林間草地土壤氮、磷、鉀空間異質(zhì)性研究

徐 智，王志軍，范文靜，楊 光

(1.內(nèi)蒙古機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院五年高職中專部，呼和浩特 010070;2.內(nèi)蒙古草原勘察規(guī)劃院，呼和浩特 010051;3.內(nèi)蒙古綽勒水利水電有限責(zé)任公司，呼和浩特 010020;4.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院，呼和浩特 010019)

1 研究背景

土壤生態(tài)學(xué)是土壤學(xué)、生態(tài)學(xué)、地理學(xué)以及環(huán)境科學(xué)相互交叉的一門具有廣泛研究領(lǐng)域的新興學(xué)科［1］。同一土壤類型上不同的空間位置取樣所測(cè)定的土壤養(yǎng)分和水分等因子常常具有較大的差別，除去取樣和測(cè)定過程的誤差外，還存在著土壤本身的變化，一般來說我們常將這種變化稱為土壤空間異質(zhì)性或空間變異性［2－4］。在不同的尺度上研究土壤的空間異質(zhì)性，不但對(duì)了解土壤的形成過程、結(jié)構(gòu)和功能具有重要的理論意義［5］，而且對(duì)了解植物與土壤的關(guān)系，如更新過程、養(yǎng)分和水分對(duì)根系的影響以及植物的空間格局等也具有重要的參考價(jià)值［6－7］。土壤和植被都是時(shí)空連續(xù)的變異體，具有高度的空間異質(zhì)性［8］。在草地生態(tài)系統(tǒng)中，土壤氮、磷、鉀的空間異質(zhì)性是植被空間分布差異的主要原因［9］。因此，準(zhǔn)確分析草地土壤氮、磷、鉀的空間異質(zhì)性，對(duì)合理利用草地、改善土壤環(huán)境和指導(dǎo)農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)等具有重要的理論和實(shí)踐意義。

對(duì)土壤空間異質(zhì)性的研究始于20世紀(jì)70年代初，Burgress，Warrick 等［10－11］許多國外土壤學(xué)家對(duì)土壤物理性質(zhì)(如水分、透水率、濕度)空間異質(zhì)性規(guī)律做了大量的研究，但大都停留在對(duì)土壤空間異質(zhì)性的定性描述上。20世紀(jì)80年代初，空間異質(zhì)性成為土壤研究的熱點(diǎn)，并逐漸從定性描述向定量研究轉(zhuǎn)變;90年代統(tǒng)計(jì)學(xué)的發(fā)展對(duì)土壤空間異質(zhì)性的研究起了極大的促進(jìn)作用，從此空間異質(zhì)性的研究遍地開花，被應(yīng)用到多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域［12］。各個(gè)領(lǐng)域?qū)ν寥揽臻g異質(zhì)性研究的側(cè)重點(diǎn)不同，Webster［13］認(rèn)為土壤空間異質(zhì)性是指在相同土壤類型不同空間位置上土壤養(yǎng)分和水分等因子存在的差別以及土壤本身的變化。Li等［14］則將空間異質(zhì)性定義為系統(tǒng)或系統(tǒng)屬性在空間上的復(fù)雜性和變異性。但到目前為止，國內(nèi)外對(duì)林間草地土壤養(yǎng)分的空間異質(zhì)性研究還比較少。

土壤的水解性氮、有效磷和速效鉀是最重要的土壤化學(xué)因子，在林間草地土壤中，這些因子的空間變化直接影響著植被的根系，進(jìn)而影響植被的生長(zhǎng)，研究這些因子的空間異質(zhì)性，對(duì)深入了解地上植被的類型、變異規(guī)律和生長(zhǎng)具有十分重要的意義。為此，本論文以北方典型林間草地為研究對(duì)象，在實(shí)地調(diào)查和采樣分析的基礎(chǔ)上，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法定量研究了林間草地土壤上層(0～30 cm)的水解性氮、有效磷和速效鉀的空間異質(zhì)性，掌握其變異規(guī)律，并利用EXCEL軟件繪制了研究區(qū)域土壤水解性氮、有效磷和速效鉀的空間分布圖。目的在于理解小尺度下土壤養(yǎng)分空間分布特征，為深入研究土壤空間異質(zhì)性與植被類型和生長(zhǎng)的關(guān)系提供重要的參考，為北方人工草地的建植與養(yǎng)護(hù)管理提供基礎(chǔ)資料。

2 研究材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)設(shè)在內(nèi)蒙古通遼市科爾沁區(qū)，地處北緯43°22'～43°58'，東經(jīng) 121°42'～123°02'。該區(qū)在氣候、植物和土壤等方面具有較強(qiáng)的典型性。四季分明，光照充足，雨熱同期，氣溫適中。年平均氣溫6.1℃，日照數(shù) 3 113 h，年平均降水量385.1 mm，春秋降水量占年降水量的13%～16%。年平均無霜期150 d，年平均風(fēng)速3.6 m/s。采集土壤地點(diǎn)為科爾沁區(qū)的油松與人工草地的混植地帶，是草地早熟禾和紫羊茅的混播草地，草地早熟禾與紫羊茅混播比例為7∶3，土質(zhì)主要為沙壤土。

2.2 土壤采集和處理

采樣時(shí)間為2012年8月7日，取樣方法采用隨機(jī)取樣，共設(shè)36個(gè)采樣點(diǎn)，分別于樹木、草本、路邊裸露土地3種環(huán)境各設(shè)12個(gè)采樣點(diǎn)，記錄各點(diǎn)坐標(biāo)及各點(diǎn)附近植物情況。每點(diǎn)分3層進(jìn)行取樣，即0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm，每點(diǎn)取5鉆土樣混合均勻后用四分法再取0.5 kg土樣，風(fēng)干后取出土樣20～30 g，磨細(xì)并全部通過1 mm篩，置于廣口瓶中備用。

2.3 土壤元素測(cè)定

試驗(yàn)中土壤水解性氮含量采用堿解擴(kuò)散法進(jìn)行測(cè)定，土壤有效磷含量采用NaHCO3浸提－鉬銻抗比色法進(jìn)行測(cè)定，土壤速效鉀采用NH4OAc浸提－火焰光度法進(jìn)行測(cè)定。

2.4 數(shù)據(jù)處理

對(duì)測(cè)定的樣品數(shù)據(jù)，運(yùn)用 SPSS 13.2軟件及Excel 2007進(jìn)行分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤養(yǎng)分在不同土層植被、空間分布特征

不同景觀類型區(qū)土壤氮、磷、鉀空間變異性的經(jīng)典統(tǒng)計(jì)特征分析見表1。

由表1可以看出，隨著土層深度的增加，土壤水解性氮、有效磷及速效鉀含量均逐漸減少。以樹木和草本為主，10～20 cm土層的土壤與0～10 cm土層水解性氮含量無顯著差異(P＞0.05)，但與20～30 cm土層土壤差異顯著(P＜0.05);而路邊土壤取樣點(diǎn)0～10 cm土層土壤與10～20 cm，20～30 cm土層土壤的水解性氮含量差異顯著(P＜0.05)。10～20 cm土層土壤有效磷含量無論是樹木、草本還是路邊取樣點(diǎn)與0～10 cm土層差異均不顯著(P＞0.05)，與20～30 cm土層均存在顯著差異(P＜0.05)。以樹木為主的取樣點(diǎn)0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm各層土層之間速效鉀含量均存在顯著或極顯著差異(P＜0.05，P＜0.01);以草本為主的取樣點(diǎn)10～20 cm土層土壤速效鉀含量與0～10 cm土層無顯著差異(P＞0.05)，與20～30 cm土層差異顯著(P＜0.05)。表明水解性氮、有效磷和速效鉀在土壤的剖面分布具有一定的表聚性。這是由于表層土壤受人為活動(dòng)影響最為強(qiáng)烈，植被根系又多密集于土壤表層，而土壤養(yǎng)分的剖面分布狀況主要取決于有機(jī)質(zhì)進(jìn)入土壤的方式。因此，0～10 cm土壤層水解性氮、有效磷、速效鉀含量明顯高于其下層。

為進(jìn)一步準(zhǔn)確而直觀地描述不同植被類型影響下的土壤水解性氮、有效磷及速效鉀的空間分布特征，運(yùn)用Excel軟件對(duì)0～10 cm土層土壤的水解性氮、有效磷及速效鉀進(jìn)行分布圖制作。

水解性氮是土壤中易水解的蛋白質(zhì)、氨基酸、酰胺、NH4+-N和NO3－-N的總和。因此土壤水解性氮的多少與土壤有機(jī)質(zhì)的含量及其轉(zhuǎn)化有關(guān)。樹木、草本、路邊對(duì)土壤水解性氮的影響如圖1(a)所示。從圖1(a)可以清楚地看出，土壤水解性氮以距離樹木較近的取樣點(diǎn)含量最高，其范圍在79.1～153.3 ug/g，這與樹木枯枝落葉歸還量大有關(guān)。路邊土壤取樣點(diǎn)水解性氮含量最低，這與路邊土壤植被少，裸露土地多，枯枝落葉量少有關(guān)。

表1 土壤養(yǎng)分在不同土層中的含量分布Table 1 Distribution of soil nutrient content in different layers μg/g

土壤有效磷是土壤中易被植物吸收利用的磷酸鹽，它極易受周圍環(huán)境因素的影響。樹木、草本、路邊對(duì)土壤有效磷的效應(yīng)如圖1(b)所示。從圖1(b)可以看出，3種植被環(huán)境下，樹木對(duì)土壤有效磷的效應(yīng)最高，這可能與樹木根系活化土壤磷素的能力強(qiáng)有關(guān)。

土壤速效鉀主要是以交換性鉀為主，也包括少量的水溶性鉀，很容易被植物吸收利用。從圖1(c)可以看出，土壤速效鉀含量以距離樹木較近的取樣點(diǎn)最高，草本為主的取樣點(diǎn)次之，路邊取樣點(diǎn)最低。這可能是由于樹木植被指數(shù)大、對(duì)速效鉀需求大、搶先利用的能力強(qiáng)所致。

圖1 0～10 cm土壤水解性氮、有效磷和速效鉀含量分布Fig.1 Distribution of hydrolytic nitrogen，available phosphorus and rapidly available potassium in soil layer of depth 0～10cm

3.2 土層、植被對(duì)土壤養(yǎng)分空間分布特征影響的顯著性分析

對(duì)各取樣點(diǎn)土壤水解性氮、有效磷、速效鉀含量做無重復(fù)雙因素方差分析，如表2所示，水解性氮、有效磷及速效鉀含量均與土壤厚度呈極顯著(P＜0.01)或顯著(P ＜0.05)負(fù)相關(guān)，即隨土層加深，水解性氮、有效磷及速效鉀含量降低?？梢?，水解性氮、有效磷及速效鉀含量在林間草地土壤中具有明顯的層次性。這是由于越是土壤底層，受植被的影響越弱，土壤養(yǎng)分含量也就越低。

表2 植被與土層對(duì)林間草地土壤養(yǎng)分影響的差異顯著性分析Table 2 Result of significance analysis on the impact of vegetation and soil layer on soil nutrients in forest grassland

土壤屬性的空間異質(zhì)性對(duì)植被有重要的影響［15］，土壤屬性的空間分布是潛在的局地異質(zhì)性的總和，它們受生物學(xué)和地質(zhì)學(xué)等過程影響，使得區(qū)域化變量在空間分布上存在差異性，因而產(chǎn)生異質(zhì)的土壤環(huán)境［16］，異質(zhì)的土壤環(huán)境又影響群落的結(jié)構(gòu)組成和功能組成以及物種競(jìng)爭(zhēng)和植被動(dòng)態(tài)［17］。由表2可以看出，研究樣點(diǎn)土壤水解性氮和有效磷的分布在植被類型的影響下具有極顯著(P＜0.01)或顯著(P＜0.05)差異，而速效鉀的分布在植被類型的影響下差異卻不顯著，這可能是由于鉀的流動(dòng)性強(qiáng)，隨水分的變化水平無明顯差異。

由表2可知，植被土層對(duì)土壤水解性氮、有效磷及速效鉀的分布均有顯著(P＜0.05)的互作效應(yīng)。

4 討論

通過研究發(fā)現(xiàn)，不同植被類型以及不同土層深度間的土壤水解性氮、有效磷和速效鉀含量的分布具有一定的規(guī)律性。王軍等［18］研究表明，植物對(duì)土壤養(yǎng)分的選擇性吸收和利用能力可能是導(dǎo)致其空間異質(zhì)性的主要原因。土壤營養(yǎng)物質(zhì)(養(yǎng)分、礦物質(zhì)、水鹽分等)主要源于凋落物(枯枝落葉)、細(xì)根分泌物及死亡分解物等，而其林下凋落物質(zhì)量、分解率差異、細(xì)根分布等可能是土壤養(yǎng)分變異的主導(dǎo)因子。引起土壤養(yǎng)分變異也可能與其水溶性、水平移動(dòng)性、穩(wěn)定性等有關(guān);林窗林下植被、光溫水熱等條件差別大，也一定程度上影響其在空間的變異規(guī)律。杜峰［19］等人的觀點(diǎn)認(rèn)為，植物在生長(zhǎng)過程中因?yàn)閭€(gè)體大小的差異，個(gè)體對(duì)土壤養(yǎng)分搶先利用的能力和需求不同，故土壤養(yǎng)分在空間分布中隨著植被指數(shù)的不同而呈現(xiàn)出異質(zhì)性。土壤養(yǎng)分的高值區(qū)的聚集區(qū)與植被指數(shù)的聚集區(qū)有差異，本研究表明，距離樹木較近的點(diǎn)的土壤水解性氮、有效磷和速效鉀含量最高，而取樣地以草本植物為主的點(diǎn)次之，路邊土壤取樣點(diǎn)最低。此結(jié)論也符合杜峰等人的這一觀點(diǎn)。此外，影響土壤養(yǎng)分含量的另一因素可能是不同植被類型下根系和地表凋落物中碳氮比和微生物區(qū)系也會(huì)使土壤養(yǎng)分分解不同［20］。

植物對(duì)養(yǎng)分分布格局的影響具有時(shí)間性，再生的植物斑塊與干擾后土壤養(yǎng)分的再分布格局交互影響可能或多或少?zèng)Q定著再生植物個(gè)體的生長(zhǎng)過程;同時(shí)不同種類植物之間的相互影響或競(jìng)爭(zhēng)，不僅對(duì)目前土壤養(yǎng)分異質(zhì)性作出被動(dòng)反應(yīng)，也主動(dòng)重新改變著土壤養(yǎng)分的分布。由此可以推斷，隨著更新時(shí)間的延長(zhǎng)，人促更新方式與天然更新方式林分水平土壤的空間結(jié)構(gòu)特征將愈加相似［21］。植被對(duì)土壤水解性氮、有效磷和速效鉀含量的影響主要通過凋落物歸還到土壤中的有機(jī)質(zhì)來實(shí)現(xiàn)［22］，表層土壤由于受凋落物積累量、微生物分解等多因子的影響，使其表層的有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分元素含量及變化都不同程度地高于下層，這與本試驗(yàn)得出的結(jié)論相符。同時(shí)由于植被的根系對(duì)土壤的理化性質(zhì)發(fā)生作用的主要有效區(qū)域也為土壤表層，因此對(duì)土壤表層有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分等性質(zhì)的研究就顯得更為重要［23］。

5 結(jié)論

土壤水解性氮、有效磷和速效鉀在土壤的剖面分布具有一定的表聚性，含量與植被指數(shù)呈正性相關(guān)。

水解性氮、有效磷及速效鉀含量均與土壤厚度呈極顯著(P ＜0.01)或顯著(P＜0.05)負(fù)相關(guān);除速效鉀外，土壤水解性氮和有效磷的分布在植被類型的影響下具有極顯著(P＜0.01)或顯著(P＜0.05)差異;植被土層對(duì)土壤水解性氮、有效磷及速效鉀的分布均有顯著(P＜0.05)的互作作用。

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