祁连山不同草地类型土壤有机质与全氮分布的关系

袁子茹，任　灵，陈建纲，李　硕，胡新振，陈　伟，张德罡

(1.甘肃农业大学 草业学院/草业生态系统教育部重点实验室/甘肃省草业工程实验室/中-美草地畜牧业可持续发展研究中心，甘肃 兰州　730070； 2.兰州城市学院，甘肃 兰州　730070)



祁连山不同草地类型土壤有机质与全氮分布的关系

袁子茹1，任灵1，陈建纲1，李硕1，胡新振1，陈伟2，张德罡1

(1.甘肃农业大学 草业学院/草业生态系统教育部重点实验室/甘肃省草业工程实验室/中-美草地畜牧业可持续发展研究中心，甘肃 兰州730070； 2.兰州城市学院，甘肃 兰州730070)

对祁连山的5种草地类型土壤有机质和全氮分布特征及两者间的关系进行了研究。结果显示，土壤有机质和全氮含量随土层加深而降低，不同草地类型土壤有机质和全氮含量差异明显。5种草地类型中，土壤有机质含量大小顺序为高寒草甸(151 g/kg)>高寒草原(30 g/kg)>温性草原(25 g/kg)>荒漠草原(16 g/kg)>温性荒漠(9.5 g/kg)；土壤全氮含量顺序均为高寒草甸(7 600 mg/kg)>高寒草原(2 100 mg/kg)>温性草原(2 000 mg/kg)>荒漠草原(1 800 mg/kg)>温性荒漠(750 mg/kg)。相关性分析结果显示，土壤有机质与全氮呈极显著正相关(P<0.01)，表明土壤有机质是影响土壤全氮的关键生态因子之一。

草地；土壤有机质；全氮；分布特征；相关性

土壤有机质和全氮可以改善土壤物理、化学和生物性质[1-2]，是土壤肥力的重要指标。土壤有机质是植物养分的来源，其含量既影响植物的生长发育，又对其他营养元素含量有一定的影响[3]。土壤全氮包括有机氮和无机氮素，是土壤氮素总量和供应植被有效氮素的源和库。土壤有机质和全氮用于评价土壤的供氮水平，是进行土壤分析和实验室测定的例行项目。

草地生态系统是陆地生态系统中最重要的生态系统类型之一，在全球碳氮循环和气候调节中起重要作用[4-5]。青藏高原广泛分布的高寒草甸、高寒草原、温性草原、温性荒漠等均属自然生态类型，这几类草地在亚欧大陆具有重要的区域代表性[6-7]。祁连山地处青藏、蒙新、黄土三大高原交汇地带，作为青藏高原和北部内陆荒漠地区重要的分水岭，在维系西北高原气候、水土保持方面具有重要的战略意义[8]。全球性气候变暖、草地土壤退化、土壤肥力下降，造成草地生产能力下降。以恢复退化草地为主的生态环境建设是实施西部大开发的根基，因此，对土壤肥力进行研究可采取合理措施恢复草地生产力。通过对祁连山5个草地类型土壤有机质与土壤全氮的关系研究，以期揭示祁连山天然草地土壤碳氮的空间分布特征，为了解青藏高原对气候变化响应的区域差异提供科学依据。

1　材料和方法

1.1研究区自然概况

分别在甘肃省山丹县、民乐县、中牧公司山丹马场，青海省祁连县设置4个样带。

1.1.1山丹样带(包括中牧公司山丹马场)地处高原高寒地带，全境属大陆性高原高寒半湿润气候，具有寒冷、四季不分明、雨量集中、气候带有明显的垂直分带性的特点，海拨2 600～2 850 m处为寒冷半干旱区，海拨2 850～4 933 m属高寒湿润区。冬季受西伯利亚冷气团影响，气候严寒干燥，降水稀少。夏季受太平洋副热带高压和印度洋暖湿气流影响，气候温凉，雨量集中。山丹县的年平均气温为1℃，昼夜温差大，年均无霜期110 d，年有效积温(≥0℃)，在海拨2 500 m处为1 834℃，2 550 m处为1 752℃。

1.1.2祁连样带祁连县地处祁连山中段腹地，境内平均海拔3 169 m，县城海拔2 787 m。祁连县年平均气温1℃，年降水量420 mm，属典型的高原大陆性气候。由于青藏高原对大气环流的特殊影响，使夏季来自东南季风的湿润气流得以北进西伸，波及本区;冬季受内蒙古干冷空气，西北寒冷气流的影响，致使本区冬季降温幅度大，气温年较差较大。

1.1.3民乐样带民乐地处甘肃河西走廊中段，张掖市东南部，地理坐标E 100°22′～101°13′，N 37° 56′～38°48′。地势南高北低，地形分山地和倾斜高原两大类，海拔1 589～5 027 m， 年均气温4.1℃，年均降水量351 m，无霜期140 d，属温带大陆性荒漠草原气候。

表1　试验地概况

注：不同编码代表不同地区不同草地类型，各地编码为山丹县SD，山丹马场MC，民乐县ML，祁连县QL；各草地类型为荒漠草原DS，温性草原AT，高寒草原AS，高寒草甸AM，温性荒漠TD

表2　试验地主要植物种组成

1.2试验方法

1.2.1试验材料2014年9月，在荒漠性草原、温性草原、高寒草原、高寒草甸、温性荒漠5个草地类型的4个样带随机选取样地，每个样地随机挖取5个深度为50 cm土壤剖面，用GPS确定样方所在地经纬度、海拔高度，按照10 cm一层用100 cm3环刀法分别在每一土层取土样，密封称重。在每个土壤剖面旁边用土钻取0～10，10～20，20～30，30～40和40～50 cm土样，用于土壤有机质和全氮测定。

1.2.2样品处理及室内分析105℃将土样烘干至恒重，测定各层土壤容重及土壤含水量；除去土壤中的根系和其他杂质，磨碎过筛，密封备用。土壤有机质用HT-1300总有机碳分析仪测定，土壤全氮用流动注射仪测定，土壤pH用酸碱仪测定[9]。

1.2.3数据分析数据和图表制作采用Excel 2007软件，应用SPSS 21.0软件对数据进行统计分析。

2　结果与分析

2.1不同草地类型土壤有机质的分布

草地类型不同，土壤有机质含量随土壤深度增加的变化亦不同。高寒草甸(ML-AM)随土壤加深呈显著减少趋势；温性草原(MC-AT)和高寒草原(QL-AS)也随土壤加深而减少，但程度远低于ML-AM；而荒漠草原(SD-DS)和温性荒漠(ML-TD)土壤有机质在各层中分布较均匀。

不同草地类型的土壤有机质含量差异显著。ML-AM的土壤有机质含量明显的高于其他草地类型，该样地0～10 cm浅表层土壤有机质含量高达183.75 g/kg，10～40 cm土层土壤有机质含量也在120～150 g/kg；其次含量较多的MC-AT和QL-AS，MC-AT各层土壤有机质含量为39.19，28.28，25.00，22.07和17.29 g/kg，QL-AS各层土壤有机质含量为45.28，30.35，25.10和18.84 g/kg；SD-DS 土壤有机质含量高于ML-TD，平均为16.85 g/kg >8.72 g/kg(图1)。

图1　5种草地类型土壤有机质的分布特征Fig.1　Distribution of soil organic matter in 5 types of grasslands注：相同处理不同小写字母表示差异显著(P<0.05)

2.2土壤全氮随土壤深度的变化特征

各草地类型土壤全氮含量变化规律不同。ML-AM和QL-AS全氮主要分布在0～30 cm表层土壤，其0～30 cm土层平均含氮量为ML-AM(8 804.81 mg/kg)>QL-AS(2 723.66 mg/kg)，30～40 cm土层含氮量为ML-AM(3 550.32 mg/kg)>QL-AS(1 144.82 mg/kg)；SD-DS、MC-AT、ML-TD土壤全氮分布较为均匀，其中ML-TD含氮量明显少于其他2个草地类型，其平均含氮量分别为SD-DS(2 256.65 mg/kg)>MC-AT(2 103.87 mg/kg)>ML-TD(718.82 mg/kg)(图2)。

图2　不同草地类型土壤全氮含量的分布特征Fig.2　Distribution of total nitrogen content in 5 types of grasslands

2.30～30 cm表层土壤有机质与全氮的关系

在0～30 cm表层5种草地类型土壤有机质与全氮呈正相关。两者在SD-DS和ML-TD类型中呈显著正相关(P<0.05)，其相关系数分别为0.530和0.523；MC-AT，QL-AS和ML-AM的土壤有机质与全氮含量相关性为极显著(P<0.01)，相关系数分别是0.728，0.841和0.829(表3)。

2.4不同土壤深度有机质与全氮分布的相关性

0～50 cm各土层土壤有机质与全氮均呈正相关，且相关性为极显著(P<0.01)。由于土壤有机质主要分布于土壤浅表层，对土壤氮素影响最大，其中0～20 cm 土层土壤有机质和全氮的相关系数高达0.985。但随着土壤深度增加，两者的相关性逐渐减少，相关系数由0～10 cm土层的0.980降低到40～50 cm土层的0.741(表4)。

表3　不同草地类型0～30 cm层土壤有机质与全氮分布的相关性

注：*表示显著相关(P<0.05),**表示极显著相关(P<0.01)

表4　不同土壤深度土壤有机质与全氮分布的相关系数

注：*表示显著相关(P<0.05),**表示极显著相关(P<0.01)

3　讨论

试验研究结果表明，高寒草甸(ML-AM)、温性草原(MC-AT)和高寒草原(QL-AS)随土壤深度增加而逐渐减少，且均集中分布于0～30 cm土层(图1)，表现为明显的“表聚性”。不同草地类型土壤全氮与有机质变化规律相似(图2)。这3种草地类型的土壤有机质与全氮在0～30 cm土层均呈极显著正相关(P<0.01)。主要因为在草原生态系统中，以草本和灌木为主的植被类型，其根系主要在0～30 cm的土壤浅表层，腐殖质都集中在浅表层[10-11]，所以在0～30 cm土层的土壤有机质较多。而土壤中氮素有99%来源于有机质，所以土壤中有机质的含量可以间接影响到氮素含量。这与张静等[12]对青藏高原高寒草甸土壤有机质的研究结果相似，与薛晓娟等[13]对祁连山东段南麓土壤有机质及全氮的分布状况研究结果和高超等[14]对东祁连山高寒草地土壤有机质研究结果以及宋希娟等[15]对东祁连山高寒草地氮素研究结果一致。

山丹荒漠草原(SD-DS)和民乐温性荒漠(ML-TD)2种草地类型的土壤有机质与全氮之间呈显著正相关。这是因为荒漠草原和温性荒漠植被较少，腐殖质随之变少，而这2种草地类型的土壤较为疏松，所以有机质分布较均匀，土壤氮素含量变化也较小。这与焦婷等[16]对温性荒漠草原土壤全氮和有机质的研究相似。

4　结论

(1)山丹荒漠草原(SD-DS)和民乐温性荒漠(ML-TD)土壤有机质含量较少，均低于20 g/kg，且在各层中分布较均匀；马场温性草原(MC-AT)和祁连高寒草原(QL-AS)土壤有机质含量适中，含量在20～40 g/kg，随土层的加深含量逐渐减少；民乐高寒草甸(ML-AT)土壤有机质含量远远高于其他类型草地土壤有机质，含量在118～183 g/kg。

(2)土壤有机质含量受土壤全氮影响较大，且随着土壤全氮含量的增加而增加。

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Relationship between soil organic matter and total nitrogen in different types of grassland on Qilian Mountain

YUAN Zi-ru1,REN Ling1,CHEN Jian-gang1,LI Shuo1,HU Xin-zhen1,CHEN Wei1,ZHANG De-gang1

(1.CollegeofPrataculturalScience,GansuAgriculturalUniversity/KeyLaboratoryofGrasslandEcosystem，MinistryofEducation/PrataculturalEngineeringLaboratoryofGansuProvince/Sino-U.S.CentersforGrazinglandEcosystemSustainability,Lanzhou730070,China；2.LanzhouCityUniversity,Lanzhou730070,China))

Distribution and relationship between soil organic matter and total nitrogen in 5 types of grassland on Qilian Mountain were analyzed.The results showed that the contents of soil organic matter and total nitrogen decreased with the soil depth,and showed the significant differences among grassland types.The contents of soil organic matter in 5 types of grassland tended to be in the order of alpine meadow(151 g/kg)> alpine steppe(30 g/kg)> temperate steppe(25 g/kg)> desert steppe(16 g/kg)> temperate desert (9.5 g/kg).The contents of soil total nitrogen in 5 types of grassland tended to be in the order of alpine meadow(7 600 mg/kg)> alpine steppe(2 100 mg/kg)> temperate steppe (2 000 mg/kg) > desert steppe(1 800 mg/kg)> temperate desert (750 mg/kg).There was a significant correlation between soil organic matter and total nitrogen (P<0.01)which indicated that soil organic matter was the one of key factors influencing total nitrogen.

rangeland;soil organic matter;total nitrogen;distribution characteristics;correlation

2015-10-30；

2015-11-16

农业部农业生态与资源保护总站“祁连山黑河流域草原固碳和应对气候变化”项目资助

袁子茹(1990-)，女，山东烟台人，硕士研究生。

E-mail：YZRyuanziru@126.com

S 143

A

1009-5500(2016)03-0012-05

张德罡为通讯作者。