内蒙古锡林浩特典型草原地区的土壤碳氮相关性研究

第3卷第3期2021年3月
Vol.3No.3
Mar.2021环境生态学Environmental Ecology
内蒙古锡林浩特典型草原地区的土壤碳氮相关性研究
李素英*，白雪，郑宁，常英，刘建国，赵鹏程,杨秀影
(内蒙古工业大学能源与动力工程学院，内蒙古呼和浩特010051)
摘要:为了理清典型草原土壤养分的相互关系问题，于2013年7月采集锡林浩特地区24个样地3个深度的72个土壤样品，进行土壤有机质和全氮含量分析。

土壤有机质测定采用重珞酸钾-硫酸氧化法,土壤全氮采用扩散吸收法。

结果表明：1)草原土壤养分含量与土壤深度呈反比，即0〜5cm层养分含量最高,5〜20cm层养分含量次之,20〜40cm层养分含量最少;2)典型草原的土壤有机质和全氮含量均处于土壤普查分级标准的三级和四级水平,说明草原地区的土壤保肥力和缓冲性较好，草原产量处于中等水平;3)典型草原的土壤有机质含量与全氮含量呈显著的线性相关关系，土壤碳氮比平均值为9.9087，说明土壤的理化性质稳定。

关键词:内蒙古典型草原;土壤有机质;土壤全氮;碳氮比
中图分类号:S153文献标识码:A文章编号：2096-6830(2021)03-0089-04
Correlation of soil carbon and nitrogen in typical steppe of Xilinhot,Inner Mongolia.LI Su-ying*,BAI Xue,ZHENG Ning, CHANG Ying,LIU Jian-guo,ZHAO Peng-cheng,YANG Xiu-ying(School of Energy and Power Engineering,Inner Mongolia University of Technology,Hohhot010051,China).Environmental Ecology,2021,3(3), 89-92.
Abstract：In order to study the relationship between soil nutrients in typical grasslands,72samples of3soil depths at24plots in Xilinhot were collected in July2013to analyze soil organic matter and total nitrogen.Soil organic matter was experimented by Potassium dichromate-sulfuric acid oxidation method，and soil total nitrogen was tested by Diffusion absorption method.The results showed that：1)The nutrient content of grassland soil descended to the subsoil,and it meant that the highest was the nutrient content of0~5cm layer,next was that of5~20cm layer,and the least was that of20〜40cm layer；2)The contents of soil organic matter and total nitrogen in typical steppe belonged to the third and fourth levels according to the classification standard of soil census.It indicated that the soil fertility and buffering capacity in the grassland area were better，and the grassland yield was in the middle level；3)There was a significant linear correlation between soil organic matter and total nitrogen in typical steppe，and the average soil carbon-nitrogen ratio was9.9087,indicating that the physical and chemical properties of soil were stable.
Key words:Inner Mongolia steppe；soil organic matter；soil total nitrogen；carbon-nitrogen ratio
土壤是整个草原生态系统稳定的基础。

土壤养分影响着植物的生长、生产力以及产品质量［1,2］o 自然土壤的养分主要来源为土壤矿物质与土壤有机质,耕作土壤的养分主要还来源于灌溉与施肥［2］。

土壤有机质为植物和土壤微生物提供营养和能量,其含量不足会影响土壤颗粒凝聚性、土壤水分、土壤温度、土壤通气、土壤耕性等性能，因此土壤有机质常用来衡量土壤的肥力。

土壤有机质的分布受到放牧、围栏封育、施肥、火烧等人类活动的扰动［3-6］,其测定方法主要有重铬酸钾油浴法、灼烧法、微波消解法、近红外光谱分析法等［7,8］O
在土壤中，氮的循环不仅是氮素的生物、物理、化学、生物化学、物理化学的转变过程，还是氮素各种形态的变化过程。

土壤全氮是指土壤中存在的各种化学形态氮的总和，包括有机态氮、无机态氮两类,其测定方法有消化剂消解法、杜马斯燃烧法、微波消解法等［9,10］o土壤氮素含量影响因素的研究主要集中于自然地理条件、成土母质、土地利用方式、土壤微生物、氮肥施用量及人类活动等方面［11,12］。

土壤有机质和土壤全氮含量作为衡量土壤肥力的主要指标，其含量变化及相关性将关系到草原生产力的持续性，因此本文将分析典型草原的土壤碳氮含量及其分布特征，为草原生态系统的深入研究奠定基础。

收稿日期：2020-11-09
基金项目：内蒙古自然科学基金(2020MS03078)资助。

作者简介:李素英(1970-),女，内蒙古锡林浩特人，博士，教授，主要从事草地遥感方面的研究，E-mail：lisuying70@sina.
com 。

・90・环境生态学第3期
1研究区与研究方法
锡林浩特地区位于内蒙古自治区中部的典型草原地带,以高平原为主，气候干旱、寒冷多风,年平均气温0-3°C，年平均降雨量200mm,蒸发量1500­2700mm。

土壤以栗钙土为主。

草原建群牧草以大针茅、克氏针茅、羊草为主，伴生有糙隐子草、冷蒿等植物种类。

本次采样地点为锡林浩特典型草原区，设置24个样地，每个样地土壤分为3层（0-5cm层、5-20cm层、20-40cm层）,共取72个土样。

土壤样品风干、去除有机残体、擀碎、平摊，四分法取土样200g,利用重珞酸钾-硫酸氧化法测定土壤有机质,利用扩散吸收法测定土壤全氮。

土壤碳氮比是衡量土壤性质的一个重要指标,其计算公式为：
土壤碳氮比二土壤有机碳（％）/土壤全氮（％）
其中,土壤有机碳的计算公式为：
有机碳（％）=有机质（％）/1.724
2结果与分析
2.1典型草原的土壤有机质
锡林浩特典型草原的土壤有机质含量（图1）：0-5cm层有机质含量最高（平均值为2.2492%）, 5-20cm层含量次之（平均值为1.9829%）,20-40cm层含量最小（平均值为1.5165%），可见随着土壤深度的增加，有机质含量变小。

土壤动植物残体和外源有机质都存留在土壤表层，因此表层土壤有充足的有机物供给,随着土壤深度的增加有机物供给量减少,但是植物对有机物的消耗仍然存在，即供给量减少，消耗量不变,因此出现深层有机质含量低的现象。

另外，表层土壤动物多于深层，增加了表层有机物的供给,使土壤表层的有机质含量高。

3.50i------------------------------------------------------------------------------------------------------
20~40cm
0.00_―_____________________—
1 3 5 7911131517 192123
土壤样地编号
图1典型草原的土壤有机质
Fig・1Soil organic matter in typical steppe
本文分析了典型草原有机质含量的分层特点。

从表1可以看出，5-20cm层比0-5cm层的土壤有机质平均含量递减11.84%,20-40cm层比5-20cm层的土样有机质平均含量递减23.52%,说明深层的土壤有机质含量递减率大于浅层的。

表1典型草原的分层土壤有机质
Table1Layered soil organic matter in typical steppe
深度/
变化范围/%
平均值/标准变异
系数
标准cm%偏差误差
0-5 1.4209-3.3993 2.24920.52300.23250.1068
5-20 1.2405-2.7396 1.98290.45740.23070.0934
20-400.8048-2.5375 1.51650.46420.30610.0948
0-400.8048-3.3993 1.91620.56490.29480.0666
根据全国第二次土壤普查分级标准［13］（表2）,典型草原有机质含量分级结果如下：四级的土样最多，共有37个，占总土样的51.39%；三级的土样次之，共有29个，占总土样的40.28%；有机质含量为二级和五级的土样最少,分别为2个和4个土样,分 别占总土样的2.78%和5.56%；没有一级和六级的土样。

可见，典型草原土壤有机质多为三级（有机质中等）和四级（有机质缺乏）。

土壤有机质是土壤肥力重要的物质基础，也是土壤中各种各样营养元素（特别是氮、磷）的重要来源，它的主要功能是使土壤具有保肥力和缓冲性,还能促进团粒结构形成,改善土壤的物理性质。

典型草原的土壤有机质含量处于中等水平，土壤的保肥力和缓冲性能较好。

表2全国第二次土壤普查分级标准
Table2Classification standard of the second national
soil survey
一级
很丰富
二级
丰富
三级
中等
四级
缺乏
五级
很缺乏
六级
极缺乏
有机质/%>43-42-31-20.6-1<0.6
土样个数02293740
全氮/%>0.20.15-0.1-0.075-0.05-<0.05
0.20.150.10.075
土样个数49311765
2.2典型草原的土壤全氮
锡林浩特典型草原的土壤全氮含量（图2）：0-5cm层全氮含量最高（平均含量为0.1449%）；5-20cm层含量次之（平均含量为0.1190%）；20-40cm层含量最小（平均含量为0.08571%）,
即土壤
2021年李素英等:内蒙古锡林浩特典型草原地区的土壤碳氮相关性研究・91・越深,全氮含量越小，与有机质含量的变化规律相似。

图2典型草原的土壤全氮
Fig・2Soil total nitrogen in typical steppe
本文分析了典型草原全氮含量的分层特点。

从
表3可以看出，5-20cm层比0〜5cm层的土壤全
氮平均含量递减17.87%,20-40cm层比5-20cm
层的土壤全氮平均含量递减26.81%,说明土壤深
层的全氮含量递减率大于浅层的,这与典型草原土
壤的有机质变化相似。

土壤表层的植物丰富，有丰
富的全氮供给，且表层的土壤动物多于深层的，增加
了土壤的氮素供给，因此，表层的土壤全氮含量高于
深层的土壤全氮含量。

表3典型草原的分层土壤全氮
Table3Layered soil total nitrogen in typical steppe
深度/
变化范围/%平均值/标准变异
系数
标准
cm%偏差误差0-50.0671-0.28190.14490.05620.38780.0115 5-200.0616-0.18140.11900.02980.25080.0061 20-400.0051-0.15030.08710.02960.33970.0060 0-400.0419-0.15380.11700.04650.39740.0055
根据全国第二次土壤普查分级标准（表2）,典型草原全氮含量分级结果如下:三级的土样最多，共有31个，占总土样的43.06%；四级的土样次之,共有17个，占总土样的23.61%；接着为二级的土样,共9个，占总土样的12.5%；全氮含量为一级、五级和六级的土样很少，分别为4个（占5.56%）、6个（占8.33%）、5个（占6.94%）。

因此，典型草原的土壤全氮含量多处于三级和四级。

氮素是植物生长需求量最大的营养元素，研究区全氮含量较高的土壤（＞0.15%）占18.06%,全氮含量较低的土壤（＜0.075%）占15.28%,因此,典型草原的全氮含量为中等，草原植物生长较好。

2.3典型草原的土壤有机质与全氮
本文分析了土壤有机质含量与全氮含量的相关关系（图3）,可以看出，两者存在显者的线性相关（相关系数为0.8965）,方程为y二0.1271x-0.0243,决定系数R2为0.8037。

土壤中的氮素主要是以有机氮的形式存在，一般占全氮量的95%以上，因此土壤含氮量与土壤有机质含量之间有相关性。

土壤全氮的测定过程相对有机质的测定过程更复杂,要求更严格,实验仪器更贵，因此根据上述相关关系式，可利用有机质的含量推算出该地点全氮的含量,且得到的结果具有很强的准确性。

52
5
5
2
1
1
O.0
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、*
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嘲
y=0.1271^-0.0243
应=0.8037
'0.50 1.00 1.50 2.00
有机质含量/%
图3典型草原的土壤有机质含量与全氮含量
Fig・3Soil organic matter and total nitrogen in
typical steppe
由图4可知,通过分析典型草原的碳氮比，得出锡林浩特典型草原的碳氮比变化范围为6.0101­18.8123,主要变化范围为7-11,平均值为9.9087。

稳定的土壤碳氮比为10：1。

当土壤中加入有机质使碳氮比＞30时，在分解过程的初始阶段将进行土壤氮肥的生物固定，但在矿化作用的最初阶段不能对植物产生供氮，因此，碳氮比过高反而形成植物缺氮的现象；当土壤中加入有机质使碳氮比在20-30时，土壤可能既不进行矿质氮的生物固定，也不释放矿质氮；如果土壤中加入有机质使碳氮比＜20,分解过程的初期就可以释放矿质态氮。

除少数异常值外，典型草原区的土壤碳氮比主要集中在7-11（图4），说明典型草原土壤性质相对稳定。

土壤样品号
图4典型草原土壤的碳氮比
Fig・4Carbon nitrogen ratio of soil in typical
steppe
・92・环境生态学第3期
3讨论
氮是生态系统中的一种必要养分。

氮的固定和大气沉降是氮进入生态系统的两条途径。

氮的大气沉降主要是指降水(雪、雨、云和雾)运载活跃形式的氮气从大气到土壤的过程。

固氮是将非活性氮转化为可容易被植物同化的氮的化合物的过程。

氮素的输出主要来源于有机态氮矿化作用、矿质态氮的固定与损失[2]。

本研究表明土壤有机质含量和氮含量随土壤剖面深度的增加而减少，土壤总氮含量表层0〜5cm 高于深层土壤总氮含量[1]。

这是由于土壤表层有机质直接受人类土地利用的影响，农业活动导致土壤碳储量减少89%,土壤氮含量减少75%,这些农用地的植被组成影响着深度为10cm土壤中C和N 的积累速率[14，15]O土壤中含碳量和含氮量主要与土壤生物、土壤温度、土壤水分、蒸发量以及它们的季节变化有关,这些因素直接影响植被生长发育,进而牵动土壤系统碳氮的输出量，还干扰土壤生物的活动[16]o
本研究显示，土壤有机质和土壤全氮含量有显著的相关性。

土壤氮的含量在很大程度上取决于土壤有机质含量水平,有机质在温暖潮湿的气候中以更快的速率分解释放氮，在凉爽干燥的气候中则分解速率减慢。

在通风条件良好的土壤中，氮释放速度也更快，湿度饱和的土壤中释放速度要慢得多。

4结论
本研究利用典型草原24个样地进行了土壤养分研究，深入分析了土壤有机质含量和全氮含量均值变化、分层变化和相关性。

草原样地表现出随着土壤深度的增加，有机质含量与全氮含量均出现递减的趋势,即表层的土壤养分多于深层的土壤养分。

典型草原的有机质含量与全氮含量均处于中等水平，养分含量较高,有助于草原植物生长，可提高草原作物产量。

典型草原土壤有机质含量与全氮含量有显著相关性，可以利用两者的线性方程相互预测。

草原土壤的碳氮比适中，土壤既可进行矿质氮的生物固定，也能释放矿质氮，使得养分供给畅通,维持稳定的草原土壤理化性质。

锡林浩特典型草原养分处于中等水平,土壤性质稳定,应选择适当的放牧强度,继续保持草原生态系统的碳氮平衡,促进系统内的碳氮良性循环。

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