森林草原交错区沟塘草甸土壤微量元素分析

彭徐剑,陈鹏飞,王柏杰,张 恒

(1.南京森林警察学院,南京 210023；2.内蒙古农业大学 林学院,呼和浩特 010019)

土壤是植物生长所需养分的直接来源,其微量元素含量反应了土壤对植物矿物质营养的供给水平,任何一种微量元素缺乏或过剩,都会影响植物的生长发育和植被的组成[1-2]。土壤中的铁(Fe)、锰(Mn)、铜(Cu)和锌(Zn)影响植物叶绿素的合成,土壤中碳(C)、氮(N)、磷(P)含量及其比值关系影响生态系统的养分循环关系和循环效率[3]。有研究表明,沟塘草甸土壤微量元素有效含量是影响植物生长发育的重要因素[4]。

沟塘草甸是介于森林与草原之间的特殊植物地貌,其植被基本为草本类型,对畜牧业和牧区经济发展有不可替代的作用,具有重要的研究价值。随着我国生态化学计量学的发展,已经有很多学者对不同地区的土壤微量元素进行了分析。张倩等[5]通过对高寒草甸理化特性研究时发现,不同坡向高寒草甸土壤理化性质存在明显差异；于保港等[6]在对农田土壤微量元素含量空间差异性分布探究时发现,土壤微量元素含量与土壤pH值之间没有显著相关性；曾青等[7]在对不同林分不同深度土层微量元素有效量探究中发现,土壤微量元素与土层深度之间相关性不显著；罗亚勇等[8]对荒漠化阶段的草甸土壤化学计量特征进行了研究,结果显示C∶N,C∶P,N∶P均随草甸土壤深度增加而下降；Han等[9]对我国多种草地土壤C,N,P含量的研究发现,草地植物的P含量总体较低；李路等[10]在对天山云杉林土壤C,N,P化学计量特征的研究中发现,pH值对土壤C,N,P化学计量特征的影响不显著；王建林等[11]对青藏高原高寒草原生态系统土壤C∶P的分布特征进行了研究,发现无论青藏高原高寒草原生态系统土壤还是自然地带土壤,C∶P值在我国各类生态系统中均处于较低水平。综上所述,我国学者对土壤微量元素分析大多侧重于森林、农田和草原土壤,而关于森林草原交错区沟塘草甸土壤微量元素的研究鲜有报道[12]。因此,本研究以内蒙古大兴安岭阿尔山市森林草原交错区沟塘草甸土壤作为研究对象,通过比较阴坡阳坡不同深度土层的土壤有效微量元素(Fe,Mn,Cu,Zn)及C∶N,C∶P,N∶P,C∶N∶P化学计量特征,揭示森林草原交错区沟塘草甸土壤有效微量元素空间分布特征,以期为阿尔山地区生态平衡研究提供基础资料和数据参考。

1 研究区概况

阿尔山市隶属于内蒙古自治区兴安盟,位于内蒙古自治区东部,被呼伦贝尔、锡林郭勒、科尔沁、蒙古四大草原环绕,总面积7 408.7km2,平均海拔1 200m。阿尔山市全年主要受东南海洋暖气流与西北干寒气流影响,属于寒温带大陆性气候区,地理坐标为北纬46°39′～47°39′,东经119°28′～121°23′。全年气温平均值较低,年均气温-3.1℃,无霜期短,气温日差较大。阿尔山市内草甸为草原化草甸,以旱中生植物为主,土壤为草甸黑土。阿尔山市内广泛分布的羊草-杂类草草甸,草群茂密,总盖度达70%～90%,混有多种中生杂类草,如地榆(SanguisorbaofficinalisL)、五脉山黧豆(Lathyrusquinquenervius)、野火球(TrifoliumlupinasterL)、黄金菊(Euryopspectinatus)、箭头唐松草(ThalictrumsimplexL)等。

2 材料与方法

2.1 取样方法

试验以代表性与典型性为原则,通过前期的准备和踏查[10],于2018年10月通过GPS在阿尔山市沟塘草甸测定选取一座坡向分明的典型山坡,在山坡中部按顺时针方向分别设置面积为10m×10m的样地4块,每块样地按对角线设计3个取样点(图1),每个点位按每10cm分3层(0～10cm,10～20cm,20～30cm)采集土壤样本,采用土壤环刀(100cm2)对每层土壤采集样品。将样品带回实验室,弃除杂草、砾石等杂物,放置于阴冷干燥处风干后过2mm筛后保存,用于测定土壤有效微量元素和有机C,全N,全P含量。

图1 样地设计示意图

2.2 样品检测

土壤样品采用常规方法处理；土壤有机C含量采用重铬酸钾氧化-外加热法(林业标准LY/T 1237-1999)[13]测定；土壤全N含量采用凯氏消煮法(林业标准LY/T 1228-1999)[14]测定；土壤全P含量采用酸熔-钼锑抗比色法(林业标准LY/T 1232-1999)[15]测定；土壤有效Mn,有效Fe含量使用OPtima 8000电感耦合等离子体发射光谱仪(HLJC-40-2)(林业标准LY/T 2445-2015)[16]测定；土壤有效Cu,有效Zn含量采用二乙烯三胺五已酸(DTPA)浸提,使用电感耦合等离子体发射光谱仪(HLJC-40-2)测定[16]。

2.3 数据处理与分析

运用Excel 2010软件实验数据进行初步整理后,由SPSS 21.0软件完成单因素方差分析(One-way ANOVA)和相关性分析,使用LSD法进行显著性检验,(P<0.05)水平上显著相关。采取变异系数(CV)评估土壤有机C,全N,全P含量和化学计量比变异程度。利用Origin 2018软件作图,分析比较不同土壤层中有效微量元素(Fe,Mn,Cu,Zn)及C,N,P化学计量特征。

3 结果与分析

3.1 土壤有效微量元素含量分析

表1显示,在阴坡和阳坡3个不同土层之间土壤有效Fe含量和有效Mn含量与土层深度均差异显著(P>0.05),而有效Cu含量差异不显著(P>0.05),20～30cm土层的有效Zn含量与有效Fe含量差异性相同。

有机C含量在20～30cm土层深度表现为差异显著(P>0.05),全N含量阴坡样地不同土层差异不显著(P>0.05),阳坡样地全N含量与有机C含量的差异性基本相同；阴坡样地10～20cm土层与其他深度土层全P含量的差异显著(P>0.05),阳坡样地随土层增加全P含量的差异不显著(P>0.05)。

表1 阴坡阳坡不同深度土壤有效微量元素(Fe,Mn,Cu,Zn)及C,N,P含量

3.2 土壤化学计量特征

图2和表2显示,同一坡向不同土层C∶N差异均不显著(P>0.05),同一坡向10～20cm土层中C∶P表现与0～10cm土层深度和20～30cm土层深度差异显著(P>0.05)；土壤C∶P阴坡样地由60.54增长到87.98,而阳坡样地由52.33增长到80.20,且在每层土壤均表现为阴坡高于阳坡,土壤C∶P与土壤C∶N总体变化趋势一致；同一坡向不同土层N∶P差异均不显著(P>0.05),表明土壤N∶P随土层变化差异不明显；阴坡和阳坡样地不同土层C∶N∶P差异均不显著(P>0.05),且土壤C∶N∶P变化趋势与土壤C∶N相同。

3.3 土壤化学计量比统计特征及相关性分析

表3显示,不同坡向0～30 cm土层C∶N的变化范围为是11.48～14.21,平均值为12.62,变异系数为7.44%；土壤C∶P的变化范围是52.33～87.98,平均值为66.11,变异系数为20.25%；土壤N∶P的变化范围是4.20～5.74,平均值为4.94,变异系数为9.72%。这表明3个计量比的变异系数都不大。由表4可知,土壤环境因子pH值与土壤有机C含量为极显著负相关(P<0.01)；有机C与土壤C∶N和土壤N∶P之间均表现为极显著负相关(P<0.01)；土壤C∶P和土壤N∶P均与全P表现出极显著负相关(P<0.01),与C∶N∶P之间表现为显著正相关(P<0.05)；土壤C∶N∶P与土壤C∶N,土壤C∶P和土壤N∶P与之间均表现为极显著正相关(P<0.05)。

注数据为平均值±标准误,不同小写字母表示差异显著(P<0.05)

表2 阴坡阳坡不同深度土层C,N,P化学计量比差异性

表3 土壤化学计量比变异系数

3.4 土壤有效微量元素含量及统计特征

表5显示,土壤微量元素有效Fe、有效Mn、有效Cu、有效Zn的含量变化范围分别为39.10～234mg/kg,1.44～8.42mg/kg,0.49～1.25mg/kg,0.30～1.54mg/kg。4种元素中有效Fe含量最高,平均值是165.18mg/kg；有效Cu含量最低,平均值是0.89mg/kg；按照由高到低的顺序排列有效Fe>有效Mn>有效Zn>有效Cu。从变异系数来看,土壤有效Fe、有效Mn、有效Cu、有效Zn含量的变异系数分别为39%,38%,27%,39%。按照对应的分级划分,可以得出4种有效微量元素的含量属于中等程度的空间变异性,由高到底的顺序依次是有效Fe=有效Zn>有效Mn>有效Cu。

表4 土壤化学计量特征比的相关性分析

表5 土壤微量元素含量及统计特征值分析

3.5 土壤有效微量元素含量与环境因子的相关性

表6显示,样地土壤4种有效微量元素含量之间存在一定相关性。有效Fe含量与有效Mn,有效Zn,有效Cu含量存在极显著正相关(P<0.01),有效Mn含量与有效Zn含量存在极显著正相关(P<0.01),且土壤4种有效微量元素均与土壤pH值没有相关性。

表6 土壤有效微量元素含量相关性分析

4 讨论

4.1 不同深度土壤有效微量元素的化学计量特征显著性分析

本研究结果显示,不同深度土壤有效Fe、有效Mn、有效Cu、有效Zn含量变化范围分别为39.1～234mg/kg,1.44～8.42mg/kg,0.49～1.25mg/kg,0.30～1.50mg/kg。其中有效Fe含量的变化值最大,为194.9mg/kg,这表明有效Fe含量在研究区范围内空间分布差异性较大；有效Cu含量的变化值最小,为0.76mg/kg,表明有效Cu含量空间分布差异性较小。有效Fe、有效Mn、有效Cu、有效Zn含量的变异系数分别为39%,38%,27%,39%,均属于中等程度空间变异特征。有效Fe含量的平均值最高,达165.18mg/kg,而有效Cu含量的平均值最低,仅0.89mg/kg。土壤微量元素是土壤肥力的重要组成部分之一,而有效态是能够被植物吸收和利用的那部分微量元素,微量元素可以影响植物的正常生长发育,因此本研究数据可为周边农牧经营提供重要参考。

4.2 不同深度土壤有效微量元素显著性分析

本研究结果显示,有效微量元素含量与土壤pH值相关性不显著,这和于保港等[6]在对农田土壤有效微量元素含量与影响因素的研究结果保持一致。土壤有效Mn与有效Zn存在极显著正相关(P<0.01),土壤有效Fe与有效Cu、有效Mn、有效Zn存在极显著的正相关(P<0.01)。

4.3 不同深度土壤有机C,全N,全P含量差异分析

土壤有机C是土壤C循环的重要介质。本研究结果显示,随着土层深度的增加,有机C表现为先增加后降低的趋势,这可能是由于依靠表层土壤(0～10cm)养分生长植物一般处于快速生长阶段,对养分和水分需求量大,而依靠中层土壤(10～20cm)养分的植物可能大部分已经成熟,生长发育放缓,对于养分吸收变缓慢,并且植物凋落物大部分处于这层,随着土壤中微生物对凋落物的分解,会出现有机C含量回升的现象。

土壤中的全N主要来源于植物的固N作用、凋落物的分解、大气N的沉降作用。本研究结果显示,阴坡上土壤全N含量随土壤深度增加整体呈现下降趋势,阴坡阳坡土壤N含量差异不显著,这表明土壤全N经过土壤淋溶作用及大气N的沉降作用逐渐向土壤下层流失,同时植物的根系对随着淋溶作用向下流失的N元素进行吸收,这种现象导致土层深度越深,全N的含量越少。

土壤中全P主要依靠岩石的风化和淋溶作用,样地内土壤全P整体变化差异不大,但在10～20cm土层全P含量明显降低,这表明植物根系在此土层发育较好,较大程度吸收土壤了土壤中的P元素。

4.4 土壤C,N,P化学计量比变化的影响因素分析

本研究结果显示,土壤C∶N和土壤N∶P在阴坡阳坡不同深度土层的表现为差异不显著(P>0.05),这表明沟塘草甸土壤化学计量比是较为稳定的,受坡向影响较小；土壤C∶N为12.62,略高于国家平均值,这与张倩等[5]研究成果有一定差异,可能是由于研究区位于森林草原交汇处,既属于草原化草甸,又与沟塘相连,土壤本身含水率高,植物盖度大,固沙固土能力强,风化程度轻,所以数值略高于国家平均值。土壤N∶P主要受风化程度影响而发生变化,而本研究所选样地风化程度轻,故土壤N∶P没有明显差异。土壤C∶P在10～20cm土层中与其他深度土层存在显著性差异(P>0.05),这与当地沟塘草甸土壤的有机物分解能力有很大的关系[17],表明当地土壤对有机物、凋落物的分解能力较弱。凋落物中含有较多的不易被分解的木质素、树脂和单宁等物质,因而可以在表层累积成层,累积在地表的有机物疏松通气,改善土壤通气状况[18]。考虑凋落物是诱发森林火灾的一个重要因素,凋落物大量堆积,对于森林及草原防火工作较为不利,同时沟塘草甸本身与森林草原相连接,所以草甸土壤研究对于森林草原防火工作也具有一定的意义。

5 结论

本研究结果显示,土壤微量元素有效Fe,有效Mn、有效Cu、有效Zn含量平均值阴坡总体高于阳坡；有效Fe,有效Mn含量均随土层深度呈现出先增长后下降的趋势。空间分布变异由高到底的顺序依次是有效Fe=有效Zn>有效Mn>有效Cu；对数值进行相对应的分级,4种有效微量元素的含量均属于中等程度的空间变异性。同一坡向不同深度土壤C∶N,土壤N∶P差异均不显著(P>0.05),土壤C∶P呈现出0～10cm土层深度和20～30cm土层深度差异显著,不同深度、不同坡向和不同含水率条件下化学计量比整体表现为较为稳定,表明研究区域土壤化学计量特征受这些因素影响较小。