賀蘭山不同海拔土壤顆粒有機碳、氮特征

楊益，牛得草＊，文海燕，張寶林，董強，陳菊蘭，傅華

（1.蘭州大學草地農業科技學院 草地農業生態系統國家重點實驗室，甘肅 蘭州730020；2.內蒙古阿拉善盟草原總站，內蒙古 巴彥浩特750306；3.內蒙古阿拉善盟畜牧研究所，內蒙古 巴彥浩特750306）

＊土壤表層（0～1m土層）有機碳庫大約有1 550Pg（1Pg＝1015g），其儲量大約是大氣碳庫的3倍，生物有機體碳庫的3.8倍，為地球表層最大的有機碳庫，因此，土壤表層有機碳庫變化在全球碳循環中起著關鍵作用［1，2］。土壤有機碳的降解及其遷移過程是一個極其復雜的生物、物理和化學過程，對有機質組分進行定量化估算，并且研究其碳氮含量的變化，有助于進一步了解土壤碳周轉的基本特征［3］?；瘜W分析方法將土壤有機碳分為胡敏酸（包括胡敏素）和富里酸，對認識土壤有機質化學組成起到很大作用，但由于此方法對土壤有機質原狀結構有破壞性，所以分離的有機碳組分不能解釋土壤有機碳庫的穩定性［4］。應用物理分組方法對有機質結構破壞程度極小，分離的有機碳組分能夠反映原狀有機質結構與功能，尤其反映有機質周轉特征［5］，所以這種方法在土壤有機碳的研究中受到更多的重視。物理分組方法獲得的顆粒有機質部分，是指與沙粒（53～2 000μm）結合的有機碳部分，周轉期5～20年，屬于有機質中慢庫，其有機碳主要來源于分解速度中等的植物殘體分解產物［6］。一些研究者［4，7，8］應用物理分組方法研究了不同土地利用方式對土壤碳庫穩定性的影響及機制，結果表明，土壤碳庫的穩定性主要決定于土壤顆粒有機碳的比例，土壤顆粒有機碳比例越高，土壤碳庫越不穩定。山地生態系統，由于沿海拔梯度水熱因子變化劇烈，發育了不同植被類型的生態系統。不同植被類型下土壤由于承接其凋落物和根系分泌物類型不同以及氣候因子等的差異［9，10］，形成的土壤碳庫特別是顆粒有機質狀況勢必會存在差別。因此，研究同一地區沿海拔梯度不同植被下土壤顆粒有機質含量與分配比例對揭示植被及相應氣候因子對土壤碳庫的調控及影響具有重要意義［11］。

賀蘭山位于阿拉善荒漠東南邊境，由于相對高度差別較大，水熱變化迅速，形成了明顯的垂直地帶性植被及土壤類型［12］。本試驗應用顆粒大小的物理分組方法對賀蘭山沿海拔梯度的土壤顆粒碳、氮含量及其分配比例進行了研究，旨在揭示草地退化過程中土壤碳氮的穩定性，為該區草地的保護，及退化草地的恢復和重建提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區設在內蒙古阿拉善左旗境內賀蘭山中段（西坡）及其山前地帶（105°32′～105°51′E，38°39′～39°19′N；海拔3 556～1 360m）。氣候屬夏季風影響的西界，也是我國年降水量200mm等水量線的重要分水嶺。由于地處干旱區內，加之山體相對高差大，使大氣降水、植被及土壤類型有明顯的垂直地帶性分布規律。主峰3 500m以上，年降水量可達500mm，年均溫－2.8℃，無霜期60～70d。而低海拔區域，年平均溫度8℃左右，年降水量約150mm。隨海拔的降低，土壤類型依次為亞高山草甸土、灰褐土、棕鈣土、灰漠土和風沙土。其土壤母質為結晶巖石，由于不完全淋溶作用，這些土壤形成一個或多個鈣沉積層。高山草甸區土壤厚度為70～80cm，荒漠區土壤厚度達到180～200cm［13］。2005年，沿海拔梯度，分別在賀蘭山上部的高山草甸、中部及較低地區山地草原和山前地帶荒漠草原和草原化荒漠區，設置調查樣地，共計8個樣地（表1），用于植被與土壤的觀測研究。

表1 各樣地的基本情況Table 1 General conditions of sampling sites

1.2 土壤樣品采集與分析

1.2.1 土壤樣品的采集 2005年9月，在各樣地內設置5個50m×100m的樣區，每1樣區設置1條固定樣線，沿每一樣線用土鉆采集10個土樣，混合為1個樣本，取樣深度為0～10和10～20cm。土樣自然風干，一部分過2mm篩，4℃樣品儲存室保存，用以測定土壤顆粒有機碳和氮；另一部分過0.5mm篩，樣品存儲室保存，用以測定土壤有機質和土壤全氮。

1.2.2 植被特征的測定 于2005年9月在研究樣地選擇地勢植被較一致的地段，分別設置5塊面積為100m×50m的樣區，每樣區內設置1條長度為100m的樣線，沿固定樣線，以10m間隔，設置10個樣方，分別進行群落學調查，測定蓋度和生物量。在高山草甸設置0.25m×0.25m樣方，山地草原設置1m×1m樣方，山地荒漠草原和草原化荒漠設置4m×4m灌木樣方（內部套1m×1m草本樣方）。各樣方內草本植物齊地面剪下，灌木收獲其地上同化器官，按植物種稱取其鮮重和烘干重（65℃烘干至恒重），計算生物量。高山草甸和山地草原采用樣點法，山地荒漠草原和草原化荒漠采用樣線法，樣線長50m，測定各種植物的分蓋度，計算總蓋度［13，14］。

1.2.3 分析方法 土壤顆粒有機碳和氮含量按照Franzluebbers和Stuedemann［15］提供的方法測定。通過濕篩法得到土壤顆粒有機碳組分，稱取20.00g過2mm篩的風干土，放入250mL三角瓶，加入100mL 0.1mol／L Na4P2O7，振蕩16h，然后，將土壤懸液過0.053mm篩，并反復用蒸餾水沖洗。把所有留在篩子上方的物質，在55℃下烘72h后稱重，這些物質即為土壤顆粒組分。計算這部分土樣占整個土壤樣品比例就為土壤顆粒組分比例。把這些物質研磨過0.15mm篩，用K2Cr2O4－H2SO4外加熱法和凱氏定氮法分析其碳、氮含量，即土壤顆粒組分碳、氮含量；土壤有機碳和土壤全氮分別采用K2Cr2O4－H2SO4外加熱法和凱氏定氮法測定［16］。根據土壤顆粒組分比例和土壤顆粒組分碳、氮含量，計算土壤顆粒有機碳和氮含量。

1.3 數據處理

用SPSS 11.0軟件對數據進行統計分析。采用單因子方差分析（One Way－ANOVA）和LSD法對不同類型樣地土壤顆粒有機碳和氮含量進行比較。采用Pearson相關分析描述各變量之間的關系。

2 結果與分析

2.1 不同海拔土壤顆粒有機碳和氮含量變化特征

隨著海拔的降低，土壤顆粒有機碳、氮含量及其分配比例都發生了顯著變化（表2）。土壤顆粒有機碳、氮含量隨著海拔的降低而顯著降低（P＜0.05），在0～10cm土層，二者在2 940m處最高，分別為72.25和4.60 g／kg，在1 360m處最低，分別為0.60和0.05g／kg；10～20cm土層也表現出相同的趨勢。各樣地不同土層顆粒碳、氮含量相比較，均表現為0～10cm土層土壤顆粒碳、氮含量高于10～20cm土層（表2）。

表2 不同海拔土壤顆粒碳、氮及土壤有機碳、全氮含量Table 2 The soil particulate fraction，soil organic carbon and total nitrogen content in different elevations

顆粒有機碳分配比例隨海拔的降低先降低后升高，0～10cm土層在2 940m處最高，在1 820m處最低，10～20cm土層在2 940m處最高，在1 700m處最低。顆粒有機氮分配比例隨海拔的變化在2個土層表現出不同的變化規律，在0～10cm土層，顆粒有機氮分配比例先降低后升高，在2 940m處最高，在1 820m處最低，而在10～20cm土層，其隨海拔降低大致呈降低趨勢，在2 940m處最高，1 360m處最低。

同時，0～10和10～20cm土層土壤有機碳和全氮隨海拔的降低均表現出顯著的下降趨勢，且存在較大的差異（表2），0～10cm土層，土壤有機碳和全氮的變化范圍分別為1.69～111.51g／kg和0.23～8.18g／kg。10～20cm土層，土壤有機碳和全氮的變化范圍分別為1.38～86.45g／kg和0.23～6.47g／kg。

2.2 不同草地類型土壤顆粒碳和氮含量的變化特征

2.2.1 植被特征 隨海拔梯度的升高，草地植被蓋度和生物量都發生了顯著變化（圖1）。植被蓋度和生物量均在草甸最高（100%和177.6g／m2），其次是山地草原（52.0%和31.0g／m2），草原化荒漠最低（36.3%和52.1 g／m2）。

圖1 各樣地植被特征Fig.1 Vegetation characters of different sampling sites

2.2.2 不同草地類型土壤顆粒碳、氮及土壤有機碳、全氮特征 不同草地類型間土壤顆粒有機碳、氮含量及其分配比例以及土壤有機碳、全氮含量都存在顯著差異（P＜0.05）（表3）。土壤顆粒有機碳、顆粒有機氮、有機碳及全氮含量均在高山草甸最高，草原化荒漠最低，各植被類型之間的差異達到顯著水平。顆粒有機碳分配比例在高山草甸最高，山地荒漠草原最低。顆粒有機氮分配比例在高山草甸最高，2個土層的最低點存在差異，0～10cm土層在山地荒漠草原最低，而在10～20cm土層則在草原化荒漠最低。

2.3 顆粒有機碳、氮分配比例與環境和植被的關系

相關性分析結果表明，顆粒有機碳、氮分配比例與草地植被特征和環境因子間存在顯著的相關關系（P＜0.05），二者隨植被蓋度、地上生物量及降水量的增加顯著增加，隨溫度的增加而顯著降低（表4）。

3 討論

本研究結果顯示，隨著海拔的升高，土壤顆粒有機碳含量增加，該結果與向成華等［11］的報道一致。0～10cm層土壤顆粒碳、氮含量均高于10～20cm土層。該結果與徐俠等［17］的研究結果一致，這主要是因為土壤顆粒有機碳含量大小在很大程度上取決于土壤總有機碳含量，與下層土壤相比，0～10cm層土壤受植物的凋落物影響較大，豐富的植物殘體為表層土壤輸入了較多的有機質，另外，植物殘體的分解提高了表層土壤的養分，同時促進了植物根系在表層的生長［18，19］。最終，凋落物的增加和根系生長過程中分泌物排放的增多，可能會促進微生物的活動，有助于使表層土壤積累更多的活性有機碳［20］。在植被從高山草甸到草原化荒漠的演變過程中土壤顆粒有機碳、氮含量表現出顯著的降低趨勢，其原因可能是植被類型發生改變使凋落物和根系分泌物、化學組成（C／N）及根系分布等隨之發生變化從而影響到土壤顆粒碳、氮含量［21］。

表3 不同草地類型土壤顆粒碳、氮及土壤有機碳、全氮含量Table 3 The soil particulate fraction and soil organic carbon and total nitrogen content in different range types

表4 顆粒有機碳、氮分配比例與植被和環境的相關系數（0～20cm）Table 4 Correlation between particulate fraction proportions and vegetation characteristics and climate factors at 0－20cm soil depth

顆粒有機碳、氮分配比例反映了土壤中非穩定性有機碳、氮的相對數量［22］，從這2個指標可以表明有機質的穩定性，排除了有機質總量的差異［4］。顆粒有機碳、氮的分配比例越高，有機質中不穩定部分越高，在受到自然因素和人類活動的影響后，土壤有機質中分解的部分就越多［23］。土壤顆粒有機碳在不同海拔的差異直接反映了土壤有機碳的穩定性隨海拔的變化趨勢［24］。本研究表明，土壤顆粒碳、氮分配比例隨海拔的降低大致呈先降低后升高的趨勢。在高海拔區（2 940m）最高，在1 820，1 700m最低，而在低海拔區其值又升高。從中可以看出，其變化趨勢與植被類型有密切的關系，即從高山草甸到山地荒漠草原，土壤顆粒碳、氮分配比例顯著降低；而山地荒漠草原土壤顆粒碳、氮分配比例又較草原化荒漠顯著增加。該結果表明，高山草甸土壤中非穩定性有機質部分所占比例最大，在受到外界的干擾后，該部分易被分解。從本研究的結果還能看出，2個土層土壤顆粒有機碳、氮分配比例的變化有差異，這可能是因為土壤深度的差異影響了水熱要素、土壤性質和土壤微生物的功能從而使土壤有機碳穩定性不同［25］。本研究結果顯示，土壤顆粒有機碳、氮分配比例與植被蓋度、地上生物量、降水量及溫度的相關性均達到顯著水平（P＜0.05）；說明土壤顆粒有機碳、氮分配比例的變化與植被特征和氣候因素有密不可分的關系。土壤顆粒有機碳、氮分配比例與植被蓋度、地上生物量呈極顯著的正相關關系，這可能是因為植物的凋落物和根系分泌物經過微生物的分解是土壤非保護性有機質的主要來源［17］，所以植被狀況與土壤顆粒有機碳、氮分配比例密切相關。土壤顆粒有機碳、氮分配比例與降水量呈極顯著正相關關系，與溫度呈極顯著負相關關系，可能是因為水熱條件影響了微生物的活性［26］。

［1］Ohashi M，Gyokusen K，Saito A.Measurement of carbon dioxide evolution from a Japanese cedar（CryptomeriajaponicaD.Don）forest floor using an open－flow chamber method［J］.Forest Ecology and Management，1999，123：105－114.

［2］楊曉梅，程積民，孟蕾，等.黃土高原森林草原區土壤有機碳庫研究［J］.草業科學，2010，27（02）：18－23.

［3］王晶，張旭東，解宏圖，等.現代土壤有機質研究中新的量化指標概述［J］.應用生態學報，2003，14（10）：1809－1812.

［4］吳建國，張小全，王彥輝，等.土地利用變化對土壤物理組分中有機碳分配的影響［J］.林業科學，2002，38（4）：19－29.

［5］Christensen B T.Physical fraction of soil and organic matter in primary particle size and density separates［A］.Advance in Soil Science［C］.New York：Springer Verlag，1992：1－90.

［6］Camberdella C A，Elliott E T.Carbon and nitrogen dynamic of some fraction from cultivated grassland soils［J］.Soil Science Society of America Journal，1994，58：123－130.

［7］Solomon D，Lehmann J，Zech W L.Use effects on soil organic matter properties of chromic luvisols in semiarid northern Tanzania：carbon，nitrogen，lignin and carbohydrates［J］.Agriculture Ecosystems and Environment，2002，78：202－213.

［8］Motavalli P，Discekici P H，Kuhn J.The impact of land clearing and agricultural practices on soil organic C fractions and CO2efflux in the Northern Guam aquifer［J］.Agriculture Ecosystems and Environment，2000，79：17－27.

［9］姜培坤.不同林分下土壤活性有機碳庫研究［J］.林業科學，2005，41（1）：10－13.

［10］鐘芳，趙謹，孫榮高，等.蘭州南北兩山五類喬灌木林草地土壤養分與土壤微生物空間分布研究［J］.草業學報，2010，19（3）：94－101.

［11］向成華，欒軍偉，駱宗詩，等.川西沿海拔梯度典型植被類型土壤活性有機碳分布［J］.生態學報，2010，30（4）：1025－1034.

［12］傅華，裴世芳，張洪榮.賀蘭山西坡不同海拔梯度草地土壤氮特征［J］.草業學報，2005，14（6）：50－56.

［13］阿拉善盟計劃委員會.阿拉善國土資源［M］.呼和浩特：內蒙古人民出版社，1992.

［14］任繼周.草業科學研究方法［M］.北京：中國農業出版社，1998.

［15］Franzluebbers A J，Stuedemann J A.Particulate and non－particulate fractions of soil organic carbon under pastures in the Southern Piedmont USA［J］.Environmental Pollution，2002，116：53－62.

［16］中國土壤學會.土壤農業化學分析方法［M］.北京：中國農業科技出版社，1999.

［17］徐俠，陳月琴，汪家社，等.武夷山不同海拔高度土壤活性有機碳變化［J］.應用生態學報，2008，19（3）：539－544.

［18］Hendrick R L，Pregitzer K S.Temporal and depth related patterns of fine root dynamics in northern hardwood forest［J］.Journal of Ecology，1996，84（2）：167－176.

［19］肖波，武菊英，王慶梅，等.四種禾本科牧草對官廳水庫庫濱荒地的培肥效應研究［J］.草業學報，2010，19（5）：113－121.

［20］王長庭，龍瑞軍，王根緒，等.高寒草甸群落地表植被特征與土壤理化性狀、土壤微生物之間的相關性研究［J］.草業學報，2010，19（6）：25－34.

［21］徐俠，王豐，欒以玲，等.武夷山不同海拔植被土壤易氧化碳［J］.生態學雜志，2008，27（7）：1112－1115.

［22］Six J，Conant R T，Paul E A，etal.Stabilization mechanisms of soil organic matter：implications for C－saturation of soils［J］.Plant and Soil，2002，241：155－176.

［23］Hassink J.Decomposition rate constants of size and density fractions of soil organic matter［J］.Soil Science Society of America Journal，1995，59：1631－1635.

［24］吳建國，艾麗，田自強，等.祁連山中部土壤顆粒組分有機質碳含量及其與海拔和植被的關系［J］.生態環境，2008，17（6）：2358－2365.

［25］Gregoricha E G，Beareb M H，Mckima U F，etal.Chemical and biological characteristics of physically uncomplexed organic matter［J］.Soil Science Society of America Journal，2006，70：967－974.

［26］李東，黃耀，吳琴，等.青藏高原高寒草甸生態系統土壤有機碳動態模擬研究［J］.草業學報，2010，19（2）：160－168.