祁連山南坡微地形下典型生態系統土壤蓄水能力差異

袁 杰, 曹廣超, 曹生奎, 袁有靖, 張 虔, 蒲 妮

(1.青海師范大學.青藏高原地表過程與生態保育教育部重點實驗室, 西寧810008;2.青海師范大學.地理科學學院.青海省自然地理與環境過程重點實驗室, 西寧810008;3.青海省人民政府—北京師范大學 高原科學與可持續發展研究院, 西寧810008; 4.青海省地質環境調查院, 西寧810008)

土壤作為陸地生態系統的重要組成部分,是連接大氣和地上地下生物的重要樞紐,發揮著重要的水文調節功能,維持著生態系統的能量平衡[1]。其中作為疏通劑,土壤水分的多少及存在形式不僅對土壤形成發育過程有重要影響,而且是土壤物質遷移和運動的載體。因此土壤蓄水能力在區域產流和水文循環方面起著重要作用,是研究區域內水源涵養的重要指標,準確揭示土壤蓄水能力可以更好地反饋未來變化環境下山區水源涵養的重點構建能力[2]。國內外對土壤蓄水性能的研究集中于外界因素的影響,如不同生態環境、不同氣候以及土壤水滲透性能等方面[3-6],針對微地形影響下土壤蓄水能力的研究較少。地形因子對土壤水分空間分布有重大影響,坡向、坡位更是影響土壤蓄水能力坡面尺度變異的重要地形因素,不同坡向坡位下土壤蓄水能力的差異性尚有待深入研究。

祁連山作為西北內陸干旱區重要的水源涵養區,其生態環境的好壞,直接關系到河西走廊、西北部地區的生態安全,甚至可能會引起黑河下游甘肅及內蒙古兩省區的生態環境經濟問題,由于重要的地理位置和水源涵養功能,祁連山生態環境問題近年來受到學術界持續關注[7-10]。但整體來看,在該區仍然缺少微地形影響下土壤蓄水性能的相關研究。基于此,以祁連山微地形為研究對象,深入分析坡位坡向對土壤蓄水能力的影響,才能為該區精準實施提高土壤界面水源涵養功能提供基礎參考。

1 研究區概況

研究區位于祁連山南坡中段,地理位置為97°16′—101°11′E,38°11′—40°13′N。地勢整體南高北低、地形復雜多變,山地、平原相間排列,長年受西風帶和東南季風影響,屬于典型大陸性高原氣候[11]。冬季寒冷干燥,夏季溫涼濕潤,降水主要集中在5—9月,年降水量約300～700 mm,其中夏季降水量約占全年的86%,同時降水量整體呈由東向西減少趨勢[12-13]。研究區以干旱半干旱植被為主,廣泛分布喬本科(Gramineae)、莎草科(Cyperaceae)植被,以及少數的狼毒(Stellerachamaejasme)、薔薇科(Rosaceae)和委陵菜屬(Potentillachinensis)。受地形、氣候和植被影響,該區土壤垂直分帶明顯,隨海拔自下而上依次為栗鈣土、黑鈣土、灰褐土、山地草甸土、高山草原土、高山草甸土、寒漠土[12]。

2 材料與方法

2.1 樣地布設與樣品采集

試驗選取該區腹地普遍分布的典型坡地,陰陽坡分別為青海云杉(北東向)和高山草地(西南向),采樣時間為2021年8月(圖1)。以“倒V”形路線,自高山草地坡底至青海云杉坡底,共設置11個樣地,根據實地情況,參考海拔梯度,分別在兩類典型生態系統坡底(PD)、坡底上(PDS)、坡中(PZ)、坡中上(PZS)、坡上(PS)、公共坡頂(PSD)設3個1 m×1 m樣方,共計33個樣方。利用土鉆環刀法進行土壤樣品分層采集,采樣間隔為10 cm,采樣深度為0—50 cm,共采集165件土壤樣品。將土壤樣品現場稱重后,裝入透明無菌袋封裝并標號,每類樣地均利用手持GPS記錄地理坐標、植被蓋度、海拔高度、坡度等樣地信息。

圖1 采樣區示意圖

2.2 樣品測定和數據處理

本研究所有試驗均在青海省自然地理與環境過程重點實驗室中完成。土壤蓄水能力分別由土壤貯水量和土壤飽和蓄水量進行指代,其中土壤貯水量為土壤實際蓄水能力[12],土壤飽和蓄水量為一定土層厚度土壤孔隙中水分達到飽和時的量,代表土壤潛在蓄水能力[12,14],計算公式見表1。

表1 土壤蓄水能力指標計算公式

其余土壤理化性質測定:(1) 土壤粒度使用英國Malvern公司制造的 Mastersizer2000型粒度儀進行測試,詳細過程不再贅述,詳見文獻[15]。(2) 土壤pH采用pH(pH-3c)計進行測試[16]。(3) 土壤有機質采取重鉻酸鉀氧化法[16]。通過上述方法測定完成所有指標后,運用Graphpad Prism7.0軟件完成數據統計、差異性分析及圖表制作工作。

3 結果與分析

3.1 高山草地土壤蓄水能力差異分析

由圖2可知,高山草地在PD,PZS,PS處土壤貯水量均隨土層深度增加而減少;PZ,PDS,PSD處土壤貯水量隨土層深度增加呈先增后減趨勢。不同坡位0—50 cm土層土壤貯水量均值以PZS處為界呈先減后增趨勢,界下隨坡位的增加減小趨勢明顯,界上呈增大趨勢。其中PD處土壤貯水量最大,顯著大于PZ,PZS,PS,PSD處土壤貯水量(p<0.05),PZS處土壤貯水量最小,顯著小于PD,PDS及PZ處土壤貯水量(p<0.05)。

注：不同小寫字母代表在顯著性水平p<0.05上存在顯著差異,下同。

綜上,可以看出坡位顯著影響土壤中水分貯存量,在研究區微地形高山草地所在陽坡區域,土壤水分貯存量沿坡位上升呈減少狀態,坡中上(PZS)為土壤水分貯存量最低坡位。

由圖3可知,高山草地土壤飽和蓄水量除PD和PZS變化規律不明顯之外,其余坡位均表現出隨土層深度增加而減小。與土壤貯水量不同,高山草地PSD處各土層土壤飽和蓄水量均大于其余坡位。不同坡位土壤飽和蓄水量均值在PD-PZ-PZS處差異較小,自PZS處開始高山草地土壤飽和蓄水量呈跳躍式增加趨勢,在PSD處土壤飽和蓄水量均值最大且顯著大于其他坡位(p<0.05),其他坡位之間僅PZ處和PZS處存在顯著差異(p<0.05)。

圖3 不同坡位高山草地土壤飽和蓄水量差異性分析

綜上,通過高山草地土壤貯水量和飽和蓄水量隨坡位變化差異分析可知,高山草地PZS處土壤實際水分和土壤潛在蓄水能力均最低且整體蓄水能力與其他坡位存在顯著差異,因此在研究區該坡向上,坡中上(PZS)區域應重視保水增蓄工作。

3.2 青海云杉土壤蓄水能力差異分析

由圖4可知,青海云杉PSD,PZS,PDS處各土層土壤貯水量明顯大于其他坡位,說明上述坡位土壤持水能力均大于其他坡位。此外除PSD外,其他坡位土壤貯水量均隨土層深度增加而減小。青海云杉土壤貯水量隨坡位增加呈“增減”型變化趨勢。其中PD,PZ,PS坡位之間土壤貯水量無顯著差異性(p>0.05),而PDS,PZS,PDS坡位與其他坡位之間均存在顯著差異(p<0.05)。可以看出青海云杉土壤貯水量總體上符合坡位越高土壤持水能力越強的特點。因此,坡位同樣顯著影響青海云杉土壤水分貯存量,在研究區微地形下青海云杉所在陰坡區域,土壤貯水量沿坡位上升呈增大趨勢,坡頂處(PSD)為土壤水分貯存量最大坡位。

圖4 不同坡位青海云杉土壤貯水量差異性分析

不同坡位青海云杉土壤飽和蓄水量基本隨土層深度增加而減小(圖5)。土壤飽和蓄水量隨坡位增加呈三段式分布,具體來看PZ-PZS>PD-PDS>PS-PSD,說明陰坡青海云杉林PZ-PZS區域土壤潛在蓄水能力最強,其次是PD-PDS處,PS-PSD土壤潛在蓄水能力最弱。

圖5 不同坡位青海云杉土壤飽和蓄水量差異性分析

3.3 不同坡向典型生態系統土壤蓄水能力差異分析

研究區多分布此類微地形,具體表現為各微地形陰陽坡植被分異極為明顯,即陽坡基本發育為高山草地,陰坡基本發育為青海云杉。為進一步揭示微地形對土壤蓄水能力的影響,分別分析不同坡向同一坡位土壤蓄水差異性。由圖6可以看出,除0—10 cm土層外,陰陽坡土壤貯水量基本以PZS為界,界下各坡位土壤貯水量差異顯著(p<0.05),界上不顯著(p>0.05)。同時可以看出高山草地土壤水分貯存量整體大于青海云杉。

圖6 不同坡向典型生態系統土壤貯水量差異性分析

不同坡向土壤飽和蓄水量差異分析見圖7。與土壤貯水量不同,青海云杉各坡位土壤潛在蓄水能力整體大于高山草地。PZS處同樣是兩類典型生態系統土壤潛在蓄水能力產生明顯差異區域,即自PD-PZS,兩類生態系統土壤飽和蓄水量在坡位和土層尺度均表現出極顯著差異性;而自PZS向上,兩者在坡位和土層尺度上土壤飽和蓄水量差異性趨弱,說明PZS以下坡位是兩類生態系統土壤蓄水能力核心區域。

圖7 不同坡向典型生態系統土壤飽和蓄水量差異性分析

綜前所述,由于微地形影響,兩類典型生態系統土壤蓄水能力明顯存在差異。可以看出在微地形塑造下高山草地(陽坡)土壤實際蓄水量整體高于青海云杉;而青海云杉(陰坡)土壤潛在蓄水能力均大于高山草地。此外PZS是兩類生態系統土壤蓄水能力產生差異最為明顯的坡位。

4 討論與結論

4.1 討 論

祁連山是西北內陸干旱區重要的水源涵養區之一,對于該區水源涵養方面的研究一直是學術界研究的重點[7-10]。團隊自2013年在祁連山南坡進行相關研究過程中發現,在該區腹地多現如圖1所示地形(本研究中稱為“微地形”)且伴有一個顯著特點,即以地形脊頂為中心陽坡均為高山草地,陰坡均為青海云杉。但以往眾多研究中忽略此類微地形下土壤蓄水能力的相關研究,使得量化該區土壤界面水源涵養量時缺少了參考依據。因此研究微地形對土壤蓄水能力的影響對精確挖掘祁連山水源涵養潛力具有重要意義。

坡向和坡位因改變局地土壤形態、水熱條件、植被分布被認為是影響土壤蓄水能力發生差異的重要地形因素[17-18]。本研究發現,坡位顯著影響了土壤中水分貯存量,直接影響各土壤層中土壤水分貯存量的大小。在陽坡土壤水分貯存量沿坡位逐漸增加呈減少狀態,坡中上(PZS)土壤水分貯存量最低;而土壤飽和蓄水量作為土壤潛在蓄水能力,坡位對其影響較小,各坡位之間土壤飽和蓄水量差異較小。總體上高山草地土壤蓄水能力在PZS處最小,對該坡位區的水土保持工作應引起重視。在陰坡,坡位同樣顯著影響著青海云杉土壤水分貯存量,土壤中水分貯存量沿坡位逐漸增加呈增大趨勢,坡頂處(PSD)為土壤水分貯存量高坡位。

通過對比發現研究區地形塑造下高山草地(陽坡)土壤實際蓄水能力在不同坡位均高于青海云杉,受坡位影響大;高山草地土壤潛在蓄水能力在不同坡位上相差不大,受坡位影響小。青海云杉(陰坡)土壤實際蓄水能力和潛在蓄水能力均同樣受到坡位影響,但其土壤實際蓄水能力小于陽坡(高山草地),造成差異的主要原因在于大氣降水多被青海云杉林冠層進行截留,加之地表枯落物層和腐殖質層的吸收,導致土壤中實際貯水量較高山草地小,但枯枝落葉影響下的土壤飽和含水量有良好表現,潛在蓄水能力強于陽坡草地。

海拔梯度也是影響土壤蓄水能力的重要因素之一[18]。如圖8所示,整個微地形海拔梯度介于2 090～3 120 m,以30 m為間隔分別探討海拔梯度對土壤蓄水能力的影響。分析可見隨海拔梯度的增加,在一定高度范圍(3 090 m以下)高山草地土壤貯水量呈減少趨勢,高于3 090 m的坡頂處土壤貯水量有所增加;高山草地土壤飽和蓄水量隨海拔梯度基本變化不大,這與上文分析結果一致。

注：“*”代表在顯著性水平0.05上存在顯著差異,“**”代表在顯著性水平0.01上存在顯著差異,下同。

不同于陽坡,海拔梯度對陰坡土壤貯水量和土壤飽和蓄水量均產生了較為復雜的影響(圖9)。可以看出青海云杉土壤貯水量在3 000～3 030 m和3 060～3 090 m海拔梯度上土壤貯水量最大,其余海拔梯度間土壤貯水量差異不大。青海云杉土壤飽和蓄水量隨海拔升高呈增大趨勢,但坡頂處土壤飽和蓄水量明顯減小。

圖9 海拔高度對青海云杉土壤蓄水能力影響分析

海拔不同,山體垂直方向溫度和降水格局會發生明顯改變,在同一海拔梯度內,坡向的不同直接決定了其太陽輻射的接受量,從而與坡度一起改變整個山體的土壤水文過程[19]。分析結果顯示,陽坡(高山草地)土壤實際貯水量隨海拔梯度升高依次減小,而土壤潛在蓄水能力在不同海拔梯度雖有差異但不顯著,說明在陽坡一方面隨海拔梯度的上升,受到太陽輻射影響,土壤蒸發變強,土壤貯水量隨之減小;另一方面陽坡高山草地土壤質地較為均質,因此表現出土壤實際貯水量和土壤潛在蓄水能力的不一致性。陰坡(青海云杉)土壤實際貯水量隨海拔升高無明顯規律,但在3 000～3 900 m出現了高峰值,這與其他學者[20-21]坡中土壤含水量較大的結論具有相似之處;青海云杉土壤潛在蓄水能力自坡底至坡頂均大于陽坡(高山草地),究其原因與云杉林對土壤結構的塑造能力有關。

除地形因子外,土壤理化指標也是影響土壤蓄水能力的重要因素之一[22]。分別選取土壤容重、土壤質地、土壤有機質及土壤pH分別與不同坡向土壤蓄水能力指標進行相關性分析。可以看出由于坡向不同,土壤理化性質同樣發生明顯差異,進一步影響土壤蓄水能力。研究區陰坡為云杉林,林內地表積累一定厚度枯落物層(10 cm左右)且常年陰濕,有機質層與腐殖質層之間轉換強度遠較高山草地強烈,加之云杉林龐大根系結構,致使云杉林土壤結構松散,容重較低,因此可以發現云杉林土壤貯水量分別與土壤容重呈顯著負相關(p<0.01),與有機質呈顯著正相關(p<0.01);此外陰濕環境和疏松土壤結構同樣極易導致云杉林土壤酸性較陽坡草地強,一般認為酸性土壤質地疏松,透氣透水性更強,因此云杉林土壤貯水量還與pH值呈顯著正相關(p<0.01),同時這也能進一步解釋上文圖6中陽坡草地土壤貯水量顯著大于陰坡云杉林的原因:云杉林土壤結構疏松、容重小、孔隙多,透氣透水性強,水分極難貯存在土層中,因此表現出土壤貯水量顯著小于陽坡草地的特征。陽坡草地為西南向,地表無枯枝落葉層且輻射蒸發作用強,土壤發育強度遠低于陰坡云杉林,土壤結構更易堅硬,容易板結,在這種情況下,土壤中細顆粒組分越多,土壤水分越難以貯存在土壤中,而分析中發現不但陰坡土壤中細顆粒組分顯著大于陽坡,而且陽坡草地土壤貯水量顯著大于陰坡(圖6),說明陽坡草地土壤水分很大程度上與土壤質地中細顆粒組分相關。表2中陽坡土壤貯水量僅與土壤黏粒組分呈顯著負相關(p<0.01)能較好的證明上述觀點。

表2 土壤貯水量與各理化指標相關性Table 2 Correlation between soil water storage and each physicochemical index

土壤飽和蓄水量作為土壤潛在蓄水能力,與土壤總孔隙度直接相關,而土壤孔隙度又直接受土壤容重、土壤有機質及土壤質地影響。如上文所言,陰坡云杉林由于自身生境影響,土壤有機質層發育強烈,結構疏松,透氣透水性強,因此土壤飽和蓄水量顯著高于陽坡草地(圖7),分別與土壤有機質(p<0.000 1)、黏粒(p<0.001)、粉砂粒(p<0.05)、砂粒(p<0.001)呈顯著相關性;而陽坡草地雖然土壤結構更加緊實,有機質層發育弱于云杉林,但土壤飽和蓄水量是土壤孔隙中水分達到飽和時的量,主要受土壤質地和容重影響,因此陽坡草地土壤飽和蓄水量同樣與土壤有機質和土壤質地呈顯著相關(表3)。

綜上,分別從地形因素和土壤理化性質兩個方面探討了影響土壤蓄水能力的影響因素,有別于該區其他研究,本研究基于祁連山區普遍存在的微地形,分別分析了微地形下以青海云杉和高山草地為主導植被的陰、陽坡土壤蓄水能力差異,分析中地形對植被群落再塑造而產生的蓄水能力差異是顯而易見的。在地形影響下,不同坡向植被受到的水熱條件也隨之不同,因此形成了由圖2所示的特有植被分異山體,加之后期不同生態系統對土壤的再影響導致兩種坡向下土壤蓄水能力發生了明顯的差異,這與趙海鵬等人[23]關于坡面尺度土壤水熱的研究結果類似。此外,與相關研究[9,24]得出的在該區草地生態系統水源涵養能力最強的結論不一致的是本研究中青海云杉土壤界面水源涵養能力要強于草地,主要體現在陰坡(青海云杉)土壤飽和蓄水能力顯著高于陽坡(高山草地),原因在于云杉林地表積累了一定厚度枯落物,加之陰冷潮濕,地表腐殖質累積厚,土壤疏松,土壤孔隙度隨之遠大于陽坡(高山草地),透氣透水性強,因此在降水期,能夠更好保留水分,涵養水源。

4.2 結 論

(1) 在本研究區域,坡位顯著影響了土壤中水分貯存量,在陽坡土壤中水分貯存量沿坡位上升逐漸呈減少狀態,坡中上為土壤水分貯存量最低的坡位;在陰坡土壤中水分貯存量沿坡位上升逐漸呈增多狀態,坡頂處為土壤水分貯存量高的坡位,坡中上至坡頂區域應當在水土保持工作中引起足夠重視;

(2) 青海云杉(陰坡)各坡位土壤潛在蓄水能力均高于高山草地(陽坡),自坡底至坡中上,兩類典型生態系統土壤飽和蓄水量在坡位、土層均表現出了極顯著差異性,但自坡中上開始,兩者在坡位和土層尺度上土壤飽和蓄水量差異性趨弱,說明坡中上以下坡位是兩類生態系統土壤蓄水能力核心區域。