祁連山不同草地類型土壤有機(jī)質(zhì)與全氮分布的關(guān)系

袁子茹，任　靈，陳建綱，李　碩，胡新振，陳　偉，張德罡

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 草業(yè)學(xué)院/草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/甘肅省草業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室/中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州　730070； 2.蘭州城市學(xué)院，甘肅 蘭州　730070)

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祁連山不同草地類型土壤有機(jī)質(zhì)與全氮分布的關(guān)系

袁子茹1，任靈1，陳建綱1，李碩1，胡新振1，陳偉2，張德罡1

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 草業(yè)學(xué)院/草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/甘肅省草業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室/中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州730070； 2.蘭州城市學(xué)院，甘肅 蘭州730070)

對祁連山的5種草地類型土壤有機(jī)質(zhì)和全氮分布特征及兩者間的關(guān)系進(jìn)行了研究。結(jié)果顯示，土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量隨土層加深而降低，不同草地類型土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量差異明顯。5種草地類型中，土壤有機(jī)質(zhì)含量大小順序?yàn)楦吆莸?151 g/kg)>高寒草原(30 g/kg)>溫性草原(25 g/kg)>荒漠草原(16 g/kg)>溫性荒漠(9.5 g/kg)；土壤全氮含量順序均為高寒草甸(7 600 mg/kg)>高寒草原(2 100 mg/kg)>溫性草原(2 000 mg/kg)>荒漠草原(1 800 mg/kg)>溫性荒漠(750 mg/kg)。相關(guān)性分析結(jié)果顯示，土壤有機(jī)質(zhì)與全氮呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，表明土壤有機(jī)質(zhì)是影響土壤全氮的關(guān)鍵生態(tài)因子之一。

草地；土壤有機(jī)質(zhì)；全氮；分布特征；相關(guān)性

土壤有機(jī)質(zhì)和全氮可以改善土壤物理、化學(xué)和生物性質(zhì)[1-2]，是土壤肥力的重要指標(biāo)。土壤有機(jī)質(zhì)是植物養(yǎng)分的來源，其含量既影響植物的生長發(fā)育，又對其他營養(yǎng)元素含量有一定的影響[3]。土壤全氮包括有機(jī)氮和無機(jī)氮素，是土壤氮素總量和供應(yīng)植被有效氮素的源和庫。土壤有機(jī)質(zhì)和全氮用于評價(jià)土壤的供氮水平，是進(jìn)行土壤分析和實(shí)驗(yàn)室測定的例行項(xiàng)目。

草地生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最重要的生態(tài)系統(tǒng)類型之一，在全球碳氮循環(huán)和氣候調(diào)節(jié)中起重要作用[4-5]。青藏高原廣泛分布的高寒草甸、高寒草原、溫性草原、溫性荒漠等均屬自然生態(tài)類型，這幾類草地在亞歐大陸具有重要的區(qū)域代表性[6-7]。祁連山地處青藏、蒙新、黃土三大高原交匯地帶，作為青藏高原和北部內(nèi)陸荒漠地區(qū)重要的分水嶺，在維系西北高原氣候、水土保持方面具有重要的戰(zhàn)略意義[8]。全球性氣候變暖、草地土壤退化、土壤肥力下降，造成草地生產(chǎn)能力下降。以恢復(fù)退化草地為主的生態(tài)環(huán)境建設(shè)是實(shí)施西部大開發(fā)的根基，因此，對土壤肥力進(jìn)行研究可采取合理措施恢復(fù)草地生產(chǎn)力。通過對祁連山5個(gè)草地類型土壤有機(jī)質(zhì)與土壤全氮的關(guān)系研究，以期揭示祁連山天然草地土壤碳氮的空間分布特征，為了解青藏高原對氣候變化響應(yīng)的區(qū)域差異提供科學(xué)依據(jù)。

1　材料和方法

1.1研究區(qū)自然概況

分別在甘肅省山丹縣、民樂縣、中牧公司山丹馬場，青海省祁連縣設(shè)置4個(gè)樣帶。

1.1.1山丹樣帶(包括中牧公司山丹馬場)地處高原高寒地帶，全境屬大陸性高原高寒半濕潤氣候，具有寒冷、四季不分明、雨量集中、氣候帶有明顯的垂直分帶性的特點(diǎn)，海撥2 600～2 850 m處為寒冷半干旱區(qū)，海撥2 850～4 933 m屬高寒濕潤區(qū)。冬季受西伯利亞冷氣團(tuán)影響，氣候嚴(yán)寒干燥，降水稀少。夏季受太平洋副熱帶高壓和印度洋暖濕氣流影響，氣候溫涼，雨量集中。山丹縣的年平均氣溫為1℃，晝夜溫差大，年均無霜期110 d，年有效積溫(≥0℃)，在海撥2 500 m處為1 834℃，2 550 m處為1 752℃。

1.1.2祁連樣帶祁連縣地處祁連山中段腹地，境內(nèi)平均海拔3 169 m，縣城海拔2 787 m。祁連縣年平均氣溫1℃，年降水量420 mm，屬典型的高原大陸性氣候。由于青藏高原對大氣環(huán)流的特殊影響，使夏季來自東南季風(fēng)的濕潤氣流得以北進(jìn)西伸，波及本區(qū);冬季受內(nèi)蒙古干冷空氣，西北寒冷氣流的影響，致使本區(qū)冬季降溫幅度大，氣溫年較差較大。

1.1.3民樂樣帶民樂地處甘肅河西走廊中段，張掖市東南部，地理坐標(biāo)E 100°22′～101°13′，N 37° 56′～38°48′。地勢南高北低，地形分山地和傾斜高原兩大類，海拔1 589～5 027 m， 年均氣溫4.1℃，年均降水量351 m，無霜期140 d，屬溫帶大陸性荒漠草原氣候。

表1　試驗(yàn)地概況

注：不同編碼代表不同地區(qū)不同草地類型，各地編碼為山丹縣SD，山丹馬場MC，民樂縣ML，祁連縣QL；各草地類型為荒漠草原DS，溫性草原AT，高寒草原AS，高寒草甸AM，溫性荒漠TD

表2　試驗(yàn)地主要植物種組成

1.2試驗(yàn)方法

1.2.1試驗(yàn)材料2014年9月，在荒漠性草原、溫性草原、高寒草原、高寒草甸、溫性荒漠5個(gè)草地類型的4個(gè)樣帶隨機(jī)選取樣地，每個(gè)樣地隨機(jī)挖取5個(gè)深度為50 cm土壤剖面，用GPS確定樣方所在地經(jīng)緯度、海拔高度，按照10 cm一層用100 cm3環(huán)刀法分別在每一土層取土樣，密封稱重。在每個(gè)土壤剖面旁邊用土鉆取0～10，10～20，20～30，30～40和40～50 cm土樣，用于土壤有機(jī)質(zhì)和全氮測定。

1.2.2樣品處理及室內(nèi)分析105℃將土樣烘干至恒重，測定各層土壤容重及土壤含水量；除去土壤中的根系和其他雜質(zhì)，磨碎過篩，密封備用。土壤有機(jī)質(zhì)用HT-1300總有機(jī)碳分析儀測定，土壤全氮用流動注射儀測定，土壤pH用酸堿儀測定[9]。

1.2.3數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)和圖表制作采用Excel 2007軟件，應(yīng)用SPSS 21.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2　結(jié)果與分析

2.1不同草地類型土壤有機(jī)質(zhì)的分布

草地類型不同，土壤有機(jī)質(zhì)含量隨土壤深度增加的變化亦不同。高寒草甸(ML-AM)隨土壤加深呈顯著減少趨勢；溫性草原(MC-AT)和高寒草原(QL-AS)也隨土壤加深而減少，但程度遠(yuǎn)低于ML-AM；而荒漠草原(SD-DS)和溫性荒漠(ML-TD)土壤有機(jī)質(zhì)在各層中分布較均勻。

不同草地類型的土壤有機(jī)質(zhì)含量差異顯著。ML-AM的土壤有機(jī)質(zhì)含量明顯的高于其他草地類型，該樣地0～10 cm淺表層土壤有機(jī)質(zhì)含量高達(dá)183.75 g/kg，10～40 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)含量也在120～150 g/kg；其次含量較多的MC-AT和QL-AS，MC-AT各層土壤有機(jī)質(zhì)含量為39.19，28.28，25.00，22.07和17.29 g/kg，QL-AS各層土壤有機(jī)質(zhì)含量為45.28，30.35，25.10和18.84 g/kg；SD-DS 土壤有機(jī)質(zhì)含量高于ML-TD，平均為16.85 g/kg >8.72 g/kg(圖1)。

圖1　5種草地類型土壤有機(jī)質(zhì)的分布特征Fig.1　Distribution of soil organic matter in 5 types of grasslands注：相同處理不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)

2.2土壤全氮隨土壤深度的變化特征

各草地類型土壤全氮含量變化規(guī)律不同。ML-AM和QL-AS全氮主要分布在0～30 cm表層土壤，其0～30 cm土層平均含氮量為ML-AM(8 804.81 mg/kg)>QL-AS(2 723.66 mg/kg)，30～40 cm土層含氮量為ML-AM(3 550.32 mg/kg)>QL-AS(1 144.82 mg/kg)；SD-DS、MC-AT、ML-TD土壤全氮分布較為均勻，其中ML-TD含氮量明顯少于其他2個(gè)草地類型，其平均含氮量分別為SD-DS(2 256.65 mg/kg)>MC-AT(2 103.87 mg/kg)>ML-TD(718.82 mg/kg)(圖2)。

圖2　不同草地類型土壤全氮含量的分布特征Fig.2　Distribution of total nitrogen content in 5 types of grasslands

2.30～30 cm表層土壤有機(jī)質(zhì)與全氮的關(guān)系

在0～30 cm表層5種草地類型土壤有機(jī)質(zhì)與全氮呈正相關(guān)。兩者在SD-DS和ML-TD類型中呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，其相關(guān)系數(shù)分別為0.530和0.523；MC-AT，QL-AS和ML-AM的土壤有機(jī)質(zhì)與全氮含量相關(guān)性為極顯著(P<0.01)，相關(guān)系數(shù)分別是0.728，0.841和0.829(表3)。

2.4不同土壤深度有機(jī)質(zhì)與全氮分布的相關(guān)性

0～50 cm各土層土壤有機(jī)質(zhì)與全氮均呈正相關(guān)，且相關(guān)性為極顯著(P<0.01)。由于土壤有機(jī)質(zhì)主要分布于土壤淺表層，對土壤氮素影響最大，其中0～20 cm 土層土壤有機(jī)質(zhì)和全氮的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.985。但隨著土壤深度增加，兩者的相關(guān)性逐漸減少，相關(guān)系數(shù)由0～10 cm土層的0.980降低到40～50 cm土層的0.741(表4)。

表3　不同草地類型0～30 cm層土壤有機(jī)質(zhì)與全氮分布的相關(guān)性

注：*表示顯著相關(guān)(P<0.05),**表示極顯著相關(guān)(P<0.01)

表4　不同土壤深度土壤有機(jī)質(zhì)與全氮分布的相關(guān)系數(shù)

注：*表示顯著相關(guān)(P<0.05),**表示極顯著相關(guān)(P<0.01)

3　討論

試驗(yàn)研究結(jié)果表明，高寒草甸(ML-AM)、溫性草原(MC-AT)和高寒草原(QL-AS)隨土壤深度增加而逐漸減少，且均集中分布于0～30 cm土層(圖1)，表現(xiàn)為明顯的“表聚性”。不同草地類型土壤全氮與有機(jī)質(zhì)變化規(guī)律相似(圖2)。這3種草地類型的土壤有機(jī)質(zhì)與全氮在0～30 cm土層均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。主要因?yàn)樵诓菰鷳B(tài)系統(tǒng)中，以草本和灌木為主的植被類型，其根系主要在0～30 cm的土壤淺表層，腐殖質(zhì)都集中在淺表層[10-11]，所以在0～30 cm土層的土壤有機(jī)質(zhì)較多。而土壤中氮素有99%來源于有機(jī)質(zhì)，所以土壤中有機(jī)質(zhì)的含量可以間接影響到氮素含量。這與張靜等[12]對青藏高原高寒草甸土壤有機(jī)質(zhì)的研究結(jié)果相似，與薛曉娟等[13]對祁連山東段南麓土壤有機(jī)質(zhì)及全氮的分布狀況研究結(jié)果和高超等[14]對東祁連山高寒草地土壤有機(jī)質(zhì)研究結(jié)果以及宋希娟等[15]對東祁連山高寒草地氮素研究結(jié)果一致。

山丹荒漠草原(SD-DS)和民樂溫性荒漠(ML-TD)2種草地類型的土壤有機(jī)質(zhì)與全氮之間呈顯著正相關(guān)。這是因?yàn)榛哪菰蜏匦曰哪脖惠^少，腐殖質(zhì)隨之變少，而這2種草地類型的土壤較為疏松，所以有機(jī)質(zhì)分布較均勻，土壤氮素含量變化也較小。這與焦婷等[16]對溫性荒漠草原土壤全氮和有機(jī)質(zhì)的研究相似。

4　結(jié)論

(1)山丹荒漠草原(SD-DS)和民樂溫性荒漠(ML-TD)土壤有機(jī)質(zhì)含量較少，均低于20 g/kg，且在各層中分布較均勻；馬場溫性草原(MC-AT)和祁連高寒草原(QL-AS)土壤有機(jī)質(zhì)含量適中，含量在20～40 g/kg，隨土層的加深含量逐漸減少；民樂高寒草甸(ML-AT)土壤有機(jī)質(zhì)含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他類型草地土壤有機(jī)質(zhì)，含量在118～183 g/kg。

(2)土壤有機(jī)質(zhì)含量受土壤全氮影響較大，且隨著土壤全氮含量的增加而增加。

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Relationship between soil organic matter and total nitrogen in different types of grassland on Qilian Mountain

YUAN Zi-ru1,REN Ling1,CHEN Jian-gang1,LI Shuo1,HU Xin-zhen1,CHEN Wei1,ZHANG De-gang1

(1.CollegeofPrataculturalScience,GansuAgriculturalUniversity/KeyLaboratoryofGrasslandEcosystem，MinistryofEducation/PrataculturalEngineeringLaboratoryofGansuProvince/Sino-U.S.CentersforGrazinglandEcosystemSustainability,Lanzhou730070,China；2.LanzhouCityUniversity,Lanzhou730070,China))

Distribution and relationship between soil organic matter and total nitrogen in 5 types of grassland on Qilian Mountain were analyzed.The results showed that the contents of soil organic matter and total nitrogen decreased with the soil depth,and showed the significant differences among grassland types.The contents of soil organic matter in 5 types of grassland tended to be in the order of alpine meadow(151 g/kg)> alpine steppe(30 g/kg)> temperate steppe(25 g/kg)> desert steppe(16 g/kg)> temperate desert (9.5 g/kg).The contents of soil total nitrogen in 5 types of grassland tended to be in the order of alpine meadow(7 600 mg/kg)> alpine steppe(2 100 mg/kg)> temperate steppe (2 000 mg/kg) > desert steppe(1 800 mg/kg)> temperate desert (750 mg/kg).There was a significant correlation between soil organic matter and total nitrogen (P<0.01)which indicated that soil organic matter was the one of key factors influencing total nitrogen.

rangeland;soil organic matter;total nitrogen;distribution characteristics;correlation

2015-10-30；

2015-11-16

農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)生態(tài)與資源保護(hù)總站“祁連山黑河流域草原固碳和應(yīng)對氣候變化”項(xiàng)目資助

袁子茹(1990-)，女，山東煙臺人，碩士研究生。

E-mail：YZRyuanziru@126.com

S 143

A

1009-5500(2016)03-0012-05

張德罡為通訊作者。