青藏高原草地不同利用方式下土壤碳氮與土壤性狀的關系

顏送寶, 王麗云, 鄒璐, 潘文婷

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青藏高原草地不同利用方式下土壤碳氮與土壤性狀的關系

顏送寶, 王麗云, 鄒璐, 潘文婷*

中國林業科學研究院亞熱帶林業實驗中心, 江西 分宜 336600

以青藏高原草地為例, 探討草地不同利用方式下(T1: 夏季放牧; T2: 秋季放牧; T3: 冬春放牧; T4: 全年放牧), 表層(0—30 cm)土壤性狀、碳氮含量及其兩者之間的關系。結果顯示: (1)土壤有機碳、全氮含量和碳氮儲量從大到小為T1>T2>T3>T4, 差異主要集中在0—10 cm。(2)T1處理和T3處理的土壤粘粒和粉粒顯著高于T2和T4處理, 而砂粒則相反; 為T1處理的土壤容重顯著低于其它處理, 而土壤含水率則表現出相反的趨勢; , T3處理的土壤pH顯著低于其它處理。(3)土壤pH均與土壤碳氮含量呈現顯著地負相關關系; 土壤含水率與土壤碳氮僅在T1和T3處理中存在顯著地正相關關系; 除T4處理外, 其余處理均與土壤容重呈現出顯著地負相關關系結論: 一方面, 草地不同利用方式下土壤碳氮含量存在明顯的差異; 另一方面, 土壤性狀和碳氮含量之間的關系對草地不同利用方式的響應是存在顯著差異的。上述研究可以減少評估土壤碳氮儲量時不確定性, 也為制定科學合理的草地利用方式、維持草地生態系統生態服務功能和保障區域生態系統功能穩定均具有重要意義。

高寒草甸; 草地利用方式; 土壤有機碳; 土壤全氮; 土壤性狀

0 前言

土壤有機碳和氮素不僅可以為植物生長發育提供營養元素[1–2], 而且在很大程度上影響土壤的性狀, 對于維持土壤良好的物理結構起著至關重要的作用[3-4]。土壤碳庫和氮庫與大氣中的碳庫和氮庫是可以相互轉化的。然而, 由于土壤儲量巨大, 其微弱的變化就可能導致大氣中含碳、氮等溫室氣體濃度發生較大的改變, 進而直接影響全球變化格局[5-6], 所以土壤有機碳和全氮動態一直是近年來陸地生態系統碳、氮循環研究的熱點和重點。其中土地利用方式的差異是影響陸地生態系統碳、氮循環的主要因素之一, 其對全球生物地球化學循環的影響日益受到重視[7], 是當前研究熱點中的熱點。

目前, 國內外研究者關于土地利用方式的變化對土壤有機碳和全氮的影響進行了大量研究。研究表明合理的土地利用方式(例如: 圍欄、適度放牧、施肥等)有利于草地土壤有機碳和全氮的固定[8], 而不合理的土地利用方式(例如: 草地轉化為農田)將會導致草地土壤有機碳和全氮的損失[9–10]。目前關于土地利用方式的變化對土壤碳氮變化的影響研究主要集中在生物因素方面, 如土地利用方式的變化(例如: 自由放牧、刈草和補播等)導致草地植物多樣性和生產力的變化進而導致土壤有機碳和全氮發生變化[11-12]。而關于非生物因素, 如土壤性狀的變化則報道較少。然而不同土地利用方式可能會對土壤理化性狀產生影響, 并可能通過一系列作用來間接影響土壤碳氮含量。首先, 涉及到土壤顆粒與土壤碳氮之間的關系。許多研究表明, 土壤有機碳的穩定性與表征土壤質地的顆粒物質(粘粒、粉粒和砂粒)存在一定的關系[13], 尤其是粘粒具有長期固持碳和氮的能力, 通過粘粒膠體的吸附以及與土壤有機質形成有機無機復合體的形式從而對土壤有機碳和氮起到物理保護作用[14-16], 而土壤砂粒含量與土壤碳氮含量呈負相關關系[17-18]; 但也有不同的研究認為土壤質地與有機碳氮貯量間缺乏嚴格的對應關系[19-21]。其次, 土壤容重與土壤碳氮呈現出顯著地負相關關系, 即土壤容重越大, 意味著土壤碳氮含量越低[22]。再次, 有研究認為土壤pH與土壤有機碳和全氮呈現顯著地負相關關系[23–24], 但是有研究指出二者之間的關系需要界定在一定的范圍內才有意義[24-25]。第四, 有研究認為土壤含水量與土壤有機碳和全氮呈現顯著地的正相關關系[23]; 也有研究認為他們之間的顯著關系僅僅在土壤表層(0—40 cm), 而在深層(>40 cm)則無顯著差異[26]; 更有研究認為二者呈現負相關[27]。由此可見, 不同土地利用方式下會影響土壤有機碳和全氮含量與土壤性狀的關系還在較大的爭議, 迫切需要進一步開展相關的研究。

青藏高原是地球陸地生態系統的重要組成部分, 是世界上低緯度凍土集中分布區, 作為歐亞大陸最高最大的地貌單元, 對全球氣候變化十分敏感[28]。本文以青藏高原東北邊緣的四川省阿壩州若爾蓋縣的高寒草甸為例, 選取自然狀態下草地不同利用方式, 研究該地區草地不同利用方式下的土壤性狀及土壤碳氮的分布特征和差異, 并分析土壤性狀對土壤有機碳和全氮含量的影響, 以期為當地草地合理利用方式提供科學依據, 也為全球碳氮循環的研究和相關模型參數的建立提供基礎數據和理論支持。為此, 我們提出兩個假設: (1)草地不同利用方式會顯著影響土壤性狀和土壤有機碳和全氮含量; (2)影響草地不同利用方式土壤有機碳和全氮含量的土壤性狀是存在差異的, 但是存在共同的土壤影響因子。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區域位于四川省阿壩州若爾蓋縣(102° 31'—102°58'E, 33 °42'—33°56'N), 地處青藏高原東北部, 平均海拔3500 m, 年平均氣溫0.7 ℃, 年極端最高氣溫24.6 ℃, 年極端最低氣溫-33.7 ℃, 年降水量656.8毫米, 日照時間長, 輻射強度大, 年平均日照時數2573小時; 屬于大陸性季風高原氣候。研究區草地類型以高寒草甸為主, 土壤類型為草甸土。

1.2 研究方法

1.2.1 研究設計

在2014年7月份全面踏查的基礎上, 依據使用方式和時間, 選取當地有代表性的自然狀態下不同草地利用方式, 具體為: T1: 作為夏季草場使用, 使用時間約為7月初到9月初; T2: 作為秋季草場使用, 使用時間約為9月初到10月底; T3: 作為冬春草場使用, 使用時間約為11月到第二年6月底; T4: 作為全年草場使用, 每年使用時間大致為10個月左右。本研究的采樣時間是2014年7月底, 處于生物量最高峰時期。在每一類草場利用方式下隨機布置5個樣點, 在每個樣點內選取三個面積為1×1 m2的樣方, 每個樣方利用土鉆法分層(0—10 cm、10—20 cm和20—30 cm)取樣, 將同層的土樣混合均勻后除去植物根系和石塊, 風干后過篩, 室內測定土壤性狀(粒徑、容重、pH、含水量)和土壤碳氮含量。

1.2.2 樣品分析

采用重鉻酸鉀容量法測定土壤有機碳含量; 采用半微量凱氏法測定全氮含量; 采用環刀法測定土壤容重; 采用稱重法測土壤含水量[29]; 采用Master-sizer 2000激光粒徑儀測定其土壤顆粒組分[30]。土壤碳(氮)儲量(g·cm-2)=土壤碳(氮)含量(g·kg-1)×土壤容重(g·cm-2)× 土壤深度(cm)× 10。

1.2.3 數據處理與分析

在Excel 2010統計軟件中進行實驗數據的整理與作圖表, 借助統計軟件SPSS17.0對數據進行以下分析: 對不同土地利用方式間以及土層間各項指標的差異進行單因素方差分析(ANOVA), 若方差齊性, 采用Duncan多重比較法進行顯著性檢驗(<0.05); 若方差非齊性, 采用非參數檢驗中的Dunnett's C 方法進行顯著性檢驗(<0.05)。根據樣本是否為正態分布選擇Pearson相關分析或Spearman秩相關分析方法對土壤物理特征(包括顆粒粘粒、粉粒和砂粒的含量、土壤pH、土壤容重和土壤含水量)、土壤有機碳含量、土壤全氮含量進行兩兩指標之間的相關性分析。所有實驗數據均為平均值±標準差。

2 結果與分析

2.1 草地不同利用方式下的土壤性狀特征

由表1可知, 四種草地利用方式下的土壤粘粒、粉粒和砂粒含量、土壤容重、土壤pH及土壤含水量在相同的土層中存在一定的差異, 但差異程度不同。在0—10 cm土層中, T1和T3處理的土壤粘粒和粉粒均顯著高于T2和T4處理; 在其他土層 (10—20 cm和20—30 cm) 各處理間均無顯著差異。土壤砂粒則與粘粒、粉粒表現出相反的趨勢, 在0—10 cm土層中T2和T4處理均顯著高于T1和T3處理; 除10—20 cm T2處理顯著高于T1處理外, 其他土層深度處理間均無顯著差異。土壤容重在同一土層中均表現出T1處理顯著低于其余處理, 而T2、T3、T4處理間則無顯著差異。土壤含水量在同一土層中均表現出T1顯著高于其他處理, 而T2、T3、T4處理間均無顯著差異。土壤pH在同一土層中T3處理顯著低于其他處理, 而T1、T2和T4處理間均無顯著差異。

2.2 草地不同利用方式下土壤有機碳和全氮含量的分布

由表2可知, 不同草地利用方式下的土壤有機碳、全氮在相同土層中存在較大的差異, 但差異程度不同。在0—10 cm土層中, T1處理的土壤有機碳、全氮均顯著高于其它處理; T2和T3處理顯著高于T4處理, 且T2與T3處理間無顯著差異。在10—20 cm土層中, T1處理的土壤有機碳、全氮均顯著高于其它處理, T2、T3和T4處理間則均無顯著差異。隨著土層加深至20—30 cm, T1處理的土壤有機碳和全氮均顯著高于T3和T4, 但與T2處理差異不顯著。

表1 不同草地利用方式下的土壤性狀特征

注: 各土層數字后的 a、b、c 表示不同草地利用方式之間差異顯著(< 0.05)。

2.3 不同草地利用方式下土壤碳氮儲量

由表3可知, 草地不同利用方式下土壤有機碳氮儲量在相同土層存在較大差異。在0—10 cm土層和10—20 cm土層, 的土壤碳氮儲量總體顯著大于T3處理和T4處理; 在20—30 cm土層中, 各處理間的土壤有機碳氮儲量并無顯著差異。在0—30 cm土層中, T1處理和T2處理的土壤總碳氮儲量顯著高于T3處理和T4處理, 而T3與T4處理間無顯著差異。

由表3可知, 草地不同利用方式下土壤有機碳氮儲量在相同土層存在較大差異。在0—10 cm土層和10—20 cm土層, 的土壤碳氮儲量總體顯著大于T3處理和T4處理; 在20—30 cm土層中, 各處理間的土壤有機碳氮儲量并無顯著差異。在0—30 cm土層中, T1處理和T2處理的土壤總碳氮儲量顯著高于T3處理和T4處理, 而T3與T4處理間無顯著差異。

2.4 土壤環境因素與土壤碳氮含量的關系

通過對土壤顆粒組成(粘粒、粉粒和砂礫)、土壤pH、土壤容重以及土壤含水率與土壤有機碳含量、全氮之間的Pearson相關關系進行分析, 發現T1處理和T3處理的pH、土壤容重和土壤含水量能夠顯著影響其有機碳和全氮含量, 具體為: 土壤有機碳和全氮含量與土壤pH和容重呈現顯著的負相關關系, 而與土壤含水率呈顯著地正相關關系; T2處理的土壤pH和容重顯著與其有機碳和全氮含量呈現顯著地負相關關系; T4處理的土壤pH與有機碳和全氮含量呈現顯著的負相關關系。進一步分析發現, 土壤pH均顯著影響草地不同利用方式下土壤有機碳和全氮含量。

表2 不同草地利用方式下土壤碳氮含量

3 討論

草地利用方式變化對土壤有機質和全氮含量具有較大的影響[31]。在本研究中, 草地不同利用方式顯著影響土壤有機碳和全氮含量和儲量, 即: 夏季草場>秋季草場>冬春草場>全年草場, 支持了我們提出的假設一, 這與Li等[32]的研究結果相一致。上述結果的差異主要集中在表層土壤(0—10 cm), 表明表層土壤的破壞容易造成土壤有機碳和全氮的損失。

表3 不同草地利用方式土壤碳氮儲量(g·cm-2)

表4 土壤性狀與土壤有機碳和全氮的顯著關系

注: *表示顯著關系。

土壤碳氮是決定土壤物理、化學性狀及地下生命活動的關鍵因素。土壤性狀通過固持作用來直接影響有機碳和全氮的含量, 也可以通過改變土壤含水量來間接影響土壤有機碳和全氮的積累[31]。在本研究中, 草地不同利用方式顯著影響土壤顆粒, 主要集中在表層土壤(0—10 cm), 即: 夏季草場的表層土壤粘粒和粉粒含量顯著高于秋季草場和全年利用的草場, 而土壤砂粒含量則呈現相反的趨勢; 在其他土層無顯著變化。說明草地不同利用方式對土壤顆粒的影響的變化主要集中在表層, 與有機碳和全氮差異集中在表層(0—10 cm)相一致。我們分析原因可能與土壤顆粒組分自身的特性有關, 其一, 土壤粘粒或者粉粒含量能夠增加對有機質的固持作用和減少淋溶損失, 進而保持土壤有機碳和全氮含量[33-34]。我們對土壤有機碳和全氮與土壤顆粒進行Pearson相關分析, 研究發現, 它們之間并沒有形成顯著地對應關系, 與Franzluebbers研究結果一致[35], 然而, 我們發現粘粒和粉粒含量高的土壤有機碳和全氮含量也高, 認為兩者之間至少存在一定的關系, 還需更多的研究去驗證; 其二, 土壤粘粒或者粉粒能夠提高土壤的持水能力, 較高的土壤含水量能增加地上植被和根系生物量, 并加快枯落物和根系分解速率從而能夠促進植生長, 也就有利于土壤有機碳和全氮的積累[36]。本研究發現, 夏季草場和冬季草場土壤粘粒和粉粒與土壤含水量顯著相關, 且土壤含水量與土壤有機碳和全氮呈現顯著地正相關。然而, 上述關系僅在然而, 在秋季草場和全年草場這兩種利用方式并不成立, 因此, 需要開展更多的相關研究進一步去驗證。土壤容重是衡量土壤有機碳和全氮的一個重要指標, 土壤有機碳和全氮與土壤容重往往呈現負相關關系[18,37]。上述現象在本研究中也得以證明, 表明土壤容重顯著影響草地不同利用方式土壤有機碳和全氮。草地不同利用方式下的土壤有機碳和全氮均與土壤pH值呈現顯著地負相關關系。Yang等[38]通過對從1980s到2000s中國草地pH變化研究發現高寒草甸土壤pH從7.29降為6.68, 且同期土壤有機碳和全氮含量增加的相一致, 但是這種關系是限制在一定的pH范圍內還是在所有pH范圍內均保持這種關系需要進一步研究。基于上述分析, 草地不同利用方式下土壤質地顯著影響土壤有機碳和全氮, 尤其是土壤pH, 進一步支持了我們的假設二。

綜合所述, 草地利用方式變化顯著影響土壤有機碳和全氮含量和土壤性狀的分布特征及其它們之間的相互關系。總體來講, (1)土壤表層(0—30cm)有機碳和全氮含量及儲量大小順序為夏季草場>秋季草場>冬春草場>全年草場。(2)草地不同利用方式下的土壤性狀與土壤碳氮的關系, 具體為: T1(夏季草場)和T3(冬春季草場)與土壤pH、土壤容重呈顯著的負相關關系, 與土壤含水量呈現顯著地正相關關系; T2(秋季草場)與土壤pH和土壤容重呈現顯著地負相關關系; T4(全年草場)則僅僅與土壤pH呈現的負相關關系。因此, 一方面, 在研究土壤碳氮含量評估過程中, 尤其是在運用模型評價草地不同利用放下的土壤碳氮含量時, 需要考慮草場利用方式差異, 這樣可以減少評估結果的不確定性; 另一方面, 草地利用方式的變化導致土壤性狀的變化進而導致土壤碳氮的變化, 尤其全年利用草場方式導致土壤碳氮含量明顯降低, 所以說未來科學的管理措施和合理的草地利用方式是保持土壤穩定性、保障區域生態系統功能穩定和維持草地生態系統生態服務功能的根本途徑[39]。

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Relationship between soil organic carbon and total nitrogen and soil properties under different use patterns of grassland in the Qinghai-Tibet plateau

YAN Songbao, WANG Liyun, ZOU Lu, PAN Wenting*

Subtropical Experimental Center, CAF, Fenyi, Jiangxi 336600, China

Taking Qinghai-Tibet plateau grassland as an example, the study examined the properties of surface soil, the contents of carbon (C) and nitrogen (N) in soil, and the relation between their contents and other factors (soil pH/bulk density/soil water content) underdifferent grassland utilization patterns (T1: utilization from July to August; T2: utilization from September to October; T3: utilization from November in this year till June in the next year; T4: utilization all the year round). Results showed that: (1) contents of carbon and nitrogen of alpine grassland soil under different utilization patterns showedthe following sequence: T1 > T2 > T3 > T4; (2) the contents of clay and silt in T1 and T3 were significantly higher than those in T2 and T4, while the content of sand presented the opposite pattern; (3) contents of carbon and nitrogen were negatively related to soil pH in all utilization patterns, and were negatively related to bulk density in T1, T2 and T3 except in T4, and werepositively related to soil water content. The analysis of the results suggested that the difference in grassland utilization pattern resulted in the difference in the content ofcarbon and nitrogen, and influenced the relation between soil pH and the contents of carbon and nitrogen and the properties of soil. These findings may help reduce the uncertainty of evaluating the soil carbon and nitrogen storage, and can be significant for the sustainability of grassland utilization, maintenance of grassland ecosystem and the stability of regional ecosystem.

alpine meadow; grassland use patterns; soil organic carbon; total nitrogen; soil properties

10.14108/j.cnki.1008-8873.2019.02.014

Q148

A

1008-8873(2019)02-105-07

2018-01-01;

2018-03-03

中央級公益性科研院所基本科研業務費專項資金(CAFYBB2017MC005)

顏送寶(1987—), 男, 湖南株洲, 學士, 工程師, 主要研究方向: 森林培育, E-mail: 6063854@qq.com

潘文婷, 女, 碩士, 工程師, 主要研究方向位林木遺傳育種, E-mail: pan_ada@126.com

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