青海省不同高寒草地土壤主要养分及可溶性有机碳特性研究

张苗苗，陈伟，林丽，张德罡*，吴玉鑫，肖海龙

(1.甘肃农业大学草业学院，甘肃 兰州 730070；2.兰州城市学院地理与环境工程学院，甘肃 兰州 730070；3.中国科学院西北高原生物研究所，青海 西宁 810001)

土壤作为草地生态系统重要的组成部分[1]，贮藏着大量的碳、氮、磷、钾等营养物质，对于植物生长起着至关重要的作用，不仅能保持土壤肥力，也对保护草地生态系统物质和能量的平衡具有重要作用[2-4]。土壤中所含有的有机碳和氮素，是草地生态系统中极为重要的生态因子[5]，一直倍受研究者的关注，成为草地生态系统可持续发展研究的核心内容之一[6-7]。研究表明，草地类型的变化可以引起许多自然因素和生态过程的变化[8]，因此草地类型是影响土壤有机碳和全氮含量的重要因素之一[9]。彭舜磊等[10]和王邵军等[11]研究发现，不同草地的土壤有机碳和全氮含量不同，这主要是由于不同草地地上植被的丰富度和覆盖度的差异，导致土壤中凋落物和根系分泌物不同，进而影响微生物对土壤养分的分解速度。不同草地类型土壤有机碳和主要养分含量差异已成为草地健康评价和可持续发展以及草地生态系统平衡研究的重要内容。

高寒草地在青海省分布广泛，是适应高原隆起与长期低温条件而形成的特殊环境[4]。其生境条件恶劣，在维持高寒区域经济发展、保护生物多样性、固持碳元素等生态功能的发挥上起到了非常重要的作用[12-13]。土壤中有机碳和养分含量的高低直接影响草地植被的生长和发育[4]。研究表明，在外界环境和人类活动的共同影响下，有机碳库的分布、累积以及循环模式发生了改变，对大气温室气体的源汇效应也会因草地类型与利用方式的不同而发生变化[14-15]。可溶性有机质是土壤中一种重要的有机质存在形态[16]，以可溶性有机碳为主[17]，是土壤有机碳库中最为活跃的部分，它能比较敏感地反映土壤有机质的变化，其质量和数量状况反映着土壤养分的有效性和流动性[18]，对草地类型变化的响应更为迅速。

本研究以青海省主要的4个高寒草地类型即高寒草甸类、高寒草甸草原类、高寒草原类和高寒荒漠类为对象，分析不同草地类型土壤有机碳、全氮、全磷、全钾、可溶性有机碳含量以及可溶性有机碳的结构特性，并通过相关性分析，探索可溶性有机碳与土壤养分、有机碳之间的联系和一致性变化规律，为高寒草地健康、可持续发展和充分发挥生态功能提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

青海省位于我国西北内陆地区，地处青藏高原东北部，其西北与干旱荒漠区连接，东部紧邻湿润季风区。全省地域广阔，草地类型丰富。平均海拔3500 m以上，境内各地区年均气温-5.6～8.9 ℃，年降水量为100～500 mm，主要集中在夏季[19]。

1.2 研究方法

1.2.1样地选择 本次研究区域主要集中在青海省境内的刚察县、玉树县和玛多县等县区，草地类型为高寒草甸类、高寒草甸草原类、高寒草原类、高寒荒漠类，草地利用方式为天然放牧(表1)。

1.2.2土壤样品采集 本次采样时间集中于2017年7-8月植物生长旺盛期。在上述4种高寒草地的典型分布区选择样地，每个样地设置一条60 m的样线，每隔20 m设1个样点，在每个样点周围重复4次采样，用土钻按0～10 cm和10～20 cm土层取样后分别混合作为一个样品，装入样袋内，带回室内风干后备用，每个样地每层共取3个土样。

表1 样地概况 Table 1 Description of sampling sites

1.2.3指标测定 土壤养分：全碳和全氮采用元素分析仪Perkin Elmer 2400Ⅱ进行测定，全磷采用钼锑抗比色法进行测定，全钾采用火焰光度法进行测定，无机碳采用土壤碳酸盐测定仪Eijkelkamp Calcimeter进行测定。有机碳含量(soil organic carbon, SOC)=全碳含量-无机碳含量[20]。

土壤可溶性有机碳(soluble organic carbon, DOC)：提取按照Zhang等[21]的方法进行。将过2 mm筛的风干土样3 g与30 mL去离子水混合均匀(水∶土=10∶1)，在恒温振荡器上25 ℃震荡60 min，悬浊液以4000 r·min-1的速度离心20 min，上清液过0.45 μm滤膜。利用总有机碳分析仪(vario TOC SELECT)测定可溶性有机碳的含量。

芳香性指数(aromaticity index, AI)：紫外-可见光光谱测定采用紫外-可见光分光光度计(UV-2450)进行扫描。样品在波长254 nm处的吸收值(UV254)可用于计算芳香性指数(AI)，计算公式为：AI=(UV254/DOC)×100[18]。

腐殖化指数(humus index, HIX)：荧光光谱分析采用荧光分光光度计(RF-5301PC)。选择激发波长在254 nm处，对280～500 nm的发射波长进行扫描，从荧光强度曲线和发射光谱435～480 nm与300～345 nm所包围面积的比值计算腐殖化指数[22]。

1.3 数据分析处理

采用Excel 2010和SPSS 19.0软件分析处理数据并制图。采用单因素方差分析法比较不同类型高寒草地土壤养分、有机碳、可溶性有机碳及其结构特性之间的差异显著性，用双变量Person相关系数法比较土壤可溶性有机碳与土壤养分、有机碳含量之间的相关性(α=0.05)。

2 结果与分析

2.1 土壤养分含量

不同类型高寒草地0～10 cm土层中，土壤全氮含量由高到低的顺序为高寒草甸>高寒草甸草原>高寒草原>高寒荒漠，且不同类型之间差异显著(P<0.05)。土壤全磷含量高寒草甸显著高于其他3种草地类型(P<0.05)，高寒荒漠、高寒草甸草原和高寒草原0～10 cm土层中全磷含量差异不显著(P>0.05)。土壤全钾含量高低顺序为高寒荒漠>高寒草甸草原>高寒草原>高寒草甸，且不同类型之间差异显著(P<0.05)(表2)。

不同类型高寒草地10～20 cm土层中，土壤全氮含量的高低顺序为高寒草甸>高寒草甸草原>高寒草原>高寒荒漠，且不同类型之间差异显著(P<0.05)。土壤全磷含量高寒荒漠显著高于高寒草原(P<0.05)，其余各草地类型间土壤全磷含量差异不显著(P>0.05)。土壤全钾含量的高低顺序为高寒荒漠>高寒草甸草原>高寒草原>高寒草甸，且不同类型之间差异显著(P<0.05)(表2)。

随着土层的加深，不同养分含量变化存在差异。高寒草甸、高寒草甸草原和高寒荒漠土壤全氮含量均呈现出0～10 cm显著高于10～20 cm土层的变化趋势(P<0.05)，高寒草原土壤变化趋势刚好相反。全磷含量除了高寒草甸土壤表现出0～10 cm土层显著高于10～20 cm土层外(P<0.05)，其他草地类型随着土层的加深变化不显著(P>0.05)。高寒草甸0～10 cm土层全钾含量显著高于10～20 cm土层(P<0.05)，其他草地类型随着土层的加深变化不显著(P>0.05)(表2)。

不同土层深度下，高寒草甸和高寒草甸草原土壤全氮含量均较高，高寒草原次之，高寒荒漠最低。全磷含量在不同土层和不同草地类型间表现出的差异性较小。高寒荒漠土壤全钾含量较高，高寒草甸土壤全钾含量则较低(表2)。

表2 不同类型草地土壤全氮、全磷、全钾含量 Table 2 Content of soil total N, P and K of different grassland types (mean±SD, n=3) (%)

注：同列不同大写字母表示0～10 cm土层差异显著(P<0.05)，不同小写字母表示10～20 cm土层差异显著(P<0.05)，*表示同一草地类型不同土层间差异显著(P<0.05)。

Note：The values with different capital letters in the same column indicate significant difference at 0.05 level in 0-10 cm layers while small letters in the same column indicate significant difference between different grassland types at 0.05 level in 10-20 cm layers, * indicates significant difference at 0.05 level between different layers in the same grassland type.

2.2 土壤有机碳含量

随着土壤深度和草地类型的变化，不同草地类型土壤有机碳含量在0～10 cm和10～20 cm土层由高到低的排列顺序是一致的，依次是高寒草甸>高寒草甸草原>高寒草原>高寒荒漠，且不同类型之间差异显著(P<0.05)。高寒草甸、高寒草甸草原土壤有机碳含量随着土层的加深显著降低(P<0.05)(图1)。

2.3 土壤可溶性有机碳含量及其结构特性

在0～10 cm土层中，不同类型草地土壤可溶性有机碳含量从高到低排序为高寒草甸>高寒草甸草原>高寒草原>高寒荒漠，除了高寒草原和高寒荒漠土壤可溶性有机碳含量差异不显著外(P>0.05)，其余各草地类型间土壤可溶性有机碳含量均差异显著(P<0.05)(图1)。在10～20 cm土层中，不同类型草地土壤可溶性有机碳的含量从高到低的顺序为高寒草甸>高寒草甸草原>高寒草原>高寒荒漠，且不同类型之间差异显著(P<0.05)。随着土层加深，高寒草甸土壤可溶性有机碳显著降低(P<0.05)，其余3种高寒草地类型土壤可溶性有机碳均显著升高(P<0.05)。

不同土层中，土壤可溶性有机碳的芳香性指数和腐殖化指数从高到低的顺序均为高寒草甸>高寒草甸草原>高寒草原>高寒荒漠。各草地类型0～10 cm土层的芳香性指数均显著高于10～20 cm土层(P<0.05)(图1)。高寒草甸和高寒草甸草原0～10 cm土层腐殖化指数显著低于10～20 cm土层(P<0.05)，高寒草原和高寒荒漠0～10 cm土层腐殖化指数则显著高于10～20 cm土层(P<0.05)。

图1 不同类型草地土壤有机碳、可溶性有机碳含量、芳香性指数和腐殖化指数Fig.1 Content of soil organic carbon, soluble organic carbon, aromaticity index and humus index of soil soluble organic carbon in different types of alpine grasslands (mean±SD, n=3) 误差线为标准差。不同大写字母表示0～10 cm土层差异显著(P<0.05)，不同小写字母表示10～20 cm土层差异显著(P<0.05)，*表示同一草地类型不同土层间差异显著(P<0.05)。Error bar means standard deviation. Different capital letters indicate significant difference at 0.05 level in 0-10 cm layers while small letters indicate significant difference at 0.05 level in 10-20 cm layers, * indicates significant difference at 0.05 level between different layers in the same grassland type.

2.4 可溶性有机碳含量与土壤养分、有机碳的关系

将不同高寒草地类型土壤可溶性有机碳含量与土壤养分、有机碳含量之间进行相关性分析可以看出，在0～10 cm土层中，不同高寒草地土壤可溶性有机碳与土壤全氮、全磷和有机碳含量之间均呈显著正相关关系(P<0.05)，与全钾含量之间的相关性不显著(P>0.05)(图2)。

图2 不同类型草地0～10 cm土壤可溶性有机碳与全氮、全磷、全钾以及有机碳之间的关系Fig.2 Correlation between soil soluble organic carbon and total N, P, K and soil organic carbon in 0-10 cm soil layers of different types of alpine grasslands

在10～20 cm土层中，不同高寒草地土壤可溶性有机碳与土壤全氮和有机碳含量之间呈显著正相关关系(P<0.05)，与全磷和全钾含量之间相关性不显著(P>0.05)(图3)。

3 讨论

土壤有机碳和全氮含量是衡量土壤肥力的重要指标，主要受气候、植被等因素的影响[23]。高寒草甸、高寒草甸草原、高寒草原和高寒荒漠同属于高海拔地区、气候寒冷条件下的草地类型，但由于具体的海拔、植被类型、温湿度等综合气候因素不同，其土壤养分、有机碳等的含量及他们在不同土层上的分布均有差异。高寒草甸和高寒草甸草原是在高寒偏湿润气候条件下发育形成的草地类型，降水量相对于高寒草原和高寒荒漠较高，海拔较低，植被种类较多，盖度大，能够较大程度地为土壤输送养分。高寒草甸和高寒草甸草原各土层土壤中全氮和有机碳含量均较高。相反，高寒草原和高寒荒漠土壤中全氮和有机碳含量则较低。顾振宽等[24]研究表明，高寒草甸土壤中有机碳和全氮含量较高，而荒漠化草原由于土壤比较干燥，且植物稀疏，种类较少，所以有机碳和全氮含量低。从土壤有机碳和全氮含量情况来看，高寒草甸、高寒草甸草原、高寒草原和高寒荒漠依次呈现出植被种类逐渐减少，盖度逐渐降低的趋势，这种情况可以类比为同一草地类型的不同退化阶段，当土壤养分的空间异质性发生改变的时候，生态系统的功能也会发生一定程度的改变，从而一定程度上揭示出草地发生退化的趋势[25]。

随着土层的加深，高寒草甸、高寒草甸草原和高寒荒漠土壤中全氮和有机碳含量呈降低趋势，这与顾振宽等[24]、王清奎等[26]、何贵永等[27]、青烨等[28]的研究结论一致。主要原因可能在于土壤上层集中了大量的植物根系、凋落物和死亡的植物残体，微生物活性较强，养分含量丰富。随着土层的加深，养分来源逐渐减少，使得全氮和有机碳含量逐渐降低。

不同高寒草地土壤全磷和全钾含量变化规律无一致性。高旭升等[29]在对三江源区高寒草原草地不同退化程度土壤养分变化的研究中指出，随着草地退化程度的增加，土壤全磷含量变化较小，不能作为草地退化的主要指标依据。由此看出，土壤全磷在外部条件发生变化时的反应不够敏感。土壤全钾含量可能更大程度上与成土母质有关，具体影响因素还有待进一步研究。

可溶性有机碳是土壤有机碳中极小的一部分[30]，因其容易被土壤微生物分解，在为土壤提供养分方面起着重要作用，所以成为土壤中重要的活性碳库和养分库，能更敏感地反映不同草地类型间养分与质量状况[17,26]。从总体上来说，4种高寒草地土壤可溶性有机碳含量高低顺序与土壤有机碳和全氮含量高低顺序一致，且与土壤全氮、有机碳之间均呈显著正相关关系(P<0.05)，说明土壤养分是影响土壤可溶性有机碳含量的主要因素。这与李明堂等[31]、刘翥等[32]结论一致，但与董扬红等[33]的研究结论不完全一致，更深层次的原因剖析还有待进一步研究。同时，由于高寒草甸和高寒草甸草原土壤湿润度较高，也可能是导致其土壤可溶性有机碳含量较高的原因之一。有研究表明，土壤在含水量较高的条件下，团聚体分散导致土壤有机碳溶出，从而提高土壤可溶性有机碳浓度[34-37]。高寒草甸和高寒草甸草原以禾本科植物为主，分布到土壤中的细根较多，含有的木质素、纤维素少，较简单的可溶性有机碳含量高。而以半灌木为主的高寒荒漠土壤中则聚积的根系较粗，含有的木质素等难分解的物质较多，可溶性有机碳含量低。从不同土层深度条件来看，除了高寒草甸外，其他3种草地土壤可溶性有机碳含量均是10～20 cm土层大于0～10 cm土层，这与目前部分研究结果不完全一致[38]，可能与土壤中可溶性养分的向下淋溶有关。

本研究结果表明，高寒草甸土壤可溶性有机碳的芳香性指数和腐殖化指数均较高，而高寒草原和高寒荒漠土壤则较低，说明高寒草甸土壤可溶性有机碳含有较多数量的包括芳香性化合物在内的具有不饱和碳碳双键的化合物，同时具有更高的腐殖化程度，高寒草原和高寒荒漠可溶性有机碳结构较简单，腐殖化程度不高。土壤腐殖化的前提是有机质分解成简单的有机化合物及中间产物，在一定条件下转化成更复杂的、稳定的、特殊的高分子有机化合物[39]。高寒草原、高寒荒漠所处环境海拔高，温度低，微生物活动受限，不利于有机质的分解，无法为土壤腐殖化过程提供足够的中间产物，植被为了完成生命周期，将大量小分子营养物质吸收利用，能够用来进一步转化的物质较少，在有机质腐殖化过程中也需要大量微生物的参与，这可能是高寒草原和高寒荒漠土壤可溶性有机碳芳香性指数和腐殖化指数较低的原因。

4 结论

综上所述，不同类型高寒草地土壤全氮、全磷、全钾、有机碳、可溶性有机碳及其特性各有不同。高寒草甸和高寒草甸草原土壤有机碳、养分和可溶性有机碳含量较高，土壤有机质结构复杂，对抵抗微生物分解、稳定土壤肥力、固持碳素具有极其重要的作用，而高寒草原和高寒荒漠土壤的有机碳、养分和可溶性有机碳不仅含量较低，有机质的结构也更加简单，抗干扰能力弱。因此，在草地保护和利用过程中需要根据这一特征采取相应的技术措施。