祁连山南坡微地形下典型生态系统土壤蓄水能力差异

袁 杰, 曹广超, 曹生奎, 袁有靖, 张 虔, 蒲 妮

(1.青海师范大学.青藏高原地表过程与生态保育教育部重点实验室, 西宁810008;2.青海师范大学.地理科学学院.青海省自然地理与环境过程重点实验室, 西宁810008;3.青海省人民政府—北京师范大学 高原科学与可持续发展研究院, 西宁810008; 4.青海省地质环境调查院, 西宁810008)

土壤作为陆地生态系统的重要组成部分,是连接大气和地上地下生物的重要枢纽,发挥着重要的水文调节功能,维持着生态系统的能量平衡[1]。其中作为疏通剂,土壤水分的多少及存在形式不仅对土壤形成发育过程有重要影响,而且是土壤物质迁移和运动的载体。因此土壤蓄水能力在区域产流和水文循环方面起着重要作用,是研究区域内水源涵养的重要指标,准确揭示土壤蓄水能力可以更好地反馈未来变化环境下山区水源涵养的重点构建能力[2]。国内外对土壤蓄水性能的研究集中于外界因素的影响,如不同生态环境、不同气候以及土壤水渗透性能等方面[3-6],针对微地形影响下土壤蓄水能力的研究较少。地形因子对土壤水分空间分布有重大影响,坡向、坡位更是影响土壤蓄水能力坡面尺度变异的重要地形因素,不同坡向坡位下土壤蓄水能力的差异性尚有待深入研究。

祁连山作为西北内陆干旱区重要的水源涵养区,其生态环境的好坏,直接关系到河西走廊、西北部地区的生态安全,甚至可能会引起黑河下游甘肃及内蒙古两省区的生态环境经济问题,由于重要的地理位置和水源涵养功能,祁连山生态环境问题近年来受到学术界持续关注[7-10]。但整体来看,在该区仍然缺少微地形影响下土壤蓄水性能的相关研究。基于此,以祁连山微地形为研究对象,深入分析坡位坡向对土壤蓄水能力的影响,才能为该区精准实施提高土壤界面水源涵养功能提供基础参考。

1 研究区概况

研究区位于祁连山南坡中段,地理位置为97°16′—101°11′E,38°11′—40°13′N。地势整体南高北低、地形复杂多变,山地、平原相间排列,长年受西风带和东南季风影响,属于典型大陆性高原气候[11]。冬季寒冷干燥,夏季温凉湿润,降水主要集中在5—9月,年降水量约300～700 mm,其中夏季降水量约占全年的86%,同时降水量整体呈由东向西减少趋势[12-13]。研究区以干旱半干旱植被为主,广泛分布乔本科(Gramineae)、莎草科(Cyperaceae)植被,以及少数的狼毒(Stellerachamaejasme)、蔷薇科(Rosaceae)和委陵菜属(Potentillachinensis)。受地形、气候和植被影响,该区土壤垂直分带明显,随海拔自下而上依次为栗钙土、黑钙土、灰褐土、山地草甸土、高山草原土、高山草甸土、寒漠土[12]。

2 材料与方法

2.1 样地布设与样品采集

试验选取该区腹地普遍分布的典型坡地,阴阳坡分别为青海云杉(北东向)和高山草地(西南向),采样时间为2021年8月(图1)。以“倒V”形路线,自高山草地坡底至青海云杉坡底,共设置11个样地,根据实地情况,参考海拔梯度,分别在两类典型生态系统坡底(PD)、坡底上(PDS)、坡中(PZ)、坡中上(PZS)、坡上(PS)、公共坡顶(PSD)设3个1 m×1 m样方,共计33个样方。利用土钻环刀法进行土壤样品分层采集,采样间隔为10 cm,采样深度为0—50 cm,共采集165件土壤样品。将土壤样品现场称重后,装入透明无菌袋封装并标号,每类样地均利用手持GPS记录地理坐标、植被盖度、海拔高度、坡度等样地信息。

图1 采样区示意图

2.2 样品测定和数据处理

本研究所有试验均在青海省自然地理与环境过程重点实验室中完成。土壤蓄水能力分别由土壤贮水量和土壤饱和蓄水量进行指代,其中土壤贮水量为土壤实际蓄水能力[12],土壤饱和蓄水量为一定土层厚度土壤孔隙中水分达到饱和时的量,代表土壤潜在蓄水能力[12,14],计算公式见表1。

表1 土壤蓄水能力指标计算公式

其余土壤理化性质测定:(1) 土壤粒度使用英国Malvern公司制造的 Mastersizer2000型粒度仪进行测试,详细过程不再赘述,详见文献[15]。(2) 土壤pH采用pH(pH-3c)计进行测试[16]。(3) 土壤有机质采取重铬酸钾氧化法[16]。通过上述方法测定完成所有指标后,运用Graphpad Prism7.0软件完成数据统计、差异性分析及图表制作工作。

3 结果与分析

3.1 高山草地土壤蓄水能力差异分析

由图2可知,高山草地在PD,PZS,PS处土壤贮水量均随土层深度增加而减少;PZ,PDS,PSD处土壤贮水量随土层深度增加呈先增后减趋势。不同坡位0—50 cm土层土壤贮水量均值以PZS处为界呈先减后增趋势,界下随坡位的增加减小趋势明显,界上呈增大趋势。其中PD处土壤贮水量最大,显著大于PZ,PZS,PS,PSD处土壤贮水量(p<0.05),PZS处土壤贮水量最小,显著小于PD,PDS及PZ处土壤贮水量(p<0.05)。

注：不同小写字母代表在显著性水平p<0.05上存在显著差异,下同。

综上,可以看出坡位显著影响土壤中水分贮存量,在研究区微地形高山草地所在阳坡区域,土壤水分贮存量沿坡位上升呈减少状态,坡中上(PZS)为土壤水分贮存量最低坡位。

由图3可知,高山草地土壤饱和蓄水量除PD和PZS变化规律不明显之外,其余坡位均表现出随土层深度增加而减小。与土壤贮水量不同,高山草地PSD处各土层土壤饱和蓄水量均大于其余坡位。不同坡位土壤饱和蓄水量均值在PD-PZ-PZS处差异较小,自PZS处开始高山草地土壤饱和蓄水量呈跳跃式增加趋势,在PSD处土壤饱和蓄水量均值最大且显著大于其他坡位(p<0.05),其他坡位之间仅PZ处和PZS处存在显著差异(p<0.05)。

图3 不同坡位高山草地土壤饱和蓄水量差异性分析

综上,通过高山草地土壤贮水量和饱和蓄水量随坡位变化差异分析可知,高山草地PZS处土壤实际水分和土壤潜在蓄水能力均最低且整体蓄水能力与其他坡位存在显著差异,因此在研究区该坡向上,坡中上(PZS)区域应重视保水增蓄工作。

3.2 青海云杉土壤蓄水能力差异分析

由图4可知,青海云杉PSD,PZS,PDS处各土层土壤贮水量明显大于其他坡位,说明上述坡位土壤持水能力均大于其他坡位。此外除PSD外,其他坡位土壤贮水量均随土层深度增加而减小。青海云杉土壤贮水量随坡位增加呈“增减”型变化趋势。其中PD,PZ,PS坡位之间土壤贮水量无显著差异性(p>0.05),而PDS,PZS,PDS坡位与其他坡位之间均存在显著差异(p<0.05)。可以看出青海云杉土壤贮水量总体上符合坡位越高土壤持水能力越强的特点。因此,坡位同样显著影响青海云杉土壤水分贮存量,在研究区微地形下青海云杉所在阴坡区域,土壤贮水量沿坡位上升呈增大趋势,坡顶处(PSD)为土壤水分贮存量最大坡位。

图4 不同坡位青海云杉土壤贮水量差异性分析

不同坡位青海云杉土壤饱和蓄水量基本随土层深度增加而减小(图5)。土壤饱和蓄水量随坡位增加呈三段式分布,具体来看PZ-PZS>PD-PDS>PS-PSD,说明阴坡青海云杉林PZ-PZS区域土壤潜在蓄水能力最强,其次是PD-PDS处,PS-PSD土壤潜在蓄水能力最弱。

图5 不同坡位青海云杉土壤饱和蓄水量差异性分析

3.3 不同坡向典型生态系统土壤蓄水能力差异分析

研究区多分布此类微地形,具体表现为各微地形阴阳坡植被分异极为明显,即阳坡基本发育为高山草地,阴坡基本发育为青海云杉。为进一步揭示微地形对土壤蓄水能力的影响,分别分析不同坡向同一坡位土壤蓄水差异性。由图6可以看出,除0—10 cm土层外,阴阳坡土壤贮水量基本以PZS为界,界下各坡位土壤贮水量差异显著(p<0.05),界上不显著(p>0.05)。同时可以看出高山草地土壤水分贮存量整体大于青海云杉。

图6 不同坡向典型生态系统土壤贮水量差异性分析

不同坡向土壤饱和蓄水量差异分析见图7。与土壤贮水量不同,青海云杉各坡位土壤潜在蓄水能力整体大于高山草地。PZS处同样是两类典型生态系统土壤潜在蓄水能力产生明显差异区域,即自PD-PZS,两类生态系统土壤饱和蓄水量在坡位和土层尺度均表现出极显著差异性;而自PZS向上,两者在坡位和土层尺度上土壤饱和蓄水量差异性趋弱,说明PZS以下坡位是两类生态系统土壤蓄水能力核心区域。

图7 不同坡向典型生态系统土壤饱和蓄水量差异性分析

综前所述,由于微地形影响,两类典型生态系统土壤蓄水能力明显存在差异。可以看出在微地形塑造下高山草地(阳坡)土壤实际蓄水量整体高于青海云杉;而青海云杉(阴坡)土壤潜在蓄水能力均大于高山草地。此外PZS是两类生态系统土壤蓄水能力产生差异最为明显的坡位。

4 讨论与结论

4.1 讨 论

祁连山是西北内陆干旱区重要的水源涵养区之一,对于该区水源涵养方面的研究一直是学术界研究的重点[7-10]。团队自2013年在祁连山南坡进行相关研究过程中发现,在该区腹地多现如图1所示地形(本研究中称为“微地形”)且伴有一个显著特点,即以地形脊顶为中心阳坡均为高山草地,阴坡均为青海云杉。但以往众多研究中忽略此类微地形下土壤蓄水能力的相关研究,使得量化该区土壤界面水源涵养量时缺少了参考依据。因此研究微地形对土壤蓄水能力的影响对精确挖掘祁连山水源涵养潜力具有重要意义。

坡向和坡位因改变局地土壤形态、水热条件、植被分布被认为是影响土壤蓄水能力发生差异的重要地形因素[17-18]。本研究发现,坡位显著影响了土壤中水分贮存量,直接影响各土壤层中土壤水分贮存量的大小。在阳坡土壤水分贮存量沿坡位逐渐增加呈减少状态,坡中上(PZS)土壤水分贮存量最低;而土壤饱和蓄水量作为土壤潜在蓄水能力,坡位对其影响较小,各坡位之间土壤饱和蓄水量差异较小。总体上高山草地土壤蓄水能力在PZS处最小,对该坡位区的水土保持工作应引起重视。在阴坡,坡位同样显著影响着青海云杉土壤水分贮存量,土壤中水分贮存量沿坡位逐渐增加呈增大趋势,坡顶处(PSD)为土壤水分贮存量高坡位。

通过对比发现研究区地形塑造下高山草地(阳坡)土壤实际蓄水能力在不同坡位均高于青海云杉,受坡位影响大;高山草地土壤潜在蓄水能力在不同坡位上相差不大,受坡位影响小。青海云杉(阴坡)土壤实际蓄水能力和潜在蓄水能力均同样受到坡位影响,但其土壤实际蓄水能力小于阳坡(高山草地),造成差异的主要原因在于大气降水多被青海云杉林冠层进行截留,加之地表枯落物层和腐殖质层的吸收,导致土壤中实际贮水量较高山草地小,但枯枝落叶影响下的土壤饱和含水量有良好表现,潜在蓄水能力强于阳坡草地。

海拔梯度也是影响土壤蓄水能力的重要因素之一[18]。如图8所示,整个微地形海拔梯度介于2 090～3 120 m,以30 m为间隔分别探讨海拔梯度对土壤蓄水能力的影响。分析可见随海拔梯度的增加,在一定高度范围(3 090 m以下)高山草地土壤贮水量呈减少趋势,高于3 090 m的坡顶处土壤贮水量有所增加;高山草地土壤饱和蓄水量随海拔梯度基本变化不大,这与上文分析结果一致。

注：“*”代表在显著性水平0.05上存在显著差异,“**”代表在显著性水平0.01上存在显著差异,下同。

不同于阳坡,海拔梯度对阴坡土壤贮水量和土壤饱和蓄水量均产生了较为复杂的影响(图9)。可以看出青海云杉土壤贮水量在3 000～3 030 m和3 060～3 090 m海拔梯度上土壤贮水量最大,其余海拔梯度间土壤贮水量差异不大。青海云杉土壤饱和蓄水量随海拔升高呈增大趋势,但坡顶处土壤饱和蓄水量明显减小。

图9 海拔高度对青海云杉土壤蓄水能力影响分析

海拔不同,山体垂直方向温度和降水格局会发生明显改变,在同一海拔梯度内,坡向的不同直接决定了其太阳辐射的接受量,从而与坡度一起改变整个山体的土壤水文过程[19]。分析结果显示,阳坡(高山草地)土壤实际贮水量随海拔梯度升高依次减小,而土壤潜在蓄水能力在不同海拔梯度虽有差异但不显著,说明在阳坡一方面随海拔梯度的上升,受到太阳辐射影响,土壤蒸发变强,土壤贮水量随之减小;另一方面阳坡高山草地土壤质地较为均质,因此表现出土壤实际贮水量和土壤潜在蓄水能力的不一致性。阴坡(青海云杉)土壤实际贮水量随海拔升高无明显规律,但在3 000～3 900 m出现了高峰值,这与其他学者[20-21]坡中土壤含水量较大的结论具有相似之处;青海云杉土壤潜在蓄水能力自坡底至坡顶均大于阳坡(高山草地),究其原因与云杉林对土壤结构的塑造能力有关。

除地形因子外,土壤理化指标也是影响土壤蓄水能力的重要因素之一[22]。分别选取土壤容重、土壤质地、土壤有机质及土壤pH分别与不同坡向土壤蓄水能力指标进行相关性分析。可以看出由于坡向不同,土壤理化性质同样发生明显差异,进一步影响土壤蓄水能力。研究区阴坡为云杉林,林内地表积累一定厚度枯落物层(10 cm左右)且常年阴湿,有机质层与腐殖质层之间转换强度远较高山草地强烈,加之云杉林庞大根系结构,致使云杉林土壤结构松散,容重较低,因此可以发现云杉林土壤贮水量分别与土壤容重呈显著负相关(p<0.01),与有机质呈显著正相关(p<0.01);此外阴湿环境和疏松土壤结构同样极易导致云杉林土壤酸性较阳坡草地强,一般认为酸性土壤质地疏松,透气透水性更强,因此云杉林土壤贮水量还与pH值呈显著正相关(p<0.01),同时这也能进一步解释上文图6中阳坡草地土壤贮水量显著大于阴坡云杉林的原因:云杉林土壤结构疏松、容重小、孔隙多,透气透水性强,水分极难贮存在土层中,因此表现出土壤贮水量显著小于阳坡草地的特征。阳坡草地为西南向,地表无枯枝落叶层且辐射蒸发作用强,土壤发育强度远低于阴坡云杉林,土壤结构更易坚硬,容易板结,在这种情况下,土壤中细颗粒组分越多,土壤水分越难以贮存在土壤中,而分析中发现不但阴坡土壤中细颗粒组分显著大于阳坡,而且阳坡草地土壤贮水量显著大于阴坡(图6),说明阳坡草地土壤水分很大程度上与土壤质地中细颗粒组分相关。表2中阳坡土壤贮水量仅与土壤黏粒组分呈显著负相关(p<0.01)能较好的证明上述观点。

表2 土壤贮水量与各理化指标相关性Table 2 Correlation between soil water storage and each physicochemical index

土壤饱和蓄水量作为土壤潜在蓄水能力,与土壤总孔隙度直接相关,而土壤孔隙度又直接受土壤容重、土壤有机质及土壤质地影响。如上文所言,阴坡云杉林由于自身生境影响,土壤有机质层发育强烈,结构疏松,透气透水性强,因此土壤饱和蓄水量显著高于阳坡草地(图7),分别与土壤有机质(p<0.000 1)、黏粒(p<0.001)、粉砂粒(p<0.05)、砂粒(p<0.001)呈显著相关性;而阳坡草地虽然土壤结构更加紧实,有机质层发育弱于云杉林,但土壤饱和蓄水量是土壤孔隙中水分达到饱和时的量,主要受土壤质地和容重影响,因此阳坡草地土壤饱和蓄水量同样与土壤有机质和土壤质地呈显著相关(表3)。

综上,分别从地形因素和土壤理化性质两个方面探讨了影响土壤蓄水能力的影响因素,有别于该区其他研究,本研究基于祁连山区普遍存在的微地形,分别分析了微地形下以青海云杉和高山草地为主导植被的阴、阳坡土壤蓄水能力差异,分析中地形对植被群落再塑造而产生的蓄水能力差异是显而易见的。在地形影响下,不同坡向植被受到的水热条件也随之不同,因此形成了由图2所示的特有植被分异山体,加之后期不同生态系统对土壤的再影响导致两种坡向下土壤蓄水能力发生了明显的差异,这与赵海鹏等人[23]关于坡面尺度土壤水热的研究结果类似。此外,与相关研究[9,24]得出的在该区草地生态系统水源涵养能力最强的结论不一致的是本研究中青海云杉土壤界面水源涵养能力要强于草地,主要体现在阴坡(青海云杉)土壤饱和蓄水能力显著高于阳坡(高山草地),原因在于云杉林地表积累了一定厚度枯落物,加之阴冷潮湿,地表腐殖质累积厚,土壤疏松,土壤孔隙度随之远大于阳坡(高山草地),透气透水性强,因此在降水期,能够更好保留水分,涵养水源。

4.2 结 论

(1) 在本研究区域,坡位显著影响了土壤中水分贮存量,在阳坡土壤中水分贮存量沿坡位上升逐渐呈减少状态,坡中上为土壤水分贮存量最低的坡位;在阴坡土壤中水分贮存量沿坡位上升逐渐呈增多状态,坡顶处为土壤水分贮存量高的坡位,坡中上至坡顶区域应当在水土保持工作中引起足够重视;

(2) 青海云杉(阴坡)各坡位土壤潜在蓄水能力均高于高山草地(阳坡),自坡底至坡中上,两类典型生态系统土壤饱和蓄水量在坡位、土层均表现出了极显著差异性,但自坡中上开始,两者在坡位和土层尺度上土壤饱和蓄水量差异性趋弱,说明坡中上以下坡位是两类生态系统土壤蓄水能力核心区域。