青海超凈區(qū)高寒草甸土壤有機碳及養(yǎng)分分布特征

王金貴 ，李希來 ，李宗仁，劉育紅，盛海彥*

1.青海大學農(nóng)牧學院，青海 西寧 810016；2.省部共建三江源生態(tài)與高原農(nóng)牧業(yè)國家重點實驗室，青海 西寧 810016

土壤碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)中貯量最大的碳庫（Smith，2010），據(jù)研究報道，全球土壤中的總碳量約為14×1017～15×1017g，這一貯量是陸地生物總碳量（5.6×1017g）的 2.5～3倍（劉淑麗等，2016）。每年約占大氣中CO2貯量10%的碳是通過土壤排放到大氣的（Raich et al.，2002），每年土壤碳排放量約為全球化石燃料燃燒碳排放量的11倍（Marland et al.，2000）。氮不僅是大氣圈中含量最豐富的元素，而且也是各種植物生長和發(fā)育所需的大量營養(yǎng)元素之一；同時也是影響陸地生態(tài)系統(tǒng)初級生產(chǎn)力、結(jié)構(gòu)和功能的主要限制性營養(yǎng)元素之一（Burke et al.，1997），在草原生態(tài)系統(tǒng)乃至全球碳氮循環(huán)中起著至關(guān)重要的作用（李明峰等，2005）。在草原生態(tài)系統(tǒng)中，土壤全氮不僅是主要的土壤肥力指標，也是土壤氮素肥力的基礎(chǔ)；土壤全氮含量受植被狀況、環(huán)境條件和草地利用等因素的影響（薛曉娟等，2009）。

磷是植物有機合成必不可少的重要營養(yǎng)元素之一（宋雄儒等，2015），是草原生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的主要限制因素（Lovelock et al.，2007）。與林地、農(nóng)田等其他生態(tài)系統(tǒng)一樣，在草原生態(tài)系統(tǒng)中，土壤全磷和速效磷含量被作為重要的土壤肥力指標（宋雄儒等，2015），其分布和儲量對草原生態(tài)系統(tǒng)功能的正常發(fā)揮具有重要作用（Jobbágy et al.，2000）。鉀素不僅在土壤中含量最高，而且也是植物體吸收最多的必需營養(yǎng)元素之一（陳淑燕等，2013）。鉀具有促進植物生理代謝和增強抗性的功能，同時還具有促進植物吸收和利用氮素的作用。雖然土壤中的全鉀含量遠高于土壤中的氮、磷含量，但并不代表土壤的供鉀能力強，因為土壤中鉀離子絕大多數(shù)以難溶狀態(tài)存在，所以即使土壤中鉀貯量很高，草地仍有可能供鉀不足（鮑士旦，2007）。因此，不僅要了解土壤全鉀含量，還有必要了解土壤速效鉀含量的豐缺狀況，以便指導草地恢復及生產(chǎn)實踐。

青海省河南蒙古族自治縣被聯(lián)合國科教文組織譽為亞洲四大超凈區(qū)之一，被國家農(nóng)業(yè)部確定為全國最大有機畜產(chǎn)品生產(chǎn)基地，被國家環(huán)保部確定為國家級有機乳品生產(chǎn)基地。其“超凈區(qū)”的含義有三：一是該區(qū)域沒有工業(yè)生產(chǎn)所產(chǎn)生的污水、廢氣及殘渣等污染；二是該區(qū)域沒有農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所產(chǎn)生的面源污染；三是該區(qū)域絕對禁止使用農(nóng)藥化肥。然而，長期不用化肥，且牲畜糞便一般作為牧民的燃料資源被撿走，并沒有歸還到土壤中，該地草地土壤中的氮磷鉀等養(yǎng)分除了大氣沉降外，只有輸出沒有人為輸入，這一生產(chǎn)管理方式是否會影響到該地區(qū)草原生產(chǎn)的可持續(xù)性？鑒于此，本研究分析了青海省河南縣草甸土壤有機碳、全氮、全磷和全鉀及速效養(yǎng)分含量的變化特征，為制定合理的草原管理制度、維持草原可持續(xù)發(fā)展和健康評價提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)自然概況

青海省河南蒙古族自治縣氣候為高原大陸性氣候，屬高原亞寒帶濕潤氣候區(qū)。由于海拔較高，地勢復雜，受季風影響強烈，所以呈現(xiàn)出比較明顯的高原大陸性氣候特點。每年 5—10月溫暖、多雨，11月—次年4月寒冷、干燥、多大風天氣。春秋時日短，四季不分明，無絕對無霜期。年均氣溫為11.9 ℃，年降水量為597.1～615.5 mm，年平均蒸發(fā)量為1349.7 mm。常年風向為西北風，最大風速達到23.7 m·s，年平均風速為2.6 m·s。年均積雪為55.3 d，最大積雪厚度為31 cm。日照率為57.58%～58.15%，略低于省內(nèi)西部地區(qū)。植被主要包括禾本科、莎草科植物及多種其他科屬雙子葉植物。

1.2 研究方法

1.2.1 土樣樣品采集

采樣點選取具有代表性且地上植被完整的草地。樣地分布在青海省黃南藏族自治州河南蒙古族自治縣的多松鄉(xiāng)、塞爾龍鄉(xiāng)、寧木特鎮(zhèn)、柯生鄉(xiāng)、優(yōu)干寧鎮(zhèn) 5個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。分別采集矮嵩草（Kobresia humilis）型草甸、灌叢型草甸、禾草型草甸、沼澤型草甸和雜類草型草甸0～10 cm表層土壤樣品各30份，共采集150份土樣，每份土樣由六點取樣混合而成。去除礫石、植物殘體和根系后，留取1 kg左右土樣裝于自封袋中帶回實驗室，經(jīng)自然風干后，磨細、過篩、裝瓶備用。高寒草甸不同草地型基本情況如表1所示。

1.2.2 測定方法

土壤有機碳測定采用重鉻酸鉀外加熱法；土壤全氮測定采用半微量開氏法；全磷測定采用鉬銻抗比色法；全鉀測定采用氫氧化鈉熔融-火焰光度法測定；土壤堿解氮采用堿解擴散法測定；速效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法，分光光度計測定；速效鉀采用1 mol·L-1乙酸銨浸提-火焰光度法測定（鮑士旦，2007）。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析

運用SPSS 16.0軟件對不同草甸土壤有機碳、全氮、全磷、全鉀、速效氮、速效磷和速效鉀數(shù)據(jù)采用隨機模型進行方差分析，并采用新復極差法進行處理間的多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同草地類型表層土壤有機碳含量的分布

由表2可知，高寒草甸土壤中有機碳平均含量的高低順序為灌叢型草甸＞沼澤型草甸＞雜類草型草甸＞矮嵩草型草甸＞禾草型草甸，但5種不同類型草地有機碳含量最大值出現(xiàn)在雜類草型草甸，為184.91 g·kg-1；最小值出現(xiàn)在矮嵩草型草甸，為18.10 g·kg-1。不同類型草甸土壤有機碳變異系數(shù)大小順序為沼澤型草甸＞雜類草型草甸＞矮嵩草型草甸＞灌叢型草甸＞禾草型草甸。根據(jù)變異系數(shù)的大小可粗略估計變量的變異程度：弱變異性，Cv＜10%；中等變異性，Cv=10%～100%；強變異性，Cv＞100%（王紹強等，2001）。由表 2可知，不同草甸土壤有機碳含量變異系數(shù)分布范圍在26.28%～53.17%之間，屬于中等變異程度。通過方差分析可知，在 5%水平上有機碳含量在灌叢型草甸、雜類草型草甸和沼澤型草甸3種類型草甸中差異不顯著，但矮嵩草型草甸和禾草型草甸在5%水平上達到顯著。

表1 不同類型草甸基本情況Table1 Conditions of different types of meadow

表2 不同類型草甸土壤有機碳含量Table2 Soil organic carbon content ofdifferent types ofmeadow

土壤中有機碳的輸入主要取決于植物殘體的形成和凋落分解，輸出主要取決于土壤有機碳的分解和淋溶，所以土壤中有機碳輸入與輸出過程的強弱決定著土壤中有機碳含量的高低（Scholes et al.，1997）。不同的植被類型和植物功能類型均會影響土壤有機碳含量（Jackson et al.，2000）。本研究表明，灌叢型草甸、沼澤型草甸和雜類草型草甸土壤中含有較高的有機碳，而矮嵩草型草甸和禾草型草甸土壤有機碳含量相對較低，這一結(jié)果與艾麗等（2010）的研究結(jié)果基本一致。不同類型草甸地上生物量高低順序為沼澤型草甸＞灌叢型草甸＞雜類草型草甸＞矮嵩草型草甸＞禾草型草甸，與土壤有機碳含量順序基本一致。高寒灌叢型草甸和沼澤型草甸植被生產(chǎn)力較高，每年歸還到土壤中的植物殘體較多。另外，河南縣11月—次年4月有近半年時間都處于寒冷、干燥和多風天氣，所以植物殘體分解相對較慢。這就導致了有機質(zhì)輸入過程強于輸出過程，因此土壤有機碳含量相對較高。此外，灌叢型草甸中灌木殘體中的木質(zhì)素含量比草本植物殘體中的高，所以灌叢型草甸土壤中有機質(zhì)分解較慢，較穩(wěn)定（傅華等，2005）?？傊诓菰鷳B(tài)系統(tǒng)中，土壤有機碳含量主要受氣候要素、植被類型（劉楠等，2010）、海拔和土壤特性以及人類活動的綜合影響（顧振寬等，2012），從而導致土壤有機碳累積、分解和淋溶輸出程度的不同（王?；鄣?，2004）。

2.2 不同草地類型表層土壤全氮含量分布

由表3可知，不同類型草甸土壤全氮含量高低順序為灌叢型草甸＞雜類草型草甸＞沼澤型草甸＞矮嵩草型草甸＞禾草型草甸，全氮含量大小變化順序與有機碳排序比較相似，其中只有雜類草型草甸和沼澤型草甸不同。矮嵩草型草甸全氮含量最小值和最大值非常接近，其變異系數(shù)也最小，為 7.93，屬于弱變異程度。其他 4種類型草甸土壤全氮含量的變異系數(shù)為20.01～46.33，均屬于中等變異程度。5種類型草甸土壤全氮含量差異不顯著（F=1.512，P=0.271），其中灌叢型草甸土壤全氮含量最大，為7.14 g·kg-1；禾草型草甸土壤全氮含量最小，為5.52 g·kg-1。

與土壤有機碳一樣，土壤全氮含量不僅受到溫度和降水量等環(huán)境因子的影響，也同樣與土壤特性、植被特征、海拔、土地利用方式及人類的干擾程度等因素有關(guān)（王長庭等，2005）。Smith et al.（2002）對美國華盛頓東南部半干旱區(qū)500 m海拔梯度范圍內(nèi)土壤氮含量的研究表明，草地植被下土壤氮含量比其他植被高；Jackson et al.（2000）對半干旱區(qū)不同植被類型土壤中氮含量的研究表明，灌木植被土壤中氮分布比草地植被深。本研究表明，灌叢型草甸、雜類型草甸和沼澤型草甸中全氮含量較高，矮嵩草型草甸和禾草型草甸中相對較低。這可能是因為，灌叢型草甸中地表殘體輸入量較多，有利于土壤有機質(zhì)的積累。5種不同草地類型土壤中全氮含量的分布與上述土壤有機碳含量分布相似。高洋等（2015）對青藏高原高寒草甸土壤特性的研究表明，土壤氮素含量的變化與土壤有機質(zhì)含量變化相似，與本研究結(jié)果一致。沼澤型草甸生產(chǎn)力高，雖然輸人量較多，但土壤水分過多且溫度較低，致使微生物活性較弱，減緩了對氮的利用，有利于氮的積累。矮嵩草型草甸和禾草型草甸地上輸入量相對較少，故有機質(zhì)積累也相對較少。另外，不同類型草地土壤中根系和地表調(diào)落物中碳氮比和微生物區(qū)系不同致使土壤氮分解不同也是重要原因之一（艾麗等，2010）。

表3 不同類型草甸土壤全氮含量Table3 Soil total nitrogen content ofdifferent types ofmeadow

2.3 不同類型草甸表層土壤全磷含量分布

由表4可知，不同類型草甸土壤全磷含量由低順序為雜類草型草甸＞灌叢型草甸＞矮嵩草型草甸＞禾草型草甸＞沼澤型草甸，其平均含量近似，差異不顯著（F=0.016，P=0.999），其中，雜類草型草甸土壤全磷含量最大，為 2.00 g·kg-1；沼澤型草甸土壤全磷含量最小，為 1.93 g·kg-1。在所有樣本中土壤全磷含量最大值和最小值均出現(xiàn)在雜類草型草甸，分別為 2.86 g·kg-1和 0.93 g·kg-1。5 種草甸型土壤全磷含量的變異系數(shù)為17.01～26.64，其變異程度均屬于中等變異性。

天然草原土壤中的磷主要來自于成土母質(zhì)，因為天然草原生態(tài)系統(tǒng)與農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)不同，土壤中的磷除來自大氣沉降外，沒有人為方式的輸入（宋雄儒等，2015）；其含量主要受土壤母質(zhì)和成土作用的影響（李耀等，2010）。另外，研究表明，海拔、土地利用方式及坡度等因素也可以通過影響氣象因素或土壤侵蝕程度而間接影響土壤磷含量（歐勇勝等，2005）。本研究結(jié)果表明，雜類草型草甸和灌叢型草甸土壤中磷含量比其他 3種草甸土壤高，但含量差異不顯著，究其原因可能與放牧強度有關(guān)。雜類草型草甸和灌叢型草甸采食壓力一般比矮嵩草草甸、禾草型草甸和沼澤型草甸小，即放牧強度較小，所以雜類草型草甸和灌叢型草甸土壤全磷含量相對較高。由此推斷，禁牧或適度放牧可以有效保持土壤磷含量，有利于土壤養(yǎng)分的累積（李耀等，2010）。

2.4 不同類型草甸表層土壤全鉀含量分布

由表5可知，隨著草地類型的變化，不同類型草甸土壤全鉀含量高低順序為矮嵩草型草甸＞禾草型草甸＞雜類草型草甸＞灌叢型草甸＞沼澤型草甸，差異不顯著（F=0.289，P=0.878）。矮嵩草型草甸和禾草型草甸土壤全鉀含量的變異系數(shù)分別為 7.33和5.76，屬于弱變異程度；其余灌叢型草甸、雜類草型草甸和沼澤型草甸土壤全鉀含量的變異系數(shù)分別為10.74、10.75和13.15，均屬于中等變異性。

不同類型草甸土壤中全鉀含量遠高于全氮和全磷，但98%以上的土壤全鉀均以無機形態(tài)存在于土壤中。研究表明，土壤全鉀對放牧干擾的反應比土壤全磷更為敏感，過度放牧會導致土壤理化性質(zhì)退化，從而造成土壤顆粒變粗，而土粒越粗，土壤膠體性狀越弱，土壤對鉀等離子的吸附性能就越差，從而容易引起土壤全鉀的流失，導致草地過牧區(qū)的土壤鉀含量較低（彭景濤，2012）。河南縣 5種類型草甸土壤全鉀含量較高，但各類型草甸間差異不顯著，說明河南縣草地放牧強度適宜，并未導致土壤理化性質(zhì)退化。

表4 不同類型草甸土壤全磷含量Table4 Soil total phosphorous content ofdifferent types ofmeadow

表5 不同類型草甸土壤全鉀含量Table5 Soil total potassium content ofdifferent types ofmeadow

2.5 不同草地類型表層土壤速效養(yǎng)分含量分布

由表6可知，灌叢型草甸土壤堿解氮含量最大，為 438.72 mg·kg-1；禾草型草甸最低，為 391.10 mg·kg-1，其高低順序與土壤全氮一致。灌叢型草甸、雜類草型草甸和沼澤型草甸3種草甸土壤堿解氮含量在 5%水平上差異不顯著，矮嵩草型草甸、禾草型草甸和沼澤型草甸土壤堿解氮含量差異在 5%水平上也不顯著；矮嵩草型草甸和禾草型草甸與灌叢型草甸和雜類草型草甸之間土壤堿解氮含量差異在 5%的水平上顯著。不同類型草甸土壤速效磷含量高低順序為沼澤型草甸＞雜類型草草甸＞禾草型草甸＞灌叢型草甸＞矮嵩草型草甸，且5種類型草甸土壤速效磷含量差異均不顯著（F=1.274，P=0.352）；其中，沼澤型草甸土壤速效磷含量最大，為 13.79 mg·kg-1；矮嵩草型草甸土壤速效磷含量最小，為10.32 mg·kg-1。不同類型草甸土壤速效鉀含量以雜類草型草甸最大，為350.94 mg·kg-1；沼澤型草甸最小，為246.25 mg·kg-1。矮嵩草型草甸、禾草型草甸和雜類草型草甸土壤全鉀含量差異在 5%水平上不顯著，灌叢型草甸和沼澤型草甸土壤全鉀含量差異在 5%水平上也不顯著；矮嵩草型草甸、禾草型草甸和雜類草型草甸與灌叢型草甸和沼澤型草甸土壤全鉀含量在5%水平上差異顯著。

表6 不同類型草甸土壤速效養(yǎng)分含量Table6 Soil available nutrients content ofdifferent types ofmeadow g·kg-1

由于目前有關(guān)研究草地土壤速效養(yǎng)分豐缺指標的文獻較少，本研究參考農(nóng)田土壤堿解氮和速效磷豐缺等級指標進行分析。供氮水平：極低（N＜60 mg·kg-1）、低（60～100 mg·kg-1）、中（100～125 mg·kg-1）、高（125～160 mg·kg-1）和極高（N＞160 mg·kg-1）。供磷水平：極低（P＜11 mg·kg-1）、低（11～20 mg·kg-1）、中（20～26 mg·kg-1）、高（26～34 mg·kg-1）和極高（P＞34 mg·kg-1。劉辰琛等，2010）。根據(jù)上述標準，河南縣5種類型草甸土壤供氮潛力極高，但供磷潛力較低。通常用1 mol·L-1乙酸銨浸提液浸提測定的速效鉀含量作為反映土壤供鉀能力和鉀素水平的主要評價指標（謝建昌，2000）：供鉀水平極低（K＜30 mg·kg-1）、中等（30～60 mg·kg-1）、高（100～160 mg·kg-1）和極高（K＞160 mg·kg-1。章明清等，2008）。按照上述的評價標準，綜合中國其他地區(qū)土壤速效鉀的豐缺指標，初步認為，河南縣的草地土壤供鉀潛力極高，已達到富鉀標準。

2.6 不同類型草甸土壤有機碳與全氮和堿解氮含量的關(guān)系

土壤有機碳是土壤質(zhì)量構(gòu)成的主要因素（楊合龍等，2015），也是土壤健康質(zhì)量的關(guān)鍵指示指標（Percival et al.，2000），同時在全球生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程中起著極其重要的作用（Joseph et al.，2011）。草地土壤中的全氮主要來源于有機質(zhì)中的氮素，且主要以有機態(tài)氮的形態(tài)存在于土壤中，占全氮含量的 82%以上，土壤中全氮與有機碳含量的比值為1∶10～1∶12（陳開華等，2009）。本研究對土壤有機碳含量與土壤全氮含量和土壤堿解氮含量之間的相關(guān)關(guān)系進行了分析，結(jié)果表明，土壤有機碳與土壤全氮之間存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系，其回歸方程為y=0.0729x+1.2593，相關(guān)系數(shù)r=0.9725（圖 1）；土壤有機碳與土壤堿解氮之間同樣存在極顯著正相關(guān)關(guān)系，其回歸方程為y=3.1101x+194.38，相關(guān)系數(shù)r=0.7997（圖2）。從相關(guān)性分析結(jié)果可知，土壤全氮和堿解氮含量的變化特征與土壤有機碳含量的變化特征相一致，這一結(jié)果與曹麗花等（2011）和高洋等（2015）的研究結(jié)果相一致。

圖1 土壤有機碳與全氮的關(guān)系圖Fig.1 Relationship between soil organic carbon and total nitrogen

2 土壤有機碳與堿解氮的關(guān)系Fig.2 Relationship between soil organic carbon and available nitrogen

草原生態(tài)系統(tǒng)中，有效性氮素是限制初級生產(chǎn)力的首要資源（Vitousek et al.，1991），也是決定生態(tài)系統(tǒng)物種組成的主要因子（Tilman，1988）。相關(guān)研究表明，退化草甸生物量隨著氮肥施用量的增加呈顯著增加趨勢（黃軍等，2009）。由圖1、圖2可知，土壤有機碳與土壤全氮和土壤堿解氮均呈極顯著相關(guān)；土壤有機碳含量越高，土壤全氮和堿解氮含量就越高。顏淑云等（2010）研究也表明，高寒草地土壤全氮和堿解氮與土壤有機碳之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。這表明土壤有機碳與土壤全氮和堿解氮之間存在著密切的關(guān)系，退化草地中施有機肥有利于補充速效氮含量，促使植物生長。

3 結(jié)論

（1）河南縣5種不同類型草甸土壤有機碳平均含量以灌叢型草甸最高，禾草型草甸最低，有機碳含量變化屬于中等變異程度。5種不同類型草甸土壤全氮含量差異不顯著，其中灌叢型草甸土壤全氮含量最大，禾草型草甸最小。土壤全磷含量以雜類草型草甸最大，沼澤型草甸最小。土壤全鉀含量以矮嵩草型草甸最大，沼澤型草甸最小。

（2）根據(jù)土壤速效養(yǎng)分豐缺標準，河南縣5種不同類型草甸土壤供氮供鉀潛力極高，已達到富鉀標準，但供磷潛力較低，草地外源養(yǎng)分補充策略以施磷為主。

（3）5種不同類型草甸土壤有機碳與土壤全氮和土壤堿解氮均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，其回歸方程分別為：y=0.0729x+1.2593，相關(guān)系數(shù)r=0.9725；y=3.1101x+194.38，相關(guān)系數(shù)r=0.7997。

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