祁連山東段高寒植被類(lèi)型對(duì)土壤理化特征的影響

王 迪, 趙錦梅, 雷隆舉, 張 雪, 徐長(zhǎng)林

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院, 甘肅 蘭州 730070)

土壤作為植被生長(zhǎng)中必不可少的載體，為其生長(zhǎng)提供了必要的物質(zhì)基礎(chǔ)[1]。而在諸多生物和非生物因素的影響下，土壤通過(guò)水分入滲和存儲(chǔ)將地表水和地下水互通，完成降水至地表及地下水至土壤水的轉(zhuǎn)化[2]。對(duì)于高寒灌叢植被而言，灌叢植被下的土壤水、養(yǎng)分通過(guò)地表徑流與土壤侵蝕匯集形成“肥島”[3]，從而使得土壤理化性質(zhì)存在水平空間上的異質(zhì)性[4]。土壤理化性質(zhì)作為衡量其肥力和質(zhì)量的重要指標(biāo)，同時(shí)調(diào)控植物的生長(zhǎng)發(fā)育[5]。不同土層的土壤理化性質(zhì)，不僅決定土壤水、肥、氣、熱等肥力狀況，還影響著降雨入滲和地表徑流；還對(duì)植物群落的發(fā)生、發(fā)育和演替速度造成影響[3]。其中土壤有機(jī)碳、全效氮磷鉀、速效氮磷鉀等可直接調(diào)控土壤肥力，進(jìn)而影響植被的生長(zhǎng)，最終影響高寒灌叢的生態(tài)系統(tǒng)功能[4]。鑒于此，植被和土壤之間的關(guān)系是生態(tài)學(xué)研究的重要領(lǐng)域之一。

祁連山東段位于中國(guó)青藏高原最東緣，該地自然環(huán)境相對(duì)比較敏感脆弱[6]。在該區(qū)域生長(zhǎng)的植被主要為耐寒或耐旱的灌木和草本[7]，其對(duì)高寒氣候環(huán)境具有極強(qiáng)適應(yīng)能力，對(duì)于改善整個(gè)流域水資源狀況、維持流域生態(tài)平衡發(fā)揮了重要的水源涵養(yǎng)功能[8]。目前有關(guān)祁連山東部高寒植被的研究主要集中草地植被與土壤性狀的關(guān)系[9]、植被群落與地形氣候因子關(guān)系[8]、草地植被與土壤養(yǎng)分關(guān)系[10]和灌叢草地土壤性狀特征變化[6]這幾個(gè)方面，而針對(duì)祁連山東段不同高寒植被土壤理化特征的研究信息十分缺乏。鑒于此，本研究通過(guò)對(duì)祁連山東段6種灌叢植被和高寒草地的土壤基本性狀、土壤持水能力和土壤滲透性方面進(jìn)行研究，以揭示不同高寒植被下土壤理化特征，為祁連山東部區(qū)域水資源合理利用提供理論，也為該區(qū)域的植被恢復(fù)及生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)提供見(jiàn)解。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于甘肅省天祝藏族自治縣甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)天祝草原試驗(yàn)站附近的金強(qiáng)河上流河谷地區(qū)(102°34′—102°36′E，37°13′—37°15′N(xiāo))。該區(qū)域?qū)儆跍貛Т箨懶愿咴撅L(fēng)氣候，具有明顯的山地垂直氣候特征，年均氣溫-0.1 ℃，最低溫1月份均溫低至-18 ℃，最高溫7月份均溫12.7 ℃，屬長(zhǎng)年無(wú)夏區(qū)；年降水量416 mm遠(yuǎn)低于年潛在蒸發(fā)量1 592 mm，降水多為集中于7—9月份的地形雨。無(wú)絕對(duì)無(wú)霜期，僅以冷熱兩季區(qū)分，海拔3 100～3 500 m[11]。該區(qū)域高寒植被中灌木主要有山生柳(Salixoritrepha.)、硬葉柳(Salixsclerophylla)、繡線(xiàn)菊(Spiraeasalicifolia)、金露梅(Potentillafruticosa)、千里香杜鵑(Rhododendronthymifolium和頭花杜鵑(Rhododendroncapitatum)等[8]。土壤主要有山地森林灰褐土、山地栗鈣土、草甸土、亞高山灌叢草甸土和高山寒漠土等類(lèi)型[6]。

1.2 樣地設(shè)置

2018年9月，根據(jù)研究區(qū)河谷地形、地貌特征及高寒植被分布格局，同時(shí)依據(jù)海拔一致的原則分別選取6種灌木植物(繡線(xiàn)菊，山生柳，硬葉柳，千里香杜鵑，金露梅和頭花杜鵑)和高寒草地植被進(jìn)行研究。在每個(gè)研究樣地內(nèi)隨機(jī)布設(shè)3個(gè)5 m×5 m植被調(diào)查樣方。樣地概況如表1所示。

表1 祁連山東段樣地概況

1.3 采樣方法與測(cè)定指標(biāo)

在每塊未被擾動(dòng)地樣地內(nèi)用土鉆采集土壤樣品，土樣分為0—10，10—20，20—40，40—60 cm共計(jì)4層土壤，每層3次重復(fù)。對(duì)同一樣方采集的同一土層土樣在去除植物根系和石塊后充分混勻帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行土壤相關(guān)指標(biāo)的測(cè)定。采用烘干法測(cè)定土壤含水量，采用環(huán)刀法測(cè)定土壤容重(ρb)并按照公式“Pt=(1-ρb/ρs)×100%”計(jì)算土壤總孔隙度(Pt)，其中，土壤密度(ρs)設(shè)置為2.65 g/cm3;采用環(huán)刀浸水法測(cè)定土壤的田間持水量(Wfc)和毛管孔隙度(Pc);非毛管孔隙度(Pn)為總孔隙度與毛管孔隙度的差值[6,12-15]。即：

Pt=(1-ρb/ρs)×100%

(1)

Pc=W×ρb

(2)

Pn=Pt-Pc

(3)

式中：Pt為總孔隙度(%)；Pc為毛管孔隙度(%)；Pn為非毛管孔隙度(%)；ρs為土壤體積質(zhì)量,取值2.65 g/cm3;W為田間持水率(%)。

土壤滲透性采用雙環(huán)刀法測(cè)定，取每種植被下4層土壤滲透性指標(biāo)的平均值進(jìn)行評(píng)估。土壤滲透性常用指標(biāo)有初滲率、穩(wěn)滲率和平均滲透速率，各項(xiàng)指標(biāo)的計(jì)算方法為：初滲率為最初入滲時(shí)段內(nèi)的滲透量與最初入滲時(shí)間的比值，本研究取最初入滲時(shí)間為2 min；穩(wěn)滲率為單位時(shí)間內(nèi)的滲透量趨于穩(wěn)定時(shí)的滲透率；平均滲透速率為達(dá)到穩(wěn)滲時(shí)的滲透總量與達(dá)到穩(wěn)滲時(shí)間的比值[16-19]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，SPSS 22.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行ANOVA方差分析和多重比較(Duncans法)，Origin 8.0進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤容重及含水量特征

由表2可見(jiàn)，祁連山東段不同高寒植被的土壤容重呈現(xiàn)出隨著土層深度的增加而逐漸增大的變化趨勢(shì)，而土壤含水量則隨著土層深度的增加而逐漸降低。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明：在0—20 cm土層，祁連山東段高寒植被中土壤容重在兩個(gè)或者3個(gè)植被間(山生柳、金露梅和高寒草地)差異顯著(p<0.05)，其他植被間不顯著，其數(shù)值范圍為0.53～0.76 g/cm3但土壤含水量之間沒(méi)有顯著差異；在20—60 cm土層，不同植被的土壤容重?zé)o顯著性差異，而土壤含水量在個(gè)別植物類(lèi)型間(繡線(xiàn)菊和硬葉柳，千里香杜鵑，金露梅和高寒草地)存在顯著差異(p<0.05)。除40—60 cm土層外，各土層的土壤含水量均是在千里香杜鵑灌叢中達(dá)到最大值，在繡線(xiàn)菊灌叢中達(dá)到最小值。

表2 祁連山東段不同高寒植被土壤容重及含水量特征

2.2 土壤孔隙特征

由表3可見(jiàn)，祁連山東段不同高寒植被土壤總孔隙度變化趨勢(shì)明顯，即總孔隙度呈現(xiàn)出隨著土層深度的增加而逐漸減小的變化趨勢(shì)，而毛管孔隙和非毛管孔隙隨著土層深度的增加無(wú)明顯的垂直變化規(guī)律。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明：在0—20 cm土層下，總孔隙度、毛管孔隙和非毛管孔隙基本在不同植被類(lèi)型下差異顯著(p<0.05)；在20—40 cm土層下，毛管孔隙和非毛管孔隙基本在不同植被類(lèi)型下差異顯著(p<0.05)；40—60 cm土層下，植被土壤孔隙度在不同植被類(lèi)型下無(wú)顯著差異。在0—20 cm土層，毛管孔隙在繡線(xiàn)菊灌叢中達(dá)到最大，在頭花杜鵑灌叢最?。环敲芸紫兜闹祫t表現(xiàn)為在頭花杜鵑灌叢中達(dá)到最大，繡線(xiàn)菊灌叢達(dá)到最小。

表3 祁連山東段不同高寒植被土壤孔隙度特征

2.3 土壤持水能力變化

由圖1可知，祁連山東段不同高寒植被的土壤最大持水量、毛管持水量和非毛管持水量隨著土層的垂直變化相應(yīng)地呈現(xiàn)出一定變化特征。其中土壤最大持水量在0—60 cm土層范圍內(nèi)隨著土層深度的增加而逐漸遞增，7種高寒植被均在40—60 cm土層達(dá)到土壤最大持水量的最大值；土壤毛管持水量在0—60 cm土層表現(xiàn)為先減少后增加的變化趨勢(shì)；土壤非毛管持水量在在0—60 cm土層范圍內(nèi)主要變現(xiàn)為先增加后減少的變化趨勢(shì)。

注：不同小寫(xiě)字母代表差異顯著(p<0.05)。

2.4 土壤滲透性特征

由圖2可知，祁連山東段不同高寒植被的土壤初滲透率、平均滲透率和穩(wěn)滲透率變化各不相同。其中土壤初滲透率明顯高于平均滲透率和穩(wěn)滲透，其數(shù)值為0.58～2.81 mm/min，依次為高寒草地>山生柳>繡線(xiàn)菊>千里香杜鵑>硬葉柳金露梅>頭花杜鵑；平均滲透速率數(shù)值為0.05～1.26 mm/min，依次為繡線(xiàn)菊>金露梅>千里香杜鵑>山生柳>硬葉柳>高寒草地>頭花杜鵑；穩(wěn)滲透率數(shù)值為0.04～1.31 mm/min，依次為繡線(xiàn)菊>金露梅>千里香杜鵑>山生柳>硬葉柳>頭花杜鵑>高寒草地；繡線(xiàn)菊灌叢生長(zhǎng)所處環(huán)境下的土壤初滲透率、平均滲透率和穩(wěn)滲透率變化幅度相對(duì)較小，且保持在相對(duì)較高水平。

圖2 祁連山東段不同高寒植被土壤滲透特性

3 討論與結(jié)論

3.1 祁連山東段不同高寒植物土壤基本性質(zhì)與孔隙度特征

植物通過(guò)地表凋落物和地下根系的增加可以降低土壤容重，而植物種類(lèi)的不同，其通過(guò)根系的物理作用對(duì)土壤的容重、孔隙度等會(huì)產(chǎn)生不同的影響[18]。其中土壤表層根系相對(duì)較多，根系越密集，土壤通透性則越強(qiáng)，土壤孔隙度更大[16]；而且植物枯落物分解、植物根系大部分集中于表層土壤中，土壤孔隙度較大所以土壤容重??；深層土壤質(zhì)地相對(duì)緊實(shí)，植物根系、腐殖質(zhì)含量相對(duì)較低而礦質(zhì)含量相對(duì)較高，所以土壤容重較大[17]。本研究中祁連山東段不同高寒植被的水分來(lái)源主要依靠自然降雨，其主要集中在土壤淺層，該層土壤水分含量高，利于植被生長(zhǎng)，植被根系大部分集中于該土層，而深層土壤區(qū)植被根系少，從而影響了土壤容重和孔隙度，形成了土壤容重呈現(xiàn)隨著土層深度的增加而逐漸增大，總孔隙度呈現(xiàn)隨著土層深度的增加而逐漸減小的變化趨勢(shì)，這與趙錦梅等[6]的研究結(jié)論一致。這是因?yàn)橥寥辣韺拥牟煌参锷L(zhǎng)狀況、枯落物及腐殖質(zhì)分解等因素均存在差異，會(huì)對(duì)土壤的物理特性產(chǎn)生影響[20]。本研究中在0—20 cm土層下，總孔隙度、毛管孔隙和非毛管孔隙在不同植被類(lèi)型下差異顯著(p<0.05)；在20—40 cm土層下，毛管孔隙和非毛管孔隙在不同植被類(lèi)型下差異顯著(p<0.05)；40—60 cm土層下，植被土壤孔隙度在不同植被類(lèi)型下無(wú)顯著差異，在0—20 cm土層，毛管孔隙在繡線(xiàn)菊灌叢中達(dá)到最大，在頭花杜鵑灌叢最小；非毛管孔隙的值則表現(xiàn)為在頭花杜鵑灌叢中達(dá)到最大，繡線(xiàn)菊灌叢達(dá)到最??；這可能與采樣過(guò)程中一定程度的人為擾動(dòng)和植被自身有關(guān)，大量研究表明，植物能通過(guò)地表凋落物和地下根系的物理作用，從而影響土壤的孔隙度等，從而影響土壤物理性質(zhì)[18,20]。

3.2 祁連山東段不同高寒植物土壤持水能力特征

土壤持水能力是植被調(diào)節(jié)水分和涵養(yǎng)水源的重要指標(biāo)，其能力決定于土壤物理性質(zhì)和水分特征[21]。本研究中祁連山東段不同高寒植被的土壤最大持水量在0—60 cm土層呈現(xiàn)出隨著土層深度的增加而逐漸遞增的變化趨勢(shì)；土壤毛管持水量在0—60 cm土層表現(xiàn)為先減少后增加的變化趨勢(shì)；而土壤非毛管持水量在0—60 cm土層范圍內(nèi)變化規(guī)律不太明顯。這是因?yàn)橥寥莱炙芰κ芏喾矫孀匀灰蛩氐挠绊懀藚^(qū)域外界氣候特征因子的影響外，還受到植被類(lèi)型的影響。本研究所選擇植被類(lèi)型較多，其可以通過(guò)影響根系分布及數(shù)量、林下微生境、有機(jī)質(zhì)含量和凋落物回歸等影響土壤結(jié)構(gòu)[22-23]，從而對(duì)土壤的持水能力產(chǎn)生不同的影響。這與趙錦梅等[24]關(guān)于祁連山東段金強(qiáng)河河谷高寒草地土壤的水文特征中河谷山地陽(yáng)坡高寒草地田間持水量、毛管持水量和飽和持水量隨土層加深呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)的結(jié)論不一致。這與李民義[25]對(duì)晉西黃土區(qū)不同植被類(lèi)型的土壤水分入滲規(guī)律一致。這是因?yàn)橥寥牢锢硇再|(zhì)中的土壤孔隙對(duì)土壤水分入滲的影響較大，尤其是非毛孔隙度，本研究中祁連山東段不同高寒植被下土壤的總孔隙度、毛管孔隙和非毛管孔隙在在0—20 cm土層下差異顯著(p<0.05)，非毛管孔隙的值則表現(xiàn)為在頭花杜鵑灌叢中達(dá)到最大，繡線(xiàn)菊灌叢達(dá)到最小；不同植被類(lèi)型下土壤發(fā)生入滲的能力差異顯著[26]，從而導(dǎo)致土壤滲透性的不同。

3.3 祁連山東段不同高寒植物土壤滲透能力特征

土壤滲透是指降水(包括其他形式地表水)進(jìn)入土壤的過(guò)程，土壤滲透性作為衡量土壤通透性的一項(xiàng)重要指標(biāo)，反映了灌溉、降水過(guò)程中地面徑流量的調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)換以及土壤涵養(yǎng)水源和水土保持功能[27-28]。本研究中祁連山東段不同高寒植被的土壤初滲透(0.58～2.81 mm/min)明顯高于平均滲透率(0.05～1.26 mm/min)和穩(wěn)滲透(0.04～1.31 mm/min)，7種高寒植被的土壤初滲透、平均滲透率和穩(wěn)滲透的大小排序各不相同，這主要是因?yàn)椴煌脖活?lèi)型下土壤發(fā)生入滲的能力差異顯著[26]，從而導(dǎo)致土壤滲透性的不同。即本研究中祁連山東段不同高寒植被下土壤的總孔隙度、毛管孔隙和非毛管孔隙在在0—20 cm土層下差異顯著(p<0.05)，非毛管孔隙的值則表現(xiàn)為在頭花杜鵑灌叢中達(dá)到最大，繡線(xiàn)菊灌叢達(dá)到最小。

土壤容重和孔隙度等作為土壤物理性狀的重要指標(biāo)，其影響著土壤質(zhì)量中的持水性能和滲透能力。對(duì)祁連山東段不同高寒植物土壤理化特征研究表明土壤水分作為降水和植物生長(zhǎng)的直接橋梁，在不同類(lèi)型的高寒植物下土壤理化特征表現(xiàn)出明顯差異。本研究區(qū)域高寒植物生長(zhǎng)所處的淺層土壤中凋落物覆蓋，降雨截留多，該層土壤含水量高，同時(shí)根系相對(duì)比較密集，土壤總孔隙度大，土壤容重小；而隨著土層深度的增加，土壤水分含量較少，植物根系無(wú)法延伸至較深的區(qū)域，土壤總孔隙度變小，土壤容重增大。即土壤理化特征與植物之間存在相互聯(lián)系與相互作用的關(guān)系，二者之間相互依存。