青藏高原種植紫穗槐對土壤養(yǎng)分的響應

趙萍，代萬安，杜明新，楊杰，周志宇*，李曉忠，李金輝，周媛媛，金茜

（1.蘭州大學草地農(nóng)業(yè)科技學院 草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點實驗室，甘肅 蘭州730020；2.西藏自治區(qū)農(nóng)牧科學院，西藏 拉薩850000）

青藏高原被稱為世界的＂第三極＂，是中國最大的高原，也是世界上平均海拔最高的高原。高寒草地生態(tài)系統(tǒng)是青藏高原主要的生態(tài)系統(tǒng)，因其獨特的自然地理環(huán)境而形成的高寒土壤更有其獨特的性質。因地理狀況所形成的空氣稀薄、大氣潔凈、氣溫低和輻射強的氣候特點決定了其生境較惡劣，整個生態(tài)系統(tǒng)極易受到破壞且難以恢復。加之近年來全球氣候變暖，西藏草地生態(tài)環(huán)境漸現(xiàn)惡化，草地退化沙化日趨嚴重。西藏草地退化嚴重，不僅表現(xiàn)為產(chǎn)草量與質量的下降，而且更為危險的是草地退化導致草地蓋度降低，形成土壤風蝕沙化，造成水土流失［1］。據(jù)最近遙感調查，西藏草地退化、沙化面積已占草地總面積的40%，即草地退化面積已有0.332億hm2。目前，其面積仍以每年3%～5%的速度在擴大。因此，改良青藏高原土壤現(xiàn)狀，改變其退化、沙化的趨勢已成為政府和學者關心和致力的主要問題。

紫穗槐（Amorpha fruticosa）又名穗花槐、椒條，豆科紫穗槐屬。原產(chǎn)美國，現(xiàn)廣泛栽植于我國華北、東北、西南及長江、黃河流域等地，紫穗槐較強的生命力使其耐旱、耐寒、耐澇等抗逆性極強，根系發(fā)達具有根瘤菌，能改善土壤結構和土壤理化性，增加有機質含量［2-3］。具有較強的保持水土、改良土壤的作用。根據(jù)紫穗槐耐寒、適宜沙地生長等特點，首次將紫穗槐引入青藏高原種植后，在高寒區(qū)不僅能安全越冬，而且能開花結籽［4］。本研究是通過對西藏拉薩人工種植的兩齡紫穗槐灌叢土壤各種形態(tài)氮素、全磷、有機碳含量和土壤p H差異進行研究，揭示紫穗槐灌叢土壤營養(yǎng)元素含量特征及其營養(yǎng)元素隨土層深度的變化趨勢，以期為紫穗槐在青藏高原的有效種植提供實驗基礎及理論依據(jù)，為下一步培育紫穗槐新品種打下良好的基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

拉薩市位于西藏自治區(qū)東南部，雅魯藏布江支流拉薩河北岸（29°36′N，91°06′E），海拔3658 m。氣候屬高原溫帶半干旱季風氣候區(qū)，年日照時數(shù)3000 h以上，最高氣溫28℃，最低氣溫－14℃，年平均氣溫7.4℃，年降水量為500 mm左右，集中在6－9月，多夜雨，稱為雨季，年蒸發(fā)量2200 mm，年平均風速2.5 m／s，最大風速32.3 m／s，全年大風日數(shù)39.8 d（8級以上），年無霜期100～120 d。土壤類型主要為潮土。

1.2 樣品采集與分析

1.2.1 樣品采集 2011年9月在西藏拉薩選取2010年4月已種植的紫穗槐各3塊樣地，在人工建植過程中均未施肥，在每塊樣地內隨機選取5株中等大小樣株。灌叢內土壤：在每株紫穗槐的灌叢下從4個方位距離中心20～30 cm處，分別取0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、40～50 cm土壤。4點的土壤按土層分別混合為1個樣品，記為IC10、IC20、IC30、IC40、IC50。灌叢外土壤：在距離灌叢邊緣20 cm左右4個方位取不同深度土壤。相同深度的土壤混合為1個樣品，記為OC10、OC20、OC30、OC40、OC50。

1.2.2 樣品處理 采集的土樣帶回實驗室后及時進行自然風干，以免發(fā)霉而引起性質的改變。將土壤樣品平鋪在干凈的紙上，把土壤壓碎，挑出殘根等雜物，弄成碎塊，攤成薄層放于室內陰涼通風處，慢慢風干，可以經(jīng)常翻動，加速其干燥。將風干后的土樣碾碎，過2 mm的標準篩。將過篩后的細土反復按照四分法棄取。留下250 g左右的土樣，裝袋備用。根據(jù)不同分析實驗的要求，取出部分過標準篩的土壤樣品，繼續(xù)碾碎，磨細，過0.5 mm的標準篩。

1.2.3 樣品分析 分別采用強酸加熱消化以及2 mol／L KCl浸提后，用FIAstar5000（FOSS）全自動流動注射儀測定土壤全氮、全磷、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量；采用重鉻酸鉀氧化外加熱法測定土壤有機碳含量［5］；采用電位法（土水比1∶2.5懸液）測定土壤p H值。

1.3 數(shù)據(jù)處理

富集率（enrichment ratio，ER）表示土壤對養(yǎng)分的富集程度。

式中，IC為灌叢內養(yǎng)分含量，OC為灌叢外養(yǎng)分含量。

所有分析數(shù)據(jù)以干重為計算基礎；用Microsoft Excel 2003處理原始數(shù)據(jù)并作圖，用SPSS 19.0進行單因素方差分析（ANOVA）、配對樣品t檢驗等差異顯著性及相關性分析。

2 結果與分析

2.1 紫穗槐灌叢內與灌叢外土壤營養(yǎng)元素含量特征

從表1可以看出，拉薩種植的紫穗槐灌叢內與灌叢外土壤相比較，有機碳、全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、全磷均表現(xiàn)出顯著差異（P＜0.05）；相對于灌叢外土壤，灌叢內土壤有機碳平均高出44.21%，土壤全氮平均高出23.44%，土壤銨態(tài)氮平均高出13.95%，硝態(tài)氮平均高出37.6%，土壤全磷平均高出19.57%，土壤p H值平均低1.69%，但不顯著（P＞0.05）。

2.2 紫穗槐灌叢內、外不同土層深度土壤營養(yǎng)元素含量特征

2.2.1 灌叢內、外不同深度土壤全氮含量特征 土壤全氮是衡量土壤氮素供應狀態(tài)的重要指標。由圖1可以看出，紫穗槐灌叢內各土層土壤全氮含量顯著高于灌叢外；灌叢內土壤全氮含量隨土層深度變化為0～10 cm＜40～50 cm＜30～40 cm＜20～30 cm＜10～20 cm，10～20 cm全氮含量顯著高于其他各層；灌叢外全氮含量分布與灌叢內相同，10～20 cm土層含量最高，0～10 cm土層含量最低，其余各層隨土層深度增加而遞減。

2.2.2 灌叢內、外不同深度土壤無機氮含量特征 由圖2可看出，紫穗槐各土層灌叢內土壤銨態(tài)氮含量均顯著高于灌叢外；灌叢內土壤銨態(tài)氮含量為10～20 cm土層最高，0～10 cm次之，其余隨土層深度增加而遞減；灌叢外與灌叢內趨勢相同。

圖3表明，紫穗槐灌叢內各土層土壤硝態(tài)氮含量均高于灌叢外土壤；灌叢內土壤硝態(tài)氮含量隨土層深度的變化趨勢為10～20 cm＞20～30 cm＞0～10 cm＞30～40 cm＞40～50 cm；灌叢外硝態(tài)氮含量為10～20 cm最高，0～10 cm次之，其余各層隨土層增加依次遞減。總體來看，銨態(tài)氮和硝態(tài)氮隨土層的變化趨勢為表層土壤高于深層土壤。

2.2.3 灌叢內、外不同土層深度土壤全磷含量特征 由圖4可以看出，紫穗槐灌叢內各土層土壤全磷含量均高于灌叢外；灌叢內土壤全磷含量為40～50 cm＜0～10 cm＜20～30 cm＜30～40 cm＜10～20 cm，10～20 cm顯著高于其他各層；灌叢外10～20 cm顯著高于其他各層，0～10 cm最低。

表1 灌叢內與灌叢外土壤養(yǎng)分含量平均值及其富集率Table 1 Contents and enrichment ratio of nutrients in rhizosphere and bulk soil

圖1 灌叢內、外不同土層深度土壤全氮含量Fig.1 Total N content of soil profiles between IC and OC

圖3 灌叢內、外不同土層深度土壤硝態(tài)氮含量Fig.3 NO3--N content of soil profiles between IC and OC

圖2 灌叢內、外不同土層深度土壤銨態(tài)氮含量Fig.2 NH4＋-N content of soil profiles between IC and OC

圖4 灌叢內、外不同土層深度土壤全磷含量Fig.4 Total P content of soil profiles between IC and OC

2.2.4 灌叢內、外不同土層深度土壤有機碳含量特征 由圖5可以看出，灌叢內土壤有機碳含量各層均顯著高于灌叢外；灌叢內和灌叢外土壤有機碳含量分布均是隨土層深度增加依次遞減，0～10 cm最高，40～50 cm最低。

2.2.5 灌叢內、外不同土層深度土壤p H值差異 由圖6可以看出，紫穗槐不同土層深度灌叢內各層p H均小于灌叢外且均為酸性，灌叢內土壤酸化程度均高于灌叢外；灌叢內和灌叢外土壤p H都隨土壤深度遞減。

圖5 灌叢內、外不同土層深度土壤有機碳含量Fig.5 Soil organic carbon（SOC）content of soil profiles between IC and OC

圖6 灌叢內、外不同土層深度土壤p H值Fig.6 p H of soil profiles between IC and OC

2.3 土壤養(yǎng)分之間的相互關系

對土壤養(yǎng)分之間進行相關性分析，從表2可以看出，各個營養(yǎng)元素之間存在不同程度相關關系，結果表明，土壤有機碳與銨態(tài)氮呈極顯著正相關關系（P＜0.01），與全磷呈顯著正相關關系（P＜0.05）；土壤全氮與全磷呈極顯著正相關關系（P＜0.01）；土壤銨態(tài)氮與全磷呈極顯著正相關關系（P＜0.01）；土壤p H與有機碳、銨態(tài)氮呈極顯著正相關關系（P＜0.01）。

表2 土壤養(yǎng)分間的相關系數(shù)Table 2 Correlation coefficients among nutrients

3 討論

在草地生態(tài)系統(tǒng)中，碳、氮、磷是最重要的3種化學元素，其分布和儲量直接關系到草地生態(tài)系統(tǒng)功能的正常發(fā)揮。

土壤有機碳是土壤的重要組成部分，影響、制約土壤性質，同時還是土壤微生物生命活動所需能量的來源［6］，其含量是評價土壤肥力和土壤質量的一項重要指標。它包括植物、動物及微生物的遺體、排泄物、分泌物及其部分分解產(chǎn)物和土壤腐殖質［7］。灌叢內土壤有機碳含量顯著高于灌叢外，其富集率高達44.2%（P＜0.05）。這種明顯的富集效應說明根系分泌物或溢泌產(chǎn)物、根組織的脫落物等根產(chǎn)物是土壤有機碳的重要來源之一［8］。土壤有機碳的垂直分布格局受凋落物量、淋溶作用、植物根系分布及活動特征和微生物活動等多種因素的影響［9］。這也就解釋了在垂直方向上有機碳含量隨土層增加呈遞減趨勢的原因。

土壤全氮不僅是主要的肥力指標，也是土壤氮素肥力的基礎，它受植被狀況、環(huán)境條件和草地利用等的影響［10］。紫穗槐各層土壤全氮含量均顯著表現(xiàn)為灌叢內高于灌叢外，富集率為23.4%（P＜0.05），這是由于紫穗槐有非常發(fā)達的根系，大量的根系分泌物以及根部組織的脫落物沉積于根部，增加了灌叢內土壤氮的含量，該結果與詹媛媛等［11］關于灌叢土壤對養(yǎng)分的富集效應的結果一致；在垂直方向上，土壤全氮含量表現(xiàn)為0～10 cm含量最低，其余隨土層的增加呈遞減趨勢。有研究證實，植物根系的生長會與微生物競爭根際區(qū)的營養(yǎng)，同時會從根際區(qū)分泌出特殊的能源，刺激了微生物活性，促進了氮的礦化［12-15］。0～10 cm土壤全氮礦化作用十分活躍，分解作用大于積累作用，有機態(tài)氮極易轉化為無機態(tài)氮，這與Scheu和Parkinson［16］研究的土壤表層氮素礦化量比底層高一致。紫穗槐在10～20 cm根系發(fā)達易生根瘤，從而固氮作用導致深層土壤含氮量高，而表層土壤含氮量低。

土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮主要來源于土壤有機氮的氨化和硝化等由土壤微生物進行的礦化作用，是植物能直接吸收利用的生物有效態(tài)氮［17］，與全氮相關性較高。韓方虎等［18］認為，起始銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量不能完全反映土壤的氮礦化能力，而作物生長期間產(chǎn)生的可礦化氮作為土壤供氮能力指標效果更好。本研究通過分析得出，銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量均為灌叢內顯著高于灌叢外，銨態(tài)氮富集率為13.9%，硝態(tài)氮為37.6%（P＜0.05），表現(xiàn)出紫穗槐對養(yǎng)分的富集作用；在垂直方向上，表層土含量高于底層，與有機碳一致，但是因為上述原因，與全氮一樣，0～10 cm含量也低于10～20 cm。從2種無機態(tài)氮含量來看，硝態(tài)氮含量遠高于銨態(tài)氮，說明這一地區(qū)的無機態(tài)氮主要以硝態(tài)氮為主。

磷作為土壤肥力和牧草生產(chǎn)不可缺少的營養(yǎng)元素，對改善草原生態(tài)環(huán)境，保持土壤肥力起到重要作用［19］。通過分析可以得出，灌叢內土壤全磷高于灌叢外，富集率在19.57%（P＜0.05）左右，表現(xiàn)出了紫穗槐對土壤全磷明顯的富集作用。在垂直方向上，基本表現(xiàn)為表層高于底層，只有0～10 cm含量低于10～20 cm，可能是因為被植物吸收利用的結果［20］。造成這種結果是由于植物的生命活動，如植物凋落物積累、根系分泌物、根際微生物活動、根際磷酸酶、菌根都會使磷在根際富集［21］。

一般認為，根際p H值的變化是由于根系呼吸作用釋放CO2形成H2CO3以及在離子的主動吸收和根尖細胞伸長過程中分泌質子和有機酸所致［22-23］。本研究結果顯示種植紫穗槐后灌叢內土壤的p H值相比灌叢外均有所下降，隨著土壤深度的增加，p H值表現(xiàn)出增加的趨勢。這是因為在表層土壤中根系活動旺盛，根系活動對土壤中的陰陽離子濃度的改變起到了很大的作用，根系的生長死亡和地上部落葉枯枝凋落等過程積累的有機物較多，改善了土壤的微環(huán)境，微生物的活動也對p H值降低起到了很大的作用。

在高寒草地，土壤有機碳主要來源于植物殘根，而有機碳含量的高低決定著土壤全氮含量的高低。因此，灌叢內與灌叢外土壤的全氮與有機碳之間呈顯著相關性（P＜0.05），有機氮在土壤微生物的作用下先轉變成銨態(tài)氮，然后進一步轉化為硝態(tài)氮［24］，因此，灌叢內與灌叢外土壤有機碳與銨態(tài)氮表現(xiàn)出顯著相關性（P＜0.05），而硝態(tài)氮與有機碳之間則無相關性。

本研究主要對在青藏高原種植的兩齡紫穗槐灌叢內與灌叢外以及隨土層深度變化的土壤有機碳、全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和全磷進行了初步探討，進一步了解紫穗槐對青藏高原土壤養(yǎng)分含量變化和組成特征所起的作用。紫穗槐的引入和成功種植表現(xiàn)了其對高寒環(huán)境的適應性，及其對高寒草地土壤的改良效應，以期對今后紫穗槐在青藏高原的推廣起到積極作用。

4 結論

灌叢內與灌叢外土壤特性存在顯著差異。相對于灌叢外土壤，灌叢內土壤有機碳平均高出44.21%，土壤全氮平均高出23.44%，土壤全磷平均高出19.57%，土壤銨態(tài)氮平均高出13.95%，硝態(tài)氮平均高出37.6%，土壤p H值平均低1.69%。

灌叢內外土壤有機碳含量隨土層深度增加而遞減。

灌叢內外土壤全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、全磷均為10～20 cm土層含量最高，其余隨深度增加而遞減，全氮0～10 cm土層含量最低。

灌叢內外土壤p H均為酸性，灌叢內低于灌叢外，隨土層深度增加而遞減。

土壤有機碳與銨態(tài)氮呈極顯著正相關關系，與全磷呈顯著正相關關系；全氮與全磷呈極顯著正相關關系；銨態(tài)氮與全磷呈極顯著正相關關系；p H與有機碳、銨態(tài)氮呈極顯著正相關關系。