甘肃野生草地早熟禾(Poa pratensis)分布区土壤养分状况
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Soil nutrient status of Poa pratensis distribution areas in Gansu, China
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收稿日期: 2020-09-16 修回日期: 2020-10-27 网络出版日期: 2020-12-09
基金资助: |
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Received: 2020-09-16 Revised: 2020-10-27 Online: 2020-12-09
作者简介 About authors
白小明(1969—),男,甘肃灵台人,教授,主要从事草地生态学研究E-mail:
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白小明, 张咏梅, 陈辉, 张君兰.
Bai Xiaoming, Zhang Yongmei, Chen Hui, Zhang Junlan.
0 引言
土壤提供的养分对植物生长与形态的形成起着关键的作用。野生草坪草分布区土壤养分与土壤理化特性是草坪草资源研究的重要内容,对掌握其分布特性、开发和利用野生草坪草资源具有重要意义。郑玉忠等[7]研究了中国南方7个省野生竹节草(Chrysopogon aciculatus)分布区的土壤养分性质。岳茂峰等[8]研究了华南地区豆科山蚂蟥属多年生草本植物三点金(Desmodium triflorum)分布区的土壤性质。刘顺等[9]研究了江西毛竹林土壤理化性质与养分吸附特性。在长期无人为扰动情况下,草本植物的生长对土壤垂直方向的性质形成明显影响。王长庭等[10]研究三江源地区人工建植植被的土壤性质发现,随着深度的增加,土壤微生物生物量、脲酶和碱性磷酸酶活性均下降。赛牙热木·哈力甫等[11]对察布查尔草原土壤酶活性垂直分布及土壤理化性质相关性研究表明,土壤表层酶活性均大于中、底层,且酶活性随海拔的增加而上升。但总体而言,对野生冷季型植物分布区土壤性质的垂直分布研究较少。
本研究通过在甘肃野生草地早熟禾主要分布区采集土壤样品,分析土壤性质,以期为野生草地早熟禾资源的开发利用提供参考。
1 材料与方法
1.1 样品采集与处理
试验选择甘肃省草地早熟禾的主要分布区张掖肃南、甘南夏河、定西渭源、兰州兴隆山、定西安定区、天水清水、定西陇西、临夏康乐1号采样点、临夏康乐2号采样点、定西临洮10个采样点(表1)采集土样。
表1 甘肃野生草地早熟禾主要分布区地理环境
Table 1
编号 | 采样地 | 代码 | 经度 | 纬度 | 海拔/m | 降水量/mm |
---|---|---|---|---|---|---|
1 | 张掖肃南 | SN | 99°52′E | 38°48′N | 2 950 | 268 |
2 | 甘南夏河 | XH | 103°00′E | 35°20′N | 3 140 | 516 |
3 | 定西渭源 | WY | 104°05′E | 35°02′N | 2 401 | 526 |
4 | 兰州兴隆山 | XLS | 104°04′E | 35°48′N | 1 965 | 536 |
5 | 定西安定区 | AD | 104°62′E | 35°58′N | 2 035 | 400 |
6 | 天水清水 | QS | 106°12′E | 35°13′N | 1 051 | 580 |
7 | 定西陇西 | LX | 105°03′E | 35°02′N | 2 020 | 446 |
8 | 临夏康乐1号样地 | KL1 | 104°08′E | 35°39′N | 2 000 | 548 |
9 | 临夏康乐2号样地 | KL2 | 104°08′E | 35°39′N | 2 010 | 548 |
10 | 定西临洮 | LT | 104°26′E | 35°37′N | 2 012 | 317 |
每个采集地选择群落中草地早熟禾盖度较大的地段,各选取3个取样点,每个取样点面积为2 m×2 m,各取样点间距离大于10 m。利用5点采样法,采集0~30 cm表土,每10 cm分层取样装袋。取样前除去地面植物和凋落物等有机杂质。土样带回实验室自然风干,过2 mm筛。
1.2 样品分析
土壤有机质含量采用重铬酸钾容量法;土壤全氮含量采用凯氏定氮法;土壤碱解氮含量采用KCl浸提靛蓝比色法;土壤全磷含量采用HClO4-H2SO4法;土壤速效磷含量采用NaHCO3 浸提钼锑抗比色法;速效钾用1 mol·L-1中性醋酸铵提取,火焰光度法测定。以上指标测定均参照鲍士旦[12]的方法。
1.3 数据处理
对草地早熟禾不同分布地土壤pH、有机质和氮、磷、钾含量的检测数据应用IBM SPSS Statistics 23(美国)软件首先进行正态分布检验和方差齐性检验;然后对0~30 cm土壤的检测数据进行单因素ANOVA分析,采用Duncan法进行显著性检验。对各采样地0~10、10~20、20~30 cm不同土层pH和养分含量的检测数据进行双因素ANOVA分析,多重比较选择SNK法进行显著性检验。
2 结果与分析
2.1 0~30 cm层土壤理化性质
0~30 cm层土壤理化性质的统计结果如表2所列。从变异系数来看,以碱解氮的数值最大,全氮、有机质和Olsen-P次之,全磷和速效钾较小,数值也比较接近,pH的变异系数最小。总体来说,各理化性质变异较大,这与不同采样地的自然环境差异较大有关。以上结果说明,甘肃野生草地早熟禾分布区土壤性质变异较大,也从另一个方面说明,草地早熟禾生长适宜的土壤条件比较广泛。
表2 甘肃野生草地早熟禾分布地0~30 cm土层深度养分含量
Table 2
土壤理化性质 | 最小值 | 最大值 | 平均值 | 标准差SD | 变异系数CV/% |
---|---|---|---|---|---|
pH | 7.04 | 8.27 | 7.53 | 0.414 | 5.5 |
有机质/(g·kg-1) | 20.5 | 134 | 43.5 | 34.2 | 78.6 |
全氮/(g·kg-1) | 0.480 | 7.65 | 2.18 | 1.92 | 88.1 |
碱解氮/(mg·kg-1) | 42.0 | 457 | 121 | 121 | 100 |
全磷/(g·kg-1) | 0.329 | 1.39 | 0.734 | 0.312 | 42.5 |
Olsen-P/(mg·kg-1) | 0.100 | 7.54 | 2.69 | 2.13 | 79.2 |
速效钾/(mg·kg-1) | 148 | 582 | 302 | 117 | 38.7 |
2.2 不同采样地土壤pH和土壤有机质含量
对甘肃草地早熟禾主要分布区土壤pH和有机质含量进行检测,不同采样地间具有极显著差异(P<0.01)。
中国把土壤酸碱度分为强酸性土(pH小于5)、酸性土(pH 5.0~6.5)、中性土(pH 6.5~7.5)、碱性土(pH 7.5~8.5)、强碱性土(pH大于8.5)。甘肃草地早熟禾主要分布区采样地0~30 cm土层,渭源、安定区、陇西、清水、康乐(2个采样地)和临洮7个采样点pH均高于7.5,属碱性土壤,其中尤以清水和陇西土壤碱性最强,pH高于8.2。肃南、夏河和兰州兴隆山3地的土壤pH较低,在7.1左右,为中性土壤(图1)。
图1
图1
甘肃草地早熟禾主要分布区土壤pH
不同小写字母表示差异显著,P<0.05
Fig.1
Soil pH of different localities of wild Poa pratensis habitats
土壤有机质含量不同采样地点间差异较大。肃南土壤有机质含量极显著高于其他地区(P<0.01),达到了133.10 g·kg-1;兰州兴隆山和定西安定区次之,分别为66.92 g·kg-1和59.28 g·kg-1;其他7个地点有机质含量20.73~26.90 g·kg-1(图2)。
图2
图2
甘肃草地早熟禾主要分布区土壤有机质含量
不同小写字母表示差异显著,P<0.05
Fig.2
Soil organic matter contents of different localities of wild Poa pratensis habitats
2.3 不同采样地土壤氮含量
土壤全氮和速效氮含量仍然以肃南采样点最高,分别为7.35 g·kg-1和455.85 mg·kg-1(图3),兴隆山和安定区次之,且均显著高于其他采样点土壤氮含量;渭源、清水、陇西和康乐的全氮和速效氮含量较低,全氮低于2 g·kg-1,速效氮51~71 mg·kg-1。
图3
图3
甘肃草地早熟禾主要分布区土壤氮含量
不同小写字母表示差异显著,P<0.05
Fig.3
Soil nitrogen contents of different localities of wild Poa pratensis habitats
2.4 不同采样地土壤磷含量
土壤磷含量各采样地具有极显著差异(P<0.01)。兰州兴隆山全磷和速效磷最丰富,分别达到了1.37 g·kg-1和238.5 mg·kg-1,显著高于肃南的1.16 g·kg-1和155.72 mg·kg-1;康乐2个采样地点的全磷含量也较丰富,但大多不可利用,其速效磷含量反而在10个采样地中最低,只有50 mg·kg-1左右(图4)。
图4
图4
甘肃草地早熟禾主要分布区土壤磷含量
不同小写字母表示差异显著,P<0.05
Fig.4
Soil phosphorus contents of different localities of wild Poa pratensis habitats
2.5 不同采样地土壤钾含量
钾含量分布完全不同于氮和磷。土壤中钾含量在甘肃各采样地间的分布具有极显著差异(P<0.01),甚至相同地区的钾含量也具有极显著的差异。在康乐2号采样点土壤速效钾含量最高,达47.03 mg·kg-1,而1号采样点只有20.06 mg·kg-1,不到2号采样点的一半;安定钾含量32.26 mg·kg-1,位居第二;渭源和清水两地钾含量为30 mg·kg-1,高于其他采样地;肃南、夏河、陇西、临洮采样地的钾含量18~28 mg·kg-1,含量虽然较低,但各地间仍具有显著差异(P<0.05);兴隆山钾含量最贫瘠(图5)。
图5
图5
甘肃草地早熟禾主要分布区土壤钾含量
不同小写字母表示差异显著,P<0.05
Fig.5
Soil available K contents of different localities of wild Poa pratensis habitats
2.6 不同层次土壤养分含量
除了康乐2个采样点和临洮以外,对甘肃其他7个草地早熟禾主要分布区肃南、夏河、渭源、兰州兴隆山、安定区、清水、陇西土壤0~10、10~20、20~30 cm土层的pH和养分含量分别进行了检测。土壤pH、土壤有机质、全氮、速效氮、全磷、速效磷和钾含量7个检测指标在不同土层分布间均具有极显著差异(P<0.001,表3)。土壤pH由表层到深层逐渐增大,由中性土壤过渡到碱性土壤。土壤有机质含量则随土层深度的增加而减少,0~10 cm表层土壤最为肥沃。全氮和速效氮也是0~10 cm表层含量远高于10~30 cm层土壤。全磷与速效磷分布则不完全一致,深层土壤中全磷含量最高,表层次之;速效磷以表层土壤含量最为丰富,随土层深度增加显著减少。钾含量在表土层中分布最少,显著低于中下层土壤。10 cm以下土层中钾含量显著增多,10~30 cm土层间无明显差异。
表3 甘肃7个野生草地早熟禾分布地不同层次土壤养分含量
Table 3
样地和土层 | 土壤性质 | |||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
土壤pH | 有机质(OM) /(g·kg-1) | 全氮(TN) /(g·kg-1) | 速效氮(AN) /(mg·kg-1) | 全磷(TP) /(g·kg-1) | 速效磷(AP) /(mg·kg-1) | 速效钾(AK) /(mg·kg-1) | ||
样地 | 张掖肃南(SN) | 7.10±0.027d | 133.14±7.872a | 7.35±0.162a | 455.85±9.083a | 1.16±0.004b | 155.72±7.350b | 20.01±0.165bc |
甘南夏河(XH) | 7.13±0.031d | 26.09±0.693c | 2.05±0.093c | 97.57±2.192d | 0.63±0.004d | 56.52±2.334d | 24.37±0.311b | |
定西渭源(WY) | 7.54±0.010c | 23.84±1.805c | 1.50±0.100c | 58.68±5.054e | 0.69±0.007c | 62.03±2.134d | 30.23±1.473a | |
兰州兴隆山(XLS) | 7.10±0.016d | 66.92±2.368b | 3.43±0.125b | 193.73±9.598b | 1.37±0.031a | 238.50±9.661a | 15.51±0.244c | |
定西安定(AD) | 7.68±0.011b | 59.28±1.977b | 1.77±0.111c | 111.76±6.092c | 0.36±0.010f | 95.59±1.550c | 32.26±1.195a | |
天水清水(QS) | 8.24±0.007a | 26.90±0.557c | 0.61±0.018d | 45.77±0.916g | 0.57±0.004e | 98.57±1.143c | 30.45±1.187a | |
定西陇西(LX) | 8.27±0.001a | 31.40±1.365c | 0.97±.058d | 51.05±1.410f | 0.39±0.007f | 88.23±2.640c | 18.67±0.449c | |
土层/cm | 0~10 | 7.43±0.028c | 79.24±3.093a | 3.27±0.133a | 196.77±7.878a | 0.74±0.014b | 146.10± 4.961a | 20.28±0.325b |
10~20 | 7.61±0.023b | 39.72±1.174b | 2.13±0.101b | 140.11±6.831b | 0.71±0.015c | 103.90±2.041b | 25.26±0.462a | |
20~30 | 7.69±0.020a | 38.57±1.327b | 2.17±0.091b | 97.86±5.352c | 0.77±0.024a | 90.79±2.139c | 27.95±0.523a |
不同字母表示差异显著,P<0.05。
2.7 生境及土壤养分含量的相关性分析
相关性分析表明(表4),甘肃野生草地早熟禾分布区土壤pH与生境地海拔高度、全磷显著负相关(P<0.05)。土壤有机质与氮素(包括全氮和速效氮)极显著正相关(P<0.001),与速效磷显著正相关(P<0.05),说明土壤有机质含量越高,土壤氮素和速效磷含量也相应较高。土壤氮素与磷具有正相关性。
表4 甘肃野生草地早熟禾分布区生境海拔、降水量与土壤养分含量的相关性
Table 4
海拔 | 降水量 | 土壤pH | 有机质(OM) | 全氮(TN) | 速效氮(AN) | 全磷(TP) | 速效磷(AP) | 速效钾(AK) | |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
海拔 | 1 | ||||||||
降水量 | -0.412 | 1 | |||||||
pH | -0.671* | 0.211 | 1 | ||||||
OM | 0.390 | -0.618 | -0.390 | 1 | |||||
TN | 0.562 | -0.510 | -0.612 | 0.928*** | 1 | ||||
AN | 0.506 | -0.619 | -0.525 | 0.971*** | 0.978*** | 1 | |||
TP | 0.227 | -0.192 | -0.673* | 0.556 | 0.667* | 0.652* | 1 | ||
AP | -0.021 | -0.097 | -0.245 | 0.675* | 0.562 | 0.606 | 0.711* | 1 | |
AK | -0.212 | -0.292 | 0.131 | -0.369 | -0.454 | -0.358 | -0.321 | -0.550 | 1 |
*P˂0.05; **P˂0.01; ***P˂0.001。
2.8 土壤养分含量的聚类分析
对甘肃10个草地早熟禾主要分布区土壤养分含量进行聚类分析,土壤养分含量的结果差异可分为两类。张掖肃南和兰州兴隆山的土壤养分为一类,土壤pH为7.1的中性土,土壤有机质、氮和磷较丰富,钾含量极低;另一类是以甘南夏河,定西的渭源、陇西、临洮,天水清水等地为代表的土壤类型,以碱性土为主,土壤有机质、氮和磷含量较低,而钾含量较肃南和兰州兴隆山稍高,但依然低于全国土壤养分含量分级标准的第6级,钾含量极低(图6)。
图6
图6
甘肃草地早熟禾主要分布区土壤养分含量聚类
Fig.6
Cluster analysis of soil nutrient content in the distribution area of wild Poa pratensis in Gansu Province
3 讨论
与河西走廊的农业土壤[19]相比,甘肃野生草地早熟禾分布区土壤pH明显较低,而有机质含量较高,这可能主要由土地利用方式不同引起。土壤有机质、全氮、有效氮、有效磷、有效钾含量受土地利用方式的显著影响[20-21]。杜生冬等[22]对庆丰农场不同开垦时期土壤养分变化分析结果表明,开垦50年后,土壤养分总体呈下降趋势。土壤有机碳是地球生态系统中重要的碳库[4,23],不同土地利用方式因其植被类型与管理方式的差异改变土壤有机碳含量[24-25]。本研究结果表明,甘肃野生草地早熟禾分布区土壤与农田土壤相比,其贮存碳的能力更强。与作物相比,多年生牧草对增加土壤碳贮存量的能力更强[14],与暖季型牧草相比,冷季型牧草由于其根系生长时间长,因此更能增加土壤有机碳贮存量[26]。
与武威市凉州区农田土壤[27]相比,甘肃野生草地早熟禾分布区土壤pH略低,有机质、全氮含量明显较高,碱解氮最小值和平均含量接近,但最大值远大于凉州区农田土壤,速效钾含量较接近。这一结果对比也表明,草地植被下,土壤有机质和氮素积累明显,而磷素比较缺乏。与甘肃省镇原的冬小麦地相比,本研究中土壤有机质、全氮、碱解氮、速效钾含量更高,而速效磷含量较低,这种对比关系仍然反映出农田土壤与野生草地植被土壤养分性质的区别。
不同的土壤养分条件造成植物根系活力以及植株长势的差异,从而导致土壤中各类微生物的数量发生变化。本研究10个野生草地早熟禾分布区土壤有机质、氮、磷含量差异显著,且有机质含量与全氮、速效氮和速效磷呈显著正相关关系,可能与草地早熟禾根际土壤微生物数量与种类有关。因为草地早熟禾特定类群的根际微生物生长有赖于土壤的养分水平和环境状况,根际三大微生物细菌、真菌、放线菌和土壤养分之间具有相互促进作用和协同发展的关系[28]。土壤养分水平较高表明土壤中细菌、放线菌密度高;而土壤养分水平较低则表明土壤中真菌密度高[28-29]。此外,草地早熟禾根际联合固氮菌除了具有固氮能力之外,还具有分泌植物生长素和溶磷的潜能,可使土壤中不溶性磷转变为可溶性磷[30-33]。因而土壤固氮菌在增加土壤氮含量的同时,磷的含量也相应提高,表现出土壤全氮、速效氮和速效磷呈显著正相关关系。
4 结论
甘肃野生草地早熟禾分布区土壤性质差异较大;0~30 cm层土壤pH及有机质、全氮、碱解氮、全磷、Olsen-P、速效钾含量的平均值分别为7.53 mg·kg-1、43.5 g·kg-1、2.18 g·kg-1、121 mg·kg-1、0.734 g·kg-1、2.69 mg·kg-1和302 mg·kg-1。土壤有机质、全氮、碱解氮、Olsen-P的变异系数75%~100%。土壤有机质、氮钾较丰富,磷有效性较低。0~30 cm深度内,土壤有机质、全氮、碱解氮和Olsen-P均明显表现出表层含量高于下层的现象,表层土壤pH明显低于下层,速效钾在剖面上的分布规律不明显。土壤pH与生境地海拔高度、全磷显著负相关(P<0.05),土壤有机质与N素极显著正相关(P<0.001),与速效磷显著正相关(P<0.05)。10个分布区土壤养分含量可聚类分为两大类。
以上结果说明,甘肃野生草地早熟禾分布区土壤存在表层pH下降、有机质和氮、磷积累的现象,不同分布区土壤性质差异较大;有机质含量明显高于农田土壤,表现出较强的碳贮存能力;草地早熟禾生长适宜的土壤环境比较广泛。
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