三江源區(qū)土地利用方式對土壤氮素特征的影響

李亞娟，王亞亞，曹廣民，龍瑞軍，姚 拓

(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)教育部重點實驗室/中美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心/甘肅省草業(yè)工程實驗室， 甘肅 蘭州 730070；2.蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院， 甘肅 蘭州 730020； 3.中國科學(xué)院西北高原生物研究所， 青海 西寧 810008)

三江源區(qū)土地利用方式對土壤氮素特征的影響

李亞娟1，王亞亞2，曹廣民3，龍瑞軍2，姚 拓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)教育部重點實驗室/中美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心/甘肅省草業(yè)工程實驗室， 甘肅 蘭州 730070；2.蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院， 甘肅 蘭州 730020； 3.中國科學(xué)院西北高原生物研究所， 青海 西寧 810008)

以三江源區(qū)曲麻萊縣高寒草甸草原、退化高寒草甸草原、退化高寒草原和人工草地4種土地利用方式為研究對象，研究了不同土地利用方式的土壤全氮、有效氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、無機氮總量及比例，結(jié)果表明：4種利用方式土壤的氮素含量均處于較低水平，在0～10 cm土層，土壤全氮與有效氮含量表現(xiàn)出相似的規(guī)律性，人工草地最高，退化高寒草甸草原最低。與高寒草甸草原相比，退化高寒草甸草原0～10 cm土層全氮和有效氮含量分別降低了52.4%和76.2%，而10～40 cm土層的全氮和有效氮含量卻明顯增加。對土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量的研究結(jié)果進一步表明，研究區(qū)域土壤中無機氮以硝態(tài)氮為主，退化導(dǎo)致0～10 cm土層的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量降低，退化和人工種植均導(dǎo)致0～10 cm 土層硝態(tài)氮含量明顯降低，而10～20 cm和20～40 cm土層的硝態(tài)氮含量明顯升高，且這兩個土層之間差異不顯著，40～60 cm土層又明顯降低。因此，退化和人工種植均導(dǎo)致土壤硝態(tài)氮沿土壤剖面淋溶下移，并且淋溶主要發(fā)生在0～40 cm深度的土壤中。土壤無機氮總量與硝態(tài)氮表現(xiàn)出相似的規(guī)律性，對土壤無機氮總量和比例的研究也表明退化加劇了土壤氮素的礦化過程。

土地利用方式；高寒草甸；土壤全氮；土壤有效氮；土壤銨態(tài)氮；土壤硝態(tài)氮

三江源區(qū)位于青海省青南高原，高寒草甸草原是三江源區(qū)的主要草地類型，它不僅是高原畜牧業(yè)生產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是我國內(nèi)陸及東亞地區(qū)重要的生態(tài)屏障[1-3]。由于全球氣候變暖和人類活動的影響,近年來，三江源區(qū)高寒草甸退化逐年加劇，中度以上退化草甸面積占可利用草甸面積的50%～60%,其中40%以上已淪為次生裸地或幾乎無利用價值的典型“黑土灘”退化草甸[4-5]。高寒草甸草原為三江源區(qū)的原生草地類型，由于退化而變?yōu)橥嘶吆莸椴菰?，環(huán)境退化又促使氣候干旱和蒸發(fā)量的上升, 進而反過來加劇草場退化，退化高寒草甸草原演化為退化高寒草原[6]，由于畜牧業(yè)對飼草料的需求、極度退化草地的人工恢復(fù)等原因,人工草地在青藏高原也有廣泛分布。最終引起當?shù)赝恋乩梅绞降淖兓痆7]，導(dǎo)致進入土壤中的肥料和植物殘體的數(shù)量和性質(zhì)各異[8]。

土壤氮素是植物生長所需的重要元素之一，土壤的氮素含量是土壤氮素礦化與積累平衡的結(jié)果，而土壤水分管理、耕作方式等農(nóng)藝措施的差異，也會影響土壤氮素的礦化、運輸和植物的吸收與利用，從而造成土壤氮素特征的差異[9]。土壤中能被植物直接利用的氮素主要是銨態(tài)氮和硝態(tài)氮，這兩種形態(tài)的氮在土壤中的含量很少, 主要來源于土壤有機氮的氨化和硝化，土地利用方式的變化通過影響土壤條件而對土壤氮素形態(tài)產(chǎn)生影響。人們對農(nóng)田和林地生態(tài)系統(tǒng)土壤的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮已做了很多研究[10-13]，但是對草地生態(tài)系統(tǒng)的研究還比較少。本研究以三江源區(qū)高寒草甸草原、退化高寒草甸草原、退化高寒草原及人工草地四種利用方式草地為研究對象，研究利用方式變化對土壤全氮、有效氮以及無機氮形態(tài)的影響，揭示該地區(qū)利用方式變化對土壤氮素的生態(tài)意義，深入了解生態(tài)系統(tǒng)變化的內(nèi)在原因,為當?shù)夭莸刭Y源的可持續(xù)利用和生態(tài)環(huán)境保護提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于三江源區(qū)的青海省曲麻萊縣約改灘，海拔約4 200～4 900 m，高原大陸性氣候，多風(fēng)少雨，干燥寒冷，太陽輻射強。年均溫約-2.6℃，無絕對無霜期，年降水量385 mm。樣地原生草地類型為高寒草甸草原，土壤類型為高山草原土，土層厚度60 cm，質(zhì)地為砂壤質(zhì)。各樣地基本概況見表1。

1.2 土壤樣品采集與處理

2015年8月在青海省曲麻萊縣約改灘高寒草甸草原、退化高寒草甸草原、退化高寒草原及人工草地四種土地利用方式草地進行土壤樣品的采集，每個樣地隨機選取3個采樣點，樣點均分布于灘地上(坡度<5°)，用直徑為6 cm的土鉆分別對0～10、10～20、20～40、40～60 cm深度的土壤取樣，分層分別裝袋，用孔徑2 mm土壤篩分出根系和土壤，新鮮土樣用于氮素形態(tài)測定，同時將土壤樣品風(fēng)干，過1 mm和0.25 mm篩備用，過1 mm篩風(fēng)干土樣用于土壤有效氮含量的測定，過0.25 mm篩風(fēng)干土樣用于土壤全氮含量的測定。

表1 曲麻萊不同利用方式高寒草地概況

1.3 測定方法

全氮和有效氮含量用風(fēng)干土樣測定，全氮采用半微量凱氏定氮法，有效氮采用堿解擴散吸收法[14]。土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮用0.01 mol·L-1CaCl2提取，流動注射分析儀器測定[15-16]，儀器型號為O.I.Analytical-FS3100。無機氮總量為銨態(tài)氮和硝態(tài)氮之和，無機氮比例=(銨態(tài)氮+硝態(tài)氮)/有效氮。

所有試驗數(shù)據(jù)均采用Excel2003計算整理，采用SPSS17.0進行顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 利用方式對土壤全氮及有效氮含量的影響

土壤全量養(yǎng)分是養(yǎng)分的庫，是土壤養(yǎng)分的容量指標；而土壤有效養(yǎng)分是能夠被作物吸收利用的養(yǎng)分，是土壤養(yǎng)分的強度指標，土壤全氮和有效氮對植物生長有著重要影響[17]。不同利用方式草地土壤的全氮和有效氮含量見表2。由表2可以看出，4種利用方式土壤的全氮水平較低，除人工草地的0～10 cm土層外，全氮含量均在0.5 g·kg-1以下。在0～10 cm土層，土壤全氮含量的順序為人工草地>高寒草甸草原>退化高寒草原>退化高寒草甸草原，相比高寒草甸草原，退化高寒草甸草原全氮含量降低了52.4%，表明退化造成表層土壤氮素總量急劇下降，人工草地表層土壤的全氮水平為四種利用方式最高。而10～20 cm和20～40 cm土層全氮含量均表現(xiàn)出退化高寒草甸草原>人工草地>高寒草甸草原>退化高寒草原的順序，40～60 cm土層的有機碳和全氮含量在利用方式之間差異不顯著(P>0.05)。

在0～10 cm土層，利用方式之間土壤有效氮含量與全氮表現(xiàn)出相似的規(guī)律性，即人工草地最高，退化高寒草甸草原最低。而在10～20 cm土層，土壤有效氮含量的順序為退化高寒草甸草原>高寒草甸草原>人工草地>退化高寒草原，20～40 cm和40～60 cm土層均表現(xiàn)為退化高寒草甸草原>人工草地>高寒草甸草原>退化高寒草原。這表明退化后10～20 cm和20～40 cm土層土壤有效氮均高于0～10 cm土層，差異顯著(P<0.05)，尤其在退化高寒草甸草原利用方式表現(xiàn)得更為嚴重，0～10 cm土層有效氮含量極低，僅為14.9 mg·kg-1，而10～20 cm和20～40 cm土層卻分別高達121.0 mg·kg-1和84.5 mg·kg-1。

表2 不同利用方式土壤全氮和有效氮含量

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標準差；小寫字母不同者表示不同土地利用方式之間差異顯著(P<0.05)，大寫字母不同者表示相同土地利用方式不同土層之間差異顯著(P<0.05)；下同。

Notes: The data represent mean± standard deviation. Different small letters indicate significant difference at the 0.05 level among different land use patterns, and different capital letters indicate significant difference at the 0.05 level among different soil depth of the same land use pattern. the same as below.

2.2 利用方式對土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量的影響

氮素主要以有機態(tài)存在于土壤中，但無機氮是植物根系可以直接吸收利用的主要形態(tài)，土壤無機態(tài)氮有銨態(tài)氮(NH4+)和硝態(tài)氮(NO3-)兩種形態(tài)，其含量決定了土壤氮素的供應(yīng)水平[18]。土地利用方式的變化可導(dǎo)致土壤物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，從而影響土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的含量水平，研究表明不同利用方式草地土壤的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量明顯不同(圖1、圖2)。

由圖1可以看出，4種利用方式土壤的銨態(tài)氮含量均較低，人工草地0～10 cm銨態(tài)氮最高，為1.75 mg·kg-1，退化高寒草原40～60 cm最低，僅為0.12 mg·kg-1。0～10 cm土層土壤銨態(tài)氮含量的高低順序為人工草地>高寒草甸草原>退化高寒草甸草原>退化高寒草原，表明退化后表層土壤的銨態(tài)氮含量降低，人工種植表層土壤的銨態(tài)氮含量升高，10～20 cm和20～40 cm土層的銨態(tài)氮含量的高低順序均為退化高寒草甸草原>高寒草甸草原>人工草地>退化高寒草原，退化高寒草甸草原的銨態(tài)氮含量最高，退化高寒草原的銨態(tài)氮含量最低。表明人工種植僅表層土壤的銨態(tài)氮升高，而使10 cm以下土層的銨態(tài)氮降低。40～60 cm土層的銨態(tài)氮含量在利用方式之間差異不顯著(P>0.05)。4種利用方式土壤的銨態(tài)氮均表現(xiàn)出沿土壤剖面深度向下逐漸降低的趨勢。

圖1 利用方式對土壤銨態(tài)氮含量的影響

圖2 利用方式對土壤硝態(tài)氮含量的影響

由圖2可以看出，除高寒草甸草原外，其它3種利用方式土壤的硝態(tài)氮含量均表現(xiàn)出沿土壤剖面深度向下先升高后降低的趨勢。0～10 cm土層土壤硝態(tài)氮含量的高低順序為：高寒草甸草原>退化高寒草甸草原>人工草地>退化高寒草原, 表明退化和人工種植后表層土壤的硝態(tài)氮含量均降低。10～20 cm和20～40 cm土層的硝態(tài)氮含量的高低順序均為：退化高寒草甸草原>人工草地>退化高寒草原>高寒草甸草原，說明退化和人工種植后下層土壤的硝態(tài)氮含量明顯升高。因此，退化和人工種植均導(dǎo)致表層土壤的硝態(tài)氮含量下降而下層土壤的升高，并且10～20 cm和20～40 cm土層之間硝態(tài)氮含量沒有顯著差異，說明退化和人工種植后導(dǎo)致土壤的硝態(tài)氮淋溶加劇，尤其是退化高寒草甸草原10～20 cm和20～40 cm土層的硝態(tài)氮含量分別是0～10 cm的2.0倍和2.1倍。高寒草甸草原出0～10 cm土層的硝態(tài)氮含量顯著高于下層土壤。

2.3 利用方式對土壤無機氮總量及比例的影響

土壤無機氮是植物直接吸收利用的地下氮素資源，無機氮總量直接決定著土壤氮素供應(yīng)的強度水平，不同利用方式土壤的無機氮總量及無機氮占有效氮的比例見表3。由表3可以看出，4種利用方式土壤無機氮總量與硝態(tài)氮的規(guī)律性基本一致，2種退化草地和人工草地0～10 cm土層無機氮總量均明顯降低，而10～20 cm和20～40 cm土層明顯升高，40～60 cm土層又明顯下降。0～10 cm土層退化高寒草甸草原無機氮的比例最高，為47.2%，即有效氮中無機氮占到近一半的比例，10～20、20～40 cm和40～60 cm土層退化高寒草原無機氮的比例均最高，分別為13.8%、31.9%和22.4%，說明退化加劇了土壤氮素的無機化。人工草地整個剖面無機氮的比例均較低。

3 討論與結(jié)論

土壤氮素含量是土壤肥力的重要指標，本研究表明研究區(qū)域土壤全氮和有效氮水平均處于較低水平，而利用方式變化主要導(dǎo)致表層土壤的全氮和有效氮含量顯著變化，退化使表層土壤的全氮和有效氮含量明顯降低，這與已有的研究結(jié)果一致[19-21]，但也有研究表明草地退化對有效養(yǎng)分的影響與退化程度有關(guān)，重度退化條件土壤有效養(yǎng)分會升高[22]。人工草地表層土壤的全氮和有效氮含量明顯高于其它土地利用方式，但是整體來看人工草地的土壤養(yǎng)分含量依然處于低水平，而人工草地表層土壤無機氮總量卻低于高寒草甸草原，無機氮占有效氮的比例也是4種利用方式中最低，僅為7.4%，這可能是因為人工草地中凋落物較多所導(dǎo)致，凋落物增加了土壤中的有機質(zhì)，從而提高了全氮和有效氮含量，但對無機氮卻沒有貢獻，這也可能是人工草地開始退化的原因之一，即土壤的營養(yǎng)物質(zhì)水平不足以支持植物的生長。顧夢鶴等[23]在甘南草原的研究認為施肥可以維護人工草地的生產(chǎn)力和穩(wěn)定性，因此，對于本研究區(qū)域草地退化防治以及人工草地的可持續(xù)管理，建議進行土壤養(yǎng)分的補給及可持續(xù)的土壤養(yǎng)分管理。

表3 不同利用方式高寒草地土壤無機氮總量及比例/(mg·kg-1，%)

從無機氮形態(tài)來看，本研究結(jié)果顯示，4種利用方式的銨態(tài)氮含量均較低，而硝態(tài)氮含量較高，這與已有的旱地土壤研究結(jié)果一致[24]，利用方式對銨態(tài)氮的影響沒有一致的規(guī)律性，而對土壤硝態(tài)氮含量的影響較大，這主要是因為旱地土壤無機態(tài)氮主要以硝態(tài)氮為主。退化和人工種植均導(dǎo)致0～10 cm土層的硝態(tài)氮含量降低，并且導(dǎo)致硝態(tài)氮向10～40 cm土層淋溶加劇，這可能是由于退化后草地植被減少，土壤持水能力變差，加之硝態(tài)氮是陰離子，土壤膠體對其吸附量很小，所以向土壤下層遷移明顯。人工草地硝態(tài)氮的淋溶可能是由于表層土壤較強的擾動作用而變得較為疏松所致，筆者在該區(qū)域土壤容重的研究結(jié)果也發(fā)現(xiàn)人工草地0～10 cm土層的土壤容重明顯降低[25]。李榮等[26]的研究結(jié)果表明，在土壤剖面的垂直方向土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量均隨土壤深度的增加而減小，與本研究并不一致。但是，從無機氮總量來看，退化和人工種植均導(dǎo)致表層土壤的無機氮總量降低，這與顏淑云[27]等的研究結(jié)果一致。本研究發(fā)現(xiàn)退化導(dǎo)致無機氮占有效氮的比例增加，表明退化加劇了土壤氮素的礦化和周轉(zhuǎn)過程，陳懂懂[28]的研究也表明高強度放牧下草地土壤氮素周轉(zhuǎn)加快，而關(guān)于草地退化加劇土壤氮素周轉(zhuǎn)的內(nèi)在機制還有待進一步研究。

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EffectoflandusepatternsonsoilnitrogencharacteristicsinThree-riverHeadwaterArea

LI Ya-juan1, Wang Ya-ya2, CAO Guang-min3, LONG Rui-jun2, YAO Tuo1

(1.CollegeofPataculturalScience,GansuAgriculturalUniversity;KeyLaboratoryofGrasslandEcosystem,MinistryofEducation;Sino-U.S.CentersforGrazinglandEcosystemSustainability,Lanzhou,GansuProvince730070,China; 2.CollegeofPastoralAgricultureScienceandTechnology,LanzhouUniversity,Lanzhou,GansuProvince730020,China; 3.NorthwestPlateauInstitutionofBiology,ChineseAcademyofSciences,Xining,QinhaiProvince810008,China)

Four land use patterns, i.e., alpine meadow steppe, degraded alpine meadow steppe, degraded alpine steppe and artificial grassland, were selected to study effect of land use patterns on the soil nitrogen characteristics. Soil total nitrogen, available nitrogen, ammonium nitrogen, nitrate nitrogen, total inorganic nitrogen (TIN) and its percentage were determined. The results showed that soil nitrogen content of four land use types were all at a lower level. Soil total and available nitrogen of four land use patterns changed similarly in 0～10 cm soil depth, and the artificial grassland was the highest, the degraded alpine meadow steppe was the lowest. Soil total and available nitrogen in 0～10 cm soil depth for the degraded alpine meadow steppe decreased 52.4% and 76.2% respectively, but those in 10～40 cm soil increased significantly compared with the alpine meadow steppe. The results of soil ammonium and nitrate nitrogen showed that nitrate nitrogen was the main inorganic nitrogen in soil. Degradation caused both ammonium nitrogen and nitrate nitrogen in 0～10 cm soil depth decreasing. Both degradation and artificial planting caused nitrate nitrogen decreased in 0～10 cm soil depth, but increased in 10～20 cm and 20～40 cm soil depth, and there was no significant difference between the two soil depth, while soil nitrate nitrogen decreased in 40～60 cm soil depth. There were no significant differences for both ammonium nitrogen and nitrate nitrogen in 40～60 cm soil among four land use patterns. Therefore, both degradation and artificial planting caused nitrate nitrogen leaching down in soil profile, and the leaching mainly happened in 0～40 cm soil depth. Soil total inorganic nitrogen showed a similar trend with soil nitrate nitrogen. The results of total inorganic nitrogen content and the percentage showed that degradation process increased soil nitrogen mineralization.

land use patterns; alpine meadow; total soil nitrogen; available soil nitrogen; soil ammonium nitrogen; soil nitrate nitrogen

1000-7601(2017)03-0272-06doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2017.03.42

2016-03-27

：2017-06-09

：國家自然科學(xué)基金項目(31360584)；甘肅省青年科學(xué)基金(1506RJYA027)

李亞娟(1981—)，女，甘肅慶陽人，講師，博士，主要從事草地土壤學(xué)方面的研究。 E-mail: liyj@gsau.edu.cn。

S153

： A