廖鑫宇，盛建東，程軍回，玉素甫江·玉素音，劉耘華

（新疆農(nóng)業(yè)大學 資源與環(huán)境學院 新疆土壤與植物生態(tài)過程重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830052）

土壤氮素是植物氮素的主要來源，全球植物氮需求的88%由土壤氮供應，其主要來自于有機質(zhì)的分解和積累，在土壤有機質(zhì)所含元素中，氮素含量約占3.7%～4.1%。新疆屬于典型干旱和半干旱區(qū)，生態(tài)系統(tǒng)極其敏感脆弱，土壤礦質(zhì)元素貧乏，氮素含量較低。氮素被認為是僅次于水分影響植物生長的第二限制因子，是草地生態(tài)系統(tǒng)的主要限制資源，是土壤肥力的重要表征，對草地系統(tǒng)的組成、生產(chǎn)力、生態(tài)功能起著關鍵性作用，可對地上植被生長狀況和生態(tài)環(huán)境變化產(chǎn)生重要影響。同時，土壤全氮是全球氮循環(huán)的重要組成部分，因土壤氮儲量巨大，其微弱的變化就可使大氣中氮含量發(fā)生改變，進而直接影響全球變化格局。因此，研究土壤全氮對提高植物生產(chǎn)和維持生態(tài)平衡具有重要意義。

土壤氮素含量是通過植物死亡凋落后被微生物分解的輸入和植物生長及硝化作用的輸出而使其保持相對穩(wěn)定。降水是干旱和半干旱地區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)土壤水分的重要來源，影響和控制著草地植被的生長，同時植物殘體在水分作用下易腐爛降解并保存在土壤中，進而對土壤全氮含量產(chǎn)生影響。溫度一方面通過影響植物生長，改變植物殘體向土壤的歸還量，另一方面通過控制土壤呼吸通量、土壤微生物活性和土壤動物活動，影響土壤養(yǎng)分氮分解的釋放量，從而影響土壤中全氮含量。

土壤容重是土壤緊實度的指標之一，能反映土壤的透水性、通氣性和根系伸展能力，土壤容重較大的土壤透氣性差，土壤板結，從而影響植物根系生長固氮。土壤粉?；蛘沉：磕軌蛟黾訉τ袡C質(zhì)的固持作用和減少淋溶損失，進而保持土壤全氮含量。礫石含量不同使土壤孔隙度、土壤容重、土壤含水量、微生物群落等發(fā)生變化，從而對植物生長產(chǎn)生影響，進而影響土壤中全氮含量。土壤pH通過影響土壤微生物活性及根系的生產(chǎn)與周轉，從而對土壤全氮含量產(chǎn)生影響。隨著土層深度的增加，土壤透氣性逐漸降低，可轉化氮源逐漸減少，且作為土壤氮素重要來源的凋落物主要分布在表層土壤中，從而使土壤全氮含量在垂直分布上呈現(xiàn)從上到下遞減的趨勢。綜上所述，雖然已有學者對此進行了大量的研究，但受時間跨度、研究尺度等條件的影響，其研究結果具有一定的局限性，因此這些前期的調(diào)查并不能完全代表和反映目前新疆山地草甸土壤全氮含量對影響因素的響應，仍需進一步研究。

山地草甸雖然在全國有零星分布，但在新疆干旱和半干旱地區(qū)其分布面積最大、最完整。新疆共有山地草甸287.06萬hm，占新疆總草地面積的5%，在降水400～600 mm之間的山地森林或亞高山針葉林地區(qū)都有分布，其主要分布于天山以北1 500～2 800 m的山地和亞高山帶，天山南坡僅在2 600～2 800 m的亞高山地帶有零星分布。新疆山地草甸植被種類豐富，優(yōu)良牧草種類繁多，產(chǎn)草量高，營養(yǎng)豐富，在新疆傳統(tǒng)的季節(jié)畜牧業(yè)中占有非常重要的地位。筆者以新疆山地草甸為例，研究該地區(qū)山地草甸生物量達到高峰（7月中旬—8月上旬）時氣候因素、生物量、土壤理化性質(zhì)對此時期土壤全氮含量的影響，以期為提高新疆山地草甸植物生產(chǎn)提供科學依據(jù)，也為全球?qū)ι降夭莸槿难芯亢拖嚓P模型參數(shù)的建立提供數(shù)據(jù)支撐。為此，筆者提出以下3個科學問題：（1）不同土層深度下氣候因素（年均降水（mean annual precipitation，MAP）、年均溫度（mean annual temperature，MAT））對土壤全氮含量的影響；（2）不同土層深度下生物量（地上凈初級生產(chǎn)力（Aboveground net primary productivity，ANPP）、根系生物量）對土壤全氮含量的影響；（3）不同土層深度下土壤理化性質(zhì)（容重、土石比、土壤pH）對土壤全氮含量的影響。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于新疆維吾爾自治區(qū)（73°32'～96°21'E，34°22'～49°33'N），總面積為166萬km，占中國土地總面積的六分之一，其地處歐亞大陸腹地，由于遠離海洋的地理位置和高山環(huán)抱的地形結構，海洋濕潤氣流難以到達，形成溫帶極干旱大陸性氣候，促成了新疆多樣化的草地生態(tài)系統(tǒng)形成，也是我國山地草甸分布面積最大的地區(qū)。其主要植被群落為羽衣草（Alchemilla japonica）、早熟禾（Poa annua）、老 鸛 草（Geranium wilfordii）、三 葉 草（Oxalis）、苔 草（Carex spp.）、千 葉 蓍（Achillea millefolium）、紫花鳶尾（Iridaceae）、糙蘇（Phlomis umbrosa）、鴨茅（Dactylis glomerata）等。

1.2 樣品采集及測定

在20世紀80年代草地類型圖和2000年土地利用圖基礎上，本研究從土壤調(diào)查要求出發(fā)，全面考慮了剖面點的代表性、均勻性及包含全部土壤類型的原則進行采樣。2011—2013年，在生物量達到高峰的7月中旬—8月上旬，筆者在新疆范圍的山地草甸進行采樣，共采集樣點42個。每個樣地依據(jù)典型性原則，選擇能夠代表整個樣地植被生長狀況、地形及土壤等特征的地段，設置1個100 m×100 m的樣地，在樣地的對角線上，每隔10 m布設10個1 m×1 m樣方用于采集土壤和地面環(huán)境信息，記錄每個樣地經(jīng)度、緯度、ANPP等信息。在0～5 cm、5～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～50 cm、50～70 cm和70～100 cm的7個土層內(nèi)分別采集土壤樣品，各土層土壤樣品均勻混合后用四分法留取1 kg放入樣品袋，一部分做土石比的測定，一部分撿去可見的細根、石粒等雜質(zhì)，然后風干、磨細、過篩，用于測定土壤容重、土壤全氮、土壤pH等理化性質(zhì)。

采用環(huán)刀法測定土壤容重；使用元素分析儀（EuroVector EA3000，意大利）測定全氮含量；土壤pH采用pH計測定；將風干土用篩將石頭與土壤區(qū)分開，分別稱取石頭的質(zhì)量與土壤總質(zhì)量，用土石比=M石/M總×100%計算土石比。

圖1 新疆山地草甸42個樣地分布

1.3 數(shù)據(jù)獲取

利用GPS測定每個樣點經(jīng)度、緯度的數(shù)據(jù)信息，在中國國家氣象局氣候數(shù)據(jù)庫(http://www.cma.gov.cn/)中獲取了位于新疆的66個氣象觀測點在1961—2011年（50年）的氣候觀測數(shù)據(jù)，利用基于多元回歸的地理信息模型，以采樣點的經(jīng)度、緯度為自變量，利用GIS插值法推導出各采樣點所對應的MAP和MAT。

1.4 數(shù)據(jù)處理

在Excel 2019軟件中進行試驗數(shù)據(jù)的整理，用統(tǒng)計軟件SPSS 23.0對數(shù)據(jù)進行差異性分析。在全氮含量與各變量間（MAP、MAT、根系生物量、ANPP、容重、土石比、土壤pH）做回歸分析，通過線性和非線性擬合反映土壤全氮對各影響因素的響應；采用單因素方差分析法，分析土層深度對全氮含量的影響。所有分析，顯著性水平為P＜0.05。本研究所有制圖均在ArcGIS 10.2和SigmaPlot 10.0中完成。

2 結果與分析

2.1 不同土層深度下全氮含量統(tǒng)計分析

對采集的42個樣地不同土層深度全氮含量進行試驗分析，通過SPSS對其結果進行正態(tài)分布檢驗，得出不同土層深度全氮含量各數(shù)據(jù)點均分布在坐標軸對角線上或附近，說明該數(shù)據(jù)基本符合正態(tài)分布，具有良好的統(tǒng)計學意義，進而可以對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，以期建立全疆山地草甸全氮含量空間分布數(shù)據(jù)模型。由表1可知，新疆山地草甸全氮在不同土層深度的含量變化范圍，在垂直剖面的0～5 cm、5～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～50 cm、50～70 cm和70～100 cm 7個土層中其變化范圍分別為0.51～15.46 g·kg、0.40～11.72 g·kg、0.36～9.09 g·kg、0.32～7.66 g·kg、0.22～6.50 g·kg、0.18～5.83 g·kg、0.09～4.85 g·kg。在0～5 cm、5～10 cm、10～20 cm和20～30 cm土層中，相鄰土層全氮含量均存在顯著差異（P＜0.05），而20～30 cm、30～50 cm、50～70 cm和70～100 cm土層中，相鄰土層間全氮含量差異不顯著。變異系數(shù)（CV）反映了數(shù)據(jù)的離散程度，CV＞100%時為強變異，CV＜10%時為弱變異，10%≤CV≤100%為中等變異。各土層深度全氮含量變異系數(shù)45.38%～94.66%，均呈現(xiàn)中等變異。

表1 不同土層深度全氮含量統(tǒng)計分析

2.2 不同因素對山地草甸土壤全氮含量影響結果統(tǒng)計分析

由表2可知，在土層深度、MAP、MAT、土壤容重、pH和土石比等因素對土壤全氮含量的影響中，由SS可以看出，其影響程度由大到小分別為：土層深度＞土壤容重＞MAP＞pH＞MAT＞土石比，其中土層深度、MAP、土壤容重和pH對土壤全氮含量具有顯著影響（P＜0.05）。

表2 不同因素對土壤全氮含量影響結果統(tǒng)計分析

2.3 氣候因素對不同土層深度下山地草甸土壤全氮含量的影響

在0～5 cm、5～10 cm、10～20 cm、20～30 cm和30～50 cm土層中，土壤全氮含量與MAP呈顯著峰型關系（圖2-A至圖2-E，P＜0.05）；在50～70 cm和70～100 cm的深層土壤中，MAP對土壤全氮含量的影響并不顯著（圖2-F、圖2-G）。

圖2 不同土層深度下MAP對土壤全氮的影響

在50～70 cm和70～100 cm的土層中，土壤全氮含量與MAT呈顯著負相關（圖3-F、圖3-G）（P＜0.05）；在0～5 cm、5～10 cm、10～20 cm、20～30 cm和30～50 cm的土層中，MAT對土壤全氮含量的影響并 不顯著（圖3-A至圖3-E）。

圖3 不同土層深度下MAT對土壤全氮的影響

2.4 不同土層深度下生物量對山地草甸土壤全氮含量的影響

由圖4可以看出，根系生物量主要集中在0～20 cm的表層土中，并隨著土層深度的增加，根系生物量呈現(xiàn)出減少的趨勢。在0～5 cm和10～20 cm土層中，土壤全氮含量與根系生物量呈顯著正相關關系（圖4-A、圖4-C）（P＜0.05），在5～10 cm土層中，土壤全氮含量與根系生物量呈顯著峰型關系（圖4-B），在20～30 cm、30～50 cm、50～70 cm和70～100 cm土層中根系生物量對土壤全氮含量的影響并不顯著（圖4-D至圖4-G）。

圖4 不同土層深度下根系生物量對土壤全氮的影響

在0～5 cm、5～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～50 cm、50～70 cm和70～100 cm 7個土層中ANPP均與土壤全氮含量呈顯著正相關關系（圖5-G至圖5-G）（P＜0.05）。

圖5 不同土層深度下ANPP對土壤全氮的影響

2.5 不同土層深度下土壤理化性質(zhì)對山地草甸土壤全氮含量的影響

在0～5 cm、5～10 cm、10～20 cm和30～50 cm土層中，土壤全氮含量與土壤容重呈顯著負相關關系，且表層土較深層土下降更為顯著（圖6-A1至圖6-C1、圖6-E1）（P＜0.05）；在20～30 cm、50～70 cm和70～100 cm土層中，土壤容重對土壤全氮含量的影響并不顯著（圖6-D1、圖6-F1、圖6-G1）。在0～100 cm的7個土層中土石比多為0，與土壤全氮含量均無顯著相關性（圖6-A2至圖6-G2）。在20～30 cm土層中，土壤全氮含量與土壤pH呈顯著正相關關系（圖6-D3，P＜0.05）；在50～70 cm土層中土壤全氮含量與土壤pH呈顯著峰型關系（圖6-F3）（P＜0.05）；在0～5 cm、5～10 cm、10～20 cm、30～50 cm、70～100 cm土層中，土壤pH對土壤全氮含量的影響并不顯著（圖6-A3至6-C3、圖6-E3、圖6-G3）。

圖6 不同土層深度下土壤理化性質(zhì)對土壤全氮的影響

3 結論與討論

3.1 氣候因素對不同土層深度下山地草甸土壤全氮含量的影響

土壤水分有利于植物根系對氮的固定及微生物對凋落物的分解，使土壤中全氮含量增加，在漫長的成土過程中，土壤氮形成了在特定生態(tài)條件下的動態(tài)平衡。本研究中，在0～5 cm、5～10 cm、10～20 cm、20～30 cm和30～50 cm土層中，隨著土壤中水分的增加，全氮含量與MAP呈峰型關系，且表層土全氮含量變化對MAP的響應更為強烈。安巧霞等在阿拉爾墾區(qū)通過研究不同灌水量對土壤氮淋失量的影響發(fā)現(xiàn)，當土壤中水分含量達到一定程度，土壤中可溶性氮淋溶流失，使土壤中全氮含量呈現(xiàn)減少的趨勢，這與胡偉等的研究結果一致。但傅華等對賀蘭山西坡草地的研究和王長庭等對青海高寒草甸的研究結果都表明，土壤全氮含量與MAP呈現(xiàn)正相關關系，這與本研究結果不一致，其原因可能是地位位置不同，使土壤中氮素礦化作用、硝化和反硝化過程以及氮淋溶等影響程度不同。秦小靜等對三江源土壤研究結果表明，在高原低溫的環(huán)境下，土壤中全氮含量對MAP更為敏感，特別是在淺層土壤中表現(xiàn)更為強烈，這與本研究結果相符。

溫度是影響植物生長發(fā)育和功能的重要環(huán)境因子，主要通過控制土壤呼吸通量、土壤微生物活性、植物根系生長、土壤動物活動間接影響土壤養(yǎng)分的分解速率，從而影響土壤中全氮含量。Campbell總結發(fā)現(xiàn)，從加拿大到美國南部以及印度土壤氮含量與溫度都為顯著負相關關系，并呈現(xiàn)出溫度每降低10℃土壤氮含量增加2～3倍的規(guī)律，這與本研究結果相符。在本研究中，土層深度為50～100 cm的深層土壤隨著溫度從0℃以下升高，土壤中全氮含量顯著減少。茍照君通過對黃河上游高寒草地研究表明，升溫后，深層凍土為響應溫度升高而融化，微生物活動逐漸加強，有機氮礦化速率增加，深層土壤中的氮得以釋放而被植物吸收，從而使土壤中全氮含量減少，這與本研究結果相符。

3.2 不同土層深度下生物量對山地草甸土壤全氮含量的影響

根系通過呼吸和周轉消耗光合產(chǎn)物并向土壤輸送有機質(zhì)。同時，根系的生長和根系分泌物改善了土壤結構，提高了土壤根系生物的活性，有利于土壤難溶養(yǎng)分的分解和活化，增加了土壤全氮含量，由根系生物量與根系氮含量決定的根系氮庫，一定程度上能反映出土壤養(yǎng)分庫的大小。蘇天燕等對我國半干旱草原區(qū)科爾沁草地的研究和張豪睿等對藏北高寒草甸的研究結果都表明，土壤全氮含量與根系生物量呈現(xiàn)顯著的正相關關系，這與本研究結果一致。在本研究中，在土層深度為0～20 cm的表層土中，根系生物量與土壤全氮含量有顯著相關性，這與植物具有固氮性、養(yǎng)分具有表聚性的結果相符。侯曉娟等對武功山山地草甸研究表明，80%左右的根系主要分布在0～16 cm土層中，隨著土層的加深，根系生物量逐漸遞減，土壤養(yǎng)分含量也隨著土壤深度的增加而減少，尤其是氮含量下降極為顯著，這與本研究結果相符。

ANPP作為植物生長發(fā)育的重要體現(xiàn)，其主要通過植物固氮和凋落物分解對土壤全氮含量產(chǎn)生影響。隨著ANPP的增加，其對土壤中難溶養(yǎng)分的分解和活化作用隨之增加，凋落物也隨之增加，然而氮素含量占進入食物鏈的植物干質(zhì)量的2%，因此土壤中全氮含量也隨之增加。同時，凋落物顯著改善了土壤水分和溫度等微環(huán)境條件，間接影響了土壤全氮含量。在本研究中，在0～5 cm、5～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～50 cm、50～70 cm和70～100 cm 7個土層中ANPP均與土壤全氮含量呈顯著正相關關系，這與石岳對青藏高原高寒草地的研究和劉碧榮等對內(nèi)蒙古棄耕草地的研究結果一致。

3.3 不同土層深度下土壤理化性質(zhì)對山地草甸土壤全氮含量的影響

土壤容重是土壤緊實度的指標之一，能夠反映土壤的透水性、通氣性和根系伸展能力，隨著土層深度的增加，土壤容重增大，不利于土壤微生物對有機質(zhì)的分解，也不利于根系生長對土壤養(yǎng)分的輸送。本研究結果表明，在0～5 cm、5～10 cm、10～20 cm和30～50 cm的表層土中，土壤容重與全氮含量呈顯著負相關關系。鄭偉對喀納斯山地草甸土壤理化性質(zhì)研究表明，土壤容重增加，土壤理化性質(zhì)變劣，不利于植物生長，進而土壤氮含量減少，這與本研究結果一致。

土石比影響著土壤骨架結構，使土壤孔隙度、水分含量發(fā)生變化，同時也影響植物根系的伸長和分布，從而影響土壤中全氮含量。但在本研究中，土石比與土壤全氮含量并無顯著相關性，原因可能是不同草地類型的礫石含量存在差異。柴強對新疆草地土壤主要性質(zhì)研究結果表明，受氣候、植被、土壤類型的影響，草甸類草地土石比最小，土壤發(fā)育程度較好，這與本研究結果山地草甸各土層土石比多為0的結果一致，因此在山地草甸中土石比對土壤全氮含量的影響并不顯著。

土壤pH是土壤理化性質(zhì)的重要指標之一,影響著土壤肥力和土壤養(yǎng)分的形態(tài)及有效性，其通過影響土壤中微生物活性及酶活性影響土壤中凋落物分解及植物根系生長，從而影響土壤中全氮含量。本研究結果表明，在20～30 cm土層中，土壤pH與土壤全氮含量呈顯著正相關關系，在50～70 cm土層中，土壤pH與土壤全氮含量呈顯著峰型關系。郭春秀對民勤荒漠草地的研究結果表明，干旱地區(qū)的土壤微生物量及土壤酶活性在鹽漬化草地中表現(xiàn)為最高，表明在較高pH的土壤中，微生物對凋落物的分解更為強烈，這與本研究結果相符。在較深層的土壤中，隨著土壤pH的增加，土壤全氮含量表現(xiàn)出先增加后減少的峰型變化趨勢，原因可能是深層土壤的透氣性較低，微生物活性比表層土壤低，對土壤較高的pH表現(xiàn)出不耐受而活性進一步降低。

本研究通過對新疆山地草甸土壤全氮含量進行統(tǒng)計分析，得出以下初步結論。

土壤全氮含量隨著土層深度的增加而減少。隨著根系生物量和ANPP的增加，土壤全氮含量均顯著增加。隨著MAP的增加，土壤中全氮含量呈現(xiàn)出先增加后減少的峰型變化趨勢。隨著MAT和土壤容重的增加，土壤全氮含量顯著減少。土石比與土壤全氮含量并無顯著相關性。隨著土壤pH的增加，土壤全氮含量在部分土層中表現(xiàn)出顯著增加的趨勢，在部分土層中表現(xiàn)出先增加后減少的峰型變化趨勢。由此可見，氣候因素、生物量和土壤理化性質(zhì)都會對土壤全氮含量產(chǎn)生影響，但其響應并不一致。