新疆山地草甸土壤全氮变化特征与影响因素的关系分析

廖鑫宇，盛建东，程军回，玉素甫江·玉素音，刘耘华

（新疆农业大学 资源与环境学院 新疆土壤与植物生态过程重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830052）

土壤氮素是植物氮素的主要来源，全球植物氮需求的88%由土壤氮供应，其主要来自于有机质的分解和积累，在土壤有机质所含元素中，氮素含量约占3.7%～4.1%。新疆属于典型干旱和半干旱区，生态系统极其敏感脆弱，土壤矿质元素贫乏，氮素含量较低。氮素被认为是仅次于水分影响植物生长的第二限制因子，是草地生态系统的主要限制资源，是土壤肥力的重要表征，对草地系统的组成、生产力、生态功能起着关键性作用，可对地上植被生长状况和生态环境变化产生重要影响。同时，土壤全氮是全球氮循环的重要组成部分，因土壤氮储量巨大，其微弱的变化就可使大气中氮含量发生改变，进而直接影响全球变化格局。因此，研究土壤全氮对提高植物生产和维持生态平衡具有重要意义。

土壤氮素含量是通过植物死亡凋落后被微生物分解的输入和植物生长及硝化作用的输出而使其保持相对稳定。降水是干旱和半干旱地区草地生态系统土壤水分的重要来源，影响和控制着草地植被的生长，同时植物残体在水分作用下易腐烂降解并保存在土壤中，进而对土壤全氮含量产生影响。温度一方面通过影响植物生长，改变植物残体向土壤的归还量，另一方面通过控制土壤呼吸通量、土壤微生物活性和土壤动物活动，影响土壤养分氮分解的释放量，从而影响土壤中全氮含量。

土壤容重是土壤紧实度的指标之一，能反映土壤的透水性、通气性和根系伸展能力，土壤容重较大的土壤透气性差，土壤板结，从而影响植物根系生长固氮。土壤粉粒或粘粒含量能够增加对有机质的固持作用和减少淋溶损失，进而保持土壤全氮含量。砾石含量不同使土壤孔隙度、土壤容重、土壤含水量、微生物群落等发生变化，从而对植物生长产生影响，进而影响土壤中全氮含量。土壤pH通过影响土壤微生物活性及根系的生产与周转，从而对土壤全氮含量产生影响。随着土层深度的增加，土壤透气性逐渐降低，可转化氮源逐渐减少，且作为土壤氮素重要来源的凋落物主要分布在表层土壤中，从而使土壤全氮含量在垂直分布上呈现从上到下递减的趋势。综上所述，虽然已有学者对此进行了大量的研究，但受时间跨度、研究尺度等条件的影响，其研究结果具有一定的局限性，因此这些前期的调查并不能完全代表和反映目前新疆山地草甸土壤全氮含量对影响因素的响应，仍需进一步研究。

山地草甸虽然在全国有零星分布，但在新疆干旱和半干旱地区其分布面积最大、最完整。新疆共有山地草甸287.06万hm，占新疆总草地面积的5%，在降水400～600 mm之间的山地森林或亚高山针叶林地区都有分布，其主要分布于天山以北1 500～2 800 m的山地和亚高山带，天山南坡仅在2 600～2 800 m的亚高山地带有零星分布。新疆山地草甸植被种类丰富，优良牧草种类繁多，产草量高，营养丰富，在新疆传统的季节畜牧业中占有非常重要的地位。笔者以新疆山地草甸为例，研究该地区山地草甸生物量达到高峰（7月中旬—8月上旬）时气候因素、生物量、土壤理化性质对此时期土壤全氮含量的影响，以期为提高新疆山地草甸植物生产提供科学依据，也为全球对山地草甸全氮的研究和相关模型参数的建立提供数据支撑。为此，笔者提出以下3个科学问题：（1）不同土层深度下气候因素（年均降水（mean annual precipitation，MAP）、年均温度（mean annual temperature，MAT））对土壤全氮含量的影响；（2）不同土层深度下生物量（地上净初级生产力（Aboveground net primary productivity，ANPP）、根系生物量）对土壤全氮含量的影响；（3）不同土层深度下土壤理化性质（容重、土石比、土壤pH）对土壤全氮含量的影响。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

研究区域位于新疆维吾尔自治区（73°32'～96°21'E，34°22'～49°33'N），总面积为166万km，占中国土地总面积的六分之一，其地处欧亚大陆腹地，由于远离海洋的地理位置和高山环抱的地形结构，海洋湿润气流难以到达，形成温带极干旱大陆性气候，促成了新疆多样化的草地生态系统形成，也是我国山地草甸分布面积最大的地区。其主要植被群落为羽衣草（Alchemilla japonica）、早熟禾（Poa annua）、老 鹳 草（Geranium wilfordii）、三 叶 草（Oxalis）、苔 草（Carex spp.）、千 叶 蓍（Achillea millefolium）、紫花鸢尾（Iridaceae）、糙苏（Phlomis umbrosa）、鸭茅（Dactylis glomerata）等。

1.2 样品采集及测定

在20世纪80年代草地类型图和2000年土地利用图基础上，本研究从土壤调查要求出发，全面考虑了剖面点的代表性、均匀性及包含全部土壤类型的原则进行采样。2011—2013年，在生物量达到高峰的7月中旬—8月上旬，笔者在新疆范围的山地草甸进行采样，共采集样点42个。每个样地依据典型性原则，选择能够代表整个样地植被生长状况、地形及土壤等特征的地段，设置1个100 m×100 m的样地，在样地的对角线上，每隔10 m布设10个1 m×1 m样方用于采集土壤和地面环境信息，记录每个样地经度、纬度、ANPP等信息。在0～5 cm、5～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～50 cm、50～70 cm和70～100 cm的7个土层内分别采集土壤样品，各土层土壤样品均匀混合后用四分法留取1 kg放入样品袋，一部分做土石比的测定，一部分捡去可见的细根、石粒等杂质，然后风干、磨细、过筛，用于测定土壤容重、土壤全氮、土壤pH等理化性质。

采用环刀法测定土壤容重；使用元素分析仪（EuroVector EA3000，意大利）测定全氮含量；土壤pH采用pH计测定；将风干土用筛将石头与土壤区分开，分别称取石头的质量与土壤总质量，用土石比=M石/M总×100%计算土石比。

图1 新疆山地草甸42个样地分布

1.3 数据获取

利用GPS测定每个样点经度、纬度的数据信息，在中国国家气象局气候数据库(http://www.cma.gov.cn/)中获取了位于新疆的66个气象观测点在1961—2011年（50年）的气候观测数据，利用基于多元回归的地理信息模型，以采样点的经度、纬度为自变量，利用GIS插值法推导出各采样点所对应的MAP和MAT。

1.4 数据处理

在Excel 2019软件中进行试验数据的整理，用统计软件SPSS 23.0对数据进行差异性分析。在全氮含量与各变量间（MAP、MAT、根系生物量、ANPP、容重、土石比、土壤pH）做回归分析，通过线性和非线性拟合反映土壤全氮对各影响因素的响应；采用单因素方差分析法，分析土层深度对全氮含量的影响。所有分析，显著性水平为P＜0.05。本研究所有制图均在ArcGIS 10.2和SigmaPlot 10.0中完成。

2 结果与分析

2.1 不同土层深度下全氮含量统计分析

对采集的42个样地不同土层深度全氮含量进行试验分析，通过SPSS对其结果进行正态分布检验，得出不同土层深度全氮含量各数据点均分布在坐标轴对角线上或附近，说明该数据基本符合正态分布，具有良好的统计学意义，进而可以对数据进行统计分析，以期建立全疆山地草甸全氮含量空间分布数据模型。由表1可知，新疆山地草甸全氮在不同土层深度的含量变化范围，在垂直剖面的0～5 cm、5～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～50 cm、50～70 cm和70～100 cm 7个土层中其变化范围分别为0.51～15.46 g·kg、0.40～11.72 g·kg、0.36～9.09 g·kg、0.32～7.66 g·kg、0.22～6.50 g·kg、0.18～5.83 g·kg、0.09～4.85 g·kg。在0～5 cm、5～10 cm、10～20 cm和20～30 cm土层中，相邻土层全氮含量均存在显著差异（P＜0.05），而20～30 cm、30～50 cm、50～70 cm和70～100 cm土层中，相邻土层间全氮含量差异不显著。变异系数（CV）反映了数据的离散程度，CV＞100%时为强变异，CV＜10%时为弱变异，10%≤CV≤100%为中等变异。各土层深度全氮含量变异系数45.38%～94.66%，均呈现中等变异。

表1 不同土层深度全氮含量统计分析

2.2 不同因素对山地草甸土壤全氮含量影响结果统计分析

由表2可知，在土层深度、MAP、MAT、土壤容重、pH和土石比等因素对土壤全氮含量的影响中，由SS可以看出，其影响程度由大到小分别为：土层深度＞土壤容重＞MAP＞pH＞MAT＞土石比，其中土层深度、MAP、土壤容重和pH对土壤全氮含量具有显著影响（P＜0.05）。

表2 不同因素对土壤全氮含量影响结果统计分析

2.3 气候因素对不同土层深度下山地草甸土壤全氮含量的影响

在0～5 cm、5～10 cm、10～20 cm、20～30 cm和30～50 cm土层中，土壤全氮含量与MAP呈显著峰型关系（图2-A至图2-E，P＜0.05）；在50～70 cm和70～100 cm的深层土壤中，MAP对土壤全氮含量的影响并不显著（图2-F、图2-G）。

图2 不同土层深度下MAP对土壤全氮的影响

在50～70 cm和70～100 cm的土层中，土壤全氮含量与MAT呈显著负相关（图3-F、图3-G）（P＜0.05）；在0～5 cm、5～10 cm、10～20 cm、20～30 cm和30～50 cm的土层中，MAT对土壤全氮含量的影响并 不显著（图3-A至图3-E）。

图3 不同土层深度下MAT对土壤全氮的影响

2.4 不同土层深度下生物量对山地草甸土壤全氮含量的影响

由图4可以看出，根系生物量主要集中在0～20 cm的表层土中，并随着土层深度的增加，根系生物量呈现出减少的趋势。在0～5 cm和10～20 cm土层中，土壤全氮含量与根系生物量呈显著正相关关系（图4-A、图4-C）（P＜0.05），在5～10 cm土层中，土壤全氮含量与根系生物量呈显著峰型关系（图4-B），在20～30 cm、30～50 cm、50～70 cm和70～100 cm土层中根系生物量对土壤全氮含量的影响并不显著（图4-D至图4-G）。

图4 不同土层深度下根系生物量对土壤全氮的影响

在0～5 cm、5～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～50 cm、50～70 cm和70～100 cm 7个土层中ANPP均与土壤全氮含量呈显著正相关关系（图5-G至图5-G）（P＜0.05）。

图5 不同土层深度下ANPP对土壤全氮的影响

2.5 不同土层深度下土壤理化性质对山地草甸土壤全氮含量的影响

在0～5 cm、5～10 cm、10～20 cm和30～50 cm土层中，土壤全氮含量与土壤容重呈显著负相关关系，且表层土较深层土下降更为显著（图6-A1至图6-C1、图6-E1）（P＜0.05）；在20～30 cm、50～70 cm和70～100 cm土层中，土壤容重对土壤全氮含量的影响并不显著（图6-D1、图6-F1、图6-G1）。在0～100 cm的7个土层中土石比多为0，与土壤全氮含量均无显著相关性（图6-A2至图6-G2）。在20～30 cm土层中，土壤全氮含量与土壤pH呈显著正相关关系（图6-D3，P＜0.05）；在50～70 cm土层中土壤全氮含量与土壤pH呈显著峰型关系（图6-F3）（P＜0.05）；在0～5 cm、5～10 cm、10～20 cm、30～50 cm、70～100 cm土层中，土壤pH对土壤全氮含量的影响并不显著（图6-A3至6-C3、图6-E3、图6-G3）。

图6 不同土层深度下土壤理化性质对土壤全氮的影响

3 结论与讨论

3.1 气候因素对不同土层深度下山地草甸土壤全氮含量的影响

土壤水分有利于植物根系对氮的固定及微生物对凋落物的分解，使土壤中全氮含量增加，在漫长的成土过程中，土壤氮形成了在特定生态条件下的动态平衡。本研究中，在0～5 cm、5～10 cm、10～20 cm、20～30 cm和30～50 cm土层中，随着土壤中水分的增加，全氮含量与MAP呈峰型关系，且表层土全氮含量变化对MAP的响应更为强烈。安巧霞等在阿拉尔垦区通过研究不同灌水量对土壤氮淋失量的影响发现，当土壤中水分含量达到一定程度，土壤中可溶性氮淋溶流失，使土壤中全氮含量呈现减少的趋势，这与胡伟等的研究结果一致。但傅华等对贺兰山西坡草地的研究和王长庭等对青海高寒草甸的研究结果都表明，土壤全氮含量与MAP呈现正相关关系，这与本研究结果不一致，其原因可能是地位位置不同，使土壤中氮素矿化作用、硝化和反硝化过程以及氮淋溶等影响程度不同。秦小静等对三江源土壤研究结果表明，在高原低温的环境下，土壤中全氮含量对MAP更为敏感，特别是在浅层土壤中表现更为强烈，这与本研究结果相符。

温度是影响植物生长发育和功能的重要环境因子，主要通过控制土壤呼吸通量、土壤微生物活性、植物根系生长、土壤动物活动间接影响土壤养分的分解速率，从而影响土壤中全氮含量。Campbell总结发现，从加拿大到美国南部以及印度土壤氮含量与温度都为显著负相关关系，并呈现出温度每降低10℃土壤氮含量增加2～3倍的规律，这与本研究结果相符。在本研究中，土层深度为50～100 cm的深层土壤随着温度从0℃以下升高，土壤中全氮含量显著减少。苟照君通过对黄河上游高寒草地研究表明，升温后，深层冻土为响应温度升高而融化，微生物活动逐渐加强，有机氮矿化速率增加，深层土壤中的氮得以释放而被植物吸收，从而使土壤中全氮含量减少，这与本研究结果相符。

3.2 不同土层深度下生物量对山地草甸土壤全氮含量的影响

根系通过呼吸和周转消耗光合产物并向土壤输送有机质。同时，根系的生长和根系分泌物改善了土壤结构，提高了土壤根系生物的活性，有利于土壤难溶养分的分解和活化，增加了土壤全氮含量，由根系生物量与根系氮含量决定的根系氮库，一定程度上能反映出土壤养分库的大小。苏天燕等对我国半干旱草原区科尔沁草地的研究和张豪睿等对藏北高寒草甸的研究结果都表明，土壤全氮含量与根系生物量呈现显著的正相关关系，这与本研究结果一致。在本研究中，在土层深度为0～20 cm的表层土中，根系生物量与土壤全氮含量有显著相关性，这与植物具有固氮性、养分具有表聚性的结果相符。侯晓娟等对武功山山地草甸研究表明，80%左右的根系主要分布在0～16 cm土层中，随着土层的加深，根系生物量逐渐递减，土壤养分含量也随着土壤深度的增加而减少，尤其是氮含量下降极为显著，这与本研究结果相符。

ANPP作为植物生长发育的重要体现，其主要通过植物固氮和凋落物分解对土壤全氮含量产生影响。随着ANPP的增加，其对土壤中难溶养分的分解和活化作用随之增加，凋落物也随之增加，然而氮素含量占进入食物链的植物干质量的2%，因此土壤中全氮含量也随之增加。同时，凋落物显著改善了土壤水分和温度等微环境条件，间接影响了土壤全氮含量。在本研究中，在0～5 cm、5～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～50 cm、50～70 cm和70～100 cm 7个土层中ANPP均与土壤全氮含量呈显著正相关关系，这与石岳对青藏高原高寒草地的研究和刘碧荣等对内蒙古弃耕草地的研究结果一致。

3.3 不同土层深度下土壤理化性质对山地草甸土壤全氮含量的影响

土壤容重是土壤紧实度的指标之一，能够反映土壤的透水性、通气性和根系伸展能力，随着土层深度的增加，土壤容重增大，不利于土壤微生物对有机质的分解，也不利于根系生长对土壤养分的输送。本研究结果表明，在0～5 cm、5～10 cm、10～20 cm和30～50 cm的表层土中，土壤容重与全氮含量呈显著负相关关系。郑伟对喀纳斯山地草甸土壤理化性质研究表明，土壤容重增加，土壤理化性质变劣，不利于植物生长，进而土壤氮含量减少，这与本研究结果一致。

土石比影响着土壤骨架结构，使土壤孔隙度、水分含量发生变化，同时也影响植物根系的伸长和分布，从而影响土壤中全氮含量。但在本研究中，土石比与土壤全氮含量并无显著相关性，原因可能是不同草地类型的砾石含量存在差异。柴强对新疆草地土壤主要性质研究结果表明，受气候、植被、土壤类型的影响，草甸类草地土石比最小，土壤发育程度较好，这与本研究结果山地草甸各土层土石比多为0的结果一致，因此在山地草甸中土石比对土壤全氮含量的影响并不显著。

土壤pH是土壤理化性质的重要指标之一,影响着土壤肥力和土壤养分的形态及有效性，其通过影响土壤中微生物活性及酶活性影响土壤中凋落物分解及植物根系生长，从而影响土壤中全氮含量。本研究结果表明，在20～30 cm土层中，土壤pH与土壤全氮含量呈显著正相关关系，在50～70 cm土层中，土壤pH与土壤全氮含量呈显著峰型关系。郭春秀对民勤荒漠草地的研究结果表明，干旱地区的土壤微生物量及土壤酶活性在盐渍化草地中表现为最高，表明在较高pH的土壤中，微生物对凋落物的分解更为强烈，这与本研究结果相符。在较深层的土壤中，随着土壤pH的增加，土壤全氮含量表现出先增加后减少的峰型变化趋势，原因可能是深层土壤的透气性较低，微生物活性比表层土壤低，对土壤较高的pH表现出不耐受而活性进一步降低。

本研究通过对新疆山地草甸土壤全氮含量进行统计分析，得出以下初步结论。

土壤全氮含量随着土层深度的增加而减少。随着根系生物量和ANPP的增加，土壤全氮含量均显著增加。随着MAP的增加，土壤中全氮含量呈现出先增加后减少的峰型变化趋势。随着MAT和土壤容重的增加，土壤全氮含量显著减少。土石比与土壤全氮含量并无显著相关性。随着土壤pH的增加，土壤全氮含量在部分土层中表现出显著增加的趋势，在部分土层中表现出先增加后减少的峰型变化趋势。由此可见，气候因素、生物量和土壤理化性质都会对土壤全氮含量产生影响，但其响应并不一致。