甘南高寒草甸草原不同海拔土壤理化性质分析

2014-09-11刘月华位晓婷钟梦莹武瑞鑫邵新庆

草原与草坪 2014年3期

刘月华，位晓婷，钟梦莹，武瑞鑫,2，潘多，邵新庆

(1.中国农业大学动物科技学院草地研究所，北京 100193； 2.甘肃农业大学草业学院/草业生态系统教育部重点实验室/甘肃省草业工程实验室/中-美草地畜牧业可持续发展研究中心，甘肃兰州 730070)

土壤不仅为动物及微生物提供了赖以生存的栖息场所，也为植物提供必需的营养和水分，是各种物质能量转化的场所[1]。海拔作为间接生态因子对土壤的理化性质有一定的影响，王长庭等[2]对青海省果洛州玛沁县高寒草甸6个不同海拔梯度上土壤养分变化规律进行了研究，结果表明，土壤有机质、全氮、有效氮、全磷含量在海拔3 840和4 435 m处较高，中间梯度较低。傅华等[3]对贺兰山西坡草地的研究发现，土壤全氮含量随海拔的降低而逐渐降低，而在典型草原沿土壤垂直剖面依次降低。Garcia-Pausa J[4]在比利牛斯山高山草原和亚高山草原的研究报道，土壤有机碳储量与土壤深度和海拔呈显著负相关。田种存等[5]研究高山草原不同海拔高度土壤养分的变化趋势，得出随海拔的升高，高山草原土壤有机质、全氮和全磷含量逐渐减少，pH逐渐增加；土壤有效养分受海拔高度影响较大，其变化幅度明显高于全量养分。可见不同海拔的土壤空间特征，因研究的地理位置和气候条件不同，结果不尽相同。这对于正确理解土壤养分在不同海拔的分布规律带来一定困难。高寒草甸是甘肃甘南地区的主要生态系统，但对于该区域土壤理化性质在不同海拔梯度上的分异仍不够清晰。以甘南桑科高寒草甸为对象，分析不同海拔高度、不同土层土壤理化性质的变化，特别是衡量土壤肥力和盐碱化程度的含水量、pH、电导率、全氮、有机质的变化规律，探究土壤性质与海拔高度之间的相关性。从而为研究土壤在海拔梯度上的空间异质性变化提供基础资料。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

试验地位于甘肃省甘南藏族自治州桑科草原，地处青藏高原东北缘，平均海拔3 000 m以上，气候为高寒湿润类型，年均气温2.6 ℃，最高气温28.9 ℃，最低气温-24.6 ℃。年均降水量516 mm，降水量集中在7～8月。年均无霜期56 d。土壤类型为亚高山草甸土，植被类型为典型的高寒草甸植被[6]，主要优势物种有夏河嵩草(Kobresiasquamaeformis)、甘肃苔草(Carexkansuensis)、垂穗披碱草(Elymusnutans)和早熟禾(Poaannua)等。

1.2 研究方法

1.2.1样点设置试验于2012年6月在甘肃夏河草甸草原进行，以桑科乡政府所处草地为基点，从河谷沿山体每隔100 m设1个海拔梯度，共设6个海拔梯度(表1)。对不同海拔梯度的气温和相对湿度进行监测，气温在11～19 ℃，空气相对湿度均在55%以上。

表1 样地基本概况

1.2.2 土壤采样与分析每个海拔样地随机设3个重复样方，用土钻在每个样方随机打10钻，分层采集0～10，10～20，20～30 cm土样，将10钻同层土壤混合，土壤样品经自然风干和过2 mm筛后，进行试验分析。土壤含水量的测定采用烘干(100～105 ℃)称重法[7]；土壤pH值采用电位法(GB7859-87)测定[8]；土壤电导率(EC)采用土水比1∶5浸提，DDS-309电导率仪测定[9]；全氮含量的测定采用凯氏定氮法[10]；重铬酸钾容量法测定土壤样品中的有机质[11]。

1.2.3 数据处理用Excel进行数据整理，采用SPSS 17.0中one-way ANOVA法对试验数据进行单因素方差分析比较，差异显著性用Duncan法进行多重比较，用Sigmaplot 10.0回归分析并作图。

2 结果与分析

结果表明，不同土层深度土壤pH在不同海拔梯度的变异系数较小(CV<20)，而土壤含水量、电导率、全氮含量、有机质含量的变异系数较大(CV>20)，表明不同海拔土壤理化性质存在一定的差异(表2)。通过对各理化指标在不同土层间的显著性分析，pH在各层间差异不显著，含水量相邻两层差异不显著，电导率、全氮含量、有机质含量均为0～10 cm土层与10～20、20～30 cm差异显著(P<0.05)，但10～20和20～30 cm土层差异不显著(P<0.05)。

表2 不同海拔梯度土壤理化特征

注：变异系数(CV)=100%×(标准差/均值)；同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)

2.1 土壤含水量

土壤含水量随着海拔升高而升高，变化范围在14.95%～47.73%(图1)。经回归分析得出，各土层含水量均与海拔梯度呈显著相关(P<0.01)(表3)。含水量呈现随土层深度的增加而降低的规律，在0～10，10～20和20～30 cm土层含水量分别为32.67%，27.81%和24.68%。

图1 不同海拔不同土层的土壤含水量

2.2 土壤pH和电导率

研究区高寒草甸草原不同海拔的土壤pH在6.08～7.29(表2)，在3 064～3 489 m海拔，pH随海拔的升高而降低，3 489～3 800 m海拔，pH缓慢升高(图2)；经回归分析和统计学检验，pH与海拔梯度呈极显著相关(P<0.001)(表3)。表明海拔梯度的变化对土壤pH解释程度强。该试验地土壤电导率在6个海拔梯度间为10.30～156.3 μs/cm，变化幅度较大，不同海拔之间变异系数分别为27.96(0～10 cm)、44.60(10～20 cm)、39.39(10～20 cm)。电导率且呈现随海拔梯度先降低后升高的趋势。对同一土层的海拔梯度回归分析，结果表明，0～10 cm土层土壤电导率与海拔梯度不相关(P>0.05)，而10～20、20～30 cm土层，电导率随海拔升高而降低，其土壤电导率均与海拔显著相关(P<0.05)。

同一海拔，pH和电导率均随着土层深度的增加而增加，但pH在各层间差异不显著(P<0.05)，电导率则在0～10 cm土层与10～20、20～30 cm土层间差异显著(P<0.05)，10～20与20～30 cm差异不显著(P<0.05)(表2)，说明随着土壤深度的增加，pH和电导率变化减慢，由此可见，土壤离子随着深度的增加而减少。

2.3 土壤全氮和有机质含量

0～10 cm土层全氮含量随海拔上升而增加，而10～20、20～30 cm土层，随海拔上升氮含量平缓降低，海拔3 489～3 700 m处又稍有增加。回归分析得出(表3)，0～10 cm表土层全氮含量与海拔极显著相关(P<0.001)，10～20、20～30 cm土层土壤全氮含量与海拔显著相关(P<0.05)。该地区有机质含量在6个海拔梯度间的变化为22.37～170.19 g/kg(表2)。有机质含量随海拔的上升呈现出增加趋势。但是不同土层的增幅还是有差异，0～10 cm土层有机质含量变化显著，而10～20、20～30 cm土层有机质含量随海拔上升而呈现平缓增加(图3)。经相关与回归分析，3个土层有机质含量均与海拔呈极显著相关(P<0.001)(表3)。

表3 不同土层的理化性质与海拔的回归分析

图2 不同海拔不同土层的pH值和电导率Fig.2 The pH values and conductivity in different soil layers of different altitudes

试验地土壤中的全氮和有机质，随土层加深含量越低。不同土层有机质含量分别为83.934，48.374和37.14 g/kg，呈现下降趋势。对土层间的全氮和有机质含量进行方差分析，得出0～10 cm土层与10～20、20～30 cm土层差异显著(P<0.05)(表2)。

图3 不同海拔不同土层的全氮和有机质含量

3 讨论

土壤作为植物生存的载体，理化性质在空间和时间上呈现异质性分布[12]。研究证明，除0～10 cm土层电导率之外，甘南高寒草甸草原的土壤含水量、pH值、电导率、全氮含量、有机质含量均与海拔呈现显著的相关性。

土壤含水量随海拔升高而升高，这主要与当地的气候环境有关，海拔升高，气温下降，空气湿度增加，造成土壤蒸发量下降，含水量升高(表1)。曹丽花等[13]的研究结果表明，正常草甸和轻度退化草甸土壤含水量为0～10 cm>10～20 cm，此次试验研究结果与其一致。高寒草甸土壤含水量随土层深度的增加而减少，是因为该地区水热同季[14]，正常草甸和轻度退化草甸土壤在0～10 cm表层草甸植物密生，覆盖度较高，根系较为集中，使表土层水分渗透能力较低，而向下层10～20 cm运移的水分较少，20～30 cm土层根系更少，运移的水分也更少，且表层由于草甸植被的覆盖作用，使水分蒸发少[13]，也有研究指出，家畜对土壤的践踏，可使0～10 cm土壤颗粒间隙较小，通气透水性变差，降水多集中于土壤表层而不能向下渗透[15]。故表现为0～10 cm土壤含水量较10～20 cm土层含水量高。

土壤酸性的强弱与残落物分解和降水量有密切的关系[16]。研究中，pH呈现先降低后缓慢增加的趋势，这与王瑞永等[17]、党坤良[18]的研究结果相反，他们报道海拔越高，土壤pH先升高后降低。这是研究的地理位置、海拔高度不同引起的差异。由于桑科高寒草甸构成植被的植物中间产物成分增多，加剧酸性淋溶过程，pH逐渐降低[19]。但是在海拔3 489 m之后，pH又上升，可能是由于海拔升高，温度下降，有机矿化速度较慢，pH有所提高。而且土层越深，土壤酸度越大。是由于大量的枯枝落叶覆盖在土壤表层和降水引起盐基离子的下移，且表层土壤枯枝落叶层有机质的分解过程中产生的中间产物单宁有机酸多，致使土壤pH均有所下降；又由于采样时间是在6月初，此时是高寒草甸的暖季，降水较多，土壤剖面中的水分还较丰富，盐基离子的移动处于向下淋洗的过程，造成了随土层深度的增加酸性降低。但土壤 pH下降程度的差异主要是由不同海拔高度接受降水量的大小和有机质含量、土壤母质类型等因子造成。土壤电导率可作为土壤盐碱度的一个综合性参考指标[20]，在一定浓度范围内，水溶性含盐量与电导率成正相关[21]。0～10 cm土层土壤电导率随海拔梯度先降低后升高，且0～10 cm土层电导率均明显高于10～20、20～30 cm土层。根据杨帆等[22]的研究结果，土壤盐渍化程度严重的地方土壤表层积盐多于下层土壤积盐。表明该地草原出现退化，土壤盐类离子浓度升高，盐渍化程度加重。在10～20、20～30 cm处，海拔越高，电导率显著降低。其中，20～30 cm土层的电导率在海拔3 489 cm之后趋于平缓。结合该地pH和含水量变化规律，海拔越高，土壤含水量越高，盐类离子浓度下降，这可能是造成电导率降低的原因之一。

0～10 cm表土层全氮量随海拔上升而迅速增加，土壤氮含量随土壤剖面深度增加而逐渐变小，其原因是因为表层土壤好气性微生物活动强烈，从而使表层土壤氮含量变化较大[23]。而10～20、20～30 cm土层，呈现先缓慢降低后平缓增加的现象，可能与不同海拔高度草地凋落物种类与数量以及草地温湿度有关[24]。人类活动干扰对高寒草甸植被盖度具有显著影响[25]，桑科草原的牧户多住在3 064～3 489 m的较低海拔处，人为影响因素较多，放牧强度较高海拔处大，且多有鼠害，使得这些地方的草地生物量较少。由此也说明了该地区已出现退化现象。研究区内土壤有机碳和全氮含量相对较高，这与柳领君[15]的研究结果一致，原因是研究区属于天然高山草甸，受农业活动影响较小，高山草甸根系茂密发达，植物残体的归还量大，并且研究区内全年的气温较低、土壤含水量大，土壤有机质分解较慢、积累量大，土壤的腐殖质层较厚等[26]。且总体呈随海拔升高而有机质含量增加的趋势，这与刘伟等[27]的研究结果一致，而王琼芳等[28]结果表明，土壤有机碳含量与海拔呈负相关，所以有待更多的研究来验证海拔对土壤碳含量的影响。表层土有机质主要受气候、植被类型以及人为活动的影响。高海拔处人为活动较少，放牧程度低，植被盖度高，土壤含水量较高，故土壤碳蓄积量较深层土高。李亚娟等[29]对不同草地分层取样分析结果也表明随土壤深度的增加有机碳含量均呈下降趋势。

4 结论

综上所述，除0～10 cm土层电导率之外，土壤含水量、pH、电导率、全氮、有机质均与海拔呈显著的相关性。土壤含水量、有机质含量均随海拔升高逐渐增加，pH呈先降低后升高的趋势，土壤表层全氮含量随海拔升高而显著增加，在10～30 cm先缓慢下降后平缓上升。因此，对于该区域高寒草甸草原应考虑到不同海拔土壤理化性质及状况的差异，而采取相应的管理和利用模式。

参考文献:

[1] 田宏,张德罡.影响牧草植物量形成的因素[J].草原与草坪,2003(3):15-22.

[2] 王长庭,龙瑞军,王启基,等.高寒草甸不同海拔梯度土壤有机质氮的分布和生产力变化及其与环境因子的关系[J].草业学报,2005,14(4):15-20.

[3] 傅华,裴世芳,张洪荣.贺兰山西坡不同海拔梯度草地土壤氮特征[J].草业学报,2005,14(6):50-56.

[4] Jordi Garcia-Pausas.Soil organic carbon storage in mountain grasslands of the Pyrenees:effects of climate and topography[J].Biogeochemistry,2007,82:279-289.

[5] 田种存,高旭生,陈玉福,等.不同海拔下高山草原土土壤养分变化初探[J].青海农林科技,2006(3):66,69-70.

[6] 陈灵芝,王祖望.人类活动对生态系统多样性的影响[M].杭州:浙江科学技术出版社,1999:266-286.

[7] 李晓佳.大青山南北坡不同海拔高度表土理化性质研究[D].呼和浩特:内蒙古师范大学,2008.

[8] 张巧明,王得祥,龚明贵,等.秦岭火地塘林区不同海拔森林土壤理化性质[J].水土保持学报,2011,25(5):69-73.

[9] 中国科学院南京土壤研究所.土壤理化分析[M].上海:上海科学技术出版社,1978：200-208.

[10] 白金峰,胡外英,张琴,等.半微量凯氏法测定土壤全氮量的不确定度评定[J].岩矿测试,2007,26(1):14-17.

[11] 鲍士旦.土壤农化分析[M].北京:中国农业出版社,2010:30-35.

[12] Campbell B D,Grime J P.A comparative study of plant responsiveness to the duration of pisodes of mineral nutrient enrichment[J].New Phytologist,1989,112:261-267.

[13] 曹丽花,刘合满,赵世伟.当雄草原不同退化草甸土壤含水量及容重分布特征[J].草地学报,2011,19(5):746-751.

[14] 路远,张万祥,孙榕江,等.天祝高寒草甸土壤容重与孔隙度时空变化研究[J].草原与草坪,2009(3):48-51.

[15] 柳领君.青藏高原东缘高寒地区土壤水分与土壤全碳空间异质性研究[D].成都：四川师范大学,2008.

[16] 张黎明,邓万刚,魏志远,等.五指山不同海拔高度的土壤化学性质特征[J].生态环境,2006,15(6):1313-1318.

[17] 王瑞永,刘莎莎,王成章,等.不同海拔高度高寒草地土壤理化指标分析[J].草地学报,2009,17(5):621-628.

[18] 党坤良,张长录,陈海滨,等.秦岭南坡不同海拔土壤肥力的空间分异规律[J].林业科学,2006,42(1):16-21.

[19] 张国斌，张晶，刘赵帆，等.肥料组合对青花菜养分含量及土壤理化性状的影响[J].甘肃农业大学学报，2013，48(4)：69-75.

[20] 于天仁.土壤化学原理[M].北京:科学出版社,1987:246-313.

[21] 鲍士旦.土壤农化分析[M].北京:中国农业出版社,2010:186.

[22] 杨帆,邓伟,杨建锋,等.土壤含水量和电导率对芦苇生长和种群分布的影响[J].水土保持学报,2006,20(4):199-201.

[23] 田玉强,欧阳华,宋明华,等.青藏高原样带高寒生态系统土壤有机碳及氮素分布特征研究[C]∥青藏高原环境与变化研讨会论文摘要汇编.北京:中国青藏高原研究会,2005:30-31.

[24] 朱红霞,王艳玲,张耀鸿,等.紫金山不同海拔高度土壤的碳氮分布特征[J].南京信息工程大学学报(自然科学版),2012,4(4):326-329.