瑪曲高寒草地不同利用方式下土壤氮素含量特征

顏淑云,周志宇,秦彧,鄒麗娜

(蘭州大學草地農業科技學院,甘肅 蘭州730020)

氮素是植物生長發育所需的大量營養元素之一,也是植物從土壤中吸收量最大的礦質元素,但也是包括草原生態系統在內的各種生態系統(森林、農田、荒漠、苔原等)生產力高低的主要限制因子[1,2]。草地是一個特殊的生態系統,其養分循環不同于森林等其他生態系統,家畜的采食、踐踏和排泄等對土壤氮素的礦化都會產生很大影響。土地利用方式的變化一方面導致進入土壤中的肥料和植物殘體的數量和性質各異,另一方面土壤水分管理、耕作方式等農藝措施的差異,影響土壤氮素的礦化、運輸和植物的吸收與利用,因而造成土壤氮素的差異[3-5]。

由于氮在土壤中存在多種化學形態,不同形態氮的生物有效性不同,各氮素形態循環過程也存在差異,并在系統有效氮的供應中又起著各自不同的作用,因此,針對土壤中氮的不同形態進行定量研究,對揭示草地土壤氮素狀況和土壤氮素循環特點具有重要意義。

國內外許多學者對不同土地利用方式下土壤碳氮特征進行了研究。Solomon等[6]研究證實農業土壤的全氮及有機質較原始林地均顯著下降;Hajabbasi等[7]的研究也表明,與沒有干擾的森林土壤相比,森林砍伐和隨后的耕種使土壤全氮和有機質降低了50%;孫庚等[8]研究也發現,不同管理措施對土壤氮、碳庫,氮轉化速率和土壤呼吸有顯著影響,圍欄草地的全氮、有機質含量分別比天然放牧草地高58%和61%;常宗強等[9]研究分析了祁連山區草地不同放牧強度的土壤全氮量,發現輕度放牧地與中度及重度放牧地之間土壤全氮量均存在顯著差異;孫啟祥等[10]也證明了隨著土地利用方式的改變,土壤氮、有機質含量有著較大差異。土地利用方式與土壤養分之間關系的研究己經形成了一個比較完整的體系,但不同利用方式下高寒草地土壤不同形態氮素的定量研究還未見報道。

本研究通過野外調查取樣,對瑪曲高寒草地不同利用方式下土壤各種形態氮素和有機碳含量的差異進行了分析研究,揭示了不同利用方式下土壤氮素含量的特征及利用方式對氮素利用的生態效應,探討了造成土壤氮素含量變化的原因,對于揭示我國高寒地區土壤氮素對土地利用方式的響應特征和機制具有一定科學意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

瑪曲縣屬甘肅省甘南州管轄的一個純牧業縣,位于黃河上游,甘肅省西南部,甘、青、川三省交界處,地理位置屬青藏高原東端(33°06′30″～ 34°30′15″N,100°45′45″～ 102°29′00″E),海拔 3 300～ 4 806 m 。全縣總面積 96.05萬hm2,擁有天然草地85.87萬hm2,占土地總面積的89.54%,可利用草地83.03萬hm2,占草地總面積的96.7%。氣候以高寒濕潤氣候為特征,年均氣溫1～2℃,≥10℃的活動積溫253.6℃,平均風速7.5 m/s,最大風速36 m/s,全年大風日數77.1 d(8級以上),年日照平均2 583.9 h,年降水量615.5 mm,年蒸發量1 353.4 mm。植被類型屬于川西藏東高原灌叢草甸區[11-13]。土壤為高山草甸土、褐鈣土等。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地選擇 為研究不同利用方式對瑪曲高寒草地土壤氮素的影響,本研究選擇了6種利用方式的草地。

1)圍封5年的草地:該草地終年圍封,沒有參與草地畜牧業生產,產量為7 593.1 kg/hm2(干重,以下相同)。

2)輕度退化與人工修復草地:該草地為2006年圍封的冬季牧場,面積為200 hm2,其中有部分草地因中華鼢鼠的危害,進行了人工補播修復。夏秋季進行封育保護,冬春季放牧家畜,產草量為1 419.8 kg/hm2。

3)中度退化草地:本草地屬于典型的終年放牧后的中度退化草地,但中華鼢鼠尚未侵害,有少量的狼毒(Stellera chamaejasme)和橐吾(Ligularia virgaurea)有毒植物生長,植被覆蓋度為90%以上,草地的優勢植物發生了明顯變化,為雜類型草地,產量為437.3 kg/hm2。

4)重度退化黑土灘型草地:由于草地過牧后嚴重退化,有毒植物大量滋生,鼠類活動頻繁,形成大面積“黑土灘”而得名,鼠丘面積占草地面積的80%左右,產量為609.0 kg/hm2。

5)沙化草地:由于草地大面積沙化,只生長幾種適生的沙生植物,產量為186.7 kg/hm2,植被覆蓋度小于10%,地表無枯落物覆蓋。

6)栽培的燕麥(Arrhenatherum elatius)草地:該草地開墾后一直種植燕麥,產量為24 961.3 kg/hm2,耕種時間為20年,從9月底作物收獲至次年6月種植前地表一直處于裸露狀況。

以上樣地分別簡稱為,1:圍育草地,2:修復草地,3:中度退化草地,4:黑土灘草地,5:沙化草地,6:燕麥地。各實驗樣地均采用全球定位系統(GPS-e T rex)定位(表1)。

表1 各樣地基本情況Table 1 The basic condition of samples

1.2.2 土壤樣品的采集 2007年10月初,在每個類型的樣地選取平行的3條樣線,每隔20 m設1條樣線,每條樣線長100 m,每隔10 m采1個樣,取樣深度為20 cm,土壤樣品為30個重復,將土樣裝入自封袋,帶回實驗室分析。

1.2.3 土壤樣品的分析 土壤樣品風干處理后,過0.5 mm篩。全氮用凱氏消化法消化,用FIAstar 5000全自動流動注射儀(瑞典FOSS公司生產)測定;土壤銨態氮和硝態氮用2 mol/L KCl浸提,用FIAstar 5000全自動流動注射儀測定;土壤有機碳(SOC)采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定[14]。

1.2.4 數據處理 實驗數據均采用SPSS進行統計分析,各樣地間指標差異采用單因素方差分析(ANOVA)比較,采用相關分析確定全氮、無機氮、銨態氮、硝態氮以及有機碳間的關系。所有圖表均使用 Excel軟件進行繪制。

2 結果與分析

2.1 全氮及無機氮含量特征

圖1為高寒草地不同利用方式下土壤中全氮含量變化。圍育草地及修復草地全氮含量均顯著高于其他樣地(P<0.05),其值分別高達8.03和7.76 g/kg;開墾種植燕麥后,土壤全氮含量驟減,其值相對于圍育草地及修復草地分別下降45.10%和43.20%,說明土地開墾利用后,土壤經過穩定而長期的耕作,土壤全氮含量下降。中度退化草地、黑土灘草地全氮含量差異不顯著(P>0.05),但均顯著小于圍育草地及修復草地(P<0.05)。沙化草地全氮含量低至0.15 g/kg,僅為圍育草地的1.91%。

土壤無機氮是指銨態氮和硝態氮的和,是植物能直接吸收利用的生物有效態氮。在6種土壤中,無機氮的變化趨勢與全氮不同(圖2)。修復草地無機氮含量為49.44 mg/kg,顯著高于其他樣地(P<0.05),圍育草地、燕麥地和黑土灘草地無機氮含量分別為34.97,33.83和37.38 mg/kg,中度退化草地和沙化草地的無機氮含量則顯著下降(P<0.05)。與其他樣地相比,修復草地土壤中氮的可利用性更高。

圖1 不同土地利用方式下土壤全氮含量Fig.1 Content of soil total nitrogen under different land use conditions

圖2 不同土地利用方式下土壤無機氮含量Fig.2 Content of soil inorganic nitrogen under different land use conditions

2.2 銨態氮及硝態氮含量特征

圖3為不同土地利用方式下土壤中銨態氮含量變化。修復草地土壤中的NH4+-N含量(42.71 mg/kg)顯著高于其他樣地(P<0.05),其他依次為黑土灘草地、圍育草地、燕麥地、中度退化草地,沙化草地(2.91 mg/kg)最低,僅為修復草地的0.07%。

圖4為不同土地利用方式下土壤中硝態氮含量變化。土壤中的NO3--N含量黑土灘草地(13.21 mg/kg)較高,燕麥地(12.09 mg/kg)和圍育草地(11.74 mg/kg)次之,修復草地(6.73 mg/kg)和中度退化草地(3.82 mg/kg)較低,沙化草地最低,僅為1.10 mg/kg。

各種土地利用方式下土壤中的NH4+-N含量均明顯大于NO3--N含量(圖3,4),也就是說,在本研究的6種土地利用方式下的土壤中,NH4+-N是無機氮的主要存在形式。分析結果表明,修復草地的硝態氮在其無機氮中比例最小,燕麥地最高,這也反映了土壤氮的可利用性順序。因為硝態氮極易淋失而造成氮的損失,無機氮含量高,硝態氮比例小,提高了氮的可利用性,減少了氮的損失。

2.3 土壤有機碳(SOC)

土壤有機碳是土壤肥力的重要組成部分,同時有機碳又是土壤氮庫的重要來源。修復草地和圍育草地有機碳含量顯著高于燕麥地及不同退化程度草地(P<0.05),而且隨著草地退化程度的加劇,有機碳含量顯著降低,燕麥地同修復草地、圍育草地及不同退化程度草地(沙化草地除外)相比有機碳含量最低,表明草地的開墾與退化使得土壤有機碳庫明顯變小(表2)。

圖3 不同土地利用方式下土壤銨態氮含量Fig.3 Content of soil ammonium nitrogen under different land use conditions

圖4 不同土地利用方式下土壤硝態氮含量Fig.4 Content of soil nitrate nitrogen under different land use conditions

表2 不同土地利用方式下土壤有機碳含量Table 2 Content of organic carbon under different land use conditions

圖5 不同土地利用方式下土壤全氮、無機氮與有機碳的關系Fig.5 Correlation of soil total nitrogen,inorganic nitrogen and organic Cunder different land use conditions

2.4 土壤全氮、無機氮與有機碳關系以及銨態氮、硝態氮與全氮關系

對土壤全氮、無機氮、有機碳、銨態氮及硝態氮進行相關性分析。土壤有機碳與土壤全氮、無機氮關系的趨勢模擬均呈線性關系(圖5),對其擬合關系通過回歸檢驗,有機碳與土壤全氮(t=12.929,P<0.01)、無機氮(t=9.280,P<0.01)擬合結果顯著;土壤全氮與銨態氮、硝態氮關系的趨勢模擬也均呈線性關系(圖6),對其擬合關系通過回歸檢驗,銨態氮與全氮(t=7.929,P<0.01)、硝態氮與全氮(t=6.054,P<0.01)擬合結果同樣顯著。

圖6 不同土地利用方式下土壤全氮與銨態氮、硝態氮之間的關系Fig.6 Correlation of soil total nitrogen and ammonium nitrogen,nitrate nitrogen under different land use conditions

3 討論

土壤氮素是植物吸收的大量元素之一,是土壤養分最重要的指標。不同土地利用方式下,土壤全氮、有效氮含量不同。土壤SOC是一種復雜的化合物,它包括植物、動物及微生物的遺體、排泄物、分泌物及其部分分解產物和土壤腐殖質。土壤養分有效性與土壤SOC含量具有密切聯系,SOC不僅可以豐富土壤氮庫,提高全氮含量,而且可以加速氮的礦化,提高土壤微生物轉化有機氮的強度,從而提高土壤氮的有效性。植被的根系分泌物和殘落物是土壤有機碳的主要來源[15]。圍封使草原生物量增加,輸入土壤的有機物質增多,同時土壤生態條件的改變促進了土壤有機質的形成,增加了土壤有機碳、氮的截存,有利于天然草地土壤有機碳、氮的恢復和提高[16]。本研究中圍育草地土壤全氮及有機碳含量均顯著高于其他草地,而燕麥地則顯著低于其他草地(除沙化草地外)。這主要是由于圍封草地植物根系和地上凋落物歸還到土壤中的數量相對較高;另外修復草地放牧家畜排出的糞尿增加了土壤中易分解的有機物,也對土壤起到了一定的培肥作用;不同退化程度的草地地表裸露破碎,冬春季極易造成風蝕,使大量的有機碳隨表層細顆粒的吹失而損失[17],而燕麥地某種程度上屬于掠奪式的土地利用方式,雖有少量根系補充,但在長期耕作條件下,每年從9月底燕麥收獲至次年6月種植前地表一直處于裸露狀況,礦化速度加快,另外風化、風蝕等因素也加劇了土壤有機碳含量下降,從而導致土壤碳庫由碳匯逆轉為碳源[18]。

因為地上部分持續利用,土壤養分在不斷消耗,加之牧草被采食后,養分被轉移,而且草地被破壞,植物吸收的養分量減少,隨水流失的可能性增大[19],中度退化草地土壤無機氮含量最低(除沙化草地外)。這意味著草地退化后,土壤中的有效性氮養分減少并表現為缺乏狀態。黑土灘草地無機氮含量顯著高于中度退化草地是因為其植被蓋度較小,土壤直接接受太陽輻射,溫度變化劇烈,土壤中有機態氮礦化速度加快[20,21]。

土壤中銨態氮和硝態氮是土壤速效氮的2種主要形式,它們一起被作為土壤營養診斷的氮素營養指標[22]。土壤中銨態氮和硝態氮的含量主要來源于土壤有機氮的氨化和硝化等由土壤微生物進行的礦化作用,因此其含量的高低受土壤有機質含量、微生物種類和土壤環境條件如土壤溫度、濕度和鹽堿度等的多重影響[23]。一般來說,在酸性的高山草甸土壤中,銨態氮含量高于硝態氮[24]。本實驗中,不論是哪種土地利用方式,銨態氮含量均高于硝態氮,是無機氮的主要存在形式,這與沙麗清等[25]在西雙版納和Mo等[26]在我國鼎湖山的研究結果一致。在放牧條件下草原植物優先利用NO3--N,這也可以說明各種土地利用方式下土壤中的NH4+-N含量為何均顯著大于NO3--N以及中度退化草地NO3--N為何顯著低于圍育草地的原因。

土壤中銨態氮含量的高低與土壤本身的通透性、質地等因素有關,特別是前者。在通氣良好的條件下,土壤中的銨態氮在硝化細菌和亞硝化細菌的作用下,很容易轉變為硝態氮。黑土灘草地,由于鼠類活動頻繁,鼠丘面積占草地面積的80%左右,土壤本身的通透性好,故其硝態氮含量最高。終年放牧的中度退化草地其掠奪性的特殊利用方式更容易造成養分流失,其銨態氮、硝態氮和無機氮含量均顯著低于除沙化草地外的其他草地。沙化草地由于其地表接近裸露,保水性能差,很容易受到淋溶,故其土壤的銨態氮含量、硝態氮含量及無機氮含量均顯著低于其他土壤。

以上土壤養分的變化趨勢,也可能與高原鼠類的活動密切相關。未退化草地幾乎沒有鼠類的活動,而隨著草地退化程度的加重,鼠類大量入侵,特別是重度退化的黑土灘草地,鼠害最為嚴重,隨著地下洞穴密度的增多,土壤變得疏松,土壤的侵蝕和礦化作用加強,所以黑土灘的土壤速效養分又有增加的趨勢。

許多研究表明,各種土壤性質指標之間存在一定的相關性[27-29]。一般來說,草地的養分供給主要是依靠草地土壤有機物質的礦化作用[30],土壤有機質與其他土壤養分指標之間均存在一定的相關性,尤其是與全氮、無機氮呈顯著的正相關關系,是土壤質量狀況的重要指標。土壤全氮及無機氮與有機碳之間呈顯著正相關(P<0.01),說明土壤有機質含量降低是引起土壤氮肥力下降的主要因素,提高土壤有機質含量將有利于維持和提高土壤氮肥力。修復草地和圍育草地有機碳含量顯著高于燕麥地及不同退化程度草地(P<0.05),說明季節性休牧和圍欄育草,既可以有效利用草地資源,又有利于土壤養分的積累,是值得采取的土地利用和管理措施。

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