趙萍，代萬安，杜明新，楊杰，周志宇*，李曉忠，李金輝，周媛媛，金茜

（1.蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院 草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點(diǎn)實驗室，甘肅 蘭州730020；2.西藏自治區(qū)農(nóng)牧科學(xué)院，西藏 拉薩850000）

青藏高原被稱為世界的＂第三極＂，是中國最大的高原，也是世界上平均海拔最高的高原。高寒草地生態(tài)系統(tǒng)是青藏高原主要的生態(tài)系統(tǒng)，因其獨(dú)特的自然地理環(huán)境而形成的高寒土壤更有其獨(dú)特的性質(zhì)。因地理狀況所形成的空氣稀薄、大氣潔凈、氣溫低和輻射強(qiáng)的氣候特點(diǎn)決定了其生境較惡劣，整個生態(tài)系統(tǒng)極易受到破壞且難以恢復(fù)。加之近年來全球氣候變暖，西藏草地生態(tài)環(huán)境漸現(xiàn)惡化，草地退化沙化日趨嚴(yán)重。西藏草地退化嚴(yán)重，不僅表現(xiàn)為產(chǎn)草量與質(zhì)量的下降，而且更為危險的是草地退化導(dǎo)致草地蓋度降低，形成土壤風(fēng)蝕沙化，造成水土流失［1］。據(jù)最近遙感調(diào)查，西藏草地退化、沙化面積已占草地總面積的40%，即草地退化面積已有0.332億hm2。目前，其面積仍以每年3%～5%的速度在擴(kuò)大。因此，改良青藏高原土壤現(xiàn)狀，改變其退化、沙化的趨勢已成為政府和學(xué)者關(guān)心和致力的主要問題。

紫穗槐（Amorpha fruticosa）又名穗花槐、椒條，豆科紫穗槐屬。原產(chǎn)美國，現(xiàn)廣泛栽植于我國華北、東北、西南及長江、黃河流域等地，紫穗槐較強(qiáng)的生命力使其耐旱、耐寒、耐澇等抗逆性極強(qiáng)，根系發(fā)達(dá)具有根瘤菌，能改善土壤結(jié)構(gòu)和土壤理化性，增加有機(jī)質(zhì)含量［2-3］。具有較強(qiáng)的保持水土、改良土壤的作用。根據(jù)紫穗槐耐寒、適宜沙地生長等特點(diǎn)，首次將紫穗槐引入青藏高原種植后，在高寒區(qū)不僅能安全越冬，而且能開花結(jié)籽［4］。本研究是通過對西藏拉薩人工種植的兩齡紫穗槐灌叢土壤各種形態(tài)氮素、全磷、有機(jī)碳含量和土壤p H差異進(jìn)行研究，揭示紫穗槐灌叢土壤營養(yǎng)元素含量特征及其營養(yǎng)元素隨土層深度的變化趨勢，以期為紫穗槐在青藏高原的有效種植提供實驗基礎(chǔ)及理論依據(jù)，為下一步培育紫穗槐新品種打下良好的基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

拉薩市位于西藏自治區(qū)東南部，雅魯藏布江支流拉薩河北岸（29°36′N，91°06′E），海拔3658 m。氣候?qū)俑咴瓬貛О敫珊导撅L(fēng)氣候區(qū)，年日照時數(shù)3000 h以上，最高氣溫28℃，最低氣溫－14℃，年平均氣溫7.4℃，年降水量為500 mm左右，集中在6－9月，多夜雨，稱為雨季，年蒸發(fā)量2200 mm，年平均風(fēng)速2.5 m／s，最大風(fēng)速32.3 m／s，全年大風(fēng)日數(shù)39.8 d（8級以上），年無霜期100～120 d。土壤類型主要為潮土。

1.2 樣品采集與分析

1.2.1 樣品采集 2011年9月在西藏拉薩選取2010年4月已種植的紫穗槐各3塊樣地，在人工建植過程中均未施肥，在每塊樣地內(nèi)隨機(jī)選取5株中等大小樣株。灌叢內(nèi)土壤：在每株紫穗槐的灌叢下從4個方位距離中心20～30 cm處，分別取0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、40～50 cm土壤。4點(diǎn)的土壤按土層分別混合為1個樣品，記為IC10、IC20、IC30、IC40、IC50。灌叢外土壤：在距離灌叢邊緣20 cm左右4個方位取不同深度土壤。相同深度的土壤混合為1個樣品，記為OC10、OC20、OC30、OC40、OC50。

1.2.2 樣品處理 采集的土樣帶回實驗室后及時進(jìn)行自然風(fēng)干，以免發(fā)霉而引起性質(zhì)的改變。將土壤樣品平鋪在干凈的紙上，把土壤壓碎，挑出殘根等雜物，弄成碎塊，攤成薄層放于室內(nèi)陰涼通風(fēng)處，慢慢風(fēng)干，可以經(jīng)常翻動，加速其干燥。將風(fēng)干后的土樣碾碎，過2 mm的標(biāo)準(zhǔn)篩。將過篩后的細(xì)土反復(fù)按照四分法棄取。留下250 g左右的土樣，裝袋備用。根據(jù)不同分析實驗的要求，取出部分過標(biāo)準(zhǔn)篩的土壤樣品，繼續(xù)碾碎，磨細(xì)，過0.5 mm的標(biāo)準(zhǔn)篩。

1.2.3 樣品分析 分別采用強(qiáng)酸加熱消化以及2 mol／L KCl浸提后，用FIAstar5000（FOSS）全自動流動注射儀測定土壤全氮、全磷、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量；采用重鉻酸鉀氧化外加熱法測定土壤有機(jī)碳含量［5］；采用電位法（土水比1∶2.5懸液）測定土壤p H值。

1.3 數(shù)據(jù)處理

富集率（enrichment ratio，ER）表示土壤對養(yǎng)分的富集程度。

式中，IC為灌叢內(nèi)養(yǎng)分含量，OC為灌叢外養(yǎng)分含量。

所有分析數(shù)據(jù)以干重為計算基礎(chǔ)；用Microsoft Excel 2003處理原始數(shù)據(jù)并作圖，用SPSS 19.0進(jìn)行單因素方差分析（ANOVA）、配對樣品t檢驗等差異顯著性及相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 紫穗槐灌叢內(nèi)與灌叢外土壤營養(yǎng)元素含量特征

從表1可以看出，拉薩種植的紫穗槐灌叢內(nèi)與灌叢外土壤相比較，有機(jī)碳、全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、全磷均表現(xiàn)出顯著差異（P＜0.05）；相對于灌叢外土壤，灌叢內(nèi)土壤有機(jī)碳平均高出44.21%，土壤全氮平均高出23.44%，土壤銨態(tài)氮平均高出13.95%，硝態(tài)氮平均高出37.6%，土壤全磷平均高出19.57%，土壤p H值平均低1.69%，但不顯著（P＞0.05）。

2.2 紫穗槐灌叢內(nèi)、外不同土層深度土壤營養(yǎng)元素含量特征

2.2.1 灌叢內(nèi)、外不同深度土壤全氮含量特征 土壤全氮是衡量土壤氮素供應(yīng)狀態(tài)的重要指標(biāo)。由圖1可以看出，紫穗槐灌叢內(nèi)各土層土壤全氮含量顯著高于灌叢外；灌叢內(nèi)土壤全氮含量隨土層深度變化為0～10 cm＜40～50 cm＜30～40 cm＜20～30 cm＜10～20 cm，10～20 cm全氮含量顯著高于其他各層；灌叢外全氮含量分布與灌叢內(nèi)相同，10～20 cm土層含量最高，0～10 cm土層含量最低，其余各層隨土層深度增加而遞減。

2.2.2 灌叢內(nèi)、外不同深度土壤無機(jī)氮含量特征 由圖2可看出，紫穗槐各土層灌叢內(nèi)土壤銨態(tài)氮含量均顯著高于灌叢外；灌叢內(nèi)土壤銨態(tài)氮含量為10～20 cm土層最高，0～10 cm次之，其余隨土層深度增加而遞減；灌叢外與灌叢內(nèi)趨勢相同。

圖3表明，紫穗槐灌叢內(nèi)各土層土壤硝態(tài)氮含量均高于灌叢外土壤；灌叢內(nèi)土壤硝態(tài)氮含量隨土層深度的變化趨勢為10～20 cm＞20～30 cm＞0～10 cm＞30～40 cm＞40～50 cm；灌叢外硝態(tài)氮含量為10～20 cm最高，0～10 cm次之，其余各層隨土層增加依次遞減?？傮w來看，銨態(tài)氮和硝態(tài)氮隨土層的變化趨勢為表層土壤高于深層土壤。

2.2.3 灌叢內(nèi)、外不同土層深度土壤全磷含量特征 由圖4可以看出，紫穗槐灌叢內(nèi)各土層土壤全磷含量均高于灌叢外；灌叢內(nèi)土壤全磷含量為40～50 cm＜0～10 cm＜20～30 cm＜30～40 cm＜10～20 cm，10～20 cm顯著高于其他各層；灌叢外10～20 cm顯著高于其他各層，0～10 cm最低。

表1 灌叢內(nèi)與灌叢外土壤養(yǎng)分含量平均值及其富集率Table 1 Contents and enrichment ratio of nutrients in rhizosphere and bulk soil

圖1 灌叢內(nèi)、外不同土層深度土壤全氮含量Fig.1 Total N content of soil profiles between IC and OC

圖3 灌叢內(nèi)、外不同土層深度土壤硝態(tài)氮含量Fig.3 NO3--N content of soil profiles between IC and OC

圖2 灌叢內(nèi)、外不同土層深度土壤銨態(tài)氮含量Fig.2 NH4＋-N content of soil profiles between IC and OC

圖4 灌叢內(nèi)、外不同土層深度土壤全磷含量Fig.4 Total P content of soil profiles between IC and OC

2.2.4 灌叢內(nèi)、外不同土層深度土壤有機(jī)碳含量特征 由圖5可以看出，灌叢內(nèi)土壤有機(jī)碳含量各層均顯著高于灌叢外；灌叢內(nèi)和灌叢外土壤有機(jī)碳含量分布均是隨土層深度增加依次遞減，0～10 cm最高，40～50 cm最低。

2.2.5 灌叢內(nèi)、外不同土層深度土壤p H值差異 由圖6可以看出，紫穗槐不同土層深度灌叢內(nèi)各層p H均小于灌叢外且均為酸性，灌叢內(nèi)土壤酸化程度均高于灌叢外；灌叢內(nèi)和灌叢外土壤p H都隨土壤深度遞減。

圖5 灌叢內(nèi)、外不同土層深度土壤有機(jī)碳含量Fig.5 Soil organic carbon（SOC）content of soil profiles between IC and OC

圖6 灌叢內(nèi)、外不同土層深度土壤p H值Fig.6 p H of soil profiles between IC and OC

2.3 土壤養(yǎng)分之間的相互關(guān)系

對土壤養(yǎng)分之間進(jìn)行相關(guān)性分析，從表2可以看出，各個營養(yǎng)元素之間存在不同程度相關(guān)關(guān)系，結(jié)果表明，土壤有機(jī)碳與銨態(tài)氮呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），與全磷呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05）；土壤全氮與全磷呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）；土壤銨態(tài)氮與全磷呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）；土壤p H與有機(jī)碳、銨態(tài)氮呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）。

表2 土壤養(yǎng)分間的相關(guān)系數(shù)Table 2 Correlation coefficients among nutrients

3 討論

在草地生態(tài)系統(tǒng)中，碳、氮、磷是最重要的3種化學(xué)元素，其分布和儲量直接關(guān)系到草地生態(tài)系統(tǒng)功能的正常發(fā)揮。

土壤有機(jī)碳是土壤的重要組成部分，影響、制約土壤性質(zhì)，同時還是土壤微生物生命活動所需能量的來源［6］，其含量是評價土壤肥力和土壤質(zhì)量的一項重要指標(biāo)。它包括植物、動物及微生物的遺體、排泄物、分泌物及其部分分解產(chǎn)物和土壤腐殖質(zhì)［7］。灌叢內(nèi)土壤有機(jī)碳含量顯著高于灌叢外，其富集率高達(dá)44.2%（P＜0.05）。這種明顯的富集效應(yīng)說明根系分泌物或溢泌產(chǎn)物、根組織的脫落物等根產(chǎn)物是土壤有機(jī)碳的重要來源之一［8］。土壤有機(jī)碳的垂直分布格局受凋落物量、淋溶作用、植物根系分布及活動特征和微生物活動等多種因素的影響［9］。這也就解釋了在垂直方向上有機(jī)碳含量隨土層增加呈遞減趨勢的原因。

土壤全氮不僅是主要的肥力指標(biāo)，也是土壤氮素肥力的基礎(chǔ)，它受植被狀況、環(huán)境條件和草地利用等的影響［10］。紫穗槐各層土壤全氮含量均顯著表現(xiàn)為灌叢內(nèi)高于灌叢外，富集率為23.4%（P＜0.05），這是由于紫穗槐有非常發(fā)達(dá)的根系，大量的根系分泌物以及根部組織的脫落物沉積于根部，增加了灌叢內(nèi)土壤氮的含量，該結(jié)果與詹媛媛等［11］關(guān)于灌叢土壤對養(yǎng)分的富集效應(yīng)的結(jié)果一致；在垂直方向上，土壤全氮含量表現(xiàn)為0～10 cm含量最低，其余隨土層的增加呈遞減趨勢。有研究證實，植物根系的生長會與微生物競爭根際區(qū)的營養(yǎng)，同時會從根際區(qū)分泌出特殊的能源，刺激了微生物活性，促進(jìn)了氮的礦化［12-15］。0～10 cm土壤全氮礦化作用十分活躍，分解作用大于積累作用，有機(jī)態(tài)氮極易轉(zhuǎn)化為無機(jī)態(tài)氮，這與Scheu和Parkinson［16］研究的土壤表層氮素礦化量比底層高一致。紫穗槐在10～20 cm根系發(fā)達(dá)易生根瘤，從而固氮作用導(dǎo)致深層土壤含氮量高，而表層土壤含氮量低。

土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮主要來源于土壤有機(jī)氮的氨化和硝化等由土壤微生物進(jìn)行的礦化作用，是植物能直接吸收利用的生物有效態(tài)氮［17］，與全氮相關(guān)性較高。韓方虎等［18］認(rèn)為，起始銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量不能完全反映土壤的氮礦化能力，而作物生長期間產(chǎn)生的可礦化氮作為土壤供氮能力指標(biāo)效果更好。本研究通過分析得出，銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量均為灌叢內(nèi)顯著高于灌叢外，銨態(tài)氮富集率為13.9%，硝態(tài)氮為37.6%（P＜0.05），表現(xiàn)出紫穗槐對養(yǎng)分的富集作用；在垂直方向上，表層土含量高于底層，與有機(jī)碳一致，但是因為上述原因，與全氮一樣，0～10 cm含量也低于10～20 cm。從2種無機(jī)態(tài)氮含量來看，硝態(tài)氮含量遠(yuǎn)高于銨態(tài)氮，說明這一地區(qū)的無機(jī)態(tài)氮主要以硝態(tài)氮為主。

磷作為土壤肥力和牧草生產(chǎn)不可缺少的營養(yǎng)元素，對改善草原生態(tài)環(huán)境，保持土壤肥力起到重要作用［19］。通過分析可以得出，灌叢內(nèi)土壤全磷高于灌叢外，富集率在19.57%（P＜0.05）左右，表現(xiàn)出了紫穗槐對土壤全磷明顯的富集作用。在垂直方向上，基本表現(xiàn)為表層高于底層，只有0～10 cm含量低于10～20 cm，可能是因為被植物吸收利用的結(jié)果［20］。造成這種結(jié)果是由于植物的生命活動，如植物凋落物積累、根系分泌物、根際微生物活動、根際磷酸酶、菌根都會使磷在根際富集［21］。

一般認(rèn)為，根際p H值的變化是由于根系呼吸作用釋放CO2形成H2CO3以及在離子的主動吸收和根尖細(xì)胞伸長過程中分泌質(zhì)子和有機(jī)酸所致［22-23］。本研究結(jié)果顯示種植紫穗槐后灌叢內(nèi)土壤的p H值相比灌叢外均有所下降，隨著土壤深度的增加，p H值表現(xiàn)出增加的趨勢。這是因為在表層土壤中根系活動旺盛，根系活動對土壤中的陰陽離子濃度的改變起到了很大的作用，根系的生長死亡和地上部落葉枯枝凋落等過程積累的有機(jī)物較多，改善了土壤的微環(huán)境，微生物的活動也對p H值降低起到了很大的作用。

在高寒草地，土壤有機(jī)碳主要來源于植物殘根，而有機(jī)碳含量的高低決定著土壤全氮含量的高低。因此，灌叢內(nèi)與灌叢外土壤的全氮與有機(jī)碳之間呈顯著相關(guān)性（P＜0.05），有機(jī)氮在土壤微生物的作用下先轉(zhuǎn)變成銨態(tài)氮，然后進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮［24］，因此，灌叢內(nèi)與灌叢外土壤有機(jī)碳與銨態(tài)氮表現(xiàn)出顯著相關(guān)性（P＜0.05），而硝態(tài)氮與有機(jī)碳之間則無相關(guān)性。

本研究主要對在青藏高原種植的兩齡紫穗槐灌叢內(nèi)與灌叢外以及隨土層深度變化的土壤有機(jī)碳、全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和全磷進(jìn)行了初步探討，進(jìn)一步了解紫穗槐對青藏高原土壤養(yǎng)分含量變化和組成特征所起的作用。紫穗槐的引入和成功種植表現(xiàn)了其對高寒環(huán)境的適應(yīng)性，及其對高寒草地土壤的改良效應(yīng)，以期對今后紫穗槐在青藏高原的推廣起到積極作用。

4 結(jié)論

灌叢內(nèi)與灌叢外土壤特性存在顯著差異。相對于灌叢外土壤，灌叢內(nèi)土壤有機(jī)碳平均高出44.21%，土壤全氮平均高出23.44%，土壤全磷平均高出19.57%，土壤銨態(tài)氮平均高出13.95%，硝態(tài)氮平均高出37.6%，土壤p H值平均低1.69%。

灌叢內(nèi)外土壤有機(jī)碳含量隨土層深度增加而遞減。

灌叢內(nèi)外土壤全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、全磷均為10～20 cm土層含量最高，其余隨深度增加而遞減，全氮0～10 cm土層含量最低。

灌叢內(nèi)外土壤p H均為酸性，灌叢內(nèi)低于灌叢外，隨土層深度增加而遞減。

土壤有機(jī)碳與銨態(tài)氮呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與全磷呈顯著正相關(guān)關(guān)系；全氮與全磷呈極顯著正相關(guān)關(guān)系；銨態(tài)氮與全磷呈極顯著正相關(guān)關(guān)系；p H與有機(jī)碳、銨態(tài)氮呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。