地形与放牧对土壤腐殖质组成成分的影响

2014-12-24呼吉亚德海山王忠武韩国栋

草业科学 2014年9期

呼吉亚，红梅，德海山，王忠武，韩国栋

（内蒙古农业大学生态环境学院，内蒙古呼和浩特010019）

土壤有机质是指土壤中含碳的有机物质［1-3］，它不仅能提高土壤的保肥能力，而且是土壤动植物的重要碳及能源［4-5］。腐殖酸是土壤微生物分解有机质的产物，是一个结构复杂的高分子化合物［6-7］，腐殖酸是在多种行业内使用价值都很高的一种天然资源，按腐殖酸对酸碱溶液的溶解程度可分为胡敏酸（Humic Acid，HA）、富里酸（fulvic Acid，FA）和胡敏素，三者的含量及比例是诊断土壤类型的重要指标之一［8-9］。目前，国内外腐殖酸的研究多是在农田、草原、森林和湿地环境中［10-13］，主要集中于土壤腐殖酸组分受气候因子、土壤理化性质、植被类型的影响等方面，而对荒漠草原土壤腐殖酸组分的空间分布及放牧影响方面的研究较少。人为干扰和多种环境因素制约着荒漠草原土壤腐殖酸的累积，该研究区土壤腐殖酸组成空间分布对土壤碳库研究及评价土壤质量有重要的意义。本研究以内蒙古四子王旗农牧业科学院长期定位试验站为平台，分析地形和放牧强度对短花针茅荒漠草原土壤腐殖酸组分分布的影响，以期为短花针茅（Stipabreviflora）草原的合理利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地位于四子王旗内蒙古农牧业科学院研究基地，41°47′N，111°53′E，海拔为1 100～1 800m。地形东南高而西北低。干旱、少雨、多风和蒸发量大是该区显著的气候特点，年平均气温2.5～5.1℃，年总降水量在389～469mm。土壤类型为淡栗钙土，野生植物以禾本科、菊科最多，豆科、藜科、百合科次之，短花针茅为建群种，冷蒿（Artemisiafrigida）、无芒隐子草（Cleistogenessongorica）为优势种。

1.2 试验设计与采样

试验设为随机区组试验，将试验小区分成4个区组，分别为无放牧的对照样地（CK）、轻度放牧（LG）、中度放牧（MG）和重度放牧（HG），随机排列，每个放牧强度设 3 次重复（LG1、LG2、LG3，MG1、MG2、MG3，HG1、HG2、HG3，CK1、CK2、CK3）。并在每个样地中按地形划分坡底、坡中、坡顶，在不同地形钻取0-10、10-20、20-30cm的土样，共3次重复，带回实验室风干，测定腐殖酸组分和有机碳。放牧区载畜率分别为：轻度放牧区（LG）1.674只羊·hm-2·a-1，中度放牧区（MG）3.412只羊·hm-2·a-1，重度放牧区（HG）5.15只羊·hm-2·a-1。

1.3 土壤腐殖酸及其组分的测定

土壤腐殖酸组分采用焦磷酸钠-氢氧化钠提取法［14］测定，土壤有机碳采用重铬酸钾外加热法［15］测定。

1.4 数据处理

采用SAS 9.0软件对得出数据进行统计分析，用平均值表示测定结果，分别对同一地形和放牧强度的不同土层和同一土层不同地形和放牧强度间进行因子方差分析，并对不同处理中有机碳与腐殖酸各组分进行相关分析；制图采用Excel 2003。

2 结果

2.1 地形对土壤腐殖酸组分及胡富比的影响

2.1.1 地形对土壤有机碳的影响不同地形影响着土壤有机碳的水平和垂直分布。同一土层中，随着地形的上升，其有机碳含量有减少的趋势（图1）。方差分析结果表明，在同一土层中，坡底和坡中的有机碳含量与坡顶间显著差异（P＜0.05），有机碳在同一地形中，随着土层的加深，其含量有减少的趋势。在坡底，各土层间均存在极显著差异（P＜0.05）；在坡中，0-10、10-20cm 土层显著高于20-30cm土层；在坡顶，0-10cm土层显著高于20-30cm土层。

图1 不同地形条件下土壤有机碳含量随土层的变化Fig.1 Change of SOC with soil depth on the different terrains

2.1.2 地形对土壤腐殖酸组分的影响不同地形中，0-30cm各土层中胡敏酸和富里酸随着地形的上升有减少的趋势，但变化幅度不大，表明地形对腐殖酸组分影响不大。各地形中胡敏酸随着土层的加深，其含量有减少趋势，在坡底和坡中，0-10、20-30cm土层与10-20cm土层均无显著差异（P＞0.05），而0-10与20-30cm土层间差异显著（P＜0.05），坡顶各土层间无显著差异（表1），富里酸在不同地形中随着土层加深有降低趋势，但各土层间无显著差异。

2.1.3 地形对土壤胡富比的影响在不同放牧区，随着地形的上升，HA／FA在0-30cm土层中都有下降趋势，但在各地形之间差异不显著（P＞0.05）。各地形中，HA／FA随着土层的加深均呈减少趋势，0-10、10-20cm土层均显著高于20-30cm土层（P＜0.05），0-10和10-20cm间无显著差异（图2）。

2.2 放牧强度对土壤腐殖酸组分及胡富比的影响

2.2.1 放牧强度对土壤有机碳的影响随着放牧强度的加强，其有机碳有减少的趋势（图3），在0-10和10-20cm土层中，无放牧和重度放牧区间有显著差异（P＜0.05），无放牧、轻度放牧区与中度放牧区之间无显著差异，轻度放牧和中度放牧与重度放牧之间有显著差异。20-30cm土层中，各放牧强度间无显著差异。随着土壤深度的加深，其有机碳有减少的趋势，在无放牧中，0-10和10-20cm土层的有机碳显著高于20-30cm土层的（P＜0.05），轻度放牧区中，各个土层间差异显著（P＜0.05），中度和重度放牧区中，其有机碳含量均无显著差异。

表1 地形对土壤腐殖酸组分的影响Tabel 1 Effects of terrain on component of soil humus

图2 不同地形下土壤HA／FA值随土层的变化Fig.2 Change of HA／FA ratios with soil depth on the different terrains

图3 不同放牧强度下土壤有机碳含量随土层的变化Fig.3 Change of SOC with soil depth under different grazing intensities

2.2.2 放牧强度对土壤腐殖酸组分的影响随着放牧强度的加强，胡敏酸有减少的趋势（表2），在0-10cm土层中，无放牧显著高于中度、重度放牧，无放牧和轻度放牧之间无显著差异（P＞0.05），轻度放牧、中度与重度放牧之间也无显著差异。10-20 cm土层中，对照显著高于轻度、中度、重度放牧，20-30cm土层中，各放牧强度间无显著差异。在无放牧与重度放牧中，胡敏酸0-10cm土层显著高于20-30cm土层，轻度与中度放牧间，各土层无显著差异。富里酸含量随着放牧加强有减少趋势，0-10，20-30cm土层中，各放牧强度间无显著差异，10-20cm土层中，无放牧显著高于重度放牧区，其他放牧强度间无显著差异。富里酸在不同放牧强度条件下，随着土层加深有减少趋势，但各层间无显著差异。

2.2.3 放牧强度对土壤胡富比的影响在坡底，HA／FA在0-10、20-30cm土层中4个放牧强度间无显著差异（P＞0.05）。10-20cm土层中，无放牧与轻度放牧之间、中度与重度放牧之间无显著差异，无放牧区和轻度放牧显著高于重度放牧（P＜0.05）（图4）。不同放牧强度下，土壤HA／FA随着土壤深度的加深而减少，中度、重度放牧条件下，20-30cm的HA／FA较其他土层显著下降（P＜0.05）。轻度放牧下，HA／FA值在各土层间均无显著差异。

表2 不同处理对土壤腐殖酸组分的影响Table 2 Effects of grazing on component of soil humus

在坡中，随着放牧强度增加，其HA／FA有减少的趋势，0-10、20-30cm土层中不同放牧强度间无显著差异（P＞0.05）。10-20cm土层中，重度放牧显著低于对照和轻度放牧（P＜0.05）。随着土层加深，HA／FA减少，中度与重度放牧条件下，从表层向下各层的HA／FA显著下降，0-10与10-20cm土层显著高于20-30cm土层的HA／FA，无放牧与轻度放牧各个土层间无显著差异（图4）。

在坡顶，随着放牧强度的增加，HA／FA降低，但各放牧强度间无明显差异（图4）。HA／FA随土层加深而减少。在无放牧、重度放牧条件下，0-10和10-20cm的HA／FA显著高于20-30cm（P＜0.05），中度放牧条件下各土层间有显著差异。轻度放时，各土层的 HA／FA无显著差异（P＞0.05）。

2.3 不同地形土壤胡敏酸、富里酸与有机碳的关系

胡敏酸是土壤腐殖质的主要组成成分，对土壤结构的形成起着重要作用。通过土壤有机质与胡敏酸回归分析可以看出（表3），各地形中土壤有机碳与胡敏酸之间呈极显著正相关（P＜0.01），随着地形升高，相关系数增加。富里酸也是土壤腐殖质的组成成分之一，溶解能力强，移动性大，对某些土壤的淋溶和淀积起很大的作用。在各个地形中土壤有机碳与富里酸之间呈显著线性相关（P＜0.05），并且随着地形部位升高，相关系数有增加趋势。

2.4 不同放牧强度土壤胡敏酸、富里酸与有机碳的关系

无放牧、轻度放牧条件下，土壤胡敏酸、富里酸与有机碳呈极显著正相关（P＜0.01），而在重度放牧时呈显著正相关（P＜0.05）；在中度放牧区中胡敏酸与有机碳呈极显著正相关（P＜0.01），而富里酸与有机碳呈显著正相关（P＜0.05）。土壤胡敏酸、富里酸与有机碳之间的相关性随着放牧强度的加强有降低趋势（表4）。

图4 不同放牧强度下土壤HA／FA值随土层的变化Fig.4 The change of HA／FA ratios with soil depth on the different grazing intensity

表3 不同地形下土壤胡敏酸、富里酸与有机碳的相关关系Tabel 3 The correlation coefficient among soil HA，FA and SOC

表4 不同放牧强度下土壤胡敏酸和富里酸与有机碳的相关关系Table 4 The correlation coefficient among soil HA，FA and SOC

3 讨论

3.1 地形和放牧强度对腐殖酸的影响

地形对土壤水、热等因素有再分配的作用，从而影响了植被类型。随着地形的上升和放牧强度的增加，土壤有机碳含量有减少的趋势，这与土壤胡敏酸、富里酸含量变化趋势一致，是因为地形变化影响了土壤水热条件、植物种类、家畜的行走和采食行为。在坡顶主要以狭叶锦鸡儿（Caraganapygmaeavar.angustissima）、兔唇花（Lagochilusilicifolius）等耐旱的植物为主，这些植物木质素含量高，不易分解［12］，再加上植被盖度低，生物量少，进入土壤的有机物减少，土壤胡敏酸、富里酸含量也降低。而坡底，水分条件好，植被生长相对茂密，进入土壤的有机物多，胡敏酸、富里酸含量高。坡中介于前两者间，主要以短花针茅为建群种，冷蒿、糙隐子草为主，这些草本植物能加强有机物的矿化过程和腐殖质化作用。因此，土壤腐殖酸含量随地形的上升而减少，这与许多学者的研究结论相反［12-13］，有待进一步研究。各地形部位间差异不明显，说明在本研究区，地形对土壤胡敏酸和富里酸的影响不大。

随着放牧强度的增加，家畜的啃食和践踏加重，在降低进入土壤的有机物含量的同时，影响土壤水分、结构等特性，土壤的矿化速率减弱，腐殖化作用减弱，腐殖质减少，有机碳稳定性下降，碳的损失增加［16］。因此，放牧强度的增加，使土壤胡敏酸和富里酸含量降低。

3.2 地形和放牧强度对胡富比的影响

随着地形的上升，胡富比有下降趋势，这与李培清［17］的研究结论一致。从胡敏酸、富里酸与有机质的相关分析可看出，胡敏酸与有机质极显著正相关（P＜0.01），而与富里酸呈显著正相关（P＜0.05），说明有机质降低时胡敏酸下降的幅度比富里酸大，随着地形上升有机质减少，胡敏酸降低比富里酸多，胡富比下降。土壤pH值影响胡敏酸的分解，随着pH值上升胡敏酸分解速度加快［18］，坡底、坡中、坡顶的pH分别为7.88、7.89和7.92，所以随地形上升胡敏酸分解加快，胡富比值下降。

随着放牧强度增强，土壤CO2释放量增加［19-22］，同时土壤通透性下降［23］，富里酸较胡敏酸占优势，富里酸较稳定［24］，胡敏酸对放牧强度响应敏感。所以，随放牧强度的增强土壤胡富比有下降趋势。在各试验区随着土层的加深，其胡敏酸、富里酸含量和胡富比值都有减少的趋势，这与许多研究结果［25-26］一致。这是因为土壤呼吸作用随着土层的加深而递减，植物根系生物量减少，氧气减少，这些条件下胡敏酸比富里酸敏感，降低幅度大，导致胡富比降低。

4 结论

土壤腐殖酸各组分受地形和放牧强度的影响，随着地形部位的上升，土壤腐殖酸各组分均有降低趋势。随放牧强度的加强，其土壤胡敏酸和富里酸均显著降低，并且腐殖酸的各组分与有机质间的相关性也降低。从腐殖酸各组分变化可得出，该研究区适合轻度放牧，而且围栏放牧时，根据地形的不同，载畜率应不同。

［1］杨景成，朝兴国，黄建辉，潘庆民.土壤有机质对农田管理措施的动态响应［J］.生态学报，2003，23（4）：787-797.

［2］王旭东，张一平，吕家珑，樊小林.不同施肥条件对土壤有机质及胡敏酸特性的影响［J］.中国农业科学，2000，33（2）：1-9.

［3］Wei X R，Shao M A，Gao J L.Relationships between soil organic carbon and environmental factors in gully watershed of the loess plateau［J］.Chinese Journal of Environment Science，2008，29（10）：2879-2884.

［4］武天云，Jeff J S，李凤民，钱佩源，张树清，Sukhadev S M.土壤有机质概念和分组技术研究进展［J］.应用生态学报，2004，15（4）：717-722.

［5］吴乐知，蔡祖聪.中国土壤有机质含量变异性与空间尺度的关系［J］.地球科学进展，2006，21（9）：965-972.

［6］Swift R S.Sequestration of carbon by soil［J］.Soil Science，2001，166（11）：858-871.

［7］Rusanov A M，Anilova L V.The humus formation and humus in forest-steppe and steppe chernozems of the southern Cisural region［J］.Eurasian Soil Science，2009，42（10）：1101-1108.

［8］Zhang J J，Dou S，Li C L，Wang S H.Studies on fractionation of soil humus［J］.Chinese Journal of Soil Science，2004，35（6）：706-709.

［9］曾希柏，刘更另.植被刈割对红壤酸度及有机无机复合状况的影响［J］.土壤学报，2000，37（2）：225-232.

［10］吕贻忠，李保国.土壤学实验［M］.北京：中国农业出版社，2010：127-135.

［11］鲍士旦.土壤土壤农化分析［M］.北京：中国农业出版社，2010：30-34.

［12］张林海，王瑞申.闽江河口秋茄湿地土壤腐殖质组成及剖面分布特征［J］.云南地理环境研究，2011，23（1）：5-10.

［13］黄红利.木质素降解微生物特征及其对农业废物堆肥腐殖化的影响研究［D］.长沙：湖南大学，2009.

［14］徐跃，姚天全，永镇南.气候因素对土壤有机质组成和性质的影响［J］.山地研究，1994，12（3）：163-168.

［15］吕贻忠，张凤荣，孙丹峰.百花山山地土壤中有机质的垂直分布规律［J］.土壤，2005，37（3）：277-283.

［16］朱玲玲，戎郁萍，王伟光，马磊.放牧对草地生态系统CO2净气体交换影响研究概述［J］.草地学报，2013，21（1）：3-10.

［17］李培清.新疆森林土壤的理化特性［J］.干早区研究，1984（4）：33-39.

［18］Brigante M，Zanini G，Avena M，裴玉贺，译.pH值、阴离子和阳离子对腐植酸颗粒分解动力学的影响［A］.第八届全国绿色环保肥料（农药）新技术、新产品交流会论文集［C］.北京：中国石油和化学工业协会，2009：257-263.

［19］王跃思，胡玉琼，纪宝明，刘广仁，薛敏.放牧对内蒙古草原温室气体排放的影响［J］.中国环境科学，2002，22（6）：490-494.