退化高寒草甸土壤有機(jī)碳分布特征及與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系

曹麗花，劉合滿，趙世偉

(1.西藏農(nóng)牧學(xué)院資源與環(huán)境系，西藏 林芝 860000；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實驗室，陜西 楊凌 712100)

草地生態(tài)系統(tǒng)是分布面積最廣的陸地生態(tài)系統(tǒng)之一，其面積占全球陸地面積的1/2，在全球陸地碳循環(huán)中起著極為重要的作用[1]。草地退化是指在不利因素影響下，草地生態(tài)功能減退、生產(chǎn)能力下降、經(jīng)濟(jì)價值降低的過程[2]。

西藏有8 206.7萬hm2不同類型的草地，草地總面積占全國的33.2%，其分布特點(diǎn)是，全區(qū)78.4%的草地分布于高海拔的藏西北廣大地區(qū)，該區(qū)域又是荒漠或半荒漠、沙化、退化草地所占比例較大的區(qū)域[3]。且有研究表明[4]，1990-2005年，西藏草地退化面積每年以5%～10%的速度擴(kuò)大。據(jù)調(diào)查：當(dāng)雄縣退化草地面積為4.978萬hm2，占天然草地總面積的7.2%，其中輕度退化草地面積為3.616 hm2，占退化草地面積的72.63%；重度退化面積為1.362萬hm2，占退化草地面積的27.37%[5]。草地退化造成地上生物量下降，減少了有機(jī)碳輸入量；部分高寒草甸甚至沙化，使有機(jī)碳輸出量增多，最終使土壤有機(jī)碳含量降低。

在全球氣候變暖和地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展對草原的過度依賴背景下，草原退化將會進(jìn)一步加劇。草地退化不但對草原的可持續(xù)利用形成了很大的威脅，而且對區(qū)域氣候和生態(tài)的健康發(fā)展也產(chǎn)生了不利的影響。近年來，雖然對青藏高原草原生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)問題有一些相關(guān)文獻(xiàn)報道[6-8]，但基礎(chǔ)資料仍十分缺乏。本研究對拉薩當(dāng)雄縣不同退化草甸土壤有機(jī)碳及養(yǎng)分相關(guān)性進(jìn)行研究，以期揭示高寒草甸土壤退化過程中有機(jī)碳及相關(guān)養(yǎng)分和環(huán)境的變化特點(diǎn)，并為高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)的退化程度診斷及其恢復(fù)治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1研究區(qū)域概況 西藏當(dāng)雄縣地處藏北高原，是拉薩市牧業(yè)重點(diǎn)縣，畜牧業(yè)是全縣國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)。平均海拔4 200 m以上，地貌類型為高原山地。當(dāng)雄縣氣候的主要特點(diǎn)是：冬季寒冷、干燥，夏季溫暖濕潤，雨熱同期，干濕季分明，天氣變化大。年均溫1.3 ℃，年均降水量456.8 mm，年均蒸發(fā)量1 725.7 mm，年均日照時數(shù)2 880.9 h，年均太陽輻射總量786.5 kJ/cm2，≥0 ℃年積溫1 800 ℃·d，無霜期僅62 d，牧草生長期90～120 d。地表溫度平均為5.9 ℃，11月-翌年3月為土地凍結(jié)期，全年八級以上風(fēng)力天數(shù)平均達(dá)17.8 d，多發(fā)生在12月-翌年3月。大雪、冰雹、霜凍、干旱、大風(fēng)等自然災(zāi)害頻繁。

1.2樣品采集 2010年4月于拉薩當(dāng)雄縣進(jìn)行采樣，其地理位置為30°29.926′ N，90°52.696′ E，海拔4 247 m，草甸優(yōu)勢種群為藏嵩草(Kobresiatibetica)，土壤類型為高寒草甸土。結(jié)合野外植被與土壤調(diào)查，按照張金屯[9]草地退化程度的劃分標(biāo)準(zhǔn)(表1)，在樣區(qū)內(nèi)分別選擇正常草甸、輕度退化草甸和嚴(yán)重退化草甸3種草甸類型，每種退化類型分別選擇3個樣點(diǎn)，分別采集0～10、10～20 cm土層的混合土壤樣品和環(huán)刀土，土壤樣品自然風(fēng)干，分別過0.25和1 mm篩孔以供測定。

表1 不同退化程度草地植被覆蓋度及土壤狀況

1.3測定項目與方法 土壤活性有機(jī)碳用KMnO4氧化法測定，其操作步驟為：稱取2.5 g土壤樣品于100 mL塑料離心管中，加入25 mL濃度為333 mmol/L的KMnO4溶液，震蕩1 h，然后在轉(zhuǎn)速4 000 r/min下離心5 min，將其上清液用去離子水以1∶250液稀釋后，在565 nm下測定吸光度，通過其與不加土壤的空白吸光度之差，計算出KMnO4濃度的變化，并進(jìn)而計算出氧化的碳量[10-11]。

土壤有機(jī)質(zhì)用重鉻酸鉀外加熱法；土壤pH值采用水土比2.5∶1.0酸度計法測定；土壤堿解氮用堿解擴(kuò)散法測定；速效磷用NaHCO3提取，分光光度計測定；速效鉀用1 mol/L醋酸銨提取，火焰光度計測定；土壤容重用環(huán)刀法；土壤含水量用烘干法測定[12]。

1.4數(shù)據(jù)處理 采用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，利用DPS進(jìn)行顯著性分析和通徑分析。

2 結(jié)果與分析

2.1高寒草甸土壤有機(jī)碳及其密度變化 在0～10和10～20 cm土壤層中高寒草甸土壤有機(jī)碳含量和有機(jī)碳密度的分布特點(diǎn)均表現(xiàn)為：正常草甸>輕度退化草甸>嚴(yán)重退化草甸，且0～10 cm土層中有機(jī)碳含量和有機(jī)碳密度均高于相對應(yīng)的10～20 cm土層(圖1)。其原因是草地退化后，地上生物量降低了，從而也減少了有機(jī)碳的輸入量。在0～10 cm土層中，土壤正常狀態(tài)下有機(jī)碳的含量達(dá)到55.98 g/kg，比輕度退化和嚴(yán)重退化草甸土壤有機(jī)碳分別高出37.93%和368.2%；10～20 cm土層中，正常狀態(tài)下土壤有機(jī)碳含量比輕度退化和嚴(yán)重退化土壤有機(jī)碳分別高出6.36%和273.51%。對于0～10 cm土層土壤有機(jī)碳密度而言，正常狀態(tài)、輕度退化和嚴(yán)重退化條件下分別為526.67、466.07、179.90 kg/m2。

2.2土壤有機(jī)碳與其他養(yǎng)分間相關(guān)性分析 土壤有機(jī)質(zhì)(主要指土壤碳素)是陸地生物圈生物地球化學(xué)循環(huán)的主要成分之一，是指示土壤健康的關(guān)鍵指標(biāo)[13]。對土壤有機(jī)碳與其他養(yǎng)分進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果表明，土壤有機(jī)碳與土壤活性有機(jī)碳、堿解氮、速效磷及速效鉀之間存在正相關(guān)關(guān)系(圖2)。

圖1 不同退化程度高寒草甸土壤有機(jī)碳含量及有機(jī)碳密度

土壤有機(jī)碳與活性有機(jī)碳之間存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，其回歸方程為y=0.074 3x-0.026 1，決定系數(shù)R2為0.913 9(圖2A)。

草地生態(tài)系統(tǒng)中，有效性氮素是初級生產(chǎn)力首要的限制資源[14]，也是決定系統(tǒng)物種組成的主要因子[15]。有研究表明[16]，隨著氮肥施用量的增加，退化草甸地上生物量顯著增加。由圖2B可知，土壤有機(jī)碳與土壤堿解氮呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，土壤有機(jī)碳含量越高，土壤堿解氮含量也就越高。顏淑云等[17]研究也表明，高寒草地土壤全氮及無機(jī)氮與土壤有機(jī)碳之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。土壤速效磷與土壤有機(jī)碳的關(guān)系與堿解氮相同，也呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)(圖2C)；土壤有機(jī)碳與速效鉀呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，其回歸方程為y=4.296 5x+71.667 0(R2=0.665 3)(圖2D)。這表明土壤有機(jī)碳與土壤養(yǎng)分之間存在著密切的關(guān)系，土壤退化程度加重，將導(dǎo)致土壤養(yǎng)分含量降低。

2.3土壤有機(jī)碳與土壤容重、含水量相關(guān)性分析 土壤容重是土壤緊實度的指標(biāo)之一，它與土壤的孔隙度和滲透率密切相關(guān)。土壤容重的大小主要受土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤質(zhì)地等因素的影響。土壤容重大，則土壤緊實，通透性差[18]。由圖3A可見，正常與輕度退化草甸土壤0～10 cm土層土壤容重均小于10～20 cm土層，且隨草甸土壤退化加劇，土壤容重呈增加趨勢，這主要是由于土壤退化后，土壤植被減少，沙化加重而造成的。由圖3B可知，隨土壤退化程度加重，土壤含水量減少。這與蔡曉布和周進(jìn)[19]的研究結(jié)果一致。

統(tǒng)計分析表明，土壤有機(jī)碳與土壤容重和土壤含水量之間的關(guān)系較為密切，土壤有機(jī)碳與土壤容重間的R2為0.773 5(y= -0.016 7x+1.553 1)，且呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)；土壤有機(jī)碳與土壤含水量間R2為0.715 6(y=0.790 8x+5.424 5)，且呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。

2.4土壤有機(jī)碳與土壤理化性質(zhì)通徑分析 通徑分析是通過對自變量和因變量之間的相關(guān)分解來研究因變量的相對重要性。將土壤有機(jī)碳與理化性質(zhì)進(jìn)行回歸分析可得線性回歸方程：y=-5.100 7+0.411 5x1+1.402 2x2-0.070 7x3-0.159 2x4，其中y為土壤有機(jī)碳，x1、x2、x3、x4分別為土壤堿解氮、速效磷、速效鉀和含水量。通徑分析結(jié)果顯示，x1、x2、x3、x4與土壤有機(jī)碳y的通徑系數(shù)分別為1.114 2、0.357 3、 -0.372 3和-0.170 3。這表明有機(jī)碳的變化對堿解氮的影響最大。

圖2 土壤有機(jī)碳與其他養(yǎng)分的關(guān)系

圖3 不同退化程度高寒草甸土壤容重及含水量變化

3 結(jié)論

在自然因素和人為因素的雙重作用下，草地退化導(dǎo)致植被覆蓋度降低，引起表層土壤<0.84 mm顆粒易受風(fēng)、水侵蝕而減少[20]，土壤顆粒變粗[21]，地上及地下生物量降低[22]，導(dǎo)致土壤有機(jī)碳損失加重，有機(jī)碳含量減少。從本研究結(jié)果可以看出，隨著土壤退化程度加劇，土壤有機(jī)碳含量呈遞減趨勢，在0～10 cm土層中，正常草甸土壤、輕度退化草甸土壤及嚴(yán)重退化草甸土壤其有機(jī)碳含量分別為55.982 1、40.586 7和11.957 g/kg，且表層土有機(jī)碳含量均高于其次層土壤的有機(jī)碳含量。

隨著草地退化的加劇，土壤有機(jī)碳的損失愈加嚴(yán)重，必將對養(yǎng)分及其環(huán)境產(chǎn)生顯著影響。土壤有機(jī)碳與其他養(yǎng)分之間存在著密切關(guān)系，土壤有機(jī)碳與土壤活性有機(jī)碳、堿解氮及速效磷之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，與速效鉀之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。其直線回歸方程和決定系數(shù)與活性有機(jī)碳為y=0.074 3x-0.026 1，R2=0.913 9；與堿解氮為y=2.676 8x+14.425 0，R2=0.977 1；與速效磷為y=0.245 9x+3.347 9，R2=0.931 4；與速效鉀為y=4.296 5x+ 71.667 0，R2=0.665 3。土壤有機(jī)碳與土壤物理性質(zhì)間也存在十分密切的關(guān)系，土壤有機(jī)碳與土壤容重、土壤含水量的決定系數(shù)分別達(dá)到0.773 5和0.715 6(P<0.05)，回歸方程分別為y=-0.016 7x+1.553 1和y=0.790 8x+5.424 5。通過土壤有機(jī)碳與理化性質(zhì)的通徑分析表明，土壤堿解氮對土壤有機(jī)碳變化的響應(yīng)最顯著。

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