3种草原植物群落土壤养分时空变化特征*

牛 茹，李青丰，樊如月

(内蒙古农业大学草原与资源环境学院，呼和浩特 010018)

土壤是陆生植物的基质，它为植物生长提供各类元素，且植物又以枯落物的形式将养分归还于土壤，二者相互作用，其中，碳、氮、磷作为土壤养分的重要成分和植物生长的必需元素，在土壤-植被中充当重要角色。相关研究表明，土壤理化性质发生改变时，草地生态系统植被及草地碳汇等也发生明显改变[1]。水是植物生长最基本的基质保障，其中，土壤水分对不同荒漠植被存在差别影响[2]。植物对其生境中养分资源的吸收利用是生态学研究中的一个重点[3]。土壤水分对植被生长、组成等起到枢纽作用。土壤水分被植物吸收保持其细胞的固有形态，通过蒸腾参与植物的光合作用，是植物制造养分的原料之一。郭占荣等研究[4]发现，芨芨草、甘草等荒漠草原植被的生长、分布与土壤水分含量密切相关，且不同植被需要的地下水位是不同的。

土壤资源的空间异质性是生态系统的基本特征，这种异质性不仅是影响群落结构还作用于对生态过程[5]。空间异质性表现为植被空间格局和土壤养分资源的异质性，两者相互影响和相互制约[6-7]。土壤中的氮、磷、钾等元素是植物生长的必需物质，尤其在荒漠干旱地区，氮素对植被影响明显。植物根系主要生长于表层土，土表层生物量高，有机质较为复杂[8-9]。已有研究显示，植被吸收的氮素主要为硝态、铵态[10]。而硝态氮含量季节变化趋势差异性大，随土层加深差异越来越不明显，反映了植被类型对表层土壤氮素季节动态变化起到决定性作用[10]。土壤铵态氮、硝态氮不断被植物汲取利用，并使养分被转化[11]。而磷是植物生长必需的三大的元素之一，也是植物生长和发育过程中重要的无机成分。土壤速效磷是指能被植物直接吸收的无机磷或小分子有机磷，是评价土壤的动态因子之一[10]。张全发等[12]研究植物演替与土壤之间的关系，结果表明在植物群落的生长发育过程中速效 P、速效 K含量在种与种间显现不同变化。Ginzo 等通过对草地施磷肥的研究发现土壤磷是从草地生态系统中缓慢地损失掉。不同植物群落生境下土壤磷的含量有差异，而土壤磷的空间分布也会影响植物生长[10]。但是有关不同优势群落下速效钾的研究还比较少，有待进一步跟进。

1 材料与方法

1.1 研究区自然状况

取样地处于呼和浩特市和林格尔县，地跨北纬39°58″—40°41″，东经111°26″—112°18″之间，属于典型农牧交错带。该地属于半干旱大陆性季风气候，年平均气温在6.2℃左右，历年平均降水量为392.8 mm。以旱生丛生小禾草为建群种，并在群落中构建成稳定的优势种，主要的优势种有沙芦草(Agropyronmongolicum)、短花针茅(Stipabreviflora)、大针茅(Stipagrandis)，伴生种有猪毛蒿(Artemisiascoparia)、扁蓿豆(Medicagoruthenica)和胡枝子(Lespedezabicolor)等。

1.2 试验方法

取样地生长季为5月—10月，每隔1个月进行土壤取样，样地面积为50 m×50 m，水平每隔15 m选一条样线，共3条，每条样线上打3个点，分别垂直取0～5 cm、5～10 cm、10～20 cm、20～30 cm土混合后放入采集箱并加冰袋带回实验室，放入-4℃冰箱冷藏保存。

1.3 测定指标

1.3.1氮含量

采用2 molL-1中性盐交换法，称取5 g鲜土，置于100 mL聚乙烯塑料瓶中，加入2 molL-1KCL 25 mL，水∶土为5∶1，在25℃下，震荡30 min，过滤，用连续流动分析仪ASS测定铵态氮和硝态氮含量。

1.3.2磷含量

(1)采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定，称取过1 mm筛的风干土2.5 g，加入0.5 molL-1的碳酸氢钠50 mL，水∶土为10∶1，加入2 g左右活性炭，在25℃下震荡30 min，立即过滤至干燥的三角瓶中，吸取滤液10 mL,加入5 mL钼锑抗溶液，混合溶液，摇动排出CO2，容量瓶中定容至50 mL，用紫外分光光度计在700 nm波长下比色，测量吸光度，计算速效磷含量。

(2)结果计算：

式中：ρ为从工作曲线上查得P的质量浓度 (μg·mL-1)；

V为显色时定容体积(mL)；

ts为分取倍数(即浸提液总体积与显色对吸取浸提液体积之比)；

m为风干土质量(g)；

k为将风干土换算成烘干土质量系数；

103为将μg换算成mg；

1 000为换算成每kg含P量。

1.3.3钾含量

(1)采用1 molL-1NH4OAc溶液为浸提剂。称取5 g鲜土于100 mL聚乙烯塑料瓶中，加入1 molL-1NH4OAc溶液50 mL，在25℃室温条件下，震荡30 min，过滤，滤出液直接用火焰光度计测定钾的浓度。

(2)结果计算：

式中：V为加入浸提液mL数；

m为烘干土样品的质量(g)。

2 数据分析

试验采用 Microsoft Office Excel 2010 软件进行图、表和数据的前期处理，之后利用SASv8(Statistical Analysis System)软件进行单因素方差分析。

3 结果与分析

3.1 土壤含水量变化特征

土壤含水量是保证植物生长的关键因子之一。如图1所示，除大针茅群落土壤表层0～5 cm含水量高于5～10 cm外，短花针茅和沙芦草群落土壤含水量均随着土壤深度的增加而增加。此外，0～30 cm沙芦草群落土壤含水量依次高于大针茅群落和短花针茅群落，其中，短花针茅群落土壤含水量均最低。

图1 3种草原植物群落的土壤含水量变化

3.2 土壤速效养分含量时间变化

3.2.1铵态氮、硝态氮含量变化

5月、8月、10月短花针茅群落各土层铵态氮含量变化呈现10月>8月>5月的变化规律，且10月各土层铵态氮含量显著高于其他两月。大针茅群落在0～5 cm、20～30 cm的铵态氮含量显著低于其他土层，其他各土层在3个月中铵态氮含量无明显差异。5月时，沙芦草在0～5 cm的铵态氮含量显著高于其他土层，在20～30 cm铵态氮含量显著低于其他土层，而这3个月其他土层的铵态氮含量无明显差异。

表1 3种草原植物群落土壤铵态氮时间变化特征

3.2.2土壤硝态氮含量的时间变化

8月短花针茅群落土壤表层0～5 cm的硝态氮含量显著高于5月土壤表层的含量；随着土壤深度的增加，各月份间相同土层间硝态氮含量显著性差异逐渐减小，总体硝态氮含量呈现10月>8月>5月。大针茅和沙芦草群落硝态氮含量变化一致，在0～5 cm时，各月无明显差异，而在其他各土层均呈现出10月硝态氮含量显著高于其他2个月。

表2 3种草原植物群落土壤硝态氮的时间变化特征

3.2.3土壤速效磷含量的时间变化

5月、8月、10月短花针茅和大针茅群落各月各土层的土壤速效磷无显著性差异。沙芦草群落的速效磷含量在土壤表层0～10 cm，10月明显高于其他2个月，而这3个月其他各土层的土壤速效磷均无明显差异。

表3 3种草原植物群落土壤速效磷的时间变化特征

3.2.4土壤速效钾含量的时间变化

短花针茅群落的土壤速效钾含量在土壤表层0～10 cm，5月和10月的含量明显高于8月，而在10～30 cm时，10月的速效钾含量显著高于其他2个月。大针茅群落除8月0～5 cm土壤表层速效钾含量显著低于10月，其他各土层速效钾含量均显著低于其他2个月。沙芦草群落土壤表层0～5 cm各月速效钾含量无明显差异；其他各土层速效钾含量均呈现10月显著高于其他2个月。

表4 3种草原植物群落土壤速效钾的时间变化特征

3.3 土壤速效养分含量空间变化

3.3.1铵态氮、硝态氮含量变化

植物能吸收的氮素形态为铵态氮和硝态氮。如表5所示，短花针茅，大针茅和沙芦草3种植物群落间铵态氮和硝态氮无显著性差异。随着土壤深度的增加，3种群落土壤铵态氮含量均无显著性差异；大针茅群落和沙芦草群落硝态氮含量随着土壤深度的增加而降低，短花针茅群落各土层硝态氮含量无明显差异。

3.3.2速效磷含量变化

土壤速效磷是判断土壤的重要指标[14]。如表5，除沙芦草群落表层土壤速效磷含量显著高于大针茅群落土壤表层0～5 cm外，其他不同群落各土层之间均无显著性差异。随着土壤深度的增加，短花针茅群落和大针茅群落各土层速效磷含量无明显规律；沙芦草群落土壤速效磷含量随着土层的加深逐渐降低，且0～5 cm显著高于20～30 cm。

表5 和林格尔县8月土壤速效养分空间含量变化特征

3.3.3速效钾的含量空间变化特征

大针茅群落各土层速效钾含量显著高于短花针茅和沙芦草群落各土层速效钾含量，其中10～30 cm，3种群落间土壤速效钾含量存在显著差异，大针茅>短花针茅>沙芦草。3种群落土壤表层0～5 cm的速效钾含量显著高于其他土层。

4 讨论

4.1 土壤水分变化

土壤水分变化会影响植物生物量，植物为适应水分胁迫会把将生物量转移到地下，而地上部分的生物量会相应减少[14-16]。张惠昌等[17]发现，土壤含水量会直接影响干旱地区植物群落生长。短花针茅群落和沙芦草群落土壤含水量均随着土壤深度的增加而增大，与方楷书[18]等研究的荒漠草原植物群落土壤含水量变化规律一致。在0～5 cm时，大针茅群落的含水量高于其5～10 cm的含水量，这一规律与其他两种优势种群落的含水量随着土壤深度的增加而增大的变化规律不同。8月正值植物的生长盛期，由于大针茅群落是密丛型旱生植物，其冠幅较大，遮阴面积多，最终土表层的蒸发量较少，所以土壤表层0～5 cm的含水量高于5～10 cm的水分含量。而该植株属于浅层扎根，因而土壤水分会随着土层的深度加深，含水量逐渐增多。

4.2 土壤养分时空变化

有研究表明，植物群落对土壤养分有重要的影响，不同植物群落的根系活动深度不一，对土壤养分的吸收也就不同，不同植物群落对不同元素的选择吸收不同，不同养分在不同群落间就有差异[19-20]。因而研究不同植物群落土壤养分时空变化特征，对认识植物群落与土壤养分之间的关系具有重要意义[19]。土壤氮、磷的含量时土壤质量及养分供给能力的一个重要指标[21]

土壤中的有效氮以铵态氮和硝态氮的形式存在[11]。3种群落5～20 cm土壤中的NO3-N含量无明显差异。短花针茅群落表层0～5 cm土壤铵态氮含量随着月份多的增大而增加，可能由于5月干旱少雨，短花针茅群落土壤紧实，因而铵态氮、硝态氮含量低。随着气温变暖，土壤水分增加，土壤的氨化细菌活动增强，导致土壤的铵态氮含量逐渐增加。大针茅群落和沙芦草群落较短花针茅群落土壤空隙较大，透气性好，氨化细菌和硝化细菌活动受土壤紧实度影响较小，故随着土壤深度的增加，各土层硝态氮含量逐渐降低；10月温度降低，植物生长缓慢，对铵态氮利用逐渐降低，故沙芦草群落铵态氮含量5月>8月>10月；但大针茅群落铵态氮含量5月>10月>8月，可能由于大针茅群落生长旺季需氮量较高。 8月温度升高，降水集中，硝化细菌活动频繁，但8月牧草生长旺季较5月返青期植物需氮量增加，本研究中，3种植物群落硝态氮整体变化为10月>8月>5月，说明土壤硝化细菌产生的硝态氮能够满足植物生长需求，而10月枯落物增加，植物生长缓慢，说明植物生长所需的硝态氮含量低于枯落物分解产生的硝态氮含量。

土壤磷主要是由土壤有机质分解和土壤自身矿化产生，短花针茅群落和大针茅群落土壤速效磷各月土层无差异，说明两种群落枯落物分解释放磷元素对土壤无影响，故随着土壤深度的增加，其各层土壤间速效磷含量无差异。但沙芦草群落土壤表层0～10 cm速效磷随着月份的增大逐渐升高，说明沙芦草群落枯落物分解释放磷元素对土壤磷含量产生影响，故随着土壤深度的增加，土壤速效磷含量逐渐降低。综上所述，土壤表层沙芦草群落速效磷含量显著高于大针茅和短花针茅群落。

短花针茅群落、大针茅群落和沙芦草群落3个月土壤速效钾含量10月均显著高于8月，说明8月是植物生长旺季，植物所需钾较多，而10月枯落物增多，枯落物分解释放有机质到土壤中。8月生长旺季，土壤根系大量吸收土壤养分，地面逐渐产生枯落物，故3种群落土壤表层0～5 cm速效钾含量显著高于其他土层。

5 结论

经过对和林格尔县短花针茅、大针茅和沙芦草3种草原植物群落土壤水分和土壤速效养分时空变化特征研究发现，3种群落土壤含水量均随着土壤深度的增加逐渐增多。大针茅群落8月生长旺季对土壤铵态氮的需求量高于其他两个群落，且土壤能够提供足够的硝态氮供3种群落植被生长。其次，经过对速效磷的研究发现，沙芦草群落有机质的分解为土壤提供更多速效磷。最后，土壤速效钾含量主要集中于表层土壤0～5 cm且8月植物生长旺季对速效钾需求量较大。