三江源土壤養(yǎng)分分布特征及其對主要氣候要素的響應(yīng)

秦小靜，孫建，王海明

1. 中國科學院地理科學與資源研究所生態(tài)網(wǎng)絡(luò)觀測與模擬重點實驗室，北京 100101；2. 西華師范大學，四川 南充 637000；3. 中國科學院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川 成都 610041

三江源土壤養(yǎng)分分布特征及其對主要氣候要素的響應(yīng)

秦小靜1,2，孫建1*，王海明3

1. 中國科學院地理科學與資源研究所生態(tài)網(wǎng)絡(luò)觀測與模擬重點實驗室，北京 100101；2. 西華師范大學，四川 南充 637000；3. 中國科學院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川 成都 610041

選擇三江源地區(qū)22個高寒草甸樣地進行土壤分層（0～10，10～20，20～30 cm）取樣，測定土壤的pH值、有機碳（Total organic carbon，TOC）、全氮（Total nitrogen，TN）、速效氮（Available N）、全磷（Total phosphorus，TP）和速效磷（Available P，AP），并與年均溫（Mean annual temperature，MAT）和年降水量（Mean annual precipitation，MAP）進行相關(guān)分析。結(jié)果表明：在研究區(qū)域，從西北向東南pH值依次降低，而土壤養(yǎng)分中的有機碳、全氮和速效氮的分布特征則相反。隨著土壤深度的增加，pH值先保持不變后稍微增大，土壤各養(yǎng)分含量呈減少趨勢，其中10～20和20～30 cm土壤中的全氮含量分別為3.85，3.40 g·kg-1，速效磷含量分別為3.67和3.90 mg·kg-1，即全氮和速效磷含量在深層土壤中變化幅度不大。在對溫度降水響應(yīng)方面，有機碳、全氮和全磷，對年降水量比年平均溫度更敏感，呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系；土壤pH值與年降水量呈顯著的負相關(guān)關(guān)系；土壤pH值和大部分養(yǎng)分在淺層土壤比深層土壤對溫度降水的靈敏度大，然而速效磷與年均溫的負相關(guān)關(guān)系在20～30 cm（-0.617，P<0.01）土壤中大于0～10 cm（-0.509，P<0.05）、10～20 cm（-0.521，P<0.05）土壤。

土壤養(yǎng)分；分布特征；溫度；降水；三江源

土壤是生態(tài)系統(tǒng)中大氣圈、水圈、生物圈和巖石圈的連接者，是最大的有機碳庫（王長庭等，2008），土壤碳庫約是大氣碳庫的2倍（楊成德等，2008），是生態(tài)系統(tǒng)中不可或缺的部分。在陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳氮循環(huán)中，土壤中的礦化、硝化、反硝化作用等決定其循環(huán)的速率，土壤有機質(zhì)、氮素等養(yǎng)分物質(zhì)決定著生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和生產(chǎn)力水平（李凱輝等，2007）。土壤是植物生長的基礎(chǔ)，土壤的理化性質(zhì)影響著植物群落多樣性，土壤中可利用的營養(yǎng)成分決定著地上植物的生產(chǎn)力（Wu et al，2001）。而草地作為僅次于森林的重要陸地生態(tài)系統(tǒng)（楊小紅等，2004），草地土壤的有機質(zhì)和碳氮循環(huán)等一直是土壤學和生態(tài)學中的研究熱點，在高寒草地中，不同土壤組分的碳氮含量不同（王文穎等，2009），中度、重度退化的草地土層中有機質(zhì)含量顯著降低（蔡曉布等，2008），土壤中微生物等也會影響土壤有機物質(zhì)的含量（楊成德等，2008），酸堿度則影響著土壤肥力和可利用養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化（王瑞永等，2009），同時，土壤中物質(zhì)轉(zhuǎn)化和能量循環(huán)的過程受到氣候環(huán)境的影響。

在對氣候變化的響應(yīng)中，青藏高原作為世界“第三極”，平均海拔在4000 m以上，草地植被廣泛分布，青藏高原典型草地生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化的響應(yīng)敏感（張永強等，2006），土壤連接的能量循環(huán)更易受到影響。在大范圍尺度上，氣溫對高海拔地區(qū)的地上凈初級生產(chǎn)力影響較大，降水的影響較弱且表現(xiàn)為滯后效應(yīng)（張法偉等，2009）。Franzluebbers et al.（2001）認為對土壤生態(tài)特征影響中，年均溫度大于降水量。而在西藏高寒草原土壤活性有機碳分布研究中（王建林等，2009），南北樣帶表層土壤的活性有機碳主要受年均溫控制，而東西樣帶中主要受年均降水量影響。另外，土壤中有機質(zhì)和有效養(yǎng)分隨著海拔高度的升高表現(xiàn)出先降低后增加的趨勢（王瑞永等，2009）。青藏高原地形地貌復雜多變，不同地區(qū)土壤理化性質(zhì)差異性較大，其影響的氣候因子也不盡相同。本文通過分析不同深度土壤中 pH值和養(yǎng)分含量分布特征及其對主要氣候因子的響應(yīng)，以期為生態(tài)系統(tǒng)中氣候與土壤中物質(zhì)循環(huán)的關(guān)系提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地區(qū)位于青海南部三江源（東經(jīng)95°56′～99°6′，北緯 32°20′～35°40′）地區(qū)（圖 1），三江源位于青藏高原腹地，是長江、黃河、瀾滄江3大河流的發(fā)源地，高原生物多樣性豐富，被譽為高寒生物自然種質(zhì)資源庫。三江源區(qū)地形起伏復雜，平均海拔為 4200 m，河網(wǎng)密布，屬于典型的高原大陸性氣候，沒有四季之分，年平均氣溫-1.7 ℃，年平均降水量600 mm，集中在5─10月，太陽輻射強烈，年日照平均值在2500 h以上，蒸發(fā)量為 1160.3mm，全年無絕對無霜期。實驗樣點主要分布在玉樹州稱多縣和瑪多縣，海拔范圍為4200～4700 m，樣點植被為高寒草甸，主要優(yōu)勢種有高山嵩草（Kobresia pygmaea）和紫花針茅（Stipa purpurea Griseb），土壤多為砂質(zhì)土壤，部分樣點為粘壤。

圖1 研究樣點的位置分布Fig. 1 The distribution of analysis sites

1.2 研究方法

實驗在2009年7月21日到25日期間分別在22個樣點采用土鉆法挖取剖面的形式取樣，取樣的土壤深度分別為0～10、10～20和20～30 cm，每個樣地取樣3次作為重復，將3次重復取得的土樣混合均勻風干后過篩，去除草根和小石塊等雜物。

在測定土樣理化性質(zhì)中，pH用酸度計法；有機碳（Total organic carbon，TOC）用重鉻酸鉀硫酸外加熱法，全氮（Total nitrogen，TN）用半微量凱氏定氮法，全磷（Total phosphorus，TP）和速效磷（Available P，AP）用鉬銻抗比色法，速效氮（Available N，AN）采用擴散吸收法測定（吳建國，2007），理化性質(zhì)的測定均為3次重復。

氣候數(shù)據(jù)來源于中國氣象局青海氣象站點逐月的平均溫度和降水量，通過整理插值后提取研究樣點的年平均溫度和年降水量。

在數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析中，首先分析研究樣點3層土壤養(yǎng)分的變化情況，采用3層（0～30 cm）土壤平均值來比較樣點土壤pH和養(yǎng)分差異，并用標準差來分析樣點3層土壤數(shù)據(jù)的離散程度；用單因子方差分析土壤各層間的差異性，運用相關(guān)關(guān)系對土壤pH值、有機碳含量、全氮、全磷、速效氮和速效磷與年均溫和年均降水的關(guān)系進行相關(guān)分析，并對通過顯著性檢驗的因素進行回歸分析。分析采用ArcGIS 9.3（ESRI，Inc.，Redlands，CA，USA）、SPSS 16.0和SigmaPlot 10.0（Systat Software，Inc.，Chicago，IL，USA）軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 研究區(qū)土壤pH值和各養(yǎng)分分布特征

由表1中樣點對應(yīng)圖1可知，研究地區(qū)的西北部pH值較大，最大值為8.48，pH值梯度較大，東南部pH值在6.5左右。0～30 cm土壤中有機碳含量的空間差異明顯。土壤中全氮含量在研究區(qū)東南部出現(xiàn)峰值，為10.15 g·kg-1，從東南到西北方向全氮含量逐漸減少，而土壤中全磷含量的空間差異較小，在南部出現(xiàn)峰值，依次向北部減少。在研究區(qū)0～30 cm土壤速效氮分布中，與有機碳、全氮趨勢相同。和速效氮不同，速效磷含量差異不大。同時從表1中可以看出，各樣點0～30 cm土壤均值中，有機碳、全氮、速效氮含量差異較大。

表1 研究樣點0～30 cm土壤的基本理化性質(zhì)Table 1 Soil physical and chemical properties in 0～30 cm depth

圖2 22個樣點3層土壤深度的中的土壤養(yǎng)分分布特征Fig. 2 The distribution patter of soil nutrient in 0～10cm, 10～20 cm and 20～30cm depths of 22 sites

由圖2可知，20～30 cm土壤的pH值相對淺層土壤偏高，各養(yǎng)分含量隨著土壤深度的增加均有所減少，其中在垂直分布中速效磷含量差異最大。在研究樣點中，從上到下3層土壤平均pH值分別為7.45、7.49和7.61，在0～10和10～20 cm土壤中，pH值集中在7.5～8.5之間的樣點較多，在20～30 cm土壤中，研究樣點pH值主要集中在在6.0和8.5左右。多數(shù)樣點 3層土壤的有機碳含量范圍為 0～50 g·kg-1，在20～30 cm土層中，均在150 g·kg-1以下，0～10 cm土層中有機碳的含量均值為78.08 g·kg-1，10～20 cm中的均值含量減少25.67 g·kg-1，20～30 cm土層的有機碳含量再減少 7.30 g·kg-1。10～20和20～30 cm土壤中的全氮含量較接近，分別為 3.85和3.40 g·kg-1。22個研究樣點3層土壤中的全磷含量均約為0.6 g·kg-1，在0～10 cm土層中，多數(shù)樣點的全磷值在0.5～0.9 g·kg-1，而在另外兩層土壤中，更多樣點的全磷含量集中在0.5～0.7 g·kg-1。相對于0～10 cm土層中 458.15 mg·kg-1的速效氮含量，10～20、20～30 cm 土層中含量分別減少 134.64、173.74 mg·kg-1，而這兩層土壤中的速效磷含量相近，均約為3.7 mg·kg-1，且所有樣點的值范圍為2～8 mg·kg-1，0～10 cm 土層中的速效磷含量為 8.63 mg·kg-1。在在土壤垂直分布中，0～10 cm的速效磷含量與10～20和20～30 cm中的含量存在顯著差異性。該結(jié)果表明，不同樣地土壤pH值和土壤養(yǎng)分含量的垂直分布特征不同。

將3層土壤中的pH值和有機碳、全氮、全磷、速效氮和速效磷進行多因子方差分析，結(jié)果如表2，在0～10 cm土壤中，所用的主因子方差分析模型通過檢驗（F=7.822，P<0.01），pH值和各樣分存在顯著差異性（F=34.535，P<0.01）。在10～20 cm土壤深度中，模型沒有通過檢驗（F=1.169，P=0.29），不能判定pH值和各樣分有差別。在20～30 cm土壤深度中，模型通過檢驗（F=6.324，P<0.01），且pH值和各樣分之間的差異性顯著（F=26.943，P<0.01）。而3層土壤中，22個樣點之間不存在差異性。

表2 研究樣點各層土壤pH值和各養(yǎng)分的多因子方差分析Table 2 Analysis of variance of pH and soil nutrient of each soil layer in study samples

表3 不同土壤深度土壤養(yǎng)分與氣候因子的相關(guān)系數(shù)Table 3 The correlation of soil nutrient with climate factors in different soil depths

2.2 土壤中 pH值和養(yǎng)分與主要氣候要素的相關(guān)關(guān)系

表3表明，年均溫、降水量與經(jīng)緯度均呈負相關(guān)性，年均溫與經(jīng)度的相關(guān)性大于緯度，相比之下，年均降水量與緯度的相關(guān)系數(shù)大于經(jīng)度。在 0～10cm土壤中，pH值與緯度、年降水量呈現(xiàn)顯著的相關(guān)關(guān)系，r值分別為0.736、-0.801，全磷含量與年降水量的相關(guān)系數(shù)為 0.675，有機碳和全氮含量與年降水量有正相關(guān)關(guān)系。在10～20 cm土壤中，pH值和緯度、年降水量存在明顯的相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)系數(shù)均有所降低，全磷含量和年降水量的相關(guān)系數(shù)減少，同時與緯度呈顯著的負相關(guān)。在 20～30 cm土壤中，年降水量分別和全磷、pH呈顯著的正相關(guān)和負相關(guān)關(guān)系，年均溫和速效磷也存在顯著負相關(guān)（r=-0.617）。在0～30 cm土壤均值與氣候主要要素關(guān)系中，緯度和年降水量對全磷、pH值的相關(guān)性均通過顯著性檢驗，年均溫與速效磷也存在顯著的負相關(guān)關(guān)系，速效磷和年均溫相關(guān)關(guān)系為負相關(guān)。

圖3 不同土壤深度的pH值、養(yǎng)分與主要氣候因子的關(guān)系Fig. 3 The relationships of pH, nutrient with main climatic factors in different soil depths

將表3中通過顯著性檢驗（P<0.001）的緯度、年均溫和年降水量與土壤pH值、全磷和速效磷做回歸分析（圖3），發(fā)現(xiàn)緯度與0～10 cm的pH值得擬合直線為y=0.712x-16.993（r=0.542，P<0.001），隨著土壤深度增加，緯度對pH值影響減少，10～20 cm 土壤中緯度和 pH 值得擬合直線為y=0.61x-13.438（r=0.336，P<0.05），緯度與0～30 cm土壤pH均值的擬合直線與10～20 cm中擬合直線接近重合。相似的是，緯度對10～20和0～30 cm的全磷含量的線性關(guān)系較為接近，其中后者的擬合直線為 y=-0.143x+5.541（r=0.321，P<0.05）。年均溫對20～30和0～30 cm的速效磷線性關(guān)系的直線方程分別 為 y=-0.79x+1.437（ r=0.381， P<0.05）、y=-1.058x+2.201（r=0.307，P<0.05）。年降水量與pH是負相關(guān)關(guān)系，線性直線方程較為接近，其中0～10 cm層的擬合線為y=-0.011x+11.918（r=0.641，P<0.05），年降水量對3層土壤中全磷的線性關(guān)系依次為y=-0.003x-0.398（0～10 cm，r=0.45，P<0.05），y=-0.002x-0.348（10～20 cm，r=0.43，P<0.05），y=-0.003x-0.327（0～10 cm，r=0.429，P<0.05），而年降水量與0～30 cm土壤中速效磷均值的線性方程與10～20 cm的更為接近。

3 討論

本文研究結(jié)果表明，在空間分布特征中，研究地區(qū)土壤pH值和各養(yǎng)分含量存在差異，是由植被結(jié)構(gòu)不同，表層土壤的再分配造成的（王其兵等，1998），例如固氮物種的存在可以顯著增加土壤氮含量（宋希娟等，2008），pH值偏高的樣點，土壤養(yǎng)分含量偏低，其中有機碳、全氮和速效氮含量變化相對一致，這種土壤有機碳和全氮含量相似的動態(tài)規(guī)律也在林草復合植被中得到驗證（陳小紅等，2008）。另外土壤中氮素主要以有機態(tài)形式存在，土壤中全氮含量養(yǎng)分豐富，但有效養(yǎng)分較低，即速效氮含量遠低于全氮含量。全磷和速效磷的含量分布較為一致，這種差異有多種原因造成，土壤質(zhì)地是其中的因素，例如西藏那曲地區(qū)東部壤質(zhì)土壤中的有機質(zhì)和全氮含量要高于西部的砂化土壤（萬運帆等，2006）。

在垂直分布特征中，隨著土壤深度的增加，各樣分含量都有所降低。土壤中的養(yǎng)分含量和生物積累、分解作用等有密切關(guān)系，氮素的礦化和硝化作用受土壤深度的影響很大，氮礦化一般隨土壤深度增加而降低（王?；鄣?，2004），一般在外界條件都相同情況下，中性土壤的分解作用快于酸性土壤，在淺層土壤pH呈現(xiàn)中性的樣點土壤中有機碳含量更高些。磷酸鹽是土壤中可利用磷的主要形式，而土壤pH決定土壤溶液中磷酸鹽形式，在低pH條件下，磷被吸附于黏土表面、氧化鐵和鋁上，相對不容易被植物多利用，所以在淺層土壤中，pH和速效磷的分布趨勢較為相似。

有研究表明，土壤養(yǎng)分的變化和水熱因素有直接關(guān)系（李凱輝等，2007）。在三江源地區(qū)，是高原低溫的氣候特征，土壤呼吸作用減弱，相對于全國有機質(zhì)層有機碳的儲量，研究區(qū)域土壤中的有機碳含量較低（田玉強等，2008）。低溫環(huán)境中，土壤中的有機碳、全氮、速效氮含量對年降水量更為敏感，特別是在淺層土壤中。在對新疆的高寒草甸研究中，也得出土壤含水量和速效氮存在顯著正相關(guān)關(guān)系（王鑫等，2008）的結(jié)論，而在祁連山草甸地區(qū)，氣候變暖加快土壤氮素的礦化作用（車宗璽等，2006），溫度升高，土壤氮礦化速率加快，氮素含量增加。在年均溫較低的三江源地區(qū)，溫度對土壤有機碳含量影響較弱。隨著濕度的增加，土壤中氮素積累增加，隨著溫度的升高，有機質(zhì)分解加速，氮素含量相對減少。

土壤溫度和水分含量是影響土壤有機質(zhì)分解和礦化的主要環(huán)境因子，經(jīng)緯度和溫度、降水有顯著的相關(guān)性，隨著經(jīng)緯度的增加，年均溫降低，年降水量減少，土壤含水量降低，可分解的氫離子減少，pH值增大，而土壤的酸堿度決定了土壤中有機磷的礦化和無機磷的溶解（王瑞永等，2009），土壤中磷酸鹽可利用率降低，全磷、速效磷含量減低。土壤 pH、養(yǎng)分和經(jīng)緯度存在顯著相關(guān)關(guān)系，即是對溫度降水兩者因素均有響應(yīng)，兩者的共同作用比單獨的溫度或濕度影響大（王?；鄣?，2004），其中，土壤有機碳、全氮、全磷和速效氮對年降水量響應(yīng)強烈，速效磷對年均溫響應(yīng)強烈。而在在森林生態(tài)系統(tǒng)中，土壤中有效氮表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性特征，這和降水的季節(jié)性有密切關(guān)系（莫江明等，2001）。在研究地區(qū)中，年降水量通過決定土壤pH值間接影響土壤中全磷、速效磷含量，另外，在深層土壤中，盡管速效磷的變化動態(tài)有差異，但總體趨勢是隨著溫度升高速效磷含量逐漸減少。

土壤養(yǎng)分含量受到多個因素影響，如凋落物、微生物甚至小型動物活動等，另外復雜的地形、多樣的植被類型和人類活動的不確定性對土壤養(yǎng)分的影響還需進一步研究。

4 結(jié)論

在研究區(qū)域，pH值較高的樣點，土壤養(yǎng)分含量相對較低，土壤養(yǎng)分中的有機碳、全氮和速效氮的分布具有一致性，全磷和速效磷含量分布較為一致。隨著土壤深度的增加，pH值先保持不變后稍微增大，土壤各養(yǎng)分含量呈減少趨勢，其中10～20和 20～30 cm土壤中的全氮含量分別為3.85，3.40 g·kg-1，速效磷含量分別為3.67和3.90 mg·kg-1，即全氮和速效磷含量在深層土壤中變化幅度不大。在對溫度降水響應(yīng)方面，有機碳、全氮和全磷，對年降水量比年平均溫度更敏感，呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系；土壤pH值與年降水量呈顯著的負相關(guān)關(guān)系；土壤pH值和大部分養(yǎng)分在淺層土壤比深層土壤對溫度降水的靈敏度大，然而速效磷與年均溫的負相關(guān)關(guān)系在20～30 cm（-0.617，P<0.01）土壤中大于0～10 cm（-0.509，P<0.05）、10～20 cm（-0.521，P<0.05）土壤。

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Distribution of Soil Nutrients and Response to Main Climatic Factors in Three River Source

QIN Xiaojing1,2, SUN Jian1*, WANG Haiming3
1. Synthesis Research Centre of Chinese Ecosystem Research Network, Key Laboratory of Ecosystem Network Observation and Modelling, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China; 2. West Normal University, Nanchong 637000, China; 3. Institute of Mountain Hazards and Environment, Chinese Academy of Science, Chengdu 610041, China

Twenty-two sites in alpine meadow were chosen to determined the spatial pattern of the soil pH, total organic C (TOC), total N (TN), total P (TP), available N (AN)and available P (AP), Three River Source. We explored the correlation relationships between soil nutrient content and mean annual temperature (MAT), mean annual precipitation (MAP). The results indicated that the pH decreased gradually, but the characteristic of distribution of TOC, TN and AN was increased from northwest to southeast. pH was increased slightly with the increased of soil depth. However, the content of soil nutrients was decreased. In the soil depths of 10～20 cm and 20～30 cm, the content of TN was 3.85 g·kg-1, 3.40 g·kg-1and the content of AP was 3.67 mg·kg-1, 3.90 mg·kg-1respectively. In terms of the response to MAT and MAP, the TOC, AN, AP were more sensitive to MAP than MAT which have a significant positive correlation; on the other hand, the pH has a significant negative correlation with MAP. Besides, the sensitivity of pH and mostly soil nutrients to MAT and MAP was higher in shallow soil than the deeper soil depths, but the negative relationship between AP and MAT was higher in 20～30 cm (-0.617, P<0.01) than that in 0～10 cm (-0.509, P<0.05) and 10～20cm (-0.521, P<0.05) soil depth.

soil nutrient; distribution pattern; temperature; precipitation; Three River Source

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.08.006

X144；S15

A

1674-5906（2015）08-1295-07

秦小靜，孫建，王海明. 三江源土壤養(yǎng)分分布特征及其對主要氣候要素的響應(yīng)[J]. 生態(tài)環(huán)境學報, 2015, 24(8): 1295-1301.

QIN Xiaojing, SUN Jian, WANG Haiming. Distribution of Soil Nutrient and Response to Main Climatic Factors in Three River Source [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(8): 1295-1301.

西部行動計劃“西藏高原生態(tài)安全屏障監(jiān)測評估方法與技術(shù)研究”（KZCX2-XB3-08）

秦小靜（1989年生），女，碩士研究生，研究方向為區(qū)域環(huán)境經(jīng)濟與生態(tài)環(huán)境研究。E-mail: Xiaojingqin513@163.com *通信作者。E-mail: sunjian@igsnrr.ac.cn

2015-07-27