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)。
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。
1.2.1 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。
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。
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)。
2.2.1 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
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
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。
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。