甘南高寒草甸草原不同海拔土壤理化性質分析

2014-09-11 06:22:20劉月華位曉婷鐘夢瑩武瑞鑫邵新慶

草原與草坪 2014年3期

劉月華，位曉婷，鐘夢瑩，武瑞鑫,2，潘多，邵新慶

(1.中國農業大學動物科技學院草地研究所，北京 100193； 2.甘肅農業大學草業學院/草業生態系統教育部重點實驗室/甘肅省草業工程實驗室/中-美草地畜牧業可持續發展研究中心，甘肅蘭州 730070)

土壤不僅為動物及微生物提供了賴以生存的棲息場所，也為植物提供必需的營養和水分，是各種物質能量轉化的場所[1]。海拔作為間接生態因子對土壤的理化性質有一定的影響，王長庭等[2]對青海省果洛州瑪沁縣高寒草甸6個不同海拔梯度上土壤養分變化規律進行了研究，結果表明，土壤有機質、全氮、有效氮、全磷含量在海拔3 840和4 435 m處較高，中間梯度較低。傅華等[3]對賀蘭山西坡草地的研究發現，土壤全氮含量隨海拔的降低而逐漸降低，而在典型草原沿土壤垂直剖面依次降低。Garcia-Pausa J[4]在比利牛斯山高山草原和亞高山草原的研究報道，土壤有機碳儲量與土壤深度和海拔呈顯著負相關。田種存等[5]研究高山草原不同海拔高度土壤養分的變化趨勢，得出隨海拔的升高，高山草原土壤有機質、全氮和全磷含量逐漸減少，pH逐漸增加；土壤有效養分受海拔高度影響較大，其變化幅度明顯高于全量養分。可見不同海拔的土壤空間特征，因研究的地理位置和氣候條件不同，結果不盡相同。這對于正確理解土壤養分在不同海拔的分布規律帶來一定困難。高寒草甸是甘肅甘南地區的主要生態系統，但對于該區域土壤理化性質在不同海拔梯度上的分異仍不夠清晰。以甘南桑科高寒草甸為對象，分析不同海拔高度、不同土層土壤理化性質的變化，特別是衡量土壤肥力和鹽堿化程度的含水量、pH、電導率、全氮、有機質的變化規律，探究土壤性質與海拔高度之間的相關性。從而為研究土壤在海拔梯度上的空間異質性變化提供基礎資料。

1 材料和方法

1.1 試驗區概況

試驗地位于甘肅省甘南藏族自治州桑科草原，地處青藏高原東北緣，平均海拔3 000 m以上，氣候為高寒濕潤類型，年均氣溫2.6 ℃，最高氣溫28.9 ℃，最低氣溫-24.6 ℃。年均降水量516 mm，降水量集中在7～8月。年均無霜期56 d。土壤類型為亞高山草甸土，植被類型為典型的高寒草甸植被[6]，主要優勢物種有夏河嵩草(Kobresiasquamaeformis)、甘肅苔草(Carexkansuensis)、垂穗披堿草(Elymusnutans)和早熟禾(Poaannua)等。

1.2 研究方法

1.2.1樣點設置試驗于2012年6月在甘肅夏河草甸草原進行，以桑科鄉政府所處草地為基點，從河谷沿山體每隔100 m設1個海拔梯度，共設6個海拔梯度(表1)。對不同海拔梯度的氣溫和相對濕度進行監測，氣溫在11～19 ℃，空氣相對濕度均在55%以上。

表1 樣地基本概況

1.2.2 土壤采樣與分析每個海拔樣地隨機設3個重復樣方，用土鉆在每個樣方隨機打10鉆，分層采集0～10，10～20，20～30 cm土樣，將10鉆同層土壤混合，土壤樣品經自然風干和過2 mm篩后，進行試驗分析。土壤含水量的測定采用烘干(100～105 ℃)稱重法[7]；土壤pH值采用電位法(GB7859-87)測定[8]；土壤電導率(EC)采用土水比1∶5浸提，DDS-309電導率儀測定[9]；全氮含量的測定采用凱氏定氮法[10]；重鉻酸鉀容量法測定土壤樣品中的有機質[11]。

1.2.3 數據處理用Excel進行數據整理，采用SPSS 17.0中one-way ANOVA法對試驗數據進行單因素方差分析比較，差異顯著性用Duncan法進行多重比較，用Sigmaplot 10.0回歸分析并作圖。

2 結果與分析

結果表明，不同土層深度土壤pH在不同海拔梯度的變異系數較小(CV<20)，而土壤含水量、電導率、全氮含量、有機質含量的變異系數較大(CV>20)，表明不同海拔土壤理化性質存在一定的差異(表2)。通過對各理化指標在不同土層間的顯著性分析，pH在各層間差異不顯著，含水量相鄰兩層差異不顯著，電導率、全氮含量、有機質含量均為0～10 cm土層與10～20、20～30 cm差異顯著(P<0.05)，但10～20和20～30 cm土層差異不顯著(P<0.05)。

表2 不同海拔梯度土壤理化特征

注：變異系數(CV)=100%×(標準差/均值)；同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)

2.1 土壤含水量

土壤含水量隨著海拔升高而升高，變化范圍在14.95%～47.73%(圖1)。經回歸分析得出，各土層含水量均與海拔梯度呈顯著相關(P<0.01)(表3)。含水量呈現隨土層深度的增加而降低的規律，在0～10，10～20和20～30 cm土層含水量分別為32.67%，27.81%和24.68%。

圖1 不同海拔不同土層的土壤含水量

2.2 土壤pH和電導率

研究區高寒草甸草原不同海拔的土壤pH在6.08～7.29(表2)，在3 064～3 489 m海拔，pH隨海拔的升高而降低，3 489～3 800 m海拔，pH緩慢升高(圖2)；經回歸分析和統計學檢驗，pH與海拔梯度呈極顯著相關(P<0.001)(表3)。表明海拔梯度的變化對土壤pH解釋程度強。該試驗地土壤電導率在6個海拔梯度間為10.30～156.3 μs/cm，變化幅度較大，不同海拔之間變異系數分別為27.96(0～10 cm)、44.60(10～20 cm)、39.39(10～20 cm)。電導率且呈現隨海拔梯度先降低后升高的趨勢。對同一土層的海拔梯度回歸分析，結果表明，0～10 cm土層土壤電導率與海拔梯度不相關(P>0.05)，而10～20、20～30 cm土層，電導率隨海拔升高而降低，其土壤電導率均與海拔顯著相關(P<0.05)。

同一海拔，pH和電導率均隨著土層深度的增加而增加，但pH在各層間差異不顯著(P<0.05)，電導率則在0～10 cm土層與10～20、20～30 cm土層間差異顯著(P<0.05)，10～20與20～30 cm差異不顯著(P<0.05)(表2)，說明隨著土壤深度的增加，pH和電導率變化減慢，由此可見，土壤離子隨著深度的增加而減少。

2.3 土壤全氮和有機質含量

0～10 cm土層全氮含量隨海拔上升而增加，而10～20、20～30 cm土層，隨海拔上升氮含量平緩降低，海拔3 489～3 700 m處又稍有增加。回歸分析得出(表3)，0～10 cm表土層全氮含量與海拔極顯著相關(P<0.001)，10～20、20～30 cm土層土壤全氮含量與海拔顯著相關(P<0.05)。該地區有機質含量在6個海拔梯度間的變化為22.37～170.19 g/kg(表2)。有機質含量隨海拔的上升呈現出增加趨勢。但是不同土層的增幅還是有差異，0～10 cm土層有機質含量變化顯著，而10～20、20～30 cm土層有機質含量隨海拔上升而呈現平緩增加(圖3)。經相關與回歸分析，3個土層有機質含量均與海拔呈極顯著相關(P<0.001)(表3)。

表3 不同土層的理化性質與海拔的回歸分析

圖2 不同海拔不同土層的pH值和電導率Fig.2 The pH values and conductivity in different soil layers of different altitudes

試驗地土壤中的全氮和有機質，隨土層加深含量越低。不同土層有機質含量分別為83.934，48.374和37.14 g/kg，呈現下降趨勢。對土層間的全氮和有機質含量進行方差分析，得出0～10 cm土層與10～20、20～30 cm土層差異顯著(P<0.05)(表2)。

圖3 不同海拔不同土層的全氮和有機質含量

3 討論

土壤作為植物生存的載體，理化性質在空間和時間上呈現異質性分布[12]。研究證明，除0～10 cm土層電導率之外，甘南高寒草甸草原的土壤含水量、pH值、電導率、全氮含量、有機質含量均與海拔呈現顯著的相關性。

土壤含水量隨海拔升高而升高，這主要與當地的氣候環境有關，海拔升高，氣溫下降，空氣濕度增加，造成土壤蒸發量下降，含水量升高(表1)。曹麗花等[13]的研究結果表明，正常草甸和輕度退化草甸土壤含水量為0～10 cm>10～20 cm，此次試驗研究結果與其一致。高寒草甸土壤含水量隨土層深度的增加而減少，是因為該地區水熱同季[14]，正常草甸和輕度退化草甸土壤在0～10 cm表層草甸植物密生，覆蓋度較高，根系較為集中，使表土層水分滲透能力較低，而向下層10～20 cm運移的水分較少，20～30 cm土層根系更少，運移的水分也更少，且表層由于草甸植被的覆蓋作用，使水分蒸發少[13]，也有研究指出，家畜對土壤的踐踏，可使0～10 cm土壤顆粒間隙較小，通氣透水性變差，降水多集中于土壤表層而不能向下滲透[15]。故表現為0～10 cm土壤含水量較10～20 cm土層含水量高。

土壤酸性的強弱與殘落物分解和降水量有密切的關系[16]。研究中，pH呈現先降低后緩慢增加的趨勢，這與王瑞永等[17]、黨坤良[18]的研究結果相反，他們報道海拔越高，土壤pH先升高后降低。這是研究的地理位置、海拔高度不同引起的差異。由于桑科高寒草甸構成植被的植物中間產物成分增多，加劇酸性淋溶過程，pH逐漸降低[19]。但是在海拔3 489 m之后，pH又上升，可能是由于海拔升高，溫度下降，有機礦化速度較慢，pH有所提高。而且土層越深，土壤酸度越大。是由于大量的枯枝落葉覆蓋在土壤表層和降水引起鹽基離子的下移，且表層土壤枯枝落葉層有機質的分解過程中產生的中間產物單寧有機酸多，致使土壤pH均有所下降；又由于采樣時間是在6月初，此時是高寒草甸的暖季，降水較多，土壤剖面中的水分還較豐富，鹽基離子的移動處于向下淋洗的過程，造成了隨土層深度的增加酸性降低。但土壤 pH下降程度的差異主要是由不同海拔高度接受降水量的大小和有機質含量、土壤母質類型等因子造成。土壤電導率可作為土壤鹽堿度的一個綜合性參考指標[20]，在一定濃度范圍內，水溶性含鹽量與電導率成正相關[21]。0～10 cm土層土壤電導率隨海拔梯度先降低后升高，且0～10 cm土層電導率均明顯高于10～20、20～30 cm土層。根據楊帆等[22]的研究結果，土壤鹽漬化程度嚴重的地方土壤表層積鹽多于下層土壤積鹽。表明該地草原出現退化，土壤鹽類離子濃度升高，鹽漬化程度加重。在10～20、20～30 cm處，海拔越高，電導率顯著降低。其中，20～30 cm土層的電導率在海拔3 489 cm之后趨于平緩。結合該地pH和含水量變化規律，海拔越高，土壤含水量越高，鹽類離子濃度下降，這可能是造成電導率降低的原因之一。

0～10 cm表土層全氮量隨海拔上升而迅速增加，土壤氮含量隨土壤剖面深度增加而逐漸變小，其原因是因為表層土壤好氣性微生物活動強烈，從而使表層土壤氮含量變化較大[23]。而10～20、20～30 cm土層，呈現先緩慢降低后平緩增加的現象，可能與不同海拔高度草地凋落物種類與數量以及草地溫濕度有關[24]。人類活動干擾對高寒草甸植被蓋度具有顯著影響[25]，桑科草原的牧戶多住在3 064～3 489 m的較低海拔處，人為影響因素較多，放牧強度較高海拔處大，且多有鼠害，使得這些地方的草地生物量較少。由此也說明了該地區已出現退化現象。研究區內土壤有機碳和全氮含量相對較高，這與柳領君[15]的研究結果一致，原因是研究區屬于天然高山草甸，受農業活動影響較小，高山草甸根系茂密發達，植物殘體的歸還量大，并且研究區內全年的氣溫較低、土壤含水量大，土壤有機質分解較慢、積累量大，土壤的腐殖質層較厚等[26]。且總體呈隨海拔升高而有機質含量增加的趨勢，這與劉偉等[27]的研究結果一致，而王瓊芳等[28]結果表明，土壤有機碳含量與海拔呈負相關，所以有待更多的研究來驗證海拔對土壤碳含量的影響。表層土有機質主要受氣候、植被類型以及人為活動的影響。高海拔處人為活動較少，放牧程度低，植被蓋度高，土壤含水量較高，故土壤碳蓄積量較深層土高。李亞娟等[29]對不同草地分層取樣分析結果也表明隨土壤深度的增加有機碳含量均呈下降趨勢。

4 結論

綜上所述，除0～10 cm土層電導率之外，土壤含水量、pH、電導率、全氮、有機質均與海拔呈顯著的相關性。土壤含水量、有機質含量均隨海拔升高逐漸增加，pH呈先降低后升高的趨勢，土壤表層全氮含量隨海拔升高而顯著增加，在10～30 cm先緩慢下降后平緩上升。因此，對于該區域高寒草甸草原應考慮到不同海拔土壤理化性質及狀況的差異，而采取相應的管理和利用模式。

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