祁連山南坡不同植被類型土壤粒度特征

袁 杰, 曹生奎, 曹廣超, 趙青林, 刁二龍, 陳 真, 陳治榮

(1.青海師范大學 青海省自然地理與環境過程重點實驗室, 青海 西寧 810008; 2.青海師范大學 研究生院,青海 西寧 810008； 3.青藏高原地表過程與生態保育教育部重點實驗室， 青海 西寧 810008)

祁連山地處歐亞大陸中心，位于青藏高寒區、西北半干旱和東部濕潤區交界帶，因其海拔高和晝夜溫差大成為氣候變化敏感區和生態系統脆弱區[1]，然而由于近年來受人類活動和氣候變暖的影響下，該區生態環境正在發生著劇烈變化，植被退化就是最為主要的惡性變化之一[2]，而植被退化勢必會影響其下覆土壤環境的變化，針對下覆土壤環境的變化相關學者做了大量研究，王潔等[1]分析了祁連山北坡草甸草原地上生物量與土壤理化性質的關系，車宗璽等[3]對祁連山北坡林地土壤有機質的空間分布特征進行了分析，王雅瓊等[4]對祁連山典型草地生態系統土壤的抗沖性進行了研究，白曉等[5]對祁連山不同土地覆被類型下的土壤水分變異特征進行了分析等。但眾多研究中對祁連山南坡不同植被類型下土壤粒度的研究很少，土壤粒度是研究土壤環境以及整個生態系統特征的基礎[6]，同時也是進一步了解不同土壤理化性質差異的代用指標，其顆粒的粗細變化直接影響著土壤養分和水分變化[7]，另外土壤質地中的細顆粒組分的流失將直接影響土壤機械組成從而導致土地荒漠化的發生[8]。可見了解祁連山南坡不同植被類型下土壤粒度對研究本區乃至整個祁連山土壤退化及其發生原因具有一定的參考價值。本文針對實際情況選取祁連山南坡高寒草甸、高山草地、混合灌叢、青海云杉及祁連圓柏為研究對象，對其土壤粒度進行分析，以期為區域土壤資源可持續利用和生態環境保護提供科學依據。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

研究區地處青海境內，位于98°08′13″—102°38′16″E，37°03′17″—39°05′56″N，總面積約2.40×104km2，海拔2 257～5 235 m，自然地理分區屬于高寒干旱—半干旱區，因此氣溫和降水具有明顯的水平和垂直梯度差異。該區全年平均氣溫為-5.9 ℃，全年最高氣溫約為30.5 ℃，最低氣溫約為-37.1 ℃，年降水量在300～400 mm左右，降水量集中在6—8月，同時6—8月也是該區植物的生長季，年日照時數約為2 200～2 900 h，由于日照時數多，最大年蒸發量達到1 800 mm，遠遠大于降水量[9-10]。區內土壤類型復雜，共12個土類，26個亞類；東段類型主要為栗鈣土、黑鈣土、石灰性灰褐土、石灰性草甸土、石質土、鈣質石質土；西段主要分布著棕鈣土、石灰性灰褐土、草原草甸土、高山寒漠土等[11]。該區植被類型主要包括青海云杉、祁連圓柏、高山濕性灌叢、中低山干性灌叢、高寒草甸、高寒草地、高山草地及溫性草地等，垂直分布梯度極為明顯。

1.2 樣品采集及數據處理

1.2.1 樣品采集 于2017年7—8月在研究區進行實地樣品采集，分別選擇海拔梯度在3 000～4 000 m之間的草地、灌叢、林地進行采樣，其中草地類型選擇高寒草甸和高山草地，灌叢選取具有代表性的混合灌叢，林地選擇青海云杉和祁連圓柏。待樣地選擇結束后，為了降低空間異質性，分別對每類樣地設立20 m×20 m樣方，每類樣地樣方內隨機布設3個大小均為1 m×1 m的樣方，并用直徑為5 cm的土鉆鉆取0—50 cm(鉆取間隔為10 cm)的土壤樣品，共收集土壤樣品75件，具體樣地信息詳見表1。

1.2.2 土壤粒度測定 待所有樣品自然風干，過2 mm篩后準確稱取0.4 g土樣置于50 ml燒杯中，然后按照以下步驟對樣品進行處理[12]： ①加入10 ml 10%雙氧水，加熱煮沸到反應平靜以去除土壤有機質和易氧化鹽類； ②待燒杯冷卻后，加入10 ml 10%的鹽酸(HCl)后搖勻并且煮沸使其充分反應，以去除碳酸鹽； ③向這些樣品中加入蒸餾水后靜置12 h以上； ④加入10%的六偏磷酸鈉10 ml并且置于超聲波震蕩器中待測，其中粒度分析所用儀器為英國Malvern公司生產的Mastersizer 2000型激光粒度儀，測量時待遮光度分布在17%～20%之間，重復測量3次，取其平均值為最后結果。

表1 研究區采樣點基本情況

注： 高寒草甸AM(alpine meadow); 高寒草地AG(alpine grassland); 混合灌叢MS(mixed shrub);青海云杉PC(Piceacrassifolia); 祁連圓柏CQ(CypressQilian)。下同。

1.2.3 數據處理 粒度測定完成后利用Excel和SPSS 21.0軟件對數據進行分析，采用單因素方差分析(one-way ANOVA)進行差異性分析(p<0.05)，利用Grapher 10.0進行圖表制作，其中粒度參數通過福克和沃德公式計算，粒度參數廣泛應用于各種沉積環境分析中[13-14]，是沉積物基本性質之一，其中粒度各參數計算公式為：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：Mz——平均粒徑； SK——偏度；σ——分選系數(標準偏差)；KG——峰度； Фx——克魯賓在烏登—溫特沃斯粒級標準基礎上提出的粒度單位，表示粒度累計到x%所對應的粒徑[15]。換算公式為：

Ф=-logd

式中：d——顆粒直徑。

2 結果與分析

2.1 不同植被類型土壤粒度組成分析

不同植被類型土壤各粒級含量整體服從正態分布(表2)，其中青海云杉土壤黏粒含量最大(均值19.31%)，其次為祁連圓柏(均值16.52%)、高山草地(均值16.35%)、高寒草甸(均值15.67%)，混合灌叢土壤黏粒含量最小(均值12.61%)；土壤粉砂含量祁連圓柏最大(均值64.15%)，其次為青海云杉(均值62.76%)、混合灌叢(均值62.83%)、高寒草甸(均值51.17%)，高山草地粉砂含量最小(均值47.61%)；土壤砂粒含量高山草地最大(均值36.04%)，其次為混合灌叢(均值34.79%)、高寒草甸(均值32.53%)，祁連圓柏和青海云杉砂粒含量相差不大，均值分別為18.17%和17.96%。

不同植被類型中混合灌叢土壤黏粒變異系數最大30.70%，其次為祁連圓柏15.59%，高寒草甸和高山草地變異系數相差不大，分別為9.97%和11.18%，青海云杉變異系數最小為3.1%；土壤粉砂級中混合灌叢變異系數最大22.85%，其次為高寒草甸13.11%，高山草地11.55%，青海云杉和祁連圓柏變異系數相差不大，分別為4.72%和4.15%；土壤砂粒變異系數混合灌叢變異系數最大45.72%，其次為高寒草甸26.58%，高山草地20.29%，青海云杉17.39%，祁連圓柏最小15.87%。另外從不同植被類型“砂粒組—粉砂組—黏粒組”三因分類法三角圖解中可以看出(圖1)，所有植被類型明顯分為兩個群組，分別為以粉砂—黏粒(<63 μm)為主導群的青海云杉、祁連圓柏、高寒草甸群組和以砂粒級(>63 μm)為主導群的混合灌叢和高山草地群組。綜上，可以看出林地變異性整體較小，質地最細，高寒草甸次之，混合灌叢和高山草地土壤變異程度大，土壤粗顆粒成分比重較大，沉積環境復雜，有退化趨勢。

圖1 不同植被類型粒級分布三角圖

表2 不同植被類型各粒級統計分析

2.2 不同植被類型土壤剖面粒度組成差異性分析

不同植被類型土壤粒徑沿剖面變化趨勢如圖2所示。

由圖2可知，高寒草甸土壤黏粒含量自表層至40 cm呈遞減趨勢，40 cm開始增加，高山草地黏粒含量在0—50 cm變動較大，呈先減后增再減趨勢，混合灌叢黏粒含量自表層呈先增后減趨勢且40—50 cm土層黏粒含量明顯小于其它植被類型，青海云杉各土層黏粒含量則明顯高于其它植被類型且在剖面上波動不大，祁連圓柏黏粒含量變化趨勢和高山草地基本相同，以30 cm為界，界上黏粒含量小于高山草地，界下兩者黏粒含量趨同。此外，高寒草甸、高山草地及祁連圓柏黏粒含量無顯著差異(p>0.05)，與混合灌叢、青海云杉差異性顯著(p<0.05)；各植被類型土壤粉砂含量在剖面上變化波動較大，其中高寒草甸粉砂含量變化趨勢和黏粒相同，高山草地0—20 cm粉砂含量明顯大于20 cm以下土層，20 cm以下土層粉砂含量波動不大，混合灌叢粉砂含量呈現自表層向下逐層遞減趨勢，青海云杉和祁連圓柏粉砂含量在0—50 cm變化趨勢一致，且在20 cm開始祁連圓柏粉砂含量逐層略大于青海云杉；差異性方面，高寒草甸、高山草地、混合灌叢與青海云杉、祁連圓柏粉砂含量差異性顯著(p<0.05)；各植被類型砂粒含量在剖面上變化趨勢與粉砂含量相反，其中高寒草甸、高山草地、混合灌叢與青海云杉、祁連圓柏粉砂含量差異性顯著(p<0.05)。

2.3 不同植被類型土壤粒度參數差異性分析

土壤粒度參數是土壤的基本性質之一，廣泛用于土壤沉積環境中[15]，其中平均粒徑(Mz)，表示土壤顆粒的粗細，是土壤粒度特征中最主要的特征之一，代表粒度分布的集中趨勢，一定程度上取決于物源區的粒度分布；標準偏差(σ)表現圍繞集中趨勢的離差，用來衡量土壤粒度的分選程度，即顆粒大小的均勻性，因此又稱分選系數。它采用頻率累積曲線上25%和75%處的粒度值，能夠反映出居于頻率累積曲線中間的粒度的變化。偏度(SK)用來測量頻率曲線的不對稱程度，頻率曲線按其對稱形態可分為三類：對稱、正偏態及負偏態。峰態(KG)用來度量粒度分布曲線的尖銳或鈍圓程度，即度量粒度分布的中部與兩尾端的展形之比，代表了不同來源物質的混合程度，通過表3可以看出，土壤平均粒徑表現為：青海云杉(6.03 Ф)>祁連圓柏(5.81 Ф)>高寒草甸(5.22 Ф)>混合灌叢(5.07 Ф)>高山草地(5.04 Ф)，其變異系數表現為：混合灌叢(15.11%)>高山草地(8.53%)>高寒草甸(7.58%)>祁連圓柏(5.53%)>青海云杉(1.41%)；土壤分選性表現為：高山草地(2.65)>高寒草甸(2.45)>混合灌叢(2.33)>青海云杉(2.17)>祁連圓柏(2.11)，其變異系數表現為：高寒草甸(7.76%)>高山草地(5.35%)>青海云杉(5.02%)>祁連圓柏(4.87%)>混合灌叢(4.71%)；土壤偏度值表現為：高寒草甸 (0.19)>高山草地(0.12)>混合灌叢(0.04)>青海云杉(0.03)>祁連圓柏(-0.05)，其變異系數表現為：青海云杉(38.09%)>祁連圓柏(22.50%)>混合灌叢(15.95%)>高山草地(14.47%)>高寒草甸(8.47%)；土壤峰度值表現為：青海云杉(0.968)>混合灌叢(0.966)>祁連圓柏(0.929)>高寒草甸(0.887)>高山草地(0.867)，其變異系數表現為：青海云杉(8.32%)>高寒草甸(7.30%)>高山草地(6.11%)>祁連圓柏(5.03%)>混合灌叢(2.98%)。

注：不同小寫字母代表不同植被類型間差異性顯著(p<0.05)。下同。

綜上分析，青海云杉和祁連圓柏為代表的林地土壤顆粒最細，其空間變異性較小，土壤結構穩定，土壤分選性也較其它植被類型好，頻率曲線呈近對稱分布，峰態呈中等(正態)峰型，表明在成土過程中其成土物源單一，土壤受外界擾動較小；混合灌叢土壤顆粒粗于林地和高寒草甸而細于高山草地，而土壤分選程度好于草甸和草地，偏度也屬近對稱分布，峰態呈近右偏正態分布，表明在成土過程中沉積物物源較一致，但沉積物物源較粗，土壤整體受外界擾動程度小。高寒草甸雖然土壤顆粒較灌叢細，但是由于其生長海拔高，受凍融作用強烈，其分選性差，呈正偏不對稱峰態，說明其土壤在發育過程中由于自然環境的影響，物源復雜且顆粒較粗，受外界擾動程度較大；高山草地土壤顆粒在所有植被類型中最粗，分選也最差，呈正偏不對稱峰態，說明高山草地在自然發育狀態下物源多雜且粗顆粒物源介入最多，后期受外界擾動程度也最大，在所有植被類型中土壤粗化風險最大。

此外，從不同植被類型粒度參數沿剖面變化情況來看，高寒草甸和高寒草地由于受外界因素干擾大，在剖面上各粒度參數波動程度較大，林地和灌叢各參數波動較小，和上述分析結果一致。另外從不同植被類型各參數因素方差分析可以看出(表3)，林地、灌叢、草甸及草地平均粒徑差異性顯著(p<0.05)，高山草地分選性和其它植被類型差異性顯著(p<0.05)，各植被類型峰度值無顯著差異(p>0.05)，偏度各植被類型差異性較大，其中青海云杉和混合灌叢無顯著差異，其余植被類型之間差異性顯著(p<0.05)。

表3 不同植被類型粒度參數變化

3 討 論

祁連山南坡不僅是我國西北內陸的重要水源涵養區，而且是高寒地區生態脆弱帶，海拔梯度大，地形地貌、成土母質、土壤類型復雜多樣。而顆粒組成是土壤一個重要物理特征[16]，影響土壤顆粒發生差異的原因主要是人為活動、植被類型以及成土母質環境，對于成土母質環境來說整個祁連山區主要為第四紀黃土風成沉積，還有部分為后期巖石風化物[17]。在野外調查過程中發現，祁連山南坡整體土壤層位較薄(一般不超過50 cm)，而黃土沉積過程一般都要經過長時間搬運而導致其顆粒組成一般都以粉砂為主，砂粒和黏粒次之，這和本研究不同植被類型土壤呈現的粒級組配一致，所以該區域在其成土母質一致的情況下，決定土壤粒度差異的主要原因就在于土壤上覆植被類型和人為活動。基于此，通過繪制不同植被類型0—50 cm土壤頻率曲線(圖3)并結合上述分析結果對植被類型和人為活動造成土壤粒度差異的原因進行嘗試性討論。由圖3可以看出，各植被類型頻率曲線存在異同，其中林地和灌叢為近對稱單峰態，其中林地主峰位于1～10 μm之間，屬于黏—粉砂級，峰型更為尖銳，灌叢主峰位于4～30 μm之間，屬于細粉砂級，峰型較為平坦，高寒草甸和高山草地粒度頻率曲線與林地和灌叢明顯不同，呈多峰態，其中主峰都位于10～50 μm級，屬于粉砂級，次主峰位于1～4 μm之間，屬于黏—粉砂級，第三峰位于60～100 μm之間，屬于砂粒級，峰型尖銳，中部主峰和首尾兩端展型比較大，再次說明草地受外界因素干擾較大，物源混雜，表現出既有粗顆粒的介入又有自身發育的細顆粒組分，這與李璇等在祁連山區土壤砂粒含量剖面分布模式相同[18]。此外，如圖2分析結果所示，在研究區海拔3 000～4 000 m梯度內，不同植被類型土壤由于自身的發育情況其土壤粒度組分存在明顯的差異，其中云杉和圓柏由于其自身龐大的地下根系組織保護土壤中細顆粒組分(<63 μm)，加之其土壤類型為灰褐土，主要成土過程為腐殖質累計和弱粘化作用，而表現出土壤細顆粒組分明顯高于其他植被類型，其保育功能也最強；混合灌叢是高寒草甸向高山草原過渡帶中出現的一種植被類型，其土壤粒級大小也介于高寒草甸和高山草地之間，粗于高寒草甸而細于高山草地。而高寒草甸和高山草地作為該區域天然牧業對象，分布廣，生態地位重要，前者由于要經歷長久封凍期而被用作暖季牧場，后者由于產草率高而被用作冷季牧場，所以人為活動作用較其它植被類型頻繁，而分析結果也顯示高寒草甸和高山草地土壤粒徑相較于其它植被類型存在粗化現象，所以高寒草甸和高山草地荒漠化風險程度最大，是該區相對來說急需保育的植被類型。綜合來看，該區不同植被類型下土壤粒度發生差異的主要原因是植被種類和人為活動，在這種交互影響下很難用單一環境變量來解釋土壤顆粒差異的具體原因，必須充分考慮探索復合環境變量，這也是本研究下一步需要深入的入口。

圖3 研究區不同植被類型粒度頻率曲線

4 結 論

(1) 不同植被類型粒級明顯分為兩個群組，分別為以粉砂—黏粒為主導群的青海云杉、祁連圓柏、高寒草甸群組和以砂粒級為主導群的混合灌叢和高山草地群組，其中土壤黏粒含量表現為：青海云杉>祁連圓柏>高山草地>高寒草甸>混合灌叢，土壤粉砂含量表現為：祁連圓柏粉砂>青海云杉>混合灌叢>高寒草甸>高山草地，土壤砂粒含量表現為：高山草地>混合灌叢>高寒草甸>祁連圓柏>青海云杉。

(2) 不同植被類型粒度頻率曲線明顯不同，其中林地和灌叢土壤顆粒最細，分選性好，土壤結構穩定，頻率曲線呈單峰近對稱分布，表明在成土過程中其成土物源單一，土壤受外界擾動較小；高寒草甸和高山草地土壤顆粒較粗，分選性差，呈多峰態，表明其土壤物源復雜且顆粒較粗，受外界擾動程度較大。

(3) 不同植被類型中，在自然環境影響和人類活動強度大的情況下，高寒草甸和高山草地粒徑將進一步粗化，荒漠化風險程度最大，是該區相對來說急需保育的植被類型。