青藏高原种植紫穗槐对土壤养分的响应

2014-11-12赵萍代万安杜明新杨杰周志宇李晓忠李金辉周媛媛金茜

草业学报 2014年3期

赵萍，代万安，杜明新，杨杰，周志宇*，李晓忠，李金辉，周媛媛，金茜

（1.兰州大学草地农业科技学院草地农业生态系统国家重点实验室，甘肃兰州730020；2.西藏自治区农牧科学院，西藏拉萨850000）

青藏高原被称为世界的＂第三极＂，是中国最大的高原，也是世界上平均海拔最高的高原。高寒草地生态系统是青藏高原主要的生态系统，因其独特的自然地理环境而形成的高寒土壤更有其独特的性质。因地理状况所形成的空气稀薄、大气洁净、气温低和辐射强的气候特点决定了其生境较恶劣，整个生态系统极易受到破坏且难以恢复。加之近年来全球气候变暖，西藏草地生态环境渐现恶化，草地退化沙化日趋严重。西藏草地退化严重，不仅表现为产草量与质量的下降，而且更为危险的是草地退化导致草地盖度降低，形成土壤风蚀沙化，造成水土流失［1］。据最近遥感调查，西藏草地退化、沙化面积已占草地总面积的40%，即草地退化面积已有0.332亿hm2。目前，其面积仍以每年3%～5%的速度在扩大。因此，改良青藏高原土壤现状，改变其退化、沙化的趋势已成为政府和学者关心和致力的主要问题。

紫穗槐（Amorpha fruticosa）又名穗花槐、椒条，豆科紫穗槐属。原产美国，现广泛栽植于我国华北、东北、西南及长江、黄河流域等地，紫穗槐较强的生命力使其耐旱、耐寒、耐涝等抗逆性极强，根系发达具有根瘤菌，能改善土壤结构和土壤理化性，增加有机质含量［2-3］。具有较强的保持水土、改良土壤的作用。根据紫穗槐耐寒、适宜沙地生长等特点，首次将紫穗槐引入青藏高原种植后，在高寒区不仅能安全越冬，而且能开花结籽［4］。本研究是通过对西藏拉萨人工种植的两龄紫穗槐灌丛土壤各种形态氮素、全磷、有机碳含量和土壤p H差异进行研究，揭示紫穗槐灌丛土壤营养元素含量特征及其营养元素随土层深度的变化趋势，以期为紫穗槐在青藏高原的有效种植提供实验基础及理论依据，为下一步培育紫穗槐新品种打下良好的基础。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

拉萨市位于西藏自治区东南部，雅鲁藏布江支流拉萨河北岸（29°36′N，91°06′E），海拔3658 m。气候属高原温带半干旱季风气候区，年日照时数3000 h以上，最高气温28℃，最低气温－14℃，年平均气温7.4℃，年降水量为500 mm左右，集中在6－9月，多夜雨，称为雨季，年蒸发量2200 mm，年平均风速2.5 m／s，最大风速32.3 m／s，全年大风日数39.8 d（8级以上），年无霜期100～120 d。土壤类型主要为潮土。

1.2 样品采集与分析

1.2.1 样品采集 2011年9月在西藏拉萨选取2010年4月已种植的紫穗槐各3块样地，在人工建植过程中均未施肥，在每块样地内随机选取5株中等大小样株。灌丛内土壤：在每株紫穗槐的灌丛下从4个方位距离中心20～30 cm处，分别取0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、40～50 cm土壤。4点的土壤按土层分别混合为1个样品，记为IC10、IC20、IC30、IC40、IC50。灌丛外土壤：在距离灌丛边缘20 cm左右4个方位取不同深度土壤。相同深度的土壤混合为1个样品，记为OC10、OC20、OC30、OC40、OC50。

1.2.2 样品处理采集的土样带回实验室后及时进行自然风干，以免发霉而引起性质的改变。将土壤样品平铺在干净的纸上，把土壤压碎，挑出残根等杂物，弄成碎块，摊成薄层放于室内阴凉通风处，慢慢风干，可以经常翻动，加速其干燥。将风干后的土样碾碎，过2 mm的标准筛。将过筛后的细土反复按照四分法弃取。留下250 g左右的土样，装袋备用。根据不同分析实验的要求，取出部分过标准筛的土壤样品，继续碾碎，磨细，过0.5 mm的标准筛。

1.2.3 样品分析分别采用强酸加热消化以及2 mol／L KCl浸提后，用FIAstar5000（FOSS）全自动流动注射仪测定土壤全氮、全磷、铵态氮和硝态氮含量；采用重铬酸钾氧化外加热法测定土壤有机碳含量［5］；采用电位法（土水比1∶2.5悬液）测定土壤p H值。

1.3 数据处理

富集率（enrichment ratio，ER）表示土壤对养分的富集程度。

式中，IC为灌丛内养分含量，OC为灌丛外养分含量。

所有分析数据以干重为计算基础；用Microsoft Excel 2003处理原始数据并作图，用SPSS 19.0进行单因素方差分析（ANOVA）、配对样品t检验等差异显著性及相关性分析。

2 结果与分析

2.1 紫穗槐灌丛内与灌丛外土壤营养元素含量特征

从表1可以看出，拉萨种植的紫穗槐灌丛内与灌丛外土壤相比较，有机碳、全氮、铵态氮、硝态氮、全磷均表现出显著差异（P＜0.05）；相对于灌丛外土壤，灌丛内土壤有机碳平均高出44.21%，土壤全氮平均高出23.44%，土壤铵态氮平均高出13.95%，硝态氮平均高出37.6%，土壤全磷平均高出19.57%，土壤p H值平均低1.69%，但不显著（P＞0.05）。

2.2 紫穗槐灌丛内、外不同土层深度土壤营养元素含量特征

2.2.1 灌丛内、外不同深度土壤全氮含量特征土壤全氮是衡量土壤氮素供应状态的重要指标。由图1可以看出，紫穗槐灌丛内各土层土壤全氮含量显著高于灌丛外；灌丛内土壤全氮含量随土层深度变化为0～10 cm＜40～50 cm＜30～40 cm＜20～30 cm＜10～20 cm，10～20 cm全氮含量显著高于其他各层；灌丛外全氮含量分布与灌丛内相同，10～20 cm土层含量最高，0～10 cm土层含量最低，其余各层随土层深度增加而递减。

2.2.2 灌丛内、外不同深度土壤无机氮含量特征由图2可看出，紫穗槐各土层灌丛内土壤铵态氮含量均显著高于灌丛外；灌丛内土壤铵态氮含量为10～20 cm土层最高，0～10 cm次之，其余随土层深度增加而递减；灌丛外与灌丛内趋势相同。

图3表明，紫穗槐灌丛内各土层土壤硝态氮含量均高于灌丛外土壤；灌丛内土壤硝态氮含量随土层深度的变化趋势为10～20 cm＞20～30 cm＞0～10 cm＞30～40 cm＞40～50 cm；灌丛外硝态氮含量为10～20 cm最高，0～10 cm次之，其余各层随土层增加依次递减。总体来看，铵态氮和硝态氮随土层的变化趋势为表层土壤高于深层土壤。

2.2.3 灌丛内、外不同土层深度土壤全磷含量特征由图4可以看出，紫穗槐灌丛内各土层土壤全磷含量均高于灌丛外；灌丛内土壤全磷含量为40～50 cm＜0～10 cm＜20～30 cm＜30～40 cm＜10～20 cm，10～20 cm显著高于其他各层；灌丛外10～20 cm显著高于其他各层，0～10 cm最低。

表1 灌丛内与灌丛外土壤养分含量平均值及其富集率Table 1 Contents and enrichment ratio of nutrients in rhizosphere and bulk soil

图1 灌丛内、外不同土层深度土壤全氮含量Fig.1 Total N content of soil profiles between IC and OC

图3 灌丛内、外不同土层深度土壤硝态氮含量Fig.3 NO3--N content of soil profiles between IC and OC

图2 灌丛内、外不同土层深度土壤铵态氮含量Fig.2 NH4＋-N content of soil profiles between IC and OC

图4 灌丛内、外不同土层深度土壤全磷含量Fig.4 Total P content of soil profiles between IC and OC

2.2.4 灌丛内、外不同土层深度土壤有机碳含量特征由图5可以看出，灌丛内土壤有机碳含量各层均显著高于灌丛外；灌丛内和灌丛外土壤有机碳含量分布均是随土层深度增加依次递减，0～10 cm最高，40～50 cm最低。

2.2.5 灌丛内、外不同土层深度土壤p H值差异由图6可以看出，紫穗槐不同土层深度灌丛内各层p H均小于灌丛外且均为酸性，灌丛内土壤酸化程度均高于灌丛外；灌丛内和灌丛外土壤p H都随土壤深度递减。

图5 灌丛内、外不同土层深度土壤有机碳含量Fig.5 Soil organic carbon（SOC）content of soil profiles between IC and OC

图6 灌丛内、外不同土层深度土壤p H值Fig.6 p H of soil profiles between IC and OC

2.3 土壤养分之间的相互关系

对土壤养分之间进行相关性分析，从表2可以看出，各个营养元素之间存在不同程度相关关系，结果表明，土壤有机碳与铵态氮呈极显著正相关关系（P＜0.01），与全磷呈显著正相关关系（P＜0.05）；土壤全氮与全磷呈极显著正相关关系（P＜0.01）；土壤铵态氮与全磷呈极显著正相关关系（P＜0.01）；土壤p H与有机碳、铵态氮呈极显著正相关关系（P＜0.01）。

表2 土壤养分间的相关系数Table 2 Correlation coefficients among nutrients

3 讨论

在草地生态系统中，碳、氮、磷是最重要的3种化学元素，其分布和储量直接关系到草地生态系统功能的正常发挥。

土壤有机碳是土壤的重要组成部分，影响、制约土壤性质，同时还是土壤微生物生命活动所需能量的来源［6］，其含量是评价土壤肥力和土壤质量的一项重要指标。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［7］。灌丛内土壤有机碳含量显著高于灌丛外，其富集率高达44.2%（P＜0.05）。这种明显的富集效应说明根系分泌物或溢泌产物、根组织的脱落物等根产物是土壤有机碳的重要来源之一［8］。土壤有机碳的垂直分布格局受凋落物量、淋溶作用、植物根系分布及活动特征和微生物活动等多种因素的影响［9］。这也就解释了在垂直方向上有机碳含量随土层增加呈递减趋势的原因。

土壤全氮不仅是主要的肥力指标，也是土壤氮素肥力的基础，它受植被状况、环境条件和草地利用等的影响［10］。紫穗槐各层土壤全氮含量均显著表现为灌丛内高于灌丛外，富集率为23.4%（P＜0.05），这是由于紫穗槐有非常发达的根系，大量的根系分泌物以及根部组织的脱落物沉积于根部，增加了灌丛内土壤氮的含量，该结果与詹媛媛等［11］关于灌丛土壤对养分的富集效应的结果一致；在垂直方向上，土壤全氮含量表现为0～10 cm含量最低，其余随土层的增加呈递减趋势。有研究证实，植物根系的生长会与微生物竞争根际区的营养，同时会从根际区分泌出特殊的能源，刺激了微生物活性，促进了氮的矿化［12-15］。0～10 cm土壤全氮矿化作用十分活跃，分解作用大于积累作用，有机态氮极易转化为无机态氮，这与Scheu和Parkinson［16］研究的土壤表层氮素矿化量比底层高一致。紫穗槐在10～20 cm根系发达易生根瘤，从而固氮作用导致深层土壤含氮量高，而表层土壤含氮量低。

土壤铵态氮和硝态氮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，是植物能直接吸收利用的生物有效态氮［17］，与全氮相关性较高。韩方虎等［18］认为，起始铵态氮和硝态氮含量不能完全反映土壤的氮矿化能力，而作物生长期间产生的可矿化氮作为土壤供氮能力指标效果更好。本研究通过分析得出，铵态氮和硝态氮含量均为灌丛内显著高于灌丛外，铵态氮富集率为13.9%，硝态氮为37.6%（P＜0.05），表现出紫穗槐对养分的富集作用；在垂直方向上，表层土含量高于底层，与有机碳一致，但是因为上述原因，与全氮一样，0～10 cm含量也低于10～20 cm。从2种无机态氮含量来看，硝态氮含量远高于铵态氮，说明这一地区的无机态氮主要以硝态氮为主。

磷作为土壤肥力和牧草生产不可缺少的营养元素，对改善草原生态环境，保持土壤肥力起到重要作用［19］。通过分析可以得出，灌丛内土壤全磷高于灌丛外，富集率在19.57%（P＜0.05）左右，表现出了紫穗槐对土壤全磷明显的富集作用。在垂直方向上，基本表现为表层高于底层，只有0～10 cm含量低于10～20 cm，可能是因为被植物吸收利用的结果［20］。造成这种结果是由于植物的生命活动，如植物凋落物积累、根系分泌物、根际微生物活动、根际磷酸酶、菌根都会使磷在根际富集［21］。

一般认为，根际p H值的变化是由于根系呼吸作用释放CO2形成H2CO3以及在离子的主动吸收和根尖细胞伸长过程中分泌质子和有机酸所致［22-23］。本研究结果显示种植紫穗槐后灌丛内土壤的p H值相比灌丛外均有所下降，随着土壤深度的增加，p H值表现出增加的趋势。这是因为在表层土壤中根系活动旺盛，根系活动对土壤中的阴阳离子浓度的改变起到了很大的作用，根系的生长死亡和地上部落叶枯枝凋落等过程积累的有机物较多，改善了土壤的微环境，微生物的活动也对p H值降低起到了很大的作用。

在高寒草地，土壤有机碳主要来源于植物残根，而有机碳含量的高低决定着土壤全氮含量的高低。因此，灌丛内与灌丛外土壤的全氮与有机碳之间呈显著相关性（P＜0.05），有机氮在土壤微生物的作用下先转变成铵态氮，然后进一步转化为硝态氮［24］，因此，灌丛内与灌丛外土壤有机碳与铵态氮表现出显著相关性（P＜0.05），而硝态氮与有机碳之间则无相关性。

本研究主要对在青藏高原种植的两龄紫穗槐灌丛内与灌丛外以及随土层深度变化的土壤有机碳、全氮、铵态氮、硝态氮和全磷进行了初步探讨，进一步了解紫穗槐对青藏高原土壤养分含量变化和组成特征所起的作用。紫穗槐的引入和成功种植表现了其对高寒环境的适应性，及其对高寒草地土壤的改良效应，以期对今后紫穗槐在青藏高原的推广起到积极作用。