生境和地形对伊犁绢蒿土壤养分的影响

侯钰荣,安沙舟

（新疆农业大学草业与环境科学学院新疆草地资源与生态重点实验室,新疆乌鲁木齐 830052）

荒漠草地在一年中分春、秋两季利用,利用时间长达半年之久,致使草地退化严重,从而促使土壤养分变化。从牧业生产看,家畜在春季牧场上恢复体膘和产羔育幼,在秋季牧场上贮存能量越冬并为繁衍下一代而进行配种。因此,春秋牧场是连接夏场和冬场的时间和空间纽带,是畜牧业季节间生产畅通的保证,所以既要维持现有的牧业生产需要,又要阻止草地退化引起的土壤退化。长期以来,新疆荒漠草地不合理的放牧制度已导致区域生态环境恶化,植被覆盖度减小,土地裸露面积增大,草-土-畜系统失衡,严重制约着新疆畜牧业的稳定发展。近年来,已有许多学者从土壤层面对我国草地的植物和土壤情况做了相关研究,但问题主要集中在放牧[1-4]、围封[5-6]和利用方式[7-9]上,认为土壤养分的变化仅与放牧有关,而忽略了微环境对土壤养分的影响。关于环境因子对土壤养分影响的报道较少,仅见樟子松（Pinus sy lvestrisvar.mongolica）栽培林土壤有机碳矿化的研究[10]。因此,生境和地形等客观环境因子对土壤理化性质的影响有待深入研究。

新疆蒿类春秋牧场面积303.98万hm2,占全疆春秋牧场总面积的28%[11]。Liu等[12]对天山北坡不同退化阶段伊犁绢蒿（Seriphidium transiliense）荒漠草地植被特征和土壤特性已有研究。本研究主要针对不同生境和不同地形条件下伊犁绢蒿土壤化学性质的变化特征,摸清荒漠草地生态系统土壤养分对生境和地形的反应,揭示生境和地形在土壤演替过程中的作用,同时,为维持草-土-畜的系统平衡提供依据,也为新疆蒿类荒漠草地的合理利用及恢复草地生态提供理论依据。

1 研究区概况

本研究选择了5个具有代表性的生境,在每个生境中又依据当地实际情况选择了不同的地形,研究其不同生境和不同地形条件下土壤化学性质的变化。从伊犁河谷西部开始从西向东的5个伊犁绢蒿草地发育典型的县（市）作为试验研究区。研究区不放牧且有围栏保护,分别为:新疆察布查尔县（80°47′33″～ 80°50′12″E,43°30′07″～43°31′24″N,海拔 1 306 ～ 1 425 m,以下简 称察县）位于伊犁河谷西部,西临哈萨克斯坦,地形有平地、山体的东南坡和西北坡,地表有零星的刺旋花（Convolvulus tragacanthoides）、西北针茅（Stipa sareptanavar.krylovii）等植物发育,植物总 盖 度 25% ～ 30%；新 源 县（82°32′08″～82°35′58″E,43°22′32″～ 43°23′42″ N, 海 拔1 111～1 214 m）位于伊犁河谷东部,地形有平地、山体的东坡和西坡,地表发育着短柱苔草（Carex turkestanica）、阿勒泰狗哇花（Heteropappus altaicus）、角果藜（Ceratocarpus arenarius）、旱雀麦（Bromus tectorum）、扁蓄（Polygonum aviculare）、蝎尾菊（Koelpinia linearis）、木地肤（Kochia prostrata）等植物,土壤中有砾石；沙湾县（85°43′34″～ 85°48′34″E,44°00′51″～44°01′23″N,海拔 962 ～ 1 029 m）具体样地在紫泥泉种羊场的平地、山体的东坡和西坡,地表有短柱苔草、木地肤、西北针茅、叉毛蓬（Petrosimonia sibirica）等植物生长,植物总盖度为25%；乌鲁木齐市（87°45′47″～87°45′48″E,43°53′25″～43°53′29″N,海拔 822～ 854 m,以下简称乌市）地形选择在山体的顶部,作为平地,山体的东南坡和西北坡,地表植物单一,仅有角果藜和木地肤伴生 ,植被总盖度为 30%；奇台县（89°24′12″E,43°47′38″N,海拔为 1 215 m）样地属于典型的土质荒漠草地,为丘陵地带。地表有短柱苔草、羊茅（Festuca ovina）、西北针茅、阿勒泰狗哇花、叉毛蓬、木地肤等植物生长,植被总盖度为45%。

2 样品的采集与分析方法

2.1 样品的采集采样定在秋季,具体时间为2009年9月18日至10月8日,在现场选定好的典型样地中记载样地地理位置、坡向、坡位、海拔高度、地貌类型及植物种类等。在5个县（市）内分别选择典型平地样地、阳坡（东坡或东南坡）样地和阴坡（西坡或西北坡）样地,每个样地分3个坡位,每个坡位上每隔20 m（取3次样）,用内径4 cm 的土钻分别按0～10、10～20、20～30 cm 土层各随机取5钻土样,将同一样地土样混匀后装入新的保鲜塑料袋中,带回实验室备用。

2.2 分析方法土壤速效指标测定采用常规分析方法:碱解氮采用碱解扩散法；速效钾采用NH4OAc浸提,火焰光度计法；有效磷采用碳酸氢钠浸提比色法[13]；各指标测定时均重复3次,方差分析和相关性分析均采用SPSS15.0完成。

3 结果与分析

3.1 土壤速效养分的变化土壤速效氮（碱解氮）含量反映了土壤的供氮水平,是表征土壤肥力的主要指标之一[14]。不同生境和不同地形条件下土壤碱解氮含量表现出明显的差异（表1）。土壤剖面碱解氮含量为0～10＞10～20＞20～30 cm,且都表现出平地＞阳坡＞阴坡。从不同生境来看,土壤0～30 cm碱解氮含量依次为新源县＞沙湾县＞察布查尔县＞奇台县＞乌鲁木齐市,说明新源县和沙湾县土壤碱解氮含量较高,为植物良好的生长发育奠定基础。

表1 不同生境和不同地形下土壤碱解氮的变化 mg/kg

由表2可知,研究区土壤中富含钾,随着土层的加深,土壤速效钾含量依次减少,即0～10＞10～20＞20～30 cm；不同生境条件下,0～30 cm土层速效钾含量依次为察县＞奇台县＞新源县＞沙湾县＞乌市,其均值分别为628.41、536.18、534.39、505.69 和 454.56 mg/kg；不同地形条件下0～30 cm土层,除0～10 cm土层沙湾县除西坡＞沙湾县东坡以外,其余均为平地＞阳坡＞阴坡；其中,察县平地0～10 cm值最大,为518.26 mg/kg,乌市西北坡20～30 cm值最小,为54.51 mg/kg。

由表3可知,研究区土壤有效磷含量在各土层中均较低。从土壤剖面来看,土壤有效磷含量随着土层加深依次减少,即0～10＞10～20＞20～30 cm；在同一生境下,除察县西北坡＞察县东南坡以外,其余均为平地＞阳坡＞阴坡；从0～30 cm土层来看,有效磷含量新源县＞奇台县＞察县＞乌市＞沙湾县,其值分别为2.27、1.60、1.43、1.24和 1.20 mg/kg。

表2 不同生境及不同地形条件下土壤速效钾的变化 mg/kg

表3 不同生境及不同地形条件下土壤有效磷的变化 mg/kg

3.2pH值和有机质的变化研究区属于荒漠草地类型,地表干旱且蒸发量大,0～30 cm pH值在7.14～8.21,土壤基本偏碱性（表4）。在0～10 cm、10～20 cm、20～ 30 cm 土层,均以新源县平地的pH值最小,而乌市平地的pH值最大,且二者之间存在极显著差异（P＜0.01）,这与新源县降雨量大和地表蒸发量小有很大关系。地形对土壤 pH 值影响程度不同,但均表现出0～10 cm＜10～20 cm＜20～30 cm,即随着土层的加深,pH值依次升高。不同生境和不同地形方差分析都表明,各土层间的差异性不同,以10～20 cm土层差异性最小,10～20 cm是伊犁绢蒿根系最集中的土层,说明伊犁绢蒿根系有调节土壤pH值的功能。

表4 不同生境及不同地形条件下土壤pH值的变化

有表 5可知,从不同生境来看,在 0～10 cm土层中,察县平地的有机质含量最高,达40.98 g/kg,最低的为奇台县,仅有18.15 g/kg,而乌市西北坡的土壤有机质为29.90 g/kg,也相对较低；在10～20 cm土层中,新源县土壤含有机质最高,为33.98 g/kg,而乌市西北坡土壤有机质最低,仅为11.71 g/kg,奇台县丘陵带为12.44 g/kg,仅次于乌市西北坡；在20～30 cm土层中,察县平地土壤有机质含量最高,达27.15 g/kg,乌市西北坡土壤有机质含量最低,仅为7.49 g/kg,奇台县丘陵带（10.13 g/kg）略高；说明这5个地区内乌市西北坡和奇台县丘陵地带的有机质含量较少。土壤有机质含量受地形影响较大,表现为为平地＞阳坡＞阴坡,可能与地表的热量积累有关,一般地表接受光照的机率和时间来说,平地、阳坡、阴坡是依次减少的,可以用王红等[10]的研究结论“土壤有机碳矿化随着温度的升高呈指数增加”来解释,说明土壤有机质含量与温度呈正相关性。

4 讨论与结论

不同生态系统的土壤有机碳储量反映了该生态系统截留碳的能力,在不同的生态环境条件下控制土壤有机碳循环的因素不同,导致土壤中的有机碳具有较高的空间变异性。土壤有机质的输入量在很大程度上取决于气候条件、土壤水分状态、养分的有效性、植被生长等因素,而有机物质的分解速率则受制于有机物的化学组成、土壤水热状况以及物理化学特性等因素[15-16]。土壤化学性质是常用于表征土壤生产力和品质的指标[17]。有研究报道,地形因素会影响土壤的理化性质。本研究中土壤有机质、碱解氮、速效钾和有效磷在不同生境中均以平地＞阳坡＞阴坡＞丘陵为主,与Mcintosh等[18]在新西兰南岛绵羊放牧（116只/hm2）14年,阳坡土壤中的 Ca、K、Mg等可交换阳离子增加,而阴坡没有相似的结论。地形对pH值的影响没有一定的规律,新源县、察布查尔县、沙湾县、乌鲁木齐市的土壤pH值依次表现出东坡＞西坡＞平地,东南坡＞平地＞西北坡,西坡＞东坡＞平地,平地＞西坡＞东坡,而它们都比丘陵地带的pH值小（除乌鲁木齐市平地）,可以看出,接受阳光充分的地形比阳光照射强度小或照射时间短的地形pH值大；但这一点目前还没有相关研究报道,其理论的真实性还有待于进一步确定。土壤总盐基本呈阴坡＞阳坡＞平地,其规律性较强,但恰好与有机质、碱解氮、速效钾和有效磷规律相反。这更加可以说明,土壤总盐与其他养分间相关性不明显,而有机质、碱解氮、速效钾和有效磷之间关系紧密。因此,土壤有机碳储量与气候、植被、地形等环境变量密切相关[19],与本研究得出土壤有机质含量受地形因素影响较大的结论相似。

表5 在不同生境及不同地形条件下土壤有机质的变化 g/kg

通过以上分析与讨论,可以初步得出以下结论:新疆天山北坡伊犁绢蒿荒漠草地土壤化学性质在不同生境和不同地形条件下差异性明显,土壤化学性质受生境或地形的影响,其中,对土壤速效养分和有机质具有相对一致的影响。

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