祁连山国家公园祁丰林场四种典型植被类型土壤盐基离子含量变化特征

石澎雨田晓萍石晓萍侯玉梅车宗伟

(1.张掖市林业科学研究院，甘肃 张掖 734000；2.甘肃省祁连山水源涵养林研究院，甘肃 张掖 734000；3.甘肃祁连山国家级自然保护区管护中心祁丰自然保护站，甘肃 肃南 735015)

土壤交换性盐基离子作为土壤质量重要表征的生态参数受到了人们越来越多的关注，通过对其了解和研究能更好地指导人们进行人工经营和科学管理植被生态系统。土壤交换性盐基离子含量大小在很大程度上反映了土壤形成的过程、维持生物有效性、缓冲土壤酸化等诸多的生态学功能和过程[1，2]。土壤交换性盐基离子含量变化受制于不同的土地利用方式、植被类型以及人为的不同管理措施的影响[3-5]。如，黄尚书等对江西省的红壤研究发现，不同土地利用方式会对其土壤交换性盐基离子的含量产生明显的影响，而且土壤盐基饱和度表明该研究区土壤肥力水平较低[6]。秦书琪等对高寒草原土壤交换性盐基离子添加氮研究发现，在碱性土壤中的氮添加促进了植物的生长，造成了盐基含量的降低，同时导致铵根离子交换作用比硝酸离子淋溶增强[7]。聂三安等通过栽培管理方式对上海郊区大棚及露地栽培体系下有机和常规农业生产系统中土壤交换性盐基离子研究发现，不同园艺系统管理方式改变了土壤盐基离子的分布及特性，进而影响作物的生长发育[8]。

分布在祁连山国家公园的森林生态系统，受地形的影响，其降水和气温存在明显的差异，水热条件的不同必定导致其土壤生态环境及其生态学过程的不同。根据杨全生等的研究对祁连山的地形划分[9]，本研究所选择的研究区域位于祁连山西段，目前已有人对祁连山中段的西水林场森林土壤交换性盐基离子的研究进行了报道。正如前面所述，不同地形影响下的森林生态系统其土壤交换性盐基离子可能存在明显的影响。鉴于此，本研究选择祁连山国家公园西段的祁丰林场分布的4种典型植被类型为研究对象，通过土钻取样法和室内测定相结合的分析方法，对其土壤交换性盐基离子含量和变化规律进行了测定和分析，同时分析了壤交换性盐基离子与有机碳和速效养分的关系，以期为祁连山国家公园分布的森林植被进行分类经营和管理提供理论参考。

1 研究地区与研究方法

1.1 研究区概况

研究区域选择地处祁连山国家公园的祁丰林场，地理经纬度为E97°15′～99°10′，N38°57′～39°43′，该林区现有占地总面积为9.13×105hm2，气候带上属于半湿润和半干旱山地草原气候。山地地貌海拔落差大，最大高差处高达2000m左右，明显的水热环境差异孕育了丰富多样的植被类型，主要有高山灌木林、高山草甸带、山地森林草原带、山地草原带和山地荒漠草原荒漠带。土壤类型亦丰富多样，主要有高山寒漠土、高山草甸土、高山草原土、亚高山草原土、森林灰褐土、山地栗钙土、山地棕钙土、灰漠土、草甸土[10]。林区内动植物资源也相对丰富，人为干扰活动不明显。

1.2 样品采集与处理

在祁丰林场选择4种典型植被类型包括青海云杉林(Picea crassifolia forest，简称PCF)、祁连圆柏林(Sabina przewalskii forest，简称SPF)、青海云杉-祁连圆柏混交林(Picea crassifolia-Sabina przewalskii mixed forest，简称PC-SPMF)和灌木林(Shrub forest，简称SF)，基于“典型性、代表性”建立试验样地，见表1，在每种植被类型建立1个面积大小为50m×50m的试验样地，将样地划分为4个25m×25m的栅格，对其进行植被调查和土壤取样，每个栅格作为1个土壤采样点，在每个采样点利用环刀体积为100cm3的土钻采集土样，土壤剖面深度为60cm，共3～5个重复，将4个采样点重复采集到的土样分别按土层0～10cm、10～20cm、20～40cm、40～60cm充分混合并清理植物根系和石块，按四分之一法取土样带回实验室风干、磨碎和过筛。

表1 4种植被类型典型样地的基本情况[10]

1.3 样品分析与数据处理

土壤样品中的交换性K+、Na+、Ca2+、Mg2+含量测定参照《土壤农业化学分析方法》[11]，土壤有机碳、速效氮、速效磷、速效钾的室内测定分析参照《森林土壤分析方法》测定[12]。所有数据的分析和作图采用软件Excel 2016和SPSS 19.0进行试验数据分析和制图，采用单因素方差分析法(one-way ANOVA)分析差异显著性。另外盐基总量是交换性盐基K+、Na+、Ca2+、Mg2+含量的总和。

2 结果与分析

2.1 4种植被类型土壤剖面盐基离子含量变化特征

对研究区4种植被类型土壤剖面不同土层的土壤交换性K+、Na+、Ca2+、Mg2+含量大小和变化规律进行分析，结果见图1。由图1可知，PCF、SPF、PC-SPMF和SF土壤剖面交换性K+含量变化范围依次为0.31～0.39cmol·kg-1、0.22～0.60cmol·kg-1、0.22～0.63cmol·kg-1、0.40～1.21cmol·kg-1，对应的均值依次为0.33cmol·kg-1、0.31cmol·kg-1、0.36cmol·kg-1、0.67cmol·kg-1，交换性K+含量从大到小依次为SF>PC-SPMF>PCF>SPF。土壤交换性K+含量随土层深度增加，PCF不同土层间的差异性不显著(P>0.05)；祁连圆柏混交林其含量表现为0～10cm和10～20cm土层明显大于其他土层(P<0.05)；PC-SPMF其含量表现为0～10cm明显大于其他土层(P<0.05)；SF不同土层间的差异性明显(P>0.05)。不同植被类型土壤交换性K+含量呈现明显的表聚性特点。

注：图中不同小写字母表示同一植被类型土壤交换性盐基离子含量在不同土层的差异显著性(P<0.05)。

PCF、SPF、PC-SPMF和SF土壤剖面交换性Na+含量变化范围依次为1.18～2.37cmol·kg-1、1.19～2.32cmol·kg-1、1.28～2.56cmol·kg-1、1.82～2.52cmol·kg-1，对应的均值大小依次为1.85cmol·kg-1、2.00cmol·kg-1、1.81cmol·kg-1、2.10cmol·kg-1，交换性Na+含量从大到小依次为SF>SPF>PCF>PC-SPMF。土壤交换性Na+含量随土层深度增加，PCF含量表现为不断增加；SPF表现为0～10cm土层含量明显低于其他土层；PC-SPMF和SF均表现为40～60cm土层含量明显高于其他土层。不同植被类型土壤交换性Na+含量呈现明显的浅土层低于深土层。

PCF、SPF、PC-SPMF和SF土壤剖面交换性Ca2+含量变化范围依次为101.08～126.08cmol·kg-1、96.32～142.68cmol·kg-1、87.13～140.75cmol·kg-1、114.48～113.92cmol·kg-1，对应的均值大小依次为115.31cmol·kg-1、130.01cmol·kg-1、128.91cmol·kg-1、126.73cmol·kg-1，交换性Ca2+含量从大到小依次为SPF>PC-SPMF>SF>PCF。土壤交换性Ca2+含量随土层深度增加，PCF和SF含量变化不明显(P>0.05)；SPF和PC-SPMF则表现为0～10cm土层含量明显低于其他土层(P<0.05)。不同植被类型土壤交换性Ca2+含量呈现明显的浅土层低于深土层。

PCF、SPF、PC-SPMF和SF土壤剖面交换性Mg2+含量变化范围依次为6.69～13.71cmol·kg-1、11.72～16.30cmol·kg-1、13.57～24.04cmol·kg-1、3.48～6.50cmol·kg-1，对应的均值大小依次为11.33cmol·kg-1、14.31cmol·kg-1、20.17cmol·kg-1、5.40cmol·kg-1，交换性Mg2+含量从大到小依次为PC-SPMF>SPF>PCF>SF。土壤交换性Mg2+含量随土层深度增加，PCF表现为0～10cm土层含量明显低于其他土层(P<0.05)；SPF和SF含量变化不明显(P>0.05)；PC-SPMF则表现为0～20cm土层明显低于深土层(P<0.05)。不同植被类型土壤交换性Mg2+含量呈现明显的浅土层低于深土层。

2.2 4种植被类型土壤盐基离子含量和盐基总量

对研究区4种植被类型土壤剖面的交换性K+、Na+、Ca2+、Mg2+含量大小和差异显著性进行分析，结果见表2。由表2可知，研究区4种植被类型土壤交换性盐基离子的土壤剖面含量分布大小均存在显著性差异(P<0.05)，具体表现为Ca2+>Mg2+>Na+>K+。说明交换性Ca2+和Mg2+主要取决于研究区土壤形成环境与成土母质元素对Ca和Mg优先形成固持作用。

表2 4种植被类型土壤剖面盐基离子含量

对研究区4种植被类型土壤剖面的交换性盐基总量大小和差异显著性进行分析，结果见图2。由图2可知，PCF、SPF、PC-SPMF和SF土壤剖面交换性盐基总量变化范围依次为109.34～142.47cmol·kg-1、109.82～151.20cmol·kg-1、102.64～165.64cmol·kg-1、119.83～143.34cmol·kg-1，对应的均值大小依次为128.82cmol·kg-1、146.63cmol·kg-1、151.25cmol·kg-1、134.73cmol·kg-1，交换性盐基总量从大到小依次为PC-SPMF>SPF>SF>PCF。土壤交换性盐基总量随土层深度增加，PCF和SF不同土层含量变化不明显(P>0.05)；SPF和PC-SPMF则表现为0～10cm土层明显低于其他土层(P<0.05)。不同植被类型土壤交换性盐基总量呈现明显的浅土层低于深土层。

图2 4种植被类型土壤剖面0～60cm土壤盐基总量

2.3 4种植被类型土壤交换性盐基离子与有机碳和速效养分的关系

对4种植被类型土壤交换性盐基离子与土壤有机碳和速效养分进行相关性分析，结果见表3。由表3可知，交换性盐基离子之间表现为交换性钾与交换性钙之间呈显著负相关(P<0.05)，与交换性镁之间呈极显著负相关(P<0.01)；交换性钠与交换性钙呈显著正相关(P<0.05)；交换性钙与交换性镁之间呈显著正相关(P<0.05)。交换性盐基离子与有机碳和速效养分之间，则表现为交换性钾与速效磷之间呈显著正相关(P<0.05)，与速效钾之间呈极显著正相关(P<0.01)；交换性钙与速效氮和速效磷之间呈极显著负相关(P<0.01)，与速效钾呈显著负相关(P<0.05)。另外，有机碳与速效氮之间呈极显著正相关(P<0.01)，速效氮与速效磷、速效磷与速效钾之间均呈显著正相关(P<0.05)。

表3 土壤盐基离子与有机碳和速效养分的相关性分析

3 结论与讨论

本研究表明，该研究区4种植被类型土壤剖面盐基离子的K+、Na+、Ca2+、Mg2+含量大小不同于姜林等对祁连山中段分布的4种土壤(对应的4种植被类型)土壤盐基含量大小，说明不同地形影响下的水热条件的不同植被类型其土壤化学性质存在明显的差异。同时4种交换性盐基离子的含量大小表现为Ca2+>Mg2+>Na+>K+，该研究结果与姜林等研究结论基本一致[13]，虽然Na和K的顺序大小有出入，但是二者研究均表明，祁连山中段和西段土壤中的盐基离子当中以Ca2+和Mg2+离子为主，说明其来源主要贡献于成土母质和土壤形成过程。土壤交换性K+含量呈现明显的表聚性特点，说明其元素含量主要来自于林下植被较高的生物残体分解、累积归还的作用结果[14]；Na+、Ca2+、Mg2+含量呈现明显的浅土层低于深土层，这可能与淋溶强度作用有很大的关系[15]。4种植被类型交换性盐基总量从大到小依次为PC-SPMF>SPF>SF>PCF，说明不同植被类型影响下的土壤盐基总量不同，一般来讲，非酸性土壤的土壤中盐基总量在很大程度上反映了其缓冲、保肥能力[16]，即土壤盐基总量越大，更适宜其生长需要。因此，在对林区进行经营和管理的过程中，建议多考虑营造和抚育管理PC-SPMF和SPF等耐旱的林型，而且该区域降水少，优先考虑采取这种措施是可行的，在调查的过程中发现也是符合实际的。交换性离子之间的相互作用有正向作用，亦有反向作用，其原理比较复杂，需要指出的是交换性钙与速效氮和速效磷之间呈极显著负相关(P<0.01)，这就要求在不同植被类型经营的过程中，要注重盐基离子对植物吸收养分的有效性。