青藏高原东部不同草地类型土壤养分的分布规律

顾振宽，杜国祯，，朱炜歆，索南吉，张世虎

（1．兰州大学草地农业科技学院，甘肃 兰州730020；2．兰州大学草地农业与干旱教育部重点实验室，甘肃 兰州730000）

土壤有机碳是陆地生态系统的重要组成部分，对全球变化具有反馈作用［1］。陆地生态系统作为人类的居住环境和人类活动的主要场所，其碳含量约为大气碳库的2倍，对于陆地生态系统碳氮循环规律和机制的研究是全球碳氮循环的关键环节［2］。氮是大气圈中含量最丰富的元素，也是各种植物生长和发育所需的大量营养元素，也是调节陆地生态系统生产量、结构和功能的关键性元素，能够限制群落初级和次级生产力，在草原生态系统乃至全球碳氮循环中至关重要［3］。在草地生态系统中，土壤全氮不仅是主要的土壤肥力指标，也是土壤氮素肥力的基础。土壤全氮含量不仅与温度和降水量等环境因子相关，而且与土壤特性、土地利用方式、植被特征及人类的干扰程度有关［4］。

在草原生态系统中，磷是最重要的化学元素之一，其分布和储量对草原生态系统功能的正常发挥具有重要作用［5］。土壤不仅对生态系统过程、结构和生产力具有重要影响［6］，而且影响植物群落的发生、发育和演替速度［5－6］，在植被恢复过程中发挥着重要作用。而在各陆地生态系统中，草地生态系统的研究尤为重要。青藏高原对全球气候变化十分敏感，其草地土壤有机碳总量约占其有机碳总量的23．44%，研究和保护青藏高原草地，对碳储存和调节大气CO2含量变化都具有重要意义［7］。青藏高原广泛分布的高寒草甸、高寒草原与高寒沼泽草甸属自然控制类型，并占青藏高原面积的绝大部分［7］。目前，有关青藏高原东缘地区不同草地类型对土壤养分影响的信息十分缺乏。因此，研究该地区不同植被类型土壤有机碳、全氮和全磷的分布规律，对评价草地生态系统潜在的生产力具有重要意义。本研究以青藏高原东缘地区不同植被类型的草地为对象，分析不同草地类型的土壤垂直结构上的土壤有机碳、全氮和全磷含量及其关系，旨在为草地的健康评价提供依据。

1 材料与方法

1．1 研究区自然概况 研究样地位于青藏高原东部地区甘肃省甘南州境内（100°45′～104°45′E，33°06′～35°70′N），海拔2 900～4 000m；年均降水量450～780mm，主要分布于7－9月；年平均气温1．8℃，1月均温－10．7℃，7月均温11．7℃，生长季最高气温23．6～28．9℃；年平均霜期不少于270 d。高寒草甸地势开阔，多风，气候寒冷。土壤类型为高山草甸土和灰褐土。草地类型主要包括高寒草甸、高寒灌丛草甸、亚高寒草甸、沼泽化草甸、荒漠化草原、林间草地和盐渍化沼泽。植被主要包括禾本科、莎草科植物及多种其他科属双子叶植物。

表1 研究样地概况Table 1 Brief introduction of experimental sites

1．2 研究方法

1．2．1 采样设计与土样采集 采样点选取具有代表性且地上植被完整的放牧地。样地分布在甘南州各乡、镇、村，共7处，按草地类型分为高寒草甸、高寒灌丛草甸、亚高寒草甸、沼泽化草甸、荒漠化草原、林间草地和盐渍化沼泽。各样地用GPS定位，用打土柱法取土样。根据草地类型在每个样地随机选取10个样点，每个样点取3个土层深度，分别为0～15、15～30、30～60cm，每个土层9次重复，用自封袋带回实验室。

1．2．2 分析方法 土壤有机碳测定采用重铬酸钾法。用定量的重铬酸钾－硫酸溶液，在电砂浴加热，剩余的重铬酸钾用硫酸亚铁标准溶液滴定，并以二氧化硅为添加物作试剂空白标定，根据氧化前后氧化剂质量差值，算出有机碳量。土壤全氮测定采用半微量开氏法。全磷的测定采用钼锑抗比色法，用流动注射分析仪（FS－ZV）测定。

1．2．3 数据分析 数据应用SPSS 16．0软件进行统计分析，对不同草地类型和不同土层深度中的土壤有机碳、全氮和全磷数据进行方差分析和相关分析。

2 结果与分析

2．1 不同草地类型下不同土层土壤有机碳含量的分布 随着土壤深度和草地类型的变化，不同草地类型中0～15cm土壤有机碳含量的顺序依次是林间草地＞高寒灌丛草甸＞高寒草甸＞沼泽化草甸＞盐渍化沼泽＞亚高寒草甸＞荒漠化草甸；15～30cm土层依次为林间草地＞盐渍化沼泽＞高寒灌丛草甸＞沼泽化草甸＞高寒草甸＞亚高寒草甸＞荒漠化草原；30～60cm土层依次是林间草地＞沼泽化草甸＞高寒灌丛草甸＞荒漠化草原＞高寒草甸＞亚高寒草甸＞盐渍化沼泽（表2）。不同草地类型中，土壤有机碳含量在不同深度土层的垂直分布不同。其中，高寒草甸和荒漠化草原土壤随土层自上而下依次降低，在盐渍化沼泽和亚高寒草甸的土壤垂直结构上差异显著（P＜0．05），但表层和中间层差异不显著（P＞0．05）。高寒灌丛草甸、沼泽化草甸和林间草地在15～30和30～60cm土层差异不显著，但均显著低于0～15cm土层。

2．2 不同草地类型下不同土层全氮含量的分布 全氮含量随土壤深度和草地类型不同而变化。在0～15cm土层范围内，全氮含量的顺序依次是沼泽化草甸＞林间草地＞高寒灌丛草甸＞高寒草甸＞盐渍化沼泽＞荒漠化草原＞亚高寒草甸；15～30cm顺序为沼泽化草甸＞高寒灌丛草甸＞林间草地＞亚高寒草甸＞高寒草甸＞盐渍化沼泽＞荒漠化草原；30～60cm依次为沼泽化草甸＞盐渍化沼泽＞林间草地＞高寒灌丛草甸＞荒漠化草原＞亚高寒草甸＞高寒草甸（表3）。高寒草甸、高寒灌丛草甸、荒漠化草原和沼泽化草甸土壤全氮含量自上而下依次降低，且差异显著（P＜0．05）；盐渍化沼泽土壤全氮含量在30～60cm土层最高，其次是0～15和15～30 cm；林间草地在15～30和30～60cm全氮含量差异不显著，但均显著低于0～15cm。

2．3 不同草地类型下不同土层全磷含量的分布 不同草地类型土壤全磷在0～15cm土层中含量顺序是高寒灌丛草甸＞沼泽化草甸＞高寒草甸＞盐渍化沼泽＞亚高寒草甸＞荒漠化草原＞林间草地；15～30cm顺序为高寒灌丛草甸＞沼泽化草甸＞高寒草甸＞林间草地＞亚高寒草甸＞盐渍化沼泽＞荒漠化草原；30～60cm顺序依次是高寒灌丛草甸＞沼泽化草甸＞高寒草甸＞盐渍化沼泽＞林间草地＞亚高寒草甸＞荒漠化草原（表4）。土壤全磷在高寒草甸、高寒灌丛草甸、沼泽化草甸和亚高寒草甸中随着土层的加深而依次降低，且差异显著（P＜0．05）。荒漠化草原在15～30和30～60cm剖面不显著（P＞0．05），0～15cm显著高于其他土层；林间草地全磷含量在15～30cm最高，其次是30～60和0～15cm，且3个土层间差异显著，这与盐渍化沼泽相反。

表2 主要草地类型的土壤有机碳含量Table 2 Soil organic carbon concentration of investigated grasslands %

表3 主要草地类型的土壤全氮含量Table 3 Soil total nitrogen concentration of investigated grasslands %

表4 主要草地类型的土壤全磷含量Table 4 Soil total phosphorous concentration of investigated grasslands g·kg－1

2．4 不同草地类型土壤有机碳与全氮的关系

考虑不同草地类型和土层差异，在0～15cm土层除沼泽化草甸外，其他草地类型土壤有机碳和全氮含量相关系数均较高（表5）；15～30cm土层除沼泽化草甸呈不相关外，高寒灌丛草甸、盐渍化沼泽和林间草地土壤有机碳和全氮含量相关系数均较高；在30～60cm土层7种草地类型土壤有机碳和全氮均呈显著或极显著正相关。

表5 不同草地类型与不同深度土壤有机碳和全氮含量相关系数Table 5 Correlation coefficient between grasslands and soil organic carbon and total nitrogen of different soil depth

3 讨论

通过研究发现，青藏高原东部不同植被类型，以及不同土层深度间的土壤有机碳、全氮和全磷含量的分布具有一定的规律性。土壤有机碳的主要来源是植物残体的凋落分解，不同的植被导致土壤有机碳含量不同［8］，植物功能类型也显著影响土壤有机碳含量［6，8］。一般情况下，灌丛土壤中有机碳含量主要分布在土层的底部，草地中主要分布在土层中部，森林中主要分布在土壤表层［9］。本研究表明，林间草地、高寒灌丛草甸和高寒草甸土壤中有大量的有机碳，而荒漠化草原、亚高寒草甸和盐渍化草甸土壤有机碳含量相对较低。这与艾丽等［10］研究结果基本一致。林地和高寒灌丛草甸植被生产力较高，植物残体较多，高寒草甸土壤有机质输入多，但分解慢；不同草地类型地上生物量顺序依次是林间草地＞沼泽化草甸＞盐渍化沼泽＞寒灌丛草甸＞高寒草甸＞亚高寒草甸＞荒漠化草原和盐渍化沼泽。亚高寒草甸和荒漠草原植被生产力低，土壤中有机质输入量少。此外，林地和灌丛中的灌木残体中木质素要比草本植物残体中高，土壤有机质较稳定［11］。不同草地类型的海拔、气候要素和土壤特性不同，导致有机碳分解和淋溶输出不同［7，12］。在本研究中，不同草地类型土壤有机碳含量随土层变化趋势不同，可能是土壤－大气界面的气体扩散，土壤微生物和动物异养呼吸碳排放，而土壤中的CO2排放主要是通过土壤微生物的呼吸。对于光照、温度和水分都充足的沼泽化草甸表层，碳排放和扩散较快［13－15］。在草地生态系统中，土壤有机碳含量主要受气候、植被［16］、土壤属性以及人类活动的综合影响，且各种因素间可能存在着互作效应。

本研究表明，不同草地类型下土壤中全氮含量也不同，可能是不同草地类型下土壤淋溶过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区系也会使土壤氮分解不同［17］。植被类型是影响土壤碳、氮含量的关键，植被恢复增加土壤养分含量。沼泽化草甸、高寒灌丛草甸和林间草地全氮含量在0～15cm较高，因为土壤温度较低，水分含量较大，且植物种类丰富；亚高寒草甸和荒漠化草原土壤比较干燥，且植物稀疏植物种类比较少，所以全氮含量低［17］。不同草地类型生物多样性差异较大，草地生态系统生产力随着植物生物多样性提高而增加，且物种多样性高时，矿质氮利用更完全，氮淋溶损失更少。因此，物种丢失会威胁生态系统的功能和可持续性。此外，物种构成对生态系统过程也存在影响［12］。草地类型、海拔、气候要素和土壤特性等都会影响土壤全氮的累积量。

不同草地类型下，不同剖面土壤全磷的分布不同。本研究表明，高寒灌丛草甸、沼泽化草甸和高寒草甸土壤全磷含量高，而荒漠化草原、林间草地和亚高寒草甸较低。荒漠化草原和盐渍化沼泽土壤全磷含量在15～30cm高于30～60cm。林间草地剖面土壤全磷的含量依次是15～30cm＞30～60cm＞0～15cm。土壤全磷含量的高低，受土壤母质、成土作用和耕作施肥的影响很大［14］。放牧强度也影响土壤剖面全磷含量，荒漠化草原、林间草地和亚高寒草甸全磷含量低是由于过度放牧导致草地退化［17］。同一放牧制度下不同土层速效磷的变化较大，随着土层深度增加其含量降低；全磷含量在同一放牧制度不同土层的变化不大。禁牧有效地保持了土壤的磷元素含量，从而有利于土壤养分的积累［14］。

土壤全氮与有机碳含量具有显著正相关性，不考虑海拔因素，0～30cm土层中土壤碳氮含量的相关系数均较高（0．67以上）。本研究表明，在不同草地类型和不同深度土层的共同影响下，在0～15cm剖面除沼泽化草甸外，其他草地类型土壤有机碳都与全氮呈正相关，达到极显著水平；15～30cm沼泽化草甸土壤有机碳与全氮不相关；30～60cm土壤有机碳与全氮均呈正相关，并达显著水平。土壤有机碳的质量分数大体上取决于土壤中的全氮含量。土壤中的全氮较多，主要来源于有机质中的氮素，有机态氮占全氮的80%以上，土壤中全氮与有机碳含量的比值为1∶10～1∶12［18－19］。沼泽化草甸在0～15和15～30cm深度土壤有机碳和全氮不相关，这可能是由于土壤有机碳受气候、海拔、土层和植被的影响所导致的。另外，土壤含水量和微生物呼吸也会产生影响。关于沼泽化草甸不同深度土层土壤有机碳和全氮的关系有待进一步研究。

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