橫斷山區(qū)干旱河谷小流域土壤特性的空間分異

田茂潔

(西華師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,四川南充637002)

隨著海拔梯度的變化,由于氣候條件、成土母質(zhì)、植被條件不一樣,凋落物不同,土壤肥力狀況亦不同。一般而言,土壤有機(jī)質(zhì)、氮素等土壤肥力亦呈現(xiàn)明顯的垂直變化規(guī)律。但是,由于山地所處氣候帶不同,土壤養(yǎng)分狀況及土壤過程所遵循的變化規(guī)律也各異,目前這方面進(jìn)行了一些研究,如高黎貢山南段森林土壤有機(jī)質(zhì)、氮素及其它營養(yǎng)元素含量隨著海拔升高而逐漸增加,土壤礦物分解和有機(jī)質(zhì)礦化作用隨海拔升高而降低[1];同樣在武夷山土壤有機(jī)質(zhì)養(yǎng)分表現(xiàn)出類似的變化趨勢,而且土壤酶活性變化趨勢也是如此[2];吳甫成在衡山的研究表明,隨著海拔升高,土壤有機(jī)質(zhì)中腐殖質(zhì)含量增加[3];且隨著海拔高度的增加胡敏酸占土壤有機(jī)碳比例升高,HA/FA值增大[4]。但是也有不同的結(jié)果,同樣是林地土壤,土壤速效氮與速效磷有隨海拔降低而升高的趨勢,速效鉀變化不大,土壤微生物量和土壤轉(zhuǎn)化酶隨海拔降低而減弱[5]。

橫斷山區(qū)干旱河谷實(shí)際上是一系列南北向的基本平行的高山峽谷地段的總稱[6],在環(huán)境異質(zhì)性方面最顯著的特點(diǎn)之一是土壤、植被和氣候的垂直地帶性和水平地帶性明顯[7],這種垂直地帶性決定了該區(qū)域有別于中亞熱帶其它同緯度山區(qū)的垂直地帶性農(nóng)業(yè)種植和土壤肥力的垂直變化。在河流的不同地段,已有研究表明土壤物理性質(zhì)和土壤侵蝕模式均有所不同[8-9]。對于干旱河谷而言,整個(gè)流域的土壤質(zhì)量空間分布可能也存在一定的分布規(guī)律。盡管在干旱河谷土壤質(zhì)量與土壤退化方面引起了越來越多的重視,也做了開展了相當(dāng)多的工作[10],但關(guān)于對橫斷山區(qū)干旱河谷土壤質(zhì)量的水平和垂直分異規(guī)律方面,目前還沒有系統(tǒng)的研究。另外,由于干旱河谷區(qū)特殊的自然環(huán)境,在干旱河谷的典型地段土壤中碳酸鹽表聚現(xiàn)象十分顯著,對不同海拔高度土壤的碳酸鹽表聚程度不同,形態(tài)特征也各異,從而體現(xiàn)出土壤酸堿度的垂直和水平分異特征。因此,進(jìn)行干旱河谷土壤的水平和垂直分異的系統(tǒng)研究,對干旱河谷土壤管理、退化土壤治理和持續(xù)利用也具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域?qū)儆跈M斷山區(qū)干旱河谷,有著不同于同緯度地帶的生態(tài)環(huán)境特征和氣候特征,在生態(tài)環(huán)境方面表現(xiàn)為生態(tài)脆弱、環(huán)境容量低、地表破碎、多為類似稀樹草原的特有的干旱河谷景觀,河谷地帶的優(yōu)勢植物均具有明顯的干旱適應(yīng)特征;在氣候方面主要體現(xiàn)為明顯的旱季和雨季,旱季(一般為5-10月)降水量在年降水量的90%以上,而時(shí)間占全年一半的旱季降水量不到全年的10%。

研究的小流域?yàn)榻鹕辰患壷Я骱谒游挥谒拇ㄊ錾揭妥遄灾沃萜崭窨h和寧南縣境內(nèi)。黑水河發(fā)源全長112 km(其中普格縣境內(nèi)為上游稱則木河長53.1 km,寧南縣境內(nèi)長59 km),上游則木河發(fā)源于螺髻山東坡,與西洛河在兩縣交界處匯合后稱為黑水河。黑水河寧南水文站多年平均徑流量68 m3/s,河水平均含沙量1 300 g/m3,平均年輸沙量25.4億kg。黑水河在這兩個(gè)縣內(nèi)的流域面積2 051 km2,其中寧南縣境內(nèi)流域面積1 211 km2。

黑水河干流海拔梯度明顯,長度短至,落差大,是一條近南北向的河流,從源頭至河口氣候等各種環(huán)境要素變化典型,土壤類型、土壤理化性質(zhì)等各個(gè)方面亦隨之發(fā)生變化。小流域土壤養(yǎng)分動態(tài)變化規(guī)律和空間分異具有普遍的特征,但是,由于光照、熱量和降水沿著河流方向和沿著海拔垂直方向的梯度變化和組合,又使沿河不同地段和沿海拔不同高度土壤空間特征又具有橫斷山區(qū)的獨(dú)特性。其中,馬桑坪斷面呈現(xiàn)干暖河谷的景觀和氣候特征,在海拔1 300～1 500 m高度存在明顯的冬春逆溫層,平均逆溫強(qiáng)度在4℃左右。中游披砂斷面逆溫現(xiàn)象不明顯,為干暖河谷氣候,具有非常典型的干旱河谷農(nóng)業(yè)垂直分帶特征和土壤利用方式,從下到上分別是壩子(稻田、菜園地)、旱地和坡地、人工林和荒草坡;下游葫蘆口斷面為黑水河注入金沙江的位置,具有典型的干熱河谷氣候和景觀特征,在該地段高大挺拔的攀枝花樹(Bombax spp.)稀疏分布,在荒坡上面分布著大量余柑子(Phyllanthusemblica)等干熱河谷灌叢,其正面為金沙江干熱河谷典型地段——被稱為“熱帶飛地”的華彈,河岸曾為流動沙丘,經(jīng)過利用木麻黃(Casuarinn equiesti folia)、新銀合歡(Leucaena leucocephala)等適宜樹種進(jìn)行長期堅(jiān)持不懈的治理后,現(xiàn)在河岸地段植被狀況和生態(tài)環(huán)境大為改善,但坡地仍然是原生稀疏草地生態(tài)景觀植被。

2 研究方法

2.1 采樣方法

根據(jù)干旱河谷沿河和垂直帶的生態(tài)景觀和環(huán)境特征,在金沙江一級支流黑水河(南北向)選擇了3個(gè)垂直斷面(東坡)采集不同海拔的未擾動原始植被的土壤樣品:上游馬桑坪斷面(1 090～1 740 m)、中游寧南后山斷面(1 100～2 000 m)和下游(河口)葫蘆口斷面(680～1 260 m)。在金沙江一級支流黑水河流域干旱河谷采樣,沿海拔梯度在每個(gè)斷面選擇具有代表性的6個(gè)點(diǎn)的未擾動土壤系列為研究對象,其中每個(gè)點(diǎn)有3個(gè)重復(fù)樣,采樣深度0-30 cm。采樣時(shí)間為2009年11月20日至26日,這段時(shí)間為雨季結(jié)束旱季開始以后,土壤性質(zhì)處于相對穩(wěn)定的時(shí)期。土樣用布袋裝好后帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干,去除凋落物、根系和石塊等雜質(zhì),過篩,用棕色磨砂廣口瓶暫時(shí)保存。

2.2 土壤農(nóng)化分析方法

上述通過預(yù)處理的土壤樣品分析時(shí)間為2009年12月12日至2010年1月25日。土壤農(nóng)化分析方法采用常規(guī)分析和ICP-AES分析。其中,土壤有機(jī)質(zhì)采用低溫外熱重鉻酸鉀氧化—比色法;土壤堿解氮分析采用堿解擴(kuò)散法;土壤有效磷通過Olsen法測定;CaCO3含量采用常用的氣量法測定;土壤交換性陽離子采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICPAES)分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 干旱河谷不同地段土壤化學(xué)肥力的垂直變化

3.1.1 上游土壤養(yǎng)分垂直變化 黑水河干旱河谷小流域上游馬桑坪斷面各海拔的土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮和有效磷的垂直變化如表1所示。土壤有機(jī)質(zhì)在海拔1 300 m和1 740 m處最高,1 500 m處的土壤有機(jī)質(zhì)含量最低,僅23.5 g/kg,表明該海拔高度土壤有機(jī)質(zhì)最易退化。在1 090～1 300 m間有機(jī)質(zhì)含量逐漸增加,而在1 300～1 500 m呈明顯遞減趨勢,1 500～1 740 m段土壤有機(jī)質(zhì)含量又呈遞增趨勢。土壤堿解氮在海拔1 740 m處最高,達(dá)99.7 mg/kg,1 500 m處的土壤堿解氮含量是50.8 mg/kg,為最低點(diǎn)。從1 090～1 400 m和1 500～1 740 m段土壤堿解氮呈遞增趨勢,在1 400～1 500 m呈遞減趨勢。土壤有效磷含量在1 400 m和1 740 m處含量遠(yuǎn)較其它海拔高,分別為66.1 mg/kg和 57.6 mg/kg,1 090,1 300,1 500 m處最低,為6.19～10.1 mg/kg,1 500～1 800 m有遞增趨勢。

表1 黑水河干旱河上游谷馬桑坪斷面土壤養(yǎng)分沿海拔變化

3.1.2 中游斷面土壤養(yǎng)分垂直變化 黑水河干旱河谷小流域披砂斷面不同海拔高度的土壤化學(xué)肥力狀況及其統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。披砂斷面土壤有機(jī)質(zhì)含量為21～34 g/kg,顯示在披砂斷面有機(jī)質(zhì)的垂直梯度變化不明顯,但是仍然有隨著海拔升高而逐漸降低的趨勢,但是到一定海拔后(超過1 700 m)土壤有機(jī)質(zhì)又逐漸增加;披砂斷面在1 200 m處的土壤堿解氮含量最高,達(dá)137 mg/kg,從1 200～2 000 m,整個(gè)斷面隨著海拔升高有明顯的遞減趨勢;披砂斷面在1 200 m處的土壤有效磷含量最高,達(dá)71 mg/kg;在2 000 m處含量最低,僅1.9 mg/kg。1 200～2 000 m,整個(gè)斷面隨著海拔升高有明顯的遞減趨勢。

表2 黑水河干旱河谷中游披砂斷面土壤養(yǎng)分沿海拔變化

3.1.3 下游葫蘆口斷面土壤養(yǎng)分垂直變化 黑水河干旱河谷小流域葫蘆口斷面土壤肥力的垂直分布見表3。葫蘆口斷面垂直梯度上在海拔754 m處的有機(jī)質(zhì)含量最高,達(dá)26.7 g/kg,其余海拔上的有機(jī)質(zhì)含量沒有差異,為14.5～19.1 g/kg;葫蘆口斷面垂直梯度上的土壤堿解氮含量在海拔830 m和1 260 m含量最高,分別為53.1 mg/kg和59.4 mg/kg;海拔680 m和700 m處的堿解氮含量最低,分別為28.60 mg/kg和 29.6 mg/kg。總的來說,680～830 m段呈遞增趨勢,之后略有下降,965 m后又有所增加;葫蘆口斷面垂直梯度上的土壤有效磷含量在海拔830 m處最高,達(dá)13.5 mg/kg;在海拔700 m處最低,僅有1.6 mg/kg。其余各點(diǎn)差異不大。總的來看,從海拔700～830 m段呈遞增趨勢,830～1 260 m呈遞減趨勢。

表3 黑水河干旱河谷下游葫蘆口斷面土壤養(yǎng)分沿海拔變化

3.2 交換性陽離子在垂直梯度上的變化

土壤交換性陽離子是土壤交換性能的具體體現(xiàn),是土壤溶液中的陽離子與土壤固相的陽離子之間所進(jìn)行交換作用的指標(biāo)。土壤交換性能對土壤的保肥能力、土壤供肥潛力以及植物營養(yǎng)有重大意義。

馬桑坪斷面土壤交換性鉀含量在3.8～9.4 mmol/kg間(表4),差異并不是很顯著。在1 300,1 640,1 740 m的土壤交換性鉀的含量最高。從1 090～1 300 m和1 500～1 740 m的土壤交換性鉀含量呈遞增趨勢,1 300～1 500 m呈遞減趨勢。在海拔1 400 m處的土壤交換性鎂含量最高,在1 300 m處含量最低,其余幾個(gè)點(diǎn)的差異不大。馬桑坪斷面的土壤交換性鈉的含量為0.4～1.7 mmol/kg,變化不大。在1 090 m處土壤交換性鈉含量最高,1 640 m處含量最低。馬桑坪斷面的土壤交換性鹽基總量在1 400 m處最高,在1 500 m和1 640 m處最低。從1 500～1 640 m呈遞減趨勢。

表4 黑水河干旱河谷土壤交換性鹽基離子沿海拔變化

在披砂斷面,沿著海拔高度的變化,未擾動土壤的鹽基離子有類似的變化趨勢,即隨著海拔的增加,鹽基離子有降低的趨勢,到一定海拔高度后又逐漸回升,但不同類型的離子變化程度不同。

中游披砂斷面在海拔1 100 m處土壤交換性鈣含量最高,達(dá)125.5 mmol/kg;在1 890 m處含量最低,僅有16.9 mmol/kg。總的來看,在整個(gè)斷面上土壤交換性鈣隨海拔升高呈遞減趨勢。土壤交換性鉀在海拔1 100 m處含量最高,達(dá) 10.5 mmol/kg;最低點(diǎn)含量為3.5 mmol/kg,位于海拔1 890 m處。可見,整個(gè)斷面的交換性鉀的變化并不大。土壤交換性鎂在海拔1 200 m處最高,達(dá)37.4 mmol/kg;在海拔1 890 m處最低,僅有 10.2 mmol/kg。1 090～1 400 m有明顯的遞減趨勢,隨后又呈遞增趨勢,在1 700～1 890 m又遞增,隨后又遞減,整個(gè)斷面上土壤交換性鎂呈現(xiàn)波動變化。在土壤交換性鈉方面,整個(gè)斷面的含量為0.1～2.4 mmol/kg,含量較低,差異也不明顯。1 200 m處的土壤交換性鈉含量最高,在1 890 m處含量最低;從1 200～1 890 m呈遞減趨勢,1 890 m后又遞增。土壤交換性鹽基總量在1 100 m 最高,達(dá)125.5 mmol/kg,在1 890 m 處最低,僅有30.7 mmol/kg。總的來看,整個(gè)斷面從海拔1 100～1 890 m呈明顯的遞減趨勢,隨后又略有增加。

葫蘆口斷面垂直梯度上的土壤交換性鈣含量在海拔680 m 處最高,達(dá)475.5 mmol/kg,海拔 700 m處次之,其余各點(diǎn)交換性鈣含量為在54.7～82.4 mmol/kg,沒有顯著性差異。總的來看,在整個(gè)斷面上,隨著海拔的升高,土壤交換性鈣呈遞減趨勢。垂直梯度上的土壤交換性鉀含量在海拔1 260 m處最高,達(dá)6.2 mmol/kg;在海拔680 m處最低,僅有1.6 mmol/kg。總的來看,在整個(gè)斷面上,隨著海拔的升高,土壤交換性鉀呈遞增趨勢。垂直梯度上的土壤交換性鎂含量在海拔830 m處最高,達(dá)41.0 mmol/kg;在海拔680 m處最低,含量為21.53 mmol/kg,在整個(gè)斷面上土壤交換性鎂的差異不大。從海拔680～830 m土壤交換性鎂呈遞增趨勢。葫蘆口斷面垂直梯度上的土壤交換性鈉含量在海拔680 m和700 m處最高,分別為2.3 mmol/kg和 2.3 mmol/kg;在海拔965 m處最低,含量為0.6 mmol/kg,在整個(gè)斷面上土壤交換性鈉的差異很小。從海拔680～965 m土壤交換性鈉呈遞減趨勢。垂直梯度上的土壤交換性鹽基總量在海拔680 m處最高,為500.8 mmol/kg,海拔700 m處的含量次之,其余各點(diǎn)交換性鹽基總量為90.5～129.1 mmol/kg,沒有顯著性差異。總的來看,在整個(gè)斷面上,隨著海拔的升高,土壤交換性鹽基總量又呈遞減趨勢。

3.3 碳酸鹽垂直梯度變化研究

金沙江干旱河谷土壤中碳酸鹽主要成分是碳酸鈣,它對土壤酸堿度、養(yǎng)分狀況、土壤膠體性狀等有著明顯的影響。在研究區(qū)域,碳酸鈣表聚是干旱特征評價(jià)的一個(gè)重要體現(xiàn),同時(shí)也影響到土壤質(zhì)量和利用方式。根據(jù)分析結(jié)果來看,碳酸鈣在黑水河流域的上游和中游斷面各土樣中含量極低而且變化甚小。但是在下游的葫蘆口斷面,碳酸鈣含量在整個(gè)斷面的含量較高而且沿著高度的含量變化明顯;土壤在海拔680 m的河谷地帶碳酸鈣含量最高,是海拔750～1 260 m的13倍以上(表5)。總的來看,金沙江干旱河谷隨海拔的升高碳酸鈣呈遞減趨勢。

表5 黑水河干旱河谷葫蘆口斷面土壤碳酸鈣含量沿海拔變化

4 結(jié)論

(1)干旱河谷不同位置的土壤化學(xué)肥力垂直變化幅度和趨勢不同。在黑水河上游干旱河谷馬桑坪斷面,土壤肥力方面由于有海拔1 400 m左右高度的逆溫層存在而變化劇烈,第一類是1 090～1 300 m(河谷地帶)與1 500～1 640 m(逆溫層以上相鄰地帶)相近;1 400 m左右(逆溫層帶)和1 740 m(中高山地帶)相近;黑水河中游披砂斷面干旱河谷土壤質(zhì)量垂直變化較小,1 100～1 200 m的河谷地帶與1 200～2 000 m的中山地帶有區(qū)別;在下游葫蘆口斷面土壤養(yǎng)分在垂直方向變化簡單,海拔680 m(河谷地帶)和750 m以上的中山地帶差異明顯。

(2)干旱河谷不同地段不同土壤肥力指標(biāo)垂直地帶性明顯。上游馬桑坪斷面堿解氮和有效磷在海拔1 400 m和1 740 m含量最高;中游披砂斷面堿解氮和有效磷在1 100～1 200 m的河谷地帶高于海拔較高地帶的土壤,同時(shí)隨著海拔上升含量逐漸降低;下游葫蘆口斷面堿解氮和有效磷在海拔700 m左右退化最為嚴(yán)重。土壤交換性鈣和鎂以及交換性鹽基總量方面,上游馬桑坪斷面在海拔1 400 m處高于其上或者其下地帶,交換性鉀變化比較小,以河谷地帶最低;中游披砂斷面土壤交換性陽離子和交換性鹽基離子總量均隨著海拔的增加而降低,而在海拔較高的2 000 m又有所增加;下游葫蘆口斷面土壤交換性能垂直變化方面,交換性鈣、鎂和鈉,以及鹽基總量隨著海拔高度增加而降低,交換性鉀變化趨勢則相反,隨著海拔的升高而增加。

(3)干旱河谷不同地段不同土壤肥力特征指標(biāo)類型不同。上游和中游斷面土壤質(zhì)量變化的指標(biāo)中,交換性鉀/鈉、有機(jī)質(zhì)/有效磷、堿解氮和交換性鹽基均區(qū)別明顯;而在下游葫蘆口斷面土壤質(zhì)量垂直變化的重要指標(biāo)之一就是碳酸鹽含量,碳酸鹽表聚程度是干熱河谷干旱程度的重要特征,蒸發(fā)量越大,碳酸鹽越趨向于向土壤表層移動,嚴(yán)重的情況下會形成大塊的碳酸鹽結(jié)核,導(dǎo)致土壤質(zhì)量下降。這表明在干旱河谷不同地段垂直方向上土壤質(zhì)量由于環(huán)境條件不同,不同土壤質(zhì)量指標(biāo)變化程度不同,在質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)體系中應(yīng)有所區(qū)別,比如在金沙江干熱河谷交換性鈣和碳酸鈣就是不可少的重要肥力質(zhì)量指標(biāo)。

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