馬國飛，滿蘇爾·沙比提

(新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院， 新疆 烏魯木齊 830054)

土壤的理化性質(zhì)作為土壤肥力的重要屬性，集中反映了土壤的水、肥、氣、熱狀況，是土壤肥力和土壤理論研究的基礎(chǔ)。土壤的理化性狀不僅能反映土壤的結(jié)構(gòu)狀況和水源涵養(yǎng)能力，而且也影響著植被的生長發(fā)育[1-2]。土壤是時(shí)空連續(xù)的變異體，具有高度的空間異質(zhì)性，不論地理位置、尺度大小，土壤的空間異質(zhì)性均存在[3]。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于在不同時(shí)空尺度上土壤的理化性質(zhì)研究已相當(dāng)成熟和豐富[4-8]。天山作為對(duì)亞洲乃至全球地理格局極具影響力的地理單元，人類對(duì)天山的探索與研究從未止步。目前，對(duì)天山南北坡的土壤理化性質(zhì)研究也有一定的進(jìn)展[2,9-11]，但是對(duì)天山托木爾峰自然保護(hù)區(qū)土壤植被等方面的研究卻很少[12]。本文以天山托木爾峰自然保護(hù)區(qū)喀拉玉爾滾河上游河谷區(qū)為研究對(duì)象，對(duì)土壤理化性質(zhì)的空間分布進(jìn)行分析，以期為該地區(qū)土壤資源利用、水土保持及生態(tài)研究等方面提供新資料和依據(jù)。

托木爾峰自然保護(hù)區(qū)位于南天山的托木爾峰山匯處。西部與吉爾吉斯斯坦，南部與阿克蘇以北的低山山麓地帶，北部與昭蘇盆地的特克斯河，東與木扎爾特河毗連。地理坐標(biāo)為79°50′～80°54′E，41°40′～42°04′N，保護(hù)區(qū)東西長105 km，南北寬28 km，總面積23.76×104hm2。自新第三紀(jì)以來，由于受到喜馬拉雅造山運(yùn)動(dòng)影響，天山地區(qū)大幅度上升，對(duì)來自大西洋和北冰洋水汽的阻擋作用及垂直自然帶的形成產(chǎn)生了極其深厚的影響。保護(hù)區(qū)屬于溫帶大陸性半干旱氣候，多年均溫為8.7℃，平均降水量300 mm左右，氣溫和降水的垂直變化顯著，主要河流由西向東依次為庫馬里克河、阿特依納克河、臺(tái)蘭河、喀拉玉爾滾河和南木札爾特河[12]。受高山冰川作用、流水作用、干燥剝蝕作用等外營力作用強(qiáng)烈，地形地貌條件復(fù)雜，水熱條件隨海拔高度的變化明顯，為不同植被類型及土壤類型的形成創(chuàng)造了有利的條件。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

喀拉玉爾滾河位于托木爾峰國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)，源于托木爾峰東側(cè)的瓊庫孜巴依峰南麓，最高海拔5 300 m左右，山頂終年積雪。由大小庫孜巴依河及庫爾歸魯克河等三條支流在柯爾克孜民族聚居的博孜墩柯爾克孜民族鄉(xiāng)匯流而成。山區(qū)積水面積740 km2，主要補(bǔ)給形式為高山冰雪融水，山區(qū)降水及泉水。豐水期和枯水期水量隨山區(qū)氣溫變化而異，具有流程短，流量小，徑流年際變化小的特點(diǎn)，屬山溪型河流。河道全長95.5 km，鹽山口以上50.5 km范圍，四周高山環(huán)繞，山高谷深，河谷大部分為V型-U型，谷底縱坡陡，落差大，河谷中冰磧分布廣泛，冰磧物保存完好。每年7—8月為豐水期，平均流量16.4 m3·s-1，枯水期在每年冬季至翌年初春，平均流量為2.3 m3·s-1，山口處多年平均徑流量2.4億m3左右[13]。研究區(qū)土壤類型以棕漠土(海拔1 900 m以下)、山地棕鈣土(1 900～2 200 m)和山地栗鈣土(2 200～2 600 m)為主[12]，局部出現(xiàn)紅棕色泥壤、黃土及黃土狀物質(zhì)，研究區(qū)植被類型主要有旱生叢生禾草類植物戈壁針茅(Stipagobica)、沙生針茅(Stipaglareosa)、短花針茅(Stipabreviflora)、高加索針茅(Stipacaucasica)、克氏針茅(Stipasareptana)、羊茅(Festucaovina)，旱生小半灌木及灌木類植物琵琶柴(Reaumuriasoongorica)、假木賊(Anabasistruncata)、膜果麻黃(Ephedraprzewalskii)、霸王(Sarcozygiumxanthoxylon)、合頭草(Sympegmaregelii)、駝絨藜(Ceratoideslatens)、紫苑木(Asterothamnusfruticosus)、蒿屬(Artemisiaspp)、天山豬毛菜(Salsolajunatovii)、錦雞兒(Caraganaspp)及伴生的中生和中旱生的禾草、豆科牧草和雜類草植物，如冰草(Agropyroncristatum)、馬先蒿(Pedicularissongarica)、大看麥娘(Alopecuruspratensis)、早熟禾(Poapratensis)、山地糙蘇(Phlomisoreophila)、龍膽(Gentiananutans)、唐松草(Thalictrumminus)、鳶尾(Irisruthenica)、野苜蓿(Medicagofalcata)、棘豆(Oxytropismerkensis)、火絨草(Leontopodiumleontopodioides)、野蔥(Alliumchrysanthum)和委陵菜(Potentillamultifida)等。

1.2 研究方法

于2015年7月在托木爾峰國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)喀拉玉爾滾河上游河谷區(qū)域進(jìn)行了野外調(diào)查，土壤采樣沿河谷進(jìn)行，根據(jù)坡度、坡向、植被生長狀況，選擇具有代表性的樣點(diǎn)。采用土鉆法對(duì)土壤表層(0～10 cm)進(jìn)行取樣(因研究區(qū)大部分采樣點(diǎn)土壤底層碎巖過多，底層土壤很難采集)，每一樣點(diǎn)重復(fù)取樣三次，將三次所采土樣混合均勻后用四分法取土0.5 kg裝袋貼標(biāo)簽并立即稱重，共取得土樣30個(gè)。同時(shí)用GPS進(jìn)行定位并記錄每個(gè)采樣點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)及高程數(shù)據(jù)，生成研究區(qū)的樣點(diǎn)分布圖(圖1)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理采用統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件SPSS 21.0進(jìn)行土壤理化性狀的相關(guān)性分析，利用Excel進(jìn)行圖表的制作。

圖1 研究區(qū)采樣點(diǎn)分布

Fig.1 Distribution of sampling sites in the study area

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤質(zhì)地及水分含量

由于天山對(duì)西和西北濕潤氣流的阻擋作用，南、北坡氣候的差異甚大，北坡氣候較濕潤，南坡氣候較干旱，這種氣候上的差異，深刻地影響托木爾峰南坡自然保區(qū)垂直自然帶的形成。因此，地形地貌因素是形成托木爾峰自然保護(hù)區(qū)垂直自然帶的基礎(chǔ)，受地形地貌因素制約的水、熱條件是形成各垂直自然帶的最重要的物質(zhì)和能量來源。水、熱條件的垂直變化又深刻地制約著植被、土壤的垂直分布，構(gòu)成特征明顯的垂直自然帶。研究區(qū)位處天山托木爾峰南坡，因天山的屏障作用，南坡較北坡干旱，南坡前山地受塔里木荒漠氣候影響大，因此，南坡在垂直帶方向上差異明顯，水平位置差異不大[12]。研究區(qū)樣點(diǎn)水平分布范圍較小，且兩側(cè)高山與河谷南北向并行延伸，東西向差異微小，受垂直方向影響差異更為凸顯，故按照研究區(qū)的土壤類型垂直分布規(guī)律，將土壤樣品進(jìn)行歸類：1～2號(hào)土樣為棕漠土(海拔1 900 m以下)，3～17號(hào)為山地棕鈣土(1 900～2 200 m)，18～30號(hào)為山地栗鈣土(2 200～2 600 m)。研究區(qū)各典型土壤類型的表層土壤顆粒大小變化圖2所示。根據(jù)“土壤粒級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)”[15]，研究區(qū)土壤粒度分析結(jié)果顯示，棕漠土、山地棕鈣土、山地栗鈣土粒徑<0.01 mm的土壤含量占比分別為23.75%、49.83%、60.95%，粒徑<0.001 mm的土壤含量占比分別為12.50%、18.79%、22.39%。隨著海拔高度的增加，研究區(qū)各典型土壤類型的表層土壤顆粒度呈細(xì)化趨勢。氣候、植被因素從宏觀方向影響土壤顆粒的大小，研究區(qū)海拔高度范圍在1 800～2 500 m之間，從低到高，氣溫下降而降水量增加，決定了植被類型的演化，隨植被群落的豐富，生物化學(xué)風(fēng)化作用加強(qiáng)，腐殖質(zhì)積累較厚，土層中微生物增加，土壤有較好的發(fā)育并有殘積粘化現(xiàn)象存在，這對(duì)土壤顆粒大小產(chǎn)生重大影響。研究區(qū)受本區(qū)總的水熱狀況和風(fēng)化程度等的影響，可看出風(fēng)化過程呈地帶性并與土壤地帶性分布有密切關(guān)系。

圖2 不同土壤類型表層土壤顆粒度

Fig.2 Surface soil granularity of different soil type

受研究區(qū)無站點(diǎn)資料所限，通過收集近幾十年來新疆和托木爾峰地區(qū)以及與研究區(qū)相鄰的臺(tái)蘭河流域的降雨量資料[16-18]作為參考，推測得出研究區(qū)降水量整體上隨海拔的上升而增加的結(jié)論。研究區(qū)棕漠土的0～10 cm土壤自然含水率在7.69%～15.38%之間,平均自然含水率為11.54%；山地棕鈣土的表層土壤自然含水率在9.76%～40.48%之間，平均自然含水率為22.35%；山地栗鈣土表層土壤自然含水率介于17.92%～64.84%之間，平均自然含水率為41.01%；不同類型土壤的含水量存在較明顯的差異。土壤含水率與海拔之間存在顯著的正相關(guān)(圖3),二者之間呈現(xiàn)很好的乘冪相關(guān)關(guān)系(R2=0.7897，R=0.889)，即隨研究區(qū)內(nèi)海拔高度的增加，土壤含水率也不斷累積提高。

圖3 土壤含水量與海拔的關(guān)系

Fig.3 Changes of soil water contents with the altitude gradient

2.2 土壤鹽分含量和pH值

整個(gè)研究區(qū)表層土壤(0～10 cm)pH值與海拔高度之間存在顯著的負(fù)相關(guān)性(R2=0.7203，R=-0.849，圖4)，二者呈現(xiàn)很好的線性相關(guān)關(guān)系，即隨海拔高度的增加，表層土壤pH值呈不斷降低趨勢。受研究區(qū)地形影響，隨著海拔高度的增加，容易導(dǎo)致地形雨形成，降水增加使土壤表層的易溶鹽分得到淋溶，土壤表層pH值亦隨之降低但并不明顯。也可能是由于大量的植被凋落物覆蓋在土壤表層引起鹽基離子的下移，且表層土壤枯落物層有機(jī)質(zhì)的分解過程中產(chǎn)生的中間產(chǎn)物單寧有機(jī)酸多，導(dǎo)致土壤pH值均有所下降[20]。

表1 土壤鹽分含量描述性統(tǒng)計(jì) Table 1 Descriptive statistics of various soil salt ions contents/(g·kg-1)

圖4 土壤pH值與海拔的相關(guān)關(guān)系

Fig.4 The correlation between soil pH values and altitude gradient

圖5 研究區(qū)土壤值 Fig.5 The soil salinization value in the study area

圖6 研究區(qū)土壤含鹽量

Fig.6 Soil salt content in the study area

2.3 土壤養(yǎng)分含量

2.3.1 土壤養(yǎng)分含量統(tǒng)計(jì)分析 對(duì)喀拉玉爾滾河上游河谷區(qū)表層土壤的有機(jī)質(zhì)、全N、全P、C/N等各項(xiàng)養(yǎng)分指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(表2)。結(jié)果表明，研究區(qū)表層土壤有機(jī)質(zhì)含量為2.30～176.37 g·kg-1，全N指標(biāo)含量為0.30～4.30 g·kg-1，全P指標(biāo)含量為1.30～1.80 g·kg-1，C/N指標(biāo)在9.00～20.70之間；由各項(xiàng)土壤養(yǎng)分指標(biāo)的變異系數(shù)(CV)來看，研究區(qū)表層土壤各養(yǎng)分指標(biāo)中，除全P外，有機(jī)質(zhì)、全N、C/N均屬中等變異，有機(jī)質(zhì)的變異系數(shù)(CV)最高，為0.54，全P的變異系數(shù)(CV)僅為0.09，變異性最低，屬弱變異，這與齊鵬等在祁連山中段青海云杉林土壤養(yǎng)分特征中的分析結(jié)果相一致[21]。

表2 土壤養(yǎng)分指標(biāo)統(tǒng)計(jì)特征值 Table 2 Statistical feature values of soil nutrient

表3 土壤各養(yǎng)分指標(biāo)與海拔間的相關(guān)性 Table 3 The correlation between altitude and soil nutrient index

注：**, 表示達(dá)到極顯著相關(guān)(P<0.01)。

Note: **, mean significantly correlation at 0.01 level.

2.3.2 土壤各養(yǎng)分指標(biāo)與海拔間相關(guān)性分析 土壤各養(yǎng)分指標(biāo)與海拔間的相關(guān)分析結(jié)果表明(表3)，有機(jī)質(zhì)、全N、全P、C/N含量與海拔之間呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，而pH值與海拔之間呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，土壤pH值與有機(jī)質(zhì)、全N、全P、C/N含量間呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，土壤有機(jī)質(zhì)與全N、全P及C/N含量間存在著極顯著正相關(guān)性(P<0.01)，而全N也與全P和C/N含量之間存在著極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，全P和C/N含量之間也表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。

受研究區(qū)北高南低的地勢影響，氣溫隨海拔高度的增加而遞減，降水量則隨高度的增加而遞增，而這些都會(huì)減緩?fù)寥莱煞种杏袡C(jī)質(zhì)的分解速率。由于植被枯落物的愈加覆蓋及腐化，加快了有機(jī)質(zhì)的積累。研究區(qū)不同海拔高度土壤養(yǎng)分含量的差異主要是受氣候因子、植被類型和人類活動(dòng)干擾的影響。此外，全N、全P等的含量、C/N還受有機(jī)質(zhì)控制及與土壤中粘粒含量的變化有關(guān)[22]。土壤有機(jī)質(zhì)是各種營養(yǎng)元素特別是N、P的重要來源，土壤中的N元素一般以有機(jī)態(tài)形式存在，是土壤有機(jī)質(zhì)的重要組成部分。土壤有機(jī)質(zhì)含量與全N含量呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)，全N含量取決于有機(jī)質(zhì)含量，因此，全N含量與有機(jī)質(zhì)的空間分布趨勢一致[23]。本研究分析證明全P與土壤有機(jī)質(zhì)表現(xiàn)出很好的相關(guān)關(guān)系，說明全P受有機(jī)質(zhì)影響較大，但是值得注意的是，本研究區(qū)土樣中全P含量的變異性最弱，在不同海拔高度的含量較穩(wěn)定，表明P素含量除了與其總含量及植被因素有關(guān)外，還與成土母質(zhì)有一定的關(guān)系。碳氮比(C/N)作為土壤質(zhì)量的敏感指標(biāo)，是衡量土壤碳、氮營養(yǎng)平衡狀況的重要參數(shù)，其變化對(duì)土壤碳氮循環(huán)有重要的影響[5]。本文分析表明表層土壤C/N與土壤有機(jī)質(zhì)呈極顯著正相關(guān)，表明研究區(qū)表層土壤有機(jī)質(zhì)含量高的區(qū)域C/N也較高。

3 結(jié) 論

研究區(qū)不同海拔的典型土壤棕漠土、山地棕鈣土、山地栗鈣土中粒徑<0.01 mm的土壤含量占比分別為23.75%、49.83%、60.95%，粒徑<0.001 mm的占比分別為12.50%、18.79%、22.39%，隨著海拔的升高，研究區(qū)土壤顆粒度趨于細(xì)化；不同類型土壤的含水量存在比較明顯的差異，土壤含水率與海拔之間呈極顯著的正相關(guān)。

研究區(qū)表層土壤各養(yǎng)分指標(biāo)中，除全P外，有機(jī)質(zhì)、全N、C/N均屬中等變異，有機(jī)質(zhì)的變異系數(shù)最高，為0.54，全P的變異系數(shù)僅為0.09，變異性最弱，屬弱變異；海拔及土壤各養(yǎng)分指標(biāo)間相關(guān)分析結(jié)果表明，海拔、有機(jī)質(zhì)、全N、全P、C/N各指標(biāo)之間皆呈極顯著正相關(guān)，且都與pH值之間呈極顯著負(fù)相關(guān)。

總之，喀拉玉爾滾河上游河谷土壤的理化性狀主要是在海拔梯度的影響下，同時(shí)受到多種影響因子的影響，而整體呈現(xiàn)出規(guī)律性垂直分帶性的變化。

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