3種草原植物群落土壤養(yǎng)分時(shí)空變化特征*

牛 茹，李青豐，樊如月

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草原與資源環(huán)境學(xué)院，呼和浩特 010018)

土壤是陸生植物的基質(zhì)，它為植物生長提供各類元素，且植物又以枯落物的形式將養(yǎng)分歸還于土壤，二者相互作用，其中，碳、氮、磷作為土壤養(yǎng)分的重要成分和植物生長的必需元素，在土壤-植被中充當(dāng)重要角色。相關(guān)研究表明，土壤理化性質(zhì)發(fā)生改變時(shí)，草地生態(tài)系統(tǒng)植被及草地碳匯等也發(fā)生明顯改變[1]。水是植物生長最基本的基質(zhì)保障，其中，土壤水分對(duì)不同荒漠植被存在差別影響[2]。植物對(duì)其生境中養(yǎng)分資源的吸收利用是生態(tài)學(xué)研究中的一個(gè)重點(diǎn)[3]。土壤水分對(duì)植被生長、組成等起到樞紐作用。土壤水分被植物吸收保持其細(xì)胞的固有形態(tài)，通過蒸騰參與植物的光合作用，是植物制造養(yǎng)分的原料之一。郭占榮等研究[4]發(fā)現(xiàn)，芨芨草、甘草等荒漠草原植被的生長、分布與土壤水分含量密切相關(guān)，且不同植被需要的地下水位是不同的。

土壤資源的空間異質(zhì)性是生態(tài)系統(tǒng)的基本特征，這種異質(zhì)性不僅是影響群落結(jié)構(gòu)還作用于對(duì)生態(tài)過程[5]?？臻g異質(zhì)性表現(xiàn)為植被空間格局和土壤養(yǎng)分資源的異質(zhì)性，兩者相互影響和相互制約[6-7]。土壤中的氮、磷、鉀等元素是植物生長的必需物質(zhì)，尤其在荒漠干旱地區(qū)，氮素對(duì)植被影響明顯。植物根系主要生長于表層土，土表層生物量高，有機(jī)質(zhì)較為復(fù)雜[8-9]。已有研究顯示，植被吸收的氮素主要為硝態(tài)、銨態(tài)[10]。而硝態(tài)氮含量季節(jié)變化趨勢(shì)差異性大，隨土層加深差異越來越不明顯，反映了植被類型對(duì)表層土壤氮素季節(jié)動(dòng)態(tài)變化起到?jīng)Q定性作用[10]。土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮不斷被植物汲取利用，并使養(yǎng)分被轉(zhuǎn)化[11]。而磷是植物生長必需的三大的元素之一，也是植物生長和發(fā)育過程中重要的無機(jī)成分。土壤速效磷是指能被植物直接吸收的無機(jī)磷或小分子有機(jī)磷，是評(píng)價(jià)土壤的動(dòng)態(tài)因子之一[10]。張全發(fā)等[12]研究植物演替與土壤之間的關(guān)系，結(jié)果表明在植物群落的生長發(fā)育過程中速效 P、速效 K含量在種與種間顯現(xiàn)不同變化。Ginzo 等通過對(duì)草地施磷肥的研究發(fā)現(xiàn)土壤磷是從草地生態(tài)系統(tǒng)中緩慢地?fù)p失掉。不同植物群落生境下土壤磷的含量有差異，而土壤磷的空間分布也會(huì)影響植物生長[10]。但是有關(guān)不同優(yōu)勢(shì)群落下速效鉀的研究還比較少，有待進(jìn)一步跟進(jìn)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)自然狀況

取樣地處于呼和浩特市和林格爾縣，地跨北緯39°58″—40°41″，東經(jīng)111°26″—112°18″之間，屬于典型農(nóng)牧交錯(cuò)帶。該地屬于半干旱大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫在6.2℃左右，歷年平均降水量為392.8 mm。以旱生叢生小禾草為建群種，并在群落中構(gòu)建成穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)種，主要的優(yōu)勢(shì)種有沙蘆草(Agropyronmongolicum)、短花針茅(Stipabreviflora)、大針茅(Stipagrandis)，伴生種有豬毛蒿(Artemisiascoparia)、扁蓿豆(Medicagoruthenica)和胡枝子(Lespedezabicolor)等。

1.2 試驗(yàn)方法

取樣地生長季為5月—10月，每隔1個(gè)月進(jìn)行土壤取樣，樣地面積為50 m×50 m，水平每隔15 m選一條樣線，共3條，每條樣線上打3個(gè)點(diǎn)，分別垂直取0～5 cm、5～10 cm、10～20 cm、20～30 cm土混合后放入采集箱并加冰袋帶回實(shí)驗(yàn)室，放入-4℃冰箱冷藏保存。

1.3 測(cè)定指標(biāo)

1.3.1氮含量

采用2 molL-1中性鹽交換法，稱取5 g鮮土，置于100 mL聚乙烯塑料瓶中，加入2 molL-1KCL 25 mL，水∶土為5∶1，在25℃下，震蕩30 min，過濾，用連續(xù)流動(dòng)分析儀ASS測(cè)定銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量。

1.3.2磷含量

(1)采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定，稱取過1 mm篩的風(fēng)干土2.5 g，加入0.5 molL-1的碳酸氫鈉50 mL，水∶土為10∶1，加入2 g左右活性炭，在25℃下震蕩30 min，立即過濾至干燥的三角瓶中，吸取濾液10 mL,加入5 mL鉬銻抗溶液，混合溶液，搖動(dòng)排出CO2，容量瓶中定容至50 mL，用紫外分光光度計(jì)在700 nm波長下比色，測(cè)量吸光度，計(jì)算速效磷含量。

(2)結(jié)果計(jì)算：

式中：ρ為從工作曲線上查得P的質(zhì)量濃度 (μg·mL-1)；

V為顯色時(shí)定容體積(mL)；

ts為分取倍數(shù)(即浸提液總體積與顯色對(duì)吸取浸提液體積之比)；

m為風(fēng)干土質(zhì)量(g)；

k為將風(fēng)干土換算成烘干土質(zhì)量系數(shù)；

103為將μg換算成mg；

1 000為換算成每kg含P量。

1.3.3鉀含量

(1)采用1 molL-1NH4OAc溶液為浸提劑。稱取5 g鮮土于100 mL聚乙烯塑料瓶中，加入1 molL-1NH4OAc溶液50 mL，在25℃室溫條件下，震蕩30 min，過濾，濾出液直接用火焰光度計(jì)測(cè)定鉀的濃度。

(2)結(jié)果計(jì)算：

式中：V為加入浸提液mL數(shù)；

m為烘干土樣品的質(zhì)量(g)。

2 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)采用 Microsoft Office Excel 2010 軟件進(jìn)行圖、表和數(shù)據(jù)的前期處理，之后利用SASv8(Statistical Analysis System)軟件進(jìn)行單因素方差分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤含水量變化特征

土壤含水量是保證植物生長的關(guān)鍵因子之一。如圖1所示，除大針茅群落土壤表層0～5 cm含水量高于5～10 cm外，短花針茅和沙蘆草群落土壤含水量均隨著土壤深度的增加而增加。此外，0～30 cm沙蘆草群落土壤含水量依次高于大針茅群落和短花針茅群落，其中，短花針茅群落土壤含水量均最低。

圖1 3種草原植物群落的土壤含水量變化

3.2 土壤速效養(yǎng)分含量時(shí)間變化

3.2.1銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量變化

5月、8月、10月短花針茅群落各土層銨態(tài)氮含量變化呈現(xiàn)10月>8月>5月的變化規(guī)律，且10月各土層銨態(tài)氮含量顯著高于其他兩月。大針茅群落在0～5 cm、20～30 cm的銨態(tài)氮含量顯著低于其他土層，其他各土層在3個(gè)月中銨態(tài)氮含量無明顯差異。5月時(shí)，沙蘆草在0～5 cm的銨態(tài)氮含量顯著高于其他土層，在20～30 cm銨態(tài)氮含量顯著低于其他土層，而這3個(gè)月其他土層的銨態(tài)氮含量無明顯差異。

表1 3種草原植物群落土壤銨態(tài)氮時(shí)間變化特征

3.2.2土壤硝態(tài)氮含量的時(shí)間變化

8月短花針茅群落土壤表層0～5 cm的硝態(tài)氮含量顯著高于5月土壤表層的含量；隨著土壤深度的增加，各月份間相同土層間硝態(tài)氮含量顯著性差異逐漸減小，總體硝態(tài)氮含量呈現(xiàn)10月>8月>5月。大針茅和沙蘆草群落硝態(tài)氮含量變化一致，在0～5 cm時(shí)，各月無明顯差異，而在其他各土層均呈現(xiàn)出10月硝態(tài)氮含量顯著高于其他2個(gè)月。

表2 3種草原植物群落土壤硝態(tài)氮的時(shí)間變化特征

3.2.3土壤速效磷含量的時(shí)間變化

5月、8月、10月短花針茅和大針茅群落各月各土層的土壤速效磷無顯著性差異。沙蘆草群落的速效磷含量在土壤表層0～10 cm，10月明顯高于其他2個(gè)月，而這3個(gè)月其他各土層的土壤速效磷均無明顯差異。

表3 3種草原植物群落土壤速效磷的時(shí)間變化特征

3.2.4土壤速效鉀含量的時(shí)間變化

短花針茅群落的土壤速效鉀含量在土壤表層0～10 cm，5月和10月的含量明顯高于8月，而在10～30 cm時(shí)，10月的速效鉀含量顯著高于其他2個(gè)月。大針茅群落除8月0～5 cm土壤表層速效鉀含量顯著低于10月，其他各土層速效鉀含量均顯著低于其他2個(gè)月。沙蘆草群落土壤表層0～5 cm各月速效鉀含量無明顯差異；其他各土層速效鉀含量均呈現(xiàn)10月顯著高于其他2個(gè)月。

表4 3種草原植物群落土壤速效鉀的時(shí)間變化特征

3.3 土壤速效養(yǎng)分含量空間變化

3.3.1銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量變化

植物能吸收的氮素形態(tài)為銨態(tài)氮和硝態(tài)氮。如表5所示，短花針茅，大針茅和沙蘆草3種植物群落間銨態(tài)氮和硝態(tài)氮無顯著性差異。隨著土壤深度的增加，3種群落土壤銨態(tài)氮含量均無顯著性差異；大針茅群落和沙蘆草群落硝態(tài)氮含量隨著土壤深度的增加而降低，短花針茅群落各土層硝態(tài)氮含量無明顯差異。

3.3.2速效磷含量變化

土壤速效磷是判斷土壤的重要指標(biāo)[14]。如表5，除沙蘆草群落表層土壤速效磷含量顯著高于大針茅群落土壤表層0～5 cm外，其他不同群落各土層之間均無顯著性差異。隨著土壤深度的增加，短花針茅群落和大針茅群落各土層速效磷含量無明顯規(guī)律；沙蘆草群落土壤速效磷含量隨著土層的加深逐漸降低，且0～5 cm顯著高于20～30 cm。

表5 和林格爾縣8月土壤速效養(yǎng)分空間含量變化特征

3.3.3速效鉀的含量空間變化特征

大針茅群落各土層速效鉀含量顯著高于短花針茅和沙蘆草群落各土層速效鉀含量，其中10～30 cm，3種群落間土壤速效鉀含量存在顯著差異，大針茅>短花針茅>沙蘆草。3種群落土壤表層0～5 cm的速效鉀含量顯著高于其他土層。

4 討論

4.1 土壤水分變化

土壤水分變化會(huì)影響植物生物量，植物為適應(yīng)水分脅迫會(huì)把將生物量轉(zhuǎn)移到地下，而地上部分的生物量會(huì)相應(yīng)減少[14-16]。張惠昌等[17]發(fā)現(xiàn)，土壤含水量會(huì)直接影響干旱地區(qū)植物群落生長。短花針茅群落和沙蘆草群落土壤含水量均隨著土壤深度的增加而增大，與方楷書[18]等研究的荒漠草原植物群落土壤含水量變化規(guī)律一致。在0～5 cm時(shí)，大針茅群落的含水量高于其5～10 cm的含水量，這一規(guī)律與其他兩種優(yōu)勢(shì)種群落的含水量隨著土壤深度的增加而增大的變化規(guī)律不同。8月正值植物的生長盛期，由于大針茅群落是密叢型旱生植物，其冠幅較大，遮陰面積多，最終土表層的蒸發(fā)量較少，所以土壤表層0～5 cm的含水量高于5～10 cm的水分含量。而該植株屬于淺層扎根，因而土壤水分會(huì)隨著土層的深度加深，含水量逐漸增多。

4.2 土壤養(yǎng)分時(shí)空變化

有研究表明，植物群落對(duì)土壤養(yǎng)分有重要的影響，不同植物群落的根系活動(dòng)深度不一，對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收也就不同，不同植物群落對(duì)不同元素的選擇吸收不同，不同養(yǎng)分在不同群落間就有差異[19-20]。因而研究不同植物群落土壤養(yǎng)分時(shí)空變化特征，對(duì)認(rèn)識(shí)植物群落與土壤養(yǎng)分之間的關(guān)系具有重要意義[19]。土壤氮、磷的含量時(shí)土壤質(zhì)量及養(yǎng)分供給能力的一個(gè)重要指標(biāo)[21]

土壤中的有效氮以銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的形式存在[11]。3種群落5～20 cm土壤中的NO3-N含量無明顯差異。短花針茅群落表層0～5 cm土壤銨態(tài)氮含量隨著月份多的增大而增加，可能由于5月干旱少雨，短花針茅群落土壤緊實(shí)，因而銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量低。隨著氣溫變暖，土壤水分增加，土壤的氨化細(xì)菌活動(dòng)增強(qiáng)，導(dǎo)致土壤的銨態(tài)氮含量逐漸增加。大針茅群落和沙蘆草群落較短花針茅群落土壤空隙較大，透氣性好，氨化細(xì)菌和硝化細(xì)菌活動(dòng)受土壤緊實(shí)度影響較小，故隨著土壤深度的增加，各土層硝態(tài)氮含量逐漸降低；10月溫度降低，植物生長緩慢，對(duì)銨態(tài)氮利用逐漸降低，故沙蘆草群落銨態(tài)氮含量5月>8月>10月；但大針茅群落銨態(tài)氮含量5月>10月>8月，可能由于大針茅群落生長旺季需氮量較高。 8月溫度升高，降水集中，硝化細(xì)菌活動(dòng)頻繁，但8月牧草生長旺季較5月返青期植物需氮量增加，本研究中，3種植物群落硝態(tài)氮整體變化為10月>8月>5月，說明土壤硝化細(xì)菌產(chǎn)生的硝態(tài)氮能夠滿足植物生長需求，而10月枯落物增加，植物生長緩慢，說明植物生長所需的硝態(tài)氮含量低于枯落物分解產(chǎn)生的硝態(tài)氮含量。

土壤磷主要是由土壤有機(jī)質(zhì)分解和土壤自身礦化產(chǎn)生，短花針茅群落和大針茅群落土壤速效磷各月土層無差異，說明兩種群落枯落物分解釋放磷元素對(duì)土壤無影響，故隨著土壤深度的增加，其各層土壤間速效磷含量無差異。但沙蘆草群落土壤表層0～10 cm速效磷隨著月份的增大逐漸升高，說明沙蘆草群落枯落物分解釋放磷元素對(duì)土壤磷含量產(chǎn)生影響，故隨著土壤深度的增加，土壤速效磷含量逐漸降低。綜上所述，土壤表層沙蘆草群落速效磷含量顯著高于大針茅和短花針茅群落。

短花針茅群落、大針茅群落和沙蘆草群落3個(gè)月土壤速效鉀含量10月均顯著高于8月，說明8月是植物生長旺季，植物所需鉀較多，而10月枯落物增多，枯落物分解釋放有機(jī)質(zhì)到土壤中。8月生長旺季，土壤根系大量吸收土壤養(yǎng)分，地面逐漸產(chǎn)生枯落物，故3種群落土壤表層0～5 cm速效鉀含量顯著高于其他土層。

5 結(jié)論

經(jīng)過對(duì)和林格爾縣短花針茅、大針茅和沙蘆草3種草原植物群落土壤水分和土壤速效養(yǎng)分時(shí)空變化特征研究發(fā)現(xiàn)，3種群落土壤含水量均隨著土壤深度的增加逐漸增多。大針茅群落8月生長旺季對(duì)土壤銨態(tài)氮的需求量高于其他兩個(gè)群落，且土壤能夠提供足夠的硝態(tài)氮供3種群落植被生長。其次，經(jīng)過對(duì)速效磷的研究發(fā)現(xiàn)，沙蘆草群落有機(jī)質(zhì)的分解為土壤提供更多速效磷。最后，土壤速效鉀含量主要集中于表層土壤0～5 cm且8月植物生長旺季對(duì)速效鉀需求量較大。