三江源區(qū)不同海拔高寒草原土壤養(yǎng)分及化學計量特征

姜哲浩， 周 澤， 陳建忠， 張德罡， 陳建綱， 柳小妮

(甘肅農(nóng)業(yè)大學草業(yè)學院， 草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室， 甘肅省草業(yè)工程實驗室，中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)研究中心， 甘肅 蘭州 730070)

土壤是影響植物群落物種組成和群落動態(tài)的重要因子，土壤養(yǎng)分往往制約著生態(tài)系統(tǒng)的演替過程和對環(huán)境變化的響應(yīng)方式[1]。生態(tài)化學計量學是研究生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)過程中不同元素之間的平衡關(guān)系、植物與土壤相互作用與碳、氮、磷循環(huán)的新思路[2]。碳(carbon，C)是植物各種生理生化過程的底物與能量來源，也是衡量生態(tài)系統(tǒng)有機物質(zhì)儲量的主要指標[3]；氮(nitrogen，N)、磷(phosphorus，P)是植物生長的主要限制因子，并且這種限制作用可以通過植物的氮、磷含量及N/P反映出來[4]。土壤是植物生長的基質(zhì)，為植物體生長提供養(yǎng)分。全球陸地生態(tài)系統(tǒng)大多受到N限制，尤其是土壤C∶N∶P計量學特征對陸地生態(tài)系統(tǒng)中碳固定過程具有極強的調(diào)控作用[5]，因此對土壤生態(tài)化學計量特征的研究不可忽視。目前，隨著我國學者對該學科關(guān)注度的提高，土壤生態(tài)化學計量特征的研究也逐漸增多。王健林等[6]研究了青藏高原高寒草原生態(tài)系統(tǒng)土壤C/N的分布特征，發(fā)現(xiàn)不同草地類型和不同自然地帶土壤碳氮比差異顯著，而表土層與底土層土壤碳氮比差異也顯著；劉穎等[7]研究了川西高寒灌叢草地不同海拔梯度土壤特征，發(fā)現(xiàn)磷和海拔高度顯著相關(guān)，高海拔地區(qū)顯著高于低海拔地區(qū)；李丹維等[8]對太白山不同海拔的土壤進行研究發(fā)現(xiàn)海拔、溫度和水分顯著影響土壤碳、氮、磷化學計量特征。

“三江源”素有“中華水塔”之稱，對中國的生態(tài)狀況及國民經(jīng)濟發(fā)展起著重要作用。該區(qū)域是研究世界上高海拔生物多樣性最理想的地區(qū)之一。劉育紅等[9]對三江源區(qū)高寒草甸植物功能進行了研究，尹亞麗等[10]對該區(qū)域高寒草甸土壤微生物進行了研究，魏衛(wèi)東等[11]通過對退化草地群落特征和土壤因子數(shù)據(jù)進行冗余分析，探討了高寒草甸土壤因子與草地退化之間的關(guān)系，吳航[12]研究表明該地區(qū)植物中碳氮磷含量與海拔高度之間存在相關(guān)性。但鮮有對該區(qū)域土壤化學計量特征的空間分布格局的研究。三江源地區(qū)海拔相對高差較大，氣候和植被類型垂直變化分異明顯，揭示該區(qū)域土壤各組分間的化學計量特征及其相互關(guān)系和空間變異，有助于深入認識碳、氮、磷生物地球化學循環(huán)的特征。

因此，本文以三江源區(qū)不同海拔高度(2 512～4 493 m)高寒草原土壤為研究對象，比較了不同海拔梯度之間土壤養(yǎng)分含量的差異，同時以生態(tài)化學計量學方法探討了三江源區(qū)土壤碳、氮、磷養(yǎng)分垂直分布特征，分析了海拔對土壤養(yǎng)分及生態(tài)化學計量特征的影響，為三江源區(qū)土壤養(yǎng)分供應(yīng)狀況及限制情況提供參考，也可為三江源區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的保護提供重要的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于青海省南部(31°39′～36°19′ N，89°45′～102°23′ E)，海拔2 500～4 800 m，屬高原大陸性氣候，年日照時數(shù)2 550～2 760 h，年均溫—5.6～—3.8℃，年平均降水262.2～772.8 mm，6-9月降水量占全年降水量的75%，冷季漫長，無明顯暖季。草地類型為高寒草原，草層高度25～70 cm，草層蓋度56%～95%，土壤類型為高山草原土[13]，土壤質(zhì)地為砂土[14]。樣地詳情見表1。

1.2 野外調(diào)查與取樣

2018年8月在研究區(qū)進行植被調(diào)查和土壤樣品采集，在海拔2 500～4 500 m范圍以約500 m高差為間隔分別選取5個樣地(表1)。每個樣地設(shè)置3個200 m×200 m的采樣區(qū)，每個采樣區(qū)隨機設(shè)置5個50 cm×50 cm的樣方，記錄植物種類、草層高度(Grass height，GH)及蓋度(Coverage)，然后將樣方內(nèi)的植物齊地面刈割，放入樣袋，經(jīng)105℃殺青后，在60℃下烘干至恒重，計算草地植被地上生物量(Above ground biomass,AGB)。去除土層上的枯落物后，采用五點法采集土壤樣品，使用土鉆采集0～10，10～20，20～30 cm土層的樣品。樣品經(jīng)過混合密封后帶回實驗室，去除土壤動物和植物殘體，一份土樣測定土壤含水量，另一份自然風干后磨碎，過0.15及2 mm篩用于指標測定。同時，在0～10，10～20，20～30 cm土層采用環(huán)刀法(100 cm3)取樣，測定土壤容重(Soil bulk density,SBD)。

1.3 樣品的處理與測定

土壤含水量(Soil water content，SWC)：105℃烘干法；土壤pH值：電位法(水土比為2.5∶1)；土壤有機碳(Soil organic carbon，SOC)：重鉻酸鉀氧化-外加熱法；土壤全氮(Total nitrogen，TN)：凱氏定氮法；土壤全磷(Total phosphorus，TP)：酸熔-鉬銻抗比色法[15]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

土壤碳氮比(C/N)、碳磷比(C/P)和氮磷比(N/P)均采用質(zhì)量比。SPSS21.0軟件對數(shù)據(jù)進行One-Way ANOVA統(tǒng)計分析和Duncan極差法進行差異顯著性比較，采用Pearson法分析土壤各指標間的相關(guān)性，采用QIIME(Version1.7.0)進行不同樣本植物多樣性指數(shù)分析，采用SigmaPlot14.0作圖，采用Canoco5.0軟件對各海拔梯度間土壤理化和生態(tài)化學計量比指標進行主成分分析(Principle Component Analysis，PCA)。

2 結(jié)果與分析

2.1 植被變化特征

由表2可知，草地生物量在各海拔梯度間無顯著差異，但在高海拔處最高；草層高度在海拔3 005，3 490和3 977 m之間無顯著差異，而低海拔2 512 m處，草層高度顯著較高(P<0.05)；植被蓋度在海拔2 512 m處最低，顯著低于其他4個海拔梯度(P<0.05)；植被Shannon指數(shù)在不同海拔間差異顯著(P<0.05)，并隨海拔升高而增加。

表2 不同海拔梯度高寒草原植被特征Table 2 Vegetation characteristics of alpine steppe under different altitudes

注：同列不同小寫字母表示不同海拔梯度之間差異顯著性(P<0.05)

Note:Different lowercase letters in the same column indicate significant differences between different altitude gradients at the 0.05 level

2.2 土壤pH、含水量和容重變化特征

在不同海拔草地土壤中，隨著土層深度的增加，土壤pH和含水量降低，容重則升高(圖1)，其中，土層深度對pH值的影響顯著(P<0.05)。海拔差異對pH值和土壤含水量無明顯影響，但對容重有顯著影響(P<0.05)，表現(xiàn)為隨著海拔升高，容重呈先上升后下降的趨勢，在3 490 m處最高(1.41 g·cm-3)。

圖1 不同海拔高寒草原土壤pH、含水量和容重變化特征Fig.1 Characteristics of soil pH,water content and bulk density of alpine steppe under different altitudes注：誤差線為標準誤。不同小寫字母表示相同土層深度不同海拔梯度差異顯著性(P<0.05)，不同大寫字母表示相同海拔梯度不同土層深度之間差異顯著性(P<0.05)，下同Note:Error bar is standard error. Different lowercase letters indicate significant differences in altitude gradients between different soil depths at the 0.05 level,Different capital letters indicate significant differences in soil depth between different soil gradients at the 0.05 level,the same as below

2.3 土壤有機碳、全氮、全磷含量變化特征

由表3可以看出，隨著海拔的升高，0～30 cm土層中磷含量逐漸升高，表現(xiàn)為4 493>3 977>3 490>3 005>2 512 m。碳和氮含量在海拔2 512～3 490 m呈上升趨勢，在3 490 m處達到最高后又逐漸下降，各海拔之間差異顯著(P<0.05)。隨著海拔的升高，碳和氮含量呈先上升后下降趨勢，磷含量呈上升趨勢。碳和氮含量在各海拔梯度都呈現(xiàn)出隨土層增加而降低的規(guī)律，且各土層差異性顯著(P<0.05)。碳和氮在表層的聚集現(xiàn)象較為明顯，海拔2 512，3 005，3 490，3 977和4 493 m的土壤在0～10 cm土層占整個土壤剖面有機碳的百分比分別為47.98%，42.09%，37.09%，39.74%和41.53%，氮百分比分別為49.75%，44.42%，49.39%，44.98%和50.80%。

2.4 土壤有機碳、全氮、全磷的生態(tài)化學計量特征

由表4可知，隨著海拔的升高，各海拔間0～30 cm土層的土壤C/N，C/P，N/P均呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢，這一變化趨勢和土壤碳、氮含量的變化趨勢一致。

對不同海拔梯度土壤碳、氮、磷生態(tài)化學計量比C/N,C/P,N/P進行分析(表4)，其中，土壤C/N變化范圍為11.16～35.22。在海拔4 493 m的0～10 cm土層中最低，在3 490 m的20～30 cm土層中最高，增加了3.16倍。隨土層的加深，土壤C/N呈增加趨勢。

表3 不同土層深度土壤有機碳、全氮、全磷含量Table 3 Content of organic carbon,total nitrogen and total phosphorus in soil with different depths

土壤C/P范圍為33.65～94.48。土壤C/P隨海拔梯度的增加變化趨勢與土壤C/N類似，在3 490 m的20～30 cm土層中最高，在4 493 m的20～30 cm土層中最低。隨土層的加深，土壤C/P呈逐漸降低趨勢，這與土壤C/N的變化趨勢相反，但在3 490 m呈先下降后上升趨勢。

土壤N/P的范圍為1.89～5.88。N/P隨海拔梯度增加先升后降，隨土層深度的加深，大致呈下降趨勢。在海拔4 493 m的20～30 cm處達到最低值。

表4 不同土層深度土壤化學計量特征Table 4 Ratios of soil C/N,C/P and N/P in different depths

2.5 土壤理化特性與生態(tài)化學計量比的PCA分析

對三江源不同海拔梯度高寒草原土壤理化特性及生態(tài)化學計量比之間進行PCA分析，并結(jié)合Pearson相關(guān)系數(shù)分析土壤環(huán)境因子間的相互關(guān)系。由表5、圖2可知，第1，2主成分軸分別貢獻了65.2%和31.4%的信息量，累計貢獻率達到了96.6%，可以反映出土壤環(huán)境的基本信息。從土壤養(yǎng)分含量與海拔之間的關(guān)系來看，氮、磷與海拔呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)(P<0.01)，而碳與海拔之間的相關(guān)性并不明顯。從土壤生態(tài)化學計量特征與海拔之間的關(guān)系來看，N/P和海拔之間極顯著負相關(guān)(P<0.01)。養(yǎng)分含量之間，氮和碳、磷之間極顯著正相關(guān)(P<0.01)。對養(yǎng)分含量和化學計量比之間的相關(guān)性分析可知，氮與化學計量比之間的相關(guān)性不顯著；碳與C/N，C/P之間顯著正相關(guān)(P<0.05)，磷與N/P之間顯著負相關(guān)(P<0.05)。

表5 土壤化學計量特征與海拔之間的相關(guān)性分析Table 5 The correlation analysis between soil stoichiometry characteristic and altitude

注：*表示顯著相關(guān)(P<0.05)；**表示極顯著相關(guān)(P<0.01)

Note:*means significant correlation at the 0.05 level;**means extremely significant correlation at the 0.01 level

圖2 不同海拔梯度土壤環(huán)境因子間的主成分分析Fig.2 Principal component analysis of soil environmental factors with different altitude

3 討論

3.1 高寒草原植被對海拔變化的響應(yīng)

alpha多樣性能夠反映出生態(tài)系統(tǒng)群落植被的豐富度、均勻度和多樣性的整體規(guī)律，也可表示群落物種對環(huán)境的適應(yīng)能力和群落受干擾影響程度[16]。本研究中，植物Shannon指數(shù)隨海拔升高而增大，說明由海拔升高引起的生境變化有利于植物的生長發(fā)育，這可從植被蓋度和生物量亦隨海拔升高而增加這一結(jié)果得到進一步佐證，另外，這也可能與高海拔地區(qū)人為干擾較少有關(guān)，研究區(qū)域草層高度隨海拔升高而降低，這符合植物在高海拔地區(qū)對低溫和強太陽輻射的適應(yīng)機理[17]。

3.2 土壤養(yǎng)分含量對海拔及土層的響應(yīng)

草地土壤是草地生態(tài)系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)環(huán)境，土壤養(yǎng)分的分解與積累受到自然與人為干擾的影響外，還與氣候、土壤養(yǎng)分狀況和植被類型等外界環(huán)境因子息息相關(guān)[18-19]。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著海拔的升高，土壤pH值與含水量并沒有增加，這與刀靜梅等人的研究結(jié)果一致[20]。土壤容重隨海拔升高而逐漸降低，與馬維偉等人的研究結(jié)果一致[21]，這種變化規(guī)律可能與高寒地區(qū)太陽輻射和氣候溫度有關(guān)，隨海拔升高溫度降低，而太陽的輻射量增強，從而導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)的改變。同樣，這種生境變化也導(dǎo)致微生物分解有機質(zhì)緩慢，易于積累，使土壤容重逐漸降低。植物根系主要分布在土壤表層，較深處的土層根系分布較少，其對土壤的穿插作用變?nèi)鮗22]，因此，形成土壤容重隨土層深度增加而增加的結(jié)果，這與其他研究者對我國主要草地土壤容重垂直變化特征的相關(guān)研究結(jié)果一致[23-24]。與土壤容重的變化規(guī)律相對應(yīng)，土壤孔隙度也隨土層由淺到深逐漸減小，水分下滲困難，外加植物蒸騰和土壤蒸發(fā)等損耗，到達下層的水分越來越少，出現(xiàn)土壤水分隨土層深度增加而呈下降趨勢，這與李碩等的研究結(jié)果一致[25]。

3.3 土壤有機碳、全氮和全磷對海拔及土層的響應(yīng)

本研究中，高海拔處土壤有機碳和全氮含量明顯高于低海拔地區(qū)，這是由于海拔升高后，地上生物量增加，微生物活性下降，土壤有機碳氮礦化速率隨之減慢所致；且高海拔地區(qū)植被根系生命周期較短，死亡后根系為土壤有機質(zhì)的積累提供有利條件[26]。海拔3 490 m處土壤有機碳和全氮含量最高，可能是因為該海拔物種多樣性較為豐富，植被殘落物在以真菌為主的微生物作用下進行特殊的腐殖化過程。韋應(yīng)莉等通過對祁連山土壤微生物研究發(fā)現(xiàn)，土壤微生物與有機碳呈顯著正相關(guān)[27]。土壤全磷含量隨海拔的升高呈現(xiàn)上升趨勢，這與劉愛琴等研究結(jié)果一致[28]。導(dǎo)致全磷含量上升的原因可能是由各海拔區(qū)域土壤母質(zhì)及地上生物量不同而造成的。土壤有機碳是表征土壤肥力的重要參數(shù)[29]，其含量隨著土層深度增加而降低，這與李亞娟等研究結(jié)果相一致[30]。隨土層深度的加深，各海拔土壤全氮、全磷含量均呈下降趨勢，這與前人研究結(jié)果相一致[31]。

3.4 土壤生態(tài)化學計量比對海拔、植物及土層的響應(yīng)

植物體內(nèi)的物質(zhì)由結(jié)構(gòu)性物質(zhì)、功能性物質(zhì)和貯藏性物質(zhì)組成，碳作為植物各種生理生化過程的底物和能量來源，屬于結(jié)構(gòu)性物質(zhì)，氮和磷是功能性物質(zhì)，作為蛋白質(zhì)和遺傳物質(zhì)的重要組成元素[32]。植物碳吸收的途徑不同，在自然條件下，一般認為碳不會限制植物生長，氮和磷的變化是影響C/N和C/P的主要因子。本研究中植被蓋度與Shannon指數(shù)變化規(guī)律與土壤N/P變化規(guī)律相同，說明植物生長與物種多樣性主要受氮素的影響。

土壤生態(tài)化學計量比(C/N，C/P，N/P)是衡量土壤質(zhì)量的重要參數(shù)[33]，反映了土壤釋放氮、磷礦化養(yǎng)分的能力。受氣候、地貌、土壤生物和人為干擾等影響，土壤碳氮磷總量變化差異較大[34]。微生物生命活動所需的最佳C/N為25∶1[35]，此比值對有機碳轉(zhuǎn)化最有利，小于此比值，有機碳轉(zhuǎn)化較容易，能產(chǎn)生充足的氮素，大于此比值，有機碳轉(zhuǎn)化困難，會導(dǎo)致微生物與植物爭奪氮素的現(xiàn)象，但土壤有機碳積累會更加容易[36]。中國土壤的C/N平均值在10～12[37]，本研究發(fā)現(xiàn)研究區(qū)土壤的C/N范圍為13.65～21.35，土壤C/N與全N之間相關(guān)性不顯著，與有機碳呈顯著正相關(guān)，說明該地區(qū)土壤C/N主要受碳控制，且C/N比值小，在其礦化作用之始就能供應(yīng)給植物所需的有效氮量，有機質(zhì)分解速率較快[38]。土壤C/P被認為是指示土壤磷元素礦化能力的重要指標，可以衡量土壤有機質(zhì)礦化釋放磷或吸收固持磷的潛力，較高的C/P不利于微生物在有機質(zhì)分解過程中的養(yǎng)分釋放，使土壤中有效磷的含量減少[39]，我國土壤C/P平均值為105，變化范圍為1.05～177.69[40]，本研究發(fā)現(xiàn)，各海拔土壤C/P范圍為39.37～90.58，低于我國平均值，意味著研究區(qū)土壤碳、磷有效性較高。N/P作為判斷限制生產(chǎn)力的養(yǎng)分因子指標，將N/P<10和N/P>20作為評價植被生產(chǎn)力受氮或者磷限制的指標[41]。本研究中土壤N/P的范圍為2.88～4.24，因此，在不同海拔梯度中，植物生產(chǎn)力主要受氮素的影響。

4 結(jié)論

在三江源區(qū)，隨著海拔的升高，草層高度下降，草地蓋度增加，植物Shannon指數(shù)增加，土壤中全磷含量逐漸升高，土壤容重、碳、氮、C/N、C/P和N/P含量在海拔3 490 m處達到最高后又逐漸下降，草地生物量、土壤pH與含水量無明顯變化規(guī)律；隨土層加深，土壤pH、含水量、碳、氮、磷、C/P和N/P均有不同程度的下降，土壤容重和C/N呈上升趨勢，土壤有機碳和氮含量有明顯的表聚現(xiàn)象；土壤氮與碳、磷極顯著正相關(guān)，海拔與氮、磷極顯著正相關(guān)、與N/P極顯著負相關(guān)。高寒草原植物生產(chǎn)力主要受氮素的影響。