玛曲高寒草地不同利用方式下土壤氮素含量特征

颜淑云,周志宇,秦彧,邹丽娜

(兰州大学草地农业科技学院,甘肃 兰州730020)

氮素是植物生长发育所需的大量营养元素之一,也是植物从土壤中吸收量最大的矿质元素,但也是包括草原生态系统在内的各种生态系统(森林、农田、荒漠、苔原等)生产力高低的主要限制因子[1,2]。草地是一个特殊的生态系统,其养分循环不同于森林等其他生态系统,家畜的采食、践踏和排泄等对土壤氮素的矿化都会产生很大影响。土地利用方式的变化一方面导致进入土壤中的肥料和植物残体的数量和性质各异,另一方面土壤水分管理、耕作方式等农艺措施的差异,影响土壤氮素的矿化、运输和植物的吸收与利用,因而造成土壤氮素的差异[3-5]。

由于氮在土壤中存在多种化学形态,不同形态氮的生物有效性不同,各氮素形态循环过程也存在差异,并在系统有效氮的供应中又起着各自不同的作用,因此,针对土壤中氮的不同形态进行定量研究,对揭示草地土壤氮素状况和土壤氮素循环特点具有重要意义。

国内外许多学者对不同土地利用方式下土壤碳氮特征进行了研究。Solomon等[6]研究证实农业土壤的全氮及有机质较原始林地均显著下降;Hajabbasi等[7]的研究也表明,与没有干扰的森林土壤相比,森林砍伐和随后的耕种使土壤全氮和有机质降低了50%;孙庚等[8]研究也发现,不同管理措施对土壤氮、碳库,氮转化速率和土壤呼吸有显著影响,围栏草地的全氮、有机质含量分别比天然放牧草地高58%和61%;常宗强等[9]研究分析了祁连山区草地不同放牧强度的土壤全氮量,发现轻度放牧地与中度及重度放牧地之间土壤全氮量均存在显著差异;孙启祥等[10]也证明了随着土地利用方式的改变,土壤氮、有机质含量有着较大差异。土地利用方式与土壤养分之间关系的研究己经形成了一个比较完整的体系,但不同利用方式下高寒草地土壤不同形态氮素的定量研究还未见报道。

本研究通过野外调查取样,对玛曲高寒草地不同利用方式下土壤各种形态氮素和有机碳含量的差异进行了分析研究,揭示了不同利用方式下土壤氮素含量的特征及利用方式对氮素利用的生态效应,探讨了造成土壤氮素含量变化的原因,对于揭示我国高寒地区土壤氮素对土地利用方式的响应特征和机制具有一定科学意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

玛曲县属甘肃省甘南州管辖的一个纯牧业县,位于黄河上游,甘肃省西南部,甘、青、川三省交界处,地理位置属青藏高原东端(33°06′30″～ 34°30′15″N,100°45′45″～ 102°29′00″E),海拔 3 300～ 4 806 m 。全县总面积 96.05万hm2,拥有天然草地85.87万hm2,占土地总面积的89.54%,可利用草地83.03万hm2,占草地总面积的96.7%。气候以高寒湿润气候为特征,年均气温1～2℃,≥10℃的活动积温253.6℃,平均风速7.5 m/s,最大风速36 m/s,全年大风日数77.1 d(8级以上),年日照平均2 583.9 h,年降水量615.5 mm,年蒸发量1 353.4 mm。植被类型属于川西藏东高原灌丛草甸区[11-13]。土壤为高山草甸土、褐钙土等。

1.2 研究方法

1.2.1 样地选择 为研究不同利用方式对玛曲高寒草地土壤氮素的影响,本研究选择了6种利用方式的草地。

1)围封5年的草地:该草地终年围封,没有参与草地畜牧业生产,产量为7 593.1 kg/hm2(干重,以下相同)。

2)轻度退化与人工修复草地:该草地为2006年围封的冬季牧场,面积为200 hm2,其中有部分草地因中华鼢鼠的危害,进行了人工补播修复。夏秋季进行封育保护,冬春季放牧家畜,产草量为1 419.8 kg/hm2。

3)中度退化草地:本草地属于典型的终年放牧后的中度退化草地,但中华鼢鼠尚未侵害,有少量的狼毒(Stellera chamaejasme)和橐吾(Ligularia virgaurea)有毒植物生长,植被覆盖度为90%以上,草地的优势植物发生了明显变化,为杂类型草地,产量为437.3 kg/hm2。

4)重度退化黑土滩型草地:由于草地过牧后严重退化,有毒植物大量滋生,鼠类活动频繁,形成大面积“黑土滩”而得名,鼠丘面积占草地面积的80%左右,产量为609.0 kg/hm2。

5)沙化草地:由于草地大面积沙化,只生长几种适生的沙生植物,产量为186.7 kg/hm2,植被覆盖度小于10%,地表无枯落物覆盖。

6)栽培的燕麦(Arrhenatherum elatius)草地:该草地开垦后一直种植燕麦,产量为24 961.3 kg/hm2,耕种时间为20年,从9月底作物收获至次年6月种植前地表一直处于裸露状况。

以上样地分别简称为,1:围育草地,2:修复草地,3:中度退化草地,4:黑土滩草地,5:沙化草地,6:燕麦地。各实验样地均采用全球定位系统(GPS-e T rex)定位(表1)。

表1 各样地基本情况Table 1 The basic condition of samples

1.2.2 土壤样品的采集 2007年10月初,在每个类型的样地选取平行的3条样线,每隔20 m设1条样线,每条样线长100 m,每隔10 m采1个样,取样深度为20 cm,土壤样品为30个重复,将土样装入自封袋,带回实验室分析。

1.2.3 土壤样品的分析 土壤样品风干处理后,过0.5 mm筛。全氮用凯氏消化法消化,用FIAstar 5000全自动流动注射仪(瑞典FOSS公司生产)测定;土壤铵态氮和硝态氮用2 mol/L KCl浸提,用FIAstar 5000全自动流动注射仪测定;土壤有机碳(SOC)采用重铬酸钾氧化-外加热法测定[14]。

1.2.4 数据处理 实验数据均采用SPSS进行统计分析,各样地间指标差异采用单因素方差分析(ANOVA)比较,采用相关分析确定全氮、无机氮、铵态氮、硝态氮以及有机碳间的关系。所有图表均使用 Excel软件进行绘制。

2 结果与分析

2.1 全氮及无机氮含量特征

图1为高寒草地不同利用方式下土壤中全氮含量变化。围育草地及修复草地全氮含量均显著高于其他样地(P<0.05),其值分别高达8.03和7.76 g/kg;开垦种植燕麦后,土壤全氮含量骤减,其值相对于围育草地及修复草地分别下降45.10%和43.20%,说明土地开垦利用后,土壤经过稳定而长期的耕作,土壤全氮含量下降。中度退化草地、黑土滩草地全氮含量差异不显著(P>0.05),但均显著小于围育草地及修复草地(P<0.05)。沙化草地全氮含量低至0.15 g/kg,仅为围育草地的1.91%。

土壤无机氮是指铵态氮和硝态氮的和,是植物能直接吸收利用的生物有效态氮。在6种土壤中,无机氮的变化趋势与全氮不同(图2)。修复草地无机氮含量为49.44 mg/kg,显著高于其他样地(P<0.05),围育草地、燕麦地和黑土滩草地无机氮含量分别为34.97,33.83和37.38 mg/kg,中度退化草地和沙化草地的无机氮含量则显著下降(P<0.05)。与其他样地相比,修复草地土壤中氮的可利用性更高。

图1 不同土地利用方式下土壤全氮含量Fig.1 Content of soil total nitrogen under different land use conditions

图2 不同土地利用方式下土壤无机氮含量Fig.2 Content of soil inorganic nitrogen under different land use conditions

2.2 铵态氮及硝态氮含量特征

图3为不同土地利用方式下土壤中铵态氮含量变化。修复草地土壤中的NH4+-N含量(42.71 mg/kg)显著高于其他样地(P<0.05),其他依次为黑土滩草地、围育草地、燕麦地、中度退化草地,沙化草地(2.91 mg/kg)最低,仅为修复草地的0.07%。

图4为不同土地利用方式下土壤中硝态氮含量变化。土壤中的NO3--N含量黑土滩草地(13.21 mg/kg)较高,燕麦地(12.09 mg/kg)和围育草地(11.74 mg/kg)次之,修复草地(6.73 mg/kg)和中度退化草地(3.82 mg/kg)较低,沙化草地最低,仅为1.10 mg/kg。

各种土地利用方式下土壤中的NH4+-N含量均明显大于NO3--N含量(图3,4),也就是说,在本研究的6种土地利用方式下的土壤中,NH4+-N是无机氮的主要存在形式。分析结果表明,修复草地的硝态氮在其无机氮中比例最小,燕麦地最高,这也反映了土壤氮的可利用性顺序。因为硝态氮极易淋失而造成氮的损失,无机氮含量高,硝态氮比例小,提高了氮的可利用性,减少了氮的损失。

2.3 土壤有机碳(SOC)

土壤有机碳是土壤肥力的重要组成部分,同时有机碳又是土壤氮库的重要来源。修复草地和围育草地有机碳含量显著高于燕麦地及不同退化程度草地(P<0.05),而且随着草地退化程度的加剧,有机碳含量显著降低,燕麦地同修复草地、围育草地及不同退化程度草地(沙化草地除外)相比有机碳含量最低,表明草地的开垦与退化使得土壤有机碳库明显变小(表2)。

图3 不同土地利用方式下土壤铵态氮含量Fig.3 Content of soil ammonium nitrogen under different land use conditions

图4 不同土地利用方式下土壤硝态氮含量Fig.4 Content of soil nitrate nitrogen under different land use conditions

表2 不同土地利用方式下土壤有机碳含量Table 2 Content of organic carbon under different land use conditions

图5 不同土地利用方式下土壤全氮、无机氮与有机碳的关系Fig.5 Correlation of soil total nitrogen,inorganic nitrogen and organic Cunder different land use conditions

2.4 土壤全氮、无机氮与有机碳关系以及铵态氮、硝态氮与全氮关系

对土壤全氮、无机氮、有机碳、铵态氮及硝态氮进行相关性分析。土壤有机碳与土壤全氮、无机氮关系的趋势模拟均呈线性关系(图5),对其拟合关系通过回归检验,有机碳与土壤全氮(t=12.929,P<0.01)、无机氮(t=9.280,P<0.01)拟合结果显著;土壤全氮与铵态氮、硝态氮关系的趋势模拟也均呈线性关系(图6),对其拟合关系通过回归检验,铵态氮与全氮(t=7.929,P<0.01)、硝态氮与全氮(t=6.054,P<0.01)拟合结果同样显著。

图6 不同土地利用方式下土壤全氮与铵态氮、硝态氮之间的关系Fig.6 Correlation of soil total nitrogen and ammonium nitrogen,nitrate nitrogen under different land use conditions

3 讨论

土壤氮素是植物吸收的大量元素之一,是土壤养分最重要的指标。不同土地利用方式下,土壤全氮、有效氮含量不同。土壤SOC是一种复杂的化合物,它包括植物、动物及微生物的遗体、排泄物、分泌物及其部分分解产物和土壤腐殖质。土壤养分有效性与土壤SOC含量具有密切联系,SOC不仅可以丰富土壤氮库,提高全氮含量,而且可以加速氮的矿化,提高土壤微生物转化有机氮的强度,从而提高土壤氮的有效性。植被的根系分泌物和残落物是土壤有机碳的主要来源[15]。围封使草原生物量增加,输入土壤的有机物质增多,同时土壤生态条件的改变促进了土壤有机质的形成,增加了土壤有机碳、氮的截存,有利于天然草地土壤有机碳、氮的恢复和提高[16]。本研究中围育草地土壤全氮及有机碳含量均显著高于其他草地,而燕麦地则显著低于其他草地(除沙化草地外)。这主要是由于围封草地植物根系和地上凋落物归还到土壤中的数量相对较高;另外修复草地放牧家畜排出的粪尿增加了土壤中易分解的有机物,也对土壤起到了一定的培肥作用;不同退化程度的草地地表裸露破碎,冬春季极易造成风蚀,使大量的有机碳随表层细颗粒的吹失而损失[17],而燕麦地某种程度上属于掠夺式的土地利用方式,虽有少量根系补充,但在长期耕作条件下,每年从9月底燕麦收获至次年6月种植前地表一直处于裸露状况,矿化速度加快,另外风化、风蚀等因素也加剧了土壤有机碳含量下降,从而导致土壤碳库由碳汇逆转为碳源[18]。

因为地上部分持续利用,土壤养分在不断消耗,加之牧草被采食后,养分被转移,而且草地被破坏,植物吸收的养分量减少,随水流失的可能性增大[19],中度退化草地土壤无机氮含量最低(除沙化草地外)。这意味着草地退化后,土壤中的有效性氮养分减少并表现为缺乏状态。黑土滩草地无机氮含量显著高于中度退化草地是因为其植被盖度较小,土壤直接接受太阳辐射,温度变化剧烈,土壤中有机态氮矿化速度加快[20,21]。

土壤中铵态氮和硝态氮是土壤速效氮的2种主要形式,它们一起被作为土壤营养诊断的氮素营养指标[22]。土壤中铵态氮和硝态氮的含量主要来源于土壤有机氮的氨化和硝化等由土壤微生物进行的矿化作用,因此其含量的高低受土壤有机质含量、微生物种类和土壤环境条件如土壤温度、湿度和盐碱度等的多重影响[23]。一般来说,在酸性的高山草甸土壤中,铵态氮含量高于硝态氮[24]。本实验中,不论是哪种土地利用方式,铵态氮含量均高于硝态氮,是无机氮的主要存在形式,这与沙丽清等[25]在西双版纳和Mo等[26]在我国鼎湖山的研究结果一致。在放牧条件下草原植物优先利用NO3--N,这也可以说明各种土地利用方式下土壤中的NH4+-N含量为何均显著大于NO3--N以及中度退化草地NO3--N为何显著低于围育草地的原因。

土壤中铵态氮含量的高低与土壤本身的通透性、质地等因素有关,特别是前者。在通气良好的条件下,土壤中的铵态氮在硝化细菌和亚硝化细菌的作用下,很容易转变为硝态氮。黑土滩草地,由于鼠类活动频繁,鼠丘面积占草地面积的80%左右,土壤本身的通透性好,故其硝态氮含量最高。终年放牧的中度退化草地其掠夺性的特殊利用方式更容易造成养分流失,其铵态氮、硝态氮和无机氮含量均显著低于除沙化草地外的其他草地。沙化草地由于其地表接近裸露,保水性能差,很容易受到淋溶,故其土壤的铵态氮含量、硝态氮含量及无机氮含量均显著低于其他土壤。

以上土壤养分的变化趋势,也可能与高原鼠类的活动密切相关。未退化草地几乎没有鼠类的活动,而随着草地退化程度的加重,鼠类大量入侵,特别是重度退化的黑土滩草地,鼠害最为严重,随着地下洞穴密度的增多,土壤变得疏松,土壤的侵蚀和矿化作用加强,所以黑土滩的土壤速效养分又有增加的趋势。

许多研究表明,各种土壤性质指标之间存在一定的相关性[27-29]。一般来说,草地的养分供给主要是依靠草地土壤有机物质的矿化作用[30],土壤有机质与其他土壤养分指标之间均存在一定的相关性,尤其是与全氮、无机氮呈显著的正相关关系,是土壤质量状况的重要指标。土壤全氮及无机氮与有机碳之间呈显著正相关(P<0.01),说明土壤有机质含量降低是引起土壤氮肥力下降的主要因素,提高土壤有机质含量将有利于维持和提高土壤氮肥力。修复草地和围育草地有机碳含量显著高于燕麦地及不同退化程度草地(P<0.05),说明季节性休牧和围栏育草,既可以有效利用草地资源,又有利于土壤养分的积累,是值得采取的土地利用和管理措施。

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