托木爾峰國家級自然保護區臺蘭河上游不同海拔草地土壤持水能力研究

馬國飛， 滿蘇爾·沙比提， 張雪琪

(新疆師范大學 地理科學與旅游學院， 新疆 烏魯木齊 830054)

草地是陸地生態系統的重要組成部分，草地生態系統的健康與穩定依賴于土壤系統功能的完善[1]。天然草地不僅能夠截留降水，而且有著較高的滲透性和保水能力，在水源涵養、水土保持及改良土壤等方面具有重要意義[2]。草地生態系統水源涵養功能以土壤蓄水為主[3]，而土壤的水源涵養能力受不同氣候、地形[4-5]、植被類型[6]、土地性質[7]以及人類活動[8]的影響而有所差異。海拔作為重要的地形因子，氣溫和降水在海拔梯度上呈現出明顯的空間分異特征，這一特征同時也深刻反映在不同海拔的生物群落組成、植被類型及土壤性狀等方面。近年來，不同尺度下草地土壤水源涵養功能的研究已成為國際生態水文研究的熱點課題[9-11]。國內也對草地土壤水源涵養能力的空間異質性及其影響因素開展了諸多研究[3,12-13]，而對天山托木爾峰國家級自然保護區的相關研究還未見報道。

天山托木爾峰國家級自然保護區位于新疆阿克蘇地區溫宿縣境內(E 79°50′～80°54′，N 41°40′～42°04′)，保護區東西長105 km，南北寬28 km，總面積23.76×104hm2，是我國少有的高山自然保護區，主要以高山冰川和野生動植物及其生境保護為主，也是以水源涵養、生態旅游和科學研究為一體化的綜合性國家級自然保護區。自然保護區海拔1 450～7 443 m，垂直高度差近6 000 m，共發育了從暖溫帶、荒漠帶到冰雪帶7個垂直自然帶，形成天山南坡最完整的垂直自然帶譜。自然保護區作為天山最大的冰川作用中心及眾多內陸河水系的發源地，是新疆重要的水資源補給區，被譽為“天然水塔”，生態地位十分重要，是新疆重要的生態屏障。同時還是重要的農牧業生產地，其生態環境的優劣，直接關系到新疆兩千多萬人口的生態安全[14]。深入研究天山托木爾峰國家級自然保護區的植被水源涵養功能及其時空規律對該保護區的水資源保護與利用及生態地位和安全具有重大意義。本研究選取保護區內南坡具有代表性的臺蘭河上游河谷區域為研究對象，通過野外調查、土樣采集及室內分析，對研究區不同海拔草地表層土壤持水能力進行研究，以期為該區草地土壤水資源利用、水土保持及生態系統水源涵養功能研究等方面提供基礎資料和科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

臺蘭河流域的地理位置為N 40°41′44″～42°15′13″，E 80°21′44″～81°10′44″之間，位于新疆阿克蘇地區溫宿縣境內，發源于西南天山最高峰托木爾峰(海拔7 435.3 m)南麓，由大臺蘭河、小臺蘭河及塔克拉克河匯流而成。河流自北向南最終注入塔里木盆地，全長90 km，流域總面積為5 824 km2，為一獨立水系。臺蘭河流域屬典型干旱大陸性氣候，地質構造屬于華力西晚期南侵及第三紀喜馬拉雅山期造山運動強烈隆升區，地層由中新生代地層、大理石變質巖和砂巖泥巖基巖及區域性第四紀黃土等組成，上覆冰磧殘積物，河谷兩側洪積、沖積扇十分發育[15]。流域內年均溫為7.9℃，極端最高氣溫為37.6℃，最低氣溫為-27.4℃。多年平均降水量為182.6 mm[16]，降水分布較集中且多出現在夏季，最大月降水量出現在7月，降水量占年降水量的17.0%～22.8%。高山區的水面蒸發量在600 mm左右，中山區在800 mm至1 000 mm之間。受北高南低總體地勢的影響，流域自然景觀垂直地帶性明顯，以荒漠帶為基帶(海拔2 100 m或陽坡2 300 m以下)，隨著地形和土壤條件的不同，發育著不同的灌木和小半灌木荒漠。主要有霸王(Zygophyllumfabago)群系、琵琶柴(Reaumuriasoongarica)群系、假木賊(Anabasistruncata)群系等。山地荒漠草原帶(2 100～2 400 m或陽坡2 500 m)分布較狹窄，主要有戈壁針茅(StipatianschanicaRoshev)群系、沙生針茅(Stipaglareosa)群系和高加索針茅(Stipacaucasica)群系，灌木類植被錦雞兒(Caraganaturfanensis)有著廣泛分布。亞高山森林草原帶廣泛占據在2 400 ～ 3 100 m海拔高度范圍內，陰坡以雪嶺云杉(Piceaschrenkiana)建群的山地陰暗針葉林為主，陽坡則以山地典型草原為主，在草原類型中，克氏針茅(StipakryloviiRoshev)群系占主體，另外羊茅(Festucaovina)群系及天山異燕麥(Helictotrichonhookeri)和銀穗草(Leucopoaolgae)等植被局部分布；土壤以棕漠土(1 900 m以下)、山地棕鈣土(1 900～2 200 m)和山地栗鈣土(2 200～2 600 m)為主。

1.2 研究方法

1.2.1樣地選擇與樣品采集 于2016年7月份在托木爾峰國家級自然保護區臺蘭河上游河谷區域進行了野外調查，根據坡度、坡向、植被生長狀況，沿河谷自南向北間隔設定具有代表性的草地樣地并采用土鉆法和環刀法對樣地內草地植被下土壤表層(0～10 cm)進行分別取樣(因研究區大部分采樣點土壤底層碎巖過多，底層土壤很難采集)，共設樣地12塊，樣地大小為5 m×5 m，于每個樣地內選取中心點及四個角設置樣點，用土鉆在每一樣點重復取3個平行樣，將3次所采土樣混合均勻后用四分法取土0.5 kg左右裝袋貼標并立即精確稱重；用100 cm3容積環刀在每一樣地內隨機采取平行樣3份，用于測定土壤指標均值以減小誤差。同時用GPS進行定位并記錄各采樣地的經緯度、海拔及植被群落等相關數據(表1)。土樣帶回實驗室立即進行自然風干，重新貼標備用。

表1 草地基本概況Table 1 General situation of grassland plots

1.2.2土壤水文物理性質測定 參照《土壤農化分析》[17]中土壤測定分析的標準方法，對土壤水文物理性質進行測定。土壤含水量的測定采用烘干(105℃)稱重法，計算公式：土壤含水量=(自然濕重-烘干重)/烘干重；采用環刀浸水法測定土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙、非毛管孔隙等各項水文物理性質。土壤最大持水量和土壤毛管持水量是評價土壤蓄水性能的重要指標，本文采用郭夢嬌等人的計算方法[18]得到結果，公式如下：

Wt= 1 000Pth

Wo= 1 000Poh

Wc= 1 000Pch

式中:Wt為土壤最大持水量(mm)，Wo為土壤非毛管蓄水量(mm)，Wc為土壤毛管持水量(mm)，Pt為土壤總孔隙度(%)，Po為土壤非毛管孔隙度(%)，Pc為土壤毛管孔隙度(%)，h為土層厚度(取0.1 m)。

1.2.3數據分析 采用統計學軟件SPSS 21.0對土壤水文物理性質的相關指標進行統計和差異性分析，利用軟件Excel 2003進行圖表的制作。

2 結果與分析

2.1 不同海拔草地表層土壤容重的變化

由表2可知，各樣地平均土壤容重的范圍在1.02～1.44 g·cm-3之間，最大值出現在海拔1 924.06 m的4號樣地，最小值則出現在海拔2 370.7 m的12號樣地。不同土壤類型的平均土壤容重的大小順序為山地棕漠土(1.37 g·cm-3)>山地棕鈣土(1.23 g·cm-3)>山地栗鈣土(1.05 g·cm-3)，分析表明不同土壤類型的土壤容重大小之間均有顯著性差異(P<0.05)，整體上隨海拔高度的增加，土壤容重呈現不斷減小的趨勢。分析草地表層土壤容重與海拔之間的關系可知(圖2)，土壤容重與海拔高度之間呈極顯著的指數負相關關系(R2= 0.8817)，即隨著海拔高度的增加，土壤容重呈減小趨勢，說明其疏松程度高，發育較成熟，土壤質量趨于良好。

2.2 不同海拔草地表層土壤孔隙的變化

由表2可知，研究區各樣地表層土壤的平均非毛管孔隙度、毛管孔隙度和總孔隙度的范圍分別為4.03%～7.45%，47.48%～58.53%，51.51%～65.85%，不同土壤類型的平均總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度的大小順序均為山地栗鈣土(65.53%，58.08%，7.44%)>山地棕鈣土(61.76%，55.59%，6.16%)>山地棕漠土(55.67%，50.92%，4.75%)。研究區草地表層土壤的孔隙度均隨海拔高度增加而增加。由圖2可知，土壤非毛管孔隙度與海拔高度間表現出極顯著的線性正相關關系(R2= 0.8374)；毛管孔隙度和總孔隙度均與海拔高度呈二次曲線關系，相關系數分別為0.6983和0.7463。隨海拔上升，降水量增加，豐富了植被群落并促進了微生物活躍程度，從而改變了土壤理化性質，增加了土壤營養成分，進一步使得孔隙度得到顯著改善。

表2 不同海拔草地表層土壤物理性質特征Table 2 Grassland soil physical characteristic at different altitudes in the study area

2.3 不同海拔草地表層土壤含水量的變化

土壤含水量的大小與降水量、蒸發量、生物量及枯落物腐殖質層、土壤粒度、土壤容重及孔隙度大小等諸多因素密切相關[4]。由表2可知，不同海拔高度草地表層土壤的自然含水量的范圍在9.04%～44.70%之間，最大值為最小值的4.94倍，山地栗鈣土、山地棕漠土土壤自然含水量均與山地棕鈣土差異顯著(P<0.05)，而山地栗鈣土與山地棕漠土之間則無顯著差異。不同類型土壤平均自然含水量的大小順序為山地栗鈣土(37.34%)>山地棕鈣土(28.93%)>山地棕漠土(13.87%)。由圖2中土壤含水量與海拔間的關系可知，研究區草地土壤含水量與海拔之間存在很好的線性相關關系(R2=0.617 2)，即土壤含水量隨海拔上升而呈現不斷增大的趨勢，這與山地垂直帶演化規律相符合。

圖1 土壤物理性狀與海拔高度的關系Fig.1 Correlations between soil physical properties and altitudes

2.4 不同海拔草地表層土壤持水能力

土壤持水量作為評價不同植被水分保持與水源涵養功能的重要指標，其大小反映了土壤貯蓄和調節水分的潛在能力[19]。草地土壤的持水能力與土壤厚度和土壤孔隙度狀況密切相關。不同海拔草地表層土壤的持水能力差異較顯著。由表3可知，各土壤類型下，草地表層土壤平均最大持水量大小表現為：山地栗鈣土(65.52%)>山地棕鈣土(61.75%)>山地棕漠土(55.67%)，最大值為最小值的1.28倍；平均非毛管蓄水量由大到小依次為：山地栗鈣土(7.44%)>山地棕鈣土(6.16%)>山地棕漠土(4.75%)，最大值為最小值的1.85倍；平均毛管持水量大小順序為：山地栗鈣土(58.08%)>山地棕鈣土(55.59%)>山地棕漠土(50.92%)，最大值為最小值的1.23倍。不同土壤類型下的草地表層土壤持水能力大小間存在顯著性差異(P<0.05)。在土壤厚度一定時，不同樣地土壤持水量均隨海拔高度的增加而出現不斷增大的趨勢。

土壤持水能力與土壤前期含水量密切相關，當土壤自然含水量較大時，土壤的潛在持水能力減弱，即使降水量很小，也可能會有地表徑流產生。因此，把最大持水量與土壤前期含水量之差作為衡量土壤涵蓄降水量的指標[5]。不同土壤類型下的草地表層土壤平均涵蓄降水量大小表現為：山地棕漠土(41.80 mm)>山地棕鈣土(32.83 mm)>山地栗鈣土(28.18 mm)，其中，最大值為最小值的2.48倍；不同類型土壤的平均涵蓄降水量間均存在顯著差異(P<0.05)。研究區土壤最大持水量以毛管持水量為主，毛管持水量與土壤前期含水量之差反映供植物利用的潛在土壤有效蓄水，稱其為有效涵蓄量[5]，其大小表現與土壤涵蓄降水量一致。不同土壤類型下的草地表層土壤平均有效涵蓄量大小表現為：山地棕漠土(37.05 mm)>山地棕鈣土(26.66 mm)>山地栗鈣土(20.74 mm)，其中，最大值為最小值的3.17倍；不同類型土壤的平均有效涵蓄量間均存在顯著差異(P<0.05)。從空間變化來看，不同草地表層土壤的涵蓄降水量與有效涵蓄量總體上隨著海拔高度的增加而呈現出下降趨勢。

表3 不同海拔草地表層土壤蓄水能力Table 3 Grassland soil water-hold capacity at different altitudes in the study area

3 討論與結論

3.1 討論

土壤作為植物生存的主要載體，其持水能力在空間尺度上呈異質性分布。海拔作為重要的地形因子，最能反映出生態環境的變化差異，通過影響氣溫、降水蒸發和植物群落等環境因子，促使土壤理化性狀發生變異[20]，這對土壤的疏松透氣性、水源涵養能力以及對土壤養分的吸收積累和有效利用等方面意義重大。研究區位于托木爾峰南坡，較低海拔高度草地植被下土壤的自然含水量受所處地理位置形成的干旱性氣候和塔克拉瑪干沙漠的燥熱脅迫效應較為顯著。因氣溫高，降水偏少，草地覆蓋稀疏，微生物量及活躍程度差，土壤營養成分不足，直接影響土壤的發育狀況，導致其結構性差，土壤容重大，緊實度大，孔隙度偏小，土壤滲透能力不足；且較低海拔草地表層土壤水分蒸發量大，導致表層土壤水分流失快，水源涵養功能微弱。隨海拔高度增加，形成降水幾率增加，降水偏多，植被蓋度大，且氣溫迅速下降，蒸發減弱，導致土壤水分含水量較大。較高海拔的草地土壤含水量隨降水量增加而增加，從而豐富了植被群落并促進微生物量及其活躍程度，改變了土壤理化性質，增加了土壤營養成分，進一步改善了土壤孔隙度，促進土壤涵養水源能力的提高、土壤結構的改善、土壤養分的循環。馬維偉等[21]對甘南尕海草甸濕地不同海拔高度土壤性狀的研究表明隨著海拔上升，地表溫度降低，蒸發減小，所以含水量相應增加的趨勢，與本研究結果一致。受不同海拔高度引起的水熱條件地帶性規律分布，降水不斷增加，氣溫下降導致蒸發量減少，植被群落生境條件優化，土壤發育良好，土壤容重及孔隙度受植被根系發達程度、微生物活躍度及有機質等營養物質的貧瘠程度影響巨大。隨海拔上升，降水增加，植被群落覆蓋度提高，有利于植物根系的生長，從而改善了土壤團粒結構，孔隙度增大，因而更利于水分的持蓄和滲透。這與韓路等[5]的分析研究結果一致。草地土壤的持水能力與土壤厚度和土壤孔隙度狀況密切相關。本研究表明，草地表層土壤平均最大持水量、平均非毛管蓄水量和平均毛管持水量大小均表現為隨海拔高度的增加增大。而不同草地表層土壤的涵蓄降水量與有效涵蓄量總體上隨著海拔高度的增加而呈下降趨勢。在土層厚度一定時，土壤水源涵養能力主要取決于土壤孔隙特征，其中最大持水量和涵蓄降水量與總孔隙度有關，毛管持水量和有效涵蓄量與毛管孔隙度有關，非毛管孔隙度則更多地影響土壤滲透能力，這與劉賢德等[22]關于祁連山西水林區亞高山灌叢水文功能的綜合評價中的觀點一致。海拔高度的差異深刻影響土壤類型的分布，不同海拔高度引起的水熱條件不同造成草地蓋度及根系的分布狀況產生差異，導致其土壤熟化程度不同，并引起土壤水文調節能力的差異。說明海拔這一環境因子對研究區草地植被表層土壤水源涵養能力的影響具有其規律性。

除海拔這一主要環境因子的影響外，牲畜的踩踏及人類活動等人為因素也是造成土壤容重和孔隙度差異顯著的重要原因，研究區較低海拔的草地因距離牧民活動及旅游景區近，受放牧強度或人類活動的影響大，表層土壤受踩踏程度嚴重，土壤緊實程度增加，導致土壤容重變大，空隙度縮小，土壤滲透能力下降，從而使得土壤中水分不足，植物根系生長受到限制，這與趙錦梅等[23]對祁連山東段不同高寒灌叢草地土壤性狀的分析原因一致。此外，隨著放牧強度的增大，家畜對草地植被的啃食增加，地面植被覆蓋的減少使土壤水分蒸發增加，土壤保水能力下降，這些因素都是引起較低海拔的放牧草地土壤持蓄水能力降低的重要因素，吳啟華等[4]在對牧壓梯度下高寒雜草類草甸土壤持水能力及影響因素的分析研究中也得到相同的結果。

整體來看，隨海拔升高，研究區草地表層土壤的水文特征呈現規律性演替分布，植被蓋度、土壤含水量、孔隙度及水源涵養能力不斷增大，容重則逐漸縮小。這不僅受托木爾峰國家級自然保護區所在特殊的地理位置而形成的山地垂直演化規律影響，而且受放牧強度和人類活動等人為因素影響，進一步加強了這一差異顯著性。

3.2 結論

研究區草地表層土壤容重與海拔呈顯著的負相關關系(R2= 0.881 7)，表現為隨海拔高度的上升而減小的趨勢；而土壤孔隙度與海拔高度之間表現出很好的正相關關系。各草地表層土壤自然含水量間均存在顯著性差異(P<0.05)，且隨海拔上升呈現不斷增大的趨勢，這與山地垂直帶演化規律相符合。土壤平均飽和蓄水量、平均非毛管蓄水量和平均毛管蓄水量大小均表現為隨海拔高度的增加而出現不斷增大的趨勢；而不同草地表層土壤的涵蓄降水量與有效涵蓄量總體上隨海拔高度的增加而呈現下降趨勢。