高寒草地土壤理化性質(zhì)特征及質(zhì)量評(píng)價(jià)

楊沖，王文穎，劉攀，周華坤，毛旭鋒

(1.青海師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，青海 西寧 810008；2.青海師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，青海 西寧 810008；3.中國(guó)科學(xué)院西北高原生物研究所，青海 西寧 810008)

土壤作為一種重要的自然資源，是植物生長(zhǎng)、發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)，能夠控制和調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)的生態(tài)過程，是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，也是人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，其質(zhì)量狀況直接關(guān)系到人類的健康和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)性發(fā)展[1-4]。土壤質(zhì)量是土壤的固有屬性，指一種特定類型的土壤在自然或有管理的生態(tài)系統(tǒng)邊界內(nèi)發(fā)揮作用的能力，是土壤維持生態(tài)系統(tǒng)生物生產(chǎn)力、保護(hù)環(huán)境質(zhì)量和促進(jìn)動(dòng)植物健康能力的綜合衡量指標(biāo)，能反映自然因素和人類活動(dòng)對(duì)土壤的影響[5-8]。土壤的形成、分布、人為干擾以及其所處的綜合自然環(huán)境等因素均能導(dǎo)致土壤質(zhì)量的時(shí)空分異格局[9-10]。目前，土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的相關(guān)研究已經(jīng)取得了豐碩成果，但仍沒有一個(gè)普適的、統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[11]，不同的研究區(qū)域、不同的評(píng)價(jià)目的和對(duì)土壤不同功能的側(cè)重決定了評(píng)價(jià)指標(biāo)的差異，不同的評(píng)價(jià)方法也會(huì)對(duì)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果產(chǎn)生顯著影響[12]。常用的土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)方法包括土壤質(zhì)量卡片及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[13]、土壤質(zhì)量指數(shù)法[14]、主成分分析法[15]、模糊關(guān)聯(lián)法[16]、動(dòng)態(tài)土壤質(zhì)量模型[17]、管理評(píng)估法[18]等。土壤質(zhì)量受多個(gè)因素影響，且各個(gè)因素之間存在一定的相關(guān)性，致使反映土壤質(zhì)量狀況的若干指標(biāo)之間存在信息重疊[19]。主成分分析就是把多個(gè)指標(biāo)化為少數(shù)幾個(gè)綜合指標(biāo)的一種統(tǒng)計(jì)分析方法，將多個(gè)影響土壤質(zhì)量的因素進(jìn)行降維分析，提取主成分，弱化變量之間的自相關(guān)引起的誤差，被廣泛應(yīng)用在土壤質(zhì)量的評(píng)價(jià)研究中[20]。

黃河源區(qū)是青藏高原的重要組成部分，是黃河上游主要的產(chǎn)流區(qū)、水源涵養(yǎng)區(qū)和水源補(bǔ)給區(qū)，提供了約三分之一的黃河干流水量[21-22]，是我國(guó)重要的生態(tài)安全屏障。黃河源區(qū)植被主要以草地為主，高寒草原、高寒草甸和沼澤草甸是黃河源區(qū)3種主要的天然草地類型，占該區(qū)可利用草地面積的80%以上[23]，人工草地作為黃河源區(qū)草地恢復(fù)的一項(xiàng)重要措施，有助于提高植被生產(chǎn)力、改善土壤理化性質(zhì)，提高土壤質(zhì)量，同時(shí)對(duì)畜牧業(yè)的發(fā)展和草地生態(tài)的恢復(fù)有重要作用，已成為研究高寒草地生態(tài)問題的重要組成部分[24-25]。為了保護(hù)黃河源區(qū)的生態(tài)環(huán)境以及草地資源，需要了解黃河源區(qū)主要草地生態(tài)系統(tǒng)的土壤理化性質(zhì)特征并評(píng)價(jià)其土壤質(zhì)量的狀況，進(jìn)而才能制定科學(xué)合理的高寒草地利用、保護(hù)、恢復(fù)措施。本試驗(yàn)以黃河源區(qū)不同類型高寒草地為研究對(duì)象，在總結(jié)和參考前人研究的基礎(chǔ)上，選擇12個(gè)土壤指標(biāo)(土壤含水量、pH、容重、有機(jī)碳、全碳、氨氮、硝氮、全氮、速效磷、全磷、速效鉀、全鉀)對(duì)土壤理化性質(zhì)特征進(jìn)行研究，運(yùn)用主成分分析方法對(duì)土壤質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，以期能夠客觀、全面地反映該區(qū)土壤狀況的真實(shí)面貌，為黃河源區(qū)高寒草地的合理利用、人工草地的建植與改良以及畜牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究地點(diǎn)位于青海省果洛藏族自治州(圖1)，地處黃河源區(qū)，地理坐標(biāo)E 97°54′～101°50′，N 32°31′～35°40′，境內(nèi)平均海拔4 200 m，是“中華水塔”的重要組成部分。一年只有冷暖兩季，沒有四季之分，冷季持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)7～8個(gè)月，全年無絕對(duì)無霜期，年平均氣溫-4 ℃～2 ℃，年降水量235.0～974.6 mm，屬高寒半濕潤(rùn)和半干旱氣候區(qū)。境內(nèi)植被類型主要以高寒草原、高寒草甸、高寒灌叢和藏嵩草沼澤草甸為主，局部地區(qū)有少量林地、耕地和人工草地分布，畜牧業(yè)為當(dāng)?shù)刂饕a(chǎn)方式，放牧家畜主要為藏綿羊和牦牛。

圖1 研究區(qū)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the study area

1.2 樣地設(shè)置

本研究中，共設(shè)置高寒草原(G1)、高寒草甸(G2)、沼澤草甸(G3)、人工草地(G4)等4種不同類型的高寒草地(表1)。其中人工草地是高寒草甸極度退化后，人工翻耕種植垂穗披堿草的草地。播種時(shí)用磷酸二胺和羊板糞作基肥，磷酸二胺施用量150～300 kg/hm2，后期無施肥措施。人工草地建植后第1年到第2年的返青期絕對(duì)禁牧，之后作為冬季牧場(chǎng)。每個(gè)草地類型包括3個(gè)10 m×10 m的重復(fù)樣地，重復(fù)樣地彼此間盡可能使它們有相近的地形、植被和土壤類型(樣地之間空間距離1～3 km，避免假重復(fù))，共計(jì)12個(gè)樣地。G1草地在禁牧區(qū)(禁牧年限為7年)，無放牧。G2、G3、G4草地為冬季牧場(chǎng)。G1草地在瑪多縣，G2，G3，G4草地在瑪沁縣。

表1 樣地信息

1.3 樣品采集與處理

2017年8月中旬，在每個(gè)類型樣地采用隨機(jī)步程法設(shè)置3個(gè)樣方，對(duì)每個(gè)樣方用全球定位系統(tǒng)(GPS)進(jìn)行定位，在樣方上用土鉆采集土壤樣品，測(cè)定深度為20 cm，每10 cm為1層，重復(fù)3次，將3次重復(fù)分層混和為一個(gè)混合樣，然后將土樣分層分別用自封袋封裝帶回實(shí)驗(yàn)室，用孔徑2 mm土篩剔除植物根系和石礫等雜物，將篩分出來的土樣風(fēng)干后過1 mm和0.15 mm土篩進(jìn)一步分樣，然后進(jìn)行土壤理化性質(zhì)測(cè)定。另在該樣方做土壤剖面，用鋁土盒和容積100 cm3環(huán)刀在每層中間取樣，每個(gè)樣方3個(gè)重復(fù)，做好標(biāo)記用自封袋封裝帶回實(shí)驗(yàn)室，分別用于測(cè)定土壤含水量和容重。

1.4 分析方法

土壤含水量和容重用烘干法測(cè)定，土壤pH用酸度計(jì)法測(cè)定，土壤全氮、全碳、有機(jī)碳(酸熏處理)通過Elementar Vario ELⅢ元素分析儀測(cè)定，土壤氨氮、硝氮、速效磷、全磷通過CleverChem Anna全自動(dòng)間斷化學(xué)分析儀測(cè)定，土壤速效鉀、全鉀通過島津A6300原子吸收儀測(cè)定。

1.5 數(shù)據(jù)處理及評(píng)價(jià)方法

數(shù)據(jù)記錄用Excel 2007完成，作圖用ArcGIS完成，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析及評(píng)價(jià)用SPSS 21完成，用平均值和標(biāo)準(zhǔn)差表示測(cè)定結(jié)果，用方差分析(ANOVA，LSD)、獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)來比較不同處理間差異顯著性。主成分分析方法[26]：(1) KMO和Bartlett 球形度檢驗(yàn)，判定選取指標(biāo)是否可以進(jìn)行主成分分析。(2)用標(biāo)準(zhǔn)化法消除不同指標(biāo)間由于量綱不同而造成的數(shù)量級(jí)上的差異。(3)提取特征值大于1，累計(jì)方差貢獻(xiàn)率大于90%的主成分。(4)主成分特征向量與相應(yīng)指標(biāo)的乘積求和，求得主成分方程。(5)將標(biāo)準(zhǔn)化后的值代入各主成分方程得到各主成分得分，主成分得分與相應(yīng)的主成分貢獻(xiàn)率的乘積求和為綜合得分。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同類型高寒草地土壤理化性質(zhì)特征的變化

2.1.1 土壤容重、pH和含水量變化 在0～10 cm土層，不同草地類型土壤容重為0.78～1.35 g/cm3，具體表現(xiàn)為G1>G4>G2>G3，G2草地與其他草地之間差異顯著(P<0.05)，G3草地與其他草地之間差異顯著(P<0.05)；土壤pH值在各草地為5.6～7.8，具體表現(xiàn)為G1>G4>G2>G3，各草地之間均差異顯著(P<0.05)；土壤含水量在各草地的變化為7.6%～87.6%，具體表現(xiàn)為G3>G2>G4>G1，各草地之間均差異顯著(P<0.05)。

在10～20 cm土層，不同草地類型土壤容重0.93～1.57 g/cm3，具體表現(xiàn)為G1>G2>G4>G3，G1草地與其他草地之間差異顯著(P<0.05)，G3草地與其他草地之間差異顯著(P<0.05)；土壤pH值在各草地為5.8～7.9，具體表現(xiàn)為G1>G4>G2>G3，G1草地與其他草地之間差異顯著(P<0.05)，G4草地與其他草地之間差異顯著(P<0.05)；土壤含水量在各草地為9.6%～77.7%，具體表現(xiàn)為G3>G2>G4>G1，G2草地與其他草地之間差異顯著(P<0.05)，G3草地與其他草地之間差異顯著(P<0.05)。

在0～20 cm土層，土壤容重在各草地為0.86～1.46 g/cm3，具體表現(xiàn)為G1>G4>G2>G3，G1草地與其他草地之間差異顯著(P<0.05)，G3草地與其他草地之間差異顯著(P<0.05)；土壤pH值在各草地為5.7～7.85，具體表現(xiàn)為G1>G4>G2>G3，各草地之間均差異顯著(P<0.05)；土壤含水量在各草地為8.6%～82.65%，具體表現(xiàn)為G3>G2>G4>G1，各草地之間均差異顯著(P<0.05)。

在同一草地的不同土壤深度，土壤容重隨土壤深度的增加呈增大趨勢(shì)，其中在G1、G2草地，10～20 cm土層的土壤容重顯著高于0～10 cm土層(P<0.05)；土壤pH值隨土壤深度的增加呈增大趨勢(shì)，但在各草地不同土壤深度均差異不顯著；土壤含水量在G1草地隨土壤深度的增加呈增大趨勢(shì)，在其他草地隨土壤深度的增加呈減小趨勢(shì)，其中在G2草地0～10 cm土層的土壤含水量顯著高于10～20 cm土層(P<0.05)，其他草地差異不顯著(圖2)。

圖2 土壤容重、pH和含水量Fig.2 Soil bulk density，pH and water contentin soil

2.1.2 土壤有機(jī)碳、全碳含量變化 在0～10 cm土層，土壤有機(jī)碳含量在各草地為12.06～161.53 g/kg，在10～20 cm土層，土壤有機(jī)碳含量在各草地為8～131.76 g/kg，在0～20 cm土層，土壤有機(jī)碳含量在各草地為10.03～146.65 g/kg，具體表現(xiàn)均為G3>G2>G4>G1，其中G1與G4草地之間差異不顯著，G2與其他草地之間差異顯著(P<0.05)，G3與其他草地之間差異顯著(P<0.05)。在同一草地的不同土壤深度，土壤有機(jī)碳和全碳含量隨著土壤深度的增加有減少的趨勢(shì)，各草地0～10 cm土層和10～20 cm土層的土壤有機(jī)碳、全碳含量均差異不顯著(圖3)。

圖3 土壤有機(jī)碳、全碳含量Fig.3 Contents oforganic carbon and total carbonin soil

2.1.3 土壤氨氮、硝氮和全氮含量變化 在0～10 cm土層，土壤氨氮含量在各草地為5.32～50.10 mg/kg，具體表現(xiàn)為G3>G2>G4>G1，G1草地與其他草地之間差異均顯著(P<0.05)，G4草地與其他草地之間差異均顯著(P<0.05)；土壤硝氮含量在各草地為5.31～15.71 mg/kg，具體表現(xiàn)為G4>G3>G1>G2，G2與G3草地之間差異顯著(P<0.05)，G4與其他草地之間差異均顯著(P<0.05)；土壤全氮含量在各草地為1.38～11.51 g/kg，具體表現(xiàn)為G3>G2>G4>G1，G1與G2草地之間差異顯著(P<0.05)；G3與其他草地之間均差異顯著(P<0.05)(圖4)。

在10～20 cm土層，土壤氨氮含量在各草地為3.33～41.55 mg/kg，具體表現(xiàn)為G3>G2>G4>G1，G1草地與其他草地之間差異均顯著(P<0.05)，G4草地與其他草地之間差異均顯著(P<0.05)；土壤硝氮含量在各草地為3.42～13.22 mg/kg，具體表現(xiàn)為G4>G3>G1>G2，G2與G3間差異顯著(P<0.05)，G4與其他草地之間差異均顯著(P<0.05)；土壤全氮含量在各草地為1.33～8.58 g/kg，具體表現(xiàn)為G3>G2>G4>G1，G1與G2草地之間差異顯著(P<0.05)；G3與其他草地之間均差異顯著(P<0.05)(圖4)。

在0～20 cm土層，土壤氨氮含量在各草地為4.33～45.74 mg/kg，具體表現(xiàn)為G3>G2>G4>G1，G1草地與其他草地之間差異均顯著(P<0.05)，G4草地與其他草地之間差異均顯著(P<0.05)；土壤硝氮含量在各草地為4.37～14.47 mg/kg，具體表現(xiàn)為G4>G3>G1>G2，G2與G3草地之間差異顯著(P<0.05)，G4與其他草地之間均差異顯著(P<0.05)；土壤全氮含量在各草地為1.36～10.05 g/kg，具體表現(xiàn)為G3>G2>G4>G1，各草地之間均差異顯著(P<0.05)。

圖4 土壤氨氮、硝氮、全氮含量Fig.4 Contents of ammonia nitrogen，nitrate nitrogen and total nitrogen in soil

在同一草地的不同土壤深度，土壤氨氮、硝氮和全氮含量隨著土壤深度的增加均有減少的趨勢(shì)，其中G1草地土壤氨氮含量在0～10 cm土層和10～20 cm土層之間差異顯著(P<0.05)；G2草地土壤全氮含量在0～10 cm土層和10～20 cm土層之間差異顯著(P<0.05)；G3草地土壤氨氮和硝氮含量在0～10 cm土層和10～20 cm土層之間差異顯著(P<0.05)。

2.1.4 土壤速效磷、全磷含量變化 在0～10 cm土層，土壤速效磷含量在各草地為4.73～11.25 mg/kg，具體表現(xiàn)為G3>G2>G4>G1，G1、G2草地與G3、G4草地之間差異顯著(P<0.05)；土壤全磷含量在各草地為0.43～1.72 g/kg，具體表現(xiàn)為G3>G2>G4>G1，各草地之間差異顯著(P<0.05)(圖5)。

在10～20 cm土層，土壤速效磷含量在各草地為2.41～6.79 mg/kg，具體表現(xiàn)為G3>G2>G4>G1，G3與G4草地之間差異顯著(P<0.05)，G1與其他草地之間差異均顯著(P<0.05)；土壤全磷含量在各草地為0.45～1.49 g/kg，具體表現(xiàn)為G3>G2>G4>G1，G1、G2草地分別與G3、G4草地之間差異顯著(P<0.05)(圖5)。

在0～20 cm土層，土壤速效磷含量在各草地為3.57～9.02 mg/kg，具體表現(xiàn)為G3>G2>G4>G1，G1與其他草地之間差異均顯著(P<0.05)，G4與其他草地之間差異均顯著(P<0.05)；土壤全磷含量在各草地的變化為0.44～1.61 g/kg，具體表現(xiàn)為G3>G2>G4>G1，各草地之間差異顯著(P<0.05)。

在同一草地的不同土壤深度，土壤速效磷和全磷含量隨著土壤深度的增加均有減少的趨勢(shì)，其中G1、G2、G3草地土壤速效磷含量在0～10 cm土層和10～20 cm土層之間差異顯著(P<0.05)；各草地土壤全磷含量在0～10 cm土層和10～20 cm土層之間差異不顯著(圖5)。

圖5 土壤速效磷、全磷含量Fig.5 Contents ofavailable phosphorus and total phosphorusin soil

2.1.5 土壤速效鉀、全鉀含量 在0～10 cm土層，土壤速效鉀含量在各草地的變化為101.15～216.32 mg/kg，具體表現(xiàn)為G4>G2>G1>G3，其中G3與其他草地之間差異均顯著(P<0.05)；土壤全鉀含量在各草地的變化為8.23～17.25 g/kg，具體表現(xiàn)為G4>G1>G2>G3，G2與G4間差異顯著(P<0.05)，G3與其他草地間均差異顯著(P<0.05)(圖6)。

在10～20 cm土層，土壤速效鉀含量在各草地的變化為82.45～154.96 mg/kg，具體表現(xiàn)為G4>G1>G2>G3，G3與G4草地之間差異顯著(P<0.05)；土壤全鉀含量在各草地的變化為7.24～18.76 g/kg，具體表現(xiàn)為G4>G2>G1>G3，G3與其他草地之間差異均顯著(P<0.05)，G4與其他草地之間均差異顯著(P<0.05)。

在0～20 cm土層，土壤速效鉀含量在各草地為91.8～185.64 mg/kg，土壤全鉀含量各草地為7.74～18.01 g/kg，兩者變化趨勢(shì)相同，具體表現(xiàn)為G4>G1>G2>G3，G3與其他草地之間差異均顯著(P<0.05)，G4與其他草地之間差異均顯著(P<0.05)。

在同一草地的不同土壤深度，土壤速效鉀含量隨著土壤深度的增加均有減少的趨勢(shì)，土壤全鉀含量隨著土壤深度的增加變化趨勢(shì)不明顯；其中G1和G4草地土壤速效鉀含量在0～10 cm土層和10～20 cm土層之間差異顯著(P<0.05)；各草地土壤全鉀含量在0～10 cm土層和10～20 cm土層之間差異均不顯著(圖6)。

圖6 速效鉀、全鉀含量Fig.6 Contents ofavailable potassium and total potassium in soil

2.2 不同高寒草地0～20 cm土壤理化成分之間的相關(guān)性分析

土壤pH值與土壤容重呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，與土壤含水量、有機(jī)碳、全碳、氨氮、全氮、速效磷、全磷含量之間呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，與土壤全鉀含量之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)；土壤容重與土壤含水量、有機(jī)碳、全碳、氨氮、全氮、速效磷、全磷含量之間呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，與土壤速效鉀含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，與土壤全鉀含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；土壤含水量與土壤有機(jī)碳、全碳、氨氮、全氮、速效磷、全磷含量之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，與土壤速效鉀含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，與土壤全鉀含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；土壤有機(jī)碳含量與土壤全碳、氨氮、全氮、速效磷、全磷含量之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，與土壤速效鉀含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，與土壤全鉀含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；土壤全碳含量與土壤氨氮、全氮、速效磷、全磷含量之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，與土壤速效鉀含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，與土壤全鉀含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；土壤氨氮含量與土壤全氮、速效磷、全磷含量之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；土壤硝氮含量與其他土壤理化成分之間相關(guān)性均不顯著；土壤全氮含量與土壤速效磷、全磷含量之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，與土壤速效鉀含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，與土壤全鉀含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；土壤速效磷含量與土壤全磷含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，土壤速效鉀含量與土壤全鉀含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；土壤全磷含量與土壤全鉀含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)(表2)。

表2 土壤理化指標(biāo)之間的相關(guān)性

2.3 基于主成分分析的不同高寒草地0～20 cm土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)

2.3.1 KMO和Bartlett球形度檢驗(yàn) KMO檢驗(yàn)用于檢查變量間的相關(guān)性和偏相關(guān)性，Bartlett球形度檢驗(yàn)用于檢驗(yàn)相關(guān)陣中各變量間的相關(guān)性。KMO統(tǒng)計(jì)量的取值在0和1之間，當(dāng)所有變量間的簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)平方和遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于偏相關(guān)系數(shù)平方和時(shí)，KMO值接近1，KMO值越接近于1，意味著變量間的相關(guān)性越強(qiáng)，原有變量越適合作因子分析；當(dāng)所有變量間的簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)平方和接近0時(shí)，KMO值接近0，KMO值越接近于0，意味著變量間的相關(guān)性越弱，原有變量越不適合作因子分析。KMO度量標(biāo)準(zhǔn)：0.9以上表示非常適合；0.8表示適合；0.7表示一般；0.6表示不太適合；0.5以下表示極不適合。將土壤含水量、pH值、容重、土壤有機(jī)碳、全碳、氨氮、硝氮、全氮、速效磷、全磷、速效鉀、全鉀含量等12個(gè)土壤指標(biāo)經(jīng)KMO和Bartlett 檢驗(yàn)，KMO值為0.810，Bartlett的球形度檢驗(yàn)的相伴概率P<0.01(極顯著水平)，說明本研究選取的土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)間存在較強(qiáng)的相關(guān)性，采用主成分分析法來評(píng)價(jià)各樣地的土壤質(zhì)量狀況是可行的(表3)。

表3 KMO和Bartlett 球形度檢驗(yàn)

2.3.2 計(jì)算貢獻(xiàn)率和主成分提取 對(duì)主成分進(jìn)行提取時(shí)，依據(jù)主成分特征值大于1的原則。從表4結(jié)果共提取2個(gè)主成分，第1主成分對(duì)總方差的貢獻(xiàn)率為78.037%，第2主成分對(duì)總方差的貢獻(xiàn)率為13.783%，累積貢獻(xiàn)率為91.820%，說明這2個(gè)主成分代表了該試驗(yàn)中原始數(shù)據(jù)91.820%的信息。

表4 方差分解主成分提取分析

2.3.3 計(jì)算綜合得分并排序 應(yīng)用主成分分析法對(duì)不同高寒草地土壤質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，就是利用主成分綜合得分的大小來評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的高低，主成分綜合得分越大土壤質(zhì)量越高，反之則越低。在0～10、10～20以及0～20 cm土層，土壤質(zhì)量高低排序均為G3>G2>G4>G1；各草地0～10 cm土層土壤質(zhì)量均高于10～20和0～20 cm土層，0～20 cm土層土壤質(zhì)量高于10～20 cm土層(表5)。

表5 不同高寒草地土壤質(zhì)量綜合得分及排序

3 討論

本研究中，4種不同類型高寒草地的土壤理化性狀存在差異。其中，沼澤草甸的土壤容重最小，可能的原因是藏嵩草沼澤化草甸土壤環(huán)境有明顯的高濕和低溫特征，且根系發(fā)達(dá)，土壤中存在大量未分解或半分解的有機(jī)殘?bào)w，使土壤容重變小[27-28]。沼澤草甸和高寒草甸的土壤pH值比較低，可能是因?yàn)橥寥赖膒H值與土壤含水量之間存在較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)關(guān)系[29]，而沼澤草甸和高寒草甸有著較高的土壤含水量。沼澤草甸和高寒草甸兩處草地的土壤含水量較高，可能是因?yàn)閮商帢拥匚挥诤庸鹊屯萏?，降水較多，并且均有河流經(jīng)過，且兩處草地植物根系發(fā)達(dá)，使得土壤孔隙度增大，土壤毛管持水量上升，保水力增加，另外，兩處草地植被茂盛，一定程度上阻止了土壤表層水分的蒸發(fā)。沼澤草甸土壤有機(jī)碳和全碳含量最高，可能是因?yàn)檎訚赏了诌^多，濕生植物生長(zhǎng)旺盛，植物根系十分發(fā)達(dá)，根系脫落物和溢泌物較多，且土壤處于缺氧狀態(tài)，有機(jī)物質(zhì)分解緩慢，土壤有機(jī)碳含量較高[30]；高寒草原的土壤有機(jī)碳含量較低，一方面可能是因?yàn)楦吆菰寥赖纳郴潭容^高，土壤通透性及含氧量相對(duì)較高，土壤呼吸作用強(qiáng)烈，導(dǎo)致土壤有機(jī)碳有降低的趨勢(shì)[31]，另一方面土壤有機(jī)質(zhì)主要來源于植物地上部分的凋落物及地下的根系，植物每年都有大量有機(jī)物質(zhì)進(jìn)入土壤，并通過微生物的活動(dòng)，逐漸變?yōu)橥寥烙袡C(jī)碳，而高寒草原植物有著相對(duì)較低的地上和地下生物量。沼澤草甸土壤全氮含量顯著高于其他草地，可能是因?yàn)橥寥廊?5%來源于土壤有機(jī)質(zhì)[32]，而沼澤草甸的土壤有機(jī)質(zhì)含量最高。土壤速效磷、全磷含量在各草地均呈現(xiàn)出普遍匱乏狀態(tài)，這可能是因?yàn)辄S河源區(qū)地勢(shì)高、溫度較低，較低的氣溫抑制了有機(jī)物分解和礦化，造成土壤磷含量較低；沼澤草甸由于水分大，有助于速效磷的形成，其速效磷含量最高，這與慕軍鵬[33]在若爾蓋的研究結(jié)果一致。沼澤草甸土壤速效鉀和全鉀含量較低，可能是因?yàn)殁浕衔镆话愣疾粨]發(fā)，但在水中有較高的溶解度，它的代換量比磷大，容易從土壤膠體上代換出來[34]，而沼澤草甸的土壤水分過多，容易造成鉀元素淋失，本研究結(jié)果與劉玉萍[35]在青海湖區(qū)的研究結(jié)果一致；此外，NH4+和K+具有相似的化學(xué)性質(zhì)、電負(fù)性和相近的離子半徑，在同時(shí)存在這兩種離子的環(huán)境中，K+和NH4+的吸收存在拮抗作用，NH4+的存在會(huì)抑制K+的釋放，常觀察到NH4+和K+在晶格中會(huì)共同占據(jù)某一原子位置并形成相互取代的現(xiàn)象[36]，而沼澤草甸的氨氮含量較高，可能也是沼澤草甸速效鉀和全鉀含量較低的原因。

本研究中，高寒草地的不同土層之間土壤理化性狀存在差異。其中，土壤容重隨土壤深度的增加呈增大趨勢(shì)，這與前人[37-38]的研究結(jié)果一致，可能的原因是由于植被對(duì)土壤的保護(hù)作用，使得土壤表層受水力和風(fēng)力及凍融作用的侵蝕作用較小，且植被的增加相應(yīng)增加了凋落物的輸入，使得土壤表層的有機(jī)質(zhì)和其他植物殘?bào)w等腐殖質(zhì)含量比較多，土壤容重較小。同一樣地不同土層間pH值沒有顯著差異，可能是由于土壤的緩沖特性使得土壤pH在一定的土壤深度上總體上保持穩(wěn)定[39]。高寒草原土壤含水量隨土壤深度的增加呈增加趨勢(shì)，在其他高寒草地隨土壤深度的增加呈降低趨勢(shì)，可能的原因是土壤含水量不僅與降水關(guān)系密切，而且還受蒸發(fā)、太陽輻射等因素的制約；在一定的時(shí)期內(nèi)，高寒草原的降水較少，蒸發(fā)旺盛，導(dǎo)致土壤上層含水量低于土壤下層；沼澤草甸和高寒草甸兩處草地的土壤含水量較高，可能是因?yàn)閮商帢拥匚挥诤庸鹊屯萏?，降水較多，并且均有河流經(jīng)過，且兩處草地植物根系發(fā)達(dá)，使得土壤孔隙度增大，土壤毛管持水量上升，保水力增加，另外，兩處草地植被茂盛，一定程度上阻止了土壤表層水分的蒸發(fā)。土壤氨氮、硝氮、全氮含量在不同土層間的變化趨勢(shì)一致，均隨著土層深度的增加呈減少趨勢(shì)，原因可能是土壤淋溶過程使氮素在土壤不同深度含量不同，根系和地表凋落物中碳氮比和微生物區(qū)系也會(huì)使土壤氮分解不同[40-41]。土壤速效磷、全磷、速效鉀、全鉀含量均隨著土壤深度的增加呈降低趨勢(shì)，但速效磷和速效鉀含量在各土層之間變化較大，全磷和全鉀含量在不同土層之間變化不大，相對(duì)比較穩(wěn)定，可能是因?yàn)槿缀腿浐恐饕c成土母質(zhì)關(guān)系較大。

相關(guān)性分析的結(jié)果表明，土壤有機(jī)碳含量與土壤全碳、氨氮、全氮、速效磷、全磷含量之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，土壤全碳含量與土壤氨氮、全氮、速效磷、全磷含量之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，此結(jié)果與已有的研究結(jié)果[42-43]相一致，土壤碳氮通常高度耦合，另外，土壤中的粘土礦物、碳酸鹽和有機(jī)質(zhì)能緩慢固定來自基巖的磷，反過來，較高的土壤磷含量可進(jìn)一步加強(qiáng)固氮作用和有機(jī)質(zhì)的積累過程[44]，最終導(dǎo)致三者之間的強(qiáng)相關(guān)關(guān)系。

土壤質(zhì)量狀況數(shù)值化的綜合評(píng)價(jià)，能較好地反映土壤質(zhì)量的實(shí)際情況。土壤質(zhì)量的評(píng)價(jià)體系和方法很難建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)域和尺度的不同，側(cè)重的土壤功能不同，決定了選取評(píng)價(jià)指標(biāo)和方法的差異。本研究通過主成分分析對(duì)不同類型高寒草地土壤質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)價(jià)，選取的12個(gè)土壤指標(biāo)經(jīng)KMO和Bartlett 檢驗(yàn)，KMO值為0.810，Bartlett的球形度檢驗(yàn)的相伴概率P<0.01，說明本研究選取的土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)間存在較強(qiáng)的相關(guān)性，共提取2個(gè)主成分，這2個(gè)主成分代表了該試驗(yàn)中原始數(shù)據(jù)91.820%的信息，說明采用主成分分析法來評(píng)價(jià)各草地的土壤質(zhì)量狀況是準(zhǔn)確可行的。評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，土壤質(zhì)量高低依次為沼澤草甸>高寒草甸>人工草地>高寒草原，各草地 0～10 cm土層土壤質(zhì)量均高于10～20和0～20 cm土層，此結(jié)果與前人的研究結(jié)果[45-47]相一致。高寒草原的土壤質(zhì)量最差，可能是因?yàn)楦吆菰寥赖耐翆虞^薄，一般在10～25 cm左右，缺少淀積層，發(fā)育程度弱，土壤受水分限制嚴(yán)重并且有沙化趨勢(shì)，植被稀疏且根系不發(fā)達(dá)，土壤有機(jī)質(zhì)和其他成分含量較少，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分較低，土壤質(zhì)量差。高寒草甸土壤質(zhì)量較好，可能是因?yàn)橄啾扔诟吆菰?，高寒草甸土壤A層會(huì)形成 10～15 cm的腐殖層，有利于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的形成和轉(zhuǎn)換，提高了土壤質(zhì)量。沼澤草甸土壤質(zhì)量最好，可能是因?yàn)檎訚刹莸橹脖簧a(chǎn)力較高，根系發(fā)達(dá)，有機(jī)物質(zhì)輸入多，會(huì)形成一層厚厚的毛氈狀腐質(zhì)化土層，土壤礦化能力較強(qiáng)，土壤養(yǎng)分含量較高。退化高寒草甸建植人工草地土壤質(zhì)量低于高寒草甸，可能是因?yàn)楦吆莸厣鷳B(tài)系統(tǒng)是一個(gè)脆弱的生態(tài)系統(tǒng)，發(fā)生嚴(yán)重退化后，建植人工草地盡管短期內(nèi)可有效恢復(fù)地上植被，但土壤質(zhì)量的恢復(fù)則是一個(gè)長(zhǎng)期的過程。各草地0～10 cm土層土壤質(zhì)量均高于10～20 cm土層，即表層土壤質(zhì)量最好，這與表層土壤碳氮磷鉀總含量和速效養(yǎng)分含量高密切相關(guān)，也與植被養(yǎng)分輸入多密切相關(guān)，另外也說明一旦表層剝蝕，土壤質(zhì)量將嚴(yán)重下降，因此要預(yù)防水土流失以及過載過牧對(duì)表層土壤的破壞。

4 結(jié)論

在0～20 cm土層土壤特征方面，土壤含水量、土壤有機(jī)碳、全碳、氨氮、全氮、速效磷以及全磷含量高度耦合，具體表現(xiàn)均為沼澤草甸>高寒草甸>人工草地>高寒草原；土壤硝氮含量表現(xiàn)為人工草地>沼澤草甸>高寒草原>高寒草甸；土壤pH值與土壤容重呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，具體表現(xiàn)均為高寒草原>人工草地>高寒草甸>沼澤草甸；土壤速效鉀與全鉀含量表現(xiàn)均為人工草地>高寒草原>高寒草甸>沼澤草甸。

基于主成分分析的評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，在0～10、10～20及0～20 cm土層，土壤質(zhì)量高低排序均為沼澤草甸>高寒草甸>人工草地>高寒草原；各草地均為0～10 cm土層土壤質(zhì)量最高。