張冉，楊蔚，唐敏，任健，許文花，王明浩，畢玉芬，馬向麗*

（1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，云南 昆明650201；2.紅云紅河集團昆明卷煙廠，云南 昆明650202；3.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 園林園藝學(xué)院，云南 昆明650201）

高寒壩區(qū)海拔在2 400 m 以上，四季分明，降水充沛，具有與高寒山區(qū)相似的氣溫、水溫條件，但地勢較高寒山區(qū)平坦，坡度較平緩［1］；亞高山草甸屬高寒草甸類型之一，多形成于高寒壩區(qū)內(nèi)，為草甸與灌叢構(gòu)成的植物種類繁多的高原地帶性植被［2］。由于高寒壩區(qū)高大喬木較少，生態(tài)環(huán)境較為脆弱，植物群落特征及多樣性易受影響，植被退化加?。?］。目前，國內(nèi)外很多研究者著眼于人為因素對土壤養(yǎng)分的影響，通常認為不合理的土地利用方式會破壞土壤營養(yǎng)元素的動態(tài)平衡［4］。農(nóng)田里作物、肥料殘余物可形成有機質(zhì)改善土壤結(jié)構(gòu)、化學(xué)和生物特性，但有研究表明其分解速率、難降解水平會影響土壤碳氮儲量［5］。灌木對于土壤全氮的聚集效果較弱，但能夠高效的聚集全磷和有機質(zhì)，表明灌叢具有固定土壤養(yǎng)分的能力，可應(yīng)用到植被恢復(fù)建設(shè)中［6］。長期封育被認為是實現(xiàn)過度放牧破壞的土壤營養(yǎng)元素儲量增加的有效途徑，同時也是最經(jīng)濟的提升草地碳氮固持速率的方式［7］。

探尋土壤養(yǎng)分特征的變化規(guī)律，有助于正確認識高寒壩區(qū)植被演替過程及制定生態(tài)恢復(fù)措施，對生物多樣性保護和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能提升具 有重要意義［8］。土壤 有機碳（Soil organic car?bon，SOC）作為碳循環(huán)的關(guān)鍵因素直接影響著土壤的理化性質(zhì)［9］；土壤全氮（Total nitrogen，TN）與有機碳密切相關(guān)，能夠有效的反映土壤質(zhì)量［10］；土壤堿解氮（Alkali hydrolysable nitrogen，AHN）能反映土壤的供氮能力，所以又稱為土壤有效氮，是無機態(tài)氮（銨態(tài)氮、硝態(tài)氮）和部分有機質(zhì)中易分解的、比較簡單的有機態(tài)氮（氨基酸、酰胺和易水解的蛋白質(zhì)）的總和［11］，掌握不同干擾對土壤堿解氮分布的影響能使養(yǎng)分管理有效化；同時，土壤養(yǎng)分是影響生物多樣性的主要因子［12］。孫華方等［13］研究表明人為干擾對土壤全效養(yǎng)分有積累作用；生長在弱酸性土壤上的人工植被，其土壤全氮含量低，同時全鉀、全磷含量也很低，表明土壤營養(yǎng)元素間有較強的互作關(guān)系［14］；許中旗等［15］認為開墾和放牧導(dǎo)致土壤碳密度和總碳貯量明顯下降，禁牧則反之；土壤質(zhì)地與土壤保肥保水特性密切相關(guān)，黃仕輝等［12］通過研究揚中市稻田土壤堿解氮空間異質(zhì)性表明，堿解氮含量由高到低依次為中壤質(zhì)>重壤質(zhì)>輕壤質(zhì)。

云南省迪慶州地區(qū)由于地理環(huán)境復(fù)雜、土地石漠化程度較高以及牧民文化層次較低等，導(dǎo)致土壤營養(yǎng)元素的合理循環(huán)受到了限制。目前迪慶州高寒壩區(qū)土壤養(yǎng)分間互作關(guān)系的研究較少，因此，本研究以農(nóng)田、灌叢、放牧草地和封育草地，4種土地類型為研究對象，研究不同土層土壤碳、氮的垂直分布特征及相互關(guān)系，以期為中甸高寒壩區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)和土地利用方式提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 自然概況

小中甸鎮(zhèn)位于云南省迪慶州香格里拉市以南，地理位置介于北緯27°20′～27°43′，東經(jīng)99°36′～99°59′之間，距縣城36 km。該地區(qū)海拔3 20 0 ～340 0 m，屬于喀斯特極高山峽谷區(qū)，常年風(fēng)大多雨，氣候寒冷，屬高原季風(fēng)氣候，年均溫5.8°C，最高氣溫26.5 °C，最低氣溫?19.4 °C，無霜期10 d，年均降水量849.8 mm［16］。小中甸鎮(zhèn)地處高寒壩區(qū)，地勢北高南低，總體較平坦，土壤覆蓋類型以亞高山草甸土為主，壤質(zhì)以粗砬居多。

1.2 取樣時間及方法

取樣時間為2018 年11 月底。采樣點為云南省迪慶州香格里拉市小中甸鎮(zhèn)國家級草原固定監(jiān)測 點（27° 29′00"～27° 28′57"N，90° 52′01"～90°52′16"E，海拔3 240 m）及其周邊地區(qū)，采樣地地形一致，按不同土地類型和利用方式分為4 個處理：（1）農(nóng)田（cropland）：以種植青稞（Hordeum vul?gare L.）為主，于未翻耕處取樣；（2）灌叢地（shrub land）地：主要植被為高山櫟（Quercus semicarpifo?lia spp.），于灌叢內(nèi)部土壤取樣；（3）放牧（grazing，G）草地：為藏民傳統(tǒng)放牧方式，即藏香豬、牦牛等家畜四季于放牧區(qū)內(nèi)自由采食；（4）封育（enclo?sure，E）草地：于2012 年 開 始 封 育，封 育 禁 牧 年限6 年。各處理區(qū)域內(nèi)隨機選取3 個0. 25 m2（0. 5 m×0. 5 m）的樣方，用直徑5 cm 的土鉆取樣，取樣深度為40 cm，每10 cm 一層，共分4 層（0～10cm，10～20cm，20～30cm，30～40 cm）進行取樣，裝袋并編號。

1.3 土樣處理

將土樣于室內(nèi)風(fēng)干，去除細根和雜質(zhì)，研磨后過1.00 mm 和0.25 mm 土壤篩，混勻后取樣進行后續(xù)指標(biāo)測定，各處理各土層做3 個重復(fù)。

1.4 指標(biāo)測定

土壤有機碳含量采用濃硫酸－重鉻酸鉀外加熱法測定；堿解氮含量采用堿解擴散法測定；全氮含量采用凱氏定氮法測定［17］。

1.5 數(shù)據(jù)分析

利用SPSS 20.00 軟件對試驗數(shù)據(jù)進行ANOVA 分 析，采 用Duncan 進 行0.05 水 平 多 重 比較，Excel 2010 進行數(shù)據(jù)處理和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有機碳垂直分布特征

由圖1 可見，除灌叢地20～30 cm 與30～40 cm土層間SOC 含量無顯著性差異外（P>0.05），隨著土層深度的增加，同一處理不同土層SOC 含量呈顯著遞減趨勢（P<0.05）。而不同處理間，農(nóng)田的0～10 cm 土層SOC 含量顯著高于封育草地、灌叢及放牧草地（P<0.05）；10～20 cm 土層SOC 含量依次為農(nóng)田、封育草地、灌叢地、放牧草地，兩兩差異顯著（P<0.05）；放牧草地及灌叢地20～30 cm 土層SOC 含量顯著低于農(nóng)田及封育草地（P<0.05），但兩者間差異不顯著（P>0.05）；30～40cm土層4 個處理間SOC 含量均差異顯著（P<0.05）。

圖1 高寒壩區(qū)不同利用方式各層土壤有機碳含量Fig.1 SOC content of different layers under different utilization modes in alpine dam area

綜合來看，同一處理不同土層SOC 含量呈遞減趨勢，農(nóng)田的0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm 土層SOC 含量顯著高于其他三者（P<0.05），灌叢地30～40 cm 土層SOC 含量則最高（P<0.05）。

2.2 土壤堿解氮垂直分布特征

由圖2 可見，農(nóng)田土壤AHN 含量以10～20 cm土層最高，不同土層間差異顯著（P<0.05）；灌叢地 以10～20 cm 土 層AHN 含 量 最 高，但0～10、10～20 cm 與20～30、30～40 cm 土層差異不顯著（P>0.05）；放牧草地AHN 含量隨土層深度增加而遞減；封育草地0～10、10～20 cm 土層AHN 含量差異不顯著（P>0.05），但20～30 cm AHN 含量為30～40 cm 土層的2 倍。對不同處理同一土層AHN 含量分析表明，0～10 cm 土層放牧地AHN含量最高，各處理差異顯著（P<0.05）；10～20 cm土層AHN 含量灌叢地顯著低于封育草地、農(nóng)田、放牧草地（P<0.05）；20～30cm 土層AHN 含量封育草地最高、灌叢地最低（P<0.05），農(nóng)田與放牧草 地 間 差 異 不 顯 著（P>0.05）；30～40 cm 土 層AHN 含量放牧草地與封育草地差異不顯著（P>0.05），但兩者顯著高于農(nóng)田及灌叢地（P<0.05）。

總之，農(nóng)田及灌叢地10～20 cm 土層AHN 含量最高，總體隨土層深度上升呈先上升后下降的趨勢；放牧草地0～10 cm 土層含量最高；封育草地0～10、10～20 cm 土層AHN 含量相同。不同處理同一土層間，0～10 cm 土層含量差異顯著（P<0.05）；10～20 cm 土 層 灌 叢 地 最 低（P<0.05）；20～30 cm 土層除農(nóng)田和放牧草地外，差異顯著（P<0.05）；30～40 cm 土層放牧草地與封育草地顯著高于農(nóng)田及灌叢地（P<0.05）。

2.3 土壤全氮垂直分布特征

由土壤全氮垂直分布特征圖可以看出，四個處理的TN 含量隨土層深度的增加呈下降趨勢，均以0～10 cm 土層TN 含量最高（P<0.05）。不同處理間，同一土層的TN 含量也兩兩差異顯著（P<0.05），其中，0～10 cm 及10～20 cm 土層為農(nóng)田最高分別為5.38、2.83 g?kg-1（P<0.05）；20～30 cm 土層最高為放牧草地（P<0.05），但僅略高于農(nóng)田10～20 cm 土層TN 含量；30～40 cm 土層則為灌叢地最高（P<0.05）。

2.4 土壤有機碳、全氮相關(guān)性分析

由圖4 可見，在各處理土壤的TN 和SOC 含量直線關(guān)系中，兩者均為正相關(guān)關(guān)系。其中，農(nóng)田的相關(guān)系數(shù)為0.797，由圖1 及圖3 可知，農(nóng)田的淺層土壤SOC 及TN 含量下降較緩，而第四層SOC 含量較第三層降低36.11 g?kg-1，第四層TN 含量降幅達83.16 %，導(dǎo)致兩者不顯著相關(guān)。灌叢地、放牧草地及封育草地的TN 和SOC 含量極顯著相關(guān)，其中封育草地的相關(guān)系數(shù)為0.993，認為其土壤TN 及SOC 含量的直線型耦合關(guān)系最為密切。

農(nóng)田、灌叢地、放牧草地和封育草地土壤AHN 含量不隨土壤深度增加呈顯著性下降趨勢，各處理AHN 與SOC、TN 間線性耦合關(guān)系較弱。

圖2 高寒壩區(qū)不同利用方式各層土壤堿解氮含量Fig.2 AHN content of soil in different layers under different utilization modes in alpine dam area

圖3 高寒壩區(qū)不同利用方式各層土壤全氮含量Fig.3 TN content of soil in different layers under different utilization modes in alpine dam area

3 討論

植物通過其凋落物與土壤表面緊密接觸后腐爛分解，以此控制著非生物和生物碳、氮的生產(chǎn)、儲存機制，這對于生態(tài)系統(tǒng)中碳、氮循環(huán)具有廣泛的意義［18］。

3.1 不同利用方式各土層SOC、AHN、TN 含量比較

3.1.1 農(nóng)田碳氮儲量受耕作影響較大

本研究結(jié)果顯示，同一處理不同土層SOC 及TN 含量逐層顯著遞減（P<0.05），這與李金芬等人［19］的研究結(jié)果相同。農(nóng)田30～40 cm 土層SOC及TN 含量較低而0～30 cm 則較灌叢地、放牧草地、封育草地高（P<0.05）；10～20 cm 土層土壤的AHN 含量顯著高于0～10 cm 土層（P<0.05），且0～10 cm 土層AHN 含量為4種土壤類型最低（P<0.05）。分析認為是由旱地翻耕、施肥深度通常為20～25 cm，青稞根群較大且密集分布在地表下0～30 cm 的土層［20］，同時，地上部于秋末收割后雨水將上層土壤中無法受根系固定的無機氮淋入下層且日照使有機氮部分分解導(dǎo)致。

3.1.2 灌叢地凋落物相對較少，不利于有效碳氮在表層土壤中累積

灌木凋落物相對草地的碳、氮輸入較少且分解速度較快［18］，不利于有效碳氮在表層土壤中累積，以至于10～20 cm 土層的SOC、TN 含量僅為0～10 cm 土層的45.27%、36.25%，但由于高山櫟根系集中在土壤表層0～40 cm，灌叢地30～40 cm 土層TN 含量為4 種土壤類型中最高（P<0.05）。土壤中AHN 含量的大小受地形因子影響［21］，灌叢地的坡度相對較大，植被覆蓋度也相對較低，因此，0～10 cm、20～30 cm、30～40 cm 土層的AHN 含量均較另3 種土壤類型低，同時，受土壤濕度、微生物活動等因素的影響，10～20 cm 土層AHN 含量最高（P<0.05）。

圖4 高寒壩區(qū)不同利用方式各層土壤有機碳、全氮含量關(guān)系Fig.4 Relationship between SOC and TN content in different layers under different utilization modes in alpine dam area

3.1.3 放牧地地上生物量下降，造成土壤碳輸入下降

由于牲畜長期不受控的采食、踐踏，放牧地的地上生物量下降，地表蒸發(fā)增強，植被根系受損無法正常輸送營養(yǎng)物質(zhì)［22］，造成土壤碳輸入下降，20～40 cm 土層SOC 含量相對較低，但牲畜糞便排泄，致使放牧地0～10 cm 土層SOC 含量與農(nóng)田無顯著性差異（P>0.05）；然而，本研究結(jié)果顯示放牧地20～30 cm 土層TN 含量最高，0～10 cm、10～20 cm、30～40 cm 土層TN 含量位于各土壤類型第二，表明土地利用方式對TN 含量并無太大影響［23］。放牧地常年地上部被采食，植物根系生長相對較弱，但由于牲畜糞便的堆積，呈現(xiàn)土層深度增加AHN 含量下降的趨勢。

3.1.4 封育草地有效碳素、氮素供應(yīng)情況較好

天然草地植被的根系80 %分布在地下40 cm左右的土層中，同時有研究表明，封育后天然草地不受刈割、采食、踐踏等影響，使得土壤碳儲量上升［24］，本研究中SOC 含量也較放牧地大幅提升；同時，封育地植物根系相對發(fā)達，土壤養(yǎng)分的保留相對較好，各土層AHN 含量均較高，尤其10～40 cm土層氮素供應(yīng)情況較好。但本實驗地封育年限6年，TN 含量卻并未上升，與前人研究結(jié)果相悖［25］，分析認為與西南委陵菜（Potentilla lineata）、大狼毒（Euphorbia jolkinii）等毒雜草大面積存在相關(guān)。

3.2 灌叢、放牧、封育草地土壤有機碳與全氮含量密切相關(guān)

李金芬、任玉連等［19，26］認為天然的林地、草地土壤有機碳及全氮儲量呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），這與本研究中封育草地、灌木地、放牧草地的SOC、TN 直線型耦合關(guān)系相符。SOC 與TN 的相關(guān)性受地形、地勢、降水、溫度等地理因素影響的同時受人為因素影響較大，自然條件下，凋落物厚度與土壤含水量是影響碳、氮儲量的主導(dǎo)因子［26］。封育草地幾乎無人為因素干擾，其碳氮儲量間相關(guān)性最高；較高的凋落物厚度保證了灌木地的土壤濕度，使其具有較為合理的碳氮間互作關(guān)系；放牧草地的相關(guān)系數(shù)稍低于灌木地，主要是牲畜的踐踏及糞便中成分與碳氮的協(xié)同促進作用使得局部土壤營養(yǎng)較為均衡［27］。而農(nóng)田的相關(guān)系數(shù)僅為0.797，分析認為耕作會改變土層原有的位置，且青稞地主要以施用氮磷鉀復(fù)合肥為主，破壞了土地原有的平衡的碳、氮循環(huán)［28］。

4 結(jié)論

長期耕作會破壞農(nóng)田土壤營養(yǎng)元素的循環(huán)，致使農(nóng)田土壤SOC、TN 耦合性降低。

高山櫟根系深度可達40 cm，可有效固持深層土壤營養(yǎng)元素，可于農(nóng)田周邊等裸露地面適當(dāng)種植灌木以改善草地微氣候，促進微生物活動以及深層土壤碳、氮儲量增加。

放牧草地SOC、TN 含量均較低，而封育可提高草地土壤碳儲量，使土壤營養(yǎng)元素間相關(guān)性上升，建議通過輪牧、休牧、封育等措施緩解低地牧場的過載壓力，保證土壤養(yǎng)分的收支平衡。