高寒土壤質地對土壤養分空間分異的影響

史惠蘭+姚衛康+劉夢萍+龐文豪+張海蘭+施建軍

摘要：于青海省河南縣選取8個高寒土壤樣地，研究和分析高寒草地土壤質地差異與土壤養分的空間分異特征，以及土壤質地對土壤養分空間分異的影響。結果表明：研究區各樣地均為壤質沙土，隨著土層加深，黏粒減少，沙粒增多；各樣地土壤各層0～200 μm粒徑的土粒含量分布基本一致，小粒徑土粒集中在20～80 μm；各樣地除全磷含量較低外，其他養分含量豐富，各養分含量隨著土層加深逐漸降低；表層土壤中，黏粒含量與C/N之間有顯著正相關；中層土壤中，全磷含量與沙粒含量有極顯著正相關，與黏粒含量和粉粒含量有極顯著負相關。土壤養分含量和0～200 μm粒徑的土粒含量的相關性分析表明：0～10 cm土層總氮含量、堿解氮含量與0～20 μm土粒含量呈極顯著負相關，與45～100 μm土粒含量呈顯著正相關；10～20 cm和>20～30 cm土層中，總磷含量與20～45 μm土粒含量呈顯著正相關，與100～200 μm土粒含量呈顯著負相關，速效鉀含量與0～5 μm各粒徑土粒含量分別呈顯著正相關；有機碳含量與3層土壤0～1 μm各粒徑土粒含量分別呈顯著正相關。

關鍵詞：高寒草地；土壤質地；土壤養分；空間分異；相關分析

中圖分類號： S153.6；S181 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2017）18-0262-06

收稿日期：2017-03-03

基金項目：青海省科學技術廳項目（編號：2014-HZ-805）；教育部長江學者和創新團隊發展計劃（編號：IRT13074）；國家重點研發計劃重點專項（編號：2016YFC0501902）。

作者簡介：史惠蘭（1977—），女，青海西寧人，碩士，副教授，主要從事植物生態學研究。E-mail：hlshi7701@126.com。

通信作者：施建軍，博士，研究員，主要從事高寒草地生態研究。E-mail：378605242@qq.com。 土壤在時間與空間上具有連續變異的特點[1]。土壤中各粒級土粒含量由土壤質地表示，反映土壤顆粒的機械組成情況[2]。土壤質地是土壤最為重要的物理性質，土壤的耕作性能由土壤質地進行表征[3]。若土壤的質地不同則土壤對各種養分的吸附和固定能力及淋失率也不同[4]。土壤養分是土壤肥力的表征，它分布在不同草地類型、不同時空下，與土壤質地相似，也具有明顯的分異特征。土壤養分空間變異如果來自于內部，如母質、土壤類型、氣候等時，會提高土壤養分之間的相關性，增強土壤養分空間結構變異性；如果主要是人為因素，會減弱土壤養分的空間變異和相關性，使土壤養分的空間分布變得均一化[5]。土壤質地影響著土壤的耕性、通透性、保水保肥性能，而且影響著土壤的養分水平。

本研究對象位于青藏高原，青藏高原的面積為 26 000 km2，占我國陸地面積的26%，主體生態系統為高寒草地，覆蓋面積達51%。高寒草甸在亞洲中部的高寒環境和世界高寒地帶具有很高的代表性。高寒草甸具有涵養水源、保護生物多樣性和固定碳素等生態屏障作用[6-7]。但在土壤開墾和過度放牧等人為因素以及全球氣候變化的干擾下，高寒草甸的生態系統逐漸被破壞。高寒草甸原有的結構和功能發生嚴重退化，草場質量、生產力及服務功能降低，生態環境和生物多樣性及其復雜性程度降低，生態系統的恢復能力減弱[8-10]。高寒草甸退化，更多是由人類活動的過度索取[11-13]、氣候變暖引起的一系列效應[14-15]或二者之間的聯合效應引起的[16]。本研究通過不同類型、利用方式下高寒草地群落土壤質地分析，不同土層N、P、C、K等指標測定，分析高寒草地土壤質地差異，以及不同質地對土壤養分空間分異特征的影響，為青海省高寒草地資源的合理利用、退化草地的恢復與重建以及可持續利用提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區樣地位于青海省河南蒙古族自治縣境內，隸屬于黃南藏族自治州，地處30°04′～34°55′N、100°53′～102°15′E，東西跨度126 km，南北跨度92.35 km，地形東北高、西北低，平均海拔3 650 m[17]（圖1、圖2）。全縣為青藏高原氣候系統所控制，高原大陸性氣候，熱量低，季節性明顯，雨熱同期，年均溫度0.4 ℃，年平均降水量為597.3～615.6 mm，年日照時數2 530～3 100 h。草地面積62.76萬hm2。土壤屬于高原高寒性土壤，土層薄而年輕，有機質分解速度慢[18]。

1.2 樣地設置

根據調查結果并結合當前該地區植被類型和草地利用方式的實際情況，在河南蒙古族自治縣境內的高寒草甸上選取8個樣地（圖2），具體情況見表1。

1.3 土壤樣品的采集

2015年9月在河南省蒙古族自治縣境內選取不同類型的高寒草地設置采樣點，在各采樣點進行采樣。土壤樣品用土鉆分層鉆取0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm各深度的土樣。采樣時利用GPS確定采樣點的經緯度和海拔， 并詳細記錄該樣點的土地利用方式、植被類型等環境信息。最后將樣品帶回實驗室。環刀樣用于土壤容重、含水量等測定，土袋樣揀出石塊、根等其他枯枝落物，于陰涼處自然風干后，根據試驗需要分別用四分之一法取土樣過相應大小的篩，并儲存于密封袋內，便于機械組成及其他養分元素的測定。

1.4 土壤樣品的分析

土壤樣品的分析方法見表2。

1.5 數據的統計分析

采用SPSS統計分析軟件包（SPSS 22.0）和WPS 2010對數據進行統計分析。不同樣地土壤養分差異顯著性采用多重比較；不同樣地土壤養分和土壤理化性質的相關性用皮爾森顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 土壤質地類型分析

土壤質地指土壤中各級土粒的百分含量，反應了土壤的機械組成。土壤質地與土壤養分的關系密切，并因此影響著作物和牧草生長情況。通過離心法并結合激光粒度儀對所采各個樣地0～30 cm的土壤樣品進行各粒徑百分含量的測定，并根據國際制土壤質地分類標準[24]對研究區各樣地的土壤質地進行分類。由表3及圖3、圖4、圖5可知，不同草地類型，金露梅灌叢、藏嵩草草地、冬季放牧垂穗披堿草草地土壤容重低；同種草地類型，冬季牧場較夏季牧場的土壤容重偏低，說明放牧方式對土壤容重有影響。endprint

曹櫻子等研究發現土壤沙粒含量越高，其分形維數越低，土壤分形維數與土壤全氮含量和全磷含量存在顯著正相關性[25]，可以在一定程度上反映土壤退化狀況。

各樣地黏粒、粉粒、沙?？臻g垂直分布如圖3、圖4、圖5

所示，不同類型草地中，夏季放牧金露梅灌叢草地（P6）土壤黏粒、粉粒含量最高，沙粒含量最低；其余各樣地黏粒含量多隨著土層加深不斷降低，而沙粒含量不斷增高。

金露梅灌叢草地，夏季牧場（P6）比冬季牧場（P1）黏粒含量、粉粒含量更高，沙粒含量更低，說明冬季放牧對金露梅灌叢草地土壤質地的影響要高于夏季放牧。

垂穗披堿草草地，冬季牧場（P2）比夏季牧場（P3）和退牧還草草地（P7）土壤黏粒、粉粒含量更高，沙粒含量更低，說明夏季放牧對其土壤質地的影響要高于冬季放牧。

總體而言，黃帚橐吾退化草地（P5）、矮嵩草夏季牧場（P4）、藏嵩草冬季牧場（P8）土壤在0～30 cm深處黏粒、粉粒含量隨土壤深度增加而減小，沙粒隨土壤深度增加而增加，土壤質地變化表現一致。

調查樣地黏粒和粉粒含量較低，研究區樣地屬于壤質沙土，土壤有退化趨勢。

2.2 土壤小粒徑土粒含量在樣地狀況分析

土壤小粒徑土粒主要是200 μm以下的土粒，研究區土壤沙粒含量高，研究200 μm以下土壤小粒徑含量及其與營養成分相關性關系，有助于分析土壤質地對養分空間分異的影響。將土壤樣品中0～200 μm的部分分成10個粒徑范圍，分別為0～0.5、>0.5～1、>1～2、>2～5、>5～10、>10～20、>20～45、>45～75、>75～100、>100～200 μm，利用激光粒度分析儀測定每個粒徑范圍的百分含量，繪制各樣地 0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm3層土樣0～200 μm各粒徑范圍百分含量分布圖。根據圖6、圖7、圖8可知，每個樣地 0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm的土層0～200 μm各粒徑范圍百分含量分布基本一致；小粒徑土粒集中在20～100 μm，累積含量占0～200 μm土粒的75%，其中粒徑介于40～50 μm 的土粒最多，含量占小粒徑土粒的20%～40%。其中，0～30 cm 土層中夏季放牧金露梅灌叢草地（P6） 粒徑 40～50 μm 的土粒含量最低，為24.9%，黃帚橐吾退化草地（P5）和冬季放牧金露梅灌叢草地（P1）粒徑40～50 μm的土粒含量最高，為36.1%。

2.3 樣地土壤養分狀況分析

由表4、圖9可知，0～30 cm土層中，總氮含量在P6最低，P5最高；總磷含量P6最低，P7最高，P4、P1較高；堿解氮含量在P6最低，P5含量最高；速效磷含量在P1、P7低，P2、P3含量高；速效鉀含量在P7最低，P8含量最高；有機碳含量在P7最低，P8最高；碳氮比在P7最低，P6最高；pH在P6為651，P2最高，為7.77。

結合全國第二次土壤普查養分分級標準[26]可知，各樣地：TN含量和AN含量均屬一級，含量豐富；TP含量介于 1.35～2.95 g/kg之間，屬于五到六級， 含量很低； AP含量屬于中低等；AK含量屬于中高等，上層含量極高；SOC含量各樣地土壤上層含量高于下層；C/N介于1.13～22.18，變幅較大，這與各樣地微生物繁殖狀況有密切關系；土壤表層屬于弱酸性，底層屬于弱堿性；各養分的含量基本上由淺至深逐漸降低，這與植物腐爛后養分首先釋放到表層土壤有關。

2.4 土壤質地對土壤養分的影響分析

由表5可知，表層土壤中，土壤容重與土壤有機碳含量呈顯著負相關（P<0.05），土壤黏粒、粉粒含量與土壤總磷含量呈極顯著負相關（P<0005），總磷含量與土壤沙粒含量呈極顯著正相關（P<0.05），與土壤有效磷呈顯著正相關（P<0.05）。

根據表5、表6、表7可知，表層土壤黏粒與C/N之間有顯著正相關，中層土壤全磷含量與沙粒有極顯著正相關，與黏粒和粉粒含量有極顯著負相關。容重與3層土壤的有機質含量有顯著負相關，與底層速效磷含量呈顯著正相關。3層土壤的全氮含量與堿解氮含量之間呈極顯著正相關，與C/N呈顯著或極顯著負相關。

2.5 小粒徑土粒含量對土壤養分的影響分析

使用SPSS軟件對各層土壤養分和對應層的小粒徑的土粒含量進行皮爾森雙側的相關性分析，結果表明，0～10 cm土壤總氮含量、有效氮含量與粒徑為0～0.5、>0.5～1、>1～2、>2～5、>5～10、>10～20 μm的土壤黏粒均呈極顯著負相關（P<0.01）。

10～20 cm深土壤有效磷含量與粒徑為0～0.5、>0.5～1、>1～2 μm的土壤黏粒均呈顯著負相關（P0.5～1、>2～5 μm與粒徑黏粒呈顯著正相關（P45～75 μm土壤黏粒呈極顯著負相關（P<0.05）。

20～30 cm土壤總氮含量與粒徑為0.5～1 μm的土壤黏粒均呈極顯著負相關（P2～5 μm土壤黏粒均呈顯著負相關（P1～2、>2～5 μm粒徑土壤黏粒呈極顯著負相關（P<0.005）。

3 討論與結論

3.1 高寒草地樣地土壤質地及土壤中小粒徑土粒含量

研究區各樣地土壤各層沙粒含量在90%以上，黏粒與粉粒含量較低，因此樣地各層土壤質地均為壤質沙土。研究區樣地土壤單從沙粒含量來看退化較嚴重，隨土層加深黏粒減少，沙粒增多。各樣地0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm 的土層0～200 μm各粒級百分含量分布基本一致，小粒徑土粒集中在20～100 μm，其中粒徑介于40～50 μm的土粒最多。

3.2 研究區樣地土壤養分狀況

各樣地AN、TN含量均屬一級，含量豐富，TP含量屬于五級到六級，含量很低；AP含量屬于中低等；各樣地AK含量屬于中高等，上層含量極高；SOC含量在6.23～67.92 g/kg之間，土壤上層含量高于下層；樣地所研究的養分含量基本上由淺至深逐漸降低。endprint

3.3 土壤質地及小粒徑土粒對土壤養分的影響

表層土壤黏粒與C/N之間有顯著正相關，中層土壤全磷含量與沙粒有極顯著正相關，與黏粒和粉粒含量有極顯著負相關。容重與3層土壤的有機質含量有顯著負相關，與底層速效磷含量呈顯著正相關。3層土壤的全氮含量與堿解氮含量之間呈極顯著正相關，與C/N呈顯著負相關。

各層土壤養分和對應層的小粒徑的土粒含量進行皮爾森雙側的相關性分析表明，0～10 cm土層總氮含量、堿解氮含量與0～20 μm 土粒含量呈極顯著負相關，與45～100 μm呈顯著正相關?？偭缀?、速效磷含量與0～200 μm各粒徑的相關性不顯著。速效鉀含量與100～200 μm土粒呈顯著負相關。有機碳含量與0～0.5 μm 土粒呈的極顯著正相關。C/N與0～5 μm各粒徑土粒呈顯著正相關，與45～75 μm土粒呈顯著負相關。10～20 cm土層，總磷含量與20～45 μm土粒呈顯著正相關，與100～200 μm土粒呈顯著負相關；堿解氮含量與20～45 μm土粒呈顯著正相關，總氮含量與0～200 μm各粒徑土粒的相關性不顯著。速效磷含量與0～2 μm 各粒徑土粒分別呈顯著負相關，與45～75 μm土粒呈顯著正相關；速效鉀含量與0～5 μm各粒徑土粒分別呈顯著正相關；有機碳含量與0.5～1 μm粒徑土粒分別呈顯著正相關，與20～75 μm各粒徑土粒分別呈顯著負相關；C/N與 20～45 μm土粒極顯著負相關，與100～200 μm土粒呈顯著正相關。20～30 cm土層，總磷含量與20～45 μm土粒呈顯著正相關，與100～200 μm呈顯著負相關；堿解氮含量與 20～45 μm土粒呈顯著正相關，而總氮含量與0～200 μm各粒徑土粒的相關性不顯著。速效磷含量與0～2 μm各粒徑土粒分別呈顯著負相關，與45～75 μm土粒呈顯著正相關；速效鉀含量與0～5 μm各粒徑土粒分別呈顯著正相關；有機碳含量與0.5～1 μm各粒徑土粒分別呈顯著正相關，與20～75 μm各粒徑土粒分別呈顯著負相關；C/N與20～45 μm 土粒呈極顯著負相關，與100～200 μm土粒呈顯著正相關。

4 建議

對各樣地質地的測定可知，金露梅灌叢草地、垂穗披堿草草地、矮嵩草草地、藏嵩草草地等8個高寒草地樣地均為壤質沙土。利用激光粒度分析儀測定土壤小粒徑土粒含量，發現0～200 μm各樣地各層土粒分布具有相似性，并與各層土壤養分含量進行相關性分析，發現小粒徑土粒含量與土壤養分的相關性比單純研究土壤質地與養分相關性更有意義。此外，對于小粒徑土粒對土壤養分的相關性的研究應更加深入，并應研究其相關性的原因。

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