贺兰山不同海拔土壤颗粒有机碳、氮特征

杨益，牛得草＊，文海燕，张宝林，董强，陈菊兰，傅华

（1.兰州大学草地农业科技学院 草地农业生态系统国家重点实验室，甘肃 兰州730020；2.内蒙古阿拉善盟草原总站，内蒙古 巴彦浩特750306；3.内蒙古阿拉善盟畜牧研究所，内蒙古 巴彦浩特750306）

＊土壤表层（0～1m土层）有机碳库大约有1 550Pg（1Pg＝1015g），其储量大约是大气碳库的3倍，生物有机体碳库的3.8倍，为地球表层最大的有机碳库，因此，土壤表层有机碳库变化在全球碳循环中起着关键作用［1，2］。土壤有机碳的降解及其迁移过程是一个极其复杂的生物、物理和化学过程，对有机质组分进行定量化估算，并且研究其碳氮含量的变化，有助于进一步了解土壤碳周转的基本特征［3］。化学分析方法将土壤有机碳分为胡敏酸（包括胡敏素）和富里酸，对认识土壤有机质化学组成起到很大作用，但由于此方法对土壤有机质原状结构有破坏性，所以分离的有机碳组分不能解释土壤有机碳库的稳定性［4］。应用物理分组方法对有机质结构破坏程度极小，分离的有机碳组分能够反映原状有机质结构与功能，尤其反映有机质周转特征［5］，所以这种方法在土壤有机碳的研究中受到更多的重视。物理分组方法获得的颗粒有机质部分，是指与沙粒（53～2 000μm）结合的有机碳部分，周转期5～20年，属于有机质中慢库，其有机碳主要来源于分解速度中等的植物残体分解产物［6］。一些研究者［4，7，8］应用物理分组方法研究了不同土地利用方式对土壤碳库稳定性的影响及机制，结果表明，土壤碳库的稳定性主要决定于土壤颗粒有机碳的比例，土壤颗粒有机碳比例越高，土壤碳库越不稳定。山地生态系统，由于沿海拔梯度水热因子变化剧烈，发育了不同植被类型的生态系统。不同植被类型下土壤由于承接其凋落物和根系分泌物类型不同以及气候因子等的差异［9，10］，形成的土壤碳库特别是颗粒有机质状况势必会存在差别。因此，研究同一地区沿海拔梯度不同植被下土壤颗粒有机质含量与分配比例对揭示植被及相应气候因子对土壤碳库的调控及影响具有重要意义［11］。

贺兰山位于阿拉善荒漠东南边境，由于相对高度差别较大，水热变化迅速，形成了明显的垂直地带性植被及土壤类型［12］。本试验应用颗粒大小的物理分组方法对贺兰山沿海拔梯度的土壤颗粒碳、氮含量及其分配比例进行了研究，旨在揭示草地退化过程中土壤碳氮的稳定性，为该区草地的保护，及退化草地的恢复和重建提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区设在内蒙古阿拉善左旗境内贺兰山中段（西坡）及其山前地带（105°32′～105°51′E，38°39′～39°19′N；海拔3 556～1 360m）。气候属夏季风影响的西界，也是我国年降水量200mm等水量线的重要分水岭。由于地处干旱区内，加之山体相对高差大，使大气降水、植被及土壤类型有明显的垂直地带性分布规律。主峰3 500m以上，年降水量可达500mm，年均温－2.8℃，无霜期60～70d。而低海拔区域，年平均温度8℃左右，年降水量约150mm。随海拔的降低，土壤类型依次为亚高山草甸土、灰褐土、棕钙土、灰漠土和风沙土。其土壤母质为结晶岩石，由于不完全淋溶作用，这些土壤形成一个或多个钙沉积层。高山草甸区土壤厚度为70～80cm，荒漠区土壤厚度达到180～200cm［13］。2005年，沿海拔梯度，分别在贺兰山上部的高山草甸、中部及较低地区山地草原和山前地带荒漠草原和草原化荒漠区，设置调查样地，共计8个样地（表1），用于植被与土壤的观测研究。

表1 各样地的基本情况Table 1 General conditions of sampling sites

1.2 土壤样品采集与分析

1.2.1 土壤样品的采集 2005年9月，在各样地内设置5个50m×100m的样区，每1样区设置1条固定样线，沿每一样线用土钻采集10个土样，混合为1个样本，取样深度为0～10和10～20cm。土样自然风干，一部分过2mm筛，4℃样品储存室保存，用以测定土壤颗粒有机碳和氮；另一部分过0.5mm筛，样品存储室保存，用以测定土壤有机质和土壤全氮。

1.2.2 植被特征的测定 于2005年9月在研究样地选择地势植被较一致的地段，分别设置5块面积为100m×50m的样区，每样区内设置1条长度为100m的样线，沿固定样线，以10m间隔，设置10个样方，分别进行群落学调查，测定盖度和生物量。在高山草甸设置0.25m×0.25m样方，山地草原设置1m×1m样方，山地荒漠草原和草原化荒漠设置4m×4m灌木样方（内部套1m×1m草本样方）。各样方内草本植物齐地面剪下，灌木收获其地上同化器官，按植物种称取其鲜重和烘干重（65℃烘干至恒重），计算生物量。高山草甸和山地草原采用样点法，山地荒漠草原和草原化荒漠采用样线法，样线长50m，测定各种植物的分盖度，计算总盖度［13，14］。

1.2.3 分析方法 土壤颗粒有机碳和氮含量按照Franzluebbers和Stuedemann［15］提供的方法测定。通过湿筛法得到土壤颗粒有机碳组分，称取20.00g过2mm筛的风干土，放入250mL三角瓶，加入100mL 0.1mol／L Na4P2O7，振荡16h，然后，将土壤悬液过0.053mm筛，并反复用蒸馏水冲洗。把所有留在筛子上方的物质，在55℃下烘72h后称重，这些物质即为土壤颗粒组分。计算这部分土样占整个土壤样品比例就为土壤颗粒组分比例。把这些物质研磨过0.15mm筛，用K2Cr2O4－H2SO4外加热法和凯氏定氮法分析其碳、氮含量，即土壤颗粒组分碳、氮含量；土壤有机碳和土壤全氮分别采用K2Cr2O4－H2SO4外加热法和凯氏定氮法测定［16］。根据土壤颗粒组分比例和土壤颗粒组分碳、氮含量，计算土壤颗粒有机碳和氮含量。

1.3 数据处理

用SPSS 11.0软件对数据进行统计分析。采用单因子方差分析（One Way－ANOVA）和LSD法对不同类型样地土壤颗粒有机碳和氮含量进行比较。采用Pearson相关分析描述各变量之间的关系。

2 结果与分析

2.1 不同海拔土壤颗粒有机碳和氮含量变化特征

随着海拔的降低，土壤颗粒有机碳、氮含量及其分配比例都发生了显著变化（表2）。土壤颗粒有机碳、氮含量随着海拔的降低而显著降低（P＜0.05），在0～10cm土层，二者在2 940m处最高，分别为72.25和4.60 g／kg，在1 360m处最低，分别为0.60和0.05g／kg；10～20cm土层也表现出相同的趋势。各样地不同土层颗粒碳、氮含量相比较，均表现为0～10cm土层土壤颗粒碳、氮含量高于10～20cm土层（表2）。

表2 不同海拔土壤颗粒碳、氮及土壤有机碳、全氮含量Table 2 The soil particulate fraction，soil organic carbon and total nitrogen content in different elevations

颗粒有机碳分配比例随海拔的降低先降低后升高，0～10cm土层在2 940m处最高，在1 820m处最低，10～20cm土层在2 940m处最高，在1 700m处最低。颗粒有机氮分配比例随海拔的变化在2个土层表现出不同的变化规律，在0～10cm土层，颗粒有机氮分配比例先降低后升高，在2 940m处最高，在1 820m处最低，而在10～20cm土层，其随海拔降低大致呈降低趋势，在2 940m处最高，1 360m处最低。

同时，0～10和10～20cm土层土壤有机碳和全氮随海拔的降低均表现出显著的下降趋势，且存在较大的差异（表2），0～10cm土层，土壤有机碳和全氮的变化范围分别为1.69～111.51g／kg和0.23～8.18g／kg。10～20cm土层，土壤有机碳和全氮的变化范围分别为1.38～86.45g／kg和0.23～6.47g／kg。

2.2 不同草地类型土壤颗粒碳和氮含量的变化特征

2.2.1 植被特征 随海拔梯度的升高，草地植被盖度和生物量都发生了显著变化（图1）。植被盖度和生物量均在草甸最高（100%和177.6g／m2），其次是山地草原（52.0%和31.0g／m2），草原化荒漠最低（36.3%和52.1 g／m2）。

图1 各样地植被特征Fig.1 Vegetation characters of different sampling sites

2.2.2 不同草地类型土壤颗粒碳、氮及土壤有机碳、全氮特征 不同草地类型间土壤颗粒有机碳、氮含量及其分配比例以及土壤有机碳、全氮含量都存在显著差异（P＜0.05）（表3）。土壤颗粒有机碳、颗粒有机氮、有机碳及全氮含量均在高山草甸最高，草原化荒漠最低，各植被类型之间的差异达到显著水平。颗粒有机碳分配比例在高山草甸最高，山地荒漠草原最低。颗粒有机氮分配比例在高山草甸最高，2个土层的最低点存在差异，0～10cm土层在山地荒漠草原最低，而在10～20cm土层则在草原化荒漠最低。

2.3 颗粒有机碳、氮分配比例与环境和植被的关系

相关性分析结果表明，颗粒有机碳、氮分配比例与草地植被特征和环境因子间存在显著的相关关系（P＜0.05），二者随植被盖度、地上生物量及降水量的增加显著增加，随温度的增加而显著降低（表4）。

3 讨论

本研究结果显示，随着海拔的升高，土壤颗粒有机碳含量增加，该结果与向成华等［11］的报道一致。0～10cm层土壤颗粒碳、氮含量均高于10～20cm土层。该结果与徐侠等［17］的研究结果一致，这主要是因为土壤颗粒有机碳含量大小在很大程度上取决于土壤总有机碳含量，与下层土壤相比，0～10cm层土壤受植物的凋落物影响较大，丰富的植物残体为表层土壤输入了较多的有机质，另外，植物残体的分解提高了表层土壤的养分，同时促进了植物根系在表层的生长［18，19］。最终，凋落物的增加和根系生长过程中分泌物排放的增多，可能会促进微生物的活动，有助于使表层土壤积累更多的活性有机碳［20］。在植被从高山草甸到草原化荒漠的演变过程中土壤颗粒有机碳、氮含量表现出显著的降低趋势，其原因可能是植被类型发生改变使凋落物和根系分泌物、化学组成（C／N）及根系分布等随之发生变化从而影响到土壤颗粒碳、氮含量［21］。

表3 不同草地类型土壤颗粒碳、氮及土壤有机碳、全氮含量Table 3 The soil particulate fraction and soil organic carbon and total nitrogen content in different range types

表4 颗粒有机碳、氮分配比例与植被和环境的相关系数（0～20cm）Table 4 Correlation between particulate fraction proportions and vegetation characteristics and climate factors at 0－20cm soil depth

颗粒有机碳、氮分配比例反映了土壤中非稳定性有机碳、氮的相对数量［22］，从这2个指标可以表明有机质的稳定性，排除了有机质总量的差异［4］。颗粒有机碳、氮的分配比例越高，有机质中不稳定部分越高，在受到自然因素和人类活动的影响后，土壤有机质中分解的部分就越多［23］。土壤颗粒有机碳在不同海拔的差异直接反映了土壤有机碳的稳定性随海拔的变化趋势［24］。本研究表明，土壤颗粒碳、氮分配比例随海拔的降低大致呈先降低后升高的趋势。在高海拔区（2 940m）最高，在1 820，1 700m最低，而在低海拔区其值又升高。从中可以看出，其变化趋势与植被类型有密切的关系，即从高山草甸到山地荒漠草原，土壤颗粒碳、氮分配比例显著降低；而山地荒漠草原土壤颗粒碳、氮分配比例又较草原化荒漠显著增加。该结果表明，高山草甸土壤中非稳定性有机质部分所占比例最大，在受到外界的干扰后，该部分易被分解。从本研究的结果还能看出，2个土层土壤颗粒有机碳、氮分配比例的变化有差异，这可能是因为土壤深度的差异影响了水热要素、土壤性质和土壤微生物的功能从而使土壤有机碳稳定性不同［25］。本研究结果显示，土壤颗粒有机碳、氮分配比例与植被盖度、地上生物量、降水量及温度的相关性均达到显著水平（P＜0.05）；说明土壤颗粒有机碳、氮分配比例的变化与植被特征和气候因素有密不可分的关系。土壤颗粒有机碳、氮分配比例与植被盖度、地上生物量呈极显著的正相关关系，这可能是因为植物的凋落物和根系分泌物经过微生物的分解是土壤非保护性有机质的主要来源［17］，所以植被状况与土壤颗粒有机碳、氮分配比例密切相关。土壤颗粒有机碳、氮分配比例与降水量呈极显著正相关关系，与温度呈极显著负相关关系，可能是因为水热条件影响了微生物的活性［26］。

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