祁连山排露沟流域亚高山灌木林土壤钾素含量变化特征

王有玉 任雪梅 安丽娟 张平 何立金

(甘肃祁连山国家级自然保护区管护中心西水自然保护站，甘肃 张掖 734000)

作为林木生长必需的3大营养元素之一的土壤钾素，其丰缺程度直接影响着植株体内的生理生化过程，如碳水化合物代谢、蛋白质代谢、呼吸代谢等重要功能[1]。土壤钾素的供应能力取决于各形态钾的有效性，已有研究表明，土壤中各形态钾对林木吸收钾素的贡献存在较大的差异[2]。从植物营养学的角度看待，能被林木生长吸收的主要钾素形态有3种，包括土壤全钾、速效钾、缓性钾，其中土壤全钾主要是矿物钾，矿物钾经过风化作用后才能变为速效钾；速效钾是可供植物吸收的钾；缓性钾是速效钾的储备库，是速效钾的补给来源。

在山地森林生态系统中，土壤钾素的唯一来源是土壤母质，不同形态的钾素含量和彼此之间的相互作用及植物生长对钾素的耗竭，其含量大小和分布规律直接受土壤母质风化条件、生物循环过程、森林动态变化和经营活动等影响。梁贵等对湘中丘陵区石栎—青冈栎常绿阔叶林中的土壤钾研究表明，其含量大小受制于林地所处的海拔高度和土壤粘粒含量[3]。李佳奇等通过对弄岗北热带喀斯特季节性雨林15hm2森林动态监测样地土壤钾研究表明，其含量在海拔梯度上呈聚集性分布，而且与海拔呈显著负相关[4]。苏骅等对哈巴雪山自然保护区土壤钾素垂直分布研究表明，全钾含量分布与海拔高度相关性不大，速效而钾含量随海拔升高而增加的趋势较为明显[5]。姜林对祁连山西水林区不同土壤类型不同发生层钾素剖面变化规律进行了研究，全钾含量介于18.32～24.17g·kg-1，各发生层没有明显的规律性变化；速效钾含量介于50.14～299.60g·kg-1，各发生层间随土层加深逐渐减小且降低幅度很大[6]。作为祁连山水源涵养功能的主体——亚高山灌木林，其生态功能特别是水源涵养功能的地位尤为重要，而且对亚高山灌木林土壤剖面理化性质随海拔梯度的变化特征研究少有报道。因此，本研究为了更好地合理经营管理祁连山亚高山灌木林，研究分析其土壤全钾、速效钾和缓性钾在剖面上和海拔梯度上的变化规律，并分析不同形态钾与有机质及不同形态钾之间的相互关系，以期为祁连山灌木林生态系统经营管理提供参考。

1 研究区概况

研究区选择位于青藏高原北麓边缘、祁连山中段的肃南县马蹄乡八一村境内的排露沟流域，从地形上来看，该流域呈中卵形状。该流域是个林草复合流域，流域植被覆盖较少，很少有水土流失发生。流域气候属于高寒山地森林草原气候，水热条件随海拔梯度有着明显的梯度变化特征，造就了不同海拔梯度上分布不同的植被带，不同植被带优势种表现出不同的多度[7]，优势种数量随海拔升高呈先增加后减少的变化趋势，这很大程度上取决于土壤资源的分布。其阳坡、半阳坡分布着以针茅为优势草本植物的山地草原，阴坡和半阴坡低海拔段分布着青海云杉林分布带(海拔2700～3300m)，中海拔段分布着亚高山灌木林带(海拔3300～3600m)，3600m高海拔段以上分布着灌丛草甸和高山冰雪植被。中海拔段的亚高山灌木优势种有吉拉柳(Salix gilashanica)、箭叶锦鸡儿(Caragana jubata)、北极果(Arctous alpinus)等，其灌层下主要分布高山蒿草(Pygmaea)、高山龙胆(Gentiana algida)、火绒草(Leontopodium leontopodioides)等耐低温、潮湿环境的草本优势种和山赤藓(Syntrichiaruralis)、毛尖羽藓(Thuidium philibertii)、扭叶牛毛藓(Ditrichum crispatissimum)等藓类植物[8]。

2 样地设置和土样采集

参考典型样地法在祁连山排露沟流域的亚高山灌木林内进行样地设置，样地设置每隔100m海拔进行样地设定，包括海拔3300m、3400m、3500m和3600m，根据环境条件在同一海拔上进行样地设置，样地面积大小为5m×5m，样地数为2～3个，每个样地的位置较为接近且环境条件较为一致，调查样地的微地形和植被信息见表1。在每个样地内随机选择采样点制作土壤剖面，土壤剖面的挖掘深度从表土层直至母质层，调查样地的土壤信息见表1，利用小刀在土壤剖面上进行机械划分土层，土层依次为10cm、20cm、30cm和40cm，然后沿着土壤剖面自下而上逐层用小铁铲采样，最后将同一海拔不同样地内的土样按同一土层混合均匀，按四分之一法取约500g的土样密封装袋带回实验室并待风干后过筛，用于测定土壤化学性质，包括测定土壤有机质、全钾、速效钾和缓性钾的含量，各指标的测定所采用的测定方法依照《土壤农业化学分析方法》测定[9]。

表1 供试样地情况

3 结果与分析

3.1 亚高山灌木林土壤钾素含量剖面变化特征

对排露沟流域不同海拔分布的亚高山灌木林其土壤剖面不同土层中的钾素(包括全钾、速效钾和缓性钾)含量进行了统计分析，结果见表2。由表2可知，不同海拔不同土层的全钾含量随土层深度的增加，其变化规律不明显，而且全钾含量变化变异程度小，从海拔3300～3600m其含量变化范围依次为17.2～19.3g·kg-1、17.5～18.7g·kg-1、17.9～18.6g·kg-1、19.8～20.4g·kg-1。不同海拔不同土层的速效钾含量随土层深度的增加，其含量总体上呈不断减小的变化趋势，而且速效钾含量变化变异程度大，主要体现在0～10cm土层其含量明显大于其他土层的含量，从海拔3300～3600m其含量变化范围依次为74.7～109.0mg·kg-1、75.5～153.0mg·kg-1、83.1～226.0mg·kg-1、75.6～112.0mg·kg-1。不同海拔不同土层的缓性钾含量随土层深度的增加，其变化规律不明显，而且缓性钾含量变化变异程度小，从海拔3300～3600m其含量变化范围依次为483～722mg·kg-1、583～766mg·kg-1、607～790mg·kg-1、494～559mg·kg-1。

表2 不同土层深度钾素含量变化规律

3.2 亚高山灌木林土壤钾素含量随海拔变化特征

对排露沟流域不同海拔分布的亚高山灌木林其土壤剖面中的钾素(包括全钾、速效钾和缓性钾)含量进行了均值统计分析，结果见表3。由表3可知，不同海拔土壤全钾含量从海拔3300～3600m总体上呈增加的变化趋势，速效钾和缓性钾含量从海拔3300～3500m呈增加的变化趋势，其拐点出现在海拔3500m处，而后其含量是减小的，即从海拔3500～3600m其含量是减小的。不同海拔亚高山灌木林0～40cm土深的钾素含量大小各不相同，其中全钾、速效钾和缓性钾含量变化范围依次为18.1～20.0g·kg-1、85.8～131.9mg·kg-1、524～700mg·kg-1，全钾含量的变异程度较小，而速效钾和缓性钾的变异程度较大。

表3 不同海拔梯度土壤钾素含量变化规律

3.3 亚高山灌木林土壤钾素含量与有机质的相关性

对排露沟流域亚高山灌木林土壤剖面中的钾素(包括全钾、速效钾和缓性钾)含量及其对应的有机质含量进行了相关性分析，结果见表4。由表4可知，土壤中的全钾与有机质呈极显著负相关(P<0.01)，速效钾与有机质呈显著正相关(P<0.05)，缓性钾与有机质呈极显著正相关(P<0.01)。钾素中的速效钾与全钾之间相关性不显著(P>0.05)，缓性钾与全钾之间呈显著负相关(P<0.05)、与速效钾之间呈极显著正相关(P<0.01)。

表4 土壤有机质和钾素含量的相关性分析矩阵

4 结论与讨论

土壤全钾含量随土层深度增加，没有明显的变化规律，主要是受研究区成土母质中的含钾矿物的影响，该研究结论与姜林等对同一研究区不同土壤类型其全钾含量变化规律是一致的[6]，说明研究区土壤全钾含量不受土壤类型的影响。不同海拔亚高山灌木林土壤剖面速效钾表现出明显的层化和表聚现象，原因是灌木林地上新陈代谢物质归还和地下根系的作用和部分分解等作用，使得土壤中的团聚体和有机质含量增加，土壤中的钾素被吸附保蓄在有机体上，减缓了速效钾向下层输运；深层的土壤速效钾直接被灌木林根系吸收，使得深层土壤速效钾含量减少。综合而言，土壤速效钾的剖面分布特点是表层有机体的补钾和深层钾的消耗共同导致的。作为土壤速效钾的储备库缓性钾，其在土层中的变化规律不明显，可能是缓性钾的本身属性所决定，即初始转换量和转换率受环境的影响从而决定其固定和释放[1]。

土壤全钾含量随海拔梯度增加，亦没有明显的变化规律，很可能是土壤母质是一样的且风化程度受外界环境影响弱。土壤速效钾和缓性钾含量随海拔梯度的变化规律类同于表1中植被信息中海拔梯度的变化规律，而且雷蕾等在该试验区的研究也表明，随海拔梯度的增加，各个海拔段的生物量是逐渐增加的[10]，各个海拔段生物量大小依次为3300m>3400m>3500m>3600m。即随海拔梯度的增加，亚高山灌木林的生物量和生产力增加，使得归还到土壤中的有机质含量是丰富的。研究区亚高山灌木林植被分布带的土壤全钾含量丰缺程度表现为高水平，土壤速效钾含量丰缺程度表现为中至中上水平，土壤缓性钾含量丰缺程度表现为极高水平[11]。可见，研究区亚高山灌木林分布带的土壤供钾能力表现为中等以上水平，而且这还是0～40cm土层深度的钾含量均值，而普查养分分级标准中的钾含量均值是根据表土层的含量进行统计的(0～20cm)。

土壤全钾含量与有机质含量呈负相关性，说明土壤有机质的积累不利于矿物钾含量的释放，可能是土壤有机质与矿物钾的“稀释效应”有很大的关系。这与同是位于该流域2900～3300m的青海云杉林分布带其土壤全钾与有机质的相互作用是一致的[12]。土壤速效钾和缓性钾与有机质之间的正相关性，说明从植物营养的角度或者说能被植物直接吸收和在钾素耗竭情况下能被植物吸收利用的情况，土壤有机质含量的丰富正向促成植物对钾素的利用。而且还有研究表明，在富含有机质的土壤中，土壤有机质与全钾之间的相互作用表现明显，而且这种作用随着有机质含量的升高，其显著性更为明显[13]。本研究有机质与全钾的极显著相关性，说明亚高山灌木林土壤中的有机质含量是丰富的。土壤有机质、速效钾和缓性钾彼此之间的相互正作用，说明彼此之间存在消长协调性，而且速效钾和缓性钾之间存在的一种动态平衡[14]，可用来表征土壤钾素含量的供应能力大小。

综上，祁连山排露沟流域亚高山灌木林土壤各形态的钾素含量及其分布状况表明，亚高山灌木林土壤钾素含量能够满足灌木林生长需要。