经纬度对中国野生狗牙根土壤养分的影响

2019-11-19王苗利张靖雪郭志鹏管永卓郭玉霞严学兵

草原与草坪 2019年5期

王苗利，张靖雪，郭志鹏，曲根，管永卓，郭玉霞，严学兵

(河南农业大学牧医工程学院，河南郑州 450002)

随着经济的发展，人们对环境的要求日益提高，使我国的草坪业得到了前所未有的发展。狗牙根(Cynodondactylon)原产于非洲，在热带、亚热带以及温带沿海地区均有分布。在我国狗牙根主要分布于新疆、青海、吉林、甘肃、河北，黄河流域及以南地区[1]。因具有生长速度快、再生能力强、抗旱、耐热、成坪快、耐践踏、质地纤细和色泽良好等优点，被广泛应用于运动场、游憩场、公园及固土护坡[2]。

土壤作为植物赖以生存的基础，土壤质量的好坏影响植物的生长。首先，土壤中储藏着大量的有机质、氮、钾、钙、镁、磷等营养物质；其次，土壤养分对植物有着非常重要的作用，它可以通过影响植物种群的构成从而间接的影响着其他物种，它决定着生态系统的结构，功能和生产力水平[3-4]。土壤养分含量是反映土壤质量的一个重要指标[5-6]。土壤的养分分布特征与气候、水分、经纬度、海拔以及人为干扰等多种因素有关[7-8]，且在不同环境条件下，由于影响土壤养分的因素不同，使土壤养分存在明显的空间变异性[9-11]。Franzluebbers等[12]评价了4种不同气候条件下土壤微生物碳与矿质碳、氮含量的差异，认为年均温度对土壤生态特征的影响大于降水量。王博等[13]认为海拔的变化会引起土壤微气候(温度、光照、水分、风力等)的改变，其对应的植被类型也会发生相应的变化。从而使土壤养分含量发生变化。王云全等[14]研究表明，成土母质、土壤类型及土地利用方式等是氮磷钾空间变异特征的主要影响因素。土壤pH作为土壤十分重要的一个基本参数，其大小值是由母质、生物、气候等多种因素决定的[15-17]，并对植物的生长发育具有重要的影响。

前人对狗牙根的抗旱性及种质资源的研究较多且较为深入[18-19]，但有关土壤对狗牙根分布和生长的影响研究较少。对我国野生狗牙根土壤养分受地理位置特别是经纬度影响的变化规律亟待揭示。以不同经纬度的27个地区的狗牙根土壤为材料，研究了狗牙根土壤养分随经纬度的变化规律，对全面认识中国野生狗牙根广泛分布的土壤基础有重要的理论意义和现实意义。

1 材料和方法

1.1 样地设置与土壤样品采集

于2016年8月在沿不同经纬度的27个地区对狗牙根根部土壤进行取样，每隔100 km用全球定位系统(Global Positioning System,GPS)确定采样地点，样点基本涵盖了中国狗牙根在不同经纬度连续分布的范围，同时收集27个采样地点气象站的年平均温度(MAT)与年平均降水量(MAR)等气象资料(表1)。在选择的区域去除表层的枯枝落叶，挖土取样。每个地区的样方大小均为5 m×5 m,在每个样方内进行5次随机取样，采集野生狗牙根表层土壤(0～20 cm)样品，将5次样品混合作为样方的最终样装入自封袋中带回实验室。在实验室自然风干，过筛后进行化学分析。

1.2 土壤养分测定方法

测定了8个狗牙根土壤理化指标，分别为全氮、碱解氮、有机质、速效钾、交换性钙、交换性镁、有效磷以及pH值，土壤理化指标的测定主要参照鲍士旦[20]的土壤农化分析方法。土壤全氮(TN)的测定采用半微量凯氏定氮法；碱解氮(AN)采用碱解扩散法测定；有机质(OM)采用重铬酸钾外加热法测定；速效钾(AK)采用1 mol/L 乙酸铵浸提后，用XSP元素分析仪测量；土壤交换性钙，交换性镁含量用原子吸收分光光度计测定；有效磷(AP)的测定采用Olsen法；pH采用(水土比2.5∶1)测定。

1.3 数据分析

采用Excel 2003进行数据处理，并用SPSS 22.0统计分析了不同经纬度土壤养分的平均值(Mean)、标准差(SD)以及变异系数(CV%)。用Pearson系数分析了土壤养分与经纬度及其气候因子的相关性。在分析不同经纬度狗牙根土壤养分综合质量时运用回归分析进行拟合，得出不同经纬度土壤养分综合质量的最优标准回归方程。根据狗牙根土壤的特点，选取土壤全氮、碱解氮、速效钾、有效硫、有效磷、交换性钙、交换性镁构成评价因子，对各个土壤养分质量指标值Qi采取加乘法进行合成并计算[21]：

(1)

式中：Qi为土壤养分质量综合指标值；Wi为各评价因子的权重向量；Q(xi)为各评价因子的得分值。Q(xi)采用如下方法确定[21]。

xi≤ximinQ(xi)=xi/ximin[Q(xi)<1]差

ximin

ximid

xi>ximaxQ(xi)=3[Q(xi)=3] 优

式中：xi为养分因子测定值；ximin、ximid、ximax为各级分级标准；Q(xi)为各测定因子的得分值。并用主成分分析和Pearson相关分析探讨了经度、纬度、气温、降水对狗牙根土壤的单个养分因子以及养分综合质量的影响。

2 结果与分析

2.1 不同经、纬度范围狗牙根土壤养分的变化规律

土壤有机质、全氮、碱解氮、速效钾、有效磷、交换性钙、交换性镁的变异系数在不同经度以及不同纬度地区差别较大，在不同经度地区，其变异系数均在27%以上，而在不同纬度地区这些指标的变异系数均在33%以上。养分含量指标的变异系数在不同经度与不同纬度地区的排序也不相同。在不同经度地区，变异系数大小排序为有效磷>交换性镁>速效钾>交换性钙>有机质>全氮>碱解氮>pH，在不同纬度地区变异系数大小排序为有效磷>有机质>碱解氮>交换性镁>交换性钙>速效钾>全氮>pH。对于土壤pH值，无论在经度地区还是在纬度地区，pH的变异系数均最小(表2，3)。

表2 不同经度的土壤养分含量

表3 不同纬度的土壤养分含量

2.2 中国狗牙根土壤各养分及其与经纬度、气候的相关性

相关分析结果表明，在不同经纬度地区，狗牙根土壤养分之间均存在明显的相关性，且经纬度和所在地气候对当地的土壤养分含量产生明显影响。在不同经度地区，有机质与全氮呈极显著正相关(P<0.01)；速效钾与碱解氮呈显著负相关(P<0.05)、与交换性镁呈显著正相关(P<0.05)、与pH呈显著正相关(P<0.05)；pH与交换性钙呈极显著正相关(P<0.01)。经度与交换性钙呈极显著负相关(P<0.01)、与pH呈极显著负相关(P<0.01)，气候因子中的平均年降水量与交换性钙呈极显著负相关(P<0.01)、与pH呈显著负相关(P<0.05)，平均年温度与碱解氮呈显极著负相关(P<0.01)、与交换性钙呈显著负相关(P<0.05)，即狗牙根土壤交换性钙的含量与pH值从东到西显著增加(表4，5)。

在不同纬度地区，有机质与全氮呈显著正相关(P<0.05)、与交换性钙呈显著正相关(P<0.05)；碱解氮与速效钾、有效磷呈极显著正相关(P<0.01)；速效钾与有效磷呈极显著正相关(P<0.01)。纬度与交换性钙、交换性镁呈极显著正相关(P<0.01)，年均降水量与交换性钙(P<0.01)、与交换性镁呈极显著负相关(P<0.01)，年均温度与交换性镁呈显著负相关(P<0.05)，即狗牙根土壤交换性钙与交换性镁的含量从南到北显著增加(表5)。

表4 经度、气候及土壤各养分指标间的相关系数

注：“**”表示相关性达极显著水平(P<0.01)，“*”表示相关性达显著水平(P<0.05)，下同

表5 纬度、气候及土壤各养分指标间的相关系数

2.3 不同经纬度狗牙根土壤养分综合质量的比较

为了综合评价狗牙根土壤养分与经纬度、气候的关系，对不同经度与不同纬度的土壤养分综合质量比较。各因子的权重向量表示各个土壤养分因子的重要性程度，根据各个主成份中各个元素载荷量的大小以及各个主成份对所有主成份的贡献率，可以对各养分因子进行排序并最后通过矩阵计算得出各个养分因子的权重值。根据狗牙根土壤的特点和对其进行的综合分析，简单确定狗牙根土壤养分评价因子分级标准。根据公式(1)计算各个地区的土壤养分质量综合指标值，对比经度与纬度的土壤养分综合指标平均值，经度的土壤养分综合质量大于纬度。经过回归分析进行拟合得出经度(E)与土壤养分质量综合指标值(Qi)之间的最优拟合图(图1)及其标准回归方程：Qi= -30.69+0.008E2+(-4.86E-5)E3，R2=0.507。以及纬度(N)与土壤养分质量综合指标值(Qi)之间的最优拟合图(图1)及其标准回归方程：Qi=11.324-0.712N+0.013N2,R2=0.458(表6,7)。

表6 狗牙根土壤养分评价因子权重

表7 狗牙根土壤养分评价因子分级标准Table 7 Grading standards for soil nutrient evaluation factors

2.4 经纬度及气候因素对单个和综合土壤养分的影响分析

利用主成分分析和相关分析探讨经纬度、气温、降水对狗牙根土壤的单个养分因子以及养分综合质量的影响。其主成分分析结果表明，经纬度，气候的环境因子前2个主成分的累计贡献率高达97.11%。第1主成分分量主要体现了纬度、年均降水量、年均温度的信息；第2主成分分量主要体现了经度的信息。土壤养分因子的前3个主成分的累计贡献率为74.74%，基本反映出各土壤养分因子的信息(表8)。第1主成分分量主要体现了速效钾和交换性钙的信息；第2主成分分量主要体现了全氮和有机质的信息；第3主成分分量主要体现了有效磷的信息。相关分析可知(表9)，纬度，年均降水量和年均气温对速效钾和交换性钙有显著的影响(P<0.01)，对土壤养分综合质量也有显著的影响(P<0.01)，经度对土壤养分综合质量的影响不显著，对其他土壤主成分的影响也不显著。速效钾和交换性钙对土壤养分综合质量有显著的影响(P<0.01)，贡献最大，全氮和有机质也对土壤养分综合质量有显著的影响(P<0.01)。其余土壤养分指标对土壤养分综合质量无显著影响。

图1 不同经纬度土壤养分质量综合指标Fig.1 Comprehensive indexes for soil nutrient quality evaluation at different longitudes and latitudes

表8 主成分分析结果

注：E-PC代表经纬度，气候等因素的主成分，N-PC代表土壤养分因子的主成分，下同

注：Qi代表土壤养分综合质量指标值

3 讨论

3.1 不同经纬度土壤养分含量的变化

土壤养分含量在不同环境下存在明显的空间变异性，由于影响因素不同，土壤养分指标之间的变异程度也有所不同。在此次研究中狗牙根土壤养分含量在不同经纬度之间有较高的空间异质性，且无论在不同经度地区还是在不同纬度地区，狗牙根的土壤有效磷含量的变异是最高，这与磷的化学特性有很大的关系，土壤中磷的利用率低，且移动慢，易残留，因此，变异较大[25]。但沿不同经度梯度的土壤养分含量变异系数值普遍低于纬度梯度的变异系数值。造成这种现象的原因可能是沿纬度采样的空间尺度大于沿经度采样的空间尺度，拥有更为复杂的地形，成土母质、气候以及土壤条件，因此，沿纬度收集的狗牙根土壤养分的变异系数较高。

3.2 土壤养分含量，经纬度及气候因素的相关性分析

经纬度作为重要的地形因子，由于经纬度的改变，气候特征、植被类型、土壤类型以及地形地貌等均会发生明显的变化，从而导致土壤养分含量发生显著的改变[26-28]。土壤的阳离子交换能力与土壤的物理、化学以及生物特性相互影响，是植物体内养分有效性的基础[29-30]。土壤pH、植被类型、环境因素(温度、降水、大气沉降)以及人为活动都可能会影响土壤阳离子交换量[29,31]。对于我国不同经纬度地区的野生狗牙根，由于地形因子的改变，会对狗牙根土壤养分中的交换性钙、交换性镁含量以及土壤pH产生显著的影响。从东向西土壤交换性钙的含量与pH显著增加，且沿经度梯度土壤pH显著影响了交换性钙与速效钾的含量。随着经度的降低，植被覆盖度下降，蒸发量上升，酸性淋溶作用降低，pH显著增大[32]，土壤慢慢偏碱性，会使土壤中的主要的阳离子-钾离子以及钙离子增加[33]，且交换性钙随着pH的增加，能够很好地吸附在土壤胶体表面，使其含量增加[34]。研究中，沿经度梯度的温度因素对狗牙根土壤碱解氮的含量有显著的影响。这是由于温度会影响土壤中微生物环境，在经度梯度上，年平均温度普遍较低，较低的温度会使微生物的活动减弱，导致其对氮的矿化作用减小[35]，使土壤碱解氮的含量升高。随着纬度的降低，狗牙根土壤交换性钙以及交换性镁的含量呈现出显著降低的趋势。由于纬度的降低，植被的覆盖率以及水分蒸发量并无明显的变化，因此，纬度对狗牙根土壤的pH无显著影响。不同纬度狗牙根土壤交换性镁与交换性钙的显著差异可能与沿纬度梯度的土壤性质的空间异质性以及气候因素有关。

无论是在经度地区还是在纬度地区，狗牙根土壤养分之间表现出明显的相关关系，尤其是狗牙根土壤的有机质含量与全氮含量始终呈显著正相关关系[36]。说明了土壤养分的分布状况受地形、气候、母质以及土壤类型等因素的综合影响，从而表现出较强的空间相关性[37]，证实了土壤各养分之间并不是孤立存在的，而是相互联系，每个养分含量增加或者减少都会影响土壤其他养分的供应[38]。

3.3 不同经纬度土壤养分综合质量评价

为了减少对土壤单一养分指标测定的片面性，误差性以及不显著性[39]，综合评价狗牙根土壤养分与经纬度的关系，计算了狗牙根土壤养分综合质量，结果表明，经度的狗牙根土壤养分综合质量平均值高于纬度，可能是沿纬度采样地点多，跨度大，植被类型、成土母质较为复杂，随机因素影响可能相对较大，从而影响了纬度地区的土壤养分综合质量。土壤养分综合质量与经度无显著的关系，但是纬度以及气候因素会对土壤养分综合质量值产生显著的影响。结果表明，从北向南降水与温度逐渐增加，土壤养分的综合质量也在逐步增高。与邱权等[40]报道土壤养分含量指标总体呈现出随纬度的增加而提高这一结论相符。