祁連山西段青海云杉林土壤養分特征研究

趙維俊 ，劉賢德 ，金 銘 ，車宗璽 ，馬 鈺

(1.甘肅省森林生態與凍土水文水資源重點實驗室，甘肅張掖734000;2.甘肅省祁連山水源涵養林研究院，甘肅張掖734000)

土壤養分是土壤質量變化最基本的表征和核心研究內容[1]，是土壤從環境條件和營養條件兩方面來影響植物的生長發育和植物的物種組成，歷來受到土壤學、植物營養學和生態學研究領域的眾多專家和學者的關注[2-4]。青海云杉是我國特有樹種，集中分布在甘、青兩省交界的祁連山[5]，面積為169 564 hm2，蓄積量18 107 932 m3，祁連山青海云杉林生態系統對維系林區生物多樣性、涵養水源、保持水土起著非常重要的生態作用，同時對區域農業發展及整個西北地區經濟建設和氣候有著重大的影響。

祁連山是我國著名的高大山系之一，按地形可分為東、中、西段，祁連山森林植被自東南向西北植被逐漸荒漠化，目前對祁連山建群種青海云杉土壤養分研究不多，而且集中在祁連山的東、中段[6-8]，而對祁連山西段青海云杉土壤養分研究鮮有報道，因此，本文通過對祁連山西段青海云杉林土壤養分特征進行研究，為提高祁連山西段青海云杉林生態系統土壤肥力、生產力以及指導青海云杉可持續經營和管理提供參考，也為整個祁連山青海云杉森林生態系統的土壤肥力和營養元素循環研究奠定基礎。

1 試驗區概況

研究區位于祁連山西段北麓，河西走廊南部，肅南裕固族自治縣祁豐藏族鄉境內，地處 97°15′-99°10′E，38°57′-39°43′N 之間。平均海拔 4 000 m 左右，年平均氣溫4℃，最冷月平均溫度-13℃，最熱月平均溫度17℃，年降水量300 mm，年蒸發量1 800 mm，平均無霜期90～120 d，屬典型的內陸干旱氣候。青海云杉林主要分布在海拔2 500～3 200 m的陰坡、半陰坡，林區土壤為山地灰褐土，土層平均厚度為40 cm，有輕微的水土流失，林下有少量的苔蘚和草本，灌叢極少見，草本層優勢種主要有苔草(Carex tristachya)、珠牙蓼(polygonum viviparum L.)、棘豆(Oxytropis)、針茅(Stipa capillataLinn.)、香 青 (Anaphalis sinica Hance)等，灌木層優勢種主要有爬地柏(Sabina procumbens(Endl.)Iwata et Kusaka)、鮮黃小檗(Berberis diaphana Maxin.)、銀露梅(Pltentilla glabra)等。

2 研究方法

2.1 供試土壤

2009年7月27日至2009年8月4日在試驗區選擇典型青海云杉林典型樣地10個，樣地面積大小為20 m×20 m，多數樣地林下無灌木，苔蘚和草本植物較少，在對樣地林木調查后，進行土壤取樣，在每個樣地的外側順坡向選一個點挖土壤剖面，取分層(上層0-10 cm、中層 10-20 cm、下層 20-40 cm)土樣，每個層次3個重復，把環刀取的土樣用自封袋密封，用于土壤含水量測定。另外在每個層次取混合土樣按四分法取適量土壤帶回實驗室，挑揀出植物殘體和大的石塊，同層土樣室溫風干混勻并研磨過2 mm篩后置于自封袋中用于土壤化學性質分析。供試土壤樣地基本情況見表1。

表1 供試土壤臨時樣地基本情況

2.2 土壤理化性質分析

土壤容重和質量含水量的測定采用環刀法[9]。土壤有機質測定用重鉻酸鉀外加熱法;土壤全N用重鉻酸鉀-硫酸消化法;全P用堿熔-鉬銻抗比色法;全K用氫氧化鈉熔融-火焰光度計法[10]。供試土壤基本性質測定結果見表2。

表2 供試土壤的基本性質

2.3 分析方法

所有數據采用Excel 2003和SPSS 11.0進行數據統計、分析和作圖處理。

3 結果與分析

3.1 土壤養分要素的統計特征值

由表3看出，祁連山西段青海云杉林林地土壤全氮含量變化范圍介于0.15%～0.44%之間，均值為(0.29±0.01)%;全磷含量變化范圍介于0.036%～0.066%之間，均值為(0.051±0.001)%;全鉀含量變化范圍介于1.766%～2.183%之間，均值為(1.990±0.019)%;有機質含量變化范圍介于 3.78%～12.35%之間，均值為(7.96±0.40)%。土壤全氮、全磷、全鉀和有機質含量的變異系數分別為24.14%、15.69%、5.18%和27.26%，全氮和有機質含量變異系數較大，其次為全磷含量，較低的為全鉀含量，空間變異程度均屬中等變異[11]。經QQ殘差圖分析，土壤全氮、全磷、全鉀和有機質含量均呈正態分布[12]。

表3 供試土壤養分的總體統計特征

對10個樣地養分含量總體均值的單因素方差分析得出，土壤全氮、全磷、全鉀和有機質含量的F值分別為5.96，13.16，4.64，5.42 ，除全磷含量總體均值為極顯著外(F＞F0.01)，全氮、全鉀和有機質含量在不同樣地的總體均值差異均不顯著(F＜F0.05)。青海云杉林林地不同樣地全磷含量差異極顯著，可能是磷的風化、淋溶、富集遷移等多種因素共同作用的結果，其中生物富集遷移是影響磷素積累的主導因素[13];土壤有機質差異不顯著，可能與研究區水熱條件相似有關;全氮含量差異亦不顯著，可能有土壤有機質有著密切的關系[14];全鉀含量差異不顯著，而且變異系數較低，可能與土壤礦物類型和數量較為一致有關。

3.2 土壤養分在剖面上的變化

研究區林地土壤剖面0-10 cm、10-20 cm和20-40 cm土層土壤全氮和有機質含量的變化趨勢是一致的，其含量的變化隨著土層深度的加深而減少，其中土壤全氮在0-10，10-20，20-40 cm土層上的含量分別是(0.33±0.05)%、(0.27±0.07)%和(0.27±0.08)%，10-20，20-40 cm 含量變化不大，這與這兩個土壤發生層次的性狀一致有關;土壤有機質在0-10，10-20，20-40 cm 含量分別為(8.565±2.019)%、(7.855±2.320)%和(7.477±2.130)%。研究區林地土壤表層生物積累量較大，土壤上層較下層土壤歸還量大，土壤有機質積累量也相應較大，土壤全氮隨土壤有機質的變化，有機質含量高的土層其含氮量水平亦高，說明土壤全氮與土壤有機質之間具有很密切的相關性(圖1)。土壤全磷含量隨土層深度而增加，但其變化差異不大，含量大小較為一致。土壤全鉀含量隨土層深度變化不大。

圖1 土壤全氮、全磷、全鉀和有機質在剖面上的變化

變異系數是表征總體內部各試驗樣本之間變異程度的一個重要參數，是對兩個或多個資料變異程度比較[15]。

土壤全氮和土壤有機質在0-10，10-20，20-40 cm的變異系數分別為:16.23%、26.83%、27.74%和 23.57%、28.48%、29.53%，土壤變異系數隨土壤深度的增加而變大，與其含量大小的變化規律相反，表層雖含量大，但變異系數較小。土壤全磷表層的變異系數 16.97%大于底層的變異系數16.16%，亦與其含量大小變化規律相反。土壤全鉀隨土層增加變異系數分別為 6.04%、3.06%和4.87%。在土壤剖面上，空間變異除土壤全鉀含量為弱變異性，其他養分變異程度均屬中等水平[11]。

3.3 土壤有機質與其他土壤養分元素的關系

土壤有機質含量能影響到土壤的許多性質，其中包括供給氮、磷、鉀和微量元素的能力[16]，土壤有機質是影響林分生產力與土壤肥力的重要因素。以土壤剖面0-10 cm土壤全氮、土壤全磷和土壤全鉀含量做自變量，以土壤有機質含量做因變量，應用SPSS提供的對數函數、二次曲線、三次曲線、復合函數、S曲線、指數函數等11種曲線模型對土壤有機質含量與全氮、全磷、全鉀含量進行擬合，最終選擇擬合優度(R2)大的方程作為模擬方程[17]，其中擬合優度是評價回歸方程對樣本數據的代表程度。

表4 土壤有機質與土壤全氮、全磷和全鉀的模擬方程

由表4可知，祁連山西段青海云杉林土壤有機質含量與全氮含量擬合方程三次方程為最優曲線方程，且呈極顯著正相關(P＜0.01)，土壤有機質含量與土壤全磷含量擬合最優方程為S曲線模型，兩者之間呈顯著正相關(P＜0.05)，土壤有機質與土壤全鉀含量相關性不顯著。

4 結論

(1)祁連山西段青海云杉林同土壤層次養分含量有機質含量最高，3大元素中以全鉀含量最高。土壤有機質是土壤各營養元素特別是N和P的重要來源。豐富的有機質可以促進微生物的活動，增加土壤養分，促進林木生長，其來源是地上部分枯枝落葉的積累和分解，而非地下部分的根系死亡。因此，試驗區土壤有機質含量在垂直方向上由上而下呈逐漸減少趨勢。土壤中的K主要來自含K的礦物質，另外還受到地質、淋溶等因素的影響。

(2)對10個樣地的單因素方差分析得出，除全磷含量總體均值為極顯著外(F＞F0.01)，全氮、全鉀和有機質含量在不同樣地的總體均值差異均不顯著(F＜F0.05)，這與研究區的植被因子和環境條件及土壤養分的固有屬性有一定的關系。

(3)各種土壤養分在土壤剖面有一定的變化規律，土壤有機質和全氮含量隨土層深度的增加而減少，土壤全磷含量和土壤全鉀含量隨土層深度變化不明顯。土壤養分空間變異反映了土壤養分在剖面上分布的均勻性，研究區除土壤全鉀含量為弱變異性，其他養分變異程度均屬中等水平。

(4)祁連山西段青海云杉林地土壤上層(0-10 cm)土壤全氮含量與土壤有機質含量呈極顯著正相關，土壤全磷含量與有機質含量呈顯著正相關，土壤全鉀含量與土壤有機質含量相關性不顯著。

[1] 程先富，史學正，于東升，等.丘陵山區林地土壤養分狀況研究:以江西省興國縣為例[J].水土保持學報，2003，17(2):12-13.

[2] 李寶林，李香蘭.黃土高原林區土壤肥力綜合評價排序方法探討[J].水土保持學報，1995，9(1):64-70.

[3] Rboertson G P，Vitowsek P M.Nitrification potentials in primary and secondary succession[J].Ecology，1981，62:376-386.

[4] Vitousek P M ，Matson P A，Van Cleve K，et al.Nitrogen availability and nitrification during succession，primary，secondary and old field series[J].Plant and Soil，1989，115:229-239.

[5] 劉興聰.青海云杉[M].甘肅:蘭州大學出版社，1992.

[6] 張鵬，張濤，陳年來.祁連山北麓山體垂直帶土壤碳氮分布特征及影響因素[J].應用生態學報，2009，20(3):518-524.

[7] 蘇永中，常學向，何志斌，等.祁連山典型流域谷地植被斑塊演變與土壤性狀[J].生態學報，2008，28(1):212-219.

[8] 胡啟武，歐陽華，劉賢德.祁連山北坡垂直帶土壤碳氮分布特征[J].山地學報，2006，24(6):654-661.

[9] 張萬儒，許本彤.森林土壤分析方法[M].北京:中國標準出版社，1999.

[10] 中國土壤學會.土壤農業化學分析方法[M].北京:中國農業科技出版社，1999.

[11] 胡克林，李保國，林啟美.農田土壤養分的空間變異性特征[J].農業工程學報，1999，15(3):33-38.

[12] 張文彤.SPSS11統計分析教程[M].北京:北京希望電子出版社，2002.

[13] 尹娜，魏天興，張曉娟.黃土丘陵區人工林土壤養分效應研究[J].水土保持研究，2008，15(2):209-211.

[14] Stenger R，Priesack E ，Beese F.Spatial variation of nitrate-N and related soilproperties at the plot-scale[J].Geoderma，2002，105:259-275.

[15] 曾宏達.次生闊葉林土壤空間異質性研究[D].福州:福建師范大學，2006.

[16] 南京農業大學資源與環境科學學院:廬山綜合實習報告指導書[Z].2006.

[17] 黃文彬，鄭小賢.黑龍江落葉松人工復層林生長過程分析[J].林業科技開發，2007，21(3):52-54.