不同海拔高寒草甸土壤微量元素含量及其與植被的關系

李 強， 文 銅， 何國興， 武亞堂， 紀 童， 張德罡， 韓天虎， 潘冬榮， 柳小妮*

(1.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)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州 730070； 2. 甘肅省草原技術推廣總站， 甘肅 蘭州 730000)

土壤作為植物生長的基質(zhì)，決定了植物的數(shù)量和質(zhì)量[1-3]，而肥力特征是土壤區(qū)別于其他自然體的本質(zhì)特征，土壤微量元素作為土壤肥力的重要組成部分，對植物的生長發(fā)育乃至整個生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構和功能有至關重要的作用，甚至會通過食物鏈影響人類健康[4-6]。研究表明，在大量元素供應充足的情況下，微量元素的供給水平是限制植物產(chǎn)量和品質(zhì)的關鍵因素[7-8]。因此，對土壤微量元素的研究極為重要[9]。

海拔是山地生態(tài)系統(tǒng)中水熱綜合條件的具體表現(xiàn)形式，其通過調(diào)控水熱條件，導致水熱條件的差異性分布，進一步影響植被和土壤[10-12]。但是，土壤微量元素含量受成土母質(zhì)、成土過程、地形因子、氣候特點等因素的共同影響，具有較高的空間異質(zhì)性[9,13]。因此，了解微量元素在海拔梯度上的分布規(guī)律有助于理解地形因子對微量元素的影響以及微量元素的垂直分布特征。

祁連山位于青藏高原、黃土高原和蒙古高原的交錯帶，是我國西北重要的生態(tài)安全屏障，也是全球氣候變化最敏感和生態(tài)脆弱區(qū)之一[9,14]。高寒草甸是祁連山的主要草地類型之一，是高寒區(qū)主要的畜牧業(yè)生產(chǎn)基地，對祁連山地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性起著舉足輕重的作用[15]。目前，針對祁連山高寒草甸在海拔變化過程中土壤微量元素變化特征的研究尚未見報道。因此，本文選取了東祁連山高寒草甸6個海拔(2 800 m,3 000 m,3 200 m,3 400 m,3 600 m,3 800 m)的土壤作為研究對象，研究土壤微量元素隨海拔變化的分布規(guī)律及其與植被的關系。本研究結(jié)果有助于理解全球氣候變化大背景下土壤微量元素在海拔上的分布特征及其與植被的關系，為高寒草甸管理和土壤肥力理論提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

祁連山東段區(qū)域地處高寒地帶，屬于典型的高原大陸氣候類型，海拔高輻射量強、日夜溫差大，冷暖季和干濕分明，雨熱同季，垂直變化明顯。試驗樣地位于甘肅省祁連山東段金強河流域，草地類型為高寒草甸，土壤類型為亞高山草甸土，土壤含水量約為50%～80%，土壤pH值的范圍處于6.94～8.17之間。海拔在2 700～4 300 m之間，年均溫處于-0.1℃～0.6℃之間，≥0℃的年積溫為1 360℃左右，降水量處于400～480 mm之間，降水量主要集中于每年的7—9月，年均蒸發(fā)量處1 483～1 614 mm之間，該區(qū)域氣候寒冷潮濕，平均相對濕度約為55%，年日照時間2 600 h[16]。

1.2 樣地設置和樣品采集

于2020年7-8月在甘肅省祁連山東段的天祝藏族自治縣抓喜秀龍鄉(xiāng)金強河流域的高寒草甸區(qū)域，選取6個不同海拔(2 800 m,3 000 m,3 200 m,3 400 m,3 600 m和3 800 m)試驗樣地，各選取3個采樣區(qū)域，且采樣區(qū)域為禁牧區(qū)。樣地基本信息見表1。每個采樣區(qū)域按對角線設置5個50 cm×50 cm 的樣方，小樣方間距大于60 m。測定每個樣方中不同植物的高度(cm)、蓋度(%)，同時采集不同植物的地上生物量，帶回實驗室于105℃烘箱中殺青后，在60℃下烘至恒重，計算草地地上生物量(Aboveground biomass，AGB，單位：g·m-2)。草樣刈割后，采集不同海拔樣地0～30 cm土層土樣，去除枯落物和碎石等雜物，過2 mm的篩，帶回實驗室陰干，用于測定土壤微量元素含量。

表1 不同海拔高寒草甸樣地基本信息Table 1 Basic information of alpine meadow sample points at different elevations and aspect

1.3 土壤微量元素測定

采用原子火焰分光光度法和石墨爐分光光度法測定了土壤微量元素銅(Cu)、鐵(Fe)、錳(Mn)、鎂(Mg)、鈣(Ca)、鋅(Zn)、鈷(Co)、硒(Se)[17]。精確稱取0.500 g風干土，至于微波消解管中，加入混合酸10 mL(濃鹽酸2 mL、氫氟酸2 mL和6 mL濃硝酸)，蓋好消解罐蓋子，放置微波消解爐進行消解(消解條件見表2)，設計土壤消解程序，45 min后消解結(jié)束；打開消解爐蓋子，冷卻30 min，打開消解罐蓋子(開消解罐的時候，排氣孔不能對人，有少量蒸汽噴出，以免燒傷)，過濾至容量瓶后定容至50 mL。根據(jù)不同微量元素在原子火焰分光光度計和石墨爐分光光計的靈敏性，對樣液稀釋10倍和100倍，測定土壤微量元素Cu，F(xiàn)e，Mn，Mg，Ca，Zn，Co的含量。計算公式如下：

1.4 數(shù)據(jù)處理及分析

本研究中所涉及數(shù)據(jù)均進行了正態(tài)分布檢驗，采用Microsoft Excel 2016進行了數(shù)據(jù)統(tǒng)計整理。不同海拔高寒草甸植被群落和土壤微量元素含量采用IBM SPSS 24.0進行方差分析，應用Canoco 5.0進行RDA分析。

表2 土壤微量元素微波消解條件Table 2 Microwave digestion conditions of soil trace elements

2 結(jié)果與分析

2.1 不同海拔下高寒草甸植被群落特征和植物功能群地上生物量

隨著海拔的升高，高寒草甸植被總蓋度呈先升高后降低的趨勢，在海拔3 200 m處達最大值(96.67%)(表3)；且不同海拔植被總蓋度差異顯著(P<0.05)。草層高度和地上生物量隨海拔的變化趨勢與植被總蓋度類似。

由表3可知，隨著海拔的升高，莎草科、豆科和雜類草地上生物量均呈先升高后降低，且最大值均出現(xiàn)在海拔3 200 m處(173.06 g·m-2，17.24 g·m-2和84.80·g·m-2)，但禾本科地上生物量隨海拔升高而依次降低。

表3 不同海拔下高寒草甸植被群落和功能群生物量組成Table 3 Vegetation characteristics of alpine grasslands at different altitudes and aspect

2.2 不同海拔下高寒草甸土壤微量元素含量

高寒草甸土壤Ca含量隨海拔的升高呈先降低后升高，在海拔3 400 m處達最小值(67 μg·g-1)(圖1A)；且不同土壤Ca含量之間差異顯著(P<0.05)。高寒草甸土壤Fe含量(圖1C)、Cu含量(圖1D)和Mn含量(圖1E)隨海拔的變化規(guī)律與Ca含量基本類似。

高寒草甸土壤Mg含量隨海拔的升高呈先升高后降低，在海拔3 200 m處達最大值(239 μg·g-1)(圖1B)，除3 400 m外，和其他海拔土壤Mg含量之間差異顯著(P<0.05)。高寒草甸Mo含量(圖1G)和土壤Se(圖1I)含量隨海拔的變化規(guī)律與Ca含量基本類似，達最大值的海拔梯度存在差異。

高寒草甸土壤Co含量隨海拔的升高依次降低(圖1H)；除海拔4 000 m外，和其他海拔土壤Co含量之間差異顯著(P<0.05)。土壤Zn含量(圖1F)與土壤Co含量隨海拔變化趨勢相反。

圖1 不同海拔下高寒草甸土壤微量元素含量變化特征Fig.1 Trace element content of alpine grasslands at different altitudes注：不同小寫字母表示不同海拔之間差異顯著(P<0.05)Note:The lowercase letters indicate the difference between different altitudes at the 0.05 level

2.3 植被與微量元素關系

相關性分析表明(表4)，土壤Ca含量與禾本科地上生物量呈顯著正相關(P<0.05)；土壤Mg含量與總蓋度顯著正相關(P<0.05)，與草層高度、地上生物量、莎草科、豆科和雜類草地上生物量呈極顯著正相關(P<0.01)；土壤Fe含量與草層高度呈顯著負相關(P<0.05)，與總蓋度、莎草科、豆科地上生物量呈極顯著負相關(P<0.01)；土壤Mn含量與莎草科地上生物量呈顯著負相關(P<0.05)，與總蓋度和豆科地上生物量呈極顯著負相關(P<0.01)；土壤Zn含量與豆科地上生物量呈顯著負相關(P<0.05)，與莎草科和禾本科地上生物量呈極顯著負相關(P<0.01)；土壤Mo含量與雜類草地上生物量呈顯著正相關(P<0.05)，與總蓋度、草層高度、地上生物量、莎草科、豆科地上生物量呈極顯著正相關(P<0.01)；土壤Co含量與莎草科、豆科和雜類草地上生物量呈顯著正相關(P<0.05)，與總蓋度、草層高度、地上生物量和禾本科地上生物量呈極顯著正相關(P<0.01)；土壤Se含量與總蓋度呈顯著負相關(P<0.05)，與禾本科地上生物量呈極顯著負相關(P<0.01)。

表4 植被群落與土壤微量元素相關性分析Table 4 Correlation analysis of vegetation community and soil trace elements

將土壤微量元素與植被群落指標進行RDA分析，由圖2可知，前兩軸土壤微量元素對植被群落的解釋率為90.15%和3.36%，累計解釋率為93.54%，具有生物學統(tǒng)計意義，即前兩軸可以較完全反映植被與土壤微量元素之間的信息。基于RDA分析中的蒙特卡洛檢驗發(fā)現(xiàn)(表5)，Ca，Mo和Fe顯著影響著高寒草甸植被群落特征(P<0.05)。

表5 高寒草甸土壤微量元素與植被因子蒙特卡洛檢驗Table 5 Monte Carlo test of soil trace elements and vegetation factors in alpine meadow

3 討論

3.1 高寒草甸土壤微量元素隨海拔變化的分布規(guī)律

土壤微量元素含量的高低對植物生長也是至關重要的[18]，但是其含量受地形、土壤類型、氣候及植被類型等因素的共同影響[6,19-20]，空間分布異質(zhì)性較高[13]。如，彭徐劍等[21]發(fā)現(xiàn)，森林草原交錯區(qū)溝塘草甸土壤有效Fe，Mn，Cu，Zn在不同的坡向上存在顯著差異；李強等[9]研究發(fā)現(xiàn)，不同類型草地土壤微量元素含量因草地類型而異；以上研究均表明草地土壤微量元素含量受草地類型的影響。本研究表明，隨著海拔梯度的升高，高寒草甸土壤Ca，F(xiàn)e，Cu和Mn含量先降低后升高，土壤Mg，Zn和Mo含量先升高后降低，土壤Co含量依次降低，土壤Co含量呈波動性上升的變化趨勢。由于土壤中的微量元素如Ca，Cu，Mn，Co，Mo，Mg，F(xiàn)e，Se等含量受植被組成和水熱條件的影響，如，降水會淋溶、運移土壤微量元素，不同海拔梯度上的降水和蒸發(fā)是導致土壤微量元素在海拔梯度上含量差異的主要原因[18-19]。由于單一化學元素在土壤中的運移由元素分子量、溶解性等自身特性決定[22]，導致不同元素在海拔梯度上的異質(zhì)性分布。

圖2 高寒草甸土壤微量元素與植被的RDA分析Fig.2 RDA analysis of soil trace elements and vegetation in alpine meadow

3.2 高寒草甸植被隨海拔變化特征及其與微量元素之間的關系

海拔是影響高寒草甸植物分布和生長的重要因子[23]。在本研究區(qū)域，高寒草甸植被總蓋度、草層蓋度、地上生物量、莎草科、豆科和雜類草地上生物量均隨海拔的升高呈先升高后降低，在3 200 m處達最大值，禾本科地上生物量隨海拔升高依次降低，即海拔3 200 m為研究區(qū)高寒草甸的典型和中心分布生長區(qū)。研究表明，植物的生長和發(fā)育不僅僅受碳、氮、磷的影響和限制，微量元素含量對其也具有至關重要的作用[24]。如李強等[9]研究發(fā)現(xiàn)，不同類型草地土壤微量元素對植被群落影響重要性由大到小為Mg，Zn，Cu和Mn，其中，Mg對植被群落影響顯著；袁子茹[25]研究發(fā)現(xiàn)，高寒草甸土壤微量元素含量與植被群落之間存在一定的線性關系。本研究中，相關性分析結(jié)合RDA分析中蒙特卡洛檢驗，發(fā)現(xiàn)Ca，Mo和Fe顯著影響著高寒草甸植被群落。這與李強等[9]研究結(jié)果不一致，可能原因是李強等[9]的RDA分析中包含多個草地類型，而本研究僅為高寒草甸的不同海拔梯度，這是導致結(jié)果不一致的主要原因。

在全球氣候變暖的大背景下，對脆弱和敏感的高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)的影響較大[15]。合理的管理高寒草甸，不僅僅是高寒區(qū)畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展的需要，也是促進高寒生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展的必然趨勢[26]。因此，在高寒草甸管理過程中，不僅僅關注土壤碳氮磷等大量元素，還需要關注微量元素的影響，特別是Mo和Fe，依據(jù)海拔差異性因地制宜。

4 結(jié)論

研究表明，高寒草甸土壤微量元素隨海拔呈規(guī)律性分布，因微量元素類型分布規(guī)律各異；基于相關性分析和RDA分析表明，土壤微量元素Mo和Fe顯著影響著高寒草甸植被的生長。綜上所述，海拔顯著影響高寒草甸植被群落和土壤微量元素含量，同時，應該將微量元素Mo和Fe納入高寒草甸土壤健康評價指標體系。