刁二龍，曹廣超，曹生奎，袁 杰，虞 敏，付建新

(1. 青海師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，青海 西寧 810008；2. 青海師范大學(xué) 青海省自然地理與環(huán)境過程重點實驗室，青海 西寧 810008；3. 青藏高原地表過程與生態(tài)保育教育部重點實驗室，青海 西寧 810008)

【研究意義】祁連山南坡地處青藏高原東北部，是西北地區(qū)重要的水源涵養(yǎng)地和生態(tài)安全屏障，在涵養(yǎng)水源、保育土壤、固碳釋氧、營養(yǎng)物質(zhì)積累等生態(tài)功能方面發(fā)揮著重要的作用，生態(tài)地位十分重要，引起了國家層面及學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。國家層面，祁連山不僅設(shè)立有國家級自然保護區(qū)管理局，而且有中科院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院等國內(nèi)長期從事祁連山生態(tài)研究的科研機構(gòu)，長期觀測和分析研究祁連山生態(tài)系統(tǒng)變化狀況，學(xué)術(shù)界，國內(nèi)學(xué)者對祁連山做了大量研究，高永鵬等[1]基于校正后的SRTM數(shù)據(jù)與ASTER立體像對數(shù)據(jù)，利用大地測量法，對2000-2010年祁連山地區(qū)冰川冰儲量變化進行應(yīng)用研究，結(jié)果表明：2000-2010年祁連山冰川厚度平均減薄(5.68±2.76)m，冰川儲量變化(-1.59±0.72)Gt，氣溫升高依然是冰川變化的主要因素；王忠武等[2]選取祁連山地區(qū)10個氣象站1973-2016年最新氣象資料，分析了全球變暖背景下祁連山地區(qū)氣候變化特征，發(fā)現(xiàn)1973-2016年祁連山東、中、西段氣候變化有明顯的差異，其中祁連山中段氣溫升高、降水增多暖濕化的趨勢最為顯著；武正麗等[3]基于2000-2011年250 m分辨率的MODIS NDVI數(shù)據(jù)并結(jié)合氣候資料，研究發(fā)現(xiàn)近10年來祁連山植被覆蓋整體上呈增加趨勢，全球氣候變暖導(dǎo)致的降水增加是祁連山植被覆蓋增加的主要原因?！厩叭搜芯窟M展】但縱觀這些研究，主要圍繞該區(qū)氣候變化、冰川儲量變化及植被覆蓋變化等方面，而對祁連山南坡不同土地利用方式下土壤理化性質(zhì)的研究較少。土壤含水量、pH值、有機質(zhì)及電導(dǎo)率是土壤理化性質(zhì)的基礎(chǔ)，是進一步了解土壤理化性質(zhì)差異的代用指標，在一定程度上可以反映出土壤質(zhì)量狀況，其中土壤水分不僅是植物生長必需的生態(tài)因子，也是土壤生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)和能量的流動介質(zhì)；土壤酸堿性和有機質(zhì)直接影響著土壤的物理、化學(xué)和生物過程，從而對土壤微生物和植物生長發(fā)育產(chǎn)生影響，同時也是植物和微生物生命活動所需養(yǎng)分和能量的源泉；土壤電導(dǎo)率作為土壤鹽分狀況的指標，是確定土壤鹽漬化程度的重要指標[4]，不同土地利用方式[5-6]會影響土壤含水量、pH值、有機質(zhì)及電導(dǎo)率。【本研究切入點】基于此，本文以祁連山南坡不同土地利用方式為研究對象，對不同土地利用方式下土壤含水量、pH值、有機質(zhì)及電導(dǎo)率進行分析?！緮M解決的關(guān)鍵問題】以期為該區(qū)土壤資源可持續(xù)利用和生態(tài)保護提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處青藏、黃土高原交匯處，總面積約為2.4×104km2。地理位置為E 98°08′13″(102°38′16″，N 37°03′17″(39°05′56″，平均海拔3800 m。受地形和氣候的影響，土壤和植被垂直分異明顯，土壤類型包括山地森林土、灰褐土、栗鈣土、黑鈣土、高山草原土、草甸土、寒漠土，森林植被以寒溫性針葉林為主，主要森林類型有以青海云杉為主要建群種的針葉林、由青海云杉、祁連圓柏組成的針葉混交林、祁連圓柏疏林、山楊、紅樺、白樺組成的闊葉林以及針闊混交林；灌叢類型主要有金露梅灌叢、山生柳灌叢及箭葉錦雞兒等；草本植物主要有禾本科、蒿草、苔草、馬先蒿等[7]。

1.2 土壤樣品采集

基于研究區(qū)地形、地貌、海拔與植被類型現(xiàn)狀，結(jié)合野外調(diào)查，于2017年8月，通過手持GPS定位預(yù)采樣點，對不同土地利用方式下的土壤進行采集，其中自然生長環(huán)境下植被類型選擇青海云杉、金露梅灌叢、高寒草地、沼澤濕地，耕地選擇青稞地，分別對其土壤進行采集。每種植被類型下設(shè)置面積為20 m×20 m的標準樣地，在布設(shè)好的樣地中隨機設(shè)置1 m×1 m標準樣框，用直徑為5 cm的土鉆自上而下每隔10 cm逐層采集土樣，采樣深度50 cm，去除土樣中的植物根系和殘渣后裝入自封袋稱重，共布設(shè)采樣點93個，采集土壤樣品465件。將土樣帶回實驗室自然風(fēng)干后磨碎過篩測量相關(guān)指標。

1.3 指標測定及數(shù)據(jù)方法

土壤pH值按5∶1水土體積質(zhì)量比混合，用pH計(pHs-3C)進行測試；土壤電導(dǎo)率按5∶1水土體積質(zhì)量比制備待測液，用便攜式電導(dǎo)率儀測定；土壤有機質(zhì)用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定；土壤含水量用烘干法測定，將20 g左右的新鮮土樣在105 ℃條件下烘烤12 h，至質(zhì)量恒定時求出土壤失水重量占烘干重量的百分數(shù)，即為土樣所含水分質(zhì)量。以上實驗均在青海省自然地理與環(huán)境過程重點實驗室完成，各指標測定完成后，利用SPSS 20.0進行數(shù)據(jù)處理分析，采用Duncan進行不同土地利用方式差異性分析，通過Grapher 9.0完成圖表制作。

圖1 研究區(qū)位置及采樣概況圖Fig.1 Location of the study area and distribution of the sampling sites

表1 研究區(qū)5種土地利用方式下土壤含水量變化情況

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤含水量分布特征

由表1可知，除耕地外，青海云杉、金露梅灌叢、高寒草地、沼澤濕地表層土壤含水量均大于底層土壤含水量。沼澤濕地的土壤含水量最大，平均含水量為48.48 %，其次為金露梅灌叢(30.71 %)、高寒草地(28.93 %)、青海云杉(25.99 %)，耕地土壤含水量最小(12.76 %)。沼澤濕地的土壤含水量最大是因為其表層存在著大量的枯落物和腐殖質(zhì)，本身具有較強的持水能力，當(dāng)枯落物混入土壤后會增大土壤孔隙度，降低土壤容重，土壤的持水能力與持水量增加[8]，同時濕地所處的海拔較高，溫度較低、蒸發(fā)較弱，而降水量較多，故本研究中沼澤濕地的土壤含水量最大。而高寒草地的土壤含水量相對較高主要是草本植被與林木相比具有較淺的根系和較小的冠層，故其蒸騰和耗水較小[9]，此外草地根系主要集中在表層，對降雨具有截留作用，使得草地的土壤含水量相對林地較高。由于采樣時間為作物生長季，作物生長對水分的消耗量大，且地表蒸散發(fā)強烈，所以耕地表層土壤含水量相對較低，此外0-20 cm土層接近地表，屬于耕作層，入滲條件好，持水能力差，所以耕地下層土壤含水量較表層含水量高[10]。

不同土地利用方式下土壤含水量垂直分布特征如圖2(a)所示，隨土壤深度的增加，青海云杉、金露梅灌叢、高寒草地、沼澤濕地的土壤含水量均呈減少趨勢，而耕地的土壤含水量變化趨勢與其它4種植被類型的土壤含水量變化趨勢相反。土壤含水量垂直變異性如圖2(b)所示，除耕地外，其它4種土地利用方式下表層(0～20 cm)和底層(20～50 cm)土壤含水量變異性均較大，變異系數(shù)均在30 %以上，10 %

2.2 土壤pH值分布特征

由表2可知，5種不同土地利用方式下表層土壤pH值均小于底層土壤pH值，0～50 cm土層，土壤pH均值大小依次為耕地(7.75)>高寒草地(7.63)>青海云杉(7.62)>沼澤濕地(7.61)>金露梅灌叢(7.60)，供試土樣pH值在7.29～7.94，平均值為7.64，表明研究區(qū)5種不同土地利用方式下的土壤酸堿度以中性和弱堿性為主，符合我國西北干旱半干旱區(qū)土壤大多呈堿性的特征。高寒草地、青海云杉、沼澤濕地、金露梅灌叢表層pH較小這可能是由于土壤動物和微生物活動頻繁產(chǎn)生一些代謝物，同時表層的枯落物在分解過程中會產(chǎn)生或釋放一些有機酸等酸性物質(zhì)[12]，釋放H+對堿性環(huán)境產(chǎn)生一定的中和作用，繼而降低了表層土壤的pH值，而耕地表層pH較小可能是由于施肥降低了土壤的堿性。

圖2 不同土地利用方式下土壤含水量沿剖面變化及表層和底層變異情況Fig.2 Variation of moisture content along profile and changes in surface and ground layers

表2 研究區(qū)5種土地利用方式下土壤pH變化情況

不同土地利用方式下土壤pH值垂直分布特征如圖3(a)所示，隨土壤深度的增加，5種土地利用方式下的土壤pH值均呈逐漸增大的趨勢。土壤pH值垂直變異性如圖3(b)所示，

5種不同土地利用方式下土壤pH值垂直空間變異性均較小，表層和底層變異系數(shù)均在6 %以下，c.v.<10 %，為弱變異性，即土壤pH值在垂直剖面上保持相對穩(wěn)定性。土壤pH值垂直變異性大小為，金露梅灌叢最小(2.86 %)，其次為青海云杉(3.49 %)、耕地(3.77 %)、高寒草地(4.26 %)，沼澤濕地最大(5.37 %)。將土壤劃分為表層(0～20 cm)和底層(20～50 cm)2個層次進行分析，青海云杉和耕地的土壤pH值垂直變化主要表現(xiàn)在表層，而金露梅灌叢、高寒草地、沼澤濕地則主要表現(xiàn)在下層。這可能是因為耕地受施肥、耕作等的影響增大了表層土壤pH值的變異性。林地下分布著一定數(shù)量的枯落物，枯落物經(jīng)分解和腐殖化，轉(zhuǎn)變成為腐殖質(zhì)，腐殖質(zhì)中含有腐殖質(zhì)酸[13]，導(dǎo)致了表層土壤pH值降低，而對下層土壤的影響較小。沼澤濕地、金露梅灌叢和高寒草地的土壤pH值垂直變化主要表現(xiàn)在下層(20～50 cm)這可能與土壤含水量有關(guān)，本文中濕地、灌叢和草地土壤含水量隨土層深度增加呈減少趨勢，而pH值隨土層深度增加而增大，表明土壤含水量會影響土壤pH值，這與高海峰等人[14]的研究結(jié)果一致。

2.3 土壤有機質(zhì)分布特征

由表3可知，0～50 cm土層，土壤有機質(zhì)均值大小依次為青海云杉(59.64 g/kg)>沼澤濕地(54.51 g/kg)>金露梅灌叢(52.83 g/kg)>耕地(52.07 g/kg)>高寒草地(47.99 g/kg)，根據(jù)全國第二次土壤普查及有關(guān)標準，將土壤養(yǎng)分含量劃分為6個等級，一級(有機質(zhì)>40 g/kg)，二級(30～40 g/kg)，三級(20～30 g/kg)，四級(10～20 g/kg)，五級(6～10 g/kg)，六級(<6 g/kg)，5種不同土地利用方式下土壤有機質(zhì)含量均大于40 g/kg，處于有機質(zhì)含量6個等級中的一級，表明研究區(qū)土壤較肥沃。

圖3 不同土地利用類型下土壤pH沿剖面變化及表層和底層變異情況 Fig.3 Variation of pH along profile and changes in surface and ground layers

表3 研究區(qū)5種土地利用方式下土壤有機質(zhì)變化情況

青海云杉有機質(zhì)含量較高，部分原因是林下枯落物較多，經(jīng)過微生物的分解作用轉(zhuǎn)化成有機質(zhì)[15]，且林地受人為擾動小，土壤有機質(zhì)積累多分解少。而耕地土壤有機質(zhì)含量較高與施肥有關(guān)。

不同土地利用方式下土壤有機質(zhì)垂分布特征如圖4(a)所示，隨土壤深度的增加，土壤有機質(zhì)含量均呈減少趨勢。不同土地利用方式下土壤有機質(zhì)在各層次的變異性表現(xiàn)為高寒草地最高，變異系數(shù)為63.88%，沼澤濕地最小，為41.51 %，10 %

2.4 土壤電導(dǎo)率分布特征

由表4可知，5種土地利用方式下表層土壤電導(dǎo)率均大于底層土壤電導(dǎo)率，0～50 cm土層，沼澤濕地土壤電導(dǎo)率均值最大，為123.8 μs·cm-1；其次為青海云杉、耕地和高寒草地，分別為118.16、102.6和100.88 μs·cm-1；金露梅灌叢土壤電導(dǎo)率均值最小，為98.48 μs·cm-1。沼澤濕地土壤電導(dǎo)率均值最大是因為濕地生境具有地勢低洼、通氣不良、排水不暢的特點，地表有常年積水或季節(jié)性積水[16]，影響了土壤的滲透性，土壤毛細管的蒸騰將地下水中的鹽分帶到表面，容易引起鹽分在地表的積累。按照《中國鹽漬土》對中國濱海鹽土、半濕潤半干旱區(qū)鹽漬土壤鹽化分級指標，當(dāng)電導(dǎo)率<243 μs·cm-1為非鹽化；243～486 μs·cm-1為輕度鹽化，研究區(qū)5種土地利用方式下的土壤電導(dǎo)率均小于243 μs·cm-1，未出現(xiàn)鹽漬化現(xiàn)象。

不同土地利用方式下土壤電導(dǎo)率垂直分布特征如圖5(a)所示，研究區(qū)5種土地利用方式下土壤電導(dǎo)率表現(xiàn)出明顯的“表聚性”，即0～10 cm土層電導(dǎo)率值最大，隨土壤深度的增加電導(dǎo)率值總體上呈減小趨勢。0～50 cm土層深度，金露梅灌叢的土壤電導(dǎo)率變異系數(shù)最大，為31.51 %，高寒草地的變異系數(shù)最小，為23.42 %，10 %

圖4 不同土地利用類型下土壤有機質(zhì)沿剖面變化及表層和底層變異情況Fig.4 Variation of soil organic matter along profile and changes in surface and ground layers

表4 研究區(qū)5種土地利用方式下土壤電導(dǎo)率變化情況

圖5 不同土地利用類型下土壤電導(dǎo)率沿剖面變化及表層和底層變異情況Fig.5 Variation of soil electrical conductivity along profile and changes in surface and ground layers

表5 不同土地利用類型下土壤性質(zhì)差異性

注：表中數(shù)據(jù)為平均值(標準差；采用Duncan法進行差異顯著性分析；同一列不同字母表示差異顯著(P<0.05)。

Note: The data in the table are averages and standard deviations; The significance of the differences was analyzed using the Duncan method; The same column with different letters indicates that the difference is significant (P<0.05).

表6 不同土層土壤性質(zhì)的空間變異性

2.5 土壤性質(zhì)差異顯著性分析

由于不同土地利用方式下其地表覆被不同，導(dǎo)致土壤含水量、pH、有機質(zhì)和電導(dǎo)率等土壤理化性質(zhì)會產(chǎn)生差異。由表5可知，沼澤濕地含水量與其它4種土地利用類型含水量存在顯著性差異，尤其與耕地含水量差異性最明顯，而高寒草地、青海云杉與金露梅灌叢間土壤含水量無顯著性差異。5種土地利用方式下，耕地土壤pH值與其它4種土地利用類型pH值差異性顯著，而高寒草地、青海云杉、金露梅灌叢與沼澤濕地間pH值差異性不顯著。金露梅灌叢、沼澤濕地與耕地間土壤有機質(zhì)含量無顯著性差異，而青海云杉和高寒草地土壤有機質(zhì)含量差異顯著。青海云杉和沼澤濕地的土壤電導(dǎo)率無顯著性差異，高寒草地、金露梅灌叢和耕地間的土壤電導(dǎo)率差異性也不顯著，而青海云杉和沼澤濕地與其它3種土地利用類型土壤電導(dǎo)率差異性顯著。

2.6 土壤性質(zhì)空間變異性分析

土壤是不均勻和變化的連續(xù)體，即使在土壤類型相同的區(qū)域內(nèi)，土壤性質(zhì)在不同空間位置上也具有明顯差異。土壤性質(zhì)的空間變異性既受氣候、母質(zhì)、地形、土壤類型等結(jié)構(gòu)性因素的影響，也受施肥、耕作等隨機性因素的影響。研究區(qū)內(nèi)不同土地利用方式下各樣點土壤含水量、pH值、有機質(zhì)及電導(dǎo)率的空間變異性如表6所示，在0～50 cm土層深度，隨土壤深度的增加，土壤的含水量、pH值、有機質(zhì)及電導(dǎo)率變異性呈減小趨勢，表明不同土地利用類型對土壤含水量、pH值、有機質(zhì)及電導(dǎo)率的影響主要體現(xiàn)在表層，而對底層的影響逐漸減弱。含水量的表層變異性最大，其次為有機質(zhì)和電導(dǎo)率，pH的表層變異性最小。除pH為弱空間變異性外(c.v.<10 %)，含水量、有機質(zhì)和電導(dǎo)率均為中等程度的空間變異性(10 %

3 討 論

含水量、pH值、有機質(zhì)及電導(dǎo)率等土壤理化性質(zhì)受成土母質(zhì)、氣候、生物和地形等結(jié)構(gòu)性因素及人類活動等隨機性因素的綜合影響。隨海拔增加氣溫逐漸降低而降水在一定高度范圍內(nèi)增加，超過一定限度后降水逐漸減少，使得不同海拔高度具有不同的生境，其會影響地表化學(xué)元素的累積、遷移、分解和代謝等[19]，進而對土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生影響。土壤水分會改變土壤中的空氣和熱量，影響土壤pH、氧化還原過程和有機質(zhì)分解過程、溶液離子的遷移速度，進而影響土壤pH、電導(dǎo)率和有機質(zhì)含量[20]。土壤容重是土壤重要的物理性質(zhì)之一，土壤容重影響著土壤通氣狀況、水肥供應(yīng)進而影響土壤含水量、pH值、有機質(zhì)及電導(dǎo)率等土壤理化性質(zhì)。本文對祁連山南坡5種不同土地利用方式下土壤含水量、pH值、有機質(zhì)及電導(dǎo)率的研究，更多的是考慮土地利用方式不同對土壤理化性質(zhì)的影響，而氣候、海拔、土壤容重等因素對土壤含水量、pH值、有機質(zhì)及電導(dǎo)率的影響有待進一步探討研究。

4 結(jié) 論

本文對祁連山南坡不同土地利用方式下土壤含水量、pH值、有機質(zhì)及電導(dǎo)率的垂直變化特征和空間變異性進行了研究，主要結(jié)論如下。

(1)研究區(qū)不同土地利用方式下，土壤含水量、有機質(zhì)及電導(dǎo)率垂直變化特征較相似，即由表層到底層整體上表現(xiàn)為由高變低，pH值變化趨勢與之相反。5種土地利用方式下土壤有機質(zhì)含量均較高，土壤較肥沃；土壤pH呈弱堿性，符合我國西北干旱半干旱區(qū)土壤大多呈堿性的特征；土壤電導(dǎo)率較低，未出現(xiàn)鹽堿化現(xiàn)象。

(2)研究區(qū)不同土地利用方式下以沼澤濕地的土壤含水量最大，其次為金露梅灌叢、高寒草地、青海云杉，耕地的土壤含水量最小。土壤pH均值大小依次為耕地>高寒草地>青海云杉>沼澤濕地>金露梅灌叢。土壤有機質(zhì)均值大小為青海云杉>沼澤濕地>金露梅灌叢>耕地>高寒草地。土壤電導(dǎo)率具有明顯的“表聚性”，土壤電導(dǎo)率均值大小為沼澤濕地>青海云杉>耕地>高寒草地>金露梅灌叢。

(3)土壤含水量、pH值、有機質(zhì)及電導(dǎo)率變異性隨土層深度增加呈減小趨勢，土壤含水量、有機質(zhì)及電導(dǎo)率變異性主要表現(xiàn)在表層(0～20 cm)，底層(20～50 cm)變異性較小。表明不同土地利用方式對土壤含水量、pH值、有機質(zhì)及電導(dǎo)率的影響主要在表層，而對底層的影響逐漸減弱。pH為弱空間變異性，含水量、有機質(zhì)和電導(dǎo)率為中等程度的空間變異性。