不同类型草原生态系统土壤物理性状

部 卫 平

(辽宁省建平县草原工作站, 辽宁 建平 122400)

土壤是陆地生物生活的基质,是生态系统中生物部分与无机环境相互作用的产物,是物质与能量交换的重要场所,它提供生物生活所必需的矿物质和水分.植物根系与土壤之间发生着频繁的物质交换,彼此受到强烈影响,因此土壤是一个重要的生态因子.在一个地区的自然环境中,植物-动物-微生物-土壤作为一个生态系,就是地区生态系统中的一个极为重要的组成部分.一个地区的土壤状况与构成这一地区的生态系统的各个因素相互联系、相互制约,彼此之间有着调节平衡的关系.土壤的物理性状与维持土壤肥力有非常重要的关系,并会间接影响生态系统的碳循环、初级生产力以及生态系统功能[1-2].

草地生态系统是陆地生态系统的重要组成部分,我国现有不同类型草地面积约4亿公顷,占世界草原总面积的20%以上[3],占我国陆地总面积的40%以上[4].随着全球变化研究的深入,科学工作者在松嫩平原、典型草原等地陆续开展了大量研究工作[5-10].在我国北方草地分布的主要草原类型有草甸草原(CD)、典型草原(DD)和荒漠草原(HD).草甸草原、典型草原、荒漠草原在温带地区从东向西依次分布,所处的地理环境、地理位置不太相同,各地土壤和气候条件各不相同,水分、温度、光照等条件依次产生梯度变化,形成了一条气候和土壤连续变化的梯度样带.本研究以不同地理位置草地生态系统作为替代实验系统,以生态系统中土壤为研究对象,开展我国北方草地土壤物理性状的研究,揭示不同生态系统土壤条件差异及其原因,为我国草原适应全球环境变化提供更多的理论基础和依据,为合理利用资源和科学管理生态系统提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 样地概况

本实验分别在吉林省长岭县东北师范大学草地生态系统研究站(草甸生态系统)、内蒙古太仆寺旗北京师范大学防沙治沙实验基地(典型草原生态系统)、内蒙古苏尼特右旗草原(荒漠草原生态系统)进行.3个草地生态系统地理位置、土壤、30年平均气候等基本情况见表1.

表1 不同草地生态系统地理情况Table 1 Geographical situation of three grassland ecosystems

1.2 土壤特性测定

5月中旬,在各生态系统土壤表层0～10 cm,利用环刀法测定容重、孔隙度,采集一定量表层土壤样品带回实验室,分析土壤颗粒组成,重复五次.土壤容量和孔隙率的计算如下:

式中,W为土壤烘干重/g;M为土壤容量/(g·cm-3);V为环刀体积/cm3;H为孔隙率/%;ρ为土壤密度/(g·cm-3).

1.3 统计分析

采用SPSS 10.0统计软件进行实验数据的统计分析.对所有数据统计平均值、标准误差.对三种类型草原的各种土壤指标作方差分析.图表采用EXCEL 2003软件绘制.

2 结果与分析

2.1 土壤容量

土壤容量是指单位容积土壤的质量,可以反映土壤的松紧度,进而反映土壤的熟化程度和结构性.由表2可见,草甸草原土壤容量最小,小于典型草原土壤容量(0.078 6 g·cm-3),小于荒漠草原土壤容量(0.302 2 g·cm-3).砂土孔隙粗大,但数目较小,总的孔隙容积较小,土壤容量较大,相反黏土的孔隙容积较大,土壤容量较小.方差分析表明,三种类型草原表层土壤容量之间差异极显著(F=43.606,P=0.001).

表2 三种类型草原土壤类型及表层土壤容量和孔隙率(M±SD)Table2 Soil type, soil capacity and porosity of three steppess

2.2 土壤孔隙率

土壤孔隙率是指土壤中孔隙的容积占整个土壤容积的百分比,在一定程度上反映了土壤结构性,对土壤保水、导水、通气以及土壤肥力有一定影响,也在一定程度上对植物生长产生影响.土壤的孔隙度与容重呈反相关系,草甸草原土壤孔隙率最大,大于典型草原土壤的孔隙率2.661%,小于荒漠草原土壤孔隙率4.507%.方差分析表明,三种类型草原表层土壤孔隙率之间差异极显著(F=41.315,P=0.001).

2.3 土壤颗粒组成

土壤的固体部分为土粒,由于土粒大小不一、粗细不同,国际上将土粒大小分为4级来具体分析土壤物理组成和颗粒组成.砂砾是风化的碎石,形状不一,无可塑性和黏合力,其粒径较大,与外界接触面小,有效养料贫乏,但粒间空隙大,容易透水,通气良好.相反,黏粒细小,表面吸附性强,粒间空隙小,本身含养料丰富,而且能吸附养料.粉粒是介于砂粒与黏粒之间的颗粒,是土壤养料的潜在供应体.对土壤颗粒的分析可以更好的理解土壤因子对植物生长的影响.由图1可知,荒漠草原土壤砂粒含量最大,大于典型草原土壤(0.755%),大于草甸草原土壤(8.749%).草甸草原土壤黏粒含量最大,是荒漠草原和典型草原的2.444倍和3.242倍.而对于粉粒来说,典型草原土壤粉粒含量最大,荒漠草原最小.方差分析表明,三种类型草原0～15 cm土壤黏粒含量之间差异极显著(F=71.646,P=0.001),土壤粗砂粒、细沙粒、粉粒之间差异均不显著(F=2.538,P=0.159;F=0.675,P=0.544;F=1.782,P=0.247).

图1 三种类型草原土壤颗粒组成Fig.1 Soil grain composition of three steppes

3 结 论

中国草原区域是欧亚大草原的重要组成部分,连续分布在东北松嫩平原、内蒙古高原、黄土高原以及青藏高原的南缘,温带草原是中国草原的主体类型.从东南向西北依次出现草甸草原、典型草原、荒漠草原及青藏高原的高寒草原等几类植被类型.本实验主要在我国东北的草甸草原、典型草原、荒漠草原开展.三种类型草原从东向西依次分布,所处的地理环境、地理位置不尽相同,导致当地气候条件各不相同.在长期不同气候条件影响下,各个草原分别发育出不同类型、不同特性的土壤,并且三种类型草原土壤容重、土壤孔隙度、土壤黏粒含量均产生显著或极显著差异,形成各自适合的土壤类型.

参考文献:

[ 1 ]Hättenschwiler S, Bretscher D. Isopod Effects on Decomposition of Litter Produced under Elevated CO2, N Deposition and Different Soil Types[J]. Global Change Biology, 2001,7(5):565-579.

[ 2 ]Moore J C, Berlow E L, Coleman D C, et al. Detritus, Trophic Dynamics and Biodiversity[J]. Ecology Letters, 2004,7(7):584-600.

[ 3 ]Scurlock J M O, Hall D O. The Global Carbon Sink: A Grassland Perspective[J]. Global Change Biology, 1998,4(2):229-233.

[ 4 ]徐柱. 面向21世纪的中国草地资源[J]. 中国草地, 1998(5):1-8.

(Xu Zhu. Go Forward the 21st Century’s Chinese Grassland Resources[J]. Grassland of China, 1998(5):1-8.)

[ 5 ]Piao S, Fang J, Ciais P, et al. The Carbon Balance of Terrestrial Ecosystems in China[J]. Nature, 2009,458(7241):1009-1013.

[ 6 ]Liu P, Huang J, Han X, et al. Differential Responses of Litter Decomposition to Increased Soil Nutrients and Water between Two Contrasting Grassland Plant Species of Inner Mongolia, China[J]. Applied Soil Ecology, 2006,34(2):266-275.

[ 7 ]祝廷成. 羊草生物生态学[M]. 长春: 吉林科学技术出版社, 2004:539-542.

(Zhu Tingcheng. The Biological Ecology ofLeymuschinensis[M]. Changchun: Jilin Science and Technology Press, 2004:539-542.)

[ 8 ]周道玮,周以良. 羊草草甸草原火烧地凋落物的分解与积累速率变化[J]. 草业学报, 1993,2(4):51-54.

(Zhou Daowei, Zhou Yiliang. Fire Effects on Decomposition and Accumulation of Litter inAneurolepidiumchinenseSteppe[J]. Acta Prataculturae Sinica, 1993,2(4):51-54.)

[ 9 ]卫智军,乌日图,达布希拉图,等. 荒漠草原不同放牧制度对土壤理化性质的影响[J]. 中国草地, 2005,27(5):6-10.

(Wei Zhijun, Wu Ritu, Dabu Xilatu, et al. The Influence of Different Grazing Systems on Soil Physical and Chemical Properties in Desert Steppe[J]. Grassland of China, 2005,27(5):6-10.)

[10]王娓,郭继勋. 松嫩草原碱茅群落环境因素与凋落物分解季节动态[J]. 应用生态学报, 2001,12(6):841-844.

(Wang Wei, Guo Jixun. Seasonal Dynamics of Environmental Factors and Decomposition Rate of Litter in Puccinellia tenuiflora Community of Songnen Grassland of China[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2001,12(6):841-844.)