伊犁河谷不同森林模式下土壤的養分特征和粒徑組成

桑巴葉, 朱玉偉, 劉 康, 陳啟民, 褚奮飛

(新疆林科院 造林治沙研究所, 新疆 烏魯木齊 830063)

伊犁河谷不同森林模式下土壤的養分特征和粒徑組成

桑巴葉, 朱玉偉, 劉 康, 陳啟民, 褚奮飛

(新疆林科院 造林治沙研究所, 新疆 烏魯木齊 830063)

[目的] 對伊犁河谷不同森林模式下土壤粒徑組成和養分空間特征進行研究,為科學栽培和可持續經營提供理論依據。[方法] 通過野外采樣與室內試驗,分析伊犁河谷不同模式下土壤粒徑分布特征及其與土壤理化性質的關系。[結果] 7個模式林地土壤基本集中在細粉粒和粗粉粒兩個粒級。主要由細粉?！址哿！ち?、細粉?！址哿！獦O細砂粒和粗粉粒—細粉粒—極細砂粒為主的質地組成,其中細粉?！址哿！ちＭ寥鲤B分較佳,相比之下含有砂粒的土壤養分較低。土壤有機質和土壤堿解氮與黏粒和細粉粒含量的關系非常密切,尤其是細粉粒;速效磷與砂粒、黏粒和細粉粒呈正相關;速效鉀與黏粒和細粉粒含量的關系密切,隨著其含量增加而增加,跟砂粒呈顯著負相關,砂粒含量高,速效鉀含量降低。[結論] 伊犁河谷7個模式林分土壤養分狀況各異,養分各項指標含量不同,可根據養分狀況進行撫育管理。各模式土壤中粉粒含量占絕對優勢。根據各養分含量與各粒徑組成之間的相關性分析表明,土壤顆粒越細,與土壤養分的關系越密切。

伊犁河谷; 模式; 土壤養分; 土壤粒徑分布

土壤是一種由大小、形狀不同的固體組分和孔隙以一定形式連結所形成的多孔介質,有一定的分形特征[1-2]。土壤粒徑分布影響著土壤的水力特征、肥力狀況及土壤侵蝕等，是土壤重要物理特性之一[3-5]。不同粒徑組成的土壤其保水能力、吸附力、粘著性等都有明顯的差異，影響土壤養分循環、轉化及其有效性。因此，對土粒組合比例進行定量化描述，具有重要的現實意義。伊犁河谷位于新疆西天山地區,是新疆及天山氣候最濕潤、降水最豐沛、植被土壤發育最良好的地區，森林覆蓋率為7.9%，林、草植被覆蓋率高達67.7%，被喻為新疆干旱區的一塊“濕島”。良好的氣候條件及植被覆蓋使土壤發育充分,土地資源稟賦及潛力的綜合優勢全疆最優,干旱區少有。國內外對土壤養分進行了大量研究，主要包括土壤養分空間變異、不同施肥方式或耕作方式對土壤養分含量的影響、不同植被恢復模式下對土壤養分的影響、土壤養分與土壤酶或微生物的關系等[6]。國內對土壤粒徑分布的分形研究較晚，但也取得了很大的成果。目前，研究主要集中在不同土壤利用方法或植被類型下土壤的分形特征研究和土壤分形特征與土壤水分、養分關系研究等方面[7-8]。目前在伊犁河谷地區開展的研究主要集中在土壤養分[9]、有機碳[10]、鹽分[11]方面，土壤粒徑方面研究極少，僅見伊犁河谷新墾綠洲土壤粒度特征[12]和伊犁河谷新墾荒地土壤粒度特征[13]研究，未見關于土壤養分和粒徑的關系研究。本文擬對比分析伊犁河谷不同模式林地土壤養分狀況與土壤粒徑的分布特征，探討養分含量與土壤粒徑之間的相互關系，以期為伊犁河谷地區土壤綜合評價提供一個量化的指標，為土壤養分管理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

伊犁河谷位于中國的天山山脈西部，準噶爾盆地西南緣，屬南天山、北天山分隔而成的由斷陷盆地與山間河谷間布的中亞內陸河流域。地理位置在東經80°09′42″—84°56′50″，北緯42°14′16″—44°53′30″。三面環山，流域地跨中溫帶大陸性氣候和高山山前(低山)溫帶半濕潤氣候類型，氣候溫和濕潤，晝夜溫差大。年均降水量200～800 mm，降水隨高程上升增多明顯。平均海拔高度為477～1 701 m，氣候溫和濕潤，降水量充足，是中國唯一的溫帶大陸性氣候地區，部分地區屬于高山氣候。伊犁河谷地域遼闊，資源豐富，素有“塞外江南”的美稱。豐沛的降水、適宜的氣候、山盆相間的地形,使伊犁河流域土壤發育良好,土壤類型結構多樣，除伊犁河中下游河谷有小片沙洲外,幾乎無沙漠分布。土壤類型包括潮土、灌耕土、草甸圖、黑鈣土、栗鈣土、灰鈣土、山地森林土、沼澤土、鹽土和風沙土等。

1.2 研究方法

1.2.1 林分模式的選擇 選取伊犁河谷7種典型林分模式，即用材林、農田防護林、低山防護林、低山生態經濟型防護林、林草復合經營、荒漠天然林、低山經濟林。各模式均未進行施肥措施。不同林分模式基本概況見表1。

表1 伊犁河谷樣地基本概況

1.2.2 土壤樣品的采集 本次采樣時間為2016年8—9月。在對研究區實際調查的基礎上，選取了7種林分模式，各模式中設置3個標準樣地，樣地規格為50 m×50 m，按“S”型隨機采取5個樣點的土樣，在每個樣點取0—20， 20—40 cm土層土樣，將相同土層的樣品混合，去除石塊、根系和土壤動物等，經實驗室風干、過篩后貯存備用。

1.2.3 測定指標及測定方法 測量土壤化學性質的指標主要有總鹽、速效磷、速效鉀、堿解氮、有機質、pH測定。實驗室化驗分析方法[14]:總鹽含量采用電導法測定；速效磷用鉬銻抗比色法；速效鉀用醋酸銨浸提、火焰光度計法測定；堿解氮采用堿解擴散法；土壤有機質采用重鉻酸鉀容量法—外加熱法；水浸提后,用pH-3數顯酸度計測定pH值。

土壤粒度由激光粒度分布儀(BT-2 001)測定。土壤粒徑測量結果分6級輸出，分別為<0.002，0.002～0.02，0.02～0.05，0.05～0.1，0.1～0.25和0.25～0.5 mm，并按美國土壤質地分類制，分為砂粒(0.05～2 mm)、粉粒(0.002～0.05 mm)和黏粒(<0.002 mm)。

1.3 統計分析

試驗數據采用Excel 2007和SPSS 19.0軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同森林模式土壤養分分層特征

對7種模式林分下土壤鹽分的測定結果(表2)表明，各模式中農田防護林土壤含鹽量最高，其0—20 cm土層土壤含鹽量比含鹽量最低的低山生態經濟型防護林高91.38%。各模式0—20 cm土層含鹽量略高于20—40 cm。0—20和20—40 cm土層總鹽含量均表現為農田防護林>荒漠天然林>林草復合經營>用材林>低山經濟林>低山防護林>低山生態經濟型防護林。農田防護林地總鹽含量高與緊鄰水源有關系。

表2 伊犁河谷不同森林模式土壤理化性質

注：數值為平均值±標準差，小寫字母表示土壤同層不同模式之間存在顯著性差異(p<0.05)。

土壤有機質是土壤養分的源與庫，是土壤質量的一個重要指標，能改善土壤的理化性質。由表2可知，0—20 cm土層低山經濟林模式的有機質含量最高并與其它模式之間差異顯著(p<0.05)，次之為用材林。20—40 cm土層仍為低山經濟林模式的有機質含量最高，與其它模式之間差異顯著，次之為林草復合經營和用材林，二者之間不存在顯著差異，但均與其它模式之間差異顯著。

土壤堿解氮含量大小反映了短期內土壤氮素的供應狀況。結果(表2)表明，土壤堿解氮在各土層之間變化與有機質的變化趨勢基本相同，低山經濟林在0—20 cm和20—40 cm土層的堿解氮含量最高。0—20 cm低山經濟林與其它模式之間差異顯著，含量最低出現在荒漠天然林，比最高低93.17%；20—40 cm用材林堿解氮含量與低山經濟林相差不大，此兩種模式與其它模式之間差異顯著。

速效磷表征直接被植物體吸收利用的含量。0—20 cm土層用材林含量最高，與最低的低山防護林相差80.48%；20—40 cm土層則低山生態經濟型防護林含量最高，比0—20 cm含量高出85.24%。土壤有效磷含量空間分布的波動頻繁，2個土層中各模式土壤速效磷含量排序不同，0—20 cm土層含量表現為用材林>低山經濟林>農田防護林>低山生態經濟型防護林>荒漠天然林>林草復合經營>低山防護林，20—40 cm則為低山生態經濟型防護林>荒漠天然林>低山經濟林>用材形防護林>林草復合經營>低山防護林>農田防護林。

速效鉀表征可供植物利用鉀素的含量。供試林地速效鉀含量在38.67～249.33 mg/kg，除荒漠天然林外其他模式土壤速效鉀2個層次的含量較豐富，均屬中高水平。方差分析表明，在0—20 cm土層，低山防護林和用材林含量相對較高，與其它模式之間有顯著差異，最低含量出現在荒漠天然林，比低山防護林低77.23%；在20—40 cm土層含量最高仍為低山防護林，與其它模式之間有顯著差異，與最低含量的荒漠天然林相差84.60%。

2.2 不同模式土壤顆粒粒級組成的分析

表3表明，各模式林分土壤顆粒主要集中在細粉粒(2～20 μm)和粗粉粒(20～50 μm)2個粒級。細粉粒比例在20.08%～83.09%之間，0—20 cm平均比例55.35%，20—40 cm為58.23%；粗粉粒比例在11.78%～41.73%，0—20和20—40 cm平均比例分別為30.21%和28.47%。各模式林分土壤0—20和20—40 cm土層粉粒含量比例均表現為低山經濟林>低山防護林>用材林>低山生態經濟型防護林>農田防護林>林草復合經營模式>荒漠天然林。

表3 伊犁河谷不同模式土壤顆粒組成分層特征

各模式土壤中黏粒比例較低，0—20和20—40 cm土層比例分別在1.48%～6.55%和0.64%～6.27%，平均值4.34%和4.49%。極細砂粒除低山經濟林外其他模式林地中均有分布，0—20和20—40 cm土層平均比例分別為7.99%和6.71%；細砂粒在農田防護林、低山生態經濟型防護林、林草復合經營模式和荒漠天然林分土壤中分布，各模式土壤中細砂粒比例低，0—20和20—40 cm土層平均比例分別為2.10%和2.08%；中砂粒只有荒漠天然林土壤的20—40 cm有分布，比例僅為0.03%，基本可以忽略不計。

2.3 土壤養分與土壤粒徑的相關性

表4是0—40 cm土層土壤粒徑與土壤養分含量的相關關系表，由表可知，速效氮與黏粒、細粉粒分別呈顯著(p<0.05)和極顯著正相關(p<0.01)，與粗粉粒和極細砂粒分別呈極顯著和顯著負相關；速效磷與黏粒、細粉粒、極細砂粒和細砂粒呈正相關，但均未達到顯著水平(p>0.05),與粗粉粒呈負相關，亦未達到顯著水平；速效鉀與黏粒呈顯著正相關，與極細砂粒和細砂粒呈顯著負相關；有機質與細粉粒極顯著正相關，與粗粉粒和極細細砂粒顯著負相關。

表4 研究區土壤養分含量與各土壤粒徑土粒含量的相關系數

注：*表示差異達顯著水平(p<0.05)；**表示差異達極顯著水平(p<0.01)。

3 討論與結論

(1) 土壤養分含量強烈地受到林分種類、土壤深度的影響，本研究7個不同模式林分中低山經濟林的有機質和堿解氮平均含量最高，次之為用材林，第3為林草復合經營模式，荒漠天然林為最低；低山防護林速效鉀含量最高，含量第2和最低同上；用材林速效磷含量最高，緊跟其后為低山生態經濟型防護林，最低為低山防護林。各模式中農田防護林和荒漠天然林養分狀況處于較低水平。各模式下0—20 cm土層土壤有機質和堿解氮含量均高于20—40 cm土層，速效磷和速效鉀含量則有些不同，低山生態經濟型防護林、低山防護林、林草復合經營模式0—20 cm土層速效磷和速效鉀含量比20—40 cm低。各模式養分狀況各異，養分各項指標含量不同，可根據養分狀況進行撫育管理。

(2) 本研究7個典型模式林分土壤顆粒粒徑的含量比例有所不同，但是基本集中在細粉粒和粗粉粒兩個粒級。主要由細粉?！址哿！ち?用材林、低山經濟林、低山防護林)、細粉?！址哿！獦O細砂粒(農田防護林、低山生態經濟型防護林、林草復合經營模式)和粗粉?！毞哿！獦O細砂粒(荒漠天然林)為主的質地組成，其中細粉?！址哿！ちＭ寥鲤B分較佳，相比之下含有砂粒的土壤養分較低。已有的研究[15]表明，土壤養分主要與土壤中的細顆粒，即與粉粒和黏粒的含量有密切關系。不同粒徑的顆粒對土壤養分元素的吸附能力不同，粒徑越小，土粒比表面積越大，對土壤養分的吸附量就越大，本研究與前人研究結果一致。

(3) 土壤有機質和土壤堿解氮與黏粒和細粉粒含量的關系非常密切，尤其是細粉粒，黏粒和細粉粒含量高，則有機質和土壤堿解氮含量高。土壤氮素主要存在于土壤有機質中，所以土壤氮素變化規律與有機質一致，同劉欽普等[16]的研究結果一致。速效磷的含量隨著砂粒、黏粒和細粉粒的含量增加而增加。速效鉀與黏粒和細粉粒含量的關系十分密切，隨著其含量增加而增加，跟砂粒呈顯著負相關，砂粒含量高，速效鉀含量降低，這同Rahmatullah等[17]通過多年的試驗得出的速效鉀主要存在于粉粒中和王巖等[18]的速效鉀主要分布在<50 μm粒級中的研究結論一致。

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SoilNutrientsPropertiesandParticleSizeCompositionUnderDifferentForestPatterninIliRiverValley

SANG Baye, ZHU Yuwei, LIU Kang, CHEN Qimin, CHU Fenfei

(InstituteofAfforestation,XinjiangAcademyofForestry,Urumqi,XinjiangUygurAutonomousRegion830063,China)

[Objective] Soil particle size composition and soil nutrients of the different forest patterns at arable layer in the Ili River valley were studied to provide scientific basis of cultivation and sustainable management of forest. [Methods] This study analyzed the relationships between soil particle size distribution and soil physicochemical characteristics of different afforestation patterns in the Ili River valley based on fieldwork and laboratory experiments. [Results] The sampled soils of 7 forest patterns were mainly composed of fine silt and coarse silt, and their soil textures were dominated by fine silt-coarse silt-clay, fine silt-coarse silt-very fine sand, and coarse silt-fine silt-very fine sand. Among them, soil nutrients of the fine silt-coarse silt-clay soil were better, and the soil nutrients of the soil with sand were low. Soil organic matter and available nitrogen were closely related to the contents of clay and fine silt, especially to fine silt. Available phosphorus had positive correlations with sand, clay and fine silt content. Available potassium was closely related to the content of clay and fine silt, and the content of available potassium increased with the increase of clay and fine silt content. Available potassium was negatively correlated with sand content; it decreased with the increase of sand content. [Conclusion] The soil nutrient status and the nutrients contents of the 7 forest patterns were different. The soil should be managed according to their nutrient status. The content of silt in soils of different forest patterns had the greatest proportion. According to the correlation analysis between the nutrient content and the particle size, soil fine particle proportion is closely related to soil nutrients.

IliRivervalley;model;soilnutrients;soilparticlesizedistribution

A

1000-288X(2017)05-0328-05

S157.2, S750

文獻參數： 桑巴葉, 朱玉偉, 劉康, 等.伊犁河谷不同森林模式下土壤的粒徑組成和養分特征[J].水土保持通報，2017,37(5)：328-332.

10.13961/j.cnki.stbctb.2017.05.055； Sang Baye, Zhu Yuwei, Liu Kang, et al. Soil nutrients properties and particle size composition under different forest pattern in Ili River valley [J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(5)：328-332.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.05.055

2017-03-17

2017-03-31

國家林業公益性行業科研專項經費項目“伊犁河谷生態經濟林工程建設技術研究與示范”(201304714); “十三五”國家重點研發計劃(2016YFD060040303); 自治區公益性科研院所基本科研業務費專項資金項目(KYGY2016081)

桑巴葉(1977—),女(蒙古族),新疆維吾爾族自治區烏魯木齊市人,副研究員,主要從事造林技術研究工作。E-mail:sby827@sina.com。

朱玉偉(1963—), 男(漢族),新疆維吾爾族自治區烏魯木齊市人,研究員,主要從事防沙治沙、節水造林及防護林方面的研究工作。E-mail:xjzhuyuwei@sina.com。