退化高寒草甸土壤有机碳分布特征及与土壤理化性质的关系

曹丽花，刘合满，赵世伟

(1.西藏农牧学院资源与环境系，西藏 林芝 860000；2.西北农林科技大学黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，陕西 杨凌 712100)

草地生态系统是分布面积最广的陆地生态系统之一，其面积占全球陆地面积的1/2，在全球陆地碳循环中起着极为重要的作用[1]。草地退化是指在不利因素影响下，草地生态功能减退、生产能力下降、经济价值降低的过程[2]。

西藏有8 206.7万hm2不同类型的草地，草地总面积占全国的33.2%，其分布特点是，全区78.4%的草地分布于高海拔的藏西北广大地区，该区域又是荒漠或半荒漠、沙化、退化草地所占比例较大的区域[3]。且有研究表明[4]，1990-2005年，西藏草地退化面积每年以5%～10%的速度扩大。据调查：当雄县退化草地面积为4.978万hm2，占天然草地总面积的7.2%，其中轻度退化草地面积为3.616 hm2，占退化草地面积的72.63%；重度退化面积为1.362万hm2，占退化草地面积的27.37%[5]。草地退化造成地上生物量下降，减少了有机碳输入量；部分高寒草甸甚至沙化，使有机碳输出量增多，最终使土壤有机碳含量降低。

在全球气候变暖和地方经济发展对草原的过度依赖背景下，草原退化将会进一步加剧。草地退化不但对草原的可持续利用形成了很大的威胁，而且对区域气候和生态的健康发展也产生了不利的影响。近年来，虽然对青藏高原草原生态系统的碳循环问题有一些相关文献报道[6-8]，但基础资料仍十分缺乏。本研究对拉萨当雄县不同退化草甸土壤有机碳及养分相关性进行研究，以期揭示高寒草甸土壤退化过程中有机碳及相关养分和环境的变化特点，并为高寒草甸生态系统的退化程度诊断及其恢复治理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1研究区域概况 西藏当雄县地处藏北高原，是拉萨市牧业重点县，畜牧业是全县国民经济的支柱产业。平均海拔4 200 m以上，地貌类型为高原山地。当雄县气候的主要特点是：冬季寒冷、干燥，夏季温暖湿润，雨热同期，干湿季分明，天气变化大。年均温1.3 ℃，年均降水量456.8 mm，年均蒸发量1 725.7 mm，年均日照时数2 880.9 h，年均太阳辐射总量786.5 kJ/cm2，≥0 ℃年积温1 800 ℃·d，无霜期仅62 d，牧草生长期90～120 d。地表温度平均为5.9 ℃，11月-翌年3月为土地冻结期，全年八级以上风力天数平均达17.8 d，多发生在12月-翌年3月。大雪、冰雹、霜冻、干旱、大风等自然灾害频繁。

1.2样品采集 2010年4月于拉萨当雄县进行采样，其地理位置为30°29.926′ N，90°52.696′ E，海拔4 247 m，草甸优势种群为藏嵩草(Kobresiatibetica)，土壤类型为高寒草甸土。结合野外植被与土壤调查，按照张金屯[9]草地退化程度的划分标准(表1)，在样区内分别选择正常草甸、轻度退化草甸和严重退化草甸3种草甸类型，每种退化类型分别选择3个样点，分别采集0～10、10～20 cm土层的混合土壤样品和环刀土，土壤样品自然风干，分别过0.25和1 mm筛孔以供测定。

表1 不同退化程度草地植被覆盖度及土壤状况

1.3测定项目与方法 土壤活性有机碳用KMnO4氧化法测定，其操作步骤为：称取2.5 g土壤样品于100 mL塑料离心管中，加入25 mL浓度为333 mmol/L的KMnO4溶液，震荡1 h，然后在转速4 000 r/min下离心5 min，将其上清液用去离子水以1∶250液稀释后，在565 nm下测定吸光度，通过其与不加土壤的空白吸光度之差，计算出KMnO4浓度的变化，并进而计算出氧化的碳量[10-11]。

土壤有机质用重铬酸钾外加热法；土壤pH值采用水土比2.5∶1.0酸度计法测定；土壤碱解氮用碱解扩散法测定；速效磷用NaHCO3提取，分光光度计测定；速效钾用1 mol/L醋酸铵提取，火焰光度计测定；土壤容重用环刀法；土壤含水量用烘干法测定[12]。

1.4数据处理 采用Excel进行数据处理，利用DPS进行显著性分析和通径分析。

2 结果与分析

2.1高寒草甸土壤有机碳及其密度变化 在0～10和10～20 cm土壤层中高寒草甸土壤有机碳含量和有机碳密度的分布特点均表现为：正常草甸>轻度退化草甸>严重退化草甸，且0～10 cm土层中有机碳含量和有机碳密度均高于相对应的10～20 cm土层(图1)。其原因是草地退化后，地上生物量降低了，从而也减少了有机碳的输入量。在0～10 cm土层中，土壤正常状态下有机碳的含量达到55.98 g/kg，比轻度退化和严重退化草甸土壤有机碳分别高出37.93%和368.2%；10～20 cm土层中，正常状态下土壤有机碳含量比轻度退化和严重退化土壤有机碳分别高出6.36%和273.51%。对于0～10 cm土层土壤有机碳密度而言，正常状态、轻度退化和严重退化条件下分别为526.67、466.07、179.90 kg/m2。

2.2土壤有机碳与其他养分间相关性分析 土壤有机质(主要指土壤碳素)是陆地生物圈生物地球化学循环的主要成分之一，是指示土壤健康的关键指标[13]。对土壤有机碳与其他养分进行相关性分析，结果表明，土壤有机碳与土壤活性有机碳、碱解氮、速效磷及速效钾之间存在正相关关系(图2)。

图1 不同退化程度高寒草甸土壤有机碳含量及有机碳密度

土壤有机碳与活性有机碳之间存在极显著的正相关关系(P<0.01)，其回归方程为y=0.074 3x-0.026 1，决定系数R2为0.913 9(图2A)。

草地生态系统中，有效性氮素是初级生产力首要的限制资源[14]，也是决定系统物种组成的主要因子[15]。有研究表明[16]，随着氮肥施用量的增加，退化草甸地上生物量显著增加。由图2B可知，土壤有机碳与土壤碱解氮呈极显著正相关关系(P<0.01)，土壤有机碳含量越高，土壤碱解氮含量也就越高。颜淑云等[17]研究也表明，高寒草地土壤全氮及无机氮与土壤有机碳之间呈极显著正相关关系。土壤速效磷与土壤有机碳的关系与碱解氮相同，也呈极显著正相关(P<0.01)(图2C)；土壤有机碳与速效钾呈显著正相关(P<0.05)，其回归方程为y=4.296 5x+71.667 0(R2=0.665 3)(图2D)。这表明土壤有机碳与土壤养分之间存在着密切的关系，土壤退化程度加重，将导致土壤养分含量降低。

2.3土壤有机碳与土壤容重、含水量相关性分析 土壤容重是土壤紧实度的指标之一，它与土壤的孔隙度和渗透率密切相关。土壤容重的大小主要受土壤有机质含量、土壤质地等因素的影响。土壤容重大，则土壤紧实，通透性差[18]。由图3A可见，正常与轻度退化草甸土壤0～10 cm土层土壤容重均小于10～20 cm土层，且随草甸土壤退化加剧，土壤容重呈增加趋势，这主要是由于土壤退化后，土壤植被减少，沙化加重而造成的。由图3B可知，随土壤退化程度加重，土壤含水量减少。这与蔡晓布和周进[19]的研究结果一致。

统计分析表明，土壤有机碳与土壤容重和土壤含水量之间的关系较为密切，土壤有机碳与土壤容重间的R2为0.773 5(y= -0.016 7x+1.553 1)，且呈显著负相关关系(P<0.05)；土壤有机碳与土壤含水量间R2为0.715 6(y=0.790 8x+5.424 5)，且呈显著正相关(P<0.05)。

2.4土壤有机碳与土壤理化性质通径分析 通径分析是通过对自变量和因变量之间的相关分解来研究因变量的相对重要性。将土壤有机碳与理化性质进行回归分析可得线性回归方程：y=-5.100 7+0.411 5x1+1.402 2x2-0.070 7x3-0.159 2x4，其中y为土壤有机碳，x1、x2、x3、x4分别为土壤碱解氮、速效磷、速效钾和含水量。通径分析结果显示，x1、x2、x3、x4与土壤有机碳y的通径系数分别为1.114 2、0.357 3、 -0.372 3和-0.170 3。这表明有机碳的变化对碱解氮的影响最大。

图2 土壤有机碳与其他养分的关系

图3 不同退化程度高寒草甸土壤容重及含水量变化

3 结论

在自然因素和人为因素的双重作用下，草地退化导致植被覆盖度降低，引起表层土壤<0.84 mm颗粒易受风、水侵蚀而减少[20]，土壤颗粒变粗[21]，地上及地下生物量降低[22]，导致土壤有机碳损失加重，有机碳含量减少。从本研究结果可以看出，随着土壤退化程度加剧，土壤有机碳含量呈递减趋势，在0～10 cm土层中，正常草甸土壤、轻度退化草甸土壤及严重退化草甸土壤其有机碳含量分别为55.982 1、40.586 7和11.957 g/kg，且表层土有机碳含量均高于其次层土壤的有机碳含量。

随着草地退化的加剧，土壤有机碳的损失愈加严重，必将对养分及其环境产生显著影响。土壤有机碳与其他养分之间存在着密切关系，土壤有机碳与土壤活性有机碳、碱解氮及速效磷之间呈极显著正相关关系(P<0.01)，与速效钾之间呈显著正相关关系(P<0.05)。其直线回归方程和决定系数与活性有机碳为y=0.074 3x-0.026 1，R2=0.913 9；与碱解氮为y=2.676 8x+14.425 0，R2=0.977 1；与速效磷为y=0.245 9x+3.347 9，R2=0.931 4；与速效钾为y=4.296 5x+ 71.667 0，R2=0.665 3。土壤有机碳与土壤物理性质间也存在十分密切的关系，土壤有机碳与土壤容重、土壤含水量的决定系数分别达到0.773 5和0.715 6(P<0.05)，回归方程分别为y=-0.016 7x+1.553 1和y=0.790 8x+5.424 5。通过土壤有机碳与理化性质的通径分析表明，土壤碱解氮对土壤有机碳变化的响应最显著。

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