左李娜，陈 静，张 慧，刘耘华，盛建东，张 凯，程军回 2
（1. 新疆农业大学资源与环境学院, 新疆 乌鲁木齐 830052；2. 新疆土壤与植物生态过程重点实验室, 新疆 乌鲁木齐 830052）
土壤pH 是影响草地生态系统植物多样性、群落结构和养分变化的主要因素之一[1-3]。由于植物生长所需养分的有效性受到pH 的制约，土壤pH 被认为是影响草地植物生产力的主变量[4]。在一些地区土壤pH 与养分和气候之间存在紧密的联系[5]。因此，研究草地生态系统中土壤pH 变化特征及其影响因素，有助于深入理解其对土壤养分和生态系统功能的影响。
大量研究表明，土壤pH 变化受到海拔、气候和土壤理化性质等多个因素的影响。然而，由于研究区域、气候和草地类型的不同，这些研究结果并不一致[6-8]。现有结果显示，因海拔范围和土壤类型不同，土壤pH 与海拔之间呈显著负或正等不同相关关系[6-7]。在欧亚草地中因气候和草地类型不同，土壤pH 与年均降水量之间也呈显著正相关、负相关和单峰型(先增加后降低)等多种变化趋势[1,8]。此外，部分研究也发现土壤pH 与容重、全氮和有机质含量等土壤理化性质之间也存在显著关系[9-10]。其中，土壤有机质由于可以释放出氢离子，进而对土壤pH 的变化产生直接影响[10]，但二者关系存在明显的地理区域差异[11]。这些研究虽然极大促进了学者们对土壤pH 变化特征及其影响因素的理解，但也存在亟待解决的问题。这些研究多集中分析了表层土壤pH 的变化特征[1,9]，而对深层土壤pH 与海拔、气候和土壤理化性质间关系的研究仍较为缺乏。鉴于土壤pH 和理化性质均表现出明显的垂直分布性特征[12-13]，这意味着不同土层中pH 与气候和土壤理化性质之间的关系可能并不相同。因此，系统和全面分析不同土层pH 与环境因子之间的关系，有助于深入理解草地生态系统中土壤pH 的变化特征。
温性草原作为新疆主要的草地类型之一，面积达4.81 × 104km2，占新疆草地总面积的9.2%，占全国温性草原总面积的10.4%，是新疆农牧业和经济发展的宝贵资源[14]。关于新疆温性草原中土壤pH 的变化，虽然在20 世纪80 年代进行了系统的普查[14-15]，但由于氮硫沉降等因素的影响，我国北方草地土壤pH 在过去几十年显著下降[8]，加之气候变化使得风蚀和水蚀等微环境也发生了显著变化。目前，亟需对该类草地土壤pH 变化特征及其影响因素进行重新分析。基于此，本研究以2011-2013 年对新疆温性草原86 个样地不同土层土壤pH 和理化性质的调查数据为基础，结合各样地的海拔、气候和微环境，重点分析不同微环境对土壤pH 的影响，以及土壤pH 变化特征与海拔、气候和土壤理化性质之间的关系，旨在为深入理解该类草地土壤pH 变化规律提供科学依据。
温性草原在新疆广泛分布于山地地带，从北部的阿尔泰山到南部的昆仑山均有其分布，是新疆山地的主要草地类型。其在北疆呈带状分布在各山地中低山带，在南疆则分布于中山亚高山带，分布海拔自北向南、自西向东逐渐升高[14]。新疆温性草原分布区年降水量一般在250～350 mm，≥ 10 ℃年积温为5.48～6.85 ℃·d，植被优势种为针茅(Stipa capillata)、羊茅(Festuca ovina)和苔草(Carex pediformis)等，土壤多为黄土状母质发育的山地栗钙土，且在阳山坡地多被砂砾质覆盖[14-15]。
根据新疆温性草原的空间分布特征和群落组成[14]，按照新疆“三山夹两盆”的独特地形，于2011-2013 年共计选择86 个有代表性的样地开展调查。这些样地的地理范围在36.11°～48.48°N，78.85°～94.49°E，海拔范围为867～3 233 m。土壤类型主要为栗钙土和暗栗钙土，土层深度在20-100 cm。其中，47 个样地(占总样地数的54.7%)的土层深度不足1 m。优势种植物主要为针茅、冰草(Agropyron cristatum)、冷蒿(Artemisia frigida)和新疆亚菊(Ajania fastigiata)等(附录1)。从地理区域来看，阿尔泰山、准噶尔西部山地、伊犁河谷、天山和昆仑山分别有样地11、17、14、42、2 个(图1)。
图1 研究区域和样地分布图Figure 1 Study area and distribution of study sites
于2011-2013 年8 月草地生态系统生物量达到最大时进行地表微环境调查和土壤样品采集。地表微环境调查方法为在各样地随机设置1 个100 m ×100 m 的调查区域，在此调查区域内，按照10 m 左右间隔随机设置5 个1 m × 1 m 的样方。其后按照农业农村部制定的《全国草原监测技术操作手册》，通过目测法直接观察各个样地内是否有立枯、凋落物、砾石和覆沙的存在，根据降水冲刷痕迹和沙粒堆积方向来判断风蚀及水蚀存在与否。土壤样品采集方法为在每个调查样方内挖掘土壤剖面，并按照0-5、5-10、10-20、20-30、30-50、50-70 和7-100 cm 的土层分别进行土壤样品采集。对于土层深度不够100 cm 的样地，土壤剖面挖掘至岩石出现为止。
在各调查剖面，首先通过挖掘法获取各土层土壤样品用于pH、全氮和土壤有机质含量的测定。土样经自然阴干和过2 mm 筛后，通过元素分析仪(Euro EA 3000 型)测定土壤全氮含量。土壤pH 的测定按照水土比2.5 ∶ 1 的比例，用pH 计测定[16]。土壤有机质含量的测定方法为首先通过元素分析仪(Euro EA 3000 型)和碳酸分析仪分别测定土壤全碳和无机碳含量，其次通过全碳含量减去无机碳含量得出土壤有机碳含量，最后利用有机碳含量乘以1.724 (Van Bemmelen 系数)得到土壤有机质含量[16]。同时，选择中间的样方利用环刀(100 cm3)采集各土层土壤，每层采集5 份平行样品，在实验室将环刀置于105 ℃条件下烘干至恒重后测定土壤容重。土石比的测定是将环刀采集的容重平行样品过2 mm筛后，对大于2 mm 的砾石部分称重进行测定[17]。
首先，采用单因素方差分析揭示pH、有机质、全氮含量、容重和土石比在各土层的变化特征。其次，采用双因素方差分析进一步比较地表微环境与土层对pH 变化的单独和交互影响。所有方差分析均采用最小显著差异法进行多重比较(α= 0.05)。再次，采用一般线性模型分析土壤pH 与海拔、气候和土壤理化性质间的关系。为选择最优的拟合模型，对土壤pH 与海拔、气候和土壤理化性质各因素分别进行线性和非线性拟合，其后利用赤池信息标准(akaike information criterion, AIC)来选择最优的拟合模型。最后，利用主成分分析来分解海拔、气候、土层和土壤理化性质共同作用下对pH 变化的影响强度[22]。由于土层为分类变量无法直接用于主成分分析，为此，本研究将各土层按其深度取平均值(如0-5 cm 土层转换为2.5 cm)后用以分析。上述所有分析均在(R core team, 4.0.3)软件中分析完成[23]。
单因素方差分析结果表明随土层深度增加，新疆温性草原土壤pH 呈增加的变化趋势(F= 16.46，P＜ 0.01)。其中，土壤pH 最小值和最大值分别出现在0-5 cm 和70-100 cm (表1)。与土壤pH 变化趋势相反，土壤有机质(F= 27.05，P＜ 0.01)和全氮含量(F= 32.07，P＜ 0.01)随土层深度增加呈降低的变化特征。土壤有机质含量从0-5 cm 的60.90 g·kg−1降低至70-100 cm 的17.26 g·kg−1，土壤全氮含量则从3.25 g·kg−1降至0.83 g·kg−1，二者分别降低了72%和74%。土壤容重和土石比在各土层无显著变化(P＞ 0.05)。其中，土壤容重总体变化范围在1.20～1.26 g·cm−3，土石比则在0.24～0.34。此外，随着土层深度增加，土壤pH 和土壤有机质的变异系数总体呈降低的趋势，土壤全氮呈先降低后增加的趋势，而土壤容重和土石比无明显有规律的变化趋势(表1)。
表1 新疆温性草原土壤理化性质特征Table 1 Descriptive statistics of the soil physicochemical properties on the Xinjiang temperate steppe
双因素方差分析结果显示，立枯(F= 56.58，P＜0.01)与土层(F= 10.35，P＜ 0.01)，水蚀(F= 18.27，P＜ 0.01)与土层(F= 6.50，P＜ 0.01)，覆沙(F= 6.73，P＜ 0.01)与土层(F= 10.43，P＜ 0.01)对新疆温性草原土壤pH 均有显著影响。其中，立枯显著降低了0-5、5-10、10-20、20-30 和30-50 cm 土层中土 壤pH (P＜ 0.05) (图2a)，水 蚀 则 增 加 了0-5、5-10 和10-20 cm 土层中土壤pH (图2b)，覆沙仅降低了70-100 cm 土层中土壤pH (图2c)。此外，对于风蚀、凋落物和砾石而言，其主效应与土层交互作用对土壤pH 均无显著影响(P＞ 0.05) (图2d、e、f)。
图2 地表微环境对新疆温性草原土壤pH 变化的影响Figure 2 Effects of the surface microenvironment on soil pH on the Xinjiang temperate steppe
一般线性模型分析结果表明，随海拔升高，各土层土壤pH 均呈线性增加的变化趋势(图3)。随年平均温度增加，土壤pH 仅在0-5 和5-10 cm 土层表现为显著增加的变化特征(P＜ 0.05)，其余各土层中土壤pH 均无显著变化(P＞ 0.05) (图3)。随年平均降水量增加，土壤pH 在0-5、5-10、10-20 和20-30 cm 土层中呈现显著降低的变化趋势(P＜0.05)，而在深层(30-50、50-70 和70-100 cm)土壤中无显著变化(P＞ 0.05) (图3)。
图3 新疆温性草原不同土层pH 与海拔、年平均温度和年平均降水量之间的关系Figure 3 Relationships of different soil layer pH levels with elevation, mean annual temperature and mean annual precipitation on the Xinjiang temperate steppe
除在5-10 cm 土层中土壤pH 与有机质含量无显著关系(P＞ 0.05)外，其余各土层pH 与土壤有机质含量均呈显著负相关关系(P＜ 0.05) (图4)。除在10-20 cm 土层中土壤全氮含量与pH 无显著关系(P＞ 0.05)外，其余各土层pH 随全氮含量增加呈显著降低或先增加后降低的变化趋势(P＜ 0.05) (图4)。此外，仅在10-20 和20-30 cm 土层中，土壤pH 与容重表现为显著负相关关系(P＜ 0.05) (图4)。而对土石比而言，除在50-70 cm 土层中随土石比增加土壤pH 呈先降低后增加的趋势外，二者在其余各土层均无显著关系(P＞ 0.05) (图4)。
图4 新疆温性草原不同土层pH 与土壤有机质、全氮含量、容重和土石比之间的关系Figure 4 Relationships of different soil layer pH levels with soil organic matter, total nitrogen content, soil bulk density,and volume ratio of rock to soil on the Xinjiang temperate steppe
主成分分析结果表明，第一、第二、第三和第四主成分分别解释了土壤pH 总变异的31.3%、24.5%、14.9%和13.0%，四者合计解释了总变异的83.7%(图5)。其中，第一主成分上载荷值较大的因素为土壤有机质(0.56)和全氮含量(0.55)，反映了土壤养分的变化特征。第二主成分上载荷值较大的因素为土石比(0.56)和年平均温度(−0.55)，反映了温度与土壤物理性质的变化。第三和第四主成分上载荷值最大的因素分别为年平均降水量(−0.74)和土壤容重(−0.86)，二者反映了降水和土壤紧实度的差异。由于第一和第二主成分对土壤pH 变异的解释率(55.8%)高于第三和第四主成分(27.9%)，表明在新疆温性草原中，土壤有机质、全氮含量、土石比和年平均温度对pH 的影响程度高于其他因素。
图5 基于主成分分析的海拔(Ele)、年平均温度(MAT)、年平均降水量(MAP)、土层(Layer)、土壤有机质(SOM)、土壤全氮(STN)含量、土壤容重(SBD)和土石比(RRS)对新疆温性草原土壤pH 的影响Figure 5 Effects of elevation (Ele), mean annual temperature (MAT), mean annual precipitation (MAP), soil layers (Layer),soil organic matter (SOM), soil total nitrogen (STN) content, soil bulk density (SBD), and ratio of rock to soil (RRS)on soil pH on the Xinjiang temperate steppe on basis of a principal component analysis
本研究发现新疆温性草原中，土壤pH 在垂直分布上存在差异，即随着土层加深pH 逐渐升高。这一结果与高露等[24]对中国北方草地及李浙华等[25]对新疆土壤pH 空间分异的研究结果一致。此外，新疆温性草原土壤pH 在各土层均表现为弱变异性，且随着土层加深变异系数逐渐减小。这表明新疆温性草原中，各样地土壤pH 在深层土壤中变化较小。其原因可能是与深层土壤相比，浅层土壤容易受到植被作用、有机物分解以及氮沉降等因素的影响而使土壤pH 发生改变[8,26]。本研究发现土壤有机质与土壤全氮含量在垂直分布上也存在差异，随着土层加深，土壤有机质和全氮含量逐渐降低，且在各土层均表现为中等变异性，这与国内学者对我国北方草地土壤理化性质的空间分异研究结果一致[24,27-28]。而土壤容重和土石比在垂直分布上却无显著差异，这和万丹等[29]的研究结果类似。综合分析可能是相较于深层土壤，表层土壤更易受微生物活动的影响，植物的根系等分解后产生的有机物质较多，因此浅层土壤的全氮和有机质含量均高于深层土壤[24,30]。
本研究结果表明，立枯、覆沙及水蚀均对新疆温性草原土壤pH 的变化有显著影响。其中，地表立枯显著降低了除50-70 和70-100 cm 土层外的所有土层土壤pH，这可能是植物对土壤中碱性物质及盐基离子吸收后未能及时返还土壤，致使其在土壤中的含量减少从而导致土壤pH 相对降低[31-32]。此外，本研究中pH 在覆沙情况下略低于无覆沙的样地，这与内蒙古草地的探究结果一致[33]。导致这种现象的原因可能是新疆温性草原分布的土壤类型多为栗钙土，土壤盐分含量较高，覆沙能有效降低土壤含盐量，从而使土壤pH 降低[34-35]。而水蚀在0-5、5-10 和10-20 cm 土层使土壤pH 显著升高，这可能是因为相较于无水蚀的样地，有水蚀的样地地表径流流速较快，土壤入渗量相对减少从而导致淋溶作用减弱，盐基离子的相对富集致使土壤pH 升高[36]。本研究发现凋落物对新疆温性草原土壤pH 无显著影响，分析其原因可能是新疆温性草原植被构成较单一，多为针茅和羊茅等禾本科植物，使得凋落物构成单一，加之新疆的气候干旱、降水稀少而使凋落物分解缓慢，分解过程所产生的富里酸等有机酸性物质难以积累，因此凋落物很难对土壤pH 产生影响[37-38]。
本研究发现随着海拔梯度的增加，土壤pH 在大部分土层深度均呈现显著升高的趋势，这与车明轩等[39]对四川高山草甸的研究结果一致。此外，本研究还发现土壤pH 与年平均温度在0-5 和5-10 cm土层呈正相关关系。土壤pH 沿海拔和年平均温度梯度增加显著升高的现象可能与草地土壤形成过程中的岩石分化有关。相较于高海拔分布区，低海拔地区岩石分化作用强烈，盐基离子释放较多，加之水热条件充足，盐基离子随降水淋溶较强导致土壤pH 较低。而温度的升高也会使风化作用加强，盐基离子释放增多，盐基饱和度增加致使土壤pH增加[15,40]。除此之外，有研究表明温度升高会导致草地植被生长季缩短[41]，这就使得草地植被对土壤中盐基离子的吸收总量减少，同时高温促进地表蒸发作用和土壤盐分积累，这也会导致草地土壤pH相对升高。同时，本研究发现随年平均降水量增加，土壤pH 在0-5、5-10、10-20 和20-30 cm 土层呈显著降低的变化趋势。导致这种变化趋势的原因为随着降水的增多，土壤中的盐基离子不断被淋溶，盐基饱和度降低，H+饱和度升高从而导致土壤pH 逐渐降低[42-43]。
本研究结果表明，各土层土壤pH 随土壤有机质含量增加多表现为显著降低的变化趋势，这是由于有机物被分解的过程中产生有机酸导致的，随着有机物被分解有机质含量增高，产生的有机酸不断增多，因此随着土壤有机质含量增加，土壤pH 逐渐降低[44]。除了10-20 cm 土层中土壤pH 与全氮含量无显著关系外，其他各土层土壤pH 随全氮含量增加呈显著降低或先增加后降低的变化趋势。这种现象可能与草地土壤中氮的硝化、挥发淋溶以及植物对氮的吸收有关[45-46]，全氮水平较高的土壤中硝化作用也较强，这个过程中释放的H+会导致土壤pH 降低。另一方面，有研究表明在草地生态系统中，土壤全氮含量的升高可以显著促进植物对氮的吸收[47]，而土壤中的NO3−易淋溶而很少被植物吸收利用，因此植物对氮的吸收多以NH4+ 为主，当植物吸收NH4+时根系会释放等量H+以保持体内电荷平衡，土壤溶液中H+浓度升高从而导致土壤pH 降低[48-49]。同时，本研究发现土壤pH 沿容重梯度增加在10-20 和20-30 cm 的表层土中呈现显著下降的趋势，这可能与草地土壤的有机质含量在不同土层存在差异有关[37,50]。此外，土壤pH 仅在50-70 cm土层随土石比梯度增加呈现先降低后升高的变化趋势，这种现象可能与砾石影响土壤入渗特性有关[51-52]，但具体的作用机理还有待更进一步研究。
本研究发现在新疆温性草原中，地表微环境、海拔、气候和土壤理化性质对各土层pH 的影响均因土层深度不同而异。当综合考虑海拔、气候、土层和土壤理化性质等因素时发现，土壤养分(土壤有机质和全氮含量)、土壤理化性质(土石比)和气候(年平均温度)对pH 的影响强度高于海拔和土层。