新疆溫性草原土壤pH 特征及影響因素

左李娜，陳 靜，張 慧，劉耘華，盛建東，張 凱，程軍回 2

（1. 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院, 新疆 烏魯木齊 830052；2. 新疆土壤與植物生態(tài)過程重點實驗室, 新疆 烏魯木齊 830052）

土壤pH 是影響草地生態(tài)系統(tǒng)植物多樣性、群落結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分變化的主要因素之一[1-3]。由于植物生長所需養(yǎng)分的有效性受到pH 的制約，土壤pH 被認為是影響草地植物生產(chǎn)力的主變量[4]。在一些地區(qū)土壤pH 與養(yǎng)分和氣候之間存在緊密的聯(lián)系[5]。因此，研究草地生態(tài)系統(tǒng)中土壤pH 變化特征及其影響因素，有助于深入理解其對土壤養(yǎng)分和生態(tài)系統(tǒng)功能的影響。

大量研究表明，土壤pH 變化受到海拔、氣候和土壤理化性質(zhì)等多個因素的影響。然而，由于研究區(qū)域、氣候和草地類型的不同，這些研究結(jié)果并不一致[6-8]?，F(xiàn)有結(jié)果顯示，因海拔范圍和土壤類型不同，土壤pH 與海拔之間呈顯著負或正等不同相關(guān)關(guān)系[6-7]。在歐亞草地中因氣候和草地類型不同，土壤pH 與年均降水量之間也呈顯著正相關(guān)、負相關(guān)和單峰型(先增加后降低)等多種變化趨勢[1,8]。此外，部分研究也發(fā)現(xiàn)土壤pH 與容重、全氮和有機質(zhì)含量等土壤理化性質(zhì)之間也存在顯著關(guān)系[9-10]。其中，土壤有機質(zhì)由于可以釋放出氫離子，進而對土壤pH 的變化產(chǎn)生直接影響[10]，但二者關(guān)系存在明顯的地理區(qū)域差異[11]。這些研究雖然極大促進了學(xué)者們對土壤pH 變化特征及其影響因素的理解，但也存在亟待解決的問題。這些研究多集中分析了表層土壤pH 的變化特征[1,9]，而對深層土壤pH 與海拔、氣候和土壤理化性質(zhì)間關(guān)系的研究仍較為缺乏。鑒于土壤pH 和理化性質(zhì)均表現(xiàn)出明顯的垂直分布性特征[12-13]，這意味著不同土層中pH 與氣候和土壤理化性質(zhì)之間的關(guān)系可能并不相同。因此，系統(tǒng)和全面分析不同土層pH 與環(huán)境因子之間的關(guān)系，有助于深入理解草地生態(tài)系統(tǒng)中土壤pH 的變化特征。

溫性草原作為新疆主要的草地類型之一，面積達4.81 × 104km2，占新疆草地總面積的9.2%，占全國溫性草原總面積的10.4%，是新疆農(nóng)牧業(yè)和經(jīng)濟發(fā)展的寶貴資源[14]。關(guān)于新疆溫性草原中土壤pH 的變化，雖然在20 世紀80 年代進行了系統(tǒng)的普查[14-15]，但由于氮硫沉降等因素的影響，我國北方草地土壤pH 在過去幾十年顯著下降[8]，加之氣候變化使得風(fēng)蝕和水蝕等微環(huán)境也發(fā)生了顯著變化。目前，亟需對該類草地土壤pH 變化特征及其影響因素進行重新分析?；诖?，本研究以2011-2013 年對新疆溫性草原86 個樣地不同土層土壤pH 和理化性質(zhì)的調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合各樣地的海拔、氣候和微環(huán)境，重點分析不同微環(huán)境對土壤pH 的影響，以及土壤pH 變化特征與海拔、氣候和土壤理化性質(zhì)之間的關(guān)系，旨在為深入理解該類草地土壤pH 變化規(guī)律提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

溫性草原在新疆廣泛分布于山地地帶，從北部的阿爾泰山到南部的昆侖山均有其分布，是新疆山地的主要草地類型。其在北疆呈帶狀分布在各山地中低山帶，在南疆則分布于中山亞高山帶，分布海拔自北向南、自西向東逐漸升高[14]。新疆溫性草原分布區(qū)年降水量一般在250～350 mm，≥ 10 ℃年積溫為5.48～6.85 ℃·d，植被優(yōu)勢種為針茅(Stipa capillata)、羊茅(Festuca ovina)和苔草(Carex pediformis)等，土壤多為黃土狀母質(zhì)發(fā)育的山地栗鈣土，且在陽山坡地多被砂礫質(zhì)覆蓋[14-15]。

根據(jù)新疆溫性草原的空間分布特征和群落組成[14]，按照新疆“三山夾兩盆”的獨特地形，于2011-2013 年共計選擇86 個有代表性的樣地開展調(diào)查。這些樣地的地理范圍在36.11°～48.48°N，78.85°～94.49°E，海拔范圍為867～3 233 m。土壤類型主要為栗鈣土和暗栗鈣土，土層深度在20-100 cm。其中，47 個樣地(占總樣地數(shù)的54.7%)的土層深度不足1 m。優(yōu)勢種植物主要為針茅、冰草(Agropyron cristatum)、冷蒿(Artemisia frigida)和新疆亞菊(Ajania fastigiata)等(附錄1)。從地理區(qū)域來看，阿爾泰山、準噶爾西部山地、伊犁河谷、天山和昆侖山分別有樣地11、17、14、42、2 個(圖1)。

圖1 研究區(qū)域和樣地分布圖Figure 1 Study area and distribution of study sites

1.2 地表微環(huán)境調(diào)查和土壤樣品采集

于2011-2013 年8 月草地生態(tài)系統(tǒng)生物量達到最大時進行地表微環(huán)境調(diào)查和土壤樣品采集。地表微環(huán)境調(diào)查方法為在各樣地隨機設(shè)置1 個100 m ×100 m 的調(diào)查區(qū)域，在此調(diào)查區(qū)域內(nèi)，按照10 m 左右間隔隨機設(shè)置5 個1 m × 1 m 的樣方。其后按照農(nóng)業(yè)農(nóng)村部制定的《全國草原監(jiān)測技術(shù)操作手冊》，通過目測法直接觀察各個樣地內(nèi)是否有立枯、凋落物、礫石和覆沙的存在，根據(jù)降水沖刷痕跡和沙粒堆積方向來判斷風(fēng)蝕及水蝕存在與否。土壤樣品采集方法為在每個調(diào)查樣方內(nèi)挖掘土壤剖面，并按照0-5、5-10、10-20、20-30、30-50、50-70 和7-100 cm 的土層分別進行土壤樣品采集。對于土層深度不夠100 cm 的樣地，土壤剖面挖掘至巖石出現(xiàn)為止。

1.3 土壤pH 和相關(guān)理化性質(zhì)測定

在各調(diào)查剖面，首先通過挖掘法獲取各土層土壤樣品用于pH、全氮和土壤有機質(zhì)含量的測定。土樣經(jīng)自然陰干和過2 mm 篩后，通過元素分析儀(Euro EA 3000 型)測定土壤全氮含量。土壤pH 的測定按照水土比2.5 ∶ 1 的比例，用pH 計測定[16]。土壤有機質(zhì)含量的測定方法為首先通過元素分析儀(Euro EA 3000 型)和碳酸分析儀分別測定土壤全碳和無機碳含量，其次通過全碳含量減去無機碳含量得出土壤有機碳含量，最后利用有機碳含量乘以1.724 (Van Bemmelen 系數(shù))得到土壤有機質(zhì)含量[16]。同時，選擇中間的樣方利用環(huán)刀(100 cm3)采集各土層土壤，每層采集5 份平行樣品，在實驗室將環(huán)刀置于105 ℃條件下烘干至恒重后測定土壤容重。土石比的測定是將環(huán)刀采集的容重平行樣品過2 mm篩后，對大于2 mm 的礫石部分稱重進行測定[17]。

1.4 環(huán)境因素獲取

本研究所采用的環(huán)境因素為海拔、年平均溫度和年平均降水量3 類。其中，各樣地海拔通過手持GPS (佳明eTrex H)實測所得。年平均溫度和年平均降水量從全球氣象數(shù)據(jù)庫(http://www.worldclim.org/)中提取所得，該數(shù)據(jù)集以全球氣象站長期觀測數(shù)據(jù)(1950-2000 年)為因變量，以經(jīng)緯度和海拔為自變量生成了全球尺度上的氣候數(shù)據(jù)[18]。由于該數(shù)據(jù)集精度較高(1 km × 1 km) 且考慮了海拔的影響，被廣泛用于海拔對植物分布影響的研究中[19-21]。

1.5 統(tǒng)計分析

首先，采用單因素方差分析揭示pH、有機質(zhì)、全氮含量、容重和土石比在各土層的變化特征。其次，采用雙因素方差分析進一步比較地表微環(huán)境與土層對pH 變化的單獨和交互影響。所有方差分析均采用最小顯著差異法進行多重比較(α= 0.05)。再次，采用一般線性模型分析土壤pH 與海拔、氣候和土壤理化性質(zhì)間的關(guān)系。為選擇最優(yōu)的擬合模型，對土壤pH 與海拔、氣候和土壤理化性質(zhì)各因素分別進行線性和非線性擬合，其后利用赤池信息標準(akaike information criterion, AIC)來選擇最優(yōu)的擬合模型。最后，利用主成分分析來分解海拔、氣候、土層和土壤理化性質(zhì)共同作用下對pH 變化的影響強度[22]。由于土層為分類變量無法直接用于主成分分析，為此，本研究將各土層按其深度取平均值(如0-5 cm 土層轉(zhuǎn)換為2.5 cm)后用以分析。上述所有分析均在(R core team, 4.0.3)軟件中分析完成[23]。

2 結(jié)果與分析

2.1 新疆溫性草原土壤理化性質(zhì)垂直變化特征

單因素方差分析結(jié)果表明隨土層深度增加，新疆溫性草原土壤pH 呈增加的變化趨勢(F= 16.46，P＜ 0.01)。其中，土壤pH 最小值和最大值分別出現(xiàn)在0-5 cm 和70-100 cm (表1)。與土壤pH 變化趨勢相反，土壤有機質(zhì)(F= 27.05，P＜ 0.01)和全氮含量(F= 32.07，P＜ 0.01)隨土層深度增加呈降低的變化特征。土壤有機質(zhì)含量從0-5 cm 的60.90 g·kg?1降低至70-100 cm 的17.26 g·kg?1，土壤全氮含量則從3.25 g·kg?1降至0.83 g·kg?1，二者分別降低了72%和74%。土壤容重和土石比在各土層無顯著變化(P＞ 0.05)。其中，土壤容重總體變化范圍在1.20～1.26 g·cm?3，土石比則在0.24～0.34。此外，隨著土層深度增加，土壤pH 和土壤有機質(zhì)的變異系數(shù)總體呈降低的趨勢，土壤全氮呈先降低后增加的趨勢，而土壤容重和土石比無明顯有規(guī)律的變化趨勢(表1)。

表1 新疆溫性草原土壤理化性質(zhì)特征Table 1 Descriptive statistics of the soil physicochemical properties on the Xinjiang temperate steppe

2.2 地表微環(huán)境對新疆溫性草原土壤pH 的影響

雙因素方差分析結(jié)果顯示，立枯(F= 56.58，P＜0.01)與土層(F= 10.35，P＜ 0.01)，水蝕(F= 18.27，P＜ 0.01)與土層(F= 6.50，P＜ 0.01)，覆沙(F= 6.73，P＜ 0.01)與土層(F= 10.43，P＜ 0.01)對新疆溫性草原土壤pH 均有顯著影響。其中，立枯顯著降低了0-5、5-10、10-20、20-30 和30-50 cm 土層中土 壤pH (P＜ 0.05) (圖2a)，水 蝕 則 增 加 了0-5、5-10 和10-20 cm 土層中土壤pH (圖2b)，覆沙僅降低了70-100 cm 土層中土壤pH (圖2c)。此外，對于風(fēng)蝕、凋落物和礫石而言，其主效應(yīng)與土層交互作用對土壤pH 均無顯著影響(P＞ 0.05) (圖2d、e、f)。

圖2 地表微環(huán)境對新疆溫性草原土壤pH 變化的影響Figure 2 Effects of the surface microenvironment on soil pH on the Xinjiang temperate steppe

2.3 新疆溫性草原土壤pH 變化與海拔和氣候之間的關(guān)系

一般線性模型分析結(jié)果表明，隨海拔升高，各土層土壤pH 均呈線性增加的變化趨勢(圖3)。隨年平均溫度增加，土壤pH 僅在0-5 和5-10 cm 土層表現(xiàn)為顯著增加的變化特征(P＜ 0.05)，其余各土層中土壤pH 均無顯著變化(P＞ 0.05) (圖3)。隨年平均降水量增加，土壤pH 在0-5、5-10、10-20 和20-30 cm 土層中呈現(xiàn)顯著降低的變化趨勢(P＜0.05)，而在深層(30-50、50-70 和70-100 cm)土壤中無顯著變化(P＞ 0.05) (圖3)。

圖3 新疆溫性草原不同土層pH 與海拔、年平均溫度和年平均降水量之間的關(guān)系Figure 3 Relationships of different soil layer pH levels with elevation, mean annual temperature and mean annual precipitation on the Xinjiang temperate steppe

2.4 新疆溫性草原土壤pH 變化與土壤理化性質(zhì)間的關(guān)系

除在5-10 cm 土層中土壤pH 與有機質(zhì)含量無顯著關(guān)系(P＞ 0.05)外，其余各土層pH 與土壤有機質(zhì)含量均呈顯著負相關(guān)關(guān)系(P＜ 0.05) (圖4)。除在10-20 cm 土層中土壤全氮含量與pH 無顯著關(guān)系(P＞ 0.05)外，其余各土層pH 隨全氮含量增加呈顯著降低或先增加后降低的變化趨勢(P＜ 0.05) (圖4)。此外，僅在10-20 和20-30 cm 土層中，土壤pH 與容重表現(xiàn)為顯著負相關(guān)關(guān)系(P＜ 0.05) (圖4)。而對土石比而言，除在50-70 cm 土層中隨土石比增加土壤pH 呈先降低后增加的趨勢外，二者在其余各土層均無顯著關(guān)系(P＞ 0.05) (圖4)。

圖4 新疆溫性草原不同土層pH 與土壤有機質(zhì)、全氮含量、容重和土石比之間的關(guān)系Figure 4 Relationships of different soil layer pH levels with soil organic matter, total nitrogen content, soil bulk density,and volume ratio of rock to soil on the Xinjiang temperate steppe

2.5 各因素對新疆溫性草原土壤pH 變化影響的相對重要性

主成分分析結(jié)果表明，第一、第二、第三和第四主成分分別解釋了土壤pH 總變異的31.3%、24.5%、14.9%和13.0%，四者合計解釋了總變異的83.7%(圖5)。其中，第一主成分上載荷值較大的因素為土壤有機質(zhì)(0.56)和全氮含量(0.55)，反映了土壤養(yǎng)分的變化特征。第二主成分上載荷值較大的因素為土石比(0.56)和年平均溫度(?0.55)，反映了溫度與土壤物理性質(zhì)的變化。第三和第四主成分上載荷值最大的因素分別為年平均降水量(?0.74)和土壤容重(?0.86)，二者反映了降水和土壤緊實度的差異。由于第一和第二主成分對土壤pH 變異的解釋率(55.8%)高于第三和第四主成分(27.9%)，表明在新疆溫性草原中，土壤有機質(zhì)、全氮含量、土石比和年平均溫度對pH 的影響程度高于其他因素。

圖5 基于主成分分析的海拔(Ele)、年平均溫度(MAT)、年平均降水量(MAP)、土層(Layer)、土壤有機質(zhì)(SOM)、土壤全氮(STN)含量、土壤容重(SBD)和土石比(RRS)對新疆溫性草原土壤pH 的影響Figure 5 Effects of elevation (Ele), mean annual temperature (MAT), mean annual precipitation (MAP), soil layers (Layer),soil organic matter (SOM), soil total nitrogen (STN) content, soil bulk density (SBD), and ratio of rock to soil (RRS)on soil pH on the Xinjiang temperate steppe on basis of a principal component analysis

3 討論

3.1 新疆溫性草原土壤理化性質(zhì)垂直變化特征

本研究發(fā)現(xiàn)新疆溫性草原中，土壤pH 在垂直分布上存在差異，即隨著土層加深pH 逐漸升高。這一結(jié)果與高露等[24]對中國北方草地及李浙華等[25]對新疆土壤pH 空間分異的研究結(jié)果一致。此外，新疆溫性草原土壤pH 在各土層均表現(xiàn)為弱變異性，且隨著土層加深變異系數(shù)逐漸減小。這表明新疆溫性草原中，各樣地土壤pH 在深層土壤中變化較小。其原因可能是與深層土壤相比，淺層土壤容易受到植被作用、有機物分解以及氮沉降等因素的影響而使土壤pH 發(fā)生改變[8,26]。本研究發(fā)現(xiàn)土壤有機質(zhì)與土壤全氮含量在垂直分布上也存在差異，隨著土層加深，土壤有機質(zhì)和全氮含量逐漸降低，且在各土層均表現(xiàn)為中等變異性，這與國內(nèi)學(xué)者對我國北方草地土壤理化性質(zhì)的空間分異研究結(jié)果一致[24,27-28]。而土壤容重和土石比在垂直分布上卻無顯著差異，這和萬丹等[29]的研究結(jié)果類似。綜合分析可能是相較于深層土壤，表層土壤更易受微生物活動的影響，植物的根系等分解后產(chǎn)生的有機物質(zhì)較多，因此淺層土壤的全氮和有機質(zhì)含量均高于深層土壤[24,30]。

3.2 地表微環(huán)境對新疆溫性草原土壤pH 的影響

本研究結(jié)果表明，立枯、覆沙及水蝕均對新疆溫性草原土壤pH 的變化有顯著影響。其中，地表立枯顯著降低了除50-70 和70-100 cm 土層外的所有土層土壤pH，這可能是植物對土壤中堿性物質(zhì)及鹽基離子吸收后未能及時返還土壤，致使其在土壤中的含量減少從而導(dǎo)致土壤pH 相對降低[31-32]。此外，本研究中pH 在覆沙情況下略低于無覆沙的樣地，這與內(nèi)蒙古草地的探究結(jié)果一致[33]。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因可能是新疆溫性草原分布的土壤類型多為栗鈣土，土壤鹽分含量較高，覆沙能有效降低土壤含鹽量，從而使土壤pH 降低[34-35]。而水蝕在0-5、5-10 和10-20 cm 土層使土壤pH 顯著升高，這可能是因為相較于無水蝕的樣地，有水蝕的樣地地表徑流流速較快，土壤入滲量相對減少從而導(dǎo)致淋溶作用減弱，鹽基離子的相對富集致使土壤pH 升高[36]。本研究發(fā)現(xiàn)凋落物對新疆溫性草原土壤pH 無顯著影響，分析其原因可能是新疆溫性草原植被構(gòu)成較單一，多為針茅和羊茅等禾本科植物，使得凋落物構(gòu)成單一，加之新疆的氣候干旱、降水稀少而使凋落物分解緩慢，分解過程所產(chǎn)生的富里酸等有機酸性物質(zhì)難以積累，因此凋落物很難對土壤pH 產(chǎn)生影響[37-38]。

3.3 新疆溫性草原土壤pH 變化與海拔和氣候間的關(guān)系

本研究發(fā)現(xiàn)隨著海拔梯度的增加，土壤pH 在大部分土層深度均呈現(xiàn)顯著升高的趨勢，這與車明軒等[39]對四川高山草甸的研究結(jié)果一致。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)土壤pH 與年平均溫度在0-5 和5-10 cm土層呈正相關(guān)關(guān)系。土壤pH 沿海拔和年平均溫度梯度增加顯著升高的現(xiàn)象可能與草地土壤形成過程中的巖石分化有關(guān)。相較于高海拔分布區(qū)，低海拔地區(qū)巖石分化作用強烈，鹽基離子釋放較多，加之水熱條件充足，鹽基離子隨降水淋溶較強導(dǎo)致土壤pH 較低。而溫度的升高也會使風(fēng)化作用加強，鹽基離子釋放增多，鹽基飽和度增加致使土壤pH增加[15,40]。除此之外，有研究表明溫度升高會導(dǎo)致草地植被生長季縮短[41]，這就使得草地植被對土壤中鹽基離子的吸收總量減少，同時高溫促進地表蒸發(fā)作用和土壤鹽分積累，這也會導(dǎo)致草地土壤pH相對升高。同時，本研究發(fā)現(xiàn)隨年平均降水量增加，土壤pH 在0-5、5-10、10-20 和20-30 cm 土層呈顯著降低的變化趨勢。導(dǎo)致這種變化趨勢的原因為隨著降水的增多，土壤中的鹽基離子不斷被淋溶，鹽基飽和度降低，H+飽和度升高從而導(dǎo)致土壤pH 逐漸降低[42-43]。

3.4 新疆溫性草原土壤pH 變化與土壤理化性質(zhì)間的關(guān)系

本研究結(jié)果表明，各土層土壤pH 隨土壤有機質(zhì)含量增加多表現(xiàn)為顯著降低的變化趨勢，這是由于有機物被分解的過程中產(chǎn)生有機酸導(dǎo)致的，隨著有機物被分解有機質(zhì)含量增高，產(chǎn)生的有機酸不斷增多，因此隨著土壤有機質(zhì)含量增加，土壤pH 逐漸降低[44]。除了10-20 cm 土層中土壤pH 與全氮含量無顯著關(guān)系外，其他各土層土壤pH 隨全氮含量增加呈顯著降低或先增加后降低的變化趨勢。這種現(xiàn)象可能與草地土壤中氮的硝化、揮發(fā)淋溶以及植物對氮的吸收有關(guān)[45-46]，全氮水平較高的土壤中硝化作用也較強，這個過程中釋放的H+會導(dǎo)致土壤pH 降低。另一方面，有研究表明在草地生態(tài)系統(tǒng)中，土壤全氮含量的升高可以顯著促進植物對氮的吸收[47]，而土壤中的NO3?易淋溶而很少被植物吸收利用，因此植物對氮的吸收多以NH4+ 為主，當植物吸收NH4+時根系會釋放等量H+以保持體內(nèi)電荷平衡，土壤溶液中H+濃度升高從而導(dǎo)致土壤pH 降低[48-49]。同時，本研究發(fā)現(xiàn)土壤pH 沿容重梯度增加在10-20 和20-30 cm 的表層土中呈現(xiàn)顯著下降的趨勢，這可能與草地土壤的有機質(zhì)含量在不同土層存在差異有關(guān)[37,50]。此外，土壤pH 僅在50-70 cm土層隨土石比梯度增加呈現(xiàn)先降低后升高的變化趨勢，這種現(xiàn)象可能與礫石影響土壤入滲特性有關(guān)[51-52]，但具體的作用機理還有待更進一步研究。

4 結(jié)論

本研究發(fā)現(xiàn)在新疆溫性草原中，地表微環(huán)境、海拔、氣候和土壤理化性質(zhì)對各土層pH 的影響均因土層深度不同而異。當綜合考慮海拔、氣候、土層和土壤理化性質(zhì)等因素時發(fā)現(xiàn)，土壤養(yǎng)分(土壤有機質(zhì)和全氮含量)、土壤理化性質(zhì)(土石比)和氣候(年平均溫度)對pH 的影響強度高于海拔和土層。