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      東祁連山金露梅灌叢不同恢復(fù)期碳儲(chǔ)量和土壤養(yǎng)分變化

      2019-04-04 03:23:00徐長林宋美娟汪鵬斌魚小軍
      草業(yè)科學(xué) 2019年3期
      關(guān)鍵詞:灌叢儲(chǔ)量速效

      賀 翔,徐長林,宋美娟,汪鵬斌,魚小軍

      (甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院 / 草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 / 甘肅省草業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室 /中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心,甘肅 蘭州 730070)

      金露梅(Potentilla parvifolia)灌叢是高寒落葉灌叢的典型代表,廣泛分布于青藏高原海拔2 700-4 500 m的山地陰坡、半陽坡、潮濕灘地及高海拔的山地陽坡[1]。在青藏高原以及我國其他高大山系中約有金露梅灌叢 1.16 × 107hm2,分布面積居世界之最,僅次于矮生嵩草(Kobresia humilis)草甸面積[2]。和其他灌叢一樣,金露梅灌叢含有豐富的植物資源,同時(shí)也是野生動(dòng)物的棲息地以及家畜的放牧地,并且具有良好的持水能力[3],對(duì)水土保持及涵養(yǎng)水源[4]具有重要的生態(tài)意義。

      隨著全球氣候變暖以及人類生產(chǎn)生活的改變,灌叢生態(tài)系統(tǒng)也發(fā)生了較多變化。近年來針對(duì)金露梅灌叢的分布[5]、生物量[6-7]、CO2排放[8]及放牧影響[9-10]等方面已有研究。土壤養(yǎng)分是反映草地生產(chǎn)性能及土壤潛在肥力的重要指標(biāo),也是制定土壤改良利用方向及措施的重要依據(jù)[11]。關(guān)于土壤氮、磷、鉀元素的研究主要集中在植被結(jié)構(gòu)及其地上-地下生物量分配[12]、大區(qū)域或農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)[13]、退化草地[14]、不同植被類型[15]等方面。目前,諸多學(xué)者對(duì)灌叢植被特征及變化有較多研究,而有關(guān)金露梅灌叢土壤理化性質(zhì)及生態(tài)功能的動(dòng)態(tài)研究尚少。因此,為明晰植被恢復(fù)過程中土壤特性的變化特征,以位于東祁連山的甘肅天祝高寒金露梅灌叢為研究對(duì)象,對(duì)比了不同恢復(fù)期金露梅灌叢碳儲(chǔ)量和土壤養(yǎng)分含量變化情況,為高寒灌叢生態(tài)系統(tǒng)管理提供科學(xué)依據(jù)。

      1 材料與方法

      1.1 樣地概況

      試驗(yàn)地設(shè)在甘肅省天??h抓喜秀龍鄉(xiāng)附近的金露梅灌叢,地理坐標(biāo)為 37°11′-37°13′ N,102°23′-102°29′ E,海拔 2 960 m。該地區(qū)水熱同期,無絕對(duì)無霜期,年均氣溫-0.1 ℃,最熱月7月,均溫為 12.7 ℃,最冷月 1 月,均溫為-18.3 ℃,≥ 0 ℃的年積溫為 1 380 ℃·d。年均降水量 416 mm,多集中于7-9月,年蒸發(fā)量為1 592 mm。土壤以亞高山草甸土、亞高山黑鈣土等為主[16]。灌叢土層薄,約 25 cm,土壤 pH 為 7.0~8.2[11]。

      1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

      運(yùn)用“空間代替時(shí)間”的方法[17],依據(jù)前人的研究基礎(chǔ),選擇1997年監(jiān)測(cè)的金露梅灌叢樣地相關(guān)數(shù)據(jù)為未恢復(fù)治理期 (no recovering, NR),2018 年7月在1997年的原樣地(此樣地20年一直處于自然演替)附近再次監(jiān)測(cè),所得數(shù)據(jù)代表恢復(fù)后期(late stages of restoration, LR)。依據(jù)任繼周的《草業(yè)科學(xué)研究方法》[18],對(duì)周邊金露梅灌叢群落植被狀況進(jìn)行調(diào)查,依調(diào)查結(jié)果在微地貌及生境條件基本一致的灌叢群落選擇布設(shè)2個(gè)100m×100m樣地,代表1997-2018年20年期間的恢復(fù)初期(initial stages of restoration, IR)和恢復(fù)中期 (medium-term of restoration, MR)。各樣地植被基本情況如表1所列。

      1.3 測(cè)定方法

      野外采樣:于2018年8月底分別在各樣地內(nèi)的10m×10m樣方中隨機(jī)挖取金露梅灌叢5叢,分別裝袋帶回實(shí)驗(yàn)室,按葉、枝、莖、根分別收集,并在灌叢下取0.5m×0.5m樣方測(cè)定草本,重復(fù)3次,收集其地上、地下部分植物量,裝袋帶回實(shí)驗(yàn)室,且根系泥土用流水清洗干凈,然后將所有樣品置入電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱于105 ℃殺青30min,再于 65 ℃下烘干 24 h后稱重,粉碎,過 0.15 mm網(wǎng)篩,裝入棕色廣口瓶以用于碳含量的測(cè)定。

      表1 試驗(yàn)樣地灌叢植被基本情況Table 1 Shrub vegetation situations in test sampling plots

      2018年8月初,分別在3個(gè)樣地的對(duì)角線附近均勻選擇3個(gè)5 m × 5 m樣方,在樣方中選擇具有代表性觀測(cè)點(diǎn)一處,即每個(gè)樣地3個(gè)點(diǎn),在測(cè)定前一天,將PVC環(huán)嵌入土壤中,其嵌入深度為2 cm,清除環(huán)內(nèi)的植物和凋落物,經(jīng)24 h平衡后,采用土壤碳通量自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)(Li-8100)進(jìn)行土壤呼吸測(cè)定。選擇天氣晴朗、氣候條件穩(wěn)定的時(shí)間,測(cè)定時(shí)間一般為08:00-12:00,每個(gè)點(diǎn)測(cè)定時(shí)間約為2 min,所有測(cè)定點(diǎn)必須在 4 h 內(nèi)完成。連續(xù)測(cè)定 8 d,每月共測(cè)兩次。為了消除日動(dòng)態(tài)變化的影響,每次按不同順序進(jìn)行測(cè)定。

      室內(nèi)分析:2018年8月中旬采用五點(diǎn)取樣法進(jìn)行土壤取樣,利用直徑3.5 cm土鉆,取0-10、10-20和20-30 cm土層土壤,5次重復(fù),取400~500 g土樣帶回實(shí)驗(yàn)室,撿出土壤中碎石子、草根等,陰干后研磨細(xì),過0.25 mm篩網(wǎng),測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)(重鉻酸鉀-外加熱法,g·kg-1)、全氮(半微量凱氏定氮法,g·kg-1)、全磷(H2SO4-HClO4消煮-鉬銻抗比色法,g·kg-1)、全鉀(NaOH熔融-火焰光度法,g·kg-1);過1 mm篩網(wǎng),測(cè)定速效氮(堿解擴(kuò)散法,mg·kg-1)、速效磷(高錳酸鉀氧化-葡萄糖還原法,mg·kg-1)、速效鉀(NH4OAc浸提-火焰光度法,mg·kg-1)[20]。

      土壤容重采用環(huán)刀法測(cè)定,在每個(gè)樣地邊界處挖掘一個(gè)土壤剖面,用直徑5 cm土壤環(huán)刀按0-10、10-20和20-30 cm土層取土壤容重樣品,5次重復(fù),帶回實(shí)驗(yàn)室,置入電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱于105 ℃烘干24 h,稱重并計(jì)算土壤容重。

      1.4 統(tǒng)計(jì)分析

      利用 Microsoft Excel 2010 進(jìn)行數(shù)據(jù)整理,并繪圖,利用 SPSS 20.0 對(duì)所有數(shù)值以“平均值 ± 標(biāo)準(zhǔn)誤”進(jìn)行單因素方差分析。

      2 結(jié)果

      2.1 金露梅灌叢碳儲(chǔ)量

      隨著金露梅灌叢恢復(fù)期的延長,金露梅的葉、枝、莖和根的碳儲(chǔ)量呈增大趨勢(shì),各恢復(fù)期間差異顯著(P<0.05);金露梅灌叢下草本地上部分的碳儲(chǔ)量基本保持不變,差異不顯著(P>0.05);草本地下部分的碳儲(chǔ)量隨著恢復(fù)期延長呈下降趨勢(shì),各恢復(fù)期間差異顯著(P<0.05);整個(gè)灌叢系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量呈增大趨勢(shì)(圖1)。

      2.2 土壤物理性質(zhì)變化

      2.2.1 土壤呼吸

      金露梅灌叢叢間土壤呼吸速率隨恢復(fù)期延長總體呈升高趨勢(shì),NR、IR、MR間和 IR、MR、LR間無顯著差異(P>0.05),但LR顯著高于NR(P<0.05);叢內(nèi)土壤呼吸速率呈先降后升趨勢(shì),NR 顯著高于 IR、MR、LR(P< 0.05)(圖 2)。

      2.2.2 土壤水分

      金露梅灌叢經(jīng)20年恢復(fù),土壤含水量也表現(xiàn)出不同程度的差異,其叢間土壤含水量,0-10 cm土層中,NR、IR、MR 之間無顯著差異 (P>0.05),三者均顯著低于 LR(P<0.05);10-20cm 土層中,MR和LR無顯著差異(P>0.05),均顯著高于NR和IR(P<0.05);20-30cm 土層中,IR、MR、LR 無顯著差異 (P>0.05),MR 和 LR 顯著高于 NR(P< 0.05)(圖3)。金露梅灌叢叢內(nèi)土壤含水量變化趨勢(shì)與叢間土壤含水量變化基本一致,總體均呈上升趨勢(shì) (圖 3)。

      圖 1 金露梅灌叢碳儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)變化Figure 1 Dynamic changes in the carbon storage of Potentilla parvifolia

      圖 2 金露梅灌叢土壤呼吸動(dòng)態(tài)變化Figure 2 Dynamic changes in the soil respiration of Potentilla parvifolia

      圖 3 金露梅灌叢土壤含水量動(dòng)態(tài)變化Figure 3 Dynamic changes in the soil water contents of Potentilla parvifolia

      2.2.3 土壤容重

      金露梅灌叢隨恢復(fù)期延長,叢間土壤容重0-10 cm土層中呈下降趨勢(shì),LR顯著低于NR和IR(P<0.05);10-20 cm土層中,呈先降后升趨勢(shì),但4個(gè)恢 復(fù) 期 之 間 無 顯 著 性 差 異 (P>0.05);20-30 cm土層中,也呈先降后升趨勢(shì),IR和MR無顯著差異(P>0.05),MR 顯著低于 NR 和 LR(P<0.05)(圖 4)。

      叢內(nèi)土壤容重0-10 cm土層中呈下降趨勢(shì),IR、MR、LR 之間無顯著差異 (P>0.05),MR、LR 顯著低于 NR(P<0.05);10-20 cm 土層中,表現(xiàn)為 MR <IR≈ LR<NR,差異顯著 (P<0.05);20-30 cm 土層 中 , MR 顯 著 小 于 NR 和 LR(P< 0.05), NR、IR、LR 無顯著差異 (P>0.05)(圖 4)。

      2.3 土壤養(yǎng)分含量變化

      2.3.1 土壤有機(jī)質(zhì)的變化

      隨著金露梅灌叢的逐漸恢復(fù),叢間各層土壤有機(jī)質(zhì)含量均呈先升后降的單峰曲線,0-10 cm土層中,峰值為 MR, NR和 LR顯著低于 MR、IR(P< 0.05);10-20 cm 土層中,峰值為 IR, MR 和 LR 顯著低于 NR、IR(P<0.05);20-30 cm 土層中,表現(xiàn)為IR>NR>MR>LR(表 2)。

      圖 4 金露梅灌叢土壤容重動(dòng)態(tài)變化Figure 4 Dynamic changes in the soil bulk density of Potentilla parvifolia

      隨著金露梅灌叢的逐漸恢復(fù),叢內(nèi)各層土壤有機(jī)質(zhì)含量呈先升后降的單峰曲線,峰值均為IR。0-10 cm 土層中,NR、LR 顯著低于 IR、MR(P<0.05);10-20 cm土層中,MR、LR顯著低于 NR、IR(P<0.05);20-30 cm土層中,LR顯著低于 NR、IR、MR(P<0.05)(表 3)。綜上,除表層土壤有機(jī)質(zhì)含量保持一致外,深層土壤有機(jī)質(zhì)含量在LR降低很明顯,與NR相比,約降低64.2%。

      2.3.2 土壤全氮和速效氮的變化

      隨著金露梅灌叢的逐漸恢復(fù),叢間土壤全氮含量0-10 cm土層中,MR、LR顯著低于NR、IR(P<0.05);10-20 cm土層中,IR、MR、LR均顯著低于 NR(P<0.05);20-30 cm 土層中,LR 顯著低于NR、IR、MR(P<0.05)(表 2)。叢內(nèi)土壤全氮含量0-10 cm土層中,恢復(fù)期之間無顯著性差異(P>0.05);10-20、20-30 cm土層中,全氮含量均呈降低趨勢(shì) (表 3)。

      隨著金露梅灌叢的逐漸恢復(fù),叢間土壤速效氮含量呈先升后降的單峰曲線,0-10 cm土層中峰值為 MR, NR、LR 顯 著 低 于 MR(P<0.05);10-20、20-30 cm土層中,峰值為IR, LR顯著低于NR、IR、MR(P<0.05),后三者差異不顯著 (P>0.05)(表 4)。叢內(nèi)土壤速效氮含量0-10 cm土層中,MR顯著高于 NR、IR 和 LR(P<0.05);10-20 cm 中,表現(xiàn)為IR>NR>MR>LR,差異顯著(P<0.05);20-30 cm 中,MR、LR 顯著低于 NR、IR(P<0.05)(表 5)。

      2.3.3 土壤全磷與速效磷的變化

      金露梅灌叢土壤全磷含量在叢間0-10 cm土層中,MR 顯著高于 NR、IR、LR(P<0.05);10-20、20-30 cm土層中,IR顯著高于 NR、MR、LR(P<0.05)(表 2)。叢內(nèi)土壤全磷含量 0-10、10-20 cm土層中,MR 顯著低于 NR、IR、LR(P<0.05);20-30 cm 中,MR、LR 顯著低于 NR、IR(P<0.05)(表 3)。

      金露梅灌叢土壤速效磷含量表現(xiàn)為NR>IR >MR>LR。叢間土壤 0-10 cm、10-20 cm 土層中,4 個(gè)恢復(fù)期之間無顯著性差異 (P>0.05);20-30 cm土層中,LR 顯著低于 NR、IR(P<0.05)(表 4)。叢內(nèi)土壤0-10 cm土層中,恢復(fù)期之間無顯著性差異 (P>0.05);10-20、20-30 cm 土層中,LR 顯著低于 NR(P<0.05)(表 5)。

      2.3.4 土壤全鉀和速效鉀的變化

      土壤全鉀含量表現(xiàn)為 NR>IR>LR>MR。叢間土壤0-10 cm土層中,恢復(fù)期之間差異顯著(P<0.05);10-20、20-30 cm中,IR和LR顯著低于NR(P<0.05),顯著高于 MR(P<0.05)(表 2)。叢內(nèi)土壤0-10 cm土層中,NR和IR顯著高于MR、LR(P<0.05);10-20、20-30cm土層中,MR顯著低于NR、IR、LR(P<0.05)(表3)。

      叢間土壤速效鉀含量0-10 cm土層中表現(xiàn)為NR>MR>IR>LR,差異顯著 (P<0.05);10-20 cm土層中表現(xiàn)為:NR>IR>LR>MR,差異顯著 (P<0.05);20-30 cm土層中,MR、LR顯著低于NR、IR(P<0.05)(表 4)。叢內(nèi)土壤速效鉀含量 0-10 cm 土層中,MR 顯著高于NR、IR、LR(P<0.05);10-20 cm土層中,表現(xiàn)為 NR>IR>LR>MR,差異顯著 (P< 0.05);20-30 cm土層中,NR顯著高于 IR、MR、LR(P<0.05)(表 5)。

      3 討論

      碳是生命物質(zhì)中的主要元素之一,是有機(jī)質(zhì)的重要組成部分。草地是個(gè)巨大的碳庫,在中國陸地生態(tài)系統(tǒng)中扮演著重要角色。方精云等[21]研究表明目前中國草地生物量碳密度在294.00~348.10gC·m-2,中國草地生態(tài)系統(tǒng)碳庫大小為29.10PgC,還迫切需要研究中國陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳潛力及植物碳庫動(dòng)態(tài)變化,尤其是灌叢生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)變化。本研究表明,從1997年至2018年金露梅灌叢系統(tǒng)碳儲(chǔ)量從 1 502.28g·m-2增長到 2 944.22g·m-2,增大2倍左右,隨著金露梅灌叢恢復(fù)期的延長,灌木的碳儲(chǔ)量呈增長趨勢(shì),而灌叢下草本層碳儲(chǔ)量逐漸降低,但灌叢密度越大,其貢獻(xiàn)也越大,使整個(gè)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量呈上升趨勢(shì),這與李紅琴等[4]報(bào)道的金露梅灌叢植被主要以草本固碳為主的觀點(diǎn)相悖。金露梅各器官碳儲(chǔ)量和灌木層平均碳儲(chǔ)量均增大,其主要由灌叢面積和生物量增加,即灌叢恢復(fù)引起的,這是我國陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量增加的主要原因[22]。本研究包括了灌木層和草本層,使對(duì)灌叢生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的估算更為準(zhǔn)確。若灌叢密度小,則草本占有較多,其對(duì)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的貢獻(xiàn)不容疏忽,而趙串串等[12]的研究僅限于灌木層,忽略了草本層,在一定程度上低估了灌叢生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量。

      土壤呼吸是土壤中碳返還大氣的主要途徑,也是目前全球大氣中碳增加的一個(gè)重要來源[23]。土壤呼吸會(huì)受諸多因素的影響,如土壤有機(jī)物、微生物、基質(zhì)和環(huán)境狀況等[24]。本研究表明,叢間土壤呼吸速率隨金露梅灌叢恢復(fù)期的延長而逐漸升高,叢內(nèi)土壤呼吸則有下降趨勢(shì),其主要原因歸結(jié)于土壤有機(jī)質(zhì),叢內(nèi)凋落物量大,有機(jī)質(zhì)含量較高,抑制了土壤呼吸[25]。其次,金露梅灌叢的冠幅越來越大,叢內(nèi)的總輻射[26]遠(yuǎn)不如叢間,使叢內(nèi)土壤呼吸速率降低,叢間升高。金露梅灌叢呈進(jìn)展演替,灌叢的面積逐漸大于叢間草地的面積,整個(gè)系統(tǒng)的土壤呼吸卻基本保持不變。本研究發(fā)現(xiàn),0-10 cm土層容重呈下降趨勢(shì),且小于1.0,說明土壤較疏松,孔隙度較大,具有良好的持水性,這與張平等[27]研究的毛管孔隙度越大,土壤中有效水的貯存容量越大的結(jié)果相一致。

      土壤有機(jī)質(zhì)是指示土壤健康的關(guān)鍵指標(biāo),其含量受土地利用方式、人為耕作管理措施等因素的影響[28-29]。本研究發(fā)現(xiàn),隨植被恢復(fù)期的延長,金露梅灌叢生物量增大,凋落物量也隨之增多,凋落物分解,使土壤有機(jī)質(zhì)含量增多,但生物量增大到368 g·m-2左右時(shí),有機(jī)質(zhì)含量卻有下降趨勢(shì),這與胡克林等[30]研究認(rèn)為隨著植物產(chǎn)量的不斷提高,部分地區(qū)的有機(jī)質(zhì)入不敷出,呈下降趨勢(shì)的結(jié)果相一致。土壤中的氮素主要來源于土壤表層植物殘?bào)w和土壤動(dòng)物殘?bào)w及微生物等有機(jī)質(zhì)的積累[31]。植被覆蓋可有效減少土壤全氮的流失,其減少作用隨覆蓋度的增大而增加[32],這與Weier[33]研究結(jié)果相一致。土壤全磷含量與有機(jī)碳消漲趨勢(shì)是一致的[34]。本研究中,金露梅灌叢叢間土壤全磷含量隨土層深度增加而減少,灌叢內(nèi)土壤全磷含量則隨土層深度增加呈先減少后增加趨勢(shì)。在不同的覆被類型下,土壤全磷含量隨土壤深度增加而增加或減少[35]。本研究與土壤全磷含量隨植被恢復(fù)時(shí)間的增加而增加[35-36]的研究結(jié)果相悖。因?yàn)?,金露梅灌叢持續(xù)恢復(fù),全磷包括其他部分養(yǎng)分含量增加到一定程度不再繼續(xù)增加,反而有降低趨勢(shì)。

      土壤速效養(yǎng)分是植物生長發(fā)育所必需的基本元素直接來源,其含量變化規(guī)律與土壤類型、地形地貌及成土母質(zhì)的分布情況有一定的聯(lián)系[37]。而對(duì)于磷,Osono和Takeda[38]研究發(fā)現(xiàn),木質(zhì)素與磷的質(zhì)量比率高時(shí),磷會(huì)被固定在枯枝落葉中,當(dāng)比值小時(shí),磷將從枯枝落葉中釋放以增加土壤養(yǎng)分含量。本研究結(jié)果表明,金露梅灌叢經(jīng)過長時(shí)間的恢復(fù),叢內(nèi)枯枝落葉將大量積累,枯落物增加,導(dǎo)致部分磷固定在枯枝落葉中而未被釋放,造成土壤速效磷含量很低,與周厚誠等[36]認(rèn)為速效磷含量在各群落中皆表現(xiàn)出隨土壤深度增加而降低的趨勢(shì),且降低速率較小的觀點(diǎn)相符,而與Jiao等[39]研究的有效磷含量與有機(jī)質(zhì)和全氮含量具有顯著正相關(guān)的結(jié)果相悖。

      綜上,金露梅灌叢經(jīng)過20年的恢復(fù),金露梅灌叢為陸地生態(tài)系統(tǒng)提供了提高碳儲(chǔ)量和土壤水分等貢獻(xiàn),發(fā)揮了其促進(jìn)碳循環(huán)、保持水土以及涵養(yǎng)水源的生態(tài)功能。同時(shí)土壤有機(jī)質(zhì)、全磷以及速效氮、速效磷、速效鉀等養(yǎng)分含量有減少趨勢(shì),降低了土壤的肥沃程度,使生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力受到影響。因此需要進(jìn)一步研究灌叢合理的放牧利用率和調(diào)控機(jī)制,使灌叢和草本植物協(xié)調(diào)共生、和諧生長,提升土壤特性,優(yōu)化生態(tài)環(huán)境效益,提高草牧業(yè)生產(chǎn)能力。

      4 結(jié)論

      從1997年至2018年,金露梅灌叢灌木碳儲(chǔ)量呈增大趨勢(shì),金露梅灌叢下草本地上部分碳儲(chǔ)量基本保持不變,地下部分碳儲(chǔ)量呈下降趨勢(shì),灌叢群落的碳儲(chǔ)量處于增大趨勢(shì)。隨著金露梅灌叢逐漸恢復(fù),叢間土壤呼吸速率隨灌叢恢復(fù)期的延長而增大,叢內(nèi)土壤呼吸速率則減小;土壤含水量均呈增大趨勢(shì),0-10 cm土層容重呈減小趨勢(shì),10-30 cm土層土壤容重先減后增。金露梅灌叢叢間和叢內(nèi)0-30 cm土壤有機(jī)質(zhì)和速效氮含量先增后減;全磷和速效磷含量逐漸減?。蝗浐肯葴p后增,速效鉀含量總體呈減小趨勢(shì)。

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