宋雄儒，尚振艷，李旭東，傅 華(.甘肅省民樂縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，甘肅 民樂 734500； .草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，甘肅 蘭州 73000)

賀蘭山西坡不同海拔梯度草地土壤磷特征及其影響因素

宋雄儒1，尚振艷2，李旭東2，傅 華2
(1.甘肅省民樂縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，甘肅 民樂 734500； 2.草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，甘肅 蘭州 730020)

對賀蘭山西坡不同海拔的不同類型草地土壤磷素的空間分布特征以及環(huán)境及植被因素對土壤磷素的影響進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，0-10和10-20 cm土層土壤全磷(TP)含量隨著海拔由高到低而顯著降低；兩土層中，土壤全磷與土壤有機(jī)碳、土壤中<0.05 mm粘粉粒含量及植被蓋度之間呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，土壤全磷沿土壤剖面的垂直分布沒有一致規(guī)律性；土壤速效磷含量隨著海拔高度和草地類型的變化沒有呈現(xiàn)出一定的變化規(guī)律，兩土層中土壤速效磷/全磷比值(AP/TP)與土壤pH值以及年平均氣溫呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，說明該區(qū)土壤pH值和溫度的變化能顯著影響土壤磷的活化；多數(shù)樣地0-10 cm土層速效磷顯著高于10-20 cm土層，可能歸因于植物對磷素的表聚作用。

阿拉善；草地；土壤全磷；土壤速效磷

阿拉善荒漠位于我國西北內(nèi)陸地區(qū)，該區(qū)草地約占土地總面積的46%，其中88%為荒漠草地。 放牧是該地區(qū)草地的主要利用方式，但由于長期過度放牧，草地生產(chǎn)力逐年下降，生態(tài)環(huán)境惡化。因此，恢復(fù)當(dāng)?shù)赝嘶纳鷳B(tài)系統(tǒng)在國家西部環(huán)境治理中有重要戰(zhàn)略意義[1]。

磷是植物有機(jī)合成必不可少的重要營養(yǎng)元素之一。我國大部分草原土壤都處于缺磷狀態(tài), 尤其是北方草原[2]。與林地、耕地等其他系統(tǒng)一樣，在草地生態(tài)系統(tǒng)中，土壤全磷(TP)及速效磷(AP)含量被作為重要的土壤肥力指標(biāo)。多數(shù)研究者認(rèn)為，成土母質(zhì)、地形、土地利用方式及侵蝕程度是影響土壤磷素含量的主要因素[3-5]。近年來，國內(nèi)外研究者就不同地區(qū)、不同類型土壤中磷素的特征以及土壤磷素流失與氣候、土壤等因素的關(guān)系做了一些研究工作[6-8]，但關(guān)于干旱區(qū)和半干旱區(qū)草地土壤磷的研究較少；已有研究者就阿拉善地區(qū)不同海拔草地土壤碳、氮的特征及其影響因素開展了一些研究工作[9-10]，但有關(guān)該區(qū)土壤磷的變化特征及影響因素方面的研究少見報(bào)道。本研究以阿拉善境內(nèi)賀蘭山西坡不同海拔梯度下的草地為對象，分析了土壤中TP和AP的空間分布特征以及土壤、植被和氣候等因素對其的影響，旨在為該地區(qū)草地的合理利用與管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

阿拉善左旗地處亞洲荒漠的東部(37°41′-41°52′ N，103°21-106°51′ E)，總面積約8.04×104km2。年降水量60～200 mm[11]，年均氣溫 8.3 ℃，無霜期120～180 d。由于嚴(yán)酷的氣候條件，該區(qū)荒漠區(qū)域植被稀疏，植物種類單一。本研究所處區(qū)域賀蘭山主峰，海拔為3 556 m，相對較大的高差變化使得土壤、降水以及植被類型呈現(xiàn)明顯的地帶性垂直分布。

隨海拔的升高，植被類型的變化順序?yàn)椴菰哪?、荒漠化草原、典型草原、亞高山草甸和高寒草甸[10]。草原化荒漠主要優(yōu)勢種或建群種有紅砂(Reaumuriasoongorica)、霸王(Zygophyllumxanthoxylum)和珍珠柴(Salalapasserine)；荒漠化草原主要建群種有霸王、紅砂、駝絨藜(Ceratoideslateens)等；荒漠草原植被為短花針茅(Stipabrevifora)+冷蒿(Artemisiafrigida)群落；高寒草甸植被為高山蒿草(Kobresiapygmaea)、珠芽蓼(Polygonumviviparum)和火絨草(Leontopodiumjaponicum)群落。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地的設(shè)置 沿著賀蘭山西坡，根據(jù)海拔梯度和植被類型共設(shè)置了9個(gè)樣地(表1)。包括草原化荒漠、荒漠化草原、典型草原和高寒草甸等4個(gè)草地類型，應(yīng)用全球定位系統(tǒng)(GPS)定位。所有樣地利用方式均為自由放牧，放牧?xí)r間均超過50年，放牧畜種為綿羊(Ovisaries)， 放牧強(qiáng)度約為2羊單位·hm-2。

1.2.2 土壤樣品采集與分析 土壤樣品采集于2011年8月，在各個(gè)樣地代表性地段隨機(jī)選取45個(gè)采樣點(diǎn)，用土鉆分層采取0-10 cm和10-20 cm的土壤樣品，每5個(gè)樣點(diǎn)混合為1個(gè)樣本(共9個(gè)重復(fù))，于實(shí)驗(yàn)室用烘干法(105 ℃)測定土壤水分。土壤樣品風(fēng)干后分為兩份，其中一份過0.5 mm篩，用重鉻酸鉀氧化滴定法測定土壤有機(jī)碳(SOC)[12]；采用NaOH熔融、鉬銻抗比色法測定TP；AP采用Olsen法(0.5 mol·L-1NaHCO3法浸提，鉬銻抗比色)測定[3]；另一份土壤樣品過2 mm篩，測定土壤pH值和土壤粒徑；土壤pH采用1∶2.5水土比， 懸液用pHS23C型酸度計(jì)測定；土壤粒度分析采用10%雙氧水、10%鹽酸和5%的六偏磷酸鈉處理后，用MALVERN全自動(dòng)激光衍射粒度儀測定[13]。

1.2.3 生物量與植被蓋度測定 植被生物量和植被蓋度于2011年8月中旬測定。在不同樣地中分別隨機(jī)設(shè)置9個(gè)不同大小的樣方：草原化荒漠和荒漠化草原4 m×4 m；典型草原1 m×1 m；高寒草甸0.5 m×0.5 m。將各樣方內(nèi)植物地上部分剪下，區(qū)分各植物種后稱取鮮重，隨后在實(shí)驗(yàn)室于65 ℃下烘干，測定干重。草原化荒漠和荒漠化草原用樣線法測定植被蓋度，由樣地中心向四周呈輻射狀設(shè)置6條50 m的樣線，測定各植物種分蓋度，最終計(jì)算植被總蓋度；高山草甸和典型草原樣地采用針刺法測定植被蓋度[12]。

1.3 氣象資料的收集與整理

根據(jù)寧夏自治區(qū)氣象局氣候資料中心和自治區(qū)農(nóng)業(yè)局于20世紀(jì)80年代中期進(jìn)行的賀蘭山西坡的氣象觀測資料，以及阿拉善左旗、賀蘭山和錫林郭勒3個(gè)高山氣象站23年(1978-2000年)的年平均氣溫與年降水量資料[14]，建立年均氣溫與海拔高度之間的回歸方程，從而計(jì)算各樣地的年均氣溫(表1)[10]。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

用Sigma plot 12.5繪圖軟件作圖，用SPSS 13.0軟件進(jìn)行單因素方差分析和多重檢驗(yàn)法(LSD)檢驗(yàn)各樣地間的差異顯著性，采用相關(guān)分析方法分析TP、AP含量與氣候、土壤及植被等因素之間的關(guān)系。水熱綜合作用對土壤速效磷的影響采用多因素方差分析法分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同樣地植被和土壤特征

隨著海拔高度的降低，植被類型從高山草甸過渡到草原化荒漠，植被蓋度由100%逐漸降低至25.9%(表2)；地上生物量呈先降低后升高的趨勢，變化范圍為41.3～317.8 g·m-2；土壤pH隨著海拔高度的降低而呈現(xiàn)逐漸升高趨勢，變化范圍為7.76～9.15；土壤有機(jī)碳含量由8.82%(高山草甸)逐漸降低至0.16%(草原化荒漠)，土壤中<0.05 mm粘粉粒含量則隨海拔高度的降低由86.6%逐漸降至8.4%。土壤水分也隨海拔降低而降低，由59.0%降至2.1%。

表1 樣地基本情況Table 1 General information of different plots

表2 不同樣地植被和土壤特征Table 2 Vegetation and soil properties in different plots

2.2 土壤全磷、速效磷含量特征

隨著海拔高度的降低和植被類型的變化，兩土層TP含量均呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(表3)，0-10和10-20 cm土層TP變化范圍分別為0.191～0.865和0.167～0.990 g·kg-1。在不同草地類型土壤中的TP含量分布特征為0-10 cm土層，高山草甸>亞高山草甸=典型草原≥荒漠化草原>草原化荒漠 (P<0.05)；10-20 cm土層中，除兩個(gè)典型草原樣地和兩個(gè)荒漠化草原樣地之間差異不顯著外，其他各樣地之間均有顯著差異(P<0.05)(含量高低順序同0-10 cm土層)。各樣地TP含量在0-10和10-20 cm土層之間的變化沒有一致的規(guī)律。

不同草地類型土壤AP含量在0-10和10-20 cm土層變化范圍分別為3.138～6.559和2.663～6.485 mg·kg-1。除樣地2(亞高山草甸)和樣地5(荒漠化草原)外，其他樣地0-10 cm土層AP含量均顯著高于10-20 cm土層(P<0.05)。隨著海拔高度的降低和草地類型的變化，AP含量的變化沒有表現(xiàn)出一致的規(guī)律性。

表3 不同樣地土壤全磷(TP)及土壤速效磷(AP)含量Table 3 Total soil phosphorus (TP) and soil available phosphorus (AP) contents in different plots

注：表中數(shù)據(jù)均為均值±標(biāo)準(zhǔn)誤，同列不同小寫字母表示同一土層不同樣地間差異顯著(P<0.05)；同行不同大寫字母表示同一樣地同一測定項(xiàng)目不同土層之間差異顯著(P<0.05)。

Note: The data in the table are means±SE. The different lower case letters within the same column indicate significant difference among the different plots in the same soil layer at 0.05 level; while the different capital letters within the same row indicate significant difference between the two soil layers in same plot at 0.05 level.

2.3 影響全磷含量變化的因素

2.3.1 土壤有機(jī)碳 0-10和10-20 cm土層土壤有機(jī)碳含量(表2)和TP含量(表3)均隨海拔高度的升高而升高，兩土層土壤有機(jī)碳含量與TP含量之間存在極顯著的相關(guān)性(P<0.05)(圖1)。

2.3.2 土壤中<0.05 mm粘粉粒含量 0-10和10-20 cm土層TP含量均隨土壤中<0.05 mm粘粉粒含量增加而增加，兩者之間呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，R2值分別為0.856和0.730(圖1)。

2.3.3 植被蓋度 隨著海拔高度的升高，各草地類型的植被蓋度呈逐漸增加趨勢(表1，表2)，0-10和10-20cm土層TP含量也隨之增加(表3)，兩土層TP含量與植被蓋度之間呈顯著和極顯著正相關(guān)(0-10 cm，P<0.05；10-20 cm，P<0.01)(圖1)。

圖1 土壤全磷與土壤有機(jī)碳、土壤中<0.05 mm粘粉粒含量及植被蓋度之間的關(guān)系Fig.1 The relationships between total soil phosphorus (TP) and soil organic carbon， <0.05 mm soil particle content and vegetation coverage

2.4 影響速效磷含量變化的因素

隨著海拔高度和草地類型的變化，AP含量并沒有呈現(xiàn)出一定的變化規(guī)律(表3)。由于各樣地TP含量有很大差異，所以根據(jù)AP的絕對含量并不能說明土壤中磷的礦化程度和環(huán)境因子的影響。而土壤速效磷/全磷的比值(AP/TP)可以反映土壤中磷的礦化程度，因此應(yīng)用該比值進(jìn)行分析。結(jié)果顯示，0-10和10-20 cm土層AP/TP隨土壤pH值的升高而顯著升高(P<0.05)，且與年平均氣溫之間呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)(P<0.05)(圖2)。

各樣地0-10和10-20 cm土層土壤水分含量的變化與AP含量的變化沒有呈現(xiàn)顯著的相關(guān)性(P=0.137)，多因素方差分析結(jié)果顯示，水熱因素的綜合作用也未對AP含量產(chǎn)生顯著的影響(P=0.351)。

圖2 土壤速效磷/全磷比值(AP/TP)與年平均氣溫及土壤pH之間的關(guān)系Fig.2 The relationships between AP/TP ratio and average annual air temperature and soil pH

3 討論

天然草地生態(tài)系統(tǒng)與農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)不同，土壤中的磷除大氣沉降外，沒有人為方式的輸入，其含量主要取決于成土母質(zhì)中磷的含量[15]；另外，海拔、土地利用方式及坡度等因素可以通過影響氣候或土壤侵蝕程度而影響磷的含量[3]。本研究結(jié)果表明，賀蘭山西坡不同海拔草地土壤全磷含量隨海拔高度的降低而逐漸降低，且受到土壤有機(jī)碳、土壤中<0.05 mm粘粉粒含量以及植被蓋度等因素的影響，這與譚鑫[16]和秦勝金等[17]的研究結(jié)果一致。迄今為止，放牧仍是阿拉善地區(qū)草地主要生產(chǎn)利用方式，由于人口壓力的不斷增長，草地過度放牧在當(dāng)?shù)匾咽瞧毡楝F(xiàn)象。一方面，高強(qiáng)度的放牧使草地的植被蓋度和生物量均明顯下降，這些因素導(dǎo)致草地裸露面積增加[18-19]，土壤含水量降低，加之我國北方地區(qū)春季多風(fēng)，極易發(fā)生風(fēng)蝕。風(fēng)蝕使土壤細(xì)粒物質(zhì)被吹走，且大部分被風(fēng)吹走的是粒徑<0.05 mm的粉塵[20]，粘粒的比表面積較大，易于吸附磷酸鹽；粘粒的減少導(dǎo)致土壤對磷的保護(hù)作用減弱，直接導(dǎo)致土壤全磷含量的降低[21-22]。本研究結(jié)果顯示，隨著海拔降低，植被蓋度和地上生物量逐漸降低，其對土壤粘粉粒的保護(hù)作用減弱，使風(fēng)蝕的影響逐漸增強(qiáng)，導(dǎo)致土壤中<0.05 mm粘粉粒含量逐漸降低，進(jìn)而導(dǎo)致土壤全磷含量逐漸降低。另外，草地土壤中50%以上的磷以有機(jī)態(tài)存在[23]，因此，土壤有機(jī)質(zhì)含量對土壤全磷有著很大程度的影響，本研究中隨海拔逐漸降低的土壤有機(jī)質(zhì)含量也可能是導(dǎo)致土壤全磷隨海拔逐漸降低的另一原因。由于研究區(qū)地處干旱區(qū)，淋溶和水蝕作用不明顯，故水分的差異對土壤全磷含量幾乎沒有影響。

相關(guān)研究表明，全磷含量對土壤速效磷含量沒有顯著影響[24]，且草地的退化程度與土壤速效磷含量之間也沒有顯著的相關(guān)性[25]，這與本研究的結(jié)果一致。土壤中速效磷含量除了與土壤中各種含磷化合物本身的組成和數(shù)量有關(guān)系外，主要受土壤pH值、微生物活性以及植物的吸收利用、積累量等因素有關(guān)。土壤pH值是控制土壤中磷的化學(xué)形態(tài)的重要因子，其高低可以影響土壤磷的溶解、吸附過程。有研究認(rèn)為，隨著pH值的升高，土壤對磷的吸附減弱，進(jìn)而使磷的有效性增加[26]。本研究中，土壤pH值隨著海拔高度的降低而呈升高趨勢，導(dǎo)致兩土層AP/TP比值也逐漸升高，說明該區(qū)域較高的土壤pH值可以提高土壤磷的礦化程度。另有研究表明，土壤中的微生物能夠?qū)⒅参镫y以吸收利用的磷轉(zhuǎn)化為有效養(yǎng)分[27]，本研究中，磷的礦化程度(AP/TP)隨年平均氣溫升高而升高，說明溫度的變化在一定程度上通過影響微生物的活性而影響磷的礦化。張生楹等[28]對東祁連山不同退化程度的高寒草甸草地的研究表明，土壤中速效磷含量以極度退化的高寒草甸草地較高，這是因?yàn)橹脖簧锪枯^低，對速效養(yǎng)分的吸收利用有限，導(dǎo)致其在土壤中有較高含量。本研究中，隨著海拔高度的降低，植被類型由高山草甸向草原化荒漠逐漸過渡，植被的變化導(dǎo)致生物量的逐漸降低，進(jìn)而降低了植物對土壤速效磷的吸收，可能也是磷的礦化程度隨海拔高度降低而逐漸升高的原因之一。另外，植物根系會(huì)吸收深層土壤中的磷，隨后以枯落物的形式進(jìn)入表層土壤[29]，即植物對土壤磷素具有一定的表聚作用，這可能是本研究中0-10 cm土層速效磷含量在多數(shù)樣地中高于10-20 cm土層土壤的主要原因，而全磷在上下兩個(gè)土層之間的分布并沒有一致的規(guī)律。

本研究僅就部分氣候、植被及土壤因素對土壤磷的影響進(jìn)行了分析，然而，影響土壤磷素及其礦化的因素較多，另一些如土壤微生物、土壤酶等因素的影響在本研究中并未涵蓋；另外，由于研究中所選擇的樣地分布范圍較大，勢必會(huì)造成各樣地之間放牧強(qiáng)度的差異，但這一因素在本研究中并未考慮，還有待于在以后的研究工作中做進(jìn)一步探討。

4 結(jié)論

隨著海拔由高到低和植被類型的變化，0-10和10-20 cm土層TP含量明顯降低；兩土層中，TP與土壤有機(jī)碳、土壤中<0.05 mm粘粉粒含量及植被蓋度之間呈顯著正相關(guān)，TP在上下兩個(gè)土層之間的分布并沒有一致的規(guī)律； AP含量并沒有隨著海拔高度的變化而呈現(xiàn)出一定的變化規(guī)律，但兩土層中速效磷的礦化程度AP/TP(土壤速效磷/全磷)與土壤pH值以及年平均氣溫呈顯著正相關(guān)。多數(shù)樣地0-10 cm土層AP顯著高于10-20 cm土層，可能歸因于植物對土壤磷的表聚作用。

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(責(zé)任編輯 張瑾)

Soil phosphorus and influencing factors in the grasslands at different elevations on west-slope of Helan Mountain, Inner Mongolia

SONG Xiong-ru1, SHANG Zhen-yan2, LI Xu-dong2, FU Hua2
(1.Minle Agricultural Technology Promotion Center, Minle 734500, China;2.State Key Laboratory of Grassland Agro-ecosystems, College of Pastoral Agricultural Science and Technology, Lanzhou University, Lanzhou 730020, China)

In order to understand the soil phosphorus (P) distribution in different types of grasslands at different elevations and analyze the effects of meteorological factors, soil properties and vegetation on the soil phosphorus, a study was conducted on the west-slope of Helan Mountain in Alxa, Inner Mongolia. The results indicated that total soil phosphorus (TP) in both 0-10 and 10-20 cm soil layers declined with decreasing altitude and significantly positively correlated (P<0.05) with the contents of soil organic carbon and soil particle less than 0.05 mm and vegetation coverage. There was no consistent regularity for vertical distribution of TP content along the soil profiles and distribution of soil available phosphorus (AP) along altitude and grassland types. The ratios of AP/TP in both 0-10 and 10-20 cm soil layers significantly positively correlated (P<0.05) with soil pH and annual average air temperature which suggesting that soil pH and temperature could significantly affect the activation of soil phosphorus. In most of the plots, AP content in 0-10 cm soil layers were significantly higher than that in 10-20 cm soil layers maybe as the result of “surface accumulation” effects of vegetation to soil phosphorus.

Alxa; grasslands; total soil phosphorus; soil available phosphorus

LI Xu-dong E-mail：lixudong@lzu.edu.cn

10.11829j.issn.1001-0629.2015-0133

2015-03-09 接受日期：2015-06-01

高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金(20120211110029)；中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)“應(yīng)對氣候變化的碳收支認(rèn)證及相關(guān)問題”(X0DA05050406-8)

宋雄儒(1972- )，男，甘肅民樂人，農(nóng)藝師，主要從事生態(tài)農(nóng)業(yè)推廣工作。E-mail:wdw2046@126.com

李旭東(1973-)，男，山東青州人，講師，博士，主要從事草地生態(tài)學(xué)研究。E-mail:lixudong@lzu.edu.cn

S812.2

A

1001-0629(2015)07-1054-07*

宋雄儒,尚振艷,李旭東,傅華.賀蘭山西坡不同海拔梯度草地土壤磷特征及其影響因素[J].草業(yè)科學(xué),2015,32(7):1054-1060.

SONG Xiong-ru,SHANG Zhen-yan,LI Xu-dong,FU Hua.Soil phosphorus and influencing factors in the grasslands at different elevations on west-slope of Helan Mountain,Inner Mongolia[J].Pratacultural Science,2015,32(7)：1054-1060.