祁連山南坡農(nóng)田土壤碳氮含量垂直分布特征及其影響因素

邱巡巡, 曹廣超, 曹生奎, 張 卓,程夢園, 何啟欣, 高斯遠(yuǎn), 趙美亮

(1.青海師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院, 青海 西寧 810008; 2.青海省自然地理與環(huán)境過程重點實驗室, 青海 西寧 810008; 3.青藏高原地表過程與生態(tài)保育教育部重點實驗室,青海 西寧 810008; 4.青海省人民政府—北京師范大學(xué) 高原科學(xué)與可持續(xù)發(fā)展研究院, 青海 西寧 810008)

土壤碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫，其分解釋放的CO2約占陸地生態(tài)系統(tǒng)與大氣交換的CO2總量的2/3[1-2]，會對生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生重要的影響[3]。農(nóng)田土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中一類重要的組成部分，農(nóng)田土壤碳庫因其具有固碳周期短、蓄積量大的特點，是較短時間內(nèi)人類干擾最頻繁，受人類活動影響最大的碳庫而受到學(xué)者的關(guān)注[4]。

近年來，隨著祁連山國家公園的試點建設(shè)以及生態(tài)價值的提高，以祁連山脈為核心的地區(qū)的土壤研究成為諸多學(xué)者關(guān)注的焦點[5-6]。祁連山地區(qū)橫跨甘肅和青海兩省，本文中的祁連山南坡重點指的是祁連山脈的青海片區(qū)，該區(qū)域地形復(fù)雜，氣候變化明顯，土壤和植被類型多樣，屬于典型的高寒區(qū)，年均氣溫僅為-5.9 ℃。由于該地區(qū)是以林地、草地、冰川和濕地等自然景觀系統(tǒng)為主，眾多研究者更多探討祁連山青海云杉林、高寒草甸等不同植被類型的土壤碳氮的影響因素[7-8]，而鮮少涉及對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的土壤碳氮影響因素的研究。實際上，在祁連縣、門源盆地等緩坡地區(qū)也分布著大量的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)。農(nóng)田土壤碳、氮作為土壤養(yǎng)分的重要組成部分，在改善土壤結(jié)構(gòu)及其通氣性，維持和改良土壤肥力以提高土壤生產(chǎn)力方面具有極大作用[9-10]。同時，土壤理化性質(zhì)的差異會引起土壤碳氮的變化[11-12]。熊杏等[13]對南方典型丘陵區(qū)耕地的研究結(jié)果表明成土母質(zhì)是引起研究區(qū)土壤全氮、有機碳空間變異的主要因素。郭月峰等[14]研究認(rèn)為土壤物理性質(zhì)是影響土壤有機碳變化的重要因子。張旭冉等[15]也表示土壤有機碳與理化性質(zhì)之間關(guān)系密切。因此，厘清高寒農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)理化特性與土壤碳氮的關(guān)系，對于明晰當(dāng)?shù)剞r(nóng)用地土壤肥力水平并采取科學(xué)合理的管理措施進行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要作用[16]?；诖耍狙芯恳云钸B山中段南坡農(nóng)田為研究對象，測定其土壤全碳(TC)，全氮(TN)，有機碳(SOC)，含水量(SWC)，容重(ρb)，粒度(黏粒、粉砂、砂粒)，pH值等理化指標(biāo)，旨在探討該地區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤碳氮與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系，進而為高寒地區(qū)合理利用土地資源提供理論借鑒。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

祁連山南坡位于青海省東北緣，海拔高度2 286～5 208 m,平均海拔3 800 m，地理位置為98°08′13″—102°38′16″ E，37°03′17″—39°05′56″ N，總面積2.40×104km2，樣地選在祁連山南坡祁連縣、門源回族自治縣耕地。研究區(qū)年日照時數(shù)約為2 200～2 900 h，年氣溫差異大，極端最低氣溫-37.1 ℃，極端最高氣溫為30.5 ℃，年均氣溫為-5.9 ℃，年內(nèi)降水集中分布在6—8月，年均降水量300～400 mm，氣溫和降水具有明顯的水平和垂直梯度差異，區(qū)內(nèi)作物生長季與降水季同期，適宜青稞、燕麥和油菜等農(nóng)作物的生長。

1.2 樣品采集與分析

2020年8月在研究區(qū)內(nèi)根據(jù)祁連縣、門源回族自治縣的天氣狀況，選擇前3～5 d無降雨的日期在海拔2700～3 200 m的青稞、油菜、燕麥3種不同農(nóng)作物的農(nóng)用地進行采樣，共布設(shè)19個樣地(祁連縣10個，門源縣9個)。在每個樣地內(nèi)，按照隨機采樣法選取3個1 m×1 m的取樣點，并用直徑為5 cm的土鉆鉆取0—50 cm(0—5，5—10，10—20，20—30，30—40，40—50 cm)的土壤剖面土樣，剔除植被殘根、石礫等雜物后用密封袋密封帶回實驗室自然風(fēng)干后過篩備用，共采集分析土壤樣品324件。此外，在每個樣點用環(huán)刀按上述分層取原狀土樣稱其鮮重，后密封帶回測定容重及含水量。

土壤全碳含量，全氮含量用元素分析儀(Costech ECS4 010/4024，USA)測定，土壤有機碳含量采用重鉻酸鉀氧化—外加熱法測定，土壤含水量采用烘干法測定；土壤容重采用環(huán)刀法測定；土壤粒度采用英國Malvern公司生產(chǎn)的Mastersizer 2000型激光粒度儀測定；土壤pH值采用土壤浸提法(土∶水=1∶2.5)測定[17]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用SPSS 26進行統(tǒng)計、相關(guān)及通徑分析。運用逐步回歸分析方法建立土壤全碳含量和全氮含量與其他土壤理化因子的多元回歸方程，根據(jù)回歸分析結(jié)果對通過顯著性檢驗的因子進行通徑分析，得出各因子對全碳含量和全氮含量的影響程度和相對重要性。采用單因素方差分析(one-way ANOVA)進行差異顯著性檢驗，用Spearman進行簡單相關(guān)性分析。采用Origin 2021 b和Excel 2010繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)田土壤理化性質(zhì)的變化特征

由表1可知，研究區(qū)農(nóng)田0～50 cm深度土壤全碳含量變化范圍在33.94～36.59 g/kg之間，平均值為35.47 g/kg。隨著土層的增加，土壤全碳含量總體呈減小趨勢。其耕作層(0—20 cm)土壤全碳含量占深度全碳總含量的51.26%。研究區(qū)農(nóng)田0—50 cm深度土壤全氮含量變化范圍在2.25～2.56 g/kg之間，平均值為2.41 g/kg，隨著土層的增加，土壤全氮含量總體呈減小趨勢。其耕作層(0—20 cm)土壤全氮含量占深度全氮總含量的52.25%。土壤全碳、全氮含量均在土壤耕作層達(dá)到最大值，具有表聚現(xiàn)象。不同土層土壤全碳、全氮含量之間差異不顯著(p>0.05)。

表1 祁連山南坡農(nóng)田0—50 cm土層土壤理化性質(zhì)描述性統(tǒng)計

研究區(qū)農(nóng)田0—50 cm深度各土層土壤有機碳含量變化范圍在16.62～21.77 g/kg之間，平均值為18.6 g/kg。土壤平均含水量為19.7%，隨著土層加深，土壤含水量總體呈減少并逐漸趨于穩(wěn)定趨勢。土壤容重為1.25 g/cm3，隨著土層深度向下增加，土壤容重呈現(xiàn)增大的趨勢。研究區(qū)土壤呈弱堿性，其pH值變化范圍為7.89～8.21之間，平均值為8.01，隨土層深度的增加，土壤pH值表現(xiàn)為總體呈增大趨勢，土壤堿性相應(yīng)地增加。

土壤的機械組成變化直接影響著作物對土壤養(yǎng)分的吸收，因此，土壤粒度是研究土壤環(huán)境的基礎(chǔ)[18]，也是探究土壤有機碳變化重要的影響因子。本研究將土壤粒度分為黏粒(<4 μm)、粉粒(4～63 μm)和砂粒(>63 μm)3部分[19]。結(jié)合表1與農(nóng)田土壤類型“砂?！凵啊ち！比蔷W(wǎng)格圖(圖1)解中可知，研究區(qū)農(nóng)田土壤顆粒組成中粉粒含量比例最高，達(dá)60.66%；其次為砂粒含量，為26.96%；而黏砂含量比例較小，為12.37%。

圖1 祁連山南坡農(nóng)田50 cm土層土壤粒級劃分

研究區(qū)農(nóng)田土壤以砂質(zhì)壤土、砂質(zhì)黏壤土和砂質(zhì)黏土為主，機械組成較粗。從不同土層來看，隨著土層深度的增加，土壤黏粒含量總體呈減少趨勢，土壤粉砂含量呈先減少后增加趨勢，土壤砂粒含量總體呈增大趨勢。

2.2 土壤全碳、全氮含量與其影響因子的關(guān)系

2.2.1 土壤全碳、全氮含量與其影響因子的逐步回歸分析 通過逐步回歸分析(表2)建立起土壤全碳含量(TC)，全氮含量(TN)分別與其他理化因子之間的多元回歸方程，土壤TC=59.284+4.908 TN-32.036ρb+0.244 SWC，TN=10.502+0.066 TC-1.196 pH-0.052 Silt+1.31 Clay+0.035 SWC，其中，回歸方程中的系數(shù)為直接通徑系數(shù)。由方程可知，土壤全氮含量、容重及含水量對土壤全碳含量影響顯著(p<0.05)。土壤全碳含量、pH值、粉砂含量、黏粒含量及含水量對土壤全氮含量影響顯著(p<0.05)。為進一步探究土壤理化性質(zhì)對土壤全碳含量、全氮含量的直接與間接聯(lián)系，選取上述與土壤全碳含量有顯著相關(guān)性的土壤全氮含量、土壤容重及土壤含水量這3個指標(biāo)與土壤全碳含量做通徑分析，通徑計算方法參照宋小園等[20]研究。選取與土壤全氮含量有顯著相關(guān)性的土壤全碳含量、pH值、粉粒含量、黏粒含量及含水量這5個指標(biāo)與土壤全氮含量做通徑分析。

表2 祁連山南坡農(nóng)田土壤全碳、全氮含量回歸系數(shù)輸出結(jié)果

2.2.2 土壤全碳含量和全氮含量與其影響因子的通徑分析 由表3和圖2可知，在影響土壤全碳含量的顯著性因子中，與土壤全碳含量的直接通徑系數(shù)按絕對值大小排序為：土壤全氮含量(0.54)>土壤容重(-0.43)>土壤含水量(0.15)。土壤全氮含量對土壤全碳含量的直接通徑系數(shù)最大，且表現(xiàn)為正效應(yīng)；土壤容重對土壤全碳含量產(chǎn)生直接負(fù)效應(yīng)。土壤含水量對土壤全碳含量的間接通徑系數(shù)(0.24)大于其直接通徑系數(shù)(0.15)，表明土壤含水量主要通過土壤全氮含量而對土壤全碳含量產(chǎn)生間接正效應(yīng)。

表3 祁連山南坡農(nóng)田土壤全碳含量與理化性質(zhì)因子的通徑?jīng)Q策系數(shù)

注：虛線表示各因子對土壤全碳含量的直接影響，即直接通徑系數(shù)；實線箭頭表示各因子通過另一個因子對土壤全碳含量的間接影響，即間接通徑系數(shù)，下同。

2.2.3 土壤理化因子對土壤全氮含量影響的通徑分析 由表4和圖3可知，在影響土壤全氮含量的顯著性因子中，與土壤全氮含量的直接通徑系數(shù)按絕對值大小排序為：土壤全碳含量(0.6)>粉砂(-0.56)>黏粒(0.39)>pH值(-0.21)>含水量(0.2)。土壤全碳含量對土壤全氮含量的直接通徑系數(shù)最大，且表現(xiàn)為正效應(yīng)；其次為土壤粉砂含量，表現(xiàn)為直接負(fù)效應(yīng)；土壤黏粒對土壤全氮含量表現(xiàn)為直接正效應(yīng)。土壤pH值對土壤全氮含量的間接通徑系數(shù)(-0.36)大于其直接通徑系數(shù)(-0.21)，表明土壤pH值通過其他因子而對土壤全氮含量產(chǎn)生間接負(fù)效應(yīng)；土壤含水量對土壤全氮含量的間接通徑系數(shù)(0.24)大于其直接通徑系數(shù)(0.2)，表明土壤含水量通過其他因子而對土壤全氮含量產(chǎn)生間接正效應(yīng)。

表4 祁連山南坡農(nóng)田土壤全氮含量與理化因子的通徑?jīng)Q策系數(shù)

圖3 祁連山南坡農(nóng)田土壤全氮含量與理化因子的通徑系數(shù)

3 討 論

高寒農(nóng)田是中國重要的耕地資源之一，與中國東北、華北等地區(qū)不同的自然特色是地勢高、氣候寒，且只有在地勢較為緩平、水熱條件相對較好的河谷等地帶才適合農(nóng)作物的生長[21]，具有維持生態(tài)脆弱區(qū)糧食安全、生態(tài)安全及社會安定的作用。本研究結(jié)果表明，研究區(qū)50 cm土層深度土壤全碳含量和全氮含量分別為35.47，2.41 g/kg，根據(jù)全國土壤氮素含量分級標(biāo)準(zhǔn)[22]，全氮含量大于2 g/kg表明研究區(qū)土壤氮含量較高；研究區(qū)50 cm土壤有機碳含量為18.6 g/kg，按照目前沿用的van Bemmelen因數(shù)1.724作為有機碳轉(zhuǎn)換為有機質(zhì)的轉(zhuǎn)換系數(shù)，該研究區(qū)農(nóng)田土壤有機質(zhì)的均值約為32.07 g/kg，參照全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)[23]，其有機質(zhì)含量處于高等水平，表明研究區(qū)農(nóng)田土壤比較肥沃。土壤全碳含量、全氮含量隨土層的加深總體均呈減小趨勢，說明研究區(qū)農(nóng)田土壤全碳含量，全氮含量具有表聚現(xiàn)象，這與郭月峰等[14]的研究結(jié)果一致。究其原因是表層土壤具有良好的通氣及水熱條件，有利于在土壤微生物的作用下將聚集在表層的土壤枯枝落葉及腐爛根系等有機物分解，增加土壤碳氮含量，而深層土壤因長時間不翻耕而與外界物質(zhì)交換貧乏，養(yǎng)分不易積累[24-25]。此外，很多林地、草地土壤碳氮隨土層深度的加深也呈現(xiàn)出相同的變化規(guī)律[26-27]。隨著土層加深，土壤含水量總體呈減少并逐漸趨于穩(wěn)定趨勢，可能是由于降水過程中產(chǎn)生的重力水通常在表層土壤達(dá)到飽和的狀態(tài)下才會繼續(xù)向底層遷移，但表層土壤水分易通過降水、下滲等途徑得失，中間層與底層則相對穩(wěn)定，因而相差不大[14]。土壤表層含水量會大于底層土壤含水量這一結(jié)果的主要原因是采樣時研究區(qū)正處于年降水集中月份，受不定時降水影響導(dǎo)致。隨著土層深度向下增加，土壤容重呈現(xiàn)增大的趨勢，表明表層土壤較疏松，這與農(nóng)地作物耕作以及作物雜草枯落物的積累與分解有關(guān)，由于植物根系改變了土壤結(jié)構(gòu)，使得土壤孔隙度增大，土壤空氣量增多導(dǎo)致土壤容重降低[28]。這與郭月峰等[14]在內(nèi)蒙古赤峰市黃花甸子流域梯田的研究結(jié)果一致。研究區(qū)土壤呈弱堿性，符合西北土壤大多呈堿性的特征。

土壤全碳含量、全氮含量作為土壤評價土壤質(zhì)量的敏感指標(biāo)[29]，受氣候、地形、土壤理化性質(zhì)等自然條件和人類活動的綜合影響[30]，且存在各種因子間的相互作用[31]。本研究中，土壤全碳含量、全氮含量互為顯著影響因子，且為正相關(guān)關(guān)系，這與刁二龍等[32]、張少鳳等[33]的研究結(jié)果一致。這是因為土壤中的氮素主要來源于植物殘體的歸還量以及生物固氮，而其輸出主要是土壤有機質(zhì)的分解[34]，因此，在長時間的積累下，土壤碳氮含量間具有高度協(xié)同作用[35]。此外，通過逐步線性回歸及通徑分析結(jié)果表明，土壤容重及含水量對土壤全碳含量影響顯著，土壤pH值、粉粒含量、黏粒含量及含水量對土壤全氮含量影響顯著。在土壤全碳含量的顯著影響因子中，土壤容重對土壤全碳含量起直接影響效應(yīng)，且兩者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，這是因為容重大的土壤相對結(jié)板且通透性差，土壤保水保肥性差導(dǎo)致有機質(zhì)含量少[36]，從而直接影響土壤全碳含量。在本研究土壤全氮含量的顯著影響因子中，土壤黏粒、粉砂含量對土壤全氮含量起直接影響效應(yīng)，pH值通過影響其他因子而間接對土壤全氮含量產(chǎn)生影響。土壤全氮含量與土壤黏粒含量之間呈正相關(guān)關(guān)系，與土壤粉砂含量之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，這與郭月峰等[14]和馬渝欣等[37]的研究結(jié)果一致。賈海霞等[38]表示，土壤黏?？梢种朴袡C質(zhì)被微生物分解，減少微生物細(xì)胞代謝死亡，保持土壤營養(yǎng)物質(zhì)的穩(wěn)定。土壤黏粒也可通過黏粒膠體吸附及形成土壤有機無機復(fù)合體實現(xiàn)對有機碳的物理保護[39]，而粉砂含量在一定范圍內(nèi)對土壤水分有效性、土壤透氣性產(chǎn)生影響，相對保水保肥能力較差。此外，土壤含水量對土壤全碳含量、全氮含量均通過影響其他因子而產(chǎn)生間接影響，且均為正效應(yīng)。元曉春等[40]表示，土壤含水量會通過影響土壤蛋白酶活性改變土壤氮含量，同時本研究結(jié)果表明土壤碳氮間有高度的協(xié)同關(guān)系。因此，土壤含水量會通過影響土壤中酶活性而間接影響土壤碳氮含量。

4 結(jié) 論

本研究以祁連山南坡農(nóng)田土壤為研究對象，探究其50 cm深度土壤的土壤全碳含量、全氮含量及其與其他理化因子之間的關(guān)系。

(1) 研究區(qū)50 cm土層土壤全碳含量、全氮含量在50 cm土層垂直分布上具有表聚現(xiàn)象，耕作層(0—20 cm)土壤全碳含量。全氮含量占50 cm深度總含量的51.26%和52.25%。研究區(qū)土壤氮含量和有機質(zhì)含量處于高等水平，土壤較為肥沃。

(2) 土壤理化性質(zhì)之間存在相互作用，共同影響土壤全碳含量、全氮含量。其中，土壤全氮、全碳含量相互直接作用最大，且均為正效應(yīng)。此外，土壤容重對土壤全碳含量產(chǎn)生直接負(fù)效應(yīng)，土壤含水量對土壤全碳含量產(chǎn)生間接正效應(yīng)；土壤粉砂含量對土壤全氮含量產(chǎn)生直接負(fù)效應(yīng)；土壤黏粒對土壤全氮含量產(chǎn)生直接正效應(yīng)；土壤pH值對土壤全氮含量產(chǎn)生間接負(fù)效應(yīng)；土壤含水量對土壤全氮含量產(chǎn)生間接正效應(yīng)。