圍欄封育對亞高山草原土壤堿解氮、速效鉀空間異質(zhì)性的影響

周建勤，賈宏濤

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052)

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圍欄封育對亞高山草原土壤堿解氮、速效鉀空間異質(zhì)性的影響

周建勤，賈宏濤*

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052)

以中科院位于新疆天山中部巴音布魯克的長期圍欄封育樣地為研究對象，研究長期圍欄封育對亞高山草原土壤養(yǎng)分空間變異特征的影響。結(jié)果表明：①圍欄內(nèi)0～20 cm土壤堿解氮和速效鉀含量均值分別為107.69和277.53 mg/kg，20～40 cm土壤堿解氮和速效鉀含量均值分別為75.22和127.52 mg/kg，圍欄內(nèi)土壤堿解氮和速效鉀變異系數(shù)分別為23.88 %、29.8 %、22.43 %、33.74 %；圍欄外0～20 cm土壤堿解氮和速效鉀含量均值分別為120.77和285.371 mg/kg，20～40 cm土壤堿解氮和速效鉀含量均值分別為83.08和137.36 mg/kg，圍欄外土壤堿解氮和速效鉀變異系數(shù)分別為23.58 %、33.97 %和29.43 %、42.88 %。②圍欄內(nèi)上層和下層土壤堿解氮和速效鉀含量塊金值和基臺值之比分別為100 %、2.97 %、40.10 %、0.06 %；圍欄外上層和下層土壤堿解氮和速效鉀含量塊金值和基臺值之比分別為9.37 %、1.75 %、11.28 %、49.99 %。③土壤堿解氮、速效鉀在水平空間分布呈現(xiàn)出不均勻性，圍欄內(nèi)土壤堿解氮、速效鉀含量空間分布水平低于圍欄外，從空間插值圖來看，圍欄內(nèi)外0～20 cm土壤中堿解氮、速效鉀含量高的位置，其20～40 cm層含量卻相反。綜上可以看出，圍欄內(nèi)堿解氮和速效鉀含量在水平方向的變異都低于圍欄外；垂直方向堿解氮和速效鉀含量圍欄內(nèi)外上下層均為中等變異，堿解氮和速效鉀含量圍欄內(nèi)上下層變異系數(shù)分別表現(xiàn)為大于和小于；水平方向堿解氮含量上下層變異程度大于圍欄外上下層變異程度，且圍欄內(nèi)上層空間相關(guān)性很弱，圍欄內(nèi)下層和圍欄外上下層具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性。水平方向圍欄內(nèi)速效鉀含量上層變異程度大于圍欄外上層變異程度，且圍欄內(nèi)上層具有中等空間相關(guān)性，圍欄外上層具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性；速效鉀含量圍欄內(nèi)下層變異程度小于圍欄外下層變異程度，且圍欄外下層具有中等空間相關(guān)性，圍欄內(nèi)下層具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性。水平方向土壤堿解氮、速效鉀含量上層含量空間分布與下層含量空間分布相反。

圍欄封育；空間變異；速效鉀；堿解氮

20世紀(jì)以來,人類開始面臨許多生態(tài)環(huán)境問題,其中草地退化更是一個引起全世界共同關(guān)注的環(huán)境問題。我國草地面積遼闊，類型復(fù)雜多樣，各種自然災(zāi)害頻繁發(fā)生，草畜不平衡矛盾日益突出，草地資源普遍趨于衰退狀態(tài)[1-3]。新疆是畜牧業(yè)大省，巴音布魯克作為全國第二大草原， 由于草—畜不平衡利用導(dǎo)致草地日趨退化，威脅著畜牧業(yè)發(fā)展。當(dāng)?shù)厝藗儗嵤┝瞬菰瓏鷻谥贫?，草食動物一般都被圍在草地圍欄外[4]。草原圍欄作為人類有意識調(diào)節(jié)草原生態(tài)系統(tǒng)中草食動物與植物關(guān)系以及管理草原生態(tài)系統(tǒng)的手段，有利于草地植被的生長恢復(fù)，增加土壤肥力，并且防止草地沙化。

長期圍欄封育對草原土壤中的土壤養(yǎng)分具有很大影響，近年來，退化草原生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)治理已經(jīng)引起了廣泛的關(guān)注[5-7]，為此，本試驗研究了構(gòu)建草原圍欄后，巴音布魯克草原土壤中土壤養(yǎng)分的空間變異特征，以期為系統(tǒng)監(jiān)測草原的退化狀態(tài)及指導(dǎo)該地區(qū)草原草地生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)提供相關(guān)參考資料。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

巴音布魯克草原位于新疆境內(nèi)天山南坡中段內(nèi)部山地，屬高位山間盆地，海拔在2400～4500 m，可利用草場面積169.5萬hm2，是典型的牧區(qū)[8-9]。巴音布魯克年平均氣溫-4.5 ℃，1月為-26.8 ℃，7月為10.4 ℃，植物生長季(4-9月)平均氣溫在5～10 ℃；≥0 ℃的年積溫1250.6，≥10 ℃的年積溫227.2 ℃；極端最低氣溫-46.6 ℃；無霜期不明顯，只有29 d；多年平均降水量276.2 mm，年蒸發(fā)量高達(dá)1022.9～1247.5 mm，全年積雪日達(dá)150～180 d，最大積雪深26cm。在干燥、多風(fēng)、寒冷的高寒山區(qū)氣候條件下，形成了以高寒草甸、高寒草原和高寒低地沼澤草甸為主的草地類型[8]。

1.2 方法

1.2.1 采樣方法 2010年8月，在新疆巴音布魯克亞高山草原的4#樣地圍欄內(nèi)外，用5×5網(wǎng)格布點法進(jìn)行取樣，每隔5 m設(shè)置1個取樣點，圍欄內(nèi)外各81個點，共162個采樣點，每個采樣點取樣深度均為0～20和20～40 cm，總共采取土樣324個。將土樣帶回室內(nèi)自然風(fēng)干，然后將土樣碾碎、混勻，揀出雜物過篩處理后以備分析用。

1.2.2 樣品分析方法 堿解氮用堿解擴(kuò)散法；速效鉀用醋酸銨浸提-火焰光度計測定。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理與分析 主要采用SPSS17.0、Sufer8.0、GS+9.0等軟件對土壤堿解氮和速效鉀常規(guī)統(tǒng)計分析和空間變異特征統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 圍欄內(nèi)外土壤堿解氮、速效鉀含量

對圍欄內(nèi)外0～20和20～40 cm土壤堿解氮和速效鉀用SPSS軟件進(jìn)行描述統(tǒng)計分析(表1～2)。變異系數(shù)(c.v.)反映的是相對變異，即隨機(jī)變量的離散程度。相關(guān)研究表明，c.v.≤0.1為弱變異性；0.1

表1 圍欄內(nèi)外土壤堿解氮含量的統(tǒng)計分析

表2 圍欄內(nèi)外土壤速效鉀含量的統(tǒng)計分析

2.2 圍欄內(nèi)外土壤堿解氮、速效鉀含量水平空間分布特征

2.2.1 堿解氮 圍欄內(nèi)0～20 cm土壤堿解氮含量均值為107.69 mg/kg，20～40 cm土壤堿解氮含量均值為75.22 mg/kg，而圍欄外0～20 cm土壤堿解氮含量均值為120.77 mg/kg，20～40 cm土壤堿解氮含量均值為83.08 mg/kg，均比圍欄內(nèi)稍高(見表1)。圍欄內(nèi)0～20和20～40 cm土壤堿解氮含量的標(biāo)準(zhǔn)差均小于圍欄外，表明圍欄內(nèi)堿解氮含量在水平方向的變異低于圍欄外。

2.2.2 速效鉀 圍欄內(nèi)0～20 cm土壤速效鉀含量均值為277.53 mg/kg，20～40 cm土壤速效鉀含量均值為127.52 mg/kg，而圍欄外0～20 cm土壤速效鉀含量均值為285.71 mg/kg，20～40 cm土壤速效鉀含量均值為137.36 mg/kg，均比圍欄內(nèi)稍高(見表2)。圍欄內(nèi)0～20和20～40 cm土壤速效鉀含量的標(biāo)準(zhǔn)差均小于圍欄外，表明圍欄內(nèi)速效鉀含量在水平方向的變異低于圍欄外。

2.3 圍欄內(nèi)外土壤堿解氮、速效鉀含量垂直空間分布特征

2.3.1 堿解氮 圍欄內(nèi)和圍欄外0～20 cm土壤堿解氮含量均值、最大值、最小值均顯著高于20～40 cm土壤。表明土壤堿解氮主要集中在土壤的上層，土壤上層對堿解氮含量的影響應(yīng)該比下層更為顯著。圍欄內(nèi)上層土壤堿解氮變異系數(shù)為23.88 %，下層為29.85 %；圍欄外上層土壤堿解氮變異系數(shù)為23.58 %，下層為33.97 %(表1)。

2.3.2 速效鉀 圍欄內(nèi)和圍欄外0～20 cm土壤速效鉀含量均值、最大值、最小值均顯著高于20～40 cm土壤。表明土壤速效鉀主要集中在土壤的上層，土壤上層對速效鉀含量的影響應(yīng)該比下層更為顯著。圍欄內(nèi)上層土壤速效鉀變異系數(shù)為22.43 %，下層為33.74 %；圍欄外上層土壤速效鉀變異系數(shù)為29.43 %，下層為42.88 %(表2)。圍欄內(nèi)外，上層土壤速效鉀含量的變異性均要低于下層。

2.4 圍欄內(nèi)外土壤堿解氮、速效鉀含量空間變異地統(tǒng)計學(xué)特性研究

塊金值(C0)表示隨機(jī)部分的空間變異性，基臺值(C0+C)表示區(qū)域化變量的最大變異，其值越高表示總的變異性程度越高。變程是半方差函數(shù)達(dá)到基臺值時的樣本間距，代表了該參數(shù)的相關(guān)距離，變量在變程內(nèi)是相關(guān)的，在變程之外是獨立的。塊金值與基臺值之比(C0/(C0+C))表示空間變異性程度，反映自相關(guān)部分的空間變異占總變異的比例，即塊金效應(yīng)。如果該比值較高，說明由隨機(jī)性部分引起的空間變異性程度較大；相反，則由空間自相關(guān)部分引起的空間變異性程度較大；從結(jié)構(gòu)性因素看，該比值可表示系統(tǒng)空間變量的空間相關(guān)性程度，若比值<25 %，說明系統(tǒng)具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性；若比值在25 % ～ 75 %之間，表明系統(tǒng)具有中等的空間相關(guān)性；若比值>75 %，說明系統(tǒng)的空間相關(guān)性很弱。

由表3可以看出，圍欄內(nèi)外0～20 cm土壤堿解氮空間變異水平特征，圍欄內(nèi)塊金值與基臺值之比高于圍欄外，說明圍欄內(nèi)土壤堿解氮空間變異性程度大，比值>75 %，表明系統(tǒng)具有較弱的空間相關(guān)性，可得出圍欄內(nèi)土壤堿解氮的空間變異性受結(jié)構(gòu)因素影響的強(qiáng)度稍小于圍欄外土壤堿解氮。此外還可看出圍欄內(nèi)外20～40 cm土壤堿解氮空間變異水平特征，圍欄內(nèi)土壤堿解氮的塊金效應(yīng)大于圍欄外土壤堿解氮，比值<25 %，表明系統(tǒng)具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，表明無論圍欄內(nèi)外，下層土壤堿解氮的空間變異性受隨機(jī)性因素的影響小，也就是圍欄內(nèi)外20～40 cm的土壤受人為因素的干擾較小，土壤堿解氮的含量主要受土壤本身母質(zhì)、氣候、土壤類型等影響逐漸增強(qiáng)。

表3 圍欄內(nèi)和圍欄外土壤堿解氮空間變異理論模型及模型參數(shù)

表4 圍欄內(nèi)和圍欄外土壤速效鉀空間變異理論模型及模型參數(shù)

由表4可以看出，圍欄內(nèi)外0～20 cm土壤速效鉀空間變異水平特征，圍欄內(nèi)塊金值與基臺值之比高于圍欄外，說明圍欄內(nèi)土壤速效鉀空間變異性程度大，比值25 % ～ 75 %，表明系統(tǒng)具有中等的空間相關(guān)性，可得出圍欄內(nèi)土壤速效鉀的空間變異性受結(jié)構(gòu)因素影響的強(qiáng)度小于圍欄外土壤速效鉀。此外還可看出圍欄內(nèi)外20～40 cm土壤速效鉀空間變異水平特征，圍欄內(nèi)土壤速效鉀的塊金效應(yīng)小于圍欄外土壤速效鉀，比值<25 %，表明系統(tǒng)具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，表明無論圍欄內(nèi)外，下層土壤速效鉀的空間變異性受隨機(jī)性因素的影響小。

2.4 圍欄內(nèi)外土壤堿解氮、速效鉀含量空間變異

由于圍欄內(nèi)外土壤堿解氮、速效鉀含量具有明顯的各向同性結(jié)構(gòu)。因此，根據(jù)各向同性結(jié)構(gòu)分析后所得到的變異函數(shù)理論模型(表3～4)，采用普通克里格法進(jìn)行最優(yōu)內(nèi)插，繪制了各種土壤化學(xué)特性的空間分布格局(Kriging)圖，Kriging 插值的結(jié)果受變異函數(shù)模擬精度、樣點的分布、鄰近樣點的選取數(shù)(Searching neighborhood)的影響，利用GS+9.0 for windows軟件和Surfer8.0完成克里格插值圖的制作。由圖1～2可看出，土壤堿解氮、速效鉀在水平空間分布呈現(xiàn)出不均勻性，圍欄內(nèi)土壤堿解氮、速效鉀含量空間分布水平低于圍欄外，而且從空間插值圖來看，圍欄內(nèi)外0～20 cm土壤中堿解氮、速效鉀含量高的位置，其20～40 cm層含量卻相反，對于這樣的分布特征產(chǎn)生的原因可能與草本植被地上地下生物量差異，以及植物種類等因素有關(guān)，其原因還需要進(jìn)一步深入研究。

圖1 堿解氮Fig.1 The soil available nitrogen

圖2 速效鉀Fig.2 The soil available potassium

3 結(jié) 論

(1)圍欄內(nèi)外土壤堿解氮、速效鉀含量水平空間分布特征得出，圍欄內(nèi)土壤堿解氮、速效鉀的含量低于圍欄外。由塊金效應(yīng)得出，圍欄內(nèi)外0～20 cm土壤堿解氮空間變異水平特征，圍欄內(nèi)塊金值與基臺值之比高于圍欄外，說明圍欄內(nèi)土壤堿解氮空間變異性程度大，比值>75 %，表明系統(tǒng)具有較弱的空間相關(guān)性，可得出圍欄內(nèi)土壤堿解氮的空間變異性受結(jié)構(gòu)因素影響的強(qiáng)度稍小于圍欄外土壤堿解氮。此外還可看出圍欄內(nèi)外20～40 cm土壤堿解氮空間變異水平特征，圍欄內(nèi)土壤堿解氮的塊金效應(yīng)大于圍欄外土壤堿解氮，比值<25 %，表明系統(tǒng)具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，表明無論圍欄內(nèi)外，下層土壤堿解氮的空間變異性受隨機(jī)性因素的影響小。圍欄內(nèi)外0～20 cm土壤速效鉀空間變異水平特征，圍欄內(nèi)塊金值與基臺值之比高于圍欄外，說明圍欄內(nèi)土壤速效鉀空間變異性程度大，比值25 %～75 %，表明系統(tǒng)具有中等的空間相關(guān)性，可得出圍欄內(nèi)土壤速效鉀的空間變異性受結(jié)構(gòu)因素影響的強(qiáng)度小于圍欄外土壤速效鉀。圍欄內(nèi)外20～40 cm土壤速效鉀空間變異水平特征，圍欄內(nèi)土壤速效鉀的塊金效應(yīng)小于圍欄外土壤速效鉀，比值<25 %，表明系統(tǒng)具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，表明無論圍欄內(nèi)外，下層土壤速效鉀的空間變異性受隨機(jī)性因素的影響小。

(2)圍欄內(nèi)外土壤堿解氮、速效鉀含量垂直空間分布特征得出，圍欄內(nèi)垂直分布塊金效應(yīng)堿解氮、速效鉀0～20 cm土層高于20～40 cm土層，表明圍欄內(nèi)下層土壤堿解氮、速效鉀的空間變異性受結(jié)構(gòu)性因素影響的強(qiáng)度大于上層土壤。

(3)土壤堿解氮、速效鉀在水平空間分布呈現(xiàn)出不均勻性，圍欄內(nèi)土壤堿解氮、速效鉀含量空間分布水平低于圍欄外，而且從空間插值圖來看，圍欄內(nèi)外0～20 cm土壤中堿解氮、速效鉀含量高的位置，其20～40 cm層含量卻相反。

根據(jù)草地生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性原理[10]，草地圍封不應(yīng)是無限期的。封育期過長，不但不利于牧草的正常生長和發(fā)育，反而枯草會抑制植物的再生和幼苗的形成，不利于草地的繁殖更新[11-12]；因此，草地圍封一段時間后，進(jìn)行適當(dāng)利用，可使草地生態(tài)系統(tǒng)的能量流動和物質(zhì)循環(huán)保持良性狀態(tài)，進(jìn)而保持草地生態(tài)系統(tǒng)平衡。封育時間的長短，應(yīng)根據(jù)草地退化程度和草地恢復(fù)狀況而定。

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(責(zé)任編輯 李 潔)

Effects of Long-term Fenced Enclosure on Spatial Variability of Nutrient in Subalpine Grassland

ZHOU Jian-qiu, JIA Hong-tao*

(College of Grassland and Environmental Sciences, Xinjiang Agriculture University, Xinjiang Urumqi 830052, China)

Taken long-term fencing sterile sample located in central Xinjiang Tianshan Bayinbuluke as the study area, we studied the long term effect of enclosure on the characteristics of spatial variation of soil nutrient in subalpin grassland.The results showed that: (i)Inside the fence 0-20 cm soil alkaline hydrolysis nitrogen content mean for the average nitrogen and potassium content was 107.69 and 277.53 mg/kg, respectively, while 20-40 cm soil alkaline hydrolysis and soil available potassium content was 75.22 mg/kg and 127.52 mg/kg, respectively. The coefficients of variation was 23.88 %, 29.8 %, 22.43 %, 33.74 % respectively outside the fence and inside the fence. Outside the fence 0-20 cm soil alkaline hydrolysis nitrogen content mean for the average nitrogen and potassium content was 120.77 mg/kg and 285.37 mg/kg, respectively. 20-40 cm soil alkaline hydrolysis and soil available potassium content was 83.08mg/kg and 137.36 mg/kg, respectively . The coefficients of variation was 23.58 %, 33.97 %, 29.43 %, and 42.88 % respectively outside the fence and inside the fence.(ii)In the enclosure of the upper and lower soil alkaline hydrolysis nitrogen and potassium content and the nugget-sill ratios were 100 %, 2.97 %, 41.10 %, and 0.06 %, respectively. The outside enclosure of the upper and lower soil alkaline hydrolysis nitrogen and potassium content and the nugget-sill ratios were 9.37 %, 1.75 %, 11.28 %, and 49.99 %, respectively;(iii)soil available nitrogen and potassium in the horizontal spatial distribution of heterogeneity, the inner fence, soil available nitrogen, available potassium in the spatial distribution of lower than outside the fence, and from the spatial interpolation map view. It can be seen from above that the available nitrogen content inside enclosure in the horizontal direction is less than the variation outside enclosure，the available nitrogen content of the enclosure on the lower coefficient of variation was greater than that outside enclosure, while the lower coefficient of variation was less than that of the available nitrogen content on the enclosure，outside enclosure the enclosure on the lower and higher showed a strong spatial correlation. Available potassium content horizontally within the inside enclosure was greater degree of variation in the upper-level degree of variation, and the top has a moderate spatial correlation within the enclosure. Available potassium content showed lower degree of variation within the enclosure and was less than the lower variability degree in outside enclosure. Outside enclosure lower with moderate spatial correlation, available potassium content in the upper content distribution of space and in the lower content distribution of space was opposed.

Effects of enclosure; Spatial variability; Soil available potassium; Soil available nitrogen

1001-4829(2016)07-1729-06

10.16213/j.cnki.scjas.2016.07.041

2015-06-15

國家科技支撐項目“典型脆弱區(qū)域氣候變化適應(yīng)技術(shù)示范”(2007BAC03A06);新疆土壤學(xué)重點學(xué)科

周建勤(1975-)，男，湖南寧鄉(xiāng)人，博士，講師，主要從事水土保持、生態(tài)環(huán)境演變的教學(xué)與研究工作，Tel：15022929566，E-mail：machine1229@163.com，*為通訊作者。

S812.2

A