迪庆州高寒坝区土壤碳氮分布特征研究

2020-10-19张冉杨蔚唐敏任健许文花王明浩毕玉芬马向丽

山西农业大学学报（自然科学版） 2020年5期

张冉，杨蔚，唐敏，任健，许文花，王明浩，毕玉芬，马向丽*

（1.云南农业大学动物科学技术学院，云南昆明650201；2.红云红河集团昆明卷烟厂，云南昆明650202；3.云南农业大学园林园艺学院，云南昆明650201）

高寒坝区海拔在2 400 m 以上，四季分明，降水充沛，具有与高寒山区相似的气温、水温条件，但地势较高寒山区平坦，坡度较平缓［1］；亚高山草甸属高寒草甸类型之一，多形成于高寒坝区内，为草甸与灌丛构成的植物种类繁多的高原地带性植被［2］。由于高寒坝区高大乔木较少，生态环境较为脆弱，植物群落特征及多样性易受影响，植被退化加剧［3］。目前，国内外很多研究者着眼于人为因素对土壤养分的影响，通常认为不合理的土地利用方式会破坏土壤营养元素的动态平衡［4］。农田里作物、肥料残余物可形成有机质改善土壤结构、化学和生物特性，但有研究表明其分解速率、难降解水平会影响土壤碳氮储量［5］。灌木对于土壤全氮的聚集效果较弱，但能够高效的聚集全磷和有机质，表明灌丛具有固定土壤养分的能力，可应用到植被恢复建设中［6］。长期封育被认为是实现过度放牧破坏的土壤营养元素储量增加的有效途径，同时也是最经济的提升草地碳氮固持速率的方式［7］。

探寻土壤养分特征的变化规律，有助于正确认识高寒坝区植被演替过程及制定生态恢复措施，对生物多样性保护和生态系统服务功能提升具有重要意义［8］。土壤有机碳（Soil organic car⁃bon，SOC）作为碳循环的关键因素直接影响着土壤的理化性质［9］；土壤全氮（Total nitrogen，TN）与有机碳密切相关，能够有效的反映土壤质量［10］；土壤碱解氮（Alkali hydrolysable nitrogen，AHN）能反映土壤的供氮能力，所以又称为土壤有效氮，是无机态氮（铵态氮、硝态氮）和部分有机质中易分解的、比较简单的有机态氮（氨基酸、酰胺和易水解的蛋白质）的总和［11］，掌握不同干扰对土壤碱解氮分布的影响能使养分管理有效化；同时，土壤养分是影响生物多样性的主要因子［12］。孙华方等［13］研究表明人为干扰对土壤全效养分有积累作用；生长在弱酸性土壤上的人工植被，其土壤全氮含量低，同时全钾、全磷含量也很低，表明土壤营养元素间有较强的互作关系［14］；许中旗等［15］认为开垦和放牧导致土壤碳密度和总碳贮量明显下降，禁牧则反之；土壤质地与土壤保肥保水特性密切相关，黄仕辉等［12］通过研究扬中市稻田土壤碱解氮空间异质性表明，碱解氮含量由高到低依次为中壤质>重壤质>轻壤质。

云南省迪庆州地区由于地理环境复杂、土地石漠化程度较高以及牧民文化层次较低等，导致土壤营养元素的合理循环受到了限制。目前迪庆州高寒坝区土壤养分间互作关系的研究较少，因此，本研究以农田、灌丛、放牧草地和封育草地，4种土地类型为研究对象，研究不同土层土壤碳、氮的垂直分布特征及相互关系，以期为中甸高寒坝区的生态系统恢复和土地利用方式提供依据。

1 材料与方法

1.1 自然概况

小中甸镇位于云南省迪庆州香格里拉市以南，地理位置介于北纬27°20′～27°43′，东经99°36′～99°59′之间，距县城36 km。该地区海拔3 20 0 ～340 0 m，属于喀斯特极高山峡谷区，常年风大多雨，气候寒冷，属高原季风气候，年均温5.8°C，最高气温26.5 °C，最低气温−19.4 °C，无霜期10 d，年均降水量849.8 mm［16］。小中甸镇地处高寒坝区，地势北高南低，总体较平坦，土壤覆盖类型以亚高山草甸土为主，壤质以粗砬居多。

1.2 取样时间及方法

取样时间为2018 年11 月底。采样点为云南省迪庆州香格里拉市小中甸镇国家级草原固定监测点（27° 29′00"～27° 28′57"N，90° 52′01"～90°52′16"E，海拔3 240 m）及其周边地区，采样地地形一致，按不同土地类型和利用方式分为4 个处理：（1）农田（cropland）：以种植青稞（Hordeum vul⁃gare L.）为主，于未翻耕处取样；（2）灌丛地（shrub land）地：主要植被为高山栎（Quercus semicarpifo⁃lia spp.），于灌丛内部土壤取样；（3）放牧（grazing，G）草地：为藏民传统放牧方式，即藏香猪、牦牛等家畜四季于放牧区内自由采食；（4）封育（enclo⁃sure，E）草地：于2012 年开始封育，封育禁牧年限6 年。各处理区域内随机选取3 个0. 25 m2（0. 5 m×0. 5 m）的样方，用直径5 cm 的土钻取样，取样深度为40 cm，每10 cm 一层，共分4 层（0～10cm，10～20cm，20～30cm，30～40 cm）进行取样，装袋并编号。

1.3 土样处理

将土样于室内风干，去除细根和杂质，研磨后过1.00 mm 和0.25 mm 土壤筛，混匀后取样进行后续指标测定，各处理各土层做3 个重复。

1.4 指标测定

土壤有机碳含量采用浓硫酸－重铬酸钾外加热法测定；碱解氮含量采用碱解扩散法测定；全氮含量采用凯氏定氮法测定［17］。

1.5 数据分析

利用SPSS 20.00 软件对试验数据进行ANOVA 分析，采用Duncan 进行0.05 水平多重比较，Excel 2010 进行数据处理和作图。

2 结果与分析

2.1 土壤有机碳垂直分布特征

由图1 可见，除灌丛地20～30 cm 与30～40 cm土层间SOC 含量无显著性差异外（P>0.05），随着土层深度的增加，同一处理不同土层SOC 含量呈显著递减趋势（P<0.05）。而不同处理间，农田的0～10 cm 土层SOC 含量显著高于封育草地、灌丛及放牧草地（P<0.05）；10～20 cm 土层SOC 含量依次为农田、封育草地、灌丛地、放牧草地，两两差异显著（P<0.05）；放牧草地及灌丛地20～30 cm 土层SOC 含量显著低于农田及封育草地（P<0.05），但两者间差异不显著（P>0.05）；30～40cm土层4 个处理间SOC 含量均差异显著（P<0.05）。

图1 高寒坝区不同利用方式各层土壤有机碳含量Fig.1 SOC content of different layers under different utilization modes in alpine dam area

综合来看，同一处理不同土层SOC 含量呈递减趋势，农田的0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm 土层SOC 含量显著高于其他三者（P<0.05），灌丛地30～40 cm 土层SOC 含量则最高（P<0.05）。

2.2 土壤碱解氮垂直分布特征

由图2 可见，农田土壤AHN 含量以10～20 cm土层最高，不同土层间差异显著（P<0.05）；灌丛地以10～20 cm 土层AHN 含量最高，但0～10、10～20 cm 与20～30、30～40 cm 土层差异不显著（P>0.05）；放牧草地AHN 含量随土层深度增加而递减；封育草地0～10、10～20 cm 土层AHN 含量差异不显著（P>0.05），但20～30 cm AHN 含量为30～40 cm 土层的2 倍。对不同处理同一土层AHN 含量分析表明，0～10 cm 土层放牧地AHN含量最高，各处理差异显著（P<0.05）；10～20 cm土层AHN 含量灌丛地显著低于封育草地、农田、放牧草地（P<0.05）；20～30cm 土层AHN 含量封育草地最高、灌丛地最低（P<0.05），农田与放牧草地间差异不显著（P>0.05）；30～40 cm 土层AHN 含量放牧草地与封育草地差异不显著（P>0.05），但两者显著高于农田及灌丛地（P<0.05）。

总之，农田及灌丛地10～20 cm 土层AHN 含量最高，总体随土层深度上升呈先上升后下降的趋势；放牧草地0～10 cm 土层含量最高；封育草地0～10、10～20 cm 土层AHN 含量相同。不同处理同一土层间，0～10 cm 土层含量差异显著（P<0.05）；10～20 cm 土层灌丛地最低（P<0.05）；20～30 cm 土层除农田和放牧草地外，差异显著（P<0.05）；30～40 cm 土层放牧草地与封育草地显著高于农田及灌丛地（P<0.05）。

2.3 土壤全氮垂直分布特征

由土壤全氮垂直分布特征图可以看出，四个处理的TN 含量随土层深度的增加呈下降趋势，均以0～10 cm 土层TN 含量最高（P<0.05）。不同处理间，同一土层的TN 含量也两两差异显著（P<0.05），其中，0～10 cm 及10～20 cm 土层为农田最高分别为5.38、2.83 g∙kg-1（P<0.05）；20～30 cm 土层最高为放牧草地（P<0.05），但仅略高于农田10～20 cm 土层TN 含量；30～40 cm 土层则为灌丛地最高（P<0.05）。

2.4 土壤有机碳、全氮相关性分析

由图4 可见，在各处理土壤的TN 和SOC 含量直线关系中，两者均为正相关关系。其中，农田的相关系数为0.797，由图1 及图3 可知，农田的浅层土壤SOC 及TN 含量下降较缓，而第四层SOC 含量较第三层降低36.11 g∙kg-1，第四层TN 含量降幅达83.16 %，导致两者不显著相关。灌丛地、放牧草地及封育草地的TN 和SOC 含量极显著相关，其中封育草地的相关系数为0.993，认为其土壤TN 及SOC 含量的直线型耦合关系最为密切。

农田、灌丛地、放牧草地和封育草地土壤AHN 含量不随土壤深度增加呈显著性下降趋势，各处理AHN 与SOC、TN 间线性耦合关系较弱。

图2 高寒坝区不同利用方式各层土壤碱解氮含量Fig.2 AHN content of soil in different layers under different utilization modes in alpine dam area

图3 高寒坝区不同利用方式各层土壤全氮含量Fig.3 TN content of soil in different layers under different utilization modes in alpine dam area

3 讨论

植物通过其凋落物与土壤表面紧密接触后腐烂分解，以此控制着非生物和生物碳、氮的生产、储存机制，这对于生态系统中碳、氮循环具有广泛的意义［18］。

3.1 不同利用方式各土层SOC、AHN、TN 含量比较

3.1.1 农田碳氮储量受耕作影响较大

本研究结果显示，同一处理不同土层SOC 及TN 含量逐层显著递减（P<0.05），这与李金芬等人［19］的研究结果相同。农田30～40 cm 土层SOC及TN 含量较低而0～30 cm 则较灌丛地、放牧草地、封育草地高（P<0.05）；10～20 cm 土层土壤的AHN 含量显著高于0～10 cm 土层（P<0.05），且0～10 cm 土层AHN 含量为4种土壤类型最低（P<0.05）。分析认为是由旱地翻耕、施肥深度通常为20～25 cm，青稞根群较大且密集分布在地表下0～30 cm 的土层［20］，同时，地上部于秋末收割后雨水将上层土壤中无法受根系固定的无机氮淋入下层且日照使有机氮部分分解导致。

3.1.2 灌丛地凋落物相对较少，不利于有效碳氮在表层土壤中累积

灌木凋落物相对草地的碳、氮输入较少且分解速度较快［18］，不利于有效碳氮在表层土壤中累积，以至于10～20 cm 土层的SOC、TN 含量仅为0～10 cm 土层的45.27%、36.25%，但由于高山栎根系集中在土壤表层0～40 cm，灌丛地30～40 cm 土层TN 含量为4 种土壤类型中最高（P<0.05）。土壤中AHN 含量的大小受地形因子影响［21］，灌丛地的坡度相对较大，植被覆盖度也相对较低，因此，0～10 cm、20～30 cm、30～40 cm 土层的AHN 含量均较另3 种土壤类型低，同时，受土壤湿度、微生物活动等因素的影响，10～20 cm 土层AHN 含量最高（P<0.05）。

图4 高寒坝区不同利用方式各层土壤有机碳、全氮含量关系Fig.4 Relationship between SOC and TN content in different layers under different utilization modes in alpine dam area

3.1.3 放牧地地上生物量下降，造成土壤碳输入下降

由于牲畜长期不受控的采食、践踏，放牧地的地上生物量下降，地表蒸发增强，植被根系受损无法正常输送营养物质［22］，造成土壤碳输入下降，20～40 cm 土层SOC 含量相对较低，但牲畜粪便排泄，致使放牧地0～10 cm 土层SOC 含量与农田无显著性差异（P>0.05）；然而，本研究结果显示放牧地20～30 cm 土层TN 含量最高，0～10 cm、10～20 cm、30～40 cm 土层TN 含量位于各土壤类型第二，表明土地利用方式对TN 含量并无太大影响［23］。放牧地常年地上部被采食，植物根系生长相对较弱，但由于牲畜粪便的堆积，呈现土层深度增加AHN 含量下降的趋势。

3.1.4 封育草地有效碳素、氮素供应情况较好

天然草地植被的根系80 %分布在地下40 cm左右的土层中，同时有研究表明，封育后天然草地不受刈割、采食、践踏等影响，使得土壤碳储量上升［24］，本研究中SOC 含量也较放牧地大幅提升；同时，封育地植物根系相对发达，土壤养分的保留相对较好，各土层AHN 含量均较高，尤其10～40 cm土层氮素供应情况较好。但本实验地封育年限6年，TN 含量却并未上升，与前人研究结果相悖［25］，分析认为与西南委陵菜（Potentilla lineata）、大狼毒（Euphorbia jolkinii）等毒杂草大面积存在相关。

3.2 灌丛、放牧、封育草地土壤有机碳与全氮含量密切相关

李金芬、任玉连等［19，26］认为天然的林地、草地土壤有机碳及全氮储量呈极显著正相关（P<0.01），这与本研究中封育草地、灌木地、放牧草地的SOC、TN 直线型耦合关系相符。SOC 与TN 的相关性受地形、地势、降水、温度等地理因素影响的同时受人为因素影响较大，自然条件下，凋落物厚度与土壤含水量是影响碳、氮储量的主导因子［26］。封育草地几乎无人为因素干扰，其碳氮储量间相关性最高；较高的凋落物厚度保证了灌木地的土壤湿度，使其具有较为合理的碳氮间互作关系；放牧草地的相关系数稍低于灌木地，主要是牲畜的践踏及粪便中成分与碳氮的协同促进作用使得局部土壤营养较为均衡［27］。而农田的相关系数仅为0.797，分析认为耕作会改变土层原有的位置，且青稞地主要以施用氮磷钾复合肥为主，破坏了土地原有的平衡的碳、氮循环［28］。