安克儉, 魏 霞, 賀 燕, 路志強(qiáng)

(蘭州大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 甘肅 蘭州 730000)

土壤是生態(tài)系統(tǒng)中植被發(fā)展、種群結(jié)構(gòu)變化、群落演替物質(zhì)能量的交換場所[1-2]。土壤理化性質(zhì)對植被生產(chǎn)力具有決定性影響[3]。土壤養(yǎng)分、水分與植被狀態(tài)存在較為密切循環(huán)關(guān)系，在此循環(huán)過程中，碳、氮、磷元素作為養(yǎng)分元素循環(huán)的核心驅(qū)動(dòng)著其他養(yǎng)分元素的循環(huán)與轉(zhuǎn)化[4-6]。在土壤—植被系統(tǒng)中，土壤為植被生長提供水分和養(yǎng)分，植被對土壤產(chǎn)生生態(tài)效應(yīng)[7-8]，植被從土壤中吸收養(yǎng)分與水分，同時(shí)以枯落物分解的形式將養(yǎng)分回饋于土壤中，植物根系固土及分泌物作用能減少土壤養(yǎng)分和水分不受因土壤侵蝕造成的流失，進(jìn)而改變土壤質(zhì)地和土地生產(chǎn)力[9]。

土壤養(yǎng)分是土壤肥力評價(jià)的重要指標(biāo)，是影響土壤肥力和土壤質(zhì)量的主要因素[10]，直接影響植被的恢復(fù)、重建、生長[11]，土壤含水率不僅限制植被的分布和生長，還會(huì)改變土壤微氣候，進(jìn)而對土壤養(yǎng)分的組成和轉(zhuǎn)化產(chǎn)生重要影響?，F(xiàn)對于不同植被類型土壤已有大量研究，如有研究表明黃土高原土壤肥力最高的是梯田，肥力最低是陡坡草地[12]，且土壤含水率隨退耕年限的增加而增大[11]。黃雅茹等[9]在烏蘭布和東北部的研究中表明，不同土地利用方式下土壤肥力等級不同，并且受凋落物影響，表層土壤養(yǎng)分含量最高。顧振寬等[13]、wang等[14]、鞏杰等[15]在研究中發(fā)現(xiàn)，不同植被類型以及不同土層深度間的土壤有機(jī)碳、全氮、全磷含量分布具有一定規(guī)律性。羅紅等[16]在研究中發(fā)現(xiàn)，西藏造林作業(yè)區(qū)的土壤肥力整體偏低，且具有典型水平地帶性分布規(guī)律。但是對于祁連山區(qū)因野外環(huán)境復(fù)雜，采樣工作開展困難，關(guān)于不同高寒植被類型土壤差異的研究還比較少見。研究祁連山區(qū)不同植被類型土壤養(yǎng)分及含水率狀況，探究其分布特征規(guī)律，對于區(qū)域生態(tài)植被恢復(fù)具有重要意義。

祁連山區(qū)作為黃土高原、蒙新高原、青藏高原的分界線，東起烏鞘嶺，西至當(dāng)金山與阿爾金山相連，山區(qū)由多條西北—東南走向的山脈和寬谷組成[17]，是黨河、疏勒河、北大河、黑河、石羊河、大通河和湟水的主要補(bǔ)給來源[18-20]。祁連山區(qū)分布著終年積雪及現(xiàn)代冰川，生物多樣性豐富[21]，對于西北內(nèi)陸干旱半干旱地區(qū)的研究頗為重要。近年來，受全球氣候及人類活動(dòng)影響，祁連山區(qū)冰雪、凍土退化、水源涵養(yǎng)力下降、草地退化嚴(yán)重等問題日益嚴(yán)重[21-23]。但由于祁連山區(qū)自然條件惡劣，交通不便，致使研究工作開展困難。鑒于此，本研究以祁連山區(qū)4種主要植被類型土壤為研究對象，運(yùn)用室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)理統(tǒng)計(jì)相結(jié)合的方法分析祁連山區(qū)不同植被類型下的土壤養(yǎng)分及含水率分布特征，以期為祁連山區(qū)水土保持和生態(tài)植被恢復(fù)提供基礎(chǔ)科學(xué)資料。

1 研究區(qū)概況

祁連山區(qū)位于青藏高原東北部，緯度范圍為35°48′—40°05′N，經(jīng)度范圍為93°18′—103°54′E。區(qū)域面積30 000 km2，山區(qū)海拔處于3 000～4 500 m之間，隨海拔變化，祁連山區(qū)氣候變化明顯[20]，山前低山區(qū)屬荒漠氣候，年均氣溫6 ℃左右，年均降水量約150 mm；中山下部屬于半干旱草原氣候，年均氣溫2～5 ℃，年均降水量250～300 mm；中山上部為半濕潤森林草原氣候，年均氣溫0～1 ℃，年均降水量400～500 mm；亞高山和高山屬寒冷濕潤氣候，年均氣溫-5 ℃左右。成土母質(zhì)主要為以粉粒為主的風(fēng)積黃土和以沙粒為主的巖石風(fēng)化物[24-25]，主要土壤類型有黑氈土、黑鈣土、高寒草甸土、棕漠土、冷鈣土和栗鈣土等[26]。天然植被主要有青海云杉(Piceacrassifolia)、白樺(Betulaplatyphylla)、紅樺(Betulaalbosinensis)、金露梅(Potentilalfruticosa)、銀露梅(Pltentillaglabra)、小葉錦雞兒(Caraganamicrophylla)、小檗(Berberisthunbergii)、野薔薇(Rosamultiflora)、披針苔草(Carexlanceolate)、垂穗披堿草(Elymusnutans)、早熟禾(Poaannua)、風(fēng)毛菊(Saussureajaponica)、煙管頭草(Carpesiumcernuum)等。

2 材料與方法

2.1 土壤樣品采集

于2018年6—8月在研究區(qū)進(jìn)行土樣采集，選取祁連山區(qū)高寒草甸、高山灌叢、溫性草原、溫性荒漠4種典型植被類型土壤作為研究對象，共設(shè)置31個(gè)采樣點(diǎn)。采樣點(diǎn)空間分布見圖1，采樣點(diǎn)位基本信息見表1。每個(gè)采樣點(diǎn)重復(fù)取3個(gè)土樣，使用直徑為10 cm土鉆按照不同深度0—10 cm，10—20 cm，20—30 cm，30—40 cm分別采集土壤樣品。將相同剖面土層土樣混合裝袋并編號，記錄樣點(diǎn)經(jīng)緯度、植被、海拔等基礎(chǔ)信息。將土樣帶回實(shí)驗(yàn)室，放置陰涼處自然風(fēng)干，清除土樣中的根系、石礫等。

圖1 祁連山區(qū)地形及采樣點(diǎn)空間分布

表1 采樣點(diǎn)基本信息

2.2 土壤樣品測定

土壤各指標(biāo)測定在蘭州大學(xué)西部環(huán)境教育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。采用烘干法測定土壤含水率，采用Smartchem200全自動(dòng)化學(xué)分析儀測定土壤全氮和全磷含量，土壤有機(jī)質(zhì)含量測定步驟為：先采用 H2SO4-K2Cr2O7氧化法測定土壤有機(jī)碳含量，后將有機(jī)碳含量乘1.723即得土壤有機(jī)質(zhì)含量。

2.3 數(shù)據(jù)獲取

逐日降水、氣溫?cái)?shù)據(jù)來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn/)，選取祁連山區(qū)及周邊氣象站共43個(gè)，獲得日降雨量及日均溫實(shí)測數(shù)據(jù)。將數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選后采用線性插值法對缺失數(shù)據(jù)進(jìn)行填補(bǔ)，統(tǒng)計(jì)整理得到43個(gè)氣象站的年平均氣溫和年累積降雨量。運(yùn)用ArcGIS 10.5進(jìn)行空間插值、柵格計(jì)算，提取得到樣點(diǎn)位置的年平均氣溫和年累積降雨量數(shù)據(jù)。

2.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2016進(jìn)行基礎(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，采用IBM SPSS Statistics 20進(jìn)行SOM，TN，TP，SMC與年平均氣溫、年累積降雨量的Pearson相關(guān)性分析，雙因素方差(two-way ANOVA)分析不同植被類型及土層深度對土壤養(yǎng)分及含水率分布特征的影響。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤養(yǎng)分與含水率分布

由土壤含水率與養(yǎng)分分布情況(表2)可知，不同植被類型間SOM，TN，TP，SMC存在差異，不同植被類型土壤SMC均值大小順序?yàn)椋焊吆莸?32.69%)>高山灌叢(23.40%)>溫性草原(20.32%)>溫性荒漠(4.65%)。SOM均值大小依次為：高寒草甸(64.48 mg/g)>高山灌叢(56.26 mg/g)>溫性草原(30.39 mg/g)>溫性荒漠(6.92 mg/g)，土壤TN均值大小順序?yàn)椋焊呱焦鄥?3.74 mg/g)>高寒草甸(3.63 mg/g)>溫性草原(1.96 mg/g)>溫性荒漠(0.64 mg/g)；土壤TP均值大小為：溫性草原(0.59 mg/g)>高寒草甸(0.57 mg/g)>高山灌叢(0.56 mg/g)>溫性荒漠(0.48 mg/g)。除溫性草原和溫性荒漠土壤SOM空間上為強(qiáng)變異(176%，102%)，其余指標(biāo)在不同植被類型下均為中等變異。土層深度上，在0—40 cm深度范圍內(nèi)，4種植被類型土壤SOM，TN，SMC均值均在表層(0—10 cm)取得最大值，高寒草甸、溫性草原、高山灌叢SOM，TN含量均隨深度增加而逐漸減小。

表2 祁連山區(qū)不同植被類型土壤養(yǎng)分及含水率分布

3.2 不同坡向土壤養(yǎng)分及含水率分布

根據(jù)坡向四分法，將研究區(qū)的地形劃分為：陽坡(135°—225°)、半陽坡(90°—135°和225°—270°)、陰坡(315°—45°)、半陰坡(45°—90°和270°—315°)4種坡向。不同坡向土壤養(yǎng)分及含水率分布情況見表3。由表3可知，不同坡向土壤SMC均值大小關(guān)系為半陽坡(28.79%)>半陰坡(21.94%，)>陰坡(21.00%)>陽坡(12.75%)。SOM均值大小關(guān)系為半陽坡(55.63 mg/g)>半陰坡(38.66 mg/g)>陰坡(31.33 mg/g)>陽坡(28.07 mg/g)。半陽坡土壤TN含量最高，均值為3.31 mg/g，分布范圍為0.86～7.40 mg/g，半陰坡次之，分布范圍為0.08～5.83 mg/g，均值較半陽坡低21%，陰坡與陽坡土壤TN含量均值最低且相等，均為1.84 mg/g。土壤TP含量均值大小順序?yàn)椋喊腙幤?0.62 mg/g)>半陽坡(0.52 mg/g)>陰坡(0.52 mg/g)>陽坡(0.51 mg/g)。此外，4種坡向SOM含量均為高度空間變異性，變異系數(shù)分別為陽坡(205%)、半陽坡(134%)、陰坡(187%)、半陰坡(119%)，陰坡TN含量為高度空間變異性(107%)，其余指標(biāo)在不同坡向下均為中等空間變異性。

表3 祁連山區(qū)不同坡向土壤養(yǎng)分及含水率分布

3.3 植被類型和土層深度對土壤養(yǎng)分及含水率分布影響

雙因素方差分析結(jié)果(表4)表明，研究區(qū)SMC主要受植被類型影響顯著(p<0.001)，SOM含量受植被類型與土層深度變化影響顯著水平不同(p<0.001，p<0.01)，TN含量在p<0.001水平下受植被類型影響顯著，在p<0.05水平下受土層深度顯著影響，TP含量變化與植被類型及土層深度的交互影響均不顯著。SMC，SOM，TN，TP含量分布主要受植被類型影響，土層深度變化為次要影響。

表4 祁連山區(qū)植被類型和土層深度對土壤養(yǎng)分及含水率的雙因素方差分析

3.4 土壤養(yǎng)分、含水率與氣候關(guān)系

將研究區(qū)各點(diǎn)年平均氣溫及年累積降雨量與SOM，TN，TP，SMC做皮爾遜相關(guān)分析(表5)可知，研究區(qū)SOM，SMC均與年平均氣溫呈極顯著負(fù)相關(guān)(p<0.01)，TN含量與年平均氣溫呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(p<0.05)，TP含量與年平均氣溫?zé)o顯著相關(guān)，研究區(qū)SOM，TN，TP，SMC與年累積降雨量均表現(xiàn)出極顯著正相關(guān)(p<0.01)。

表5 祁連山區(qū)土壤養(yǎng)分、含水率與氣候的相關(guān)分析

4 討論與結(jié)論

4.1 討 論

研究區(qū)土壤SOM含量分布范圍為1.85～190.31 mg/g，TN含量分布范圍為0.07～7.99 mg/g，TP含量分布范圍為0.24～1.81 mg/g，SMC分布范圍為0.79%～73.21%。此結(jié)果與姜紅梅等[4]、姚喜喜等[6]研究結(jié)果基本相符。研究區(qū)土壤TP含量較低的原因可能是高寒地區(qū)土壤TP含量主要來自于巖石風(fēng)化作用[17]，受成土母質(zhì)與成土作用的影響，磷在風(fēng)化殼中的物質(zhì)遷移作用很小。并且在植被生長過程中，主要參與演替循環(huán)的磷素為速效磷[4]，易被植被吸收，加之降水淋溶損失，短時(shí)間內(nèi)難以得到補(bǔ)充[17]，導(dǎo)致土壤中TP含量較低。本研究表明不同植被類型下土壤SOM，SMC大小順序均為：高寒草甸>高山灌叢>溫性草原>溫性荒漠；TN含量大小順序?yàn)椋焊呱焦鄥?高寒草甸>溫性草原>溫性荒漠；TP含量大小順序?yàn)椋簻匦圆菰?高寒草甸>高山灌叢>溫性荒漠。這可能是由于按照高寒草甸、高山灌叢、溫性草原、溫性荒漠順序，植被覆蓋度逐漸減小，導(dǎo)致不同植被類型土壤層枯落物含量出現(xiàn)差異，植被枯落物的分解作用，會(huì)不同程度增加土壤SOM，TN，TP含量。相關(guān)研究表明枯落物層可以有效降低土壤蒸發(fā)量，使得SMC增大[5]；植被可以緩沖降水對土壤打擊[4]，降低因土壤侵蝕造成的養(yǎng)分流失。植被對土壤養(yǎng)分還具有表聚效應(yīng)，為植被生長提供營養(yǎng)元素，從而表現(xiàn)出植被土壤相互促進(jìn)循環(huán)演替[4,15]，使得植被覆蓋度較高的地區(qū)土壤SOM，TN，TP含量維持在相對較高水平。

4種坡向下，SOM，TN，SMC在半陽坡最高。這可能是由于不同坡向之間太陽輻射差異所導(dǎo)致的，研究表明陽坡年輻射潛力比陰坡高93%[17]，較高輻射潛力導(dǎo)致較高的溫度，不僅促進(jìn)植被發(fā)育，而且可以加速土壤有機(jī)質(zhì)的分解[17]，且土壤TN含量95%來自于有機(jī)質(zhì)的分解。高溫引起土壤水分的蒸發(fā)又限制植被的發(fā)育，導(dǎo)致研究區(qū)半陽坡土壤SOM，TN，SMC最高。TP含量在半陰坡最高，陽坡最低的原因可能是陽坡植被發(fā)育狀況優(yōu)于陰坡，植被吸收作用強(qiáng)于陰坡，導(dǎo)致陽坡土壤TP含量最低。

SOM，TN，TP，SMC分布受植被類型主要影響，這與王苗苗等[2]、鞏杰等[15]研究結(jié)論一致。這表明影響研究區(qū)植被發(fā)育狀態(tài)的因素可間接影響土壤養(yǎng)分及含水率的分布情況。SOM，TN，TP，SMC與年累積降雨量均表現(xiàn)出極顯著正相關(guān)(p<0.01)，SOM，SMC與年平均氣溫均為極顯著負(fù)相關(guān)(p<0.01)，TN與年平均氣溫顯著負(fù)相關(guān)(p<0.05)，TP與年平均氣溫相關(guān)性不顯著。邱麗莎等[20]、賈文雄等[23]在研究中表明，氣溫與降雨量是植被覆蓋變化的主要影響因子。年平均氣溫較高的區(qū)域，土壤蒸發(fā)量較大，SMC較小，植被發(fā)育緩慢，土壤微生物分解效率受到抑制，植被枯落物及微生物代謝產(chǎn)物分解不徹底，導(dǎo)致土壤中由微生物分解作用產(chǎn)生的SOM，TN含量減小。邱麗莎等[20]、戴聲佩等[25]在研究中表明祁連山區(qū)或干旱半干旱區(qū)植被生長的主要限制因子為降水量，故降水量的減小會(huì)導(dǎo)致SMC降低、植被退化，進(jìn)而導(dǎo)致土壤SOM，TN，TP含量減小。

4.2 結(jié) 論

研究區(qū)不同植被類型土壤養(yǎng)分及含水率分布特征存在差異，植被類型是其主要影響因素(除TP外)，土壤SOM，SMC大小順序?yàn)椋焊吆莸?高山灌叢>溫性草原>溫性荒漠，TN含量大小順序?yàn)椋焊呱焦鄥?高寒草甸>溫性草原>溫性荒漠，TP含量大小順序?yàn)椋簻匦圆菰?高寒草甸>高山灌叢>溫性荒漠。不同深度上的分布差異主要與年累積降雨量極顯著相關(guān)，除TP外，其他指標(biāo)還與年平均氣溫極顯著相關(guān)。不同坡向下，TP含量在半陰坡最高，陽坡最低，SOM，TN，SMC均在半陽坡最高。綜上所述，祁連山區(qū)植被恢復(fù)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)措施的布置要綜合考慮坡向、植被分布格局所造成的土壤性質(zhì)的差異，因地制宜，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效應(yīng)的耦合發(fā)展。