西藏北部不同草地類型土壤碳、氮、磷的變化特征

周啟龍， 多吉頓珠， 陳少鋒， 益西央宗， 普布卓瑪

(1.國(guó)家青稞與牦牛種質(zhì)資源與遺傳改良國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西藏 拉薩 850000;2.西藏自治區(qū)農(nóng)牧科學(xué)院 草業(yè)科學(xué)研究所， 西藏 拉薩 850000)

草原是畜牧業(yè)最廉價(jià)飼料來(lái)源，還具有防風(fēng)固沙、涵養(yǎng)水源、防治水土流失等作用，是重要的國(guó)土資源[1]。高寒草原是西藏北部的主要植被類型，也是西藏主要放牧區(qū)，對(duì)西藏畜牧業(yè)的發(fā)展具有重要意義[2]。土壤有機(jī)碳在全球碳循環(huán)上有著重要的作用，其含量影響著草地生產(chǎn)力，是草地健康評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)之一[3]。土壤的氮在全球氮循環(huán)中也有著重要的作用[4]，并能夠限制群落的初級(jí)和次級(jí)生產(chǎn)量，且氮元素在陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)量、結(jié)構(gòu)和功能方面的調(diào)節(jié)具有關(guān)鍵作用[5]。磷的存在對(duì)草原生態(tài)系統(tǒng)的正常運(yùn)行具有重要作用，大部分的草地缺磷，磷成為了植物生長(zhǎng)的限制因素之一[6-7]，因此對(duì)西藏不同植被類型下的養(yǎng)分進(jìn)行研究是十分必要的。目前，對(duì)西藏典型草地類型的土壤養(yǎng)分方面的研究很少，只有顧振寬等[8]對(duì)青藏高原東部不同草地類型土壤養(yǎng)分的分布規(guī)律進(jìn)行了研究，而關(guān)于藏北典型草地類型的碳、氮、磷研究更少。因此，對(duì)藏北地區(qū)典型草地類型土壤養(yǎng)分進(jìn)行研究對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)和生態(tài)保護(hù)具有重要意義。本研究擬以藏北地區(qū)典型草地作為研究對(duì)象，針對(duì)不同草地類型，對(duì)土壤養(yǎng)分進(jìn)行研究，旨在為草地生態(tài)保護(hù)和評(píng)價(jià)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于西藏自治區(qū)當(dāng)雄縣羊八井鎮(zhèn)格達(dá)鄉(xiāng)內(nèi)的雪格拉山(90°45′—91°31′E，29°31′—31°04′N)。冬季寒冷、干燥，晝夜溫差大；年均溫度1.3 ℃，年均降雨量4 56.8mm，年均蒸發(fā)量1 725.7 mm，年均日照時(shí)數(shù)2 880.9 h，無(wú)霜期62 d，從頭年11月至翌年3月份有3個(gè)月的土地凍結(jié)期，大雪、冰雹、霜凍、干旱、大風(fēng)等自然災(zāi)害頻繁。屬高原寒溫帶半干旱季風(fēng)氣候區(qū)，冬寒夏涼，多大風(fēng)。雪格拉山海拔4 450～5 300 m，不同草地類型隨海拔高度不同而變化。海拔4 450～4 500 m為高寒沼澤草甸，海拔4 500～4 650 m為山腰高寒草甸，海拔4 650～4 750 m為高寒灌叢草甸，海拔4 750～4 950 m為山脊高寒草甸。不同草地類型的基本情況見(jiàn)表1。

1.2 取樣方法

2017年8月在雪格拉山4個(gè)草地類型分別進(jìn)行采樣，采樣點(diǎn)選擇標(biāo)準(zhǔn)為人為干擾少、植被均勻，并記錄經(jīng)緯度、海拔。每個(gè)草地類型隨機(jī)設(shè)置3個(gè)樣地，每個(gè)樣地設(shè)置100 m×100 m的大樣方，每個(gè)樣方內(nèi)按照S形設(shè)置小樣方運(yùn)用土鉆進(jìn)行土壤取樣，每個(gè)小樣方取兩個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)取3層，分別為0—10，10—20，20—40 cm，帶回實(shí)驗(yàn)室。每個(gè)草地類型均重復(fù)取樣10次。

1.3 樣品測(cè)定方法

土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀容量法；土壤全氮采用凱氏定氮法；土壤有效氮測(cè)定采用堿解擴(kuò)散法；全磷的測(cè)定采用鉬銻抗比色法；土壤速效磷用鉬銻抗比色法進(jìn)行測(cè)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理用Excel和SPSS17.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

表1 西藏北部不同草地類型基本狀況

2 結(jié)果與分析

2.1 不同草地類型下不同土層土壤有機(jī)碳含量的分布

如表2所示，隨著草地類型和土壤深度的變化，土壤的有機(jī)碳含量有所不同。0—10 cm土層有機(jī)碳由高到低依次為高寒沼澤草甸、山脊高寒草甸、高寒灌叢草甸、山腰高寒草甸，其中高寒沼澤草甸有機(jī)碳含量最高，顯著高于其他草地類型(p<0.05)，高寒灌叢草甸有機(jī)碳含量與山脊高寒草甸、山腰高寒草甸之間差異不顯著(p>0.05)。10—20 cm土層有機(jī)碳含量由高到低依次為高寒沼澤草甸、山脊高寒草甸、高寒灌叢草甸、山腰高寒草甸，并且四者間差異均顯著。20—40 cm土層有機(jī)碳含量由高到低依次為高寒沼澤草甸、山脊高寒草甸、高寒灌叢草甸、山腰高寒草甸，其中高寒沼澤草甸有機(jī)碳含量顯著高于山脊高寒草甸、山脊高寒草甸有機(jī)碳含量顯著高于高寒灌叢草甸和山腰高寒草甸，高寒灌叢草甸與山腰高寒草甸間差異不顯著。

表2 不同草地類型不同土層土壤有機(jī)碳含量g/kg

注：數(shù)據(jù)為均值±標(biāo)準(zhǔn)差；大寫(xiě)字母表示土層間差異(p<0.05)，小寫(xiě)字母為不同草地類型間差異(p<0.05)。下同。

不同草地類型垂直分布方面，山脊高寒草甸和山腰高寒草甸的有機(jī)碳含量都隨著土壤深度的增加而降低，且差異顯著。高寒灌叢草甸有機(jī)碳含量隨著土壤深度的增加而降低，但10—20 cm土層與0—10 cm土層和20—40 cm土層差異不顯著，0—10 cm土層有機(jī)碳含量顯著高于20—40 cm土層。高寒沼澤草甸有機(jī)碳含量最高的是10—20 cm土層，但與0—10 cm土層有機(jī)碳含量差異不顯著，0—10 cm土層和10—20 cm土層都顯著高于20—40 cm土層。

2.2 不同草地類型下不同土層土壤氮含量的分布

如表3所示，不同草地類型和不同土壤深度的全氮含量不同。全氮含量由高到低依次為高寒沼澤草甸、山脊高寒草甸、高寒灌叢草甸、山腰高寒草甸，高寒沼澤草甸全氮含量最高。其中，10—20 cm土層四者間全氮含量差異均顯著(p<0.05)，0—10 cm與20—40 cm土層高寒沼澤草甸全氮含量顯著高于山脊高寒草甸，山脊高寒草甸全氮含量顯著高于高寒灌叢草甸，高寒灌叢草甸與山腰高寒草甸間全氮含量差異不顯著(p>0.05)。高寒灌叢草甸和山腰高寒草甸不同土層間全氮含量差異不顯著，高寒沼澤草甸不同土層間全氮含量在0—10 cm土層顯著高于10—20 cm，在10—20 cm土層顯著高于20—40 cm。山脊高寒草甸不同土層全氮含量在0—10 cm土層顯著高于20—40 cm，在10—20 cm土層與其他二者差異不顯著。

表3 不同草地類型不同土層土壤全氮含量g/kg

如表4所示，不同草地類型在0—10 cm土層有效氮含量最高為山脊高寒草甸，山脊高寒草甸有效氮顯著高于山腰高寒草甸和高寒沼澤草甸(p<0.05)，高寒灌叢草甸有效氮與山腰高寒草甸、高寒沼澤草甸差異不顯著(p>0.05)。不同草地類型有效氮含量在10—20 cm土層最高為高寒灌叢草甸，高寒灌叢草甸有效氮含量顯著高于山腰高寒草甸顯著高于、山脊高寒草甸和高寒沼澤草甸，其余三者間有效氮含量差異不顯著。不同草地類型在20—40 cm土層有效氮含量最高的仍為山腰高寒草甸。山脊高寒草甸隨著土層的加深有效氮含量顯著降低，其他草地類型雖有降低趨勢(shì)，但并不明顯。

表4 不同草地類型不同土層土壤有效氮含量mg/kg

2.3 不同草地類型下不同土層土壤磷含量的分布

如表5所示，不同草地類型間全磷含量在0—10 cm土層為高寒灌叢草甸顯著高于高寒沼澤草甸(p<0.05)，山脊高寒草甸與其他草地類型間差異不顯著(p>0.05)，山腰高寒草甸全磷含量與其他草地類型間差異不顯著。10—20 cm土層4種草地類型間差異不顯著。20—40 cm土層山脊高寒草甸、高寒灌叢草甸與山腰高寒草甸間全磷含量不顯著，但均顯著高于高寒沼澤草甸。高寒灌叢草甸不同土層全磷含量從高到低的順序?yàn)?—10，10—20，20—40 cm，且差異顯著，其他3種草地類型不同土層間全磷含量差異均不顯著。

表5 不同草地類型不同土層土壤全磷含量g/kg

如表6所示，不同草地類型在0—10 cm土層速效磷含量從高到低依次為高寒灌叢草甸、山脊高寒草甸、山腰高寒草甸、高寒沼澤草甸，高寒灌叢草甸速效磷含量顯著高于高寒沼澤草甸(p<0.05)，山脊高寒草甸、山腰高寒草甸間速效磷含量差異不顯著(p>0.05)，且與山脊高寒草甸和高寒沼澤草甸差異也不顯著。不同草地類型速效磷含量在10—20 cm土層從高到低依次為高寒灌叢草甸、山脊高寒草甸、山腰高寒草甸、高寒沼澤草甸，高寒灌叢草甸、山脊高寒草甸、山腰高寒草甸3者間速效磷含量差異不顯著，但都顯著高于高寒沼澤草甸。不同草地類型在20—40 cm土層速效磷含量由高到低依次為高寒灌叢草甸、山腰高寒草甸、山脊高寒草甸、高寒沼澤草甸，高寒灌叢草甸顯著高于山脊高寒草甸和高寒沼澤草甸，山腰高寒草甸顯著高于高寒沼澤草甸，山腰高寒草甸速效磷含量與高寒灌叢草甸和山脊高寒草甸差異不顯著，山脊高寒草甸與高寒沼澤草甸速效磷含量差異不顯著。高寒灌叢草甸、山脊高寒草甸、高寒沼澤草甸不同土層間速效磷含量差異不顯著，山腰高寒草甸0—10 cm土層速效磷含量顯著低于10—20 cm和20—40 cm土層，10—20 cm和20—40 cm土層速效磷含量差異不顯著。

表6 不同草地類型下不同土層土壤速效磷含量mg/kg

2.4 雪格拉山各養(yǎng)分的相關(guān)關(guān)系

雪格拉山各養(yǎng)分間，有機(jī)碳與全氮有極顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.968(p<0.01)，與速效氮有顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.462(p<0.05)，全氮與速效氮呈顯著正相關(guān)關(guān)系(r=0.439)，全磷與速效磷呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(r=0.442)(表7)。

表7 雪格拉山各養(yǎng)分的相關(guān)關(guān)系

注：*表示各養(yǎng)分間差異顯著(p<0.05)，**表示各養(yǎng)分間差異極顯著(p<0.01)。

3 討 論

土壤有機(jī)碳的含量由海拔和植被類型共同作用。當(dāng)植物殘?bào)w進(jìn)入土壤后，發(fā)生分解和淋溶作用，這個(gè)過(guò)程的快慢決定了有機(jī)碳最終的含量。植被類型和海拔決定了植物殘?bào)w進(jìn)入土壤的總量，海拔同時(shí)改變了氣候要素而決定了分解和淋溶速度[9]。本研究中有機(jī)碳含量最高的草地類型是高寒沼澤草甸，土壤有機(jī)碳的主要來(lái)源是植物殘?bào)w的凋落分解[10]，高寒沼澤草甸的主要植被為藏北嵩草，經(jīng)年累月，積累了大量植物殘?bào)w，是有機(jī)碳的主要來(lái)源，且沼澤地內(nèi)植物殘?bào)w分解速度慢，最終使有機(jī)碳的含量變得很高。山脊高寒草甸、高寒灌叢草甸和山腰高寒草甸有機(jī)碳含量主要受海拔的影響，隨著海拔的增加，有機(jī)碳含量在增加，主要是由于氣溫低引起的植物殘?bào)w分解速度慢，這與smith等[11]丁咸慶等[12]的研究是一致的。除高寒沼澤草甸外有機(jī)碳含量均隨著土層加深，有機(jī)碳含量降低，這是由于土壤根系主要集中于表面且凋落物先落于地面上導(dǎo)致的，這與許多學(xué)者的研究是一致的[13-14]。但高寒沼澤草甸10—20 cm土層有機(jī)碳含量略高于0—10 cm土層，這可能與沼澤地中根系主要集中在10—20 cm土層有關(guān)。

不同草地類型的土壤全氮含量表現(xiàn)不同，魯如坤[15]認(rèn)為土壤氮的積累和消耗程度取決于土壤有機(jī)碳的積累和分解，這與本研究一致，有機(jī)碳與全氮呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與速效氮呈顯著正相關(guān)關(guān)系。全氮含量主要受氮素的硝化與反硝化，礦化與固定的影響，植物殘?bào)w、動(dòng)物排泄物等歸還土壤，又通過(guò)植物吸收、侵蝕和淋溶等方式從土壤中消失，水熱條件和土壤特性最終影響著土壤氮的含量[16]。在不同土層深度上，土壤全氮含量差異表現(xiàn)雖不及有機(jī)碳含量變化明顯，但仍有降低的趨勢(shì)，說(shuō)明有機(jī)碳和全氮之間存在內(nèi)在影響。本研究中高寒沼澤草甸全氮含量0—10 cm土層最高，有著明顯的分層效果，這說(shuō)明沼澤草甸中不同深度的土壤的水分含量區(qū)別不大，氮素的含量主要受植物殘?bào)w含量影響。山脊高寒草甸、山腰高寒草甸和高寒灌叢草甸的全氮含量隨著土層的加深變化并不顯著，這可能主要受氣候因素的影響比較大。有效氮是指植物可利用的氮，王淑平等[17]認(rèn)為土壤有效氮含量與土壤全氮含量呈極顯著正相關(guān)，但這與本研究結(jié)果一致，雪格拉山的有效氮含量和全氮含量之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R=0.439*。全氮受海拔梯度影響明顯，隨著海拔的增加，高寒草甸的全氮含量增加。

不同草地類型全磷含量不同，整體表現(xiàn)為高寒灌叢草甸最高，高寒沼澤草甸最低，山脊高寒草甸高于山腰高寒草甸。家畜頻繁的采食使磷從系統(tǒng)中的輸出加強(qiáng)，最終導(dǎo)致全磷含量下降[18]。高寒沼澤草甸和山腰高寒草甸農(nóng)牧民放牧頻繁，這可能是全磷含量低的原因，速效磷受全磷含量影響顯著，速效磷與全磷的相關(guān)系數(shù)R=0.442，為極顯著正相關(guān)關(guān)系。從空間變化上看，全磷除高寒沼澤草甸外，沒(méi)有顯著的分層現(xiàn)象，速效磷在不同土層差異并不顯著。

放牧強(qiáng)度強(qiáng)烈影響著高寒草甸土壤養(yǎng)分含量，土壤有機(jī)碳、全氮、速效氮、磷等養(yǎng)分都會(huì)隨著放牧強(qiáng)度的增大而減少[19]，本研究中放牧對(duì)速效養(yǎng)分的影響更加明顯，山脊高寒草甸表層土的速效磷和有效氮明顯高于下層土，分層明顯，但山腰高寒草甸表層土的速效磷和有效氮低于其在10—20 cm土層中的含量，說(shuō)明放牧頻繁使速效養(yǎng)分降低。

4 結(jié) 論

(1) 山脊高寒草甸、高寒灌叢草甸和山腰高寒草甸有機(jī)碳含量主要受海拔的影響，有機(jī)碳含量隨著海拔的增加而增加，隨土層加深而降低；

(2) 有機(jī)碳與全氮有極顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.968(p<0.01)，不同草地類型間全氮含量趨勢(shì)與有機(jī)質(zhì)趨勢(shì)相同；

(3) 除高寒沼澤草甸，其他草地類型的有效氮與全氮分布規(guī)律相同，有效氮含量和全氮含量之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R=0.439(p<0.05)。速效磷受全磷含量影響顯著，速效磷與全磷的相關(guān)系數(shù)R=0.442，為極顯著正相關(guān)關(guān)系。

(4) 全磷含量受放牧影響，但放牧對(duì)速效養(yǎng)分的影響更加明顯，山脊高寒草甸表層土的速效磷和有效氮明顯高于下層土，分層明顯，但山腰高寒草甸表層土的速效磷和有效氮低于其在10—20 cm土層中的含量，說(shuō)明放牧頻繁使速效養(yǎng)分降低。