廖鑫宇,盛建東,程軍回,玉素甫江·玉素音,劉耘華
(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院 新疆土壤與植物生態(tài)過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆 烏魯木齊 830052)
土壤氮素是植物氮素的主要來(lái)源,全球植物氮需求的88%由土壤氮供應(yīng),其主要來(lái)自于有機(jī)質(zhì)的分解和積累,在土壤有機(jī)質(zhì)所含元素中,氮素含量約占3.7%~4.1%。新疆屬于典型干旱和半干旱區(qū),生態(tài)系統(tǒng)極其敏感脆弱,土壤礦質(zhì)元素貧乏,氮素含量較低。氮素被認(rèn)為是僅次于水分影響植物生長(zhǎng)的第二限制因子,是草地生態(tài)系統(tǒng)的主要限制資源,是土壤肥力的重要表征,對(duì)草地系統(tǒng)的組成、生產(chǎn)力、生態(tài)功能起著關(guān)鍵性作用,可對(duì)地上植被生長(zhǎng)狀況和生態(tài)環(huán)境變化產(chǎn)生重要影響。同時(shí),土壤全氮是全球氮循環(huán)的重要組成部分,因土壤氮儲(chǔ)量巨大,其微弱的變化就可使大氣中氮含量發(fā)生改變,進(jìn)而直接影響全球變化格局。因此,研究土壤全氮對(duì)提高植物生產(chǎn)和維持生態(tài)平衡具有重要意義。
土壤氮素含量是通過(guò)植物死亡凋落后被微生物分解的輸入和植物生長(zhǎng)及硝化作用的輸出而使其保持相對(duì)穩(wěn)定。降水是干旱和半干旱地區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)土壤水分的重要來(lái)源,影響和控制著草地植被的生長(zhǎng),同時(shí)植物殘?bào)w在水分作用下易腐爛降解并保存在土壤中,進(jìn)而對(duì)土壤全氮含量產(chǎn)生影響。溫度一方面通過(guò)影響植物生長(zhǎng),改變植物殘?bào)w向土壤的歸還量,另一方面通過(guò)控制土壤呼吸通量、土壤微生物活性和土壤動(dòng)物活動(dòng),影響土壤養(yǎng)分氮分解的釋放量,從而影響土壤中全氮含量。
土壤容重是土壤緊實(shí)度的指標(biāo)之一,能反映土壤的透水性、通氣性和根系伸展能力,土壤容重較大的土壤透氣性差,土壤板結(jié),從而影響植物根系生長(zhǎng)固氮。土壤粉粒或粘粒含量能夠增加對(duì)有機(jī)質(zhì)的固持作用和減少淋溶損失,進(jìn)而保持土壤全氮含量。礫石含量不同使土壤孔隙度、土壤容重、土壤含水量、微生物群落等發(fā)生變化,從而對(duì)植物生長(zhǎng)產(chǎn)生影響,進(jìn)而影響土壤中全氮含量。土壤pH通過(guò)影響土壤微生物活性及根系的生產(chǎn)與周轉(zhuǎn),從而對(duì)土壤全氮含量產(chǎn)生影響。隨著土層深度的增加,土壤透氣性逐漸降低,可轉(zhuǎn)化氮源逐漸減少,且作為土壤氮素重要來(lái)源的凋落物主要分布在表層土壤中,從而使土壤全氮含量在垂直分布上呈現(xiàn)從上到下遞減的趨勢(shì)。綜上所述,雖然已有學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量的研究,但受時(shí)間跨度、研究尺度等條件的影響,其研究結(jié)果具有一定的局限性,因此這些前期的調(diào)查并不能完全代表和反映目前新疆山地草甸土壤全氮含量對(duì)影響因素的響應(yīng),仍需進(jìn)一步研究。
山地草甸雖然在全國(guó)有零星分布,但在新疆干旱和半干旱地區(qū)其分布面積最大、最完整。新疆共有山地草甸287.06萬(wàn)hm,占新疆總草地面積的5%,在降水400~600 mm之間的山地森林或亞高山針葉林地區(qū)都有分布,其主要分布于天山以北1 500~2 800 m的山地和亞高山帶,天山南坡僅在2 600~2 800 m的亞高山地帶有零星分布。新疆山地草甸植被種類豐富,優(yōu)良牧草種類繁多,產(chǎn)草量高,營(yíng)養(yǎng)豐富,在新疆傳統(tǒng)的季節(jié)畜牧業(yè)中占有非常重要的地位。筆者以新疆山地草甸為例,研究該地區(qū)山地草甸生物量達(dá)到高峰(7月中旬—8月上旬)時(shí)氣候因素、生物量、土壤理化性質(zhì)對(duì)此時(shí)期土壤全氮含量的影響,以期為提高新疆山地草甸植物生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù),也為全球?qū)ι降夭莸槿难芯亢拖嚓P(guān)模型參數(shù)的建立提供數(shù)據(jù)支撐。為此,筆者提出以下3個(gè)科學(xué)問(wèn)題:(1)不同土層深度下氣候因素(年均降水(mean annual precipitation,MAP)、年均溫度(mean annual temperature,MAT))對(duì)土壤全氮含量的影響;(2)不同土層深度下生物量(地上凈初級(jí)生產(chǎn)力(Aboveground net primary productivity,ANPP)、根系生物量)對(duì)土壤全氮含量的影響;(3)不同土層深度下土壤理化性質(zhì)(容重、土石比、土壤pH)對(duì)土壤全氮含量的影響。
研究區(qū)域位于新疆維吾爾自治區(qū)(73°32'~96°21'E,34°22'~49°33'N),總面積為166萬(wàn)km,占中國(guó)土地總面積的六分之一,其地處歐亞大陸腹地,由于遠(yuǎn)離海洋的地理位置和高山環(huán)抱的地形結(jié)構(gòu),海洋濕潤(rùn)氣流難以到達(dá),形成溫帶極干旱大陸性氣候,促成了新疆多樣化的草地生態(tài)系統(tǒng)形成,也是我國(guó)山地草甸分布面積最大的地區(qū)。其主要植被群落為羽衣草(Alchemilla japonica)、早熟禾(Poa annua)、老 鸛 草(Geranium wilfordii)、三 葉 草(Oxalis)、苔 草(Carex spp.)、千 葉 蓍(Achillea millefolium)、紫花鳶尾(Iridaceae)、糙蘇(Phlomis umbrosa)、鴨茅(Dactylis glomerata)等。
在20世紀(jì)80年代草地類型圖和2000年土地利用圖基礎(chǔ)上,本研究從土壤調(diào)查要求出發(fā),全面考慮了剖面點(diǎn)的代表性、均勻性及包含全部土壤類型的原則進(jìn)行采樣。2011—2013年,在生物量達(dá)到高峰的7月中旬—8月上旬,筆者在新疆范圍的山地草甸進(jìn)行采樣,共采集樣點(diǎn)42個(gè)。每個(gè)樣地依據(jù)典型性原則,選擇能夠代表整個(gè)樣地植被生長(zhǎng)狀況、地形及土壤等特征的地段,設(shè)置1個(gè)100 m×100 m的樣地,在樣地的對(duì)角線上,每隔10 m布設(shè)10個(gè)1 m×1 m樣方用于采集土壤和地面環(huán)境信息,記錄每個(gè)樣地經(jīng)度、緯度、ANPP等信息。在0~5 cm、5~10 cm、10~20 cm、20~30 cm、30~50 cm、50~70 cm和70~100 cm的7個(gè)土層內(nèi)分別采集土壤樣品,各土層土壤樣品均勻混合后用四分法留取1 kg放入樣品袋,一部分做土石比的測(cè)定,一部分撿去可見(jiàn)的細(xì)根、石粒等雜質(zhì),然后風(fēng)干、磨細(xì)、過(guò)篩,用于測(cè)定土壤容重、土壤全氮、土壤pH等理化性質(zhì)。
采用環(huán)刀法測(cè)定土壤容重;使用元素分析儀(EuroVector EA3000,意大利)測(cè)定全氮含量;土壤pH采用pH計(jì)測(cè)定;將風(fēng)干土用篩將石頭與土壤區(qū)分開(kāi),分別稱取石頭的質(zhì)量與土壤總質(zhì)量,用土石比=M石/M總×100%計(jì)算土石比。
圖1 新疆山地草甸42個(gè)樣地分布
利用GPS測(cè)定每個(gè)樣點(diǎn)經(jīng)度、緯度的數(shù)據(jù)信息,在中國(guó)國(guó)家氣象局氣候數(shù)據(jù)庫(kù)(http://www.cma.gov.cn/)中獲取了位于新疆的66個(gè)氣象觀測(cè)點(diǎn)在1961—2011年(50年)的氣候觀測(cè)數(shù)據(jù),利用基于多元回歸的地理信息模型,以采樣點(diǎn)的經(jīng)度、緯度為自變量,利用GIS插值法推導(dǎo)出各采樣點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的MAP和MAT。
在Excel 2019軟件中進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理,用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS 23.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異性分析。在全氮含量與各變量間(MAP、MAT、根系生物量、ANPP、容重、土石比、土壤pH)做回歸分析,通過(guò)線性和非線性擬合反映土壤全氮對(duì)各影響因素的響應(yīng);采用單因素方差分析法,分析土層深度對(duì)全氮含量的影響。所有分析,顯著性水平為P<0.05。本研究所有制圖均在ArcGIS 10.2和SigmaPlot 10.0中完成。
對(duì)采集的42個(gè)樣地不同土層深度全氮含量進(jìn)行試驗(yàn)分析,通過(guò)SPSS對(duì)其結(jié)果進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn),得出不同土層深度全氮含量各數(shù)據(jù)點(diǎn)均分布在坐標(biāo)軸對(duì)角線上或附近,說(shuō)明該數(shù)據(jù)基本符合正態(tài)分布,具有良好的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,進(jìn)而可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,以期建立全疆山地草甸全氮含量空間分布數(shù)據(jù)模型。由表1可知,新疆山地草甸全氮在不同土層深度的含量變化范圍,在垂直剖面的0~5 cm、5~10 cm、10~20 cm、20~30 cm、30~50 cm、50~70 cm和70~100 cm 7個(gè)土層中其變化范圍分別為0.51~15.46 g·kg、0.40~11.72 g·kg、0.36~9.09 g·kg、0.32~7.66 g·kg、0.22~6.50 g·kg、0.18~5.83 g·kg、0.09~4.85 g·kg。在0~5 cm、5~10 cm、10~20 cm和20~30 cm土層中,相鄰?fù)翆尤烤嬖陲@著差異(P<0.05),而20~30 cm、30~50 cm、50~70 cm和70~100 cm土層中,相鄰?fù)翆娱g全氮含量差異不顯著。變異系數(shù)(CV)反映了數(shù)據(jù)的離散程度,CV>100%時(shí)為強(qiáng)變異,CV<10%時(shí)為弱變異,10%≤CV≤100%為中等變異。各土層深度全氮含量變異系數(shù)45.38%~94.66%,均呈現(xiàn)中等變異。
表1 不同土層深度全氮含量統(tǒng)計(jì)分析
由表2可知,在土層深度、MAP、MAT、土壤容重、pH和土石比等因素對(duì)土壤全氮含量的影響中,由SS可以看出,其影響程度由大到小分別為:土層深度>土壤容重>MAP>pH>MAT>土石比,其中土層深度、MAP、土壤容重和pH對(duì)土壤全氮含量具有顯著影響(P<0.05)。
表2 不同因素對(duì)土壤全氮含量影響結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析
在0~5 cm、5~10 cm、10~20 cm、20~30 cm和30~50 cm土層中,土壤全氮含量與MAP呈顯著峰型關(guān)系(圖2-A至圖2-E,P<0.05);在50~70 cm和70~100 cm的深層土壤中,MAP對(duì)土壤全氮含量的影響并不顯著(圖2-F、圖2-G)。
圖2 不同土層深度下MAP對(duì)土壤全氮的影響
在50~70 cm和70~100 cm的土層中,土壤全氮含量與MAT呈顯著負(fù)相關(guān)(圖3-F、圖3-G)(P<0.05);在0~5 cm、5~10 cm、10~20 cm、20~30 cm和30~50 cm的土層中,MAT對(duì)土壤全氮含量的影響并 不顯著(圖3-A至圖3-E)。
圖3 不同土層深度下MAT對(duì)土壤全氮的影響
由圖4可以看出,根系生物量主要集中在0~20 cm的表層土中,并隨著土層深度的增加,根系生物量呈現(xiàn)出減少的趨勢(shì)。在0~5 cm和10~20 cm土層中,土壤全氮含量與根系生物量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(圖4-A、圖4-C)(P<0.05),在5~10 cm土層中,土壤全氮含量與根系生物量呈顯著峰型關(guān)系(圖4-B),在20~30 cm、30~50 cm、50~70 cm和70~100 cm土層中根系生物量對(duì)土壤全氮含量的影響并不顯著(圖4-D至圖4-G)。
圖4 不同土層深度下根系生物量對(duì)土壤全氮的影響
在0~5 cm、5~10 cm、10~20 cm、20~30 cm、30~50 cm、50~70 cm和70~100 cm 7個(gè)土層中ANPP均與土壤全氮含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(圖5-G至圖5-G)(P<0.05)。
圖5 不同土層深度下ANPP對(duì)土壤全氮的影響
在0~5 cm、5~10 cm、10~20 cm和30~50 cm土層中,土壤全氮含量與土壤容重呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,且表層土較深層土下降更為顯著(圖6-A1至圖6-C1、圖6-E1)(P<0.05);在20~30 cm、50~70 cm和70~100 cm土層中,土壤容重對(duì)土壤全氮含量的影響并不顯著(圖6-D1、圖6-F1、圖6-G1)。在0~100 cm的7個(gè)土層中土石比多為0,與土壤全氮含量均無(wú)顯著相關(guān)性(圖6-A2至圖6-G2)。在20~30 cm土層中,土壤全氮含量與土壤pH呈顯著正相關(guān)關(guān)系(圖6-D3,P<0.05);在50~70 cm土層中土壤全氮含量與土壤pH呈顯著峰型關(guān)系(圖6-F3)(P<0.05);在0~5 cm、5~10 cm、10~20 cm、30~50 cm、70~100 cm土層中,土壤pH對(duì)土壤全氮含量的影響并不顯著(圖6-A3至6-C3、圖6-E3、圖6-G3)。
圖6 不同土層深度下土壤理化性質(zhì)對(duì)土壤全氮的影響
土壤水分有利于植物根系對(duì)氮的固定及微生物對(duì)凋落物的分解,使土壤中全氮含量增加,在漫長(zhǎng)的成土過(guò)程中,土壤氮形成了在特定生態(tài)條件下的動(dòng)態(tài)平衡。本研究中,在0~5 cm、5~10 cm、10~20 cm、20~30 cm和30~50 cm土層中,隨著土壤中水分的增加,全氮含量與MAP呈峰型關(guān)系,且表層土全氮含量變化對(duì)MAP的響應(yīng)更為強(qiáng)烈。安巧霞等在阿拉爾墾區(qū)通過(guò)研究不同灌水量對(duì)土壤氮淋失量的影響發(fā)現(xiàn),當(dāng)土壤中水分含量達(dá)到一定程度,土壤中可溶性氮淋溶流失,使土壤中全氮含量呈現(xiàn)減少的趨勢(shì),這與胡偉等的研究結(jié)果一致。但傅華等對(duì)賀蘭山西坡草地的研究和王長(zhǎng)庭等對(duì)青海高寒草甸的研究結(jié)果都表明,土壤全氮含量與MAP呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系,這與本研究結(jié)果不一致,其原因可能是地位位置不同,使土壤中氮素礦化作用、硝化和反硝化過(guò)程以及氮淋溶等影響程度不同。秦小靜等對(duì)三江源土壤研究結(jié)果表明,在高原低溫的環(huán)境下,土壤中全氮含量對(duì)MAP更為敏感,特別是在淺層土壤中表現(xiàn)更為強(qiáng)烈,這與本研究結(jié)果相符。
溫度是影響植物生長(zhǎng)發(fā)育和功能的重要環(huán)境因子,主要通過(guò)控制土壤呼吸通量、土壤微生物活性、植物根系生長(zhǎng)、土壤動(dòng)物活動(dòng)間接影響土壤養(yǎng)分的分解速率,從而影響土壤中全氮含量。Campbell總結(jié)發(fā)現(xiàn),從加拿大到美國(guó)南部以及印度土壤氮含量與溫度都為顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,并呈現(xiàn)出溫度每降低10℃土壤氮含量增加2~3倍的規(guī)律,這與本研究結(jié)果相符。在本研究中,土層深度為50~100 cm的深層土壤隨著溫度從0℃以下升高,土壤中全氮含量顯著減少。茍照君通過(guò)對(duì)黃河上游高寒草地研究表明,升溫后,深層凍土為響應(yīng)溫度升高而融化,微生物活動(dòng)逐漸加強(qiáng),有機(jī)氮礦化速率增加,深層土壤中的氮得以釋放而被植物吸收,從而使土壤中全氮含量減少,這與本研究結(jié)果相符。
根系通過(guò)呼吸和周轉(zhuǎn)消耗光合產(chǎn)物并向土壤輸送有機(jī)質(zhì)。同時(shí),根系的生長(zhǎng)和根系分泌物改善了土壤結(jié)構(gòu),提高了土壤根系生物的活性,有利于土壤難溶養(yǎng)分的分解和活化,增加了土壤全氮含量,由根系生物量與根系氮含量決定的根系氮庫(kù),一定程度上能反映出土壤養(yǎng)分庫(kù)的大小。蘇天燕等對(duì)我國(guó)半干旱草原區(qū)科爾沁草地的研究和張豪睿等對(duì)藏北高寒草甸的研究結(jié)果都表明,土壤全氮含量與根系生物量呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系,這與本研究結(jié)果一致。在本研究中,在土層深度為0~20 cm的表層土中,根系生物量與土壤全氮含量有顯著相關(guān)性,這與植物具有固氮性、養(yǎng)分具有表聚性的結(jié)果相符。侯曉娟等對(duì)武功山山地草甸研究表明,80%左右的根系主要分布在0~16 cm土層中,隨著土層的加深,根系生物量逐漸遞減,土壤養(yǎng)分含量也隨著土壤深度的增加而減少,尤其是氮含量下降極為顯著,這與本研究結(jié)果相符。
ANPP作為植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要體現(xiàn),其主要通過(guò)植物固氮和凋落物分解對(duì)土壤全氮含量產(chǎn)生影響。隨著ANPP的增加,其對(duì)土壤中難溶養(yǎng)分的分解和活化作用隨之增加,凋落物也隨之增加,然而氮素含量占進(jìn)入食物鏈的植物干質(zhì)量的2%,因此土壤中全氮含量也隨之增加。同時(shí),凋落物顯著改善了土壤水分和溫度等微環(huán)境條件,間接影響了土壤全氮含量。在本研究中,在0~5 cm、5~10 cm、10~20 cm、20~30 cm、30~50 cm、50~70 cm和70~100 cm 7個(gè)土層中ANPP均與土壤全氮含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系,這與石岳對(duì)青藏高原高寒草地的研究和劉碧榮等對(duì)內(nèi)蒙古棄耕草地的研究結(jié)果一致。
土壤容重是土壤緊實(shí)度的指標(biāo)之一,能夠反映土壤的透水性、通氣性和根系伸展能力,隨著土層深度的增加,土壤容重增大,不利于土壤微生物對(duì)有機(jī)質(zhì)的分解,也不利于根系生長(zhǎng)對(duì)土壤養(yǎng)分的輸送。本研究結(jié)果表明,在0~5 cm、5~10 cm、10~20 cm和30~50 cm的表層土中,土壤容重與全氮含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。鄭偉對(duì)喀納斯山地草甸土壤理化性質(zhì)研究表明,土壤容重增加,土壤理化性質(zhì)變劣,不利于植物生長(zhǎng),進(jìn)而土壤氮含量減少,這與本研究結(jié)果一致。
土石比影響著土壤骨架結(jié)構(gòu),使土壤孔隙度、水分含量發(fā)生變化,同時(shí)也影響植物根系的伸長(zhǎng)和分布,從而影響土壤中全氮含量。但在本研究中,土石比與土壤全氮含量并無(wú)顯著相關(guān)性,原因可能是不同草地類型的礫石含量存在差異。柴強(qiáng)對(duì)新疆草地土壤主要性質(zhì)研究結(jié)果表明,受氣候、植被、土壤類型的影響,草甸類草地土石比最小,土壤發(fā)育程度較好,這與本研究結(jié)果山地草甸各土層土石比多為0的結(jié)果一致,因此在山地草甸中土石比對(duì)土壤全氮含量的影響并不顯著。
土壤pH是土壤理化性質(zhì)的重要指標(biāo)之一,影響著土壤肥力和土壤養(yǎng)分的形態(tài)及有效性,其通過(guò)影響土壤中微生物活性及酶活性影響土壤中凋落物分解及植物根系生長(zhǎng),從而影響土壤中全氮含量。本研究結(jié)果表明,在20~30 cm土層中,土壤pH與土壤全氮含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系,在50~70 cm土層中,土壤pH與土壤全氮含量呈顯著峰型關(guān)系。郭春秀對(duì)民勤荒漠草地的研究結(jié)果表明,干旱地區(qū)的土壤微生物量及土壤酶活性在鹽漬化草地中表現(xiàn)為最高,表明在較高pH的土壤中,微生物對(duì)凋落物的分解更為強(qiáng)烈,這與本研究結(jié)果相符。在較深層的土壤中,隨著土壤pH的增加,土壤全氮含量表現(xiàn)出先增加后減少的峰型變化趨勢(shì),原因可能是深層土壤的透氣性較低,微生物活性比表層土壤低,對(duì)土壤較高的pH表現(xiàn)出不耐受而活性進(jìn)一步降低。
本研究通過(guò)對(duì)新疆山地草甸土壤全氮含量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,得出以下初步結(jié)論。
土壤全氮含量隨著土層深度的增加而減少。隨著根系生物量和ANPP的增加,土壤全氮含量均顯著增加。隨著MAP的增加,土壤中全氮含量呈現(xiàn)出先增加后減少的峰型變化趨勢(shì)。隨著MAT和土壤容重的增加,土壤全氮含量顯著減少。土石比與土壤全氮含量并無(wú)顯著相關(guān)性。隨著土壤pH的增加,土壤全氮含量在部分土層中表現(xiàn)出顯著增加的趨勢(shì),在部分土層中表現(xiàn)出先增加后減少的峰型變化趨勢(shì)。由此可見(jiàn),氣候因素、生物量和土壤理化性質(zhì)都會(huì)對(duì)土壤全氮含量產(chǎn)生影響,但其響應(yīng)并不一致。