青海省不同高寒草地土壤主要養(yǎng)分及可溶性有機(jī)碳特性研究

張苗苗，陳偉，林麗，張德罡*，吳玉鑫，肖海龍

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.蘭州城市學(xué)院地理與環(huán)境工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；3.中國(guó)科學(xué)院西北高原生物研究所，青海 西寧 810001)

土壤作為草地生態(tài)系統(tǒng)重要的組成部分[1]，貯藏著大量的碳、氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，對(duì)于植物生長(zhǎng)起著至關(guān)重要的作用，不僅能保持土壤肥力，也對(duì)保護(hù)草地生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)和能量的平衡具有重要作用[2-4]。土壤中所含有的有機(jī)碳和氮素，是草地生態(tài)系統(tǒng)中極為重要的生態(tài)因子[5]，一直倍受研究者的關(guān)注，成為草地生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展研究的核心內(nèi)容之一[6-7]。研究表明，草地類(lèi)型的變化可以引起許多自然因素和生態(tài)過(guò)程的變化[8]，因此草地類(lèi)型是影響土壤有機(jī)碳和全氮含量的重要因素之一[9]。彭舜磊等[10]和王邵軍等[11]研究發(fā)現(xiàn)，不同草地的土壤有機(jī)碳和全氮含量不同，這主要是由于不同草地地上植被的豐富度和覆蓋度的差異，導(dǎo)致土壤中凋落物和根系分泌物不同，進(jìn)而影響微生物對(duì)土壤養(yǎng)分的分解速度。不同草地類(lèi)型土壤有機(jī)碳和主要養(yǎng)分含量差異已成為草地健康評(píng)價(jià)和可持續(xù)發(fā)展以及草地生態(tài)系統(tǒng)平衡研究的重要內(nèi)容。

高寒草地在青海省分布廣泛，是適應(yīng)高原隆起與長(zhǎng)期低溫條件而形成的特殊環(huán)境[4]。其生境條件惡劣，在維持高寒區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展、保護(hù)生物多樣性、固持碳元素等生態(tài)功能的發(fā)揮上起到了非常重要的作用[12-13]。土壤中有機(jī)碳和養(yǎng)分含量的高低直接影響草地植被的生長(zhǎng)和發(fā)育[4]。研究表明，在外界環(huán)境和人類(lèi)活動(dòng)的共同影響下，有機(jī)碳庫(kù)的分布、累積以及循環(huán)模式發(fā)生了改變，對(duì)大氣溫室氣體的源匯效應(yīng)也會(huì)因草地類(lèi)型與利用方式的不同而發(fā)生變化[14-15]?？扇苄杂袡C(jī)質(zhì)是土壤中一種重要的有機(jī)質(zhì)存在形態(tài)[16]，以可溶性有機(jī)碳為主[17]，是土壤有機(jī)碳庫(kù)中最為活躍的部分，它能比較敏感地反映土壤有機(jī)質(zhì)的變化，其質(zhì)量和數(shù)量狀況反映著土壤養(yǎng)分的有效性和流動(dòng)性[18]，對(duì)草地類(lèi)型變化的響應(yīng)更為迅速。

本研究以青海省主要的4個(gè)高寒草地類(lèi)型即高寒草甸類(lèi)、高寒草甸草原類(lèi)、高寒草原類(lèi)和高寒荒漠類(lèi)為對(duì)象，分析不同草地類(lèi)型土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、全鉀、可溶性有機(jī)碳含量以及可溶性有機(jī)碳的結(jié)構(gòu)特性，并通過(guò)相關(guān)性分析，探索可溶性有機(jī)碳與土壤養(yǎng)分、有機(jī)碳之間的聯(lián)系和一致性變化規(guī)律，為高寒草地健康、可持續(xù)發(fā)展和充分發(fā)揮生態(tài)功能提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

青海省位于我國(guó)西北內(nèi)陸地區(qū)，地處青藏高原東北部，其西北與干旱荒漠區(qū)連接，東部緊鄰濕潤(rùn)季風(fēng)區(qū)。全省地域廣闊，草地類(lèi)型豐富。平均海拔3500 m以上，境內(nèi)各地區(qū)年均氣溫-5.6～8.9 ℃，年降水量為100～500 mm，主要集中在夏季[19]。

1.2 研究方法

1.2.1樣地選擇 本次研究區(qū)域主要集中在青海省境內(nèi)的剛察縣、玉樹(shù)縣和瑪多縣等縣區(qū)，草地類(lèi)型為高寒草甸類(lèi)、高寒草甸草原類(lèi)、高寒草原類(lèi)、高寒荒漠類(lèi)，草地利用方式為天然放牧(表1)。

1.2.2土壤樣品采集 本次采樣時(shí)間集中于2017年7-8月植物生長(zhǎng)旺盛期。在上述4種高寒草地的典型分布區(qū)選擇樣地，每個(gè)樣地設(shè)置一條60 m的樣線(xiàn)，每隔20 m設(shè)1個(gè)樣點(diǎn)，在每個(gè)樣點(diǎn)周?chē)貜?fù)4次采樣，用土鉆按0～10 cm和10～20 cm土層取樣后分別混合作為一個(gè)樣品，裝入樣袋內(nèi)，帶回室內(nèi)風(fēng)干后備用，每個(gè)樣地每層共取3個(gè)土樣。

表1 樣地概況 Table 1 Description of sampling sites

1.2.3指標(biāo)測(cè)定 土壤養(yǎng)分：全碳和全氮采用元素分析儀Perkin Elmer 2400Ⅱ進(jìn)行測(cè)定，全磷采用鉬銻抗比色法進(jìn)行測(cè)定，全鉀采用火焰光度法進(jìn)行測(cè)定，無(wú)機(jī)碳采用土壤碳酸鹽測(cè)定儀Eijkelkamp Calcimeter進(jìn)行測(cè)定。有機(jī)碳含量(soil organic carbon, SOC)=全碳含量-無(wú)機(jī)碳含量[20]。

土壤可溶性有機(jī)碳(soluble organic carbon, DOC)：提取按照Z(yǔ)hang等[21]的方法進(jìn)行。將過(guò)2 mm篩的風(fēng)干土樣3 g與30 mL去離子水混合均勻(水∶土=10∶1)，在恒溫振蕩器上25 ℃震蕩60 min，懸濁液以4000 r·min-1的速度離心20 min，上清液過(guò)0.45 μm濾膜。利用總有機(jī)碳分析儀(vario TOC SELECT)測(cè)定可溶性有機(jī)碳的含量。

芳香性指數(shù)(aromaticity index, AI)：紫外-可見(jiàn)光光譜測(cè)定采用紫外-可見(jiàn)光分光光度計(jì)(UV-2450)進(jìn)行掃描。樣品在波長(zhǎng)254 nm處的吸收值(UV254)可用于計(jì)算芳香性指數(shù)(AI)，計(jì)算公式為：AI=(UV254/DOC)×100[18]。

腐殖化指數(shù)(humus index, HIX)：熒光光譜分析采用熒光分光光度計(jì)(RF-5301PC)。選擇激發(fā)波長(zhǎng)在254 nm處，對(duì)280～500 nm的發(fā)射波長(zhǎng)進(jìn)行掃描，從熒光強(qiáng)度曲線(xiàn)和發(fā)射光譜435～480 nm與300～345 nm所包圍面積的比值計(jì)算腐殖化指數(shù)[22]。

1.3 數(shù)據(jù)分析處理

采用Excel 2010和SPSS 19.0軟件分析處理數(shù)據(jù)并制圖。采用單因素方差分析法比較不同類(lèi)型高寒草地土壤養(yǎng)分、有機(jī)碳、可溶性有機(jī)碳及其結(jié)構(gòu)特性之間的差異顯著性，用雙變量Person相關(guān)系數(shù)法比較土壤可溶性有機(jī)碳與土壤養(yǎng)分、有機(jī)碳含量之間的相關(guān)性(α=0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤養(yǎng)分含量

不同類(lèi)型高寒草地0～10 cm土層中，土壤全氮含量由高到低的順序?yàn)楦吆莸?高寒草甸草原>高寒草原>高寒荒漠，且不同類(lèi)型之間差異顯著(P<0.05)。土壤全磷含量高寒草甸顯著高于其他3種草地類(lèi)型(P<0.05)，高寒荒漠、高寒草甸草原和高寒草原0～10 cm土層中全磷含量差異不顯著(P>0.05)。土壤全鉀含量高低順序?yàn)楦吆哪?高寒草甸草原>高寒草原>高寒草甸，且不同類(lèi)型之間差異顯著(P<0.05)(表2)。

不同類(lèi)型高寒草地10～20 cm土層中，土壤全氮含量的高低順序?yàn)楦吆莸?高寒草甸草原>高寒草原>高寒荒漠，且不同類(lèi)型之間差異顯著(P<0.05)。土壤全磷含量高寒荒漠顯著高于高寒草原(P<0.05)，其余各草地類(lèi)型間土壤全磷含量差異不顯著(P>0.05)。土壤全鉀含量的高低順序?yàn)楦吆哪?高寒草甸草原>高寒草原>高寒草甸，且不同類(lèi)型之間差異顯著(P<0.05)(表2)。

隨著土層的加深，不同養(yǎng)分含量變化存在差異。高寒草甸、高寒草甸草原和高寒荒漠土壤全氮含量均呈現(xiàn)出0～10 cm顯著高于10～20 cm土層的變化趨勢(shì)(P<0.05)，高寒草原土壤變化趨勢(shì)剛好相反。全磷含量除了高寒草甸土壤表現(xiàn)出0～10 cm土層顯著高于10～20 cm土層外(P<0.05)，其他草地類(lèi)型隨著土層的加深變化不顯著(P>0.05)。高寒草甸0～10 cm土層全鉀含量顯著高于10～20 cm土層(P<0.05)，其他草地類(lèi)型隨著土層的加深變化不顯著(P>0.05)(表2)。

不同土層深度下，高寒草甸和高寒草甸草原土壤全氮含量均較高，高寒草原次之，高寒荒漠最低。全磷含量在不同土層和不同草地類(lèi)型間表現(xiàn)出的差異性較小。高寒荒漠土壤全鉀含量較高，高寒草甸土壤全鉀含量則較低(表2)。

表2 不同類(lèi)型草地土壤全氮、全磷、全鉀含量 Table 2 Content of soil total N, P and K of different grassland types (mean±SD, n=3) (%)

注：同列不同大寫(xiě)字母表示0～10 cm土層差異顯著(P<0.05)，不同小寫(xiě)字母表示10～20 cm土層差異顯著(P<0.05)，*表示同一草地類(lèi)型不同土層間差異顯著(P<0.05)。

Note：The values with different capital letters in the same column indicate significant difference at 0.05 level in 0-10 cm layers while small letters in the same column indicate significant difference between different grassland types at 0.05 level in 10-20 cm layers, * indicates significant difference at 0.05 level between different layers in the same grassland type.

2.2 土壤有機(jī)碳含量

隨著土壤深度和草地類(lèi)型的變化，不同草地類(lèi)型土壤有機(jī)碳含量在0～10 cm和10～20 cm土層由高到低的排列順序是一致的，依次是高寒草甸>高寒草甸草原>高寒草原>高寒荒漠，且不同類(lèi)型之間差異顯著(P<0.05)。高寒草甸、高寒草甸草原土壤有機(jī)碳含量隨著土層的加深顯著降低(P<0.05)(圖1)。

2.3 土壤可溶性有機(jī)碳含量及其結(jié)構(gòu)特性

在0～10 cm土層中，不同類(lèi)型草地土壤可溶性有機(jī)碳含量從高到低排序?yàn)楦吆莸?高寒草甸草原>高寒草原>高寒荒漠，除了高寒草原和高寒荒漠土壤可溶性有機(jī)碳含量差異不顯著外(P>0.05)，其余各草地類(lèi)型間土壤可溶性有機(jī)碳含量均差異顯著(P<0.05)(圖1)。在10～20 cm土層中，不同類(lèi)型草地土壤可溶性有機(jī)碳的含量從高到低的順序?yàn)楦吆莸?高寒草甸草原>高寒草原>高寒荒漠，且不同類(lèi)型之間差異顯著(P<0.05)。隨著土層加深，高寒草甸土壤可溶性有機(jī)碳顯著降低(P<0.05)，其余3種高寒草地類(lèi)型土壤可溶性有機(jī)碳均顯著升高(P<0.05)。

不同土層中，土壤可溶性有機(jī)碳的芳香性指數(shù)和腐殖化指數(shù)從高到低的順序均為高寒草甸>高寒草甸草原>高寒草原>高寒荒漠。各草地類(lèi)型0～10 cm土層的芳香性指數(shù)均顯著高于10～20 cm土層(P<0.05)(圖1)。高寒草甸和高寒草甸草原0～10 cm土層腐殖化指數(shù)顯著低于10～20 cm土層(P<0.05)，高寒草原和高寒荒漠0～10 cm土層腐殖化指數(shù)則顯著高于10～20 cm土層(P<0.05)。

圖1 不同類(lèi)型草地土壤有機(jī)碳、可溶性有機(jī)碳含量、芳香性指數(shù)和腐殖化指數(shù)Fig.1 Content of soil organic carbon, soluble organic carbon, aromaticity index and humus index of soil soluble organic carbon in different types of alpine grasslands (mean±SD, n=3) 誤差線(xiàn)為標(biāo)準(zhǔn)差。不同大寫(xiě)字母表示0～10 cm土層差異顯著(P<0.05)，不同小寫(xiě)字母表示10～20 cm土層差異顯著(P<0.05)，*表示同一草地類(lèi)型不同土層間差異顯著(P<0.05)。Error bar means standard deviation. Different capital letters indicate significant difference at 0.05 level in 0-10 cm layers while small letters indicate significant difference at 0.05 level in 10-20 cm layers, * indicates significant difference at 0.05 level between different layers in the same grassland type.

2.4 可溶性有機(jī)碳含量與土壤養(yǎng)分、有機(jī)碳的關(guān)系

將不同高寒草地類(lèi)型土壤可溶性有機(jī)碳含量與土壤養(yǎng)分、有機(jī)碳含量之間進(jìn)行相關(guān)性分析可以看出，在0～10 cm土層中，不同高寒草地土壤可溶性有機(jī)碳與土壤全氮、全磷和有機(jī)碳含量之間均呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，與全鉀含量之間的相關(guān)性不顯著(P>0.05)(圖2)。

圖2 不同類(lèi)型草地0～10 cm土壤可溶性有機(jī)碳與全氮、全磷、全鉀以及有機(jī)碳之間的關(guān)系Fig.2 Correlation between soil soluble organic carbon and total N, P, K and soil organic carbon in 0-10 cm soil layers of different types of alpine grasslands

在10～20 cm土層中，不同高寒草地土壤可溶性有機(jī)碳與土壤全氮和有機(jī)碳含量之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，與全磷和全鉀含量之間相關(guān)性不顯著(P>0.05)(圖3)。

3 討論

土壤有機(jī)碳和全氮含量是衡量土壤肥力的重要指標(biāo)，主要受氣候、植被等因素的影響[23]。高寒草甸、高寒草甸草原、高寒草原和高寒荒漠同屬于高海拔地區(qū)、氣候寒冷條件下的草地類(lèi)型，但由于具體的海拔、植被類(lèi)型、溫濕度等綜合氣候因素不同，其土壤養(yǎng)分、有機(jī)碳等的含量及他們?cè)诓煌翆由系姆植季胁町悺８吆莸楹透吆莸椴菰窃诟吆珴駶?rùn)氣候條件下發(fā)育形成的草地類(lèi)型，降水量相對(duì)于高寒草原和高寒荒漠較高，海拔較低，植被種類(lèi)較多，蓋度大，能夠較大程度地為土壤輸送養(yǎng)分。高寒草甸和高寒草甸草原各土層土壤中全氮和有機(jī)碳含量均較高。相反，高寒草原和高寒荒漠土壤中全氮和有機(jī)碳含量則較低。顧振寬等[24]研究表明，高寒草甸土壤中有機(jī)碳和全氮含量較高，而荒漠化草原由于土壤比較干燥，且植物稀疏，種類(lèi)較少，所以有機(jī)碳和全氮含量低。從土壤有機(jī)碳和全氮含量情況來(lái)看，高寒草甸、高寒草甸草原、高寒草原和高寒荒漠依次呈現(xiàn)出植被種類(lèi)逐漸減少，蓋度逐漸降低的趨勢(shì)，這種情況可以類(lèi)比為同一草地類(lèi)型的不同退化階段，當(dāng)土壤養(yǎng)分的空間異質(zhì)性發(fā)生改變的時(shí)候，生態(tài)系統(tǒng)的功能也會(huì)發(fā)生一定程度的改變，從而一定程度上揭示出草地發(fā)生退化的趨勢(shì)[25]。

隨著土層的加深，高寒草甸、高寒草甸草原和高寒荒漠土壤中全氮和有機(jī)碳含量呈降低趨勢(shì)，這與顧振寬等[24]、王清奎等[26]、何貴永等[27]、青燁等[28]的研究結(jié)論一致。主要原因可能在于土壤上層集中了大量的植物根系、凋落物和死亡的植物殘?bào)w，微生物活性較強(qiáng)，養(yǎng)分含量豐富。隨著土層的加深，養(yǎng)分來(lái)源逐漸減少，使得全氮和有機(jī)碳含量逐漸降低。

不同高寒草地土壤全磷和全鉀含量變化規(guī)律無(wú)一致性。高旭升等[29]在對(duì)三江源區(qū)高寒草原草地不同退化程度土壤養(yǎng)分變化的研究中指出，隨著草地退化程度的增加，土壤全磷含量變化較小，不能作為草地退化的主要指標(biāo)依據(jù)。由此看出，土壤全磷在外部條件發(fā)生變化時(shí)的反應(yīng)不夠敏感。土壤全鉀含量可能更大程度上與成土母質(zhì)有關(guān)，具體影響因素還有待進(jìn)一步研究。

可溶性有機(jī)碳是土壤有機(jī)碳中極小的一部分[30]，因其容易被土壤微生物分解，在為土壤提供養(yǎng)分方面起著重要作用，所以成為土壤中重要的活性碳庫(kù)和養(yǎng)分庫(kù)，能更敏感地反映不同草地類(lèi)型間養(yǎng)分與質(zhì)量狀況[17,26]。從總體上來(lái)說(shuō)，4種高寒草地土壤可溶性有機(jī)碳含量高低順序與土壤有機(jī)碳和全氮含量高低順序一致，且與土壤全氮、有機(jī)碳之間均呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，說(shuō)明土壤養(yǎng)分是影響土壤可溶性有機(jī)碳含量的主要因素。這與李明堂等[31]、劉翥等[32]結(jié)論一致，但與董揚(yáng)紅等[33]的研究結(jié)論不完全一致，更深層次的原因剖析還有待進(jìn)一步研究。同時(shí)，由于高寒草甸和高寒草甸草原土壤濕潤(rùn)度較高，也可能是導(dǎo)致其土壤可溶性有機(jī)碳含量較高的原因之一。有研究表明，土壤在含水量較高的條件下，團(tuán)聚體分散導(dǎo)致土壤有機(jī)碳溶出，從而提高土壤可溶性有機(jī)碳濃度[34-37]。高寒草甸和高寒草甸草原以禾本科植物為主，分布到土壤中的細(xì)根較多，含有的木質(zhì)素、纖維素少，較簡(jiǎn)單的可溶性有機(jī)碳含量高。而以半灌木為主的高寒荒漠土壤中則聚積的根系較粗，含有的木質(zhì)素等難分解的物質(zhì)較多，可溶性有機(jī)碳含量低。從不同土層深度條件來(lái)看，除了高寒草甸外，其他3種草地土壤可溶性有機(jī)碳含量均是10～20 cm土層大于0～10 cm土層，這與目前部分研究結(jié)果不完全一致[38]，可能與土壤中可溶性養(yǎng)分的向下淋溶有關(guān)。

本研究結(jié)果表明，高寒草甸土壤可溶性有機(jī)碳的芳香性指數(shù)和腐殖化指數(shù)均較高，而高寒草原和高寒荒漠土壤則較低，說(shuō)明高寒草甸土壤可溶性有機(jī)碳含有較多數(shù)量的包括芳香性化合物在內(nèi)的具有不飽和碳碳雙鍵的化合物，同時(shí)具有更高的腐殖化程度，高寒草原和高寒荒漠可溶性有機(jī)碳結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，腐殖化程度不高。土壤腐殖化的前提是有機(jī)質(zhì)分解成簡(jiǎn)單的有機(jī)化合物及中間產(chǎn)物，在一定條件下轉(zhuǎn)化成更復(fù)雜的、穩(wěn)定的、特殊的高分子有機(jī)化合物[39]。高寒草原、高寒荒漠所處環(huán)境海拔高，溫度低，微生物活動(dòng)受限，不利于有機(jī)質(zhì)的分解，無(wú)法為土壤腐殖化過(guò)程提供足夠的中間產(chǎn)物，植被為了完成生命周期，將大量小分子營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸收利用，能夠用來(lái)進(jìn)一步轉(zhuǎn)化的物質(zhì)較少，在有機(jī)質(zhì)腐殖化過(guò)程中也需要大量微生物的參與，這可能是高寒草原和高寒荒漠土壤可溶性有機(jī)碳芳香性指數(shù)和腐殖化指數(shù)較低的原因。

4 結(jié)論

綜上所述，不同類(lèi)型高寒草地土壤全氮、全磷、全鉀、有機(jī)碳、可溶性有機(jī)碳及其特性各有不同。高寒草甸和高寒草甸草原土壤有機(jī)碳、養(yǎng)分和可溶性有機(jī)碳含量較高，土壤有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)抵抗微生物分解、穩(wěn)定土壤肥力、固持碳素具有極其重要的作用，而高寒草原和高寒荒漠土壤的有機(jī)碳、養(yǎng)分和可溶性有機(jī)碳不僅含量較低，有機(jī)質(zhì)的結(jié)構(gòu)也更加簡(jiǎn)單，抗干擾能力弱。因此，在草地保護(hù)和利用過(guò)程中需要根據(jù)這一特征采取相應(yīng)的技術(shù)措施。