锡林郭勒草原土壤主要营养成分的空间分布

贺俊杰

(锡林浩特国家气候观象台,内蒙古 锡林浩特 026000)

土壤是自然生态环境中极为重要的组成部分[1]，它既是植物赖以生存的空间，也是农牧业生产的基础。土壤肥力状况(土壤中氮、磷、钾和有机质含量等)直接影响植物的生长发育和最终产量的形成。20世纪80年代以来，我国以牧草与饲料作物生产为主的设施栽培有了迅猛发展[2]。但是，对草地资源的不合理利用，造成生态系统失调，致使锡林郭勒草地退化面积近64%，土壤营养成分降低，草地质量严重下降[3-4]，从而影响到畜牧业的可持续发展。

近年来，关于锡林郭勒草原土壤营养成分的研究取得了很多成果，诸如许中旗等[5]从土壤N、P、K 及土壤有机质等方面研究了人为干扰(包括放牧、开垦和禁牧)对典型草原生态系统土壤养分含量的影响；郑云玲[6]得出围栏内的各样地土壤全氮，全磷含量以及牧草氮、磷含量基本高于围栏外的结论；刘忠宽等[7]在内蒙古典型草原(锡林河中游二级台上)，对不同放牧率草地休牧3年后的土壤养分空间异质性和植物群落的数量变化特征进行了研究；赵娜等[8]研究了浑善达克沙地榆林密度与土壤养分的关系等。但这些研究范围仅局限于某个区域，而对锡林郭勒草原土壤营养成分总体分布及综合评价尚未见报道。目前，很多关于土壤质量评价方法的论述[9-11]，如聚类分析、因子分析、主成分分析等被应用于土壤质量的综合评价[12-14]。本研究预计采用主成分分析方法，对锡林郭勒草原土壤主要营养成分含量进行分析和综合评价，旨在揭示锡林郭勒草原土壤营养成分分布特征，为草原资源合理应用和生态系统的有效保护及恢复提供依据。

1 材料与方法

1.1研究区概况 锡林郭勒盟处于欧亚大陆草原带的中部(41°35′-46°46′ N，111°03′-120°00′ E)，土地面积20.3万km2，草原面积占总土地面积97.2%，既是内蒙古草原的主体，也是西北干旱区向东北湿润区和华北旱作农业区的过渡地带。地势平坦开阔，土壤以风沙土为主，部分地区有栗钙土、棕钙土和草甸土等。其草原类型多样，自东向西依次为草甸草原(包括乌拉盖、东乌珠穆沁旗和西乌珠穆沁旗)、典型草原(包括锡林浩特市、阿巴嘎旗、镶黄旗、正镶白旗、正蓝旗、太仆寺旗和多伦县)和荒漠化草原(包括苏尼特左旗、苏尼特右旗和二连浩特市)。草甸草原建群种牧草为羊草(Leymuschinensis)、贝加尔针茅(Stipabaicalensis)，典型草原建群种牧草为克氏针茅(S.kryloyii)、羊草，荒漠化草原建群种牧草为多根葱(Alliumpolyrrhizum)、沙生针茅(S.kryloyii)、小叶锦鸡儿(Garaganamicrophylia)等。大部地区伴生糙隐子草(Cleistogenesserotina)、矮葱(A.anisopodium)、冷蒿(Artemisiafrigida)、知母(Anemarrhenaasphodeloides)等。夏季盛行东南季风，雨热同季，降水存在很大的空间异质性。年均气温2.5 ℃，降水量273 mm，日照时数3 024.7 h。锡林郭勒盟在内蒙古自治区的地理位置(a)和研究区土壤采样地分布(b)详见图1。

图1 锡林郭勒盟在内蒙古自治区的地理位置(a)和研究区土壤采样地分布(b)Fig.1 Geographic position of Xilin Gol region in Inner Mongolia(a)and soil sampling site in the study area(b)

1.2资料来源 资料来源于锡林浩特国家气候观象台化验室(内蒙古自治区气象局天然草地牧草和土壤营养成分化验室)2005-2012年测定的土壤营养成分全氮、全磷、全钾和有机质含量。化验土样每年10月上旬在锡林郭勒盟13个旗(县、市)天然草地采取。在充分考虑监测数据代表性的前提下，采样点按照锡林郭勒盟草地类型所包括的旗(县)，每个旗(县)取样10个。即草甸草原取样30个，典型草原取样70个，荒漠化草原取样30个。取土方法为选取5 cm×5 cm×30 cm的垂直剖面，分别取0-5、5-10、10-20和20-30 cm四层土样，除去杂物装入有编号的盛土盒内，按层拌匀后各取300～500 g土样装入布袋，再经过自然风干、研磨和过筛等工序留存待测。

1.3分析方法

1.3.1营养成分含量的分级标准 根据全国第2次土壤普查土壤营养成分分级标准[15]进行分级(表1)。

表1 全国第2次土壤普查养分分级标准 Table 1 Second soil survey nutrients grading standards g·kg-1

1.3.2土壤变异性 按照变异系数的划分等级[16](弱变异性，CV<10%；中等变异性，10%≤CV≤100%；强变异性，CV>100%)。

1.3.3数据分析 采用主成分分析法[17-20]对各指标在各旗(县、市)进行综合评价，各指标间进行相关分析。

2 结果与分析

2.1锡林郭勒草原土壤营养成分整体分布 对比分析表1、表2可知，锡林郭勒草原土壤全氮含量为4级(缺乏)、全钾含量为2级(丰富)、全磷含量为5级(很缺乏)、有机质含量为3级(中等)。其中，草甸草原土壤全氮含量为3级(中等)、全磷含量为5级(很缺乏)、全钾和有机质含量为2级(丰富)；典型草原土壤全氮和有机质含量为3级(中等)、全磷含量为5级(很缺乏)、全钾含量为2级(丰富)；荒漠化草原土壤全氮和全磷含量为5级(很缺乏)、全钾含量为2级(丰富)、有机质含量为4级(缺乏)。

土壤的异质性是土壤特性在不同空间位置上存在明显差异的属性[21]。研究发现，锡林郭勒草原土壤有机质、全氮、全磷和全钾变异性依次减弱，变异系数分别为39.4%、35.2%、24.3%和12.5%。其中，草甸草原土壤有机质、全氮、全磷和全钾变异系数分别为21.1%、14.7%、12.4%和1.0%，典型草原分别为33.7%、29.6%、27.6%和15.4%，荒漠化草原分别为32.6%、31.6%、10.1%和10.2%。

2.2锡林郭勒草原土壤营养成分含量分布 各种土壤肥力质量有着性质上的差异和高低之分，因此如何科学、合理、实用地评价土壤肥力质量，为指导农业生产提供理论依据，显得尤为重要[22]。通过研究土壤营养成分在特定土壤中的空间分布情况，可为有效地分配和利用有限的土地资源提供参考。可以看出，锡林郭勒盟各旗(县、市)土壤全磷、全氮级别均相对较低，土壤有机质相对全氮总体表现为中等，土壤全钾较高，其中阿巴嘎旗、二连浩特市和苏尼特左旗为1级(表3)。

2.3土壤营养成分综合评价 土壤全量氮、磷、钾和有机质营养成分含量的高低反映了它们各自在土壤中的丰缺状况。某个单项指标不能完全反映一个地域养分的综合状况，所以对土壤营养成分综合评价十分必要。现采用主成分分析方法[17-19]综合量化各指标权重，以提高分析结果的客观性。第1、第2主成分的方差贡献率分别为70.84%、17.14%，累积贡献率达87.98%，代表了各供试样品87.98%的信息。所以，提取两个主成分可以基本反映全部指标的信息(表4)。全氮、有机质、全磷在第1主成分中基本反映了上述成分的信息；全钾在第2主成分上有较高的载荷，说明第2主成分反映了该成分的信息(表5)。

综合指标排名越靠前，综合养分也就越高。锡林郭勒草原土壤综合养分排名先后依次为草甸草原、典型草原和荒漠化草原。其中，锡林浩特市土壤综合营养成分最高，二连浩特市最低(表6)。

2.4土壤营养成分与降水量、牧草生长状况的关系

2.4.1土壤营养成分与降水量的关系 锡林郭勒盟土壤营养成分的全氮、有机质与年平均降水量呈现显著的正相关关系，全钾呈现显著的负相关关系(表7)。即年平均降水量越多，土壤的全氮、有机质含量越高，全钾含量越低，反之亦然。锡林郭勒盟年降水量等值线呈现由东南向西北依次递减的趋势，这与其土壤综合养分变化依草原类型呈现由东南向西北递减趋势相一致。

2.4.2土壤营养成分与牧草生长状况的关系 锡林郭勒盟土壤营养成分的全氮与牧草高度、覆盖度、优良牧草比例呈显著正相关；全磷与优良牧草比例呈显著正相关；全钾虽与各牧草生长指标呈现一定负相关，但对土壤全钾含量影响不大；有机质与各牧草生长指标呈显著正相关。即土壤营养成分的有机质含量受植被的影响最大，其次是全氮，全磷最小(表7)。说明植被生长状况越好，土壤营养成分总体就越高，反之亦然。

表2 各旗(县、市)土壤营养成分均Table 2 Soil nutrients of experimental counties in Xilin Gol g·kg-1

表3 各旗(县、市)土壤营养成分级别Table 3 Soil nutrients level of experimental sites

表4 总方差解释表Table 4 Total variance explained

表5 主成分载荷阵Table 5 Component matrixa

锡林郭勒盟草原牧草生长状况为草甸草原>典型草原>荒漠化草原(表8)。由此可见，锡林郭勒盟土壤营养成分总体变化趋势与牧草生长状况所呈现的由东南向西北依次递减的趋势相一致。综上所述，锡林郭勒盟土壤营养成分的积累和空间分布受降水量分布、植被生长状况等因素的影响。

3 讨论

土壤是一个由生物及非生物组成的复杂综合体，有集散、转化、传递物质和能量的作用。土壤养分状况优劣是土壤物理、化学、生物等因素耦合的结果，可以表明土壤从环境条件和营养条件两方面供应和协调作物生长发育的能力[23]。通过对锡林郭勒草原土壤营养成分研究，探明其土壤肥力条件和养分的空间分布，为退化、沙化草地人工恢复和合理利用草地资源提供依据。

表6 土壤营养成分综合主成分值及排名Table 6 Soil nutrients principal component values and ranking

表7 土壤营养成分与降水量和牧草生长状况的相关系数Table 7 Correlation coefficient between soil nutrients and grass growth, precipitation

表8 锡林郭勒盟不同草地类型牧草生长状况 Table 8 Forage grass growth conditions of different grassland types in Xilin Gol

锡林郭勒草原土壤营养成分总体处于中等水平，土壤综合养分变化依草原类型呈东南向西北递减趋势。说明土壤营养成分的积累和空间分布受降水量分布[24]、植被生长状况等因素影响。这与朱立博等[25]得出的土壤养分含量与植被水平相互关联，植被类型的土壤养分特征与植被特征存在明显的正相关关系，总体趋势为植被水平高其土壤养分含量也较高，不同养分对植被水平差异的响应灵敏度不同的结论相吻合。因此，土壤养分的空间分布状况是土壤、植被和周围环境共同作用的结果[26]。

由于形成土壤因素的相互影响，土壤综合体不同位置的属性相互作用产生依赖，导致土壤的物理和化学性质具有一定的空间结构性[1]。研究土壤养分的变异特征，不仅可以反映植被对土壤养分的影响状况，同时可为植被的环境评价提供依据[26]。研究发现，锡林郭勒草原变异性除全钾呈弱变异外，其余均为中等变异；在主成分分析过程中，同一草原类型土壤肥力排名存在很大的差异。

锡林郭勒草原土壤主要营养成分含量除全磷很缺乏外，其余均在中等水平以上。土壤全氮、全磷、全钾和有机质是土壤的主要成分，是确定土壤养分状况的主要因子，可为植物提供大量有效养分。氮可提高植物生物量、改善营养价值，增加种子蛋白质含量，提高植物的营养价值；磷可增加植物产量和改善品质，加速植物分集和促进籽粒饱满，提高结籽率；钾可提高植物品质和抗逆性；有机质有助于提高土温、增强保水保肥性和缓冲性、改良土壤物理性状。

4 结论

锡林郭勒草原土壤营养成分总体处于中等水平，呈现由东南向西北递减趋势。土壤主要养分全氮含量缺乏、全钾含量丰富、有机质含量中等、全磷含量很缺乏；土壤有机质、全氮、全磷、全钾变异性依次减弱；土壤综合养分排名先后依次为草甸草原、典型草原和荒漠化草原。其中，锡林浩特市土壤综合营养成分最高，二连浩特市最低，其余旗(县、市)处于两者之间。

由于锡林郭勒草原地域广阔，草地类型多样，土壤样本采集有一定的局限性，文中涉及的土壤营养成分是否具有普遍性还有待于进一步深入研究。

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