高寒土壤质地对土壤养分空间分异的影响

时间：2024-05-21

史惠兰+姚卫康+刘梦萍+庞文豪+张海兰+施建军

摘要：于青海省河南县选取8个高寒土壤样地，研究和分析高寒草地土壤质地差异与土壤养分的空间分异特征，以及土壤质地对土壤养分空間分异的影响。结果表明：研究区各样地均为壤质沙土，随着土层加深，黏粒减少，沙粒增多；各样地土壤各层0～200 μm粒径的土粒含量分布基本一致，小粒径土粒集中在20～80 μm；各样地除全磷含量较低外，其他养分含量丰富，各养分含量随着土层加深逐渐降低；表层土壤中，黏粒含量与C/N之间有显著正相关；中层土壤中，全磷含量与沙粒含量有极显著正相关，与黏粒含量和粉粒含量有极显著负相关。土壤养分含量和0～200 μm粒径的土粒含量的相关性分析表明：0～10 cm土层总氮含量、碱解氮含量与0～20 μm土粒含量呈极显著负相关，与45～100 μm土粒含量呈显著正相关；10～20 cm和>20～30 cm土层中，总磷含量与20～45 μm土粒含量呈显著正相关，与100～200 μm土粒含量呈显著负相关，速效钾含量与0～5 μm各粒径土粒含量分别呈显著正相关；有机碳含量与3层土壤0～1 μm各粒径土粒含量分别呈显著正相关。

关键词：高寒草地；土壤质地；土壤养分；空间分异；相关分析

中图分类号： S153.6；S181 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2017）18-0262-06

收稿日期：2017-03-03

基金项目：青海省科学技术厅项目（编号：2014-HZ-805）；教育部长江学者和创新团队发展计划（编号：IRT13074）；国家重点研发计划重点专项（编号：2016YFC0501902）。

作者简介：史惠兰（1977—），女，青海西宁人，硕士，副教授，主要从事植物生态学研究。E-mail：hlshi7701@126.com。

通信作者：施建军，博士，研究员，主要从事高寒草地生态研究。E-mail：378605242@qq.com。土壤在时间与空间上具有连续变异的特点[1]。土壤中各粒级土粒含量由土壤质地表示，反映土壤颗粒的机械组成情况[2]。土壤质地是土壤最为重要的物理性质，土壤的耕作性能由土壤质地进行表征[3]。若土壤的质地不同则土壤对各种养分的吸附和固定能力及淋失率也不同[4]。土壤养分是土壤肥力的表征，它分布在不同草地类型、不同时空下，与土壤质地相似，也具有明显的分异特征。土壤养分空间变异如果来自于内部，如母质、土壤类型、气候等时，会提高土壤养分之间的相关性，增强土壤养分空间结构变异性；如果主要是人为因素，会减弱土壤养分的空间变异和相关性，使土壤养分的空间分布变得均一化[5]。土壤质地影响着土壤的耕性、通透性、保水保肥性能，而且影响着土壤的养分水平。

本研究对象位于青藏高原，青藏高原的面积为 26 000 km2，占我国陆地面积的26%，主体生态系统为高寒草地，覆盖面积达51%。高寒草甸在亚洲中部的高寒环境和世界高寒地带具有很高的代表性。高寒草甸具有涵养水源、保护生物多样性和固定碳素等生态屏障作用[6-7]。但在土壤开垦和过度放牧等人为因素以及全球气候变化的干扰下，高寒草甸的生态系统逐渐被破坏。高寒草甸原有的结构和功能发生严重退化，草场质量、生产力及服务功能降低，生态环境和生物多样性及其复杂性程度降低，生态系统的恢复能力减弱[8-10]。高寒草甸退化，更多是由人类活动的过度索取[11-13]、气候变暖引起的一系列效应[14-15]或二者之间的联合效应引起的[16]。本研究通过不同类型、利用方式下高寒草地群落土壤质地分析，不同土层N、P、C、K等指标测定，分析高寒草地土壤质地差异，以及不同质地对土壤养分空间分异特征的影响，为青海省高寒草地资源的合理利用、退化草地的恢复与重建以及可持续利用提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区样地位于青海省河南蒙古族自治县境内，隶属于黄南藏族自治州，地处30°04′～34°55′N、100°53′～102°15′E，东西跨度126 km，南北跨度92.35 km，地形东北高、西北低，平均海拔3 650 m[17]（图1、图2）。全县为青藏高原气候系统所控制，高原大陆性气候，热量低，季节性明显，雨热同期，年均温度0.4 ℃，年平均降水量为597.3～615.6 mm，年日照时数2 530～3 100 h。草地面积62.76万hm2。土壤属于高原高寒性土壤，土层薄而年轻，有机质分解速度慢[18]。

1.2 样地设置

根据调查结果并结合当前该地区植被类型和草地利用方式的实际情况，在河南蒙古族自治县境内的高寒草甸上选取8个样地（图2），具体情况见表1。

1.3 土壤样品的采集

2015年9月在河南省蒙古族自治县境内选取不同类型的高寒草地设置采样点，在各采样点进行采样。土壤样品用土钻分层钻取0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm各深度的土样。采样时利用GPS确定采样点的经纬度和海拔，并详细记录该样点的土地利用方式、植被类型等环境信息。最后将样品带回实验室。环刀样用于土壤容重、含水量等测定，土袋样拣出石块、根等其他枯枝落物，于阴凉处自然风干后，根据试验需要分别用四分之一法取土样过相应大小的筛，并储存于密封袋内，便于机械组成及其他养分元素的测定。

1.4 土壤样品的分析

土壤样品的分析方法见表2。

1.5 数据的统计分析

采用SPSS统计分析软件包（SPSS 22.0）和WPS 2010对数据进行统计分析。不同样地土壤养分差异显著性采用多重比较；不同样地土壤养分和土壤理化性质的相关性用皮尔森显著性检验。

2 结果与分析

2.1 土壤质地类型分析

土壤质地指土壤中各级土粒的百分含量，反应了土壤的机械组成。土壤质地与土壤养分的关系密切，并因此影响着作物和牧草生长情况。通过离心法并结合激光粒度仪对所采各个样地0～30 cm的土壤样品进行各粒径百分含量的测定，并根据国际制土壤质地分类标准[24]对研究区各样地的土壤质地进行分类。由表3及图3、图4、图5可知，不同草地类型，金露梅灌丛、藏嵩草草地、冬季放牧垂穗披碱草草地土壤容重低；同种草地类型，冬季牧场较夏季牧场的土壤容重偏低，说明放牧方式对土壤容重有影响。endprint

曹樱子等研究发现土壤沙粒含量越高，其分形维数越低，土壤分形维数与土壤全氮含量和全磷含量存在显著正相关性[25]，可以在一定程度上反映土壤退化状况。

各样地黏粒、粉粒、沙粒空间垂直分布如图3、图4、图5

所示，不同类型草地中，夏季放牧金露梅灌丛草地（P6）土壤黏粒、粉粒含量最高，沙粒含量最低；其余各样地黏粒含量多随着土层加深不断降低，而沙粒含量不断增高。

金露梅灌丛草地，夏季牧场（P6）比冬季牧场（P1）黏粒含量、粉粒含量更高，沙粒含量更低，说明冬季放牧对金露梅灌丛草地土壤质地的影响要高于夏季放牧。

垂穗披碱草草地，冬季牧场（P2）比夏季牧场（P3）和退牧还草草地（P7）土壤黏粒、粉粒含量更高，沙粒含量更低，说明夏季放牧对其土壤质地的影响要高于冬季放牧。

总体而言，黄帚橐吾退化草地（P5）、矮嵩草夏季牧场（P4）、藏嵩草冬季牧场（P8）土壤在0～30 cm深处黏粒、粉粒含量随土壤深度增加而减小，沙粒随土壤深度增加而增加，土壤质地变化表现一致。

调查样地黏粒和粉粒含量较低，研究区样地属于壤质沙土，土壤有退化趋势。

2.2 土壤小粒径土粒含量在样地状况分析

土壤小粒径土粒主要是200 μm以下的土粒，研究区土壤沙粒含量高，研究200 μm以下土壤小粒径含量及其与营养成分相关性关系，有助于分析土壤质地对养分空间分异的影响。将土壤样品中0～200 μm的部分分成10个粒径范围，分别为0～0.5、>0.5～1、>1～2、>2～5、>5～10、>10～20、>20～45、>45～75、>75～100、>100～200 μm，利用激光粒度分析仪测定每个粒径范围的百分含量，绘制各样地 0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm3层土样0～200 μm各粒径范围百分含量分布图。根据图6、图7、图8可知，每个样地 0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm的土层0～200 μm各粒径范围百分含量分布基本一致；小粒径土粒集中在20～100 μm，累积含量占0～200 μm土粒的75%，其中粒径介于40～50 μm 的土粒最多，含量占小粒径土粒的20%～40%。其中，0～30 cm 土层中夏季放牧金露梅灌丛草地（P6）粒径 40～50 μm 的土粒含量最低，为24.9%，黄帚橐吾退化草地（P5）和冬季放牧金露梅灌丛草地（P1）粒径40～50 μm的土粒含量最高，为36.1%。

2.3 样地土壤养分状况分析

由表4、图9可知，0～30 cm土层中，总氮含量在P6最低，P5最高；总磷含量P6最低，P7最高，P4、P1较高；碱解氮含量在P6最低，P5含量最高；速效磷含量在P1、P7低，P2、P3含量高；速效钾含量在P7最低，P8含量最高；有机碳含量在P7最低，P8最高；碳氮比在P7最低，P6最高；pH在P6为651，P2最高，为7.77。

结合全国第二次土壤普查养分分级标准[26]可知，各样地：TN含量和AN含量均属一级，含量丰富；TP含量介于 1.35～2.95 g/kg之间，属于五到六级，含量很低； AP含量属于中低等；AK含量属于中高等，上层含量极高；SOC含量各样地土壤上层含量高于下层；C/N介于1.13～22.18，变幅较大，这与各样地微生物繁殖状况有密切关系；土壤表层属于弱酸性，底层属于弱碱性；各养分的含量基本上由浅至深逐渐降低，这与植物腐烂后养分首先释放到表层土壤有关。

2.4 土壤质地对土壤养分的影响分析

由表5可知，表层土壤中，土壤容重与土壤有机碳含量呈显著负相关（P<0.05），土壤黏粒、粉粒含量与土壤总磷含量呈极显著负相关（P<0005），总磷含量与土壤沙粒含量呈极显著正相关（P<0.05），与土壤有效磷呈显著正相关（P<0.05）。

根据表5、表6、表7可知，表层土壤黏粒与C/N之间有显著正相关，中层土壤全磷含量与沙粒有极显著正相关，与黏粒和粉粒含量有极显著负相关。容重与3层土壤的有机质含量有显著负相关，与底层速效磷含量呈显著正相关。3层土壤的全氮含量与碱解氮含量之间呈极显著正相关，与C/N呈显著或极显著负相关。

2.5 小粒径土粒含量对土壤养分的影响分析

使用SPSS软件对各层土壤养分和对应层的小粒径的土粒含量进行皮尔森双侧的相关性分析，结果表明，0～10 cm土壤总氮含量、有效氮含量与粒径为0～0.5、>0.5～1、>1～2、>2～5、>5～10、>10～20 μm的土壤黏粒均呈极显著负相关（P<0.01）。

10～20 cm深土壤有效磷含量与粒径为0～0.5、>0.5～1、>1～2 μm的土壤黏粒均呈显著负相关（P0.5～1、>2～5 μm与粒径黏粒呈显著正相关（P45～75 μm土壤黏粒呈极显著负相关（P<0.05）。

20～30 cm土壤总氮含量与粒径为0.5～1 μm的土壤黏粒均呈极显著负相关（P2～5 μm土壤黏粒均呈顯著负相关（P1～2、>2～5 μm粒径土壤黏粒呈极显著负相关（P<0.005）。

3 讨论与结论

3.1 高寒草地样地土壤质地及土壤中小粒径土粒含量

研究区各样地土壤各层沙粒含量在90%以上，黏粒与粉粒含量较低，因此样地各层土壤质地均为壤质沙土。研究区样地土壤单从沙粒含量来看退化较严重，随土层加深黏粒减少，沙粒增多。各样地0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm 的土层0～200 μm各粒级百分含量分布基本一致，小粒径土粒集中在20～100 μm，其中粒径介于40～50 μm的土粒最多。

3.2 研究区样地土壤养分状况

各样地AN、TN含量均属一级，含量丰富，TP含量属于五级到六级，含量很低；AP含量属于中低等；各样地AK含量属于中高等，上层含量极高；SOC含量在6.23～67.92 g/kg之间，土壤上层含量高于下层；样地所研究的养分含量基本上由浅至深逐渐降低。endprint

3.3 土壤质地及小粒径土粒对土壤养分的影响

表层土壤黏粒与C/N之间有显著正相关，中层土壤全磷含量与沙粒有极显著正相关，与黏粒和粉粒含量有极显著负相关。容重与3层土壤的有机质含量有显著负相关，与底层速效磷含量呈显著正相关。3层土壤的全氮含量与碱解氮含量之间呈极显著正相关，与C/N呈显著负相关。

各层土壤养分和对应层的小粒径的土粒含量进行皮尔森双侧的相关性分析表明，0～10 cm土层总氮含量、碱解氮含量与0～20 μm 土粒含量呈极显著负相关，与45～100 μm呈显著正相关。总磷含量、速效磷含量与0～200 μm各粒径的相关性不显著。速效钾含量与100～200 μm土粒呈显著负相关。有机碳含量与0～0.5 μm 土粒呈的极显著正相关。C/N与0～5 μm各粒径土粒呈显著正相关，与45～75 μm土粒呈显著负相关。10～20 cm土层，总磷含量与20～45 μm土粒呈显著正相关，与100～200 μm土粒呈显著负相关；碱解氮含量与20～45 μm土粒呈显著正相关，总氮含量与0～200 μm各粒径土粒的相关性不显著。速效磷含量与0～2 μm 各粒径土粒分别呈显著负相关，与45～75 μm土粒呈显著正相关；速效钾含量与0～5 μm各粒径土粒分别呈显著正相关；有机碳含量与0.5～1 μm粒径土粒分别呈显著正相关，与20～75 μm各粒径土粒分别呈显著负相关；C/N与 20～45 μm土粒极显著负相关，与100～200 μm土粒呈显著正相关。20～30 cm土层，总磷含量与20～45 μm土粒呈显著正相关，与100～200 μm呈显著负相关；碱解氮含量与 20～45 μm土粒呈显著正相关，而总氮含量与0～200 μm各粒径土粒的相关性不显著。速效磷含量与0～2 μm各粒径土粒分别呈显著负相关，与45～75 μm土粒呈显著正相关；速效钾含量与0～5 μm各粒径土粒分别呈显著正相关；有机碳含量与0.5～1 μm各粒径土粒分别呈显著正相关，与20～75 μm各粒径土粒分别呈显著负相关；C/N與20～45 μm 土粒呈极显著负相关，与100～200 μm土粒呈显著正相关。

4 建议

对各样地质地的测定可知，金露梅灌丛草地、垂穗披碱草草地、矮嵩草草地、藏嵩草草地等8个高寒草地样地均为壤质沙土。利用激光粒度分析仪测定土壤小粒径土粒含量，发现0～200 μm各样地各层土粒分布具有相似性，并与各层土壤养分含量进行相关性分析，发现小粒径土粒含量与土壤养分的相关性比单纯研究土壤质地与养分相关性更有意义。此外，对于小粒径土粒对土壤养分的相关性的研究应更加深入，并应研究其相关性的原因。

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