甘南州高寒草地土壤氮磷空間分布特征

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(1.蘭州大學資源環境學院西部環境教育部重點實驗室，甘肅 蘭州 730000；2.蘭州大學草地農業生態系統國家重點實驗室,蘭州大學農業農村部草牧業創新重點實驗室,蘭州大學草地農業科技學院,甘肅 蘭州 730020)

甘南藏族自治州處于青藏高原東北邊緣與黃土高原的接壤地帶，天然草地面積約281.53萬hm2，占甘南州總土地面積的70.28%，可利用草地面積約265.26萬hm2，占牧區總草地面積的94.22%，草場植被覆蓋率達85%以上，是甘肅省重要的畜牧業生產基地[1]。草地生態系統中的土壤生態系統本身具有復雜性和滯后性，環境、生物、人類生產活動等因素都對土壤化學特性產生重要的影響。在草原生態系統中，“土-草-畜”是相互聯系不可分離的矛盾統一體[2]。草地是生產生物量的基礎，可以儲存動植物生長所需要的營養，同時也是動植物體分解、循環的場所；土是草和牲畜生長、繁衍的承載體，草和牲畜的活動會影響土壤的理化性質(如動物的采食過程)，而土壤理化性質的改變或多或少會影響草地動植物的生長發育。研究土壤的理化性質，對遏制草地退化、維護草地生態系統平衡、促進草地畜牧業的可持續發展具有極為重要的意義。

土壤氮磷是草地管理、養分循環和生態系統健康維護的重要生態因子。作為土壤養分的重要組分，土壤氮磷含量的多寡會影響土壤中微生物數量、凋落物分解速率及土壤有機碳和養分的長期積累[3]。土壤全氮、全磷含量反映了土壤供給草地植被所需養分的潛力，是衡量土壤肥力的重要指標[4]。當前，有關放牧強度對草地理化性質的研究較多，主要是在不同類型的草地上實驗，根據不同程度、不同季節的放牧過程，對草地土壤理化性質進行研究分析[5-6]。除此之外，一些學者著重于研究人類生產活動(如圍欄、翻耕)對草地土壤養分的影響[7]以及高寒草地在不同演替階段土壤氮磷的變化[8]。也有些學者對不同退化程度高寒草地的土壤特征進行研究[9-10]，以期揭示高寒草地退化的特點，從而為高寒草地生態系統的恢復治理提供科學依據。然而海拔、植被覆蓋、土壤類型等都可能會影響草地氮磷的分布，不同地區需區別對待。

本研究主要以甘南地區為對象，研究該地區草地全氮、全磷含量的空間分布(樣地間及垂直)特征，并將其與土壤碳氮磷化學計量比、土壤有機質及土壤含水量做相關性分析，最后分析不同海拔梯度、不同土層深度下土壤全氮、全磷的變化特征，旨在通過對甘南州高寒草地土壤化學性質的研究，維護草地生態系統的穩定，使草地生態系統的物質循環與能量流動保持相對平衡，從而達到草地資源的可持續發展利用。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

圖1 甘南高原草地采樣點分布Fig.1 Spatial distribution of the sampling plots on Gannan plateau

甘南藏族自治州位于甘肅省西南部，地處青藏高原與黃土高原過渡地帶，行政區劃范圍為北緯33°06′-36°10′，東經100°46′-104°44′。東亞季風區、西北干旱區及青藏高原高寒區三大地區在此交匯，地勢由西北向東南逐漸降低，海拔為1100～4900 m，大部分在3000 m以上[11]。甘南屬于高原大陸性氣候，年平均氣溫為1～13 ℃，年降水量為400～800 mm。甘南草地面積約為281.53萬hm2,占甘肅省總土地面積的70.28%。該地區是甘肅省重要的畜牧業生產基地，也是全國主要少數民族集聚的草原牧區之一[12-13]，被譽為“亞洲最優良的牧場之一”，對于維護長江和黃河源頭乃至中下游地區的生態安全與經濟社會的可持續發展有重要的意義[14]。甘南土壤類型的分布與海拔存在一定關系，隨海拔升高，土壤類型依次為山地栗鈣土、山地黑鈣土、褐土、棕壤、暗棕壤、草甸土、沼澤土、亞高山草甸土以及高山草甸土。

1.2 野外采樣與實驗設計

在甘南地區范圍內選取典型樣地，樣地主要選擇在地勢平坦且能代表大范圍草地分布狀況的區域(圖1)。于2015-2017年6-9月對甘南藏族自治州進行野外考察和土壤樣品采集，最終完成57個樣點的采樣，且采樣點均分布在利用草地上。每個樣點分別取0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm和30～40 cm的4種不同深度土樣。按“十字型”布設5個樣方，設置5次重復，將相同土層的重復樣品混合裝袋，采用GPS定位坐標，同時記錄樣地的基本特征信息。將新鮮土樣裝入已編號的自封袋帶回實驗室，撿掉植物殘體、石礫等，室內風干、磨細后分別過0.15、0.25 mm的土篩，用于土壤理化性質的測定。

土壤養分測定采用常規分析方法[15]。土壤全氮、全磷經實驗預處理后使用全自動化學分析儀(Smartchem_200)測定；土壤有機碳用重鉻酸鉀容量法-外加熱法；土壤含水量用烘干法(110 ℃烘8 h)測定；土壤碳氮比、氮磷比通過土壤養分測定的數據計算化學計量比。

1.3 數據分析

用Microsoft Excel 2010對實驗數據進行基本計算和作圖，計算不同土層深度土壤全氮、全磷數據的基本信息(包括最大值、最小值、均值等)及其與海拔之間的關系。利用IBM SPSS Statistics 19統計軟件對全氮、全磷、有機質、氮磷比、碳氮比、土壤含水量進行Pearson簡單相關分析，并制作不同土層深度的相關系數矩陣。使用ArcGIS 10.2軟件進行反距離權重插值，制出全氮、全磷的水平分布圖和垂直分布圖。

2 結果與討論

2.1 甘南高寒草地土壤氮磷的空間分布特征

2.1.1甘南高寒草地土壤氮磷的水平分布特征 為直觀反映土壤全氮、全磷在甘南高寒草地的空間分布格局，基于反距離權重插值方法對表層(0～10 cm)土壤全氮、全磷進行插值，生成甘南高寒草地土壤全氮水平分布圖、全磷水平分布圖， 來分析全氮、 全磷的區域變化趨勢。 養分含量的分級標準依據全國第二次土壤普查土壤養分分級標準[16](表1)進行。

表層土壤空間分布趨勢：表層全氮含量由西南向東北、由西向東逐漸降低。表層全磷的分布格局與全氮相似，呈西南向東北、從西向東南降低的趨勢。結合全國第二次土壤普查養分分級標準，從圖2、3中可以看出，甘南地區表層全氮含量很豐富，尤其是東南地區，僅少數地區缺乏；表層全磷含量總體上屬中等水平，豐富地區主要位于東南。土壤全氮、全磷空間分布格局的形成與土壤本身結構、質地和地形地貌密切相關[17]。甘南地區海拔在西南較高，從西向東、由北向南逐漸減低，其與全氮、全磷水平分布的空間格局有一定相似性。

表1 全國第二次土壤普查養分分級標準Table 1 Nutrient grading standard in the national second soil survey (g·kg-1)

圖2 土壤全氮水平分布Fig.2 Level distribution of soil total nitrogen

圖3 土壤全磷水平分布Fig.3 Level distribution of soil total phosphorus

從均值來看，表層土壤中的全氮、全磷含量都顯著高于下層土壤，30～40 cm土層全氮、全磷含量最少。這是因為氮素主要分布于生物活動區，尤其是植物根系分布區(0～10 cm)，土壤中的氮素95%以上以有機氮的形式存在于土壤表層[18]。放牧家畜通過采食、踐踏、排泄等行為直接或間接地影響土壤中氮的含量[19]；土壤全磷包括速效磷、有機磷、無機磷和微生物磷。磷素主要來源于成土母質和動植物殘體歸還，其含量還要受土壤類型和氣候條件的影響[20]。

變異系數(coefficient of variation，CV)能表示空間變異程度的大小。土壤變異性的分級標準，即CV≤10%時為弱變異性，10%100%時為強變異性。從表2中可以看出，全氮、全磷在0～40 cm的土層中均具有中等變異性。土壤全氮在0～20 cm土層變異程度降低，在20～40 cm土層變異程度增加。土壤全磷的變異程度隨土層深度的增加而增加。同一土層深度，土壤全氮的水平變異性都較全磷顯著，尤其是在30～40 cm這一層次全氮變異性最強，變異系數高達68.5%，這可能與氮素淋失、沉積作用或地質埋藏作用有關；全磷在0～10 cm變異性最弱，僅為19%，表明磷素在表層分布較為均一，這可能與表層的成土母質有關。

2.1.2甘南高寒草地土壤氮磷的垂直分布特征 為反映不同土層深度全氮、全磷的整體變化趨勢及空間分布格局，基于反距離權重插值方法對0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm和30～40 cm深度的土壤全氮、全磷進行插值，生成土壤全氮垂直分布圖(圖4)和土壤全磷垂直分布圖(圖5)。

表2 甘南高寒草地土壤全氮、全磷的水平變異性Table 2 The level variability of total nitrogen and total phosphorus in Gannan plateau

圖4 土壤全氮垂直分布Fig.4 Vertical distribution of soil total nitrogen

從圖4、5可以發現，隨著土層深度的增加，全氮、全磷含量呈遞減趨勢，表層全氮、全磷含量顯著高于深層土壤，普遍存在表面聚集現象，表2中均值的變化也顯示出同樣的趨勢。相關研究表明，土壤全氮、全磷含量隨剖面深度的增加呈現降低趨勢是土壤養分空間分異的重要特征之一。在空間分布上，各土層深度全氮、全磷含量皆呈西南向東北遞減的趨勢，且西南部的變化幅度高于東北部，東部地區全氮含量的變化相對處于穩定的狀態。部分地區土壤全氮含量隨土層深度增加驟然回升，這可能與該地區氮素淋失或地質沉積作用有關[21]。

甘南地區表層全氮含量豐富，隨土層深度變化含量有所降低。相較于表層，10～20 cm土層深度僅中部有極少地區全氮含量屬中等和缺乏，至20～30 cm范圍擴大，到30～40 cm深度面積達最大。其他地區盡管全氮含量隨深度變化而變化，但由表1的分類標準來看，這些地區的全氮含量仍然很豐富。表層全磷含量整體屬于中等水平，僅東南部少數地區含量豐富。10～20 cm中部偏東南的一些區域全磷含量缺乏，至20～30 cm深度全磷含量缺乏的范圍進一步擴大，北部一些地區也出現缺乏。至30～40 cm土層深度，東南部、西部大多數地區全磷含量缺乏，甚至很缺乏。東部和東南部地區，全磷含量一直處于中等水平，變化不明顯。

圖5 土壤全磷垂直分布Fig.5 Vertical distribution of soil total phosphorus

2.2 甘南高寒草地氮磷與N/P、C/N、土壤有機質和土壤含水量的關系

土壤碳氮磷化學計量比(C∶N∶P)是土壤生態計量學中的重要指標，是指土壤中碳素與氮素、磷素總質量的比值，可用于研究生物與土壤之間的關系以及土壤中碳、氮、磷元素的循環[22]。土壤氮磷比(N/P)會影響植被空間分布從而產生植被分布的差異性。準確分析草地氮磷比的空間異質性，對合理利用草地、改善土壤環境和指導農牧業生產具有重要的意義[23]。土壤碳氮比(C/N)是表征土壤氮礦化能力的指標，C/N值較低表示有機質礦化作用較快，此時的土壤環境有利于微生物在有機質分解過程中的養分釋放，從而促進土壤中有效氮含量的增加。土壤中全氮的95%和全磷的40%～60%來源于土壤有機質。作為土壤主要的養分指標，有機質含量的多寡會直接或間接地影響土壤的物理性狀(如土壤容重、孔隙度)和化學性狀，除此之外，其變化狀況可以用來指示土壤的退化狀況。受多重因素的影響(如溫度、降水、植被)，有機質具有十分復雜的動態轉化過程[24]。

Huang[25]研究發現，中國土壤C/N平均值為10～12，Post等[26]研究表明，高寒地區表層土壤C/N均值為17.40。本研究中，0～10 cm土層深度的C/N均值為13.52，10～20 cm土層深度的C/N均值為12.37，20～30 cm土層深度的C/N均值為12.42，30～40 cm的均值為15.67，均大于12的平均水平，表明甘南高原土壤的C/N高于全國平均水平。表層土壤的C/N小于17.40，這可能與甘南地區特殊的地理位置、氣候條件及表層植被類型有關，有待于進一步的研究。

由Pearson相關分析(表3～6)可知，甘南草地土壤全磷在0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm土層深度與全氮呈極顯著正相關(P<0.01)，其相關系數分別為：0.591、0.356、0.273。隨深度的增加全氮與全磷的相關系數逐漸降低，至30～40 cm深度不具有顯著的相關性。土壤N/P值與土壤全氮呈極顯著正相關關系，與土壤全磷含量相關性不顯著，說明甘南草地土壤N/P值主要取決于土壤中的氮含量。土壤C/N值與土壤全氮呈顯著負相關關系(P<0.05)，且隨土層的增加相關系數在0～30 cm增加，在30～40 cm深度有所下降，總體呈先升后降的趨勢。說明以30 cm為轉折點，全氮對C/N值的作用減弱。

表層土壤有機質含量與全氮、全磷和N/P皆呈顯著正相關關系，且相關程度分別為：全氮>N/P>全磷；在10～20 cm深度，有機質與全氮仍是極顯著正相關關系但相關系數變小，與N/P呈顯著正相關，與磷沒有顯著關系；在20～30 cm深度，有機質與全磷呈顯著正相關，與全氮、N/P不具顯著相關關系。至30～40 cm深度，有機質和全氮、全磷、N/P皆不具顯著相關性。 在各土層深度， 有機質含量皆與土壤含水量呈極顯著正相關， 但是在20～30 cm深度相關性突然降低，相關系數為0.68，其原因主要是在放牧的影響下，土壤被牲畜踩實，通氣性減弱，降水后水分下滲緩慢，使0～20 cm深度土壤含水量豐富，至20～30 cm深度土壤含水量減少[27-28]。

表3 0～10 cm土壤氮、磷與N/P、C/N、有機質和土壤含水量的相關系數矩陣Table 3 Correlation coefficient matrix among TN, TP, N/P, C/N, organic matter and soil moisture content at 0-10 cm depth

注：**表示兩種因子的相關性達到極顯著水平(P<0.01)；*表示兩種因子的相關性達到顯著水平(P<0.05)。下同。

Note: ** indicate very significant correlation (P<0.01); * indicate significant correlation (P<0.05). The same below.

表4 10～20 cm土壤氮、磷與N/P、C/N、有機質和土壤含水量的相關系數矩陣Table 4 Correlation coefficient matrix among TN, TP, N/P, C/N, organic matter and soil moisture content at 10-20 cm depth

注：因實驗數據原因，10～20 cm土壤氮、磷在做相關性分析時只使用56個樣點。

Note: There only 56 samples were used for the correlation analysis at 10-20 cm soil depth owing to the experimental data.

表5 20～30 cm土壤氮、磷與N/P、C/N、有機質和土壤含水量的相關系數矩陣Table 5 Correlation coefficient matrix among TN, TP, N/P, C/N, organic matter and soil moisture content at 20-30 cm depth

注：因實驗數據原因，20～30 cm土壤氮、磷在做相關性分析時只使用55個樣點。

Note: There only 55 samples were used for the correlation analysis at 20-30 cm soil depth owing to the experimental data.

表6 30～40 cm土壤氮、磷與N/P、C/N、有機質和土壤含水量的相關系數矩陣Table 6 Correlation coefficient matrix among TN, TP, N/P, C/N, organic matter and soil moisture content at 30-40 cm depth

2.3 甘南高寒草地全氮、全磷與海拔的關系

基于甘南地區DEM數字高程模型并結合圖4、5，對不同海拔梯度下土壤的全氮、全磷進行分析，結果表明在0～40 cm土層中，土壤全氮、全磷的最小值、最大值和平均值等指標皆隨海拔升高而降低，說明甘南草地土壤全氮、全磷含量均隨海拔升高而降低(表7)。同一海拔，全氮、全磷含量隨土層深度的增加變異系數呈增加的趨勢。表層全氮含量由西南向東北、由西向東逐漸降低。表層全磷的分布格局與全氮相似，呈西南向東北、從西向東南降低的趨勢。全氮、全磷的空間分布與甘南海拔西南高、西北向東南降低的空間分布有一定的相似性，這說明土壤全氮、全磷空間格局的形成與地形地貌密切相關[29]。土層越深，全氮的變異性越高，這一趨勢可能受到海拔高度、水熱條件和人為條件(如放牧)等因素的共同影響而引起；全磷的變異性也隨海拔的升高而升高，主要是因為磷素主要來源于成土母質和動植物殘體歸還，其含量受土壤類型和氣候條件的影響。

表7 甘南高寒草地不同海拔梯度下的土壤全氮、全磷Table 7 Soil total nitrogen and total phosphorus on Gannan plateau under different altitude and soil layers

注：“/”左邊為全氮數據，右邊為全磷數據。為確保每個海拔范圍內樣點數量一致，故以3180、3430、3470 m為劃分節點。

Note: The left of “/” symbol is the total nitrogen data and the right side is the total phosphorus data. To ensure the suitable samples in every elevation range, there were three division points which were 3180, 3430, 3470 m, respectively.

3 結論

本研究基于野外實測數據并結合GIS技術，對甘南地區草地全氮、全磷含量的空間分布特征(包括樣地間與垂直分布)進行分析，結果表明全氮、全磷在0～40 cm的土層中均具有中等變異性。土壤全氮在0～20 cm土層變異程度降低，在20～40 cm土層變異程度增加。土壤全磷的變異程度隨土層深度的增加而增加。同一土層深度，土壤全氮的水平變異性都較全磷顯著。隨著土層深度的增加，全氮、全磷含量呈遞減趨勢，表層全氮、全磷含量顯著高于深層土壤。本研究結果與干友民等[30]對川西不同退化程度草地土壤養分含量的研究一致，隨土壤剖面深度加深，土壤氮、磷含量逐漸下降，全磷含量下降不明顯。為明確甘南高寒草地全氮、全磷空間分布特征，對采樣點數據進行反距離權重插值，插值結果表明甘南高寒草地表層全氮含量由西南向東北、由西向東逐漸降低。表層全磷的分布格局與全氮相似，呈西南向東北、從西向東南降低的趨勢。在此基礎上，將全氮、全磷與N/P、C/N、有機質、土壤含水量做相關性分析，結果顯示甘南高寒草地土壤全磷在0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm土層深度與全氮呈極顯著正相關，隨深度的增加全氮與全磷的相關系數逐漸降低，至30～40 cm深度不具有顯著的相關性。土壤N/P與全氮呈極顯著正相關關系，與全磷含量相關性不顯著。甘南地區表層土壤的C/N值為15.67，低于高寒地區C/N均值17.40的水平，但高于中國土壤C/N均值10～12的水平。表層土壤有機質含量與全氮、全磷和N/P皆呈顯著正相關(P<0.05)，且相關程度分別為：全氮>N/P>全磷。在各土層深度，有機質含量皆與土壤含水量呈極顯著正相關(P<0.01)。從全氮、全磷水平分布圖及甘南DEM數字高程圖上可以發現兩者之間有一定的關系，在分析后可以發現，甘南高寒草地土壤全氮、全磷含量均隨海拔升高而降低。同一海拔高度，全氮、全磷含量隨土層深度的增加變異系數呈增加的趨勢。