祁连山青海云杉林土壤养分特征

李雯靖，王立，赵维俊，牛赟，齐鹏

(1.甘肃农业大学林学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃省祁连山水源涵养林研究院，甘肃 张掖 734000；3.甘肃农业大学资源与环境学院，甘肃 兰州 730070)



祁连山青海云杉林土壤养分特征

李雯靖1,2，王立1，赵维俊1,2，牛赟2，齐鹏3

(1.甘肃农业大学林学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃省祁连山水源涵养林研究院，甘肃 张掖 734000；3.甘肃农业大学资源与环境学院，甘肃 兰州 730070)

【目的】 研究祁连山青海云杉林中土壤碳、氮、磷、钾等养分特征，以及养分含量和养分空间异质性及相互关系.【方法】 选取祁连山大野口流域1 hm2青海云杉林样地为研究对象，采用土壤剖面取样及室内分析相结合的方法.【结果】 土壤剖面(0～60 cm)有机碳、全氮、速效氮、全磷、速效磷、全钾和速效钾含量分别为(71.94±11.70)g/kg、(4.07±1.70)g/kg、(264.16±111.75)mg/kg、(0.59±0.07)g/kg、(18.51±7.52)mg/kg、(23.87±3.58)g/kg和(152.81±70.92)mg/kg.土壤养分中，除速效氮含量呈左偏态分布，有机碳、全氮、全磷、速效磷、全钾和速效钾含量均呈右偏态分布，变异系数大小为：速效钾>有机碳>速效氮>全氮>速效磷>全钾>全磷.相关性分析表明，有机碳与氮素、磷素、钾素(全钾负相关)之间密切正相关，同时，全量养分之间彼此相互关联，速效养分中仅速效氮含量受控于全氮.【结论】 土壤养分主要受植被和土壤两大因素影响，两大因素累计解释异质量为64.008%.

青海云杉林；土壤养分；土壤剖面；祁连山

土壤是森林生长的重要基质，土壤通过养分供应和协调林木生长所需的营养元素与环境条件，影响并控制着林木的健康状态[1-2]，而且土壤养分状况在一定程度上还会影响森林植被的演替方向[3].评价森林土壤质量是评价森林可持续发展的重要指标.祁连山是位于青藏高原东北部的边缘山系，由于全球气候变化和人类活动的长期干扰，祁连山区森林生态系统退化严重，服务功能降低，逆向演化显著[5]，给区域生态环境建设和经济发展带来了负面影响.寒温性针叶林是祁连山上分布的地带性植被，由于地理位置、气候和地质结构及成土过程等作用[4]，其土壤具独特的物理、化学及生物特性，对环境的变化比较敏感，并且对整个生态系统的影响比较强烈.尤其在土壤剖面深度较浅的祁连山林区[6]，受地形和小生境的影响，青海云杉林地土壤具有较高的空间异质性.所以，探讨祁连山青海云杉林土壤养分含量特征，养分空间异质性及其相互关系，对认识青海云杉林植物-土壤系统养分循环和恢复具有重要的意义.

目前关于祁连山青海云杉林地土壤养分的研究多集中在土壤碳和氮方面，而且选取采样面积相对较小，样地重复也较少[7-9]，偏差较大，在一定程度上难以反映土壤养分的真实情况，造成了即使在相同地区对同一植被类型的研究也无法得到相似的结论.本研究在祁连山大野口流域2010年建立的1 hm2青海云杉林大样地内进行[10]，基于经典统计学计算合理样本容量[11]和大样地地形相对平坦情况下，参照CTFS的土壤采样方案[12]进行土壤剖面取样和室内分析，旨在分析样地土壤剖面碳、氮、磷、钾等养分特征，及养分空间异质性，重点阐述土壤养分之间相互关系及主要影响因素，为恢复和重建受损的建群种或优势种青海云杉林土壤生态系统，为青海云杉林的人工抚育、土壤肥力的维持以及人工林的经营管理提供参考，为祁连山水源涵养林生态环境建设提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于祁连山国家级自然保护区北麓中段西水林区的大野口河流域，流域面积68.06 km2，海拔2 650～4 600 m，平均海拔为3 330 m，低山地带坡度在20°～30°之间，高山地带坡度在40°左右.属大陆性高寒半湿润山地气候，年均气温为5.4 ℃，最低月平均气温-12.5 ℃，最高月平均气温在19.6 ℃左右；年降水量为300～500 mm，多集中在6～9月份，年蒸发量为1 488 mm[13].区内自然条件复杂，水热条件差异大，形成了多种具有明显垂直梯度的植被类型和土壤类型，是在流域尺度上开展寒区和干旱区森林水文与生态等陆面过程研究的理想场所.海拔从低到高，植被类型依次为山地荒漠植被、山地草原植被、山地森林草原植被、亚高山草甸植被、高山冰雪植被；土壤类型依次为山地灰钙土、山地栗钙土、山地灰褐土、亚高山灌丛草甸土、高山寒漠土.在各类土壤中山地森林灰褐土和亚高山灌丛草甸土是生长森林的土壤，山地灰褐土分布在海拔2 400～3 300 m地带，是乔木林的主要分布带；亚高山灌丛草甸土分布在海拔3 300～4 000 m的亚高山地带，是湿性灌木林的主要分布带.建群种青海云杉林呈斑块状或条状分布在研究区海拔2 400～3 300 m阴坡和半阴坡地带，与阳坡草地呈犬牙状交错分布，形成林草复合景观系统；祁连圆柏(SabinaprzewalskiiKom.)呈小块状分布于阳坡、半阳坡；灌木优势种有金露梅(Potentillafruticosa)、箭叶锦鸡儿(Caraganajubata)、吉拉柳(Salixgilashanica)等；草本主要有珠芽蓼(Polygonumvivipamm)、黑穗苔(Carexheterostachya)和针茅(Stipasp.)等.

1.2 样地概况

按照森林生态系统长期定位观测方法，结合目前国际上森林生态学关于大样地设置的最新研究方法[14-15]，于2010～2011年在青海云杉林木生长季期间，在祁连山大野口河流域内建设了一块面积为100 m×100 m的1 hm2典型代表性调查样地，调查样地位于阴坡青海云杉林相对平坦的林地中，地理坐标E 100°15′00″ 、N 38°31′48″，平均海拔2 835 m，坡度13°，坡向WN.林分起源为天然次生林，土壤为山地灰褐土，年均降水量368 mm，年均气温为0.5 ℃，平均相对湿度60%(1994～2004年)，水热条件较好，空气湿度相对较大[16].样地内乔木树种组成单一，只有青海云杉，群落成熟稳定，林木更新良好，郁闭度为0.67，林下光照不足.灌木生长发育不良，种类较少，主要由蔷薇科金露梅和银露梅(Potentillaglabra)等落叶灌木组成.草本主要有苔草(Carex)、珠芽蓼、马先蒿(Pedicularis)等典型高山草甸植物，物种较为丰富.苔藓层发育良好，盖度达到80%以上，厚度约10 cm，主要由山羽藓(Abietinellaabietina)、欧灰藓(Hypnumcupressiforme)、提灯藓(Mniumcuspidatum)等组成[10,17].

1.3 取样方法与样品处理

用全站仪将青海云杉1 hm2样地划分成25个20 m×20 m的小样方.于2012 年8 月采集供试土壤样品，以20 m×20 m样方的4个顶点为基准点，在此基准点的东、南、西、北、东南、东北、西南、西北、8个方向中随机选取1个方向，并在此方向随机选取1个坐标延伸5 m或10 m的样点，这些样点共同组成了土样采集点共72个，顺坡向用铁锹挖土壤剖面.采样时，先除去地面凋落物，用土壤环刀分5层(0～10、10～20、20～30、30～40 cm和40～60 cm)采集土样，每层2个重复，用密封袋带回，用于土壤容重和含水量测定.同时用小铁铲取每个采集点土壤剖面相同土层质量大致相当的土样置于塑料布上，去除石砾、植被残根等杂物，混合均匀后用密封塑料袋带回实验室，用于土壤化学性质测定，土壤有机碳、pH值、全氮、速效氮、全磷、速效磷、全钾和速效钾含量依据《森林土壤分析方法》(GB7830-7892-87)林业行业标准测定，其中：土壤有机碳含量采用重铬酸钾氧化-外加热法测定，pH值采用电位法测定，全氮、速效氮采用半微量凯氏法测定，全磷、速效磷采用钼锑抗比色法测定，全钾和速效钾采用火焰光度法测定[18].

1.4 数据分析与处理

用Excel进行数据整理，用SPSS17.0进行数据统计分析.其中0～60 cm土层含量是0～10、10～20、20～30、30～40、40～60 cm各层次土壤含量的加权平均值[19]，对各指标试验数据进行描述性统计特征值，利用单因素方差分析对不同土壤剖面不同土层土壤全量养分和速效养分含量进行差异显著性检验，并利用最小显著性极差法(LSD)进行多重比较；应用直方图和频率分析进行土壤养分频数分布图绘制和判断养分数据分布情况；不同土层土壤养分之间的相关性利用Pearson 相关系数和Two-tailed 双尾检验完成；养分的主要影响因素应用因子分析法分析.

2 结果与分析

2.1 土壤剖面养分含量特征

土壤养分在剖面上的垂直分布，是了解土壤形成过程中研究区成土母质、自然因素、气候及土地利用和管理方式等变化的基础资料[20].祁连山青海云杉林大样地土壤剖面不同土层土壤养分含量不同.由表2可知，土壤有机碳、全氮、速效氮和全磷含量随土层深度增加其含量不断下降，呈现明显的“表聚性”，主要是与枯落物在表层积累和分解的关.土壤养分在不同土层中含量存在差异，其中有机碳和全氮含量在20～30 cm以下土层差异性不显著(P>0.05)；速效氮含量变化较为明显，但30～40 cm以下土层差异不显著(P>0.05)；全磷含量在不同土层差异均不显著(P>0.05)，且分布均匀.不同土层有机碳、全氮、速效氮和全磷的质量分数变化范围分别为(42.79±16.90)～(102.05±36.71)g/kg、(2.43±0.81)～(5.88±1.47)g/kg、(143.63±56.11)～(398.09±45.86) mg/kg和(0.56±0.07)～(0.64±0.06)g/kg；有机碳、全氮、速效氮和全磷在0～60 cm土层均值大小分别为(63.70±12.27)g/kg、(3.80±0.67)g/kg、(264.16±111.75)mg/kg和(0.59±0.05)g/kg.土壤速效磷、全钾和速效钾含量随土层深度增加没有明显的变化规律，这可能与土壤微生物活性有关,土壤速效磷和全钾含量较为稳定(P>0.05)，速效磷和全钾含量分布均匀，而速效钾仅在0～10 cm和10～20 cm土层差异性显著(P<0.01),速效磷、全钾、速效钾对应的变化范围为(17.00±3.86)～(20.63±10.83)mg/kg、(22.38±4.69)～(24.60±3.73)g/kg和(124.56±44.90)～(218.69±90.47)mg/kg；速效磷、全钾、速效钾0～60 cm土层均值分别为(18.51±7.52)mg/kg、(23.99±2.05)g/kg和(152.81±70.92)mg/kg.

表2 土壤剖面养分含量分布

2.2 土壤养分的空间异质性

土壤养分的频率分布不仅反映了它们在土壤中分布的总貌，而且在某种程度上包含了与表层环境中地球化学过程有关的信息[21-22].对样地土壤剖面不同土层有机碳、全氮、全磷和全钾含量的频率分布分析结果见图1.正态性检验结果表明，土壤有机碳、全氮、全磷和全钾含量频数分布的高峰向左偏移，长尾向右侧延伸，全量养分均服从正偏态分布，也称右偏态分布.变异系数是土壤性质的内在反映，能够区别不同土壤养分对外界条件的敏感性，土壤剖面有机碳、全氮、全磷、全钾的变异系数分别为43.65%，41.72%，11.90%和14.99%.

对样地土壤剖面不同土层速效氮、速效磷和速效钾养分库的频率分布特征分析结果见图2.正态检验结果表明，土壤速效氮含量呈左偏态分布，而土壤速效磷和速效钾含量呈右偏态分布.土壤速效氮、速效磷和速效钾在剖面中的变异系数分别为42.30%、36.52%和46.41%，结合土壤有机碳和全量氮、磷、钾的变异系数，养分变异系数大小分别为：速效钾>有机碳>速效氮>全氮>速效磷>全钾>全磷，速效钾、有机碳、速效氮、全氮和速效磷变异系数较大，而全钾和全磷的变异系数较小，在土壤养分中相对稳定.可以看出，土壤碳、氮、磷养分的空间异质化程度明显，其中有机碳、全氮和速效养分的空间异质化程度最明显，可能受多种因素的影响和控制，因为这些因素在空间上具有较高的异质性.

2.3 土壤养分元素相关性分析

从表3可以看出，除与土壤全钾的相关性为显著负相关外(P<0.05))，土壤有机碳与全氮、速效氮、全磷、速效钾和速效磷的相关性达到极显著(P<0.01)和显著正相关水平(P<0.05)，表明土壤养分供应状况在很大程度上取决于土壤有机碳含量.此外，土壤有机碳与氮素养分的相关系数较土壤有机碳与磷素和钾素的相关系数大.土壤全量养分中，全氮与全磷的相关性达到极显著正相关水平(P<0.01)，全氮和全磷与全钾的相关性达到显著负相关水平(P<0.05)和极显著负相关水平(P<0.01)，全钾与其他养分均呈负相关关系，全量养分中彼此相互制约.土壤速效养分中，速效氮与全氮呈极显著相关(P<0.05)，磷、钾速效养分不受相应全量养分控制(P>0.05).

为进一步分析碳、氮、磷、钾养分元素影响因素，对土壤养分指标变量进行因子分析，土壤养分指标KMO和Barletts检验值分别为0.744和323.344，df=21，达极显著水平(P<0.01)，因子分析效果较好.从表3可以看出，土壤养分主要受两大因素的影响，其中土壤有机碳、全氮、速效氮和全磷归结为因素一，特征根为3.028，解释异质量的45.830%，而速效磷、全钾和速效钾归结为因素二，特征根较小，解释异质量为18.178%，两大因素累计解释异质量为64.008%.土壤有机碳和全氮主要来源于养分归还量，而速效氮受控于土壤全氮(表3).全磷归结为因素一，说明在青海云杉林地中，土壤全磷主要来源于生物富集，原因是研究区地处高山地区，青海云杉林地土壤环境阴冷潮湿，土壤微生物活性较低，土壤动物种类结构单一，使得来自土壤母质中的磷素含量很少，主要来自植物的生物量归还量，所以将因素一命名为植被因素.土壤速效磷和速效钾主要取决于土壤生物化学活性，全钾属于因素二，表明其主要来源于成土母质，原因是该地区土壤发育于千枚岩、玄武岩、砂砾岩、火山岩等矿物，这些矿物钾素丰富，通过物理、化学和生物作用为土壤提供钾，所以将因素二命名为土壤因素.由此可见，样地碳、氮、磷全量养分和速效养分主要取决于植被及土壤环境因素对青海云杉林土壤养分产生影响.

图1 土壤有机碳、全氮和全磷含量的频数分布图Fig.1 Frequency distribution maps of soil organic carbon,total N and total P

图2 土壤速效氮和速效磷含量的频数分布图Fig.2 Frequency distribution maps of soil available nitrogen and available phosphorus

有机碳全氮速效氮全磷速效磷全钾速效钾有机碳1.000全氮0.738**1.000速效氮0.744**0.878**1.000全磷0.289**0.561**0.564**1.000速效磷0.251*0.1800.097-0.0671.000全钾-0.233*-0.238*-0.231*-0.290**-0.0281.000速效钾0.450**0.273**0.286**0.0840.1390.0911.000

表4 土壤养分指标变量的因子分析结果

3 结论

本研究对已建立的祁连山青海云杉林1 hm2样地土壤养分特征进行了分析，结果认为在区域气候、植被和周围环境的作用下，青海云杉林土壤养分在剖面上具有明显的“表聚性”特点.虽然土壤全磷含量不足，但总体上能够满足林木生长所需的营养元素，使得青海云杉成为相对稳定的种群.尽管样地自然背景较为一致，因地表覆盖物分布的不均匀和低温潮湿的气候环境，使得土壤有机碳、全氮和速效养分存在明显的空间变异性.土壤有机碳与氮、磷、钾等营养元素之间均存在不同程度的相关性，有机碳和氮素、磷素、钾素(与全钾负相关)之间密切正相关，同时，全量养分之间彼此相互关联，速效养分中仅速效氮含量受控于全氮，有机碳是影响林分生产力与肥力的关键因素.

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(责任编辑 胡文忠)

Soil nutrient characteristics ofPiceacrassifoliaforest in Qilian Mountains

LI Wen-jing1,WANG Li1,2,ZHAO Wei-jun1,2,NIU Yun2,QI Peng3

(1.College of Forestry,Gansu Agricultural University,Lanzhou 730070,China;2.Academy of Water Resources Conservation Forests in Qilian Mountains of Gansu Province,Zhangye 734000,China;3.College of Resource and Environment Sciences,Gansu Agricultural University,Lanzhou 730070,China)

【Objective】To research the details of soil carbon,nitrogen,phosphorus,potassium nutrients characteristics,and nutrient spatial heterogeneity in Dayekou basin of the Qilian Mountain.【Method】 Soil sample from 1 hm2plot ofPiceacraaifoliaforest was selected as the research object,stratified sampling of soil profile and laboratory analysis methods were used in the test.【Result】 The content of soil organic carbon,total nitrogen,available nitrogen,total phosphorus,available phosphorus,total potassium and available potassium content of whole soil profile (0～ 60 cm) were (71.94 ± 11.70)g/kg,(4.07±1.70) g/kg,(264.16 ± 111.75) mg/kg,(0.59±0.07) g/kg,(18.51± 7.52) mg/kg,(23.87±3.58) g/kg and (152.81 ± 70.92) mg/kg respectively.In addition to the content of soil available nitrogen left skewed distribution,the soil organic carbon,total nitrogen,total phosphorus,available phosphorus,total potassium and available potassium content were all right skewed distribution.The variation coefficient size: available potassium>organic carbon>available nitrogen>total nitrogen > available phosphorus>total potassium>total phosphorus respectively.Correlation analysis showed that the organic carbon and nitrogen,phosphorus and potassium (negatively related to the total potassium) were closely related,at the same time,total contents of nutrients were closely interrelated,only available nitrogen content controlled all over nitrogen in the available nutrient.【Conclusion】 Soil nutrients is mainly influenced by vegetation and soil factors,the cumulative explain different quality is 64.008% of two main factors.

Piceacrassifoliaforest;total nutrient;soil profile;Qilian Mountains

李雯靖(1986-)，女，助理工程师，主要从事林业生态和湿地生态研究.E-mail：shyliwenjing@126.com

王立(1963-)，博士，副教授，硕士生导师，主要从事水土保持与荒漠化防治等方面的研究.E-mail：wangli@gsau.edu.cn

甘肃省基础研究创新群体“祁连山土壤水源涵养功能与森林分布变化响应关系”(145RJIG337)；林业公益性行业科研专项“西北高寒山地针叶林碳氮水耦合观测、模拟与应用技术”( 201104009-08 )(41461004)；甘肃省科技创新服务平台“甘肃省祁连山生态科技创新服务平台” (144JTCG254).

2015-05-27；

2015-07-48

S 714.2

A

1003-4315(2016)05-0088-07