全 文 ：第21卷　第1期
　Vol.21　 No.1
草　地　学　报
ACTA AGRESTIA SINICA
　　　　　2013年 1月
　 Jan.　　2013
不同海拔下高寒草甸土壤养分分异趋势
及其与地上植物量间的相关性研究
德科加1,2,张德罡1∗,王　伟2,徐成体2,张　明2,魏希杰2
(1.甘肃农业大学草业学院 草业生态系统教育部重点实验室 中-美草地畜牧业可持续发展研究中心,甘肃 兰州　730070;
2.青海省畜牧兽医科学院,青海 西宁　810016)
摘要:以青海省称多地区高寒草甸6个海拔梯度(4056,4221,4263,4293,4332,4427m)样地为对象,通过测定土壤
养分质量分数,研究了土壤养分随海拔梯度的变化规律及其与地上植物量的相关关系。结果表明:土壤有机质、全
氮(N)、速效N、速效磷(P)、速效钾(K)的质量分数随海拔均呈“U”型分异趋势;土壤全P质量分数随海拔梯度的
变化相对稳定;土壤全K、全N、速效N、速效K、速效P、土壤有机质的质量分数与地上植物量呈相似的变化趋势,
其中,土壤全N、速效K与地上植物量成显著正相关(P<0.05)。土壤全N、土壤有机质、速效N、速效P和速效K
是影响地上植物量的第1主成分,土壤全P和全K是第2主成分,累计贡献率为78.77%。
关键词:地上植物量;土壤养分;高寒草甸;海拔梯度
中图分类号:S158.3　　　　文献标识码:A　　　　　文章编号:1007-0435(2013)01-0025-05
DifferentiationofSoilNutrientsalongAltitudeGradientandIts
RelationshipwithAbovegroundBiomassinAlpineMeadow
Dekejia1,2,ZHANGDe-gang1∗,WANG Wei2,XUCheng-ti2,ZHANGMing2,WEIXi-jie2
(1.ColegeofPrataculturalScience,GansuAgriculturalUniversity,KeyLaboratoryofGrasslandEcosystem,MinistryofEducation,
Sino-U.S.CentersforGrazinglandEcosystemSustainability,Lanzhou,GansuProvince730070,China;2.QinghaiAcademyof
AnimalScienceandVeterinaryMedicine,Xining,QinghaiProvince810016,China)
Abstract:ThemassfractionsofsoilnutrientsforalpinemeadowsinQinghaiweremeasuredtoanalyze
theirdifferentiationandrelationshipsbetweensoilnutrientsandabovegroundbiomassatdifferentaltitudes
(4056,4221,4263,4293,4332,4427m).Resultsindicatedthatthemassfractionsofsoilorganicmatter,
totalnitrogen,availablenitrogen,availablephosphorusandavailablepotassiumwerehigheratthefirst
andsixthgradient,whereaswereloweratthemiddlegradients.Totalphosphoruscontentshowedastable
patternwiththeincreaseofaltitudegradient.Theplantabovegroundbiomassvariedsimilarlywiththeto-
talnitrogen,totalpotassium,availablenitrogenandavailablepotassiumcontents.Thereweresignificant
positivecorrelationsbetweenbiomassandtotalnitrogen,availablepotassium.Totalnitrogen,soilorganic
matter,availablenitrogen,availablephosphorusandavailablepotassiumconstitutedthefirstprincipal
componentofaffectingplantabovegroundbiomass.Totalphosphorusandtotalpotassiumconstitutedthe
secondprincipalcomponent.Thesetwoprincipalcomponentscontributed78.77% tothevarianceof
abovegroundbiomass.
Keywords:Abovegroundbiomass;Soilnutrient;Alpinemeadow;Altitudegradient
　　土壤不仅是固定植物的关键基质,同时也是植
物生长所需N,P,K等矿质元素的主要来源,可以
说土壤是维持陆地生态系统稳定的不可或缺的重要
部分[1]。土壤养分质量分数的高低直接决定着生态
系统的结构、功能和生产力水平[2],对植物的生长起
着关键性的作用[3]。
青藏高原作为我国面积最大的天然草地[4]及畜
牧业基地[5],历来是众多学者研究的重点,关于土壤
收稿日期:2012-08-31;修回日期:2012-11-15
基金项目:农业部公益性行业专项(201203007)资助
作者简介:德科加(1974-),男,藏族,青海大通人,研究员,博士研究生,主要从事草地生态、牧草加工及利用的研究工作,E-mail:kjde@ya-
hoo.cn;∗通信作者 Authorforcorrespondence,E-mail:zhangdg@gsau.edu.cn
草　地　学　报 第21卷
养分方面也有大量报道[6-7]。高安社等[8]针对不同
草原类型土壤养分差异进行了分析;龙训建等[9]则
利用GIS技术和地统计学空间内插法,建立了高寒
草甸土壤养分的最佳模型。而魏登贤等[10]则研究
了不同退化程度高寒草甸的土壤养分差异,但是由
于测定的土壤养分元素较少,因而不能全面了解高
寒草甸土壤养分随退化程度的变化规律;此外,王长
庭等[1]探究了不同海拔梯度的高寒草甸土壤养分与
地上植物量的相关性,并建立了回归方程。然而,关
于高寒草甸中存在的碱解氮、速效钾等养分随海拔
梯度的变化尚未展开。鉴于此,本文拟以高寒草甸
常见嵩草(Kobresia Wild.)草甸为研究对象,采用
样方法探究了不同海拔梯度下7种主要土壤养分对
初级生产力的影响。
1　材料与方法
1.1　研究区概况
研究区位于青海省三江源区玉树州称多县境内
(E96°02′36″~97°21′24″,N32°53′30″~34°47′10″),
海拔4000m以上,属典型的高原高寒气候。全年
无四季之分,只有冷暖两季之别,冷季长达7~8个
月,暖季只有4~5个月。年均温为2.9℃,1月均温
-7.5℃,7月均温12.5℃。年降水量487mm,地
形以高原为主,西北和中部高,东南与东北低。植被
类型含嵩草草甸,金露梅(Potentillafruticosa)灌
木等,但主要以嵩草草甸为主,主要优势种是小嵩草
(K.pygmaea)、矮嵩草(K.humilis)、线叶嵩草
(K.capllifolia)、藏嵩草(K.tibetica)等,主要伴
生种有异针茅(Stipaaliena)、圆穗蓼(Polygonum
macrophyllum)、珠芽蓼(Polygonumviviparum)
等,并有龙胆(Gentianaspp.)、星状风毛菊(Saus-
sureastella)等杂草。土壤类型主要是高山草甸土、
高山灌丛草甸土及沼泽土。
1.2　试验方法
　　试验地位于称多县歇武镇境内当地牧户冬季放
牧草场,选取草甸植物类型相对一致、均一的冬季放
牧草场为样地,从山顶到最低处(河谷)的垂直剖面
上,每隔50~100m海拔落差设置一个样地作为一
个海拔梯度,共6个海拔梯度样地(4056,4221,
4263,4293,4332,4427m),编号为样地1~样地6,
每一梯度在100m×100m的样地内,设置4个面
积为1m×1m样方,在植物生长期,于2011年7月
20日用收获法测定地上植物量,并按照莎草类、禾
草类、杂类草分类,称取鲜重后在105℃烘干至恒
重,为地上植物量。
在测定地上植物量的同时,在样方内采集植
被根际0~15和15~30cm的土壤样品,重复3
次,混合后风干待测。其中土壤全氮(N)采用半微
量凯氏定氮法、速效N采用碱解蒸馏法、土壤全磷
(P)采用钼锑抗显色法、速效P采用碳酸氢钠法、
土壤全钾(K)采用 NaOH熔融-火焰光度法、速效
K采用乙酸铵-火焰光度法、土壤有机质采用硫酸-
重铬酸钾法进行测定。
1.3　数据分析
运用Excel2007作图,运用SPSS13.0软件进
行数据统计分析。
2　结果与分析
2.1　土壤养分差异比较
如图1-A所示,土壤全K和土壤全N质量分数
是随着海拔的增加均呈“U”型变化趋势,其中在海
拔为4056和4427m时,土壤全N质量分数分别为
9.43g·kg-1和9.12g·kg-1,显著高于其他海拔
梯度(P<0.05);而土壤全P则随海拔的增加无显
著变化。
　　随着海拔的增加,土壤有机质呈“W”型变化趋
势,在海拔梯度为4056和4427m时,土壤有机质分
别达到135.41g·kg-1和152.43g·kg-1;在海拔梯
度为4263m时,土壤有机质有一个高峰(图1-B)。
如图2所示,与土壤全N、全K质量分数的变化
相似,随着海拔的增加,土壤速效N,K,P呈“W”型变
化趋势,在海拔为4056,4427,4263m时,土壤速效N
分别为498.6,417.68,586.7mg·kg-1;速效K分
别为473.53,244.95,283.05mg·kg-1;速效P分别
为15.75,10.8,7.05mg·kg-1。不同之处在于土壤
速效N总体上是升高的趋势,而土壤速效K和速效
P则是下降的趋势。
2.2　地上植物量比较
高寒草甸地上植物量是随着海拔的增加呈“V”
型变化,其中,在海拔为4056m时,高寒草甸地上
植物量达到最大,为458.95g·m-2;而在海拔梯度
为4263m时,高寒草甸地上植物量最小,为67.63
g·m-2(图3)。
62
第1期 德科加等:不同海拔下高寒草甸土壤养分分异趋势及其与地上植物量间的相关性研究
图1　不同海拔梯度下土壤全N、全P、全K(A)及有机质(B)质量分数变化趋势
Fig.1　Soiltotalnitrogen,totalphosphorus,totalpotassiumandsoilorganicmatterofdifferentaltitudegradients
注:同一条折线上不同字母表示差异显著(P<0.05),下同
Note:Differentlettersinthesamelineshowsignificantdifferenceatthe0.05level,thesameasbelow
图2　不同海拔梯度下土壤速效N、速效K(A)及土壤速效P(B)质量分数变化趋势
Fig.2　Soilavailablenitrogen,availablepotassium,availablephosphorusofdifferentaltitudegradients
图3　不同海拔梯度下高寒草甸地上植物量比较
Fig.3　Abovegroundbiomassesofdifferent
altitudegradients
2.3　地上植物量与土壤因子的相关性分析
土壤不同养分对高寒草甸地上植物量的影响是
不一致的。其中,由于海拔的变化,全N、速效K与
地上植物量成显著正相关(表1)。回归分析表明:
土壤全N、速效K与地上植物量均呈三次回归模型
(图4),回归方程分别是y=3.97x-10.63x2+
7.39x3+309.67和y=-11.14x+24.31x2-12.91x3
+302.64。此外,土壤有机质与全N、速效K、速效P
成极显著正相关(表1)。
2.4　土壤养分因子主成分分析
对影响不同海拔地上植物量的土壤因子进行主
成分分析,结果表明:前2个主成分的特征值均大于
1(3.96和1.52),累计贡献率达到了78.77%(表
2),第1主成分与土壤全N、土壤有机质、速效N、速
效P和速效K成显著正相关;第2主成分与土壤全
P成负相关,与土壤全K成正相关。
3　讨论与结论
土壤养分是决定高寒草甸群落生产力的主要推
动力之一[1],而土壤养分质量分数的高低受到多重
因素的综合作用[11]。杨继松等[12]研究表明,温度的
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草　地　学　报 第21卷
表1　土壤养分与地上植物量的相关性
Table1　Relationshipbetweensoilnutrientsandabovegroundbiomass
土壤全氮
TotalN
土壤全磷
TotalP
土壤全钾
TotalK
土壤有机质
Soilorganicmatter
土壤速效氮
AvailableN
土壤速效磷
AvailableP
土壤速效钾
AvailableK
地上植物量
Abovegroundbiomass
土壤全氮 TotalN 1 -0.08 -0.38 0.74∗∗ 0.75∗∗ 0.56∗∗ 0.72∗∗ 0.53∗∗
土壤全磷 TotalP -0.08 1 0.06 0.30 0.23 0.18 0.02 -0.17
土壤全钾 TotalK -0.38 0.06 1 -0.57∗∗ -0.43∗ -0.25 -0.25 0.18
土壤有机质Soilorganicmatter 0.74∗∗ 0.30 -0.57∗∗ 1 0.90∗∗ 0.66∗∗ 0.70∗∗ 0.17
土壤速效氮 AvailableN 0.75∗∗ 0.23 -0.43∗ 0.90∗∗ 1 0.60∗∗ 0.67∗∗ 0.31
土壤速效磷 AvailableP 0.56∗∗ 0.18 -0.25 0.66∗∗ 0.60∗∗ 1 0.89∗∗ 0.34
土壤速效钾 AvailableK 0.72∗∗ 0.02 -0.25 0.70∗∗ 0.67∗∗ 0.89∗∗ 1 0.59∗∗
地上植物量 Abovegroundbiomass 0.53∗∗ -0.17 0.18 0.17 0.31 0.34 0.59∗∗ 1
　　注:∗表示显著相关(P<0.05);∗∗表示极显著相关(P<0.01)
Note:∗showssignificantcorrelation(P<0.05);∗∗showshighlysignificantcorrelation(P<0.01)
图4　土壤全N、速效K与地上植物量的模拟回归分析
Fig.4　Regressionanalysisbetweensoiltotalnitrogen,availablepotassiumandabovegroundbiomass
表2　土壤养分因子主成分分析矩阵
Table2　Principalcomponentanalysismatrix
ofsoilnutrientfactors
变量
Variables
主成分Principalcomponent
主成分1
Principalcomponent1
主成分2
Principalcomponent2
土壤全氮 TN 0.93 0.14
土壤全磷 TP 0.001 -0.78
土壤全钾 TK -0.093 0.74
土壤有机质SOM 0.91 -0.35
土壤速效氮 AN 0.92 -0.22
土壤速效磷 AP 0.80 0.16
土壤速效钾 AK 0.89 0.38
方差贡献率/%
Variancecontribution
57.08 21.69
累计贡献率/%
Cumulativecontribution
78.77
升高能加速有机碳的矿化,其原因在于温度升高后,
提高了土壤微生物的活性,因而加速了土壤有机质
的矿化[13],类似的发现在黄耀等[14]、杨钙仁等[15]的
研究中也得到证实。本研究表明,随着海拔的增加,
土壤有机质呈“W”型变化,表现出在海拔为4056,
4263,4427m时,土壤有机质最高(图1-B)。分析原
因可能是:一方面,随着海拔的增加,温度下降,从而
利于土壤有机质的积累,这与王长庭等[1]的研究结
果一致;另外,当土壤水分增加时,可能影响到土壤
质地[16],因此土壤有机质通常随土壤水分的增加而
增加[17]。
研究表明,土壤中全N主要是以有机态的形式
存在,土壤全 N是土壤速效 N的主要来源[18],因
此,土壤全N与土壤速效N成显著正相关[1]。王长
庭等指出,土壤全N质量分数与土壤有机质成极显
著正相关[1,7]。本研究表明,与土壤有机质的变化
相似,土壤全N、速效N随海拔的增加同样呈“U”型
变化(图1-A和图2-A),分析原因在于:土壤全 N
的矿化随温度的增加而增加,因此当海拔增加时,温
度不断下降,从而利于土壤全N、速效N的积累;而
在较低海拔时,由于土壤湿度、温度、土壤质地及植
被类型等综合作用,使得土壤全 N质量分数较高,
土壤速效N增加。
土壤中的磷素大多来自土壤母质[1],土壤全磷
包括有机磷和无机磷2类。有研究表明,相比土壤
全N、土壤有机质等养分,土壤全P的变异系数较
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第1期 德科加等:不同海拔下高寒草甸土壤养分分异趋势及其与地上植物量间的相关性研究
小[9],这表明土壤全P相对稳定。本研究同样发
现,随着海拔的增加,土壤全P质量分数相对稳定
(图1-A)。而土壤速效P是植物能直接吸收的主要
磷素,是牧草当季利用的主要磷素[19],李法云等[20]
研究指出,土壤速效P与土壤全P并不成显著的正
相关关系,但与有机质成极显著正相关。本研究发
现,与土壤有机质的变化相似,随着海拔的增加,土
壤速效P同样呈近似“W”型变化(图2-B),这与李
法云等[20]的研究是一致的。此外,土壤pH值以及
土壤温度也不同程度的影响土壤速效 P质量分
数[20],如高温有利于矿质磷的溶解,从而增加速效
P的质量分数[21]。
土壤全K主要由成土母质决定[22],而土壤质地
也一定程度上影响到土壤全K的质量分数[21]。本
研究发现,土壤全K随海拔的增加呈缓慢下降趋势
(图1-A),表明海拔对土壤全K的影响较小;相反,
土壤速效 K的质量分数则随海拔的增加显著下降
(图2-A)。有研究指出,土壤全K与速效K的相关
性较低,土壤速效 K主要受到土壤有机质、土壤水
分的影响[23],本研究同样得出相似的结论。
高寒草甸地上植物量的高低是反映土壤养分供
给能力的主要指标之一,徐广平[24]研究指出,随着退
化程度的加剧,高寒草甸地上植物量与土壤养分呈相
似的变化趋势。群落生物量是光、温、水、热及养分综
合作用的结果[25],张婷等[26]在研究黄土丘陵铁杆蒿
(Artemisiagmelini)和长芒草(Stipabungeana)群落
地上生物量时指出,影响铁杆蒿地上生物量最大的是
有机质、粘粒质量分数和水分,而影响长芒草地上生
物量最大的因子是海拔和土壤全 N质量分数。可
见,对于不同植被群落类型,不同环境因子对生物量
的作用程度并不一致,而对于高寒草甸而言,杨益
等[27]研究发现不同海拔梯度土壤颗粒有机碳、氮与
生物量成极显著正相关。本研究发现,随海拔的增
加,土壤全K、全N、速效N、速效K、土壤有机质、速
效P与地上植物量呈相近的变化趋势,其中:土壤全
N、速效K与地上植物量成极显著正相关,土壤全N、
速效K与地上植物量呈三次回归关系,主成分分析
同样表明土壤速效养分及全N对地上植物量有重要
作用,表明土壤因子是影响地上植物量的主导因子。
然而,土壤养分对地上植物量的累计贡献率也仅为
78.77%,因此,除了土壤养分外,土壤水分、pH及气
候因素等都不同程度的影响地上植物量的变化。
在海拔梯度的干扰下,影响地上植物量的主导
因子是土壤养分。其中,土壤全N和速效K与地上
植物量成正相关,而且土壤养分与地上植物量呈协
同变化的规律。
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(责任编辑　李美娟)
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