大兴安岭干旱阳坡土壤水分和养分变异性研究

付志祥，孙海龙，刘道锟，周 林

(东北林业大学 林学院，哈尔滨 150040)

土壤作为植物所需水分和养分的主要提供者，土壤水分和养分的空间分布直接影响着植物群落的分布、演替和生产力[1]，彭晚霞等[2]和刘淑娟等[3]在喀斯特峰从洼地研究发现该地区土壤水分和养分指标均随植被正向演替(草地、灌木林、次生林、原生林)而增加，刘彬等[4]也发现干旱河谷土壤水分、养分明显低于相邻森林；同时，研究也发现随坡面位置变化，喀斯特、干旱河谷和黄土高原等地区坡面的土壤水分和养分也发生明显变化，并影响植被的分布和群落生产力[3-6]。而且，土壤特征的研究一直是退化生态系统研究的核心问题[7-9]。因此，认识退化植被的土壤水分和养分变化规律，对人工调控植被演替、促进退化生态的恢复具有重要意义。

大兴安岭是我国重要的林区，由于频繁的采伐和火烧破坏导致该区干旱阳坡植被严重退化[10]，在坡面的中下部植被主要以草丛和灌草丛为主，而在坡面的上部或顶部直至阴坡以次生阔叶林为主。在经过干扰后该区干旱阳坡不同坡位植被分布出现差异的原因目前还很少有人进行探讨，尤其对坡面土壤水分和养分的时空分布特征与植被分布的关系还了解较少。本文通过对干旱阳坡不同退化植被类型土壤水分、养分特征的分析，探讨干旱阳坡土壤水分、养分在不同植被类型和不同地貌部位的变化规律，进而为大兴安岭干旱阳坡的恢复提供理论依据。

1 研究地区与研究方法

1.1 研究地自然概况

研究地点位于黑龙江省大兴安岭加格达奇区的大兴安岭农林科学研究院实验基地塔列图施业区，地理坐标为E124°02′-N50°15′。该地区属于寒温带大陆季风性气候，年平均气温为-1.2℃，年度极端最高气温32.8℃，年度极端最低温-40.2℃，年平均有效积温2 100℃，日照时数2 671 h，年无霜期平均80 d，年均降雨量460 mm[11]。研究区地带性土壤为暗棕壤，土层较薄，一般在30～40 cm，下多石砾，土体内砾石含量高达30％～50％，以壤质为主；土壤呈酸性，pH值为4.5～6.5。

研究区植被特点为阳坡，是退化的草丛和灌草丛，阳坡或半阳坡的山脊是天然次生阔叶林。3种植物群落的主要种类组成为：

(1)草丛，主要有苔草(Carextristachya)、香蒿(Artemisiacarvifolia)、委陵菜(Potentillaaiscolar)、兴安天门冬(Asparagusdauricus)、银柴胡(RadixStellariae)、鸢尾(Irisuniflora)和小叶樟(Calamagrostisangustifolia)等。

(2)灌草丛，灌木主要有西伯利亚山杏(Armeniaeasibiriea)和春榆(Ulmusjaponica)等，草本主要有苔草(Carextristachya)、艾蒿(Artemisiaargyi)、裂叶蒿(Artemisialaciniata)、败酱(Patriniascabiosaefolia)和委陵菜(Potentillaaiscolar)等。

(3)山脊次生林，乔木层主要包括黑桦(Betuladahurica)、白桦(Betulaplatyphylla)、山杨(Populusdavidiana)和蒙古栎(Quercusmongolica)等，林下灌木以胡枝子(Lespedezabiocolor)为主。

图1 土壤取样点布设示意图

1.2 研究方法

1.2.1 土壤样品采集

土壤样品采集时间为：2012年8月1日-5日，期间无降水。选择植被为灌草丛和草丛的典型干旱阳坡各2个，利用样线法(线形取样法，Transect)进行调查取样[12]，每个干旱阳坡各设置1条样线。样线从阳坡山脚以垂直等高线直到阴阳坡交界处(或不同植被交界处)，再从交界处将样线继续延长50 m。取样时沿样线丛山脚每隔10 m设1个点，每个样点分0～10 cm和10～20 cm土层取样，分别取鲜土装入铝盒称重，以测定土壤水分，并取部分鲜土装入封口袋内用于土壤养分分析，同时记录该样点海拔，土层厚度，估算石砾含量(如图1所示)。选择的灌草丛样地坡度为25°～28°，草丛样地坡度为30°～33°，山脊林地样地坡度5°～15°。共计灌草丛32个样点，草丛22个样点，山脊林地20个样点。

表1 干旱阳坡不同植被类型的土壤水分和养分含量

不同小写字母表示差异显著(P<0.05)

1.2.2 土壤水分和养分测定

土壤样品带回实验室后，利用烘干法测定土壤含水量(SM)。封口袋内土壤样品风干后过筛，用于土壤养分分析。土壤全碳(TC)和全氮(TN)利用元素分析仪(Vario MACRO，elementar)进行测定，土壤全磷(TP)、全钾(TK)用硫酸-高氯酸酸熔-钼锑抗比色法——火焰光度法测定[13-14]，土壤速效磷(AP)用盐酸-硫酸双酸浸提-钼锑抗比色法测定[14]，速效钾(AK)用醋酸浸提-火焰光度法测定[14]，碱解氮(AN)用碱解扩散法测定[14]。

1.3 数据处理

本实验数据采用Excel2010和SPSS19.0进行统计分析，利用SigmaPlot10.0作图。采用方差分析(ANOVA)判断不同植被类型及不同地貌部位土壤水分和养分的差异性，用最小显著差数法(LSD)检验差异显著性。

2 结果与分析

2.1 干旱阳坡不同植被类型土壤水分和养分含量的差异

由表1可知，不同植被类型间土壤含水量(SM)差异明显，均表现为山脊林地>灌草丛>草丛，其中山脊林地显著高于草丛和灌草丛(P<0.01)。两土层之间土壤含水量差异均表现为0～10 cm土层较高，但差异不显著(P>0.05)，而且两土层之间差值也表现为山脊林地>灌草丛>草丛。不同植被类型间TC、TN、TP、AN、AP、AK和C/N均表现为山脊林地>灌草丛>草丛，且具有显著差异(P<0.05)，但是TK表现为灌草丛>草丛>山脊林地(P<0.05)。0～10 cm土层各养分含量均高于10～20 cm土层，但是仅各植被类型土壤的TC、TN、AK和C/N，及山脊林地土壤的AN、TP具有显著差异(P<0.05)。

图2 草丛不同地貌部位的土壤特征变化规律

2.2 干旱阳坡不同地形部位土壤水分和养分含量的差异

由图2可知，干旱阳坡草丛植被SM均表现为山脊林地最高，坡上和坡下次之，坡中最低的趋势，其中0～10 cm土层不同地形部位之间差异显著(P<0.05)。TC和TP在0～10 cm土层最高值均出现在山脊林地，其次为坡下，最低为坡中和坡上，其中山脊林地显著高于其它坡位(P<0.05)，而在10～20 cm土层各地形部位差异不显著。TN和AN两土层均表现为坡上、坡中和坡下相差较小，而山脊林地显著较低的格局。与TN和AN相反，TK表现为山脊林地显著较高，而其它地形部位差异较小的格局。AP在不同地形部位之间差异显著(P<0.05)，两土层均表现为：山脊林地>坡下>坡中>坡上。AK与C/N在不同地形部位间差异显著，均表现山脊林地>坡上>坡下>坡中。

由图3可知，干旱阳坡灌草丛植被的SM在不同坡位间具有显著差异(P<0.05)，不同地形部位大小次序与草丛相似。TC、TN、TP、AN、AK和C/N在不同地形部位间差异显著(P<0.05)，均表现为最高值出现在山脊林地，其次为坡上，最低为坡中和坡下的格局，但是10～20 cm土层TN和AN在坡下表现为较高数值。TK在坡下、坡中和坡上之间差异较小(P>0.05)，但是均显著高于山脊林地。与草丛相似，灌草丛AP在不同地形部位差异显著(P<0.05)，均表现为山脊林地和坡上较高，坡中和坡下较低的格局。

3 结论与讨论

3.1 不同植被对土壤水分、养分的影响

本研究结果表明：除了TK外，干旱阳坡草丛和灌草丛，以及山脊林地的土壤水分与养分均表现为山脊林地>灌草丛>草丛，这与其他研究者在喀斯特[3，15-16]和干旱河谷[4]等地区的研究结果相似。与其他研究中大兴安岭地区的土壤养分特征[17-19]相比，本研究中草丛下土壤的TA含量明显较低，同时本研究中不同植被类型间土壤AP的差异也最大(见表1)，这表明植被的退化加剧了土壤中速效磷的贫瘠化[15]，使植被群落朝着耐贫瘠和干旱的群落类型方向发展，因此，提高土壤中有效磷的供应将促进该地区森林植被的恢复。土壤SM在山脊林地与灌草丛和草丛间的差异也较大，这可能与处于山脊的次生林地坡度较小，且部分处于阴坡，而且有树木遮阴和较厚的凋落物层，能够截留更多的降水和抑制土壤水分蒸发有关，而草丛和灌草丛位于阳坡，且坡度较大，土壤蒸发量大，降水的截留能力弱，同时土壤养分也流失较多，因此土壤SM和速效养分均较低。

图3 灌草丛不同地貌部位的土壤特征变化规律

3.2 坡位对土壤水分、养分的影响

本研究中干旱阳坡的草丛和灌草丛土壤SM、TC、TP、AP、AK、和C/N均表现为山脊林地较高，而土壤TK在山脊林地最低的格局，这与植被类型间的差异一致，而干旱阳坡草丛土壤的TN和AN最高值未出现在山脊林地，这主要与草丛两条样线上方的林地仍为阳坡有关(如图1所示)。一般在不同坡位由于降雨后径流侵蚀的差异，土壤水分和养分通常表现为洼积效应或坡下较高的趋势[20]，这也是本研究中草丛植被坡下土壤的SM、TC、TP、TK和AP高于坡上和坡中的原因。

与草丛植被不同，除了TK灌草丛植被土壤表层的水分和养分均表现为坡上高于坡下和坡中格局，这与灌草丛坡上部坡度越缓，地表径流速度较小，从而更有利于降水的入渗有关(如图1所示)[21]。另外，灌草丛植被坡下和坡中土壤水分、养分较低还与人为干扰有关，由于阳坡是放牧的重要场所，动物取食减少了植被凋落物的归还量，因此降低了土壤表层的养分，这种影响在灌草丛植被尤其明显，可能与灌草丛坡地坡度较缓，以及动物的取食偏好有关。

【参 考 文 献】

[1]温仲明，焦 峰，刘宝元，等.黄土高原森林草原区退耕地植被自然恢复与土壤养分变化[J].应用生态学报，2005，16(11)：2025-2029.

[2]彭晚霞，宋同清，曾馥平，等.喀斯特峰丛洼地旱季土壤水分的空间变化及主要影响因子[J].生态学报，2010，30(24)：6787-6797.

[3]刘淑娟，张 伟，王克林，等.桂西北喀斯特峰丛洼地表层土壤养分时空分异特征[J].生态学报，2011，31(11)：3036-3043.

[4]刘 彬，罗承德，张 健，等.干旱河谷-山地森林交错带土壤水分与养分特征[J].生态学报，2011，31(1)：58-66.

[5]唐家良，周 麟，罗贵生，等.岷江上游干旱河谷区阳坡土壤性质空间分异特征[J].山地学报，2009，27(5)：531-537.

[6]潘成忠，上官周平.黄土半干旱区坡地土壤水分、养分及生产力空间变异[J].应用生态学报，2004，15(11)：2061-2066.

[7]张劲峰，宋洪涛，耿云芬，等.滇西北亚高山不同退化林地植被与土壤养分特征[J].生态学杂志，2008，27(7)：1064-1070.

[8]赵成章，石福习，董小刚，等.祁连山北坡退化林地植被群落的自然恢复过程及土壤特征变化[J].生态学报，2011，31(1)：115-122.

[9]伍 星，李辉霞，傅伯杰，等.三江源地区高寒草地不同退化程度土壤特征研究[J].中国草地学报，2013，35(3)：77-84.

[10]马克平，董世林，聂绍荃，等.大兴安岭草地研究—山地草原化植被[J].齐齐哈尔师范学院学报(自然科学版)，1990，10(3)：26-31.

[11]大兴安岭地区地方志办公室.大兴安岭年鉴2012[M].哈尔滨：黑龙江人民出版社，2012.

[12]Famiglietti J S，Rudnicki J W，Rodell M.Variability in surface moisture content along a hillslope transect：Rattlesnake Hill，Texas[J].Journal of Hydrology，1998，210：259-281.

[13]陈新萍.土壤中全磷测定方法的改进试验[J].塔里木大学学报，2005，17(2)：96-98.

[14]张 韫.土壤·水·植物理化分析教程[M].北京：中国林业出版社，2011

[15]胡忠良，潘根兴，李恋卿，等.贵州喀斯特山区不同植被下土壤C、N、P含量和空间异质性[J].生态学报，2009，29(8)：4187-4195.

[16]吴海勇，彭晚霞，宋同清，等.桂西北喀斯特人为干扰区植被自然恢复与土壤养分变化[J].水土保持学报，2008，22(4)：143-147.

[17]甘秋妹，孙海龙，郑 红，等.大兴安岭不同退化阶段土壤和植物C、N、P浓度及其化学计量特征[J].森林工程，2013，29(3)：1-5.

[18]崔 婧，蔡体久，杨 业，等.漠河-大庆输油管道工程对沿线地区土壤养分的影响[J].水土保持学报，2013，27(3)：143-149.

[19]刘德文，冯志欣，李秋梅，等.大兴安岭地区四种典型土壤类型的养分分析[J].森林工程，2000，16(6)：9-10.

[20]周 萍，刘国彬，侯喜禄，等.黄土丘陵区侵蚀环境不同坡面及坡位土壤理化特征研究[J].水土保持学报，2008，22(1)：7-12.

[21]秦 松，樊 燕，刘洪斌，等.地形因子与土壤养分空间分布的相关性研究[J].水土保持研究，2008，15(1)：46-49，52.