祁连山区4种高寒植被类型下土壤养分及含水率分布

安克俭, 魏 霞, 贺 燕, 路志强

(兰州大学 资源环境学院, 甘肃 兰州 730000)

土壤是生态系统中植被发展、种群结构变化、群落演替物质能量的交换场所[1-2]。土壤理化性质对植被生产力具有决定性影响[3]。土壤养分、水分与植被状态存在较为密切循环关系，在此循环过程中，碳、氮、磷元素作为养分元素循环的核心驱动着其他养分元素的循环与转化[4-6]。在土壤—植被系统中，土壤为植被生长提供水分和养分，植被对土壤产生生态效应[7-8]，植被从土壤中吸收养分与水分，同时以枯落物分解的形式将养分回馈于土壤中，植物根系固土及分泌物作用能减少土壤养分和水分不受因土壤侵蚀造成的流失，进而改变土壤质地和土地生产力[9]。

土壤养分是土壤肥力评价的重要指标，是影响土壤肥力和土壤质量的主要因素[10]，直接影响植被的恢复、重建、生长[11]，土壤含水率不仅限制植被的分布和生长，还会改变土壤微气候，进而对土壤养分的组成和转化产生重要影响。现对于不同植被类型土壤已有大量研究，如有研究表明黄土高原土壤肥力最高的是梯田，肥力最低是陡坡草地[12]，且土壤含水率随退耕年限的增加而增大[11]。黄雅茹等[9]在乌兰布和东北部的研究中表明，不同土地利用方式下土壤肥力等级不同，并且受凋落物影响，表层土壤养分含量最高。顾振宽等[13]、wang等[14]、巩杰等[15]在研究中发现，不同植被类型以及不同土层深度间的土壤有机碳、全氮、全磷含量分布具有一定规律性。罗红等[16]在研究中发现，西藏造林作业区的土壤肥力整体偏低，且具有典型水平地带性分布规律。但是对于祁连山区因野外环境复杂，采样工作开展困难，关于不同高寒植被类型土壤差异的研究还比较少见。研究祁连山区不同植被类型土壤养分及含水率状况，探究其分布特征规律，对于区域生态植被恢复具有重要意义。

祁连山区作为黄土高原、蒙新高原、青藏高原的分界线，东起乌鞘岭，西至当金山与阿尔金山相连，山区由多条西北—东南走向的山脉和宽谷组成[17]，是党河、疏勒河、北大河、黑河、石羊河、大通河和湟水的主要补给来源[18-20]。祁连山区分布着终年积雪及现代冰川，生物多样性丰富[21]，对于西北内陆干旱半干旱地区的研究颇为重要。近年来，受全球气候及人类活动影响，祁连山区冰雪、冻土退化、水源涵养力下降、草地退化严重等问题日益严重[21-23]。但由于祁连山区自然条件恶劣，交通不便，致使研究工作开展困难。鉴于此，本研究以祁连山区4种主要植被类型土壤为研究对象，运用室内试验和数理统计相结合的方法分析祁连山区不同植被类型下的土壤养分及含水率分布特征，以期为祁连山区水土保持和生态植被恢复提供基础科学资料。

1 研究区概况

祁连山区位于青藏高原东北部，纬度范围为35°48′—40°05′N，经度范围为93°18′—103°54′E。区域面积30 000 km2，山区海拔处于3 000～4 500 m之间，随海拔变化，祁连山区气候变化明显[20]，山前低山区属荒漠气候，年均气温6 ℃左右，年均降水量约150 mm；中山下部属于半干旱草原气候，年均气温2～5 ℃，年均降水量250～300 mm；中山上部为半湿润森林草原气候，年均气温0～1 ℃，年均降水量400～500 mm；亚高山和高山属寒冷湿润气候，年均气温-5 ℃左右。成土母质主要为以粉粒为主的风积黄土和以沙粒为主的岩石风化物[24-25]，主要土壤类型有黑毡土、黑钙土、高寒草甸土、棕漠土、冷钙土和栗钙土等[26]。天然植被主要有青海云杉(Piceacrassifolia)、白桦(Betulaplatyphylla)、红桦(Betulaalbosinensis)、金露梅(Potentilalfruticosa)、银露梅(Pltentillaglabra)、小叶锦鸡儿(Caraganamicrophylla)、小檗(Berberisthunbergii)、野蔷薇(Rosamultiflora)、披针苔草(Carexlanceolate)、垂穗披碱草(Elymusnutans)、早熟禾(Poaannua)、风毛菊(Saussureajaponica)、烟管头草(Carpesiumcernuum)等。

2 材料与方法

2.1 土壤样品采集

于2018年6—8月在研究区进行土样采集，选取祁连山区高寒草甸、高山灌丛、温性草原、温性荒漠4种典型植被类型土壤作为研究对象，共设置31个采样点。采样点空间分布见图1，采样点位基本信息见表1。每个采样点重复取3个土样，使用直径为10 cm土钻按照不同深度0—10 cm，10—20 cm，20—30 cm，30—40 cm分别采集土壤样品。将相同剖面土层土样混合装袋并编号，记录样点经纬度、植被、海拔等基础信息。将土样带回实验室，放置阴凉处自然风干，清除土样中的根系、石砾等。

图1 祁连山区地形及采样点空间分布

表1 采样点基本信息

2.2 土壤样品测定

土壤各指标测定在兰州大学西部环境教育重点实验室进行。采用烘干法测定土壤含水率，采用Smartchem200全自动化学分析仪测定土壤全氮和全磷含量，土壤有机质含量测定步骤为：先采用 H2SO4-K2Cr2O7氧化法测定土壤有机碳含量，后将有机碳含量乘1.723即得土壤有机质含量。

2.3 数据获取

逐日降水、气温数据来自中国气象数据网(http:∥data.cma.cn/)，选取祁连山区及周边气象站共43个，获得日降雨量及日均温实测数据。将数据进行筛选后采用线性插值法对缺失数据进行填补，统计整理得到43个气象站的年平均气温和年累积降雨量。运用ArcGIS 10.5进行空间插值、栅格计算，提取得到样点位置的年平均气温和年累积降雨量数据。

2.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2016进行基础试验数据统计，采用IBM SPSS Statistics 20进行SOM，TN，TP，SMC与年平均气温、年累积降雨量的Pearson相关性分析，双因素方差(two-way ANOVA)分析不同植被类型及土层深度对土壤养分及含水率分布特征的影响。

3 结果与分析

3.1 土壤养分与含水率分布

由土壤含水率与养分分布情况(表2)可知，不同植被类型间SOM，TN，TP，SMC存在差异，不同植被类型土壤SMC均值大小顺序为：高寒草甸(32.69%)>高山灌丛(23.40%)>温性草原(20.32%)>温性荒漠(4.65%)。SOM均值大小依次为：高寒草甸(64.48 mg/g)>高山灌丛(56.26 mg/g)>温性草原(30.39 mg/g)>温性荒漠(6.92 mg/g)，土壤TN均值大小顺序为：高山灌丛(3.74 mg/g)>高寒草甸(3.63 mg/g)>温性草原(1.96 mg/g)>温性荒漠(0.64 mg/g)；土壤TP均值大小为：温性草原(0.59 mg/g)>高寒草甸(0.57 mg/g)>高山灌丛(0.56 mg/g)>温性荒漠(0.48 mg/g)。除温性草原和温性荒漠土壤SOM空间上为强变异(176%，102%)，其余指标在不同植被类型下均为中等变异。土层深度上，在0—40 cm深度范围内，4种植被类型土壤SOM，TN，SMC均值均在表层(0—10 cm)取得最大值，高寒草甸、温性草原、高山灌丛SOM，TN含量均随深度增加而逐渐减小。

表2 祁连山区不同植被类型土壤养分及含水率分布

3.2 不同坡向土壤养分及含水率分布

根据坡向四分法，将研究区的地形划分为：阳坡(135°—225°)、半阳坡(90°—135°和225°—270°)、阴坡(315°—45°)、半阴坡(45°—90°和270°—315°)4种坡向。不同坡向土壤养分及含水率分布情况见表3。由表3可知，不同坡向土壤SMC均值大小关系为半阳坡(28.79%)>半阴坡(21.94%，)>阴坡(21.00%)>阳坡(12.75%)。SOM均值大小关系为半阳坡(55.63 mg/g)>半阴坡(38.66 mg/g)>阴坡(31.33 mg/g)>阳坡(28.07 mg/g)。半阳坡土壤TN含量最高，均值为3.31 mg/g，分布范围为0.86～7.40 mg/g，半阴坡次之，分布范围为0.08～5.83 mg/g，均值较半阳坡低21%，阴坡与阳坡土壤TN含量均值最低且相等，均为1.84 mg/g。土壤TP含量均值大小顺序为：半阴坡(0.62 mg/g)>半阳坡(0.52 mg/g)>阴坡(0.52 mg/g)>阳坡(0.51 mg/g)。此外，4种坡向SOM含量均为高度空间变异性，变异系数分别为阳坡(205%)、半阳坡(134%)、阴坡(187%)、半阴坡(119%)，阴坡TN含量为高度空间变异性(107%)，其余指标在不同坡向下均为中等空间变异性。

表3 祁连山区不同坡向土壤养分及含水率分布

3.3 植被类型和土层深度对土壤养分及含水率分布影响

双因素方差分析结果(表4)表明，研究区SMC主要受植被类型影响显著(p<0.001)，SOM含量受植被类型与土层深度变化影响显著水平不同(p<0.001，p<0.01)，TN含量在p<0.001水平下受植被类型影响显著，在p<0.05水平下受土层深度显著影响，TP含量变化与植被类型及土层深度的交互影响均不显著。SMC，SOM，TN，TP含量分布主要受植被类型影响，土层深度变化为次要影响。

表4 祁连山区植被类型和土层深度对土壤养分及含水率的双因素方差分析

3.4 土壤养分、含水率与气候关系

将研究区各点年平均气温及年累积降雨量与SOM，TN，TP，SMC做皮尔逊相关分析(表5)可知，研究区SOM，SMC均与年平均气温呈极显著负相关(p<0.01)，TN含量与年平均气温呈显著负相关关系(p<0.05)，TP含量与年平均气温无显著相关，研究区SOM，TN，TP，SMC与年累积降雨量均表现出极显著正相关(p<0.01)。

表5 祁连山区土壤养分、含水率与气候的相关分析

4 讨论与结论

4.1 讨 论

研究区土壤SOM含量分布范围为1.85～190.31 mg/g，TN含量分布范围为0.07～7.99 mg/g，TP含量分布范围为0.24～1.81 mg/g，SMC分布范围为0.79%～73.21%。此结果与姜红梅等[4]、姚喜喜等[6]研究结果基本相符。研究区土壤TP含量较低的原因可能是高寒地区土壤TP含量主要来自于岩石风化作用[17]，受成土母质与成土作用的影响，磷在风化壳中的物质迁移作用很小。并且在植被生长过程中，主要参与演替循环的磷素为速效磷[4]，易被植被吸收，加之降水淋溶损失，短时间内难以得到补充[17]，导致土壤中TP含量较低。本研究表明不同植被类型下土壤SOM，SMC大小顺序均为：高寒草甸>高山灌丛>温性草原>温性荒漠；TN含量大小顺序为：高山灌丛>高寒草甸>温性草原>温性荒漠；TP含量大小顺序为：温性草原>高寒草甸>高山灌丛>温性荒漠。这可能是由于按照高寒草甸、高山灌丛、温性草原、温性荒漠顺序，植被覆盖度逐渐减小，导致不同植被类型土壤层枯落物含量出现差异，植被枯落物的分解作用，会不同程度增加土壤SOM，TN，TP含量。相关研究表明枯落物层可以有效降低土壤蒸发量，使得SMC增大[5]；植被可以缓冲降水对土壤打击[4]，降低因土壤侵蚀造成的养分流失。植被对土壤养分还具有表聚效应，为植被生长提供营养元素，从而表现出植被土壤相互促进循环演替[4,15]，使得植被覆盖度较高的地区土壤SOM，TN，TP含量维持在相对较高水平。

4种坡向下，SOM，TN，SMC在半阳坡最高。这可能是由于不同坡向之间太阳辐射差异所导致的，研究表明阳坡年辐射潜力比阴坡高93%[17]，较高辐射潜力导致较高的温度，不仅促进植被发育，而且可以加速土壤有机质的分解[17]，且土壤TN含量95%来自于有机质的分解。高温引起土壤水分的蒸发又限制植被的发育，导致研究区半阳坡土壤SOM，TN，SMC最高。TP含量在半阴坡最高，阳坡最低的原因可能是阳坡植被发育状况优于阴坡，植被吸收作用强于阴坡，导致阳坡土壤TP含量最低。

SOM，TN，TP，SMC分布受植被类型主要影响，这与王苗苗等[2]、巩杰等[15]研究结论一致。这表明影响研究区植被发育状态的因素可间接影响土壤养分及含水率的分布情况。SOM，TN，TP，SMC与年累积降雨量均表现出极显著正相关(p<0.01)，SOM，SMC与年平均气温均为极显著负相关(p<0.01)，TN与年平均气温显著负相关(p<0.05)，TP与年平均气温相关性不显著。邱丽莎等[20]、贾文雄等[23]在研究中表明，气温与降雨量是植被覆盖变化的主要影响因子。年平均气温较高的区域，土壤蒸发量较大，SMC较小，植被发育缓慢，土壤微生物分解效率受到抑制，植被枯落物及微生物代谢产物分解不彻底，导致土壤中由微生物分解作用产生的SOM，TN含量减小。邱丽莎等[20]、戴声佩等[25]在研究中表明祁连山区或干旱半干旱区植被生长的主要限制因子为降水量，故降水量的减小会导致SMC降低、植被退化，进而导致土壤SOM，TN，TP含量减小。

4.2 结 论

研究区不同植被类型土壤养分及含水率分布特征存在差异，植被类型是其主要影响因素(除TP外)，土壤SOM，SMC大小顺序为：高寒草甸>高山灌丛>温性草原>温性荒漠，TN含量大小顺序为：高山灌丛>高寒草甸>温性草原>温性荒漠，TP含量大小顺序为：温性草原>高寒草甸>高山灌丛>温性荒漠。不同深度上的分布差异主要与年累积降雨量极显著相关，除TP外，其他指标还与年平均气温极显著相关。不同坡向下，TP含量在半阴坡最高，阳坡最低，SOM，TN，SMC均在半阳坡最高。综上所述，祁连山区植被恢复和生态环境保护措施的布置要综合考虑坡向、植被分布格局所造成的土壤性质的差异，因地制宜，进而实现生态、经济和社会效应的耦合发展。