三江源土壤养分分布特征及其对主要气候要素的响应

2015-12-07秦小静孙建王海明

生态环境学报 2015年8期

秦小静，孙建，王海明

1. 中国科学院地理科学与资源研究所生态网络观测与模拟重点实验室，北京 100101；2. 西华师范大学，四川南充 637000；3. 中国科学院成都山地灾害与环境研究所，四川成都 610041

秦小静1,2，孙建1*，王海明3

选择三江源地区22个高寒草甸样地进行土壤分层（0～10，10～20，20～30 cm）取样，测定土壤的pH值、有机碳（Total organic carbon，TOC）、全氮（Total nitrogen，TN）、速效氮（Available N）、全磷（Total phosphorus，TP）和速效磷（Available P，AP），并与年均温（Mean annual temperature，MAT）和年降水量（Mean annual precipitation，MAP）进行相关分析。结果表明：在研究区域，从西北向东南pH值依次降低，而土壤养分中的有机碳、全氮和速效氮的分布特征则相反。随着土壤深度的增加，pH值先保持不变后稍微增大，土壤各养分含量呈减少趋势，其中10～20和20～30 cm土壤中的全氮含量分别为3.85，3.40 g·kg-1，速效磷含量分别为3.67和3.90 mg·kg-1，即全氮和速效磷含量在深层土壤中变化幅度不大。在对温度降水响应方面，有机碳、全氮和全磷，对年降水量比年平均温度更敏感，呈现显著的正相关关系；土壤pH值与年降水量呈显著的负相关关系；土壤pH值和大部分养分在浅层土壤比深层土壤对温度降水的灵敏度大，然而速效磷与年均温的负相关关系在20～30 cm（-0.617，P<0.01）土壤中大于0～10 cm（-0.509，P<0.05）、10～20 cm（-0.521，P<0.05）土壤。

土壤养分；分布特征；温度；降水；三江源

土壤是生态系统中大气圈、水圈、生物圈和岩石圈的连接者，是最大的有机碳库（王长庭等，2008），土壤碳库约是大气碳库的2倍（杨成德等，2008），是生态系统中不可或缺的部分。在陆地生态系统的碳氮循环中，土壤中的矿化、硝化、反硝化作用等决定其循环的速率，土壤有机质、氮素等养分物质决定着生态系统的结构、功能和生产力水平（李凯辉等，2007）。土壤是植物生长的基础，土壤的理化性质影响着植物群落多样性，土壤中可利用的营养成分决定着地上植物的生产力（Wu et al，2001）。而草地作为仅次于森林的重要陆地生态系统（杨小红等，2004），草地土壤的有机质和碳氮循环等一直是土壤学和生态学中的研究热点，在高寒草地中，不同土壤组分的碳氮含量不同（王文颖等，2009），中度、重度退化的草地土层中有机质含量显著降低（蔡晓布等，2008），土壤中微生物等也会影响土壤有机物质的含量（杨成德等，2008），酸碱度则影响着土壤肥力和可利用养分的转化（王瑞永等，2009），同时，土壤中物质转化和能量循环的过程受到气候环境的影响。

在对气候变化的响应中，青藏高原作为世界“第三极”，平均海拔在4000 m以上，草地植被广泛分布，青藏高原典型草地生态系统对气候变化的响应敏感（张永强等，2006），土壤连接的能量循环更易受到影响。在大范围尺度上，气温对高海拔地区的地上净初级生产力影响较大，降水的影响较弱且表现为滞后效应（张法伟等，2009）。Franzluebbers et al.（2001）认为对土壤生态特征影响中，年均温度大于降水量。而在西藏高寒草原土壤活性有机碳分布研究中（王建林等，2009），南北样带表层土壤的活性有机碳主要受年均温控制，而东西样带中主要受年均降水量影响。另外，土壤中有机质和有效养分随着海拔高度的升高表现出先降低后增加的趋势（王瑞永等，2009）。青藏高原地形地貌复杂多变，不同地区土壤理化性质差异性较大，其影响的气候因子也不尽相同。本文通过分析不同深度土壤中 pH值和养分含量分布特征及其对主要气候因子的响应，以期为生态系统中气候与土壤中物质循环的关系提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究地区位于青海南部三江源（东经95°56′～99°6′，北纬 32°20′～35°40′）地区（图 1），三江源位于青藏高原腹地，是长江、黄河、澜沧江3大河流的发源地，高原生物多样性丰富，被誉为高寒生物自然种质资源库。三江源区地形起伏复杂，平均海拔为 4200 m，河网密布，属于典型的高原大陆性气候，没有四季之分，年平均气温-1.7 ℃，年平均降水量600 mm，集中在5─10月，太阳辐射强烈，年日照平均值在2500 h以上，蒸发量为 1160.3mm，全年无绝对无霜期。实验样点主要分布在玉树州称多县和玛多县，海拔范围为4200～4700 m，样点植被为高寒草甸，主要优势种有高山嵩草（Kobresia pygmaea）和紫花针茅（Stipa purpurea Griseb），土壤多为砂质土壤，部分样点为粘壤。

图1 研究样点的位置分布Fig. 1 The distribution of analysis sites

1.2 研究方法

实验在2009年7月21日到25日期间分别在22个样点采用土钻法挖取剖面的形式取样，取样的土壤深度分别为0～10、10～20和20～30 cm，每个样地取样3次作为重复，将3次重复取得的土样混合均匀风干后过筛，去除草根和小石块等杂物。

在测定土样理化性质中，pH用酸度计法；有机碳（Total organic carbon，TOC）用重铬酸钾硫酸外加热法，全氮（Total nitrogen，TN）用半微量凯氏定氮法，全磷（Total phosphorus，TP）和速效磷（Available P，AP）用钼锑抗比色法，速效氮（Available N，AN）采用扩散吸收法测定（吴建国，2007），理化性质的测定均为3次重复。

气候数据来源于中国气象局青海气象站点逐月的平均温度和降水量，通过整理插值后提取研究样点的年平均温度和年降水量。

在数据统计分析中，首先分析研究样点3层土壤养分的变化情况，采用3层（0～30 cm）土壤平均值来比较样点土壤pH和养分差异，并用标准差来分析样点3层土壤数据的离散程度；用单因子方差分析土壤各层间的差异性，运用相关关系对土壤pH值、有机碳含量、全氮、全磷、速效氮和速效磷与年均温和年均降水的关系进行相关分析，并对通过显著性检验的因素进行回归分析。分析采用ArcGIS 9.3（ESRI，Inc.，Redlands，CA，USA）、SPSS 16.0和SigmaPlot 10.0（Systat Software，Inc.，Chicago，IL，USA）软件。

2 结果与分析

2.1 研究区土壤pH值和各养分分布特征

由表1中样点对应图1可知，研究地区的西北部pH值较大，最大值为8.48，pH值梯度较大，东南部pH值在6.5左右。0～30 cm土壤中有机碳含量的空间差异明显。土壤中全氮含量在研究区东南部出现峰值，为10.15 g·kg-1，从东南到西北方向全氮含量逐渐减少，而土壤中全磷含量的空间差异较小，在南部出现峰值，依次向北部减少。在研究区0～30 cm土壤速效氮分布中，与有机碳、全氮趋势相同。和速效氮不同，速效磷含量差异不大。同时从表1中可以看出，各样点0～30 cm土壤均值中，有机碳、全氮、速效氮含量差异较大。

表1 研究样点0～30 cm土壤的基本理化性质Table 1 Soil physical and chemical properties in 0～30 cm depth

图2 22个样点3层土壤深度的中的土壤养分分布特征Fig. 2 The distribution patter of soil nutrient in 0～10cm, 10～20 cm and 20～30cm depths of 22 sites

由图2可知，20～30 cm土壤的pH值相对浅层土壤偏高，各养分含量随着土壤深度的增加均有所减少，其中在垂直分布中速效磷含量差异最大。在研究样点中，从上到下3层土壤平均pH值分别为7.45、7.49和7.61，在0～10和10～20 cm土壤中，pH值集中在7.5～8.5之间的样点较多，在20～30 cm土壤中，研究样点pH值主要集中在在6.0和8.5左右。多数样点 3层土壤的有机碳含量范围为 0～50 g·kg-1，在20～30 cm土层中，均在150 g·kg-1以下，0～10 cm土层中有机碳的含量均值为78.08 g·kg-1，10～20 cm中的均值含量减少25.67 g·kg-1，20～30 cm土层的有机碳含量再减少 7.30 g·kg-1。10～20和20～30 cm土壤中的全氮含量较接近，分别为 3.85和3.40 g·kg-1。22个研究样点3层土壤中的全磷含量均约为0.6 g·kg-1，在0～10 cm土层中，多数样点的全磷值在0.5～0.9 g·kg-1，而在另外两层土壤中，更多样点的全磷含量集中在0.5～0.7 g·kg-1。相对于0～10 cm土层中 458.15 mg·kg-1的速效氮含量，10～20、20～30 cm 土层中含量分别减少 134.64、173.74 mg·kg-1，而这两层土壤中的速效磷含量相近，均约为3.7 mg·kg-1，且所有样点的值范围为2～8 mg·kg-1，0～10 cm 土层中的速效磷含量为 8.63 mg·kg-1。在在土壤垂直分布中，0～10 cm的速效磷含量与10～20和20～30 cm中的含量存在显著差异性。该结果表明，不同样地土壤pH值和土壤养分含量的垂直分布特征不同。

将3层土壤中的pH值和有机碳、全氮、全磷、速效氮和速效磷进行多因子方差分析，结果如表2，在0～10 cm土壤中，所用的主因子方差分析模型通过检验（F=7.822，P<0.01），pH值和各样分存在显著差异性（F=34.535，P<0.01）。在10～20 cm土壤深度中，模型没有通过检验（F=1.169，P=0.29），不能判定pH值和各样分有差别。在20～30 cm土壤深度中，模型通过检验（F=6.324，P<0.01），且pH值和各样分之间的差异性显著（F=26.943，P<0.01）。而3层土壤中，22个样点之间不存在差异性。

表2 研究样点各层土壤pH值和各养分的多因子方差分析Table 2 Analysis of variance of pH and soil nutrient of each soil layer in study samples

表3 不同土壤深度土壤养分与气候因子的相关系数Table 3 The correlation of soil nutrient with climate factors in different soil depths

2.2 土壤中 pH值和养分与主要气候要素的相关关系

表3表明，年均温、降水量与经纬度均呈负相关性，年均温与经度的相关性大于纬度，相比之下，年均降水量与纬度的相关系数大于经度。在 0～10cm土壤中，pH值与纬度、年降水量呈现显著的相关关系，r值分别为0.736、-0.801，全磷含量与年降水量的相关系数为 0.675，有机碳和全氮含量与年降水量有正相关关系。在10～20 cm土壤中，pH值和纬度、年降水量存在明显的相关关系，但相关系数均有所降低，全磷含量和年降水量的相关系数减少，同时与纬度呈显著的负相关。在 20～30 cm土壤中，年降水量分别和全磷、pH呈显著的正相关和负相关关系，年均温和速效磷也存在显著负相关（r=-0.617）。在0～30 cm土壤均值与气候主要要素关系中，纬度和年降水量对全磷、pH值的相关性均通过显著性检验，年均温与速效磷也存在显著的负相关关系，速效磷和年均温相关关系为负相关。

图3 不同土壤深度的pH值、养分与主要气候因子的关系Fig. 3 The relationships of pH, nutrient with main climatic factors in different soil depths

将表3中通过显著性检验（P<0.001）的纬度、年均温和年降水量与土壤pH值、全磷和速效磷做回归分析（图3），发现纬度与0～10 cm的pH值得拟合直线为y=0.712x-16.993（r=0.542，P<0.001），随着土壤深度增加，纬度对pH值影响减少，10～20 cm 土壤中纬度和 pH 值得拟合直线为y=0.61x-13.438（r=0.336，P<0.05），纬度与0～30 cm土壤pH均值的拟合直线与10～20 cm中拟合直线接近重合。相似的是，纬度对10～20和0～30 cm的全磷含量的线性关系较为接近，其中后者的拟合直线为 y=-0.143x+5.541（r=0.321，P<0.05）。年均温对20～30和0～30 cm的速效磷线性关系的直线方程分别为 y=-0.79x+1.437（ r=0.381， P<0.05）、y=-1.058x+2.201（r=0.307，P<0.05）。年降水量与pH是负相关关系，线性直线方程较为接近，其中0～10 cm层的拟合线为y=-0.011x+11.918（r=0.641，P<0.05），年降水量对3层土壤中全磷的线性关系依次为y=-0.003x-0.398（0～10 cm，r=0.45，P<0.05），y=-0.002x-0.348（10～20 cm，r=0.43，P<0.05），y=-0.003x-0.327（0～10 cm，r=0.429，P<0.05），而年降水量与0～30 cm土壤中速效磷均值的线性方程与10～20 cm的更为接近。

3 讨论

本文研究结果表明，在空间分布特征中，研究地区土壤pH值和各养分含量存在差异，是由植被结构不同，表层土壤的再分配造成的（王其兵等，1998），例如固氮物种的存在可以显著增加土壤氮含量（宋希娟等，2008），pH值偏高的样点，土壤养分含量偏低，其中有机碳、全氮和速效氮含量变化相对一致，这种土壤有机碳和全氮含量相似的动态规律也在林草复合植被中得到验证（陈小红等，2008）。另外土壤中氮素主要以有机态形式存在，土壤中全氮含量养分丰富，但有效养分较低，即速效氮含量远低于全氮含量。全磷和速效磷的含量分布较为一致，这种差异有多种原因造成，土壤质地是其中的因素，例如西藏那曲地区东部壤质土壤中的有机质和全氮含量要高于西部的砂化土壤（万运帆等，2006）。

在垂直分布特征中，随着土壤深度的增加，各样分含量都有所降低。土壤中的养分含量和生物积累、分解作用等有密切关系，氮素的矿化和硝化作用受土壤深度的影响很大，氮矿化一般随土壤深度增加而降低（王常慧等，2004），一般在外界条件都相同情况下，中性土壤的分解作用快于酸性土壤，在浅层土壤pH呈现中性的样点土壤中有机碳含量更高些。磷酸盐是土壤中可利用磷的主要形式，而土壤pH决定土壤溶液中磷酸盐形式，在低pH条件下，磷被吸附于黏土表面、氧化铁和铝上，相对不容易被植物多利用，所以在浅层土壤中，pH和速效磷的分布趋势较为相似。

有研究表明，土壤养分的变化和水热因素有直接关系（李凯辉等，2007）。在三江源地区，是高原低温的气候特征，土壤呼吸作用减弱，相对于全国有机质层有机碳的储量，研究区域土壤中的有机碳含量较低（田玉强等，2008）。低温环境中，土壤中的有机碳、全氮、速效氮含量对年降水量更为敏感，特别是在浅层土壤中。在对新疆的高寒草甸研究中，也得出土壤含水量和速效氮存在显著正相关关系（王鑫等，2008）的结论，而在祁连山草甸地区，气候变暖加快土壤氮素的矿化作用（车宗玺等，2006），温度升高，土壤氮矿化速率加快，氮素含量增加。在年均温较低的三江源地区，温度对土壤有机碳含量影响较弱。随着湿度的增加，土壤中氮素积累增加，随着温度的升高，有机质分解加速，氮素含量相对减少。

土壤温度和水分含量是影响土壤有机质分解和矿化的主要环境因子，经纬度和温度、降水有显著的相关性，随着经纬度的增加，年均温降低，年降水量减少，土壤含水量降低，可分解的氢离子减少，pH值增大，而土壤的酸碱度决定了土壤中有机磷的矿化和无机磷的溶解（王瑞永等，2009），土壤中磷酸盐可利用率降低，全磷、速效磷含量减低。土壤 pH、养分和经纬度存在显著相关关系，即是对温度降水两者因素均有响应，两者的共同作用比单独的温度或湿度影响大（王常慧等，2004），其中，土壤有机碳、全氮、全磷和速效氮对年降水量响应强烈，速效磷对年均温响应强烈。而在在森林生态系统中，土壤中有效氮表现出明显的季节性特征，这和降水的季节性有密切关系（莫江明等，2001）。在研究地区中，年降水量通过决定土壤pH值间接影响土壤中全磷、速效磷含量，另外，在深层土壤中，尽管速效磷的变化动态有差异，但总体趋势是随着温度升高速效磷含量逐渐减少。

土壤养分含量受到多个因素影响，如凋落物、微生物甚至小型动物活动等，另外复杂的地形、多样的植被类型和人类活动的不确定性对土壤养分的影响还需进一步研究。

4 结论

在研究区域，pH值较高的样点，土壤养分含量相对较低，土壤养分中的有机碳、全氮和速效氮的分布具有一致性，全磷和速效磷含量分布较为一致。随着土壤深度的增加，pH值先保持不变后稍微增大，土壤各养分含量呈减少趋势，其中10～20和 20～30 cm土壤中的全氮含量分别为3.85，3.40 g·kg-1，速效磷含量分别为3.67和3.90 mg·kg-1，即全氮和速效磷含量在深层土壤中变化幅度不大。在对温度降水响应方面，有机碳、全氮和全磷，对年降水量比年平均温度更敏感，呈现显著的正相关关系；土壤pH值与年降水量呈显著的负相关关系；土壤pH值和大部分养分在浅层土壤比深层土壤对温度降水的灵敏度大，然而速效磷与年均温的负相关关系在20～30 cm（-0.617，P<0.01）土壤中大于0～10 cm（-0.509，P<0.05）、10～20 cm（-0.521，P<0.05）土壤。

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Distribution of Soil Nutrients and Response to Main Climatic Factors in Three River Source

QIN Xiaojing1,2, SUN Jian1*, WANG Haiming3
1. Synthesis Research Centre of Chinese Ecosystem Research Network, Key Laboratory of Ecosystem Network Observation and Modelling, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China; 2. West Normal University, Nanchong 637000, China; 3. Institute of Mountain Hazards and Environment, Chinese Academy of Science, Chengdu 610041, China

Twenty-two sites in alpine meadow were chosen to determined the spatial pattern of the soil pH, total organic C (TOC), total N (TN), total P (TP), available N (AN)and available P (AP), Three River Source. We explored the correlation relationships between soil nutrient content and mean annual temperature (MAT), mean annual precipitation (MAP). The results indicated that the pH decreased gradually, but the characteristic of distribution of TOC, TN and AN was increased from northwest to southeast. pH was increased slightly with the increased of soil depth. However, the content of soil nutrients was decreased. In the soil depths of 10～20 cm and 20～30 cm, the content of TN was 3.85 g·kg-1, 3.40 g·kg-1and the content of AP was 3.67 mg·kg-1, 3.90 mg·kg-1respectively. In terms of the response to MAT and MAP, the TOC, AN, AP were more sensitive to MAP than MAT which have a significant positive correlation; on the other hand, the pH has a significant negative correlation with MAP. Besides, the sensitivity of pH and mostly soil nutrients to MAT and MAP was higher in shallow soil than the deeper soil depths, but the negative relationship between AP and MAT was higher in 20～30 cm (-0.617, P<0.01) than that in 0～10 cm (-0.509, P<0.05) and 10～20cm (-0.521, P<0.05) soil depth.

soil nutrient; distribution pattern; temperature; precipitation; Three River Source

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.08.006

X144；S15

1674-5906（2015）08-1295-07

秦小静，孙建，王海明. 三江源土壤养分分布特征及其对主要气候要素的响应[J]. 生态环境学报, 2015, 24(8): 1295-1301.

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西部行动计划“西藏高原生态安全屏障监测评估方法与技术研究”（KZCX2-XB3-08）

秦小静（1989年生），女，硕士研究生，研究方向为区域环境经济与生态环境研究。E-mail: Xiaojingqin513@163.com *通信作者。E-mail: sunjian@igsnrr.ac.cn

2015-07-27