甘南州高寒草地土壤氮磷空间分布特征

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(1.兰州大学资源环境学院西部环境教育部重点实验室，甘肃 兰州 730000；2.兰州大学草地农业生态系统国家重点实验室,兰州大学农业农村部草牧业创新重点实验室,兰州大学草地农业科技学院,甘肃 兰州 730020)

甘南藏族自治州处于青藏高原东北边缘与黄土高原的接壤地带，天然草地面积约281.53万hm2，占甘南州总土地面积的70.28%，可利用草地面积约265.26万hm2，占牧区总草地面积的94.22%，草场植被覆盖率达85%以上，是甘肃省重要的畜牧业生产基地[1]。草地生态系统中的土壤生态系统本身具有复杂性和滞后性，环境、生物、人类生产活动等因素都对土壤化学特性产生重要的影响。在草原生态系统中，“土-草-畜”是相互联系不可分离的矛盾统一体[2]。草地是生产生物量的基础，可以储存动植物生长所需要的营养，同时也是动植物体分解、循环的场所；土是草和牲畜生长、繁衍的承载体，草和牲畜的活动会影响土壤的理化性质(如动物的采食过程)，而土壤理化性质的改变或多或少会影响草地动植物的生长发育。研究土壤的理化性质，对遏制草地退化、维护草地生态系统平衡、促进草地畜牧业的可持续发展具有极为重要的意义。

土壤氮磷是草地管理、养分循环和生态系统健康维护的重要生态因子。作为土壤养分的重要组分，土壤氮磷含量的多寡会影响土壤中微生物数量、凋落物分解速率及土壤有机碳和养分的长期积累[3]。土壤全氮、全磷含量反映了土壤供给草地植被所需养分的潜力，是衡量土壤肥力的重要指标[4]。当前，有关放牧强度对草地理化性质的研究较多，主要是在不同类型的草地上实验，根据不同程度、不同季节的放牧过程，对草地土壤理化性质进行研究分析[5-6]。除此之外，一些学者着重于研究人类生产活动(如围栏、翻耕)对草地土壤养分的影响[7]以及高寒草地在不同演替阶段土壤氮磷的变化[8]。也有些学者对不同退化程度高寒草地的土壤特征进行研究[9-10]，以期揭示高寒草地退化的特点，从而为高寒草地生态系统的恢复治理提供科学依据。然而海拔、植被覆盖、土壤类型等都可能会影响草地氮磷的分布，不同地区需区别对待。

本研究主要以甘南地区为对象，研究该地区草地全氮、全磷含量的空间分布(样地间及垂直)特征，并将其与土壤碳氮磷化学计量比、土壤有机质及土壤含水量做相关性分析，最后分析不同海拔梯度、不同土层深度下土壤全氮、全磷的变化特征，旨在通过对甘南州高寒草地土壤化学性质的研究，维护草地生态系统的稳定，使草地生态系统的物质循环与能量流动保持相对平衡，从而达到草地资源的可持续发展利用。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

图1 甘南高原草地采样点分布Fig.1 Spatial distribution of the sampling plots on Gannan plateau

甘南藏族自治州位于甘肃省西南部，地处青藏高原与黄土高原过渡地带，行政区划范围为北纬33°06′-36°10′，东经100°46′-104°44′。东亚季风区、西北干旱区及青藏高原高寒区三大地区在此交汇，地势由西北向东南逐渐降低，海拔为1100～4900 m，大部分在3000 m以上[11]。甘南属于高原大陆性气候，年平均气温为1～13 ℃，年降水量为400～800 mm。甘南草地面积约为281.53万hm2,占甘肃省总土地面积的70.28%。该地区是甘肃省重要的畜牧业生产基地，也是全国主要少数民族集聚的草原牧区之一[12-13]，被誉为“亚洲最优良的牧场之一”，对于维护长江和黄河源头乃至中下游地区的生态安全与经济社会的可持续发展有重要的意义[14]。甘南土壤类型的分布与海拔存在一定关系，随海拔升高，土壤类型依次为山地栗钙土、山地黑钙土、褐土、棕壤、暗棕壤、草甸土、沼泽土、亚高山草甸土以及高山草甸土。

1.2 野外采样与实验设计

在甘南地区范围内选取典型样地，样地主要选择在地势平坦且能代表大范围草地分布状况的区域(图1)。于2015-2017年6-9月对甘南藏族自治州进行野外考察和土壤样品采集，最终完成57个样点的采样，且采样点均分布在利用草地上。每个样点分别取0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm和30～40 cm的4种不同深度土样。按“十字型”布设5个样方，设置5次重复，将相同土层的重复样品混合装袋，采用GPS定位坐标，同时记录样地的基本特征信息。将新鲜土样装入已编号的自封袋带回实验室，捡掉植物残体、石砾等，室内风干、磨细后分别过0.15、0.25 mm的土筛，用于土壤理化性质的测定。

土壤养分测定采用常规分析方法[15]。土壤全氮、全磷经实验预处理后使用全自动化学分析仪(Smartchem_200)测定；土壤有机碳用重铬酸钾容量法-外加热法；土壤含水量用烘干法(110 ℃烘8 h)测定；土壤碳氮比、氮磷比通过土壤养分测定的数据计算化学计量比。

1.3 数据分析

用Microsoft Excel 2010对实验数据进行基本计算和作图，计算不同土层深度土壤全氮、全磷数据的基本信息(包括最大值、最小值、均值等)及其与海拔之间的关系。利用IBM SPSS Statistics 19统计软件对全氮、全磷、有机质、氮磷比、碳氮比、土壤含水量进行Pearson简单相关分析，并制作不同土层深度的相关系数矩阵。使用ArcGIS 10.2软件进行反距离权重插值，制出全氮、全磷的水平分布图和垂直分布图。

2 结果与讨论

2.1 甘南高寒草地土壤氮磷的空间分布特征

2.1.1甘南高寒草地土壤氮磷的水平分布特征 为直观反映土壤全氮、全磷在甘南高寒草地的空间分布格局，基于反距离权重插值方法对表层(0～10 cm)土壤全氮、全磷进行插值，生成甘南高寒草地土壤全氮水平分布图、全磷水平分布图， 来分析全氮、 全磷的区域变化趋势。 养分含量的分级标准依据全国第二次土壤普查土壤养分分级标准[16](表1)进行。

表层土壤空间分布趋势：表层全氮含量由西南向东北、由西向东逐渐降低。表层全磷的分布格局与全氮相似，呈西南向东北、从西向东南降低的趋势。结合全国第二次土壤普查养分分级标准，从图2、3中可以看出，甘南地区表层全氮含量很丰富，尤其是东南地区，仅少数地区缺乏；表层全磷含量总体上属中等水平，丰富地区主要位于东南。土壤全氮、全磷空间分布格局的形成与土壤本身结构、质地和地形地貌密切相关[17]。甘南地区海拔在西南较高，从西向东、由北向南逐渐减低，其与全氮、全磷水平分布的空间格局有一定相似性。

表1 全国第二次土壤普查养分分级标准Table 1 Nutrient grading standard in the national second soil survey (g·kg-1)

图2 土壤全氮水平分布Fig.2 Level distribution of soil total nitrogen

图3 土壤全磷水平分布Fig.3 Level distribution of soil total phosphorus

从均值来看，表层土壤中的全氮、全磷含量都显著高于下层土壤，30～40 cm土层全氮、全磷含量最少。这是因为氮素主要分布于生物活动区，尤其是植物根系分布区(0～10 cm)，土壤中的氮素95%以上以有机氮的形式存在于土壤表层[18]。放牧家畜通过采食、践踏、排泄等行为直接或间接地影响土壤中氮的含量[19]；土壤全磷包括速效磷、有机磷、无机磷和微生物磷。磷素主要来源于成土母质和动植物残体归还，其含量还要受土壤类型和气候条件的影响[20]。

变异系数(coefficient of variation，CV)能表示空间变异程度的大小。土壤变异性的分级标准，即CV≤10%时为弱变异性，10%100%时为强变异性。从表2中可以看出，全氮、全磷在0～40 cm的土层中均具有中等变异性。土壤全氮在0～20 cm土层变异程度降低，在20～40 cm土层变异程度增加。土壤全磷的变异程度随土层深度的增加而增加。同一土层深度，土壤全氮的水平变异性都较全磷显著，尤其是在30～40 cm这一层次全氮变异性最强，变异系数高达68.5%，这可能与氮素淋失、沉积作用或地质埋藏作用有关；全磷在0～10 cm变异性最弱，仅为19%，表明磷素在表层分布较为均一，这可能与表层的成土母质有关。

2.1.2甘南高寒草地土壤氮磷的垂直分布特征 为反映不同土层深度全氮、全磷的整体变化趋势及空间分布格局，基于反距离权重插值方法对0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm和30～40 cm深度的土壤全氮、全磷进行插值，生成土壤全氮垂直分布图(图4)和土壤全磷垂直分布图(图5)。

表2 甘南高寒草地土壤全氮、全磷的水平变异性Table 2 The level variability of total nitrogen and total phosphorus in Gannan plateau

图4 土壤全氮垂直分布Fig.4 Vertical distribution of soil total nitrogen

从图4、5可以发现，随着土层深度的增加，全氮、全磷含量呈递减趋势，表层全氮、全磷含量显著高于深层土壤，普遍存在表面聚集现象，表2中均值的变化也显示出同样的趋势。相关研究表明，土壤全氮、全磷含量随剖面深度的增加呈现降低趋势是土壤养分空间分异的重要特征之一。在空间分布上，各土层深度全氮、全磷含量皆呈西南向东北递减的趋势，且西南部的变化幅度高于东北部，东部地区全氮含量的变化相对处于稳定的状态。部分地区土壤全氮含量随土层深度增加骤然回升，这可能与该地区氮素淋失或地质沉积作用有关[21]。

甘南地区表层全氮含量丰富，随土层深度变化含量有所降低。相较于表层，10～20 cm土层深度仅中部有极少地区全氮含量属中等和缺乏，至20～30 cm范围扩大，到30～40 cm深度面积达最大。其他地区尽管全氮含量随深度变化而变化，但由表1的分类标准来看，这些地区的全氮含量仍然很丰富。表层全磷含量整体属于中等水平，仅东南部少数地区含量丰富。10～20 cm中部偏东南的一些区域全磷含量缺乏，至20～30 cm深度全磷含量缺乏的范围进一步扩大，北部一些地区也出现缺乏。至30～40 cm土层深度，东南部、西部大多数地区全磷含量缺乏，甚至很缺乏。东部和东南部地区，全磷含量一直处于中等水平，变化不明显。

图5 土壤全磷垂直分布Fig.5 Vertical distribution of soil total phosphorus

2.2 甘南高寒草地氮磷与N/P、C/N、土壤有机质和土壤含水量的关系

土壤碳氮磷化学计量比(C∶N∶P)是土壤生态计量学中的重要指标，是指土壤中碳素与氮素、磷素总质量的比值，可用于研究生物与土壤之间的关系以及土壤中碳、氮、磷元素的循环[22]。土壤氮磷比(N/P)会影响植被空间分布从而产生植被分布的差异性。准确分析草地氮磷比的空间异质性，对合理利用草地、改善土壤环境和指导农牧业生产具有重要的意义[23]。土壤碳氮比(C/N)是表征土壤氮矿化能力的指标，C/N值较低表示有机质矿化作用较快，此时的土壤环境有利于微生物在有机质分解过程中的养分释放，从而促进土壤中有效氮含量的增加。土壤中全氮的95%和全磷的40%～60%来源于土壤有机质。作为土壤主要的养分指标，有机质含量的多寡会直接或间接地影响土壤的物理性状(如土壤容重、孔隙度)和化学性状，除此之外，其变化状况可以用来指示土壤的退化状况。受多重因素的影响(如温度、降水、植被)，有机质具有十分复杂的动态转化过程[24]。

Huang[25]研究发现，中国土壤C/N平均值为10～12，Post等[26]研究表明，高寒地区表层土壤C/N均值为17.40。本研究中，0～10 cm土层深度的C/N均值为13.52，10～20 cm土层深度的C/N均值为12.37，20～30 cm土层深度的C/N均值为12.42，30～40 cm的均值为15.67，均大于12的平均水平，表明甘南高原土壤的C/N高于全国平均水平。表层土壤的C/N小于17.40，这可能与甘南地区特殊的地理位置、气候条件及表层植被类型有关，有待于进一步的研究。

由Pearson相关分析(表3～6)可知，甘南草地土壤全磷在0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm土层深度与全氮呈极显著正相关(P<0.01)，其相关系数分别为：0.591、0.356、0.273。随深度的增加全氮与全磷的相关系数逐渐降低，至30～40 cm深度不具有显著的相关性。土壤N/P值与土壤全氮呈极显著正相关关系，与土壤全磷含量相关性不显著，说明甘南草地土壤N/P值主要取决于土壤中的氮含量。土壤C/N值与土壤全氮呈显著负相关关系(P<0.05)，且随土层的增加相关系数在0～30 cm增加，在30～40 cm深度有所下降，总体呈先升后降的趋势。说明以30 cm为转折点，全氮对C/N值的作用减弱。

表层土壤有机质含量与全氮、全磷和N/P皆呈显著正相关关系，且相关程度分别为：全氮>N/P>全磷；在10～20 cm深度，有机质与全氮仍是极显著正相关关系但相关系数变小，与N/P呈显著正相关，与磷没有显著关系；在20～30 cm深度，有机质与全磷呈显著正相关，与全氮、N/P不具显著相关关系。至30～40 cm深度，有机质和全氮、全磷、N/P皆不具显著相关性。 在各土层深度， 有机质含量皆与土壤含水量呈极显著正相关， 但是在20～30 cm深度相关性突然降低，相关系数为0.68，其原因主要是在放牧的影响下，土壤被牲畜踩实，通气性减弱，降水后水分下渗缓慢，使0～20 cm深度土壤含水量丰富，至20～30 cm深度土壤含水量减少[27-28]。

表3 0～10 cm土壤氮、磷与N/P、C/N、有机质和土壤含水量的相关系数矩阵Table 3 Correlation coefficient matrix among TN, TP, N/P, C/N, organic matter and soil moisture content at 0-10 cm depth

注：**表示两种因子的相关性达到极显著水平(P<0.01)；*表示两种因子的相关性达到显著水平(P<0.05)。下同。

Note: ** indicate very significant correlation (P<0.01); * indicate significant correlation (P<0.05). The same below.

表4 10～20 cm土壤氮、磷与N/P、C/N、有机质和土壤含水量的相关系数矩阵Table 4 Correlation coefficient matrix among TN, TP, N/P, C/N, organic matter and soil moisture content at 10-20 cm depth

注：因实验数据原因，10～20 cm土壤氮、磷在做相关性分析时只使用56个样点。

Note: There only 56 samples were used for the correlation analysis at 10-20 cm soil depth owing to the experimental data.

表5 20～30 cm土壤氮、磷与N/P、C/N、有机质和土壤含水量的相关系数矩阵Table 5 Correlation coefficient matrix among TN, TP, N/P, C/N, organic matter and soil moisture content at 20-30 cm depth

注：因实验数据原因，20～30 cm土壤氮、磷在做相关性分析时只使用55个样点。

Note: There only 55 samples were used for the correlation analysis at 20-30 cm soil depth owing to the experimental data.

表6 30～40 cm土壤氮、磷与N/P、C/N、有机质和土壤含水量的相关系数矩阵Table 6 Correlation coefficient matrix among TN, TP, N/P, C/N, organic matter and soil moisture content at 30-40 cm depth

2.3 甘南高寒草地全氮、全磷与海拔的关系

基于甘南地区DEM数字高程模型并结合图4、5，对不同海拔梯度下土壤的全氮、全磷进行分析，结果表明在0～40 cm土层中，土壤全氮、全磷的最小值、最大值和平均值等指标皆随海拔升高而降低，说明甘南草地土壤全氮、全磷含量均随海拔升高而降低(表7)。同一海拔，全氮、全磷含量随土层深度的增加变异系数呈增加的趋势。表层全氮含量由西南向东北、由西向东逐渐降低。表层全磷的分布格局与全氮相似，呈西南向东北、从西向东南降低的趋势。全氮、全磷的空间分布与甘南海拔西南高、西北向东南降低的空间分布有一定的相似性，这说明土壤全氮、全磷空间格局的形成与地形地貌密切相关[29]。土层越深，全氮的变异性越高，这一趋势可能受到海拔高度、水热条件和人为条件(如放牧)等因素的共同影响而引起；全磷的变异性也随海拔的升高而升高，主要是因为磷素主要来源于成土母质和动植物残体归还，其含量受土壤类型和气候条件的影响。

表7 甘南高寒草地不同海拔梯度下的土壤全氮、全磷Table 7 Soil total nitrogen and total phosphorus on Gannan plateau under different altitude and soil layers

注：“/”左边为全氮数据，右边为全磷数据。为确保每个海拔范围内样点数量一致，故以3180、3430、3470 m为划分节点。

Note: The left of “/” symbol is the total nitrogen data and the right side is the total phosphorus data. To ensure the suitable samples in every elevation range, there were three division points which were 3180, 3430, 3470 m, respectively.

3 结论

本研究基于野外实测数据并结合GIS技术，对甘南地区草地全氮、全磷含量的空间分布特征(包括样地间与垂直分布)进行分析，结果表明全氮、全磷在0～40 cm的土层中均具有中等变异性。土壤全氮在0～20 cm土层变异程度降低，在20～40 cm土层变异程度增加。土壤全磷的变异程度随土层深度的增加而增加。同一土层深度，土壤全氮的水平变异性都较全磷显著。随着土层深度的增加，全氮、全磷含量呈递减趋势，表层全氮、全磷含量显著高于深层土壤。本研究结果与干友民等[30]对川西不同退化程度草地土壤养分含量的研究一致，随土壤剖面深度加深，土壤氮、磷含量逐渐下降，全磷含量下降不明显。为明确甘南高寒草地全氮、全磷空间分布特征，对采样点数据进行反距离权重插值，插值结果表明甘南高寒草地表层全氮含量由西南向东北、由西向东逐渐降低。表层全磷的分布格局与全氮相似，呈西南向东北、从西向东南降低的趋势。在此基础上，将全氮、全磷与N/P、C/N、有机质、土壤含水量做相关性分析，结果显示甘南高寒草地土壤全磷在0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm土层深度与全氮呈极显著正相关，随深度的增加全氮与全磷的相关系数逐渐降低，至30～40 cm深度不具有显著的相关性。土壤N/P与全氮呈极显著正相关关系，与全磷含量相关性不显著。甘南地区表层土壤的C/N值为15.67，低于高寒地区C/N均值17.40的水平，但高于中国土壤C/N均值10～12的水平。表层土壤有机质含量与全氮、全磷和N/P皆呈显著正相关(P<0.05)，且相关程度分别为：全氮>N/P>全磷。在各土层深度，有机质含量皆与土壤含水量呈极显著正相关(P<0.01)。从全氮、全磷水平分布图及甘南DEM数字高程图上可以发现两者之间有一定的关系，在分析后可以发现，甘南高寒草地土壤全氮、全磷含量均随海拔升高而降低。同一海拔高度，全氮、全磷含量随土层深度的增加变异系数呈增加的趋势。