祁连山东段不同植被类型土壤物理特性研究

高媛李刚袁斌倪兆睿赵晶晶

(甘肃祁连山国家级自然保护区管护中心，甘肃 张掖 734000)

祁连山所处的地理位置具有一定的特殊性,在遭受到其它气候条件的干扰下,又具有面积较大、地形高差较大等特点,造成祁连山区气候差异较大,对所在区域和周围大面积地区的环境产生了十分重要的影响,形成了以多种生态系统和形式并存的复合生态系统。在这个复合生态系统中,动植种类繁多、群落结构复杂多样,往往成为人们广泛研究的热点和重要场所。

土壤为植物生长和发育提供重要的保障,在土壤的物理性质方面,主要是通过改善土壤的蓄水性和透气性,从而对土壤调节水分和涵养水源方面都起到重要作用,使得土壤的肥力和植被生长状况都发生变化。同时,水资源也是必不可少的重要因素,而在人类生活和生产过程中,水资源的开发利用和保护成为人们关注的热点,受到人们的广泛关注,在水资源短缺的西北干旱和半干旱地区,植被生长和发育往往受到水分的限制。水是自然环境中最积极、最活跃的因素,在植被建设中,亟待解决的难题就是在水资源短缺的情况下怎样处理好生态用水增加的问题,找到这两者的平衡关系,既是在生态环境建设过程中的核心问题,也是目前科学研究中的一项重要的热点问题。

不同植被具有不同的有机质组成,导致进入土壤的植物凋落物的性质和数量不同,从而影响土壤的性质和状态,使其产生差异。本研究选择位于祁连山东段西营河流域的不同植被类型土壤为研究对象,该区主要分布有云杉林、高寒灌丛和高寒草甸等不同的植被类型,选择乔木林、灌丛、草地3种不同植被类型的土壤容重、孔隙度、持水量及土壤持水性能等土壤特性及其水源涵养性能为研究对象,分析不同植被类型下土壤物理性状和蓄水性能,旨在为该研究区域森林资源的经营和利用提供科学依据。

1 研究区概况

研究区位于武威市西营河流域(E101°5′～102°5′,N37°0′～38°0′),面积约1727.5km2,海拔高度1880～4854m。流域属温带大陆性气候,日照时间长,太阳辐射强,昼夜温差大。年平均降水量为450mm,年潜在蒸发量为700～1200mm。流域内主要分布有干旱半干旱草原、寒温性针叶林和高寒灌丛等类型,土壤种类主要有灰褐土、黑钙土、寒漠土等[1,2]。

2 研究方法

2.1 样地设置

供试土样于2020年8月取自西营河流域。按照植被类型选取3块典型样地,分别为青海云杉乔木林、金露梅灌丛和草本。为了减少除了植被类型的差异以外的其它因素对土壤物理特性和蓄水特性产生的影响,选择海拔高度相对一致的3种不同植被类型的地块进行试验和研究。样地详细情况见表1。

表1 采样地详情

2.2 样品采集与分析

从每个样地随机选取3个未受干扰的土壤剖面。采用环刀法,在每个样地按土层深度0～10cm、10～20cm、20～30cm和30～40cm分4层取土,每层重复3次。将土壤样品带回实验室进行土壤容重、孔隙度、土壤含水量、持水量等物理性质的测定。采用称重法测定土壤含水量；采用烘干法测定土壤容重；采用环刀法测定土壤孔隙度、毛管持水量和最大持水量[3]。

土壤最大蓄水量(t·hm-2)＝土壤总孔隙度×10000m2×土壤深度

土壤非毛管孔隙蓄水量(t·hm-2)＝土壤非毛管孔隙度×10000m2×土壤深度

2.3 数据处理

试验数据采用Excel 2016软件进行统计分析。

3 结果与分析

3.1 3种植被类型土壤容重与孔隙度变化特征

土壤容重值的大小在一定程度上能够反映土壤透水和通气性能的强弱[4]。在祁连山东段不同植被类型和土层厚度研究中,土壤容重也存在一定差异。在0～40cm土壤中,灌丛、乔木林、草本的平均土壤容重分别为1.01g·cm-3、0.74g·cm-3、0.92g·cm-3,灌丛平均土壤容重最大,约是乔木林平均土壤容重的1.36倍。在0～10、10～20、20～30cm土层中,土壤容重从大到小为灌丛＞草本＞乔木林；在30～40cm土层中,土壤容重从大到小为乔木林＞灌丛＞草本。同一植被类型下,土壤容重随土层深度的增加呈现出先增加后减小的趋势。

图1 3种植被类型土壤容重特征变化

土壤孔隙的数量和大小对土壤的水、肥、气产生不同的影响,从而调节植物生长所需的水分和空气[5]。在0～40cm土层土壤中,3种植被类型土壤平均总孔隙度从大到小为乔木林(69.43%)＞草本(63.49%)＞灌丛(60.67%),平均毛管孔隙度从大到小为乔木林(62.31%)＞灌丛(57.57%)＞草本(55.36%),平均非毛管孔隙度从大到小为草本(8.13%)＞乔木林(7.12%)＞灌丛(3.09%)。在0～10cm表层土壤中,3种植被类型土壤总孔隙度从大到小为乔木林(71.81%)＞草本(65.24%)＞灌丛(59.80%),毛管孔隙度从大到小为乔木林(63.37%)＞灌丛(56.63%)＞草本(53.94%),非毛管孔隙度从大到小为草本(11.30%)＞乔木林(6.32%)＞灌丛(3.17%)。

表2 3种植被类型土壤孔隙度特征变化

3.2 3种植被类型土壤含水量和蓄水性能变化特征

作为土壤的重要组成部分,土壤中的水分及其形态将对土壤的形成和发展、肥力水平和自净能力产生重要影响。在0～40cm土壤中,3种植被类型土壤平均含水量从大到小为乔木林(33.07%)＞草本(31.50%)＞灌丛(28.44%),3种植被类型土壤平均饱和持水量从大到小为乔木林(88.97%)＞草本(63.70%)＞灌丛(60.91%),3种植被类型土壤平均毛管持水量从大到小为乔木林(75.47%)＞草本(57.05%)＞灌丛(51.18%),3种植被类型土壤平均最大蓄水量从大到小为乔木林(694.27t·hm-2)＞草本(634.94t·hm-2)＞灌丛(606.66t·hm-2),3种植被类型土壤平均非毛管蓄水量从大到小为草本(81.32t·hm-2)＞乔木林(71.22t·hm-2)＞灌丛(30.92t·hm-2)。在0～10cm表层土壤中,3种植被类型土壤含水量从大到小为乔木林(34.07%)＞灌丛(31.66%)＞草本(28.70%),3种植被类型土壤饱和持水量从大到小为乔木林(99.52%)＞草本(65.91%)＞灌丛(58.00%),3种植被类型土壤毛管持水量从大到小为乔木林(82.81%)＞草本(56.11%)＞灌丛(51.41%),3种植被类型土壤最大蓄水量从大到小为乔木林(718.11t·hm-2)＞草本(652.41t·hm-2)＞灌丛(597.97t·hm-2),3种植被类型土壤非毛管蓄水量从大到小为草本(113.01t·hm-2)＞乔木林(84.41t·hm-2)＞灌丛(31.67t·hm-2)。不同土壤土层中,草本土壤含水量和毛管持水量随土层深度增加而增加,灌丛和乔木林土壤含水量、饱和持水量等物理特性随土层深度增加表现出先减小后增加趋势。

表3 不同植被类型土壤含水量和蓄水性能特征变化

4 结论和讨论

3种植被类型土壤容重和孔隙度存在明显差异,具体表现为土壤容重从大到小为灌丛(1.01g·cm-3)＞草本(0.92g·cm-3)＞乔木林(0.74g·cm-3),土壤平均总孔隙度从大到小为乔木林(69.43%)＞草本(63.49%)＞灌丛(60.67%),土壤平均毛管孔隙度从大到小为乔木林(62.31%)＞灌丛(57.57%)＞草本(55.36%)。在0～10cm表层土壤中,土壤容重从大到小为灌丛(1.04g·cm-3)＞草本(0.87g·cm-3)＞乔木林(0.67g·cm-3),土壤总孔隙度从大到小为乔木林(71.81%)＞草本(65.24%)＞灌丛(59.80%),土壤毛管孔隙度从大到小为乔木林(63.37%)＞灌丛(56.63%)＞草本(53.94%)。植被土壤容重越大,土壤孔隙度越小,表现出相反趋势。在周围立地条件相同的情况下,在表层和0～40cm土壤物理形状研究中,相比其它2种植被类型,乔木林土壤容重最小,孔隙度最高,较其它2种植被类型土体疏松,其物理性质最好,这可能与乔木林林下根系分布和有机质含量有关。

3种植被类型土壤平均含水量、平均饱和持水量、平均毛管持水量和平均最大蓄水量从大到小均表现为乔木林＞草本＞灌丛。综合土壤容重、土壤孔隙度、土壤含水量、最大蓄水量,当土壤容重较小时,土体疏松,表现出土壤孔隙度也就越大,造成乔木林土壤持水能力就越强,说明乔木林的水源涵养功能强于其它2种植被类型,可能主要是乔木林土壤表层有大量的苔藓层和枯枝落叶,很大程度上对改良当地土壤物理性状和提升土壤蓄水能力很有作用,使得土壤有很好的物理性状和持水能力。