高寒沼泽草甸土壤养分特征及影响因素分析

许 泰,鄂崇毅

(1.陇东学院新能源学院,甘肃 庆阳 745000;2.青海师范大学/青藏高原地表过程与生态保育教育部重点实验室,西宁 810008;3.青海师范大学地理科学学院/青海省自然地理与环境过程重点实验室,西宁 810008;4.高原科学与可持续发展研究院,西宁 810008)

【研究意义】土壤作为人类赖以生存且具有生命的宝贵资源,其养分含量直接影响土壤质量。土壤养分泛指能够供植物生长发育的必需营养基质,能综合反映土壤基本属性与本质特征[1],主要由全养分和速效养分组成,其中全养分包括有机碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)和全钾(TK),速效养分包括速效氮(AN)、速效钾(AK)和速效磷(AP)。高原高寒沼泽草甸是高寒地区畜牧业发展的唯一区域,开展土壤养分结构研究对维持高寒地区生态安全和牧业生产、提高区域可持续发展意义重大[2-4]。【前人研究进展】近年来,众多学者围绕土壤在青藏高原草地生态系统发挥的功能做了大量研究,发现氮和磷在土壤储存和转化过程中受有机质累积与分解的约束,是限制青藏高原草地土壤功能最主要的因子[5-6]。祁连山南麓是青藏高原重要的组成部分,其腹地高寒沼泽草甸土壤作为祁连山国家公园陆地生态系统不可缺少的组成部分,在水热交换、生物地球化学循环、能量流动与平衡等方面发挥着重要作用[6-7]。高寒沼泽草甸植被根系主要集中在表层0～20 cm,表层土壤养分供给能力不仅直接影响植被的正常生长发育和新陈代谢,而且是陆地生态系统自然演替的瓶颈。【本研究切入点】祁连山南麓高寒地区自然环境恶劣,受高海拔、低温度、冷季长等特殊气候条件和人类活动的双重影响,其土壤有机碳的累积、分解和淋溶输出程度与其他生态系统不同[8],具有脆弱性和不稳定性的特点,易受到干扰而发生退化,而土壤养分在草地退化过程中非常敏感,伴有相应的动态响应。目前,有关高寒沼泽草甸表层土壤有机质与养分特征及影响因素的研究并不多见,而土壤中有机碳、氮、磷、钾等养分含量在植物生长发育过程中非常重要,同时也是评价高寒草甸生态系统功能稳定性的关键指标[9]。【拟解决的关键问题】通过研究祁连山南麓腹地代表性沼泽草甸土壤中0～10与10～20 cm的pH、有机碳、全养分与速效养分含量的变化规律,从养分盈缺入手,对全养分和速效养分进行评判和界定,确定土壤综合肥力等级,旨在明晰高寒沼泽草甸表层土壤特性与肥力状况,为高原高寒地区土壤精准监测和科学管理提供理论依据,也为第三次全国土壤普查提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区地处祁连山南麓腹地高寒地带,地势绵延起伏,属于生态脆弱地带(图1)。地理坐标为37°52′22″～38°10′09″ N,99°01′00″～99°38′15″ E,海拔3714～4094 m,属于典型高原大陆型气候,最低气温-35.6 ℃,最高气温19.8 ℃,多年平均气温-2.8 ℃,年降水量477.1 mm,降水年内变化大,多集中于6—9月。年蒸发量1049.9 mm,是降水量的2.2倍。受水热条件影响,祁连山南麓植被类型主要为天然高寒沼泽草甸类,沼泽草甸面积分布广、种类丰富、草群密集,覆盖度达到70%～90%,由湿中生和湿生多年草本植物构成植物群落。主要先锋植物为低矮的藏嵩草、圆囊苔草和垂穗披碱草等,伴生植物种有小蒿草、针茅、藏蒿草、线叶蒿草、矮蒿草、沙生蒿等高寒植物。

图1 研究区位置和采样点分布Fig.1 Study area location and sampling point distribution

1.2 样品采集与测试分析方法

采样时间为2020年5月8日,采样点位置见图1。各个采样地点均距离天木公路两侧50～200 m,为保证采样点植被、土壤环境的一致性,选取具有代表性且地面植被发育相对较好的样地。样地调查发现草甸类植被根系80%～90%分布在0～20 cm土壤层内,20～30及30 cm以下土壤层根系较少或没有。在0～10 cm土壤层根系饱和度最高,且土壤养分特征较一致,10～20 cm土壤层是根系主要分布区(0～10 cm)与母质层(30 cm以下)的过渡区域。因此,每处样地选择1个样方(样方面积为2 m×2 m)作为土壤采样点,利用土钻沿着每个样方的四角和中心位置采集0～10和10～20 cm的土壤,然后将0～10和10～20 cm土壤分别混合组成混合样品,每个样方0～10和10～20 cm相对应的土壤样品均为1个,采集的土壤样品共计34个。野外做好记录后,将土壤样品在室内阴凉通风处自然风干,在风干过程中将砾石、植物根系等杂质剔除。用研钵研磨风干后的土壤,最后将前期处理好的土壤过100目(0.149 mm)筛用于pH与养分测定。

严格按照试验规范对土样进行预处理,采用常规方法测定各指标[10-11]。pH采用水浸-电位(型号PHS-3C,水土比2.5∶1.0)测定;土壤有机碳样品采用10%稀盐酸去除碳酸盐后,利用元素分析仪(Elementar Vario MAX,德国)上机测定,有机质含量=有机碳含量×1.724;采用凯氏定氮法测定全氮含量;采用NaOH熔融-钼锑抗比色法测定全磷含量;采用NaOH熔融-火焰光度法测定全钾含量;采用碱解扩散法测定速效氮;采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定速效磷含量;采用中性1.0 mol/L NH4OAc浸提-火焰光度法测定速效钾含量。在青海省自然地理与环境过程重点实验室完成pH和有机碳测试,其余试验在西安地调中心重点实验室完成。

1.3 数据分析

采用Excel 2010进行数据分类整理,SPSS Statistics软件进行单因素ANOVA检验、描述性统计、Pearson相关性分析等,Origin作图。

2 结果与分析

2.1 不同层位土壤pH、有机碳及全养分含量变化特征

在0～10 cm沼泽草甸土壤层位中(图2-a,图3),沼泽草甸土壤pH变化范围介于5.11～8.81,平均值为6.56±0.88,变异系数为13.47%,属于中等变异。有机碳(SOC)变化范围介于1.08～169.71 g/kg,平均值为(80.06±47.77) g/kg,变异系数为59.67%,属于中等变异。全氮(TN)含量变化范围介于0.56～12.93 g/kg,平均值为(5.33±3.42) g/kg,变异系数为64.18%,属于中等变异。全磷(TP)含量变化范围介于0.26～1.20 g/kg,平均值为(0.88±0.20) g/kg,变异系数为22.45%,属于中等变异。全钾(TK)含量变化范围介于12.61～19.99 g/kg,平均值为(16.19±2.11) g/kg,变异系数为13.04%,属于中等变异。沼泽草甸土壤有机碳(SOC)与pH、全氮(TN)、全磷(TP)、全钾(TK)之间存在显著差异(P<0.05, 下同),全钾(TK)与pH、全氮(TN)、全磷(TP)之间存在显著差异,全磷(TP)与pH、全氮(TN)之间存在显著差异,而pH与全氮(TN)之间差异不明显(P>0.05,下同)。

图3 不同层位沼泽草甸土壤的全养分与速效养分含量Fig.3 Contents of total nutrients and available nutrients of swamp meadow soils at different layers

在10～20 cm沼泽草甸土壤层位中(图2-b,图3),沼泽草甸土壤pH变化范围介于4.65～8.39,平均值为6.28±0.94,变异系数为14.92%,属于中等变异。有机碳(SOC)变化范围介于11.47～151.78 g/kg,平均值为(66.96±4.11) g/kg,变异系数为61.45%,属于中等变异。全氮(TN)含量变化范围介于0.39～13.04 g/kg,平均值为(4.45±3.54) g/kg,变异系数为79.50%,属于中等变异。全磷(TP)含量变化范围介于0.49～1.05 g/kg,平均值为(0.86±0.14) g/kg,变异系数为16.16%,属于中等变异。全钾(TK)含量变化范围介于13.79～20.94 g/kg,平均值为(17.05±2.09) g/kg,变异系数为12.27%,属于中等变异。沼泽草甸土壤有机碳(SOC)、pH、全氮(TN)、全磷(TP)、全钾(TK)互相之间存在显著差异。

整体来看,沼泽草甸土壤pH在不同层位比较稳定,差异不显著,总体呈中性-弱酸性,部分样点存在碱性土壤。沼泽草甸土壤全磷(TP)与全钾(TK)在不同层位含量跨度较小(表1),差异不显著,随着深度增加,全磷(TP)含量几乎没有变化,而全钾(TK)含量却略有增加。沼泽草甸土壤有机碳(SOC)与全氮(AN)含量在不同层位相对跨度较大,随着深度增加,有机碳(SOC)含量呈减小趋势。不同层位沼泽草甸土壤有机碳(SOC)与pH和全养分存在显著差异,表明不同层位土壤均存在有机碳(SOC)含量影响pH和全养分变化的特征。

表1 不同层位沼泽草甸土壤有机碳和全养分含量

2.2 不同层位土壤速效养分含量变化特征

在0～10 cm沼泽草甸土壤层位中(图3),速效氮(AN)含量变化范围介于0.18～0.79 g/kg,平均值为(0.47±0.20) g/kg,变异系数为43.54%,属于中等变异。速效磷(AP)含量变化范围介于1.08～8.17 mg/kg,平均值为(2.46±1.54) mg/kg,变异系数为62.57%,属于中等变异。速效钾(AK)含量变化范围介于0.04～0.11 g/kg,平均值为(0.08±0.02) g/kg,变异系数为25.13%,属于中等变异。

在10～20 cm沼泽草甸土壤层位中,速效氮(AN)含量变化范围介于0.06～0.69 g/kg,平均值为(0.37±0.21) g/kg,变异系数为57.47%,属于中等变异。速效磷(AP)含量变化范围介于1.08～6.57 mg/kg,平均值为(2.15±1.45) mg/kg,变异系数为67.19%,属于中等变异。速效钾(AK)含量变化范围介于0.03～0.10 g/kg,平均值为(0.05±0.02) g/kg,变异系数为38.44%,属于中等变异。

整体来看,沼泽草甸土壤中的速效养分含量在0～10 cm层位均高于10～20 cm层位,但是跨度变化非常窄。不同层位沼泽草甸土壤速效氮(AN)与速效磷(AP)、速效钾(AK)之间均存在显著差异,而速效磷(AP)与速效钾(AK)之间差异不明显。

2.3 土壤生态化学计量特征

由图4可知,在0～10 cm沼泽草甸土壤层位中,土壤C/N变化范围为0.30～49.12,平均值为18.62±10.92;土壤C/P变化范围为4.19～161.95,平均值为84.79±44.08;土壤N/P变化范围为0.68～14.04,平均值为6.17±3.79。在10～20 cm沼泽草甸土壤层位中,土壤C/N变化范围为8.89～49.28,平均值为18.74±11.08;土壤C/P变化范围为13.57～144.32,平均值为74.90±39.77;土壤N/P变化范围为0.46～12.40,平均值为4.95±3.46。

图4 不同层位沼泽草甸土壤生态化学计量特征Fig.4 Soil ecological stoichiometric characteristics of swamp meadows at different layers

2.4 土壤生态化学计量比相关性分析

由表2可知,在0～20 cm土壤范围内,有机碳(SOC)与全氮(TN)、全磷(TP)、速效氮(AN)、C/P、N/P呈极显著相关,与C/N呈负相关;全氮(TN)与全磷(TP)、速效氮(AN)、C/P、N/P呈极显著相关,与C/N呈显著负相关。

表2 沼泽草甸土壤C、N、P及生态化学计量比相关性

2.5 土壤养分含量等级划分

根据试验测试的土壤各项养分含量,通过比对全国第二次土壤普查养分分级标准,结合研究区实际土壤质地状况,划分祁连山南麓腹地高寒沼泽草甸土壤养分含量等级(表3),发现0～10和10～20 cm沼泽草甸土壤层位中,养分含量存在相同的规律,等级序列均为有机碳(SOC)≈全氮(TN)≈速效氮(AN)>全磷(TP)>全钾(TK)>速效钾(AK)>速效磷(AP)。其中有机碳(SOC)、全氮(TN)、速效氮(AN)含量处于第一等级,属于丰富水平;全磷(TP)含量处于第二等级,属于较丰富水平;全钾(TK)含量处于第三等级,属于中等水平。速效钾(AK)含量处于第四等级,属于较缺水平;速效磷(AP)含量处于第六等级,属于急缺水平。

表3 土壤养分含量分级与丰缺标准

3 讨 论

3.1 土壤pH与全养分含量影响因素

土壤酸碱度取决于土壤pH,制约着各养分的转化及有效性,与特定的地形、海拔、气候、土壤母质及成土过程等存在密切关系[12-13]。祁连山南麓腹地沼泽草甸土壤酸碱度在0～20 cm深度的剖面上相对稳定,无显著差异,接近中性。由于草甸类植物根系主要分布深度在0～10 cm,受植物根系新陈代谢及微生物分泌有机酸的影响,该层位土壤pH略高于10～20 cm的土壤层位。空间上发现部分采样点存在偏酸性和偏碱性土壤,出现酸性土壤可能与近年来非法采矿、过度放牧等造成水土流失致使草甸土壤出现盐基溶脱现象相关。由于高海拔、低温度导致腐殖质储集较多而形成腐叶土,故在海拔较高的样点有偏碱性土壤出现。祁连山南麓腹地并未出现强酸性和强碱性土壤,说明中性-弱酸性土壤适宜沼泽草甸类植物的生长,植被对土壤酸碱度调节缓慢。

有机碳含量及其动态平衡作为土壤质量评价的主要指标,不仅直接影响草地的生产能力,而且在全球生态系统碳循环过程中扮演着极其重要的角色[14-16]。长期以来,有机碳作为高原高寒地区关注的焦点,研究发现青藏高原草甸土壤碳的储量占据全球生态系统的63.2%[17]。在各采样点及不同层位的沼泽草甸土壤中,有机碳呈现出相同的规律,含量差异并不明显,表明有机碳在沼泽草甸土壤中比较稳定,在短时期内不会随着草地退化而出现明显波动。祁连山南麓腹地沼泽草甸0～20 cm土壤有机碳含量远远超过我国土壤有机质的平均水平(15 g/kg),这与马剑等[18]、杨荣荣等[19]研究结论一致。究其原因,祁连山南麓腹地沼泽草甸主要植被类型以藏北嵩草居多,其盖度高、根系发达,有较强的生产力,自然归还于土壤中的凋落物及植物残体较多。受高海拔、低温度、长冻结期、多风等环境影响,加之微生物生命活性低,沼泽地长期累积的凋落物及大量植物残体进入土壤后发生分解和淋溶作用非常缓慢,对土壤腐殖质的充分累积创造了条件。除此以外,含水量作为影响土壤有机碳的主导因素,研究区常年处于渍水状态,形成有机碳输入量大于输出量的状况,最终导致有机碳含量非常高,这与周启龙等[15]、丁咸庆等[20]、孙长宏[21]的研究相符。另外,有学者指出高寒沼泽草甸土壤表层0～10 cm的有机碳含量比10～20 cm略低,并与沼泽草甸植物根系集中分布于10～20 cm的深度密切关联[20]。本研究恰好与其相反,是因为高寒草甸土壤的土层厚度一般在10～25 cm,植被根系集中于0～10 cm且凋落物先落于地面上,这与大部分学者的研究结果保持一致。

与有机碳一样,连山南麓腹地沼泽草甸土壤全氮含量也存在明显的表层聚集现象。这主要是因为土壤中全氮来源于有机质的分解[22],大量地表残体输入利于土壤有机质的积累,有机碳调控着土壤的供氮能力[23]。全氮主要以有机态形式存在于土壤中,在其矿化过程中,会受到土壤的质地、水分、温度等各种因子的综合影响[21]。有机态氮在参与微生物矿化过程中,释放出可供植物吸收利用的矿质氮,达到全氮含量的82%以上。除此以外,沼泽草甸强的生产力导致输入量较多,但土壤的含水率高,加之常年低温,致使微生物活性弱,土壤呼吸作用变弱,延缓氮的吸收,有利于全氮储集。本研究相关性分析结果表明,土壤有机碳与全氮的质量分数呈极显著相关,在空间分布上变化规律保持高度一致,说明土壤有机碳与全氮、速效氮联系密切,这与王金贵等[5]、颜淑云等[24]、高洋等[25]、曹丽花等[26]提出青藏高原高寒草甸土壤有机质与氮含量变化相近的结论保持一致。

祁连山南麓腹地沼泽草甸属于天然草地土壤,相比于沼泽草甸土壤有机碳与全氮的密切关系,植被类型、土壤各因子对土壤全磷、全钾的影响并不明显,这是因为土壤中磷和钾主要在岩石及矿物风化形成土壤过程中产生,不存在其它方式的输入,故其含量受土壤母质和成土过程的制约[27]。高寒沼泽草甸土壤全磷的含量相对较高,处于较丰富状态,这与磷在土壤中具有极易被固定、迁移性很弱的特点密切相关[28],沼泽草甸土壤全磷的变异系数较小,在土壤不同层位含量的变化不明显,与刘兴诏等[29]提出沼泽草甸土壤在不同演替期次表现出全磷质量分数相对稳定的观点一致。钾在促进植物生理代谢、吸收利用氮素、增强抗性等方面发挥着不可替代的作用,是植物吸收利用最多的必需元素之一,虽然沼泽草甸土壤中全钾含量远高于其他全养分含量,且含量相对比较稳定,但含量高并不能代表土壤供钾能力强。沼泽草甸土壤全钾含量处于第三等级,属于中等水平,并没有达到国家土壤养分丰富标准,这与刘玉萍等[30]关于青藏高原土壤中的全钾相对较高结论不符,但是在土壤中的分布比较均匀,在土壤下层中更稳定。祁连山南麓腹地土壤全钾对外界人类工程活动、放牧干扰的反应比全磷更为敏感,其缘由在于沼泽草甸土壤中全钾98%以上都以无机难溶状态存在,当放牧、采矿等人类活动稍加干预,就会引起全磷的敏感响应,造成土壤粒径增大,胶体性状变差,对钾离子的吸附性变弱,引发土壤全钾流失,导致土壤钾含量降低。因此,高寒沼泽草甸土壤全钾含量在草地退化过程中应重点予以关注。

3.2 土壤速效养分含量影响因素

值得注意的是,土壤中全养分和速效养分含量变化存在差异,并非完全一致,这可能受控于气候变化,植被高度、盖度、密度,优势植物种类和组成,植物生长与发育,动植物残体降解,动物行为,人为因素和微生物等综合影响。因此,研究高寒草甸草地土壤养分含量与变化,应关注高寒草甸草地演替的时空异质性及更多与其相关的问题。

3.3 土壤化学计量特征及限制因子分析

由于祁连山南麓腹地环境特殊,采用生态化学计量探讨高寒沼泽草甸土壤生态系统的养分循环过程及动态平衡机理,有助于揭示植物生长发育的限制性因子。C/N和C/P反映土壤有机质释放氮磷的矿化能力和分解速率,祁连山南麓腹地沼泽草甸土壤成土过程复杂,本研究发现C/N高于全国土壤平均值(11.9),与全球高寒地区均值(17.2)持平[33-34]。C/P高于全国陆地土壤平均值(52.7),与全球森林土壤平均值(81.9)接近[35-36]。高寒沼泽草甸土壤低温和缺氧环境抑制了微生物及酶的活性,减缓了有机质的矿化和腐殖质化速率,致使土壤有机质、全氮和全磷富集,同时,缓慢的分解速率削弱了有机质分解过程中养分的释放,形成土壤有效性养分含量低的状况。由于高寒沼泽草甸植被生长季短,对磷的需求量相对较低,但是能够高效的对磷进行充分吸收,在漫长的生长过程中适应了低磷的土壤环境,故较低的速效磷仍能满足植物生长需要。土壤N/P通常用来作为判断N和P供应相对限制性的阈值[37-38],土壤N/P与其他地区相比处于较低水平,显著低于全国平均水平(9.3)[35],表明区域内植被生产力更易受控于氮素的限制。另外,土壤C/P与有机碳和全氮呈显著相关,土壤N/P与全氮呈显著相关,进一步表明土壤C/P受碳素变化的影响明显,土壤N/P对土壤氮素响应更为敏感。综合来看,祁连山南麓腹地高寒沼泽草甸土壤有机碳、全氮、全磷贮备丰富,有机质分解和矿化速率缓慢,N、P有效性较低。

4 结 论

(1)祁连山南麓腹地高寒沼泽草甸0～20 cm土壤层位pH呈中性-弱酸性,有机碳、全氮含量具有明显的表层聚集特征。土壤养分含量等级序列为:有机碳≈全氮≈速效氮>全磷>全钾>速效钾>速效磷,其中,有机碳、全氮、速效氮的含量处于第一等级,属于丰富水平;全磷含量处于第二等级,属于较丰富水平;全钾含量处于第三等级,属于中等水平;速效钾含量处于第四等级,属于较缺水平;速效磷含量处于第六等级,属于急缺水平。土壤空间变异程度较高,所有指标变异系数均属于中等强度变异。

(2)祁连山南麓腹地高寒沼泽草甸土壤有机碳与全氮、全磷、速效氮质量分数之间呈极显著相关,在空间分布上变化规律保持高度一致。土壤C/P与有机碳和全氮呈显著相关,土壤N/P与全氮呈显著相关。在土壤不同层位全磷含量变化不显著,全钾含量在草地退化过程中应重点予以关注。速效养分含量从0～10 cm到10～20 cm呈逐渐降低趋势,沼泽草甸植被对土壤表层速效养分吸收利用率较高,为沼泽草甸生态系统初级生产力和物种组成提供了基础保障。

(3)当前祁连山南麓腹地的土地利用类型不利于土壤钾与磷的富集,适度改变土地利用方式,有利于土壤养分累积。生态化学计量指示,祁连山南麓沼泽高寒草甸有机质分解和矿化速率缓慢,有机碳、全氮、全磷贮备丰富,N、P有效性较低,区域内植被生产力更易受控于氮素的限制。