiáng)保水保肥性和緩沖性、改良土壤物理性狀。

4 結(jié)論

錫林郭勒草原土壤營養(yǎng)成分總體處于中等水平，呈現(xiàn)由東南向西北遞減趨勢(shì)。土壤主要養(yǎng)分全氮含量缺乏、全鉀含量豐富、有機(jī)質(zhì)含量中等、全磷含量很缺乏；土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀變異性依次減弱；土壤綜合養(yǎng)分排名先后依次為草甸草原、典型草原和荒漠化草原。其中，錫林浩特市土壤綜合營養(yǎng)成分最高，二連浩特市最低，其余旗(縣、市)處于兩者之間。

由于錫林郭勒草原地域廣闊，草地類型多樣，土壤樣本采集有一定的局限性，文中涉及的土壤營養(yǎng)成分是否具有普遍性還有待于進(jìn)一步深入研究。

[1] 馬亞平.黑龍江西部半干旱區(qū)坡耕地土壤水文物理特性及其空間變異試驗(yàn)研究[D].沈陽：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2010.

[2] 喬潔,崔秀艷,王君芳,等.土壤水分、氮、磷、鉀含量與牧草營養(yǎng)成分的關(guān)系[J].飼草與飼料,2009(9):58-60.

[3] 楊光梅,閔慶文,李文華.錫林郭勒草原退化的經(jīng)濟(jì)損失估算及啟示[J].中國草地學(xué)報(bào),2007,29(1):44-49.

[4] 李政海,鮑雅靜,王海梅,等.錫林郭勒草原荒漠化狀況及原因分析[J].生態(tài)環(huán)境,2008,17(6):2312-2318.

[5] 許中旗,閔慶文,王英舜,等.人為干擾對(duì)典型草原生態(tài)系統(tǒng)土壤養(yǎng)分狀況的影響[J].水土保持學(xué)報(bào),2006,20(5):38-42.

[6] 鄭云玲.封育對(duì)典型草原牧草及土壤養(yǎng)分的恢復(fù)效應(yīng)[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，2008.

[7] 劉忠寬,汪詩平,陳佐忠,等.不同放牧強(qiáng)度草原休牧后土壤養(yǎng)分和植物群落變化特征[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2006,26(6):2048-2056.

[8] 趙娜,胡春元,李鋼鐵,等.渾善達(dá)克沙地中部地區(qū)榆樹分布密度與土壤養(yǎng)分狀況關(guān)系的研究[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè),2009(7):25-29.

[9] 張華,張甘霖.土壤質(zhì)量指標(biāo)和評(píng)價(jià)方法[J].土壤,2001,33(6):326-330.

[10] 駱伯勝,鐘繼洪,陳俊堅(jiān).土壤肥力數(shù)值化綜合評(píng)價(jià)研究[J].土壤,2004,36(1):104-106.

[11] 張貞,魏朝富,高明,等.土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)方法進(jìn)展[J].土壤通報(bào).2006,37(5):999-1006.

[12] 呂曉男,陸允甫,王人潮.土壤肥力綜合評(píng)價(jià)初步研究[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)版),1999,25(4):378-382.

[13] 曹承綿,嚴(yán)長生,張志明.關(guān)于土壤肥力數(shù)值化綜合評(píng)價(jià)的探討[J].土壤通報(bào),1983(4):13-15.

[14] 陳加兵,曾從盛.主成分分析、聚類分析在土地評(píng)價(jià)中的應(yīng)用——以福建抄縣夏茂鎮(zhèn)水稻土為主要評(píng)價(jià)對(duì)象[J].土壤,2001,33(5):243-246.

[15] 毛知耕,周則芳,黃建國,等.肥料學(xué)[M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,1997:86-183.

[16] 雷志棟,楊詩秀,許志榮,等.土壤特性空間變異性初步研究[J].水利學(xué)報(bào),1985(9):10-21.

[17] 李朝峰,楊中寶.SPSS主成分分析中的特征向量計(jì)算問題[J].統(tǒng)計(jì)教育,2007(3):1-11.

[18] 杜洋.主成分綜合評(píng)價(jià)方法在區(qū)域經(jīng)濟(jì)綜合排名中的應(yīng)用[J].經(jīng)濟(jì)論壇,2004(21):19-20.

[19] 林海明.主成分分析與初始因子分析的異同——兼與盧紋岱《SPSS for Windows統(tǒng)計(jì)分析》商榷[J]．統(tǒng)計(jì)與決策,2006,4(8):33-34．

[20] 白慧強(qiáng).主成分分析法在SPSS中的應(yīng)用——以文峪河河岸帶林下草本群落為例[J].科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì),2009,19(9):173-176.

[21] 沈思源.土壤空間變異研究中地統(tǒng)計(jì)學(xué)的應(yīng)用及其展望[J].土壤學(xué)進(jìn)展，1989,17(3):11-25.

[22] 顏雄,張楊珠,劉晶.土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)的研究進(jìn)展[J].湖南農(nóng)業(yè)科學(xué),2008(5):82-85.

[23] 陳印平,趙麗華,吳越華,等.森林凋落物與土壤質(zhì)量的互作效應(yīng)研究[J].世界科技研究與發(fā)展,2005,27(4):88-94.

[24] 劉志剛,王英舜,賀俊杰,等.內(nèi)蒙古錫林郭勒盟牧業(yè)氣候區(qū)劃[M].北京:氣象出版社,2006:17-20.

[25] 朱立博,鄭勇,曾昭海,等.呼倫貝爾典型草原不同植被類型植被與土壤特征研究[J].中國草地學(xué)報(bào),2008,30(3):30-35.

[26] 王國梁,劉國彬,許明祥.黃土丘陵區(qū)紙坊溝流域植被恢復(fù)的土壤養(yǎng)分效應(yīng)[J].水土保持通報(bào),2002,22(1):1-5.