微地形對高寒草地土壤有機碳及氮含量的影響

楊 鵬, 趙錦梅, 雷隆舉, 徐長林, 王正安

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學 林學院, 甘肅 蘭州 730070; 2.甘肅農(nóng)業(yè)大學 草業(yè)學院,甘肅 蘭州 730070; 3.甘肅農(nóng)業(yè)大學 資源與環(huán)境學院, 甘肅 蘭州 730070)

土壤氮素作為組成土壤的重要元素，同時，也是生態(tài)系統(tǒng)中重要的生態(tài)因子,因而一直備受生態(tài)學、土壤學等多個學科的關(guān)注，目前，國際全球變化研究的核心內(nèi)容也將氮素歸為其中[1]。近年來，國內(nèi)外學者用地統(tǒng)計學方法對土壤養(yǎng)分的空間變異性進行了大量的研究，研究主要集中在土壤總氮和環(huán)境因子的關(guān)系上，例如：溫度、年降水、年均溫、黏土礦物、土壤質(zhì)地、地形、pH值等對土壤全氮的影響[2-4]。土壤有機碳氮含量與變異作為碳氮地球化學循環(huán)研究的重要內(nèi)容受到國內(nèi)外學者的大量研究，如張金屯[5]對全球氣候影響下碳氮的研究。就濕地生態(tài)系統(tǒng)而言也有大量的研究，如白軍紅等[6]對向海濕地土壤的碳氮和湖北梁子湖濕地土壤養(yǎng)分的研究[7]。但就目前而言高寒草地土壤碳氮的研究還較少。高寒草甸作為祁連山高寒草地生態(tài)系統(tǒng)的主體，該區(qū)的研究主要集中于生態(tài)學和畜牧業(yè)生產(chǎn)等方面[8-9]。對于祁連山高寒草地地區(qū)的坡地土壤肥力水平，因受到當?shù)氐臍夂驐l件、微地形變化和土地利用方式的影響,沿坡面不同的微環(huán)境導致成土過程不一致，而造成了土壤養(yǎng)分的差異[10-11]。因此，高寒草甸區(qū)基于微環(huán)境下，土壤養(yǎng)分的差異應(yīng)受到重視。

目前，對于高寒草地微地形的土壤理化性質(zhì)研究較少，大多數(shù)都集中于丘陵區(qū)。研究者在有關(guān)地形變化與土壤理化性質(zhì)之間關(guān)系的研究中已經(jīng)表明坡位、坡向等地形的變化對土壤理化性質(zhì)具有一定的影響[12-13]，由于天祝高寒草地地形高低起伏，坡地微地形變化明顯，土壤養(yǎng)分差異更應(yīng)當被重視。因此，本研究擬選取天祝高寒草地為研究對象，對其不同微地形下土壤有機碳、氮的空間分布規(guī)律進行研究，系統(tǒng)分析高寒草地不同微地形條件下土壤有機碳及氮的變化規(guī)律，以期為草地結(jié)構(gòu)與功能、草地的保護管理及其可持續(xù)利用等方面提供可以借鑒的資料。

1 材料與方法

1.1 樣地自然概況

研究區(qū)位于祁連山東段的天祝金強河河谷，北緯37°40′，東經(jīng)102°32′，海拔高度2 955 ～3 258 m。樣地屬高原大陸性季風氣候，氣候寒冷潮濕，年積溫為1 380 ℃，年均溫為-0.1 ℃。降雨多集中于7—9月，年蒸發(fā)量為1 592 mm，年均降水量為416 mm。天然植被為寒溫潮濕類高寒草甸。該地區(qū)水熱同期，無絕對無霜期，僅分冷、熱兩季。土壤以亞高山草甸土、亞高山黑鈣土等為主，土層厚度40—80 cm，土壤pH值7.0～8.2。

1.2 試驗樣地的設(shè)置

為研究微地形對高寒草地有機碳及氮含量的影響，在2016年9月在祁連山東段的天祝金強河河谷地帶選取7個樣地，分別為：坡底平地(T)、下坡陽面(BS)、中坡陽面(MS)、上坡陽面(TS)、下坡陰面(BN)、中坡陰面(MN)、上坡陰面(TN)。詳見表1。

表1 樣地基本情況

1.3 樣品的采集及分析

在7個樣地每個樣地選取植物群落組成大致相同的樣點3個，每個樣點進行3次重復取樣。采用土鉆法取樣，取樣按照垂直高度分為3層(0—10，10—20和20—30 cm)，每層進行3次重復，并將3次重復的土樣混合在去除植物根系和石塊后制成混合土樣，將混合土樣裝入自封袋。在室內(nèi)，對混合土樣進行土壤有機碳及氮含量的測定和分析。

1.4 指標的測定與方法

土壤全氮采用凱氏定氮法;采用KCl浸提法測定土壤銨態(tài)氮含量;采用堿解擴散法測定土壤水解氮含量;采用重鉻酸鉀法測定土壤有機碳含量[14]。

1.5 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)的初步整理及圖形的繪制采用Excel 2013，數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析采用SPSS 22.0軟件進行不同微地形高寒草地土壤有機碳及氮素比較分析，采用單因素方差分析(one-way ANOVA)和Duncan多重比較進行差異性顯著性檢驗，顯著水平設(shè)置為p=0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤全氮含量變化特征

如圖1所示，受微地形的影響不同樣地之間的土壤全氮含量具有一定的差異。T在0—30 cm土層范圍內(nèi)的土壤全氮含量顯著高于其他高寒草地(p<0.05)。在陽坡，在0—10 cm的土層中，土壤全氮含量由小到大的順序為:BS

注：同一土層不同小寫字母表示微地形之間差異顯著(p<0.05)。T為坡底平地；BS為下坡陽面；MS為中坡陽面；TS為上坡陽面；BN為下坡陰面；MN為中坡陰面；TN為上坡陰面。下同。

2.2 土壤水解氮含量變化特征

由圖2可知，在地形發(fā)生微小變化后，土壤的水解氮含量出現(xiàn)不同程度的差異。在0—10 cm的土層中，水解氮由大到小的順序依次為：T>MS>BN>TN>BS>MN>TS，其中，T除與MS以及BN的差異不顯著(p<0.05)，T與其他樣地的差異顯著(p<0.05)，位于陽坡坡位的樣地，3個陽坡樣地的差異均顯著(p<0.05)，位于陰坡坡位的樣地，BN與TN、TN與MN之間差異不顯著(p<0.05)。在10—20 cm的土層中，水解氮由大到小的順序依次為：T>TN>BN>MS>BS)>MN>TS，其中，T與TN 的差異不顯著(p<0.05)，T與其他樣地的差異顯著(p<0.05)，在陽坡，MS 與TS 差異顯著(p<0.05)，在陰坡，TN與BN、TN與MN 差異均顯著(p<0.05)。在20—30 cm的土層中，水解氮由大到小的順序依次為：TN >BN >MS >BS >T >MN >TS，其中，TN與BN 差異不顯著(p<0.05)，TN與其他樣地的差異均顯著(p<0.05)。在陽坡，BS 與MS 差異不顯著，而TS 與BS 及TS 與MS 差異顯著(p<0.05)；在陰坡，MN 與BN 及MN與TN 差異顯著(p<0.05)。說明在地形發(fā)生微小變化的情況下，土壤的水解氮的含量發(fā)生了波動，位于陽坡，隨著坡位的升高土壤水解氮的含量先變大后變小，在土壤深度不同的情況下，MS 的土壤水解氮含量最高。位于陰坡，在同一土層隨著坡位的升高水解氮的含量先減小后增大，在0—10 cm的土層中BN 的水解氮含量最高，在10—20 cm以及20—30 cm的土層中TN 的水解氮含量最高。T 在0—10 cm以及10—20 cm的土層中均高于其他樣地，而在20—30 cm的土層中T 的水解氮含量稍低。

圖2 微地形變化下土壤水解氮含量

2.3 土壤銨態(tài)氮含量變化特征

從圖3可知，位于陰坡坡位的0—10 cm土層，BN與TN土壤銨態(tài)氮含量差異顯著(p<0.05)，位于陽坡坡位的0—10 cm土層，BS與TS土壤銨態(tài)氮含量差異顯著(p<0.05)；在10—20 cm土層，BS與T，MS和MN這3個樣地間的土壤銨態(tài)氮含量差異顯著(p<0.05)，而MN與BS及MN與TN土壤銨態(tài)氮含量差異均顯著(p<0.05)；在20—30 cm土層，TN與BN差異不顯著，TN與其他樣地均產(chǎn)生顯著差異(p<0.05)。說明在地形發(fā)生微小變化時0—10 cm以及10—20 cm的變化范圍波動較大，對20 cm以下的土壤銨態(tài)氮含量影響不大，同一土層中土壤銨態(tài)氮的含量隨著坡位的升高而呈現(xiàn)先變小后變大的趨勢。

圖3 微地形變化下土壤銨態(tài)氮含量

2.4 土壤有機碳含量變化特征

由圖4可知，在地形發(fā)生微小變化的情況下，土壤有機碳含量變化不盡相同，在0—10 cm的土層中，BS，MS，MN三者之間差異不顯著，TS與TN之間差異也不顯著(p<0.05)，而T與其他樣地之間差異均顯著(p<0.05)，且在陽坡中隨著坡位的升高土壤有機碳的含量變高，BN的有機碳含量最高，BS的有機碳含量最低，TN的有機碳含量高于TS的，而MN 的有機碳含量低于MS的。在10—20 cm的土層中，各個樣地之間差異顯著(p<0.05)，有機碳含量最高的是T，最低的是MN。在20—30 cm的土層中，T與其他各個樣地之間差異均顯著，而陽坡的所有樣地差異均不顯著(p<0.05)，位于陰坡坡位的各個樣地差異均顯著(p<0.05)，有機碳含量最高的是T，有機碳含量最低的是MN，陽坡的樣地中隨著坡位的升高有機碳含量有略微的減小。說明土壤表層的有機碳含量是最高的，且在0—10 cm的土層中陽坡的有機碳含量與坡位呈現(xiàn)正相關(guān)，而陰坡的有機碳含量隨著坡位的升高先變小后變大，最終還是略低于初始值。在10—20 cm以及20—30 cm的土層中陰坡的有機碳含量隨著坡位的升高先變小后變大，但是變大后的數(shù)值大于初始值，而在這2層土壤所有的樣地中T的有機碳含量最高，且略高于TN。

圖4 微地形變化下土壤有機碳含量

3 結(jié)論與討論

在坡位變化過程中，環(huán)境因子發(fā)生了巨大的變化。在陰坡，土壤有機碳、銨態(tài)氮、水解氮的含量隨著坡位的升高呈現(xiàn)“V”變化趨勢，而土壤全氮只有土壤表層呈現(xiàn)這樣的變化趨勢。在陽坡，表層土壤全氮和有機碳的含量均隨著坡位的升高而變大，而在10—20和20—30 cm的土層中土壤全氮和有機碳的含量均呈現(xiàn)單峰曲線變化，土壤水解氮的含量在0—30 cm的土層中均隨著坡位的升高呈現(xiàn)減小的趨勢，土壤銨態(tài)氮除0—10 cm的土層呈現(xiàn)減小后不變外，10—20和20—30 cm土層呈現(xiàn)隨著坡位的升高先減小后增大的趨勢。劉世梁等[15]在岷江丘陵微地形土壤營養(yǎng)物質(zhì)研究過程中得出:中坡位<上坡位<下坡位，該研究的結(jié)論與本研究中土壤表層的全氮、水解氮、有機碳的結(jié)論相一致。但是，產(chǎn)生差異的原因有以下兩點： ①草地植被的影響。在高寒草地生境條件下，陰坡植被比陽坡豐富，且生物量高于陽坡，陰坡植物大多為深根性植物，而陽坡植物大多為淺根性植物，因此在地下10—30 cm的土層中發(fā)生了與土壤表層不一樣的變化規(guī)律；豐富的地表植物導致當?shù)氐牟莸閰^(qū)基本上不產(chǎn)生地表徑流，也就不存在土壤有機碳及氮的流失；陰坡的地表枯落物比陽坡的豐富，地表枯落物的分解可以大幅度提高土壤有機碳及氮的含量。②土壤含水量大小會對微地形的土壤有機碳及氮含量的大小產(chǎn)生影響。在所有的樣地中土壤含水量的大小均呈現(xiàn)：陰坡>陽坡、上坡位>下坡位>中坡位，土壤含水量的大小改善了土壤的微環(huán)境，增加了土壤微生物和種類的數(shù)量，對枯落物、植物殘體和土壤養(yǎng)分的分解提供了相對優(yōu)良的環(huán)境條件[16]，這也是陰坡樣地的土壤有機碳及氮高于陽坡樣地的的主要原因。在土壤表層中，坡向?qū)ν寥鲤B(yǎng)分的影響非常明顯。但大多數(shù)研究認為，陰坡的土壤氮素含量一定比陽坡高[17-18]。

本研究陰坡和陽坡的兩種生境各有特點，另外陰坡和陽坡的植被類型不一樣，有可能導致陽坡的氮素含量高于陰坡，坡度、土壤質(zhì)地等都會對土壤氮素產(chǎn)生影響。坡向、坡位作為重要的立地因子直接或間接的影響土壤有機碳及氮素的空間分布。坡向?qū)ν寥烙袡C碳及氮的影響可能通過接受光照的變化來體現(xiàn)，然而，坡位在地形要素中，不僅是一個位置概念，而且代表著水分、養(yǎng)分等的生態(tài)梯度變化[19]。在適當?shù)暮０畏秶鷥?nèi)，坡位也是影響土壤養(yǎng)分狀況的關(guān)鍵因素[20]。

本文僅對高寒草地的土壤氮素在不同坡向、不同坡位上的空間分布差異進行了研究，對于高寒地區(qū)退化草地的恢復具有一定指導意義。就坡向、坡位對高寒草地土壤有機碳及氮素的影響是否會隨著陰、陽坡植被種類的不同而發(fā)生變化需要做進一步的試驗和研究分析外，針對該區(qū)域范圍內(nèi)立地土壤養(yǎng)分條件與草本生長之間的關(guān)系也有待進一步驗證。