托木尔峰国家级自然保护区台兰河上游不同海拔草地土壤持水能力研究

马国飞， 满苏尔·沙比提， 张雪琪

(新疆师范大学 地理科学与旅游学院， 新疆 乌鲁木齐 830054)

草地是陆地生态系统的重要组成部分，草地生态系统的健康与稳定依赖于土壤系统功能的完善[1]。天然草地不仅能够截留降水，而且有着较高的渗透性和保水能力，在水源涵养、水土保持及改良土壤等方面具有重要意义[2]。草地生态系统水源涵养功能以土壤蓄水为主[3]，而土壤的水源涵养能力受不同气候、地形[4-5]、植被类型[6]、土地性质[7]以及人类活动[8]的影响而有所差异。海拔作为重要的地形因子，气温和降水在海拔梯度上呈现出明显的空间分异特征，这一特征同时也深刻反映在不同海拔的生物群落组成、植被类型及土壤性状等方面。近年来，不同尺度下草地土壤水源涵养功能的研究已成为国际生态水文研究的热点课题[9-11]。国内也对草地土壤水源涵养能力的空间异质性及其影响因素开展了诸多研究[3,12-13]，而对天山托木尔峰国家级自然保护区的相关研究还未见报道。

天山托木尔峰国家级自然保护区位于新疆阿克苏地区温宿县境内(E 79°50′～80°54′，N 41°40′～42°04′)，保护区东西长105 km，南北宽28 km，总面积23.76×104hm2，是我国少有的高山自然保护区，主要以高山冰川和野生动植物及其生境保护为主，也是以水源涵养、生态旅游和科学研究为一体化的综合性国家级自然保护区。自然保护区海拔1 450～7 443 m，垂直高度差近6 000 m，共发育了从暖温带、荒漠带到冰雪带7个垂直自然带，形成天山南坡最完整的垂直自然带谱。自然保护区作为天山最大的冰川作用中心及众多内陆河水系的发源地，是新疆重要的水资源补给区，被誉为“天然水塔”，生态地位十分重要，是新疆重要的生态屏障。同时还是重要的农牧业生产地，其生态环境的优劣，直接关系到新疆两千多万人口的生态安全[14]。深入研究天山托木尔峰国家级自然保护区的植被水源涵养功能及其时空规律对该保护区的水资源保护与利用及生态地位和安全具有重大意义。本研究选取保护区内南坡具有代表性的台兰河上游河谷区域为研究对象，通过野外调查、土样采集及室内分析，对研究区不同海拔草地表层土壤持水能力进行研究，以期为该区草地土壤水资源利用、水土保持及生态系统水源涵养功能研究等方面提供基础资料和科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

台兰河流域的地理位置为N 40°41′44″～42°15′13″，E 80°21′44″～81°10′44″之间，位于新疆阿克苏地区温宿县境内，发源于西南天山最高峰托木尔峰(海拔7 435.3 m)南麓，由大台兰河、小台兰河及塔克拉克河汇流而成。河流自北向南最终注入塔里木盆地，全长90 km，流域总面积为5 824 km2，为一独立水系。台兰河流域属典型干旱大陆性气候，地质构造属于华力西晚期南侵及第三纪喜马拉雅山期造山运动强烈隆升区，地层由中新生代地层、大理石变质岩和砂岩泥岩基岩及区域性第四纪黄土等组成，上覆冰碛残积物，河谷两侧洪积、冲积扇十分发育[15]。流域内年均温为7.9℃，极端最高气温为37.6℃，最低气温为-27.4℃。多年平均降水量为182.6 mm[16]，降水分布较集中且多出现在夏季，最大月降水量出现在7月，降水量占年降水量的17.0%～22.8%。高山区的水面蒸发量在600 mm左右，中山区在800 mm至1 000 mm之间。受北高南低总体地势的影响，流域自然景观垂直地带性明显，以荒漠带为基带(海拔2 100 m或阳坡2 300 m以下)，随着地形和土壤条件的不同，发育着不同的灌木和小半灌木荒漠。主要有霸王(Zygophyllumfabago)群系、琵琶柴(Reaumuriasoongarica)群系、假木贼(Anabasistruncata)群系等。山地荒漠草原带(2 100～2 400 m或阳坡2 500 m)分布较狭窄，主要有戈壁针茅(StipatianschanicaRoshev)群系、沙生针茅(Stipaglareosa)群系和高加索针茅(Stipacaucasica)群系，灌木类植被锦鸡儿(Caraganaturfanensis)有着广泛分布。亚高山森林草原带广泛占据在2 400 ～ 3 100 m海拔高度范围内，阴坡以雪岭云杉(Piceaschrenkiana)建群的山地阴暗针叶林为主，阳坡则以山地典型草原为主，在草原类型中，克氏针茅(StipakryloviiRoshev)群系占主体，另外羊茅(Festucaovina)群系及天山异燕麦(Helictotrichonhookeri)和银穗草(Leucopoaolgae)等植被局部分布；土壤以棕漠土(1 900 m以下)、山地棕钙土(1 900～2 200 m)和山地栗钙土(2 200～2 600 m)为主。

1.2 研究方法

1.2.1样地选择与样品采集 于2016年7月份在托木尔峰国家级自然保护区台兰河上游河谷区域进行了野外调查，根据坡度、坡向、植被生长状况，沿河谷自南向北间隔设定具有代表性的草地样地并采用土钻法和环刀法对样地内草地植被下土壤表层(0～10 cm)进行分别取样(因研究区大部分采样点土壤底层碎岩过多，底层土壤很难采集)，共设样地12块，样地大小为5 m×5 m，于每个样地内选取中心点及四个角设置样点，用土钻在每一样点重复取3个平行样，将3次所采土样混合均匀后用四分法取土0.5 kg左右装袋贴标并立即精确称重；用100 cm3容积环刀在每一样地内随机采取平行样3份，用于测定土壤指标均值以减小误差。同时用GPS进行定位并记录各采样地的经纬度、海拔及植被群落等相关数据(表1)。土样带回实验室立即进行自然风干，重新贴标备用。

表1 草地基本概况Table 1 General situation of grassland plots

1.2.2土壤水文物理性质测定 参照《土壤农化分析》[17]中土壤测定分析的标准方法，对土壤水文物理性质进行测定。土壤含水量的测定采用烘干(105℃)称重法，计算公式：土壤含水量=(自然湿重-烘干重)/烘干重；采用环刀浸水法测定土壤容重、总孔隙度、毛管孔隙、非毛管孔隙等各项水文物理性质。土壤最大持水量和土壤毛管持水量是评价土壤蓄水性能的重要指标，本文采用郭梦娇等人的计算方法[18]得到结果，公式如下：

Wt= 1 000Pth

Wo= 1 000Poh

Wc= 1 000Pch

式中:Wt为土壤最大持水量(mm)，Wo为土壤非毛管蓄水量(mm)，Wc为土壤毛管持水量(mm)，Pt为土壤总孔隙度(%)，Po为土壤非毛管孔隙度(%)，Pc为土壤毛管孔隙度(%)，h为土层厚度(取0.1 m)。

1.2.3数据分析 采用统计学软件SPSS 21.0对土壤水文物理性质的相关指标进行统计和差异性分析，利用软件Excel 2003进行图表的制作。

2 结果与分析

2.1 不同海拔草地表层土壤容重的变化

由表2可知，各样地平均土壤容重的范围在1.02～1.44 g·cm-3之间，最大值出现在海拔1 924.06 m的4号样地，最小值则出现在海拔2 370.7 m的12号样地。不同土壤类型的平均土壤容重的大小顺序为山地棕漠土(1.37 g·cm-3)>山地棕钙土(1.23 g·cm-3)>山地栗钙土(1.05 g·cm-3)，分析表明不同土壤类型的土壤容重大小之间均有显著性差异(P<0.05)，整体上随海拔高度的增加，土壤容重呈现不断减小的趋势。分析草地表层土壤容重与海拔之间的关系可知(图2)，土壤容重与海拔高度之间呈极显著的指数负相关关系(R2= 0.8817)，即随着海拔高度的增加，土壤容重呈减小趋势，说明其疏松程度高，发育较成熟，土壤质量趋于良好。

2.2 不同海拔草地表层土壤孔隙的变化

由表2可知，研究区各样地表层土壤的平均非毛管孔隙度、毛管孔隙度和总孔隙度的范围分别为4.03%～7.45%，47.48%～58.53%，51.51%～65.85%，不同土壤类型的平均总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度的大小顺序均为山地栗钙土(65.53%，58.08%，7.44%)>山地棕钙土(61.76%，55.59%，6.16%)>山地棕漠土(55.67%，50.92%，4.75%)。研究区草地表层土壤的孔隙度均随海拔高度增加而增加。由图2可知，土壤非毛管孔隙度与海拔高度间表现出极显著的线性正相关关系(R2= 0.8374)；毛管孔隙度和总孔隙度均与海拔高度呈二次曲线关系，相关系数分别为0.6983和0.7463。随海拔上升，降水量增加，丰富了植被群落并促进了微生物活跃程度，从而改变了土壤理化性质，增加了土壤营养成分，进一步使得孔隙度得到显著改善。

表2 不同海拔草地表层土壤物理性质特征Table 2 Grassland soil physical characteristic at different altitudes in the study area

2.3 不同海拔草地表层土壤含水量的变化

土壤含水量的大小与降水量、蒸发量、生物量及枯落物腐殖质层、土壤粒度、土壤容重及孔隙度大小等诸多因素密切相关[4]。由表2可知，不同海拔高度草地表层土壤的自然含水量的范围在9.04%～44.70%之间，最大值为最小值的4.94倍，山地栗钙土、山地棕漠土土壤自然含水量均与山地棕钙土差异显著(P<0.05)，而山地栗钙土与山地棕漠土之间则无显著差异。不同类型土壤平均自然含水量的大小顺序为山地栗钙土(37.34%)>山地棕钙土(28.93%)>山地棕漠土(13.87%)。由图2中土壤含水量与海拔间的关系可知，研究区草地土壤含水量与海拔之间存在很好的线性相关关系(R2=0.617 2)，即土壤含水量随海拔上升而呈现不断增大的趋势，这与山地垂直带演化规律相符合。

图1 土壤物理性状与海拔高度的关系Fig.1 Correlations between soil physical properties and altitudes

2.4 不同海拔草地表层土壤持水能力

土壤持水量作为评价不同植被水分保持与水源涵养功能的重要指标，其大小反映了土壤贮蓄和调节水分的潜在能力[19]。草地土壤的持水能力与土壤厚度和土壤孔隙度状况密切相关。不同海拔草地表层土壤的持水能力差异较显著。由表3可知，各土壤类型下，草地表层土壤平均最大持水量大小表现为：山地栗钙土(65.52%)>山地棕钙土(61.75%)>山地棕漠土(55.67%)，最大值为最小值的1.28倍；平均非毛管蓄水量由大到小依次为：山地栗钙土(7.44%)>山地棕钙土(6.16%)>山地棕漠土(4.75%)，最大值为最小值的1.85倍；平均毛管持水量大小顺序为：山地栗钙土(58.08%)>山地棕钙土(55.59%)>山地棕漠土(50.92%)，最大值为最小值的1.23倍。不同土壤类型下的草地表层土壤持水能力大小间存在显著性差异(P<0.05)。在土壤厚度一定时，不同样地土壤持水量均随海拔高度的增加而出现不断增大的趋势。

土壤持水能力与土壤前期含水量密切相关，当土壤自然含水量较大时，土壤的潜在持水能力减弱，即使降水量很小，也可能会有地表径流产生。因此，把最大持水量与土壤前期含水量之差作为衡量土壤涵蓄降水量的指标[5]。不同土壤类型下的草地表层土壤平均涵蓄降水量大小表现为：山地棕漠土(41.80 mm)>山地棕钙土(32.83 mm)>山地栗钙土(28.18 mm)，其中，最大值为最小值的2.48倍；不同类型土壤的平均涵蓄降水量间均存在显著差异(P<0.05)。研究区土壤最大持水量以毛管持水量为主，毛管持水量与土壤前期含水量之差反映供植物利用的潜在土壤有效蓄水，称其为有效涵蓄量[5]，其大小表现与土壤涵蓄降水量一致。不同土壤类型下的草地表层土壤平均有效涵蓄量大小表现为：山地棕漠土(37.05 mm)>山地棕钙土(26.66 mm)>山地栗钙土(20.74 mm)，其中，最大值为最小值的3.17倍；不同类型土壤的平均有效涵蓄量间均存在显著差异(P<0.05)。从空间变化来看，不同草地表层土壤的涵蓄降水量与有效涵蓄量总体上随着海拔高度的增加而呈现出下降趋势。

表3 不同海拔草地表层土壤蓄水能力Table 3 Grassland soil water-hold capacity at different altitudes in the study area

3 讨论与结论

3.1 讨论

土壤作为植物生存的主要载体，其持水能力在空间尺度上呈异质性分布。海拔作为重要的地形因子，最能反映出生态环境的变化差异，通过影响气温、降水蒸发和植物群落等环境因子，促使土壤理化性状发生变异[20]，这对土壤的疏松透气性、水源涵养能力以及对土壤养分的吸收积累和有效利用等方面意义重大。研究区位于托木尔峰南坡，较低海拔高度草地植被下土壤的自然含水量受所处地理位置形成的干旱性气候和塔克拉玛干沙漠的燥热胁迫效应较为显著。因气温高，降水偏少，草地覆盖稀疏，微生物量及活跃程度差，土壤营养成分不足，直接影响土壤的发育状况，导致其结构性差，土壤容重大，紧实度大，孔隙度偏小，土壤渗透能力不足；且较低海拔草地表层土壤水分蒸发量大，导致表层土壤水分流失快，水源涵养功能微弱。随海拔高度增加，形成降水几率增加，降水偏多，植被盖度大，且气温迅速下降，蒸发减弱，导致土壤水分含水量较大。较高海拔的草地土壤含水量随降水量增加而增加，从而丰富了植被群落并促进微生物量及其活跃程度，改变了土壤理化性质，增加了土壤营养成分，进一步改善了土壤孔隙度，促进土壤涵养水源能力的提高、土壤结构的改善、土壤养分的循环。马维伟等[21]对甘南尕海草甸湿地不同海拔高度土壤性状的研究表明随着海拔上升，地表温度降低，蒸发减小，所以含水量相应增加的趋势，与本研究结果一致。受不同海拔高度引起的水热条件地带性规律分布，降水不断增加，气温下降导致蒸发量减少，植被群落生境条件优化，土壤发育良好，土壤容重及孔隙度受植被根系发达程度、微生物活跃度及有机质等营养物质的贫瘠程度影响巨大。随海拔上升，降水增加，植被群落覆盖度提高，有利于植物根系的生长，从而改善了土壤团粒结构，孔隙度增大，因而更利于水分的持蓄和渗透。这与韩路等[5]的分析研究结果一致。草地土壤的持水能力与土壤厚度和土壤孔隙度状况密切相关。本研究表明，草地表层土壤平均最大持水量、平均非毛管蓄水量和平均毛管持水量大小均表现为随海拔高度的增加增大。而不同草地表层土壤的涵蓄降水量与有效涵蓄量总体上随着海拔高度的增加而呈下降趋势。在土层厚度一定时，土壤水源涵养能力主要取决于土壤孔隙特征，其中最大持水量和涵蓄降水量与总孔隙度有关，毛管持水量和有效涵蓄量与毛管孔隙度有关，非毛管孔隙度则更多地影响土壤渗透能力，这与刘贤德等[22]关于祁连山西水林区亚高山灌丛水文功能的综合评价中的观点一致。海拔高度的差异深刻影响土壤类型的分布，不同海拔高度引起的水热条件不同造成草地盖度及根系的分布状况产生差异，导致其土壤熟化程度不同，并引起土壤水文调节能力的差异。说明海拔这一环境因子对研究区草地植被表层土壤水源涵养能力的影响具有其规律性。

除海拔这一主要环境因子的影响外，牲畜的踩踏及人类活动等人为因素也是造成土壤容重和孔隙度差异显著的重要原因，研究区较低海拔的草地因距离牧民活动及旅游景区近，受放牧强度或人类活动的影响大，表层土壤受踩踏程度严重，土壤紧实程度增加，导致土壤容重变大，空隙度缩小，土壤渗透能力下降，从而使得土壤中水分不足，植物根系生长受到限制，这与赵锦梅等[23]对祁连山东段不同高寒灌丛草地土壤性状的分析原因一致。此外，随着放牧强度的增大，家畜对草地植被的啃食增加，地面植被覆盖的减少使土壤水分蒸发增加，土壤保水能力下降，这些因素都是引起较低海拔的放牧草地土壤持蓄水能力降低的重要因素，吴启华等[4]在对牧压梯度下高寒杂草类草甸土壤持水能力及影响因素的分析研究中也得到相同的结果。

整体来看，随海拔升高，研究区草地表层土壤的水文特征呈现规律性演替分布，植被盖度、土壤含水量、孔隙度及水源涵养能力不断增大，容重则逐渐缩小。这不仅受托木尔峰国家级自然保护区所在特殊的地理位置而形成的山地垂直演化规律影响，而且受放牧强度和人类活动等人为因素影响，进一步加强了这一差异显著性。

3.2 结论

研究区草地表层土壤容重与海拔呈显著的负相关关系(R2= 0.881 7)，表现为随海拔高度的上升而减小的趋势；而土壤孔隙度与海拔高度之间表现出很好的正相关关系。各草地表层土壤自然含水量间均存在显著性差异(P<0.05)，且随海拔上升呈现不断增大的趋势，这与山地垂直带演化规律相符合。土壤平均饱和蓄水量、平均非毛管蓄水量和平均毛管蓄水量大小均表现为随海拔高度的增加而出现不断增大的趋势；而不同草地表层土壤的涵蓄降水量与有效涵蓄量总体上随海拔高度的增加而呈现下降趋势。