围栏封育对亚高山草原土壤碱解氮、速效钾空间异质性的影响

周建勤，贾宏涛

(新疆农业大学草业与环境科学学院，新疆 乌鲁木齐 830052)



围栏封育对亚高山草原土壤碱解氮、速效钾空间异质性的影响

周建勤，贾宏涛*

(新疆农业大学草业与环境科学学院，新疆 乌鲁木齐 830052)

以中科院位于新疆天山中部巴音布鲁克的长期围栏封育样地为研究对象，研究长期围栏封育对亚高山草原土壤养分空间变异特征的影响。结果表明：①围栏内0～20 cm土壤碱解氮和速效钾含量均值分别为107.69和277.53 mg/kg，20～40 cm土壤碱解氮和速效钾含量均值分别为75.22和127.52 mg/kg，围栏内土壤碱解氮和速效钾变异系数分别为23.88 %、29.8 %、22.43 %、33.74 %；围栏外0～20 cm土壤碱解氮和速效钾含量均值分别为120.77和285.371 mg/kg，20～40 cm土壤碱解氮和速效钾含量均值分别为83.08和137.36 mg/kg，围栏外土壤碱解氮和速效钾变异系数分别为23.58 %、33.97 %和29.43 %、42.88 %。②围栏内上层和下层土壤碱解氮和速效钾含量块金值和基台值之比分别为100 %、2.97 %、40.10 %、0.06 %；围栏外上层和下层土壤碱解氮和速效钾含量块金值和基台值之比分别为9.37 %、1.75 %、11.28 %、49.99 %。③土壤碱解氮、速效钾在水平空间分布呈现出不均匀性，围栏内土壤碱解氮、速效钾含量空间分布水平低于围栏外，从空间插值图来看，围栏内外0～20 cm土壤中碱解氮、速效钾含量高的位置，其20～40 cm层含量却相反。综上可以看出，围栏内碱解氮和速效钾含量在水平方向的变异都低于围栏外；垂直方向碱解氮和速效钾含量围栏内外上下层均为中等变异，碱解氮和速效钾含量围栏内上下层变异系数分别表现为大于和小于；水平方向碱解氮含量上下层变异程度大于围栏外上下层变异程度，且围栏内上层空间相关性很弱，围栏内下层和围栏外上下层具有强烈的空间相关性。水平方向围栏内速效钾含量上层变异程度大于围栏外上层变异程度，且围栏内上层具有中等空间相关性，围栏外上层具有强烈的空间相关性；速效钾含量围栏内下层变异程度小于围栏外下层变异程度，且围栏外下层具有中等空间相关性，围栏内下层具有强烈的空间相关性。水平方向土壤碱解氮、速效钾含量上层含量空间分布与下层含量空间分布相反。

围栏封育；空间变异；速效钾；碱解氮

20世纪以来,人类开始面临许多生态环境问题,其中草地退化更是一个引起全世界共同关注的环境问题。我国草地面积辽阔，类型复杂多样，各种自然灾害频繁发生，草畜不平衡矛盾日益突出，草地资源普遍趋于衰退状态[1-3]。新疆是畜牧业大省，巴音布鲁克作为全国第二大草原， 由于草—畜不平衡利用导致草地日趋退化，威胁着畜牧业发展。当地人们实施了草原围栏制度，草食动物一般都被围在草地围栏外[4]。草原围栏作为人类有意识调节草原生态系统中草食动物与植物关系以及管理草原生态系统的手段，有利于草地植被的生长恢复，增加土壤肥力，并且防止草地沙化。

长期围栏封育对草原土壤中的土壤养分具有很大影响，近年来，退化草原生态系统的恢复治理已经引起了广泛的关注[5-7]，为此，本试验研究了构建草原围栏后，巴音布鲁克草原土壤中土壤养分的空间变异特征，以期为系统监测草原的退化状态及指导该地区草原草地生态系统的恢复提供相关参考资料。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

巴音布鲁克草原位于新疆境内天山南坡中段内部山地，属高位山间盆地，海拔在2400～4500 m，可利用草场面积169.5万hm2，是典型的牧区[8-9]。巴音布鲁克年平均气温-4.5 ℃，1月为-26.8 ℃，7月为10.4 ℃，植物生长季(4-9月)平均气温在5～10 ℃；≥0 ℃的年积温1250.6，≥10 ℃的年积温227.2 ℃；极端最低气温-46.6 ℃；无霜期不明显，只有29 d；多年平均降水量276.2 mm，年蒸发量高达1022.9～1247.5 mm，全年积雪日达150～180 d，最大积雪深26cm。在干燥、多风、寒冷的高寒山区气候条件下，形成了以高寒草甸、高寒草原和高寒低地沼泽草甸为主的草地类型[8]。

1.2 方法

1.2.1 采样方法 2010年8月，在新疆巴音布鲁克亚高山草原的4#样地围栏内外，用5×5网格布点法进行取样，每隔5 m设置1个取样点，围栏内外各81个点，共162个采样点，每个采样点取样深度均为0～20和20～40 cm，总共采取土样324个。将土样带回室内自然风干，然后将土样碾碎、混匀，拣出杂物过筛处理后以备分析用。

1.2.2 样品分析方法 碱解氮用碱解扩散法；速效钾用醋酸铵浸提-火焰光度计测定。

1.2.3 数据处理与分析 主要采用SPSS17.0、Sufer8.0、GS+9.0等软件对土壤碱解氮和速效钾常规统计分析和空间变异特征统计分析。

2 结果与分析

2.1 围栏内外土壤碱解氮、速效钾含量

对围栏内外0～20和20～40 cm土壤碱解氮和速效钾用SPSS软件进行描述统计分析(表1～2)。变异系数(c.v.)反映的是相对变异，即随机变量的离散程度。相关研究表明，c.v.≤0.1为弱变异性；0.1

表1 围栏内外土壤碱解氮含量的统计分析

表2 围栏内外土壤速效钾含量的统计分析

2.2 围栏内外土壤碱解氮、速效钾含量水平空间分布特征

2.2.1 碱解氮 围栏内0～20 cm土壤碱解氮含量均值为107.69 mg/kg，20～40 cm土壤碱解氮含量均值为75.22 mg/kg，而围栏外0～20 cm土壤碱解氮含量均值为120.77 mg/kg，20～40 cm土壤碱解氮含量均值为83.08 mg/kg，均比围栏内稍高(见表1)。围栏内0～20和20～40 cm土壤碱解氮含量的标准差均小于围栏外，表明围栏内碱解氮含量在水平方向的变异低于围栏外。

2.2.2 速效钾 围栏内0～20 cm土壤速效钾含量均值为277.53 mg/kg，20～40 cm土壤速效钾含量均值为127.52 mg/kg，而围栏外0～20 cm土壤速效钾含量均值为285.71 mg/kg，20～40 cm土壤速效钾含量均值为137.36 mg/kg，均比围栏内稍高(见表2)。围栏内0～20和20～40 cm土壤速效钾含量的标准差均小于围栏外，表明围栏内速效钾含量在水平方向的变异低于围栏外。

2.3 围栏内外土壤碱解氮、速效钾含量垂直空间分布特征

2.3.1 碱解氮 围栏内和围栏外0～20 cm土壤碱解氮含量均值、最大值、最小值均显著高于20～40 cm土壤。表明土壤碱解氮主要集中在土壤的上层，土壤上层对碱解氮含量的影响应该比下层更为显著。围栏内上层土壤碱解氮变异系数为23.88 %，下层为29.85 %；围栏外上层土壤碱解氮变异系数为23.58 %，下层为33.97 %(表1)。

2.3.2 速效钾 围栏内和围栏外0～20 cm土壤速效钾含量均值、最大值、最小值均显著高于20～40 cm土壤。表明土壤速效钾主要集中在土壤的上层，土壤上层对速效钾含量的影响应该比下层更为显著。围栏内上层土壤速效钾变异系数为22.43 %，下层为33.74 %；围栏外上层土壤速效钾变异系数为29.43 %，下层为42.88 %(表2)。围栏内外，上层土壤速效钾含量的变异性均要低于下层。

2.4 围栏内外土壤碱解氮、速效钾含量空间变异地统计学特性研究

块金值(C0)表示随机部分的空间变异性，基台值(C0+C)表示区域化变量的最大变异，其值越高表示总的变异性程度越高。变程是半方差函数达到基台值时的样本间距，代表了该参数的相关距离，变量在变程内是相关的，在变程之外是独立的。块金值与基台值之比(C0/(C0+C))表示空间变异性程度，反映自相关部分的空间变异占总变异的比例，即块金效应。如果该比值较高，说明由随机性部分引起的空间变异性程度较大；相反，则由空间自相关部分引起的空间变异性程度较大；从结构性因素看，该比值可表示系统空间变量的空间相关性程度，若比值<25 %，说明系统具有强烈的空间相关性；若比值在25 % ～ 75 %之间，表明系统具有中等的空间相关性；若比值>75 %，说明系统的空间相关性很弱。

由表3可以看出，围栏内外0～20 cm土壤碱解氮空间变异水平特征，围栏内块金值与基台值之比高于围栏外，说明围栏内土壤碱解氮空间变异性程度大，比值>75 %，表明系统具有较弱的空间相关性，可得出围栏内土壤碱解氮的空间变异性受结构因素影响的强度稍小于围栏外土壤碱解氮。此外还可看出围栏内外20～40 cm土壤碱解氮空间变异水平特征，围栏内土壤碱解氮的块金效应大于围栏外土壤碱解氮，比值<25 %，表明系统具有强烈的空间相关性，表明无论围栏内外，下层土壤碱解氮的空间变异性受随机性因素的影响小，也就是围栏内外20～40 cm的土壤受人为因素的干扰较小，土壤碱解氮的含量主要受土壤本身母质、气候、土壤类型等影响逐渐增强。

表3 围栏内和围栏外土壤碱解氮空间变异理论模型及模型参数

表4 围栏内和围栏外土壤速效钾空间变异理论模型及模型参数

由表4可以看出，围栏内外0～20 cm土壤速效钾空间变异水平特征，围栏内块金值与基台值之比高于围栏外，说明围栏内土壤速效钾空间变异性程度大，比值25 % ～ 75 %，表明系统具有中等的空间相关性，可得出围栏内土壤速效钾的空间变异性受结构因素影响的强度小于围栏外土壤速效钾。此外还可看出围栏内外20～40 cm土壤速效钾空间变异水平特征，围栏内土壤速效钾的块金效应小于围栏外土壤速效钾，比值<25 %，表明系统具有强烈的空间相关性，表明无论围栏内外，下层土壤速效钾的空间变异性受随机性因素的影响小。

2.4 围栏内外土壤碱解氮、速效钾含量空间变异

由于围栏内外土壤碱解氮、速效钾含量具有明显的各向同性结构。因此，根据各向同性结构分析后所得到的变异函数理论模型(表3～4)，采用普通克里格法进行最优内插，绘制了各种土壤化学特性的空间分布格局(Kriging)图，Kriging 插值的结果受变异函数模拟精度、样点的分布、邻近样点的选取数(Searching neighborhood)的影响，利用GS+9.0 for windows软件和Surfer8.0完成克里格插值图的制作。由图1～2可看出，土壤碱解氮、速效钾在水平空间分布呈现出不均匀性，围栏内土壤碱解氮、速效钾含量空间分布水平低于围栏外，而且从空间插值图来看，围栏内外0～20 cm土壤中碱解氮、速效钾含量高的位置，其20～40 cm层含量却相反，对于这样的分布特征产生的原因可能与草本植被地上地下生物量差异，以及植物种类等因素有关，其原因还需要进一步深入研究。

图1 碱解氮Fig.1 The soil available nitrogen

图2 速效钾Fig.2 The soil available potassium

3 结 论

(1)围栏内外土壤碱解氮、速效钾含量水平空间分布特征得出，围栏内土壤碱解氮、速效钾的含量低于围栏外。由块金效应得出，围栏内外0～20 cm土壤碱解氮空间变异水平特征，围栏内块金值与基台值之比高于围栏外，说明围栏内土壤碱解氮空间变异性程度大，比值>75 %，表明系统具有较弱的空间相关性，可得出围栏内土壤碱解氮的空间变异性受结构因素影响的强度稍小于围栏外土壤碱解氮。此外还可看出围栏内外20～40 cm土壤碱解氮空间变异水平特征，围栏内土壤碱解氮的块金效应大于围栏外土壤碱解氮，比值<25 %，表明系统具有强烈的空间相关性，表明无论围栏内外，下层土壤碱解氮的空间变异性受随机性因素的影响小。围栏内外0～20 cm土壤速效钾空间变异水平特征，围栏内块金值与基台值之比高于围栏外，说明围栏内土壤速效钾空间变异性程度大，比值25 %～75 %，表明系统具有中等的空间相关性，可得出围栏内土壤速效钾的空间变异性受结构因素影响的强度小于围栏外土壤速效钾。围栏内外20～40 cm土壤速效钾空间变异水平特征，围栏内土壤速效钾的块金效应小于围栏外土壤速效钾，比值<25 %，表明系统具有强烈的空间相关性，表明无论围栏内外，下层土壤速效钾的空间变异性受随机性因素的影响小。

(2)围栏内外土壤碱解氮、速效钾含量垂直空间分布特征得出，围栏内垂直分布块金效应碱解氮、速效钾0～20 cm土层高于20～40 cm土层，表明围栏内下层土壤碱解氮、速效钾的空间变异性受结构性因素影响的强度大于上层土壤。

(3)土壤碱解氮、速效钾在水平空间分布呈现出不均匀性，围栏内土壤碱解氮、速效钾含量空间分布水平低于围栏外，而且从空间插值图来看，围栏内外0～20 cm土壤中碱解氮、速效钾含量高的位置，其20～40 cm层含量却相反。

根据草地生态系统的可持续性原理[10]，草地围封不应是无限期的。封育期过长，不但不利于牧草的正常生长和发育，反而枯草会抑制植物的再生和幼苗的形成，不利于草地的繁殖更新[11-12]；因此，草地围封一段时间后，进行适当利用，可使草地生态系统的能量流动和物质循环保持良性状态，进而保持草地生态系统平衡。封育时间的长短，应根据草地退化程度和草地恢复状况而定。

[1]卞有生,金冬霞,邵迎晖.国内为生态农业对比——理论与实践[M].北京:中国环境科学出版社,2000.

[2]杨京平.全球生态村运动述评[J].生态经济,2000(4):46-48.

[3]刘 鬯,张军连,吴文良.发达国家城郊生态村发展模式分析[J].生态经济,2005(2):43-47.

[4]曹叶飞,方光新,蒋平安,等.长期围栏封育对巴音布鲁克山地草原土壤微生物的影响[J].新疆农业科学,2008,45(2):342-346.

[5]陈灵芝.生物多样性保护现状及其对策[A]//钱迎情,马克平主编.生物多样性研究的理论与方法[M].北京:中国科学技术出版社,1994:13-35.

[6]张全国,张大勇.生物多样性与生态系统功能:进展与争论[J].生物多样性,2002,10(1):49-60.

[7]张文辉,康永祥,李 红,等.西北地区生物多样性特点及其研究思路[J].生物多样性,2000,8(4):422-428.

[8]李晓兵，王 瑛，李克让.NDVI对降水季节性和年季变化的敏感性[J].地理学报，2000,55(S)：82-89.

[9]宴 凯，史韶武.巴音布鲁克草地资源及利用[J].新疆畜牧业，1998(2)：21-23.

[10]戎郁萍,赵萌莉,韩国栋,等.草地资源可持续利用原理与技术[M].北京:化学工业出版社, 2004.

[11]程积民,邹厚远,本江昭夫.黄土高原草地合理利用与草地植被演替过程的试验研究[J].草业学报,1995,4(4):17-22.

[12]程积民,邹厚远,Akio Hongo.封育刈割放牧对草地植被的影响[J].水土保持研究,1998, 5(1):36-54.

(责任编辑 李 洁)

Effects of Long-term Fenced Enclosure on Spatial Variability of Nutrient in Subalpine Grassland

ZHOU Jian-qiu, JIA Hong-tao*

(College of Grassland and Environmental Sciences, Xinjiang Agriculture University, Xinjiang Urumqi 830052, China)

Taken long-term fencing sterile sample located in central Xinjiang Tianshan Bayinbuluke as the study area, we studied the long term effect of enclosure on the characteristics of spatial variation of soil nutrient in subalpin grassland.The results showed that: (i)Inside the fence 0-20 cm soil alkaline hydrolysis nitrogen content mean for the average nitrogen and potassium content was 107.69 and 277.53 mg/kg, respectively, while 20-40 cm soil alkaline hydrolysis and soil available potassium content was 75.22 mg/kg and 127.52 mg/kg, respectively. The coefficients of variation was 23.88 %, 29.8 %, 22.43 %, 33.74 % respectively outside the fence and inside the fence. Outside the fence 0-20 cm soil alkaline hydrolysis nitrogen content mean for the average nitrogen and potassium content was 120.77 mg/kg and 285.37 mg/kg, respectively. 20-40 cm soil alkaline hydrolysis and soil available potassium content was 83.08mg/kg and 137.36 mg/kg, respectively . The coefficients of variation was 23.58 %, 33.97 %, 29.43 %, and 42.88 % respectively outside the fence and inside the fence.(ii)In the enclosure of the upper and lower soil alkaline hydrolysis nitrogen and potassium content and the nugget-sill ratios were 100 %, 2.97 %, 41.10 %, and 0.06 %, respectively. The outside enclosure of the upper and lower soil alkaline hydrolysis nitrogen and potassium content and the nugget-sill ratios were 9.37 %, 1.75 %, 11.28 %, and 49.99 %, respectively;(iii)soil available nitrogen and potassium in the horizontal spatial distribution of heterogeneity, the inner fence, soil available nitrogen, available potassium in the spatial distribution of lower than outside the fence, and from the spatial interpolation map view. It can be seen from above that the available nitrogen content inside enclosure in the horizontal direction is less than the variation outside enclosure，the available nitrogen content of the enclosure on the lower coefficient of variation was greater than that outside enclosure, while the lower coefficient of variation was less than that of the available nitrogen content on the enclosure，outside enclosure the enclosure on the lower and higher showed a strong spatial correlation. Available potassium content horizontally within the inside enclosure was greater degree of variation in the upper-level degree of variation, and the top has a moderate spatial correlation within the enclosure. Available potassium content showed lower degree of variation within the enclosure and was less than the lower variability degree in outside enclosure. Outside enclosure lower with moderate spatial correlation, available potassium content in the upper content distribution of space and in the lower content distribution of space was opposed.

Effects of enclosure; Spatial variability; Soil available potassium; Soil available nitrogen

1001-4829(2016)07-1729-06

10.16213/j.cnki.scjas.2016.07.041

2015-06-15

国家科技支撑项目“典型脆弱区域气候变化适应技术示范”(2007BAC03A06);新疆土壤学重点学科

周建勤(1975-)，男，湖南宁乡人，博士，讲师，主要从事水土保持、生态环境演变的教学与研究工作，Tel：15022929566，E-mail：machine1229@163.com，*为通讯作者。

S812.2

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