祁連山東段不同植被下土壤養(yǎng)分狀況研究

姜紅梅，李明治，王 親，劉星星

（蘭州大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，西部環(huán)境教育部重點實驗室，蘭州730000）

生態(tài)系統(tǒng)中，植被與土壤是一個相互作用、相互影響、相互制約、協(xié)調(diào)發(fā)展的統(tǒng)一系統(tǒng)，土壤為植被提供必要的物質(zhì)基礎(chǔ)，而植被的出現(xiàn)也影響著土壤的形成和發(fā)育。不同植被類型影響著土壤養(yǎng)分的積累、分布與循環(huán)，而土壤養(yǎng)分含量又是植被生長的重要影響因子［1－2］。植被對土壤的影響主要表現(xiàn)在植物的枯枝落葉和死亡根系產(chǎn)生的有機質(zhì)及根系分泌物對土壤理化性質(zhì)的影響，植被防止或減輕水土流失引起的養(yǎng)分流失，植被對土壤營養(yǎng)元素的富集與再分配等作用［3］；而土壤作為植物生存的重要環(huán)境條件之一，對植物群落結(jié)構(gòu)和功能也會產(chǎn)生重要影響。一方面，土壤環(huán)境的差異會導(dǎo)致群落演替過程中物種多樣性的變化［4］；另一方面，土壤作為諸多生態(tài)過程的參與者和載體，其結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分狀況是度量生態(tài)系統(tǒng)功能恢復(fù)與維持的關(guān)鍵指標之一［5］。在土壤養(yǎng)分循環(huán)中，碳、氮、磷元素作為生命元素驅(qū)動著其他養(yǎng)分元素的循環(huán)與轉(zhuǎn)化，是養(yǎng)分元素循環(huán)的核心［6－7］。因此，通過研究土壤養(yǎng)分的動態(tài)變化，對了解不同植被類型土壤肥力和營養(yǎng)元素循環(huán)機制具有重要意義。不同學(xué)者對不同氣候帶不同植被類型下的土壤養(yǎng)分效應(yīng)開展了大量研究［8－14］，雖然結(jié)果不盡相同，但大都認為在植被恢復(fù)演替的過程中，土壤養(yǎng)分含量逐漸升高，土壤性質(zhì)向有利于植被恢復(fù)的方向發(fā)展。如Jia等［15］對子午嶺次生林的研究表明，隨著演替的進程，土壤中的有機碳、全氮、微生物量碳氮含量迅速增加。群落內(nèi)物種的變化是影響土壤物理、化學(xué)與生物特性的重要因素。不同森林植被類型下，土壤化學(xué)性質(zhì)與養(yǎng)分狀況不盡相同［16］，其對土壤理化和生物學(xué)性質(zhì)影響顯著［17］。

祁連山東段地區(qū)地處青藏、蒙新、黃土三大高原交匯帶，具典型的高寒半干旱氣候特征，氣候濕潤，植物資源種類豐富，植被和土壤的垂直變化明顯。山地森林草原植被帶是研究區(qū)主要的植被分布帶，與上下限的灌叢構(gòu)成祁連山水源涵養(yǎng)林生態(tài)系統(tǒng)的主體，是下游地區(qū)特別是石羊河流域與黃土高原西部地區(qū)重要的生態(tài)屏障。近年來由于森林砍伐、過度放牧、開礦挖藥和開荒種植，天然植被破壞嚴重，水源涵養(yǎng)能力降低，生態(tài)調(diào)節(jié)功能減弱。其中土壤侵蝕的加劇嚴重地影響著土壤的物理、化學(xué)特性，使得土壤肥力退化，對生態(tài)環(huán)境造成嚴重威脅。而較好的植被覆蓋可以有效地防控水土流失。但目前對于祁連山不同植被下的土壤養(yǎng)分狀況研究卻很少見于報道?；诖耍疚耐ㄟ^分析天?？h地區(qū)典型植被群落下不同層次土壤養(yǎng)分的變化，探討不同植被對土壤養(yǎng)分含量的影響和對土壤養(yǎng)分有效性的影響等問題，以期為中國西北地區(qū)生態(tài)環(huán)境恢復(fù)、植被建設(shè)與管理提供一定的措施依據(jù)。

1 材料與方法

1．1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于祁連山東段的天?？h，樣地位置位于36°55′－36°59′N、102°34′－102°43′E、海拔2 446～2 844 m。該區(qū)氣候寒冷潮濕，年平均氣溫－0．1℃，1月均溫－18．3℃，7月均溫12．7℃，＞0℃年積溫1 380℃，水熱同期，年日照時數(shù)2 600 h；年降水量400～420 mm，集中于7－9月3個月，年蒸發(fā)量1 590～1 600 mm，屬大陸性寒溫帶半濕潤半干旱氣候區(qū)。主要發(fā)育的土壤類型為分布在陰坡、半陰坡的森林灰褐土和分布在陽坡的山地栗鈣土。天然植被類型中喬木林主要有青海云杉（Piceacr assif olia）林、白樺（Betul apl atyphyll a）林、紅樺 （Betul aal bo－sinensis）林以及它們的混交林；灌叢主要由金露梅（Potentill af r uticosa）、銀露梅（Pltentill agl abr a）、小葉錦雞兒（Car agana micr ophylia Lam．）、小 檗 （Berberis thunber gii DC）、野薔薇（Rosa multif lor a Thunb．）等灌木組成；草地植被主要有披針苔草（Carex l anceol ata Boott）、垂穗披堿草（El y mus nutans）、早熟禾（Poa annua）、風(fēng)毛菊（Saussurea j aponica）和煙管頭草（Car pesium cer nuum Linn．）等草本植物（表1）。

表1 采樣點概況

1．2 樣地選取與樣品采集

供試土樣于2008年8月27－28日取自天?？h炭山嶺鎮(zhèn)。根據(jù)不同植被覆蓋情況選取五塊典型樣地，分別為：叢生禾草草地、銀露梅落葉灌叢、青海云杉常綠針葉林、青海云杉－白樺針闊混交林和白樺落葉闊葉林。為了降低環(huán)境因子的影響，我們選取的樣地空間鄰近、坡度坡向相似，因此各樣地間的溫度、降水等環(huán)境影響基本一致。在每塊樣地上根據(jù)均勻分布的原則布置6個樣點，利用土鉆法分層（0－20 c m和20－40 c m）取樣，將同層的土樣混合均勻并去除植物根系和石塊帶回實驗室，風(fēng)干后過篩用于土壤養(yǎng)分的測定。

1．3 測定項目與分析方法

土壤有機碳（SOC）、全氮（STN）在元素分析儀（CHNS－analyser，Elementar Vario EL，Elementar Analysensysteme Gmb H，Hanau，Ger many）上測定；銨態(tài)氮（NH4－N）、硝態(tài)氮（NO3－N）采用氯化鉀浸提流動注射分析儀法測定；全磷（STP）采用HC1 O4－H2SO4鉬銻抗比色法測定，速效磷（SAP）采用Olsen法測定。各個樣地土壤養(yǎng)分參數(shù)值為3次重復(fù)的平均值。數(shù)據(jù)經(jīng)過Excel 2003電子表格軟件整理后采用SPSS 16．0進行分析，用最小顯著差異法（LSD）進行顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2．1 土壤養(yǎng)分的剖面分布特征

不同植被覆蓋下的土壤碳、氮、磷的剖面分布具有明顯的層次性，養(yǎng)分含量總體上表現(xiàn)為表層（0－20 c m）高于底層（20－40 c m），反映了植被對土壤養(yǎng)分的表聚效應(yīng)［18］。除了部分植被覆蓋下的土壤全磷、銨態(tài)氮上下層含量差異不顯著外，其他各養(yǎng)分含量均表現(xiàn)為上層顯著高于下層（p＜0．05，表2－3）。植物根系要從土壤中大量吸收養(yǎng)分以保證植物生長的營養(yǎng)需要，同時植物吸收的養(yǎng)分又主要以凋落物的形式歸還給土壤，由于研究區(qū)氣候寒冷，凋落物分解緩慢，在土壤表層積累較多，這些因素共同作用導(dǎo)致了土壤養(yǎng)分的表聚。由于不同植物的生物學(xué)特征不同，使得其凋落物的質(zhì)和量及分解速率都有較大差異［19］，所以不同植被對土壤養(yǎng)分的表聚效應(yīng)是不同的。以土壤有機碳為例，叢生禾草覆蓋下，表層含量比底層含量高35．6%，而喬木林下平均為48．5%，說明喬木林的養(yǎng)分表聚效應(yīng)強于叢生禾草草地的養(yǎng)分表聚效應(yīng)。由于草地下地表凋落物很少，有機質(zhì)大部分來自于死亡根系腐解及根系分泌物，所以其養(yǎng)分表聚效應(yīng)很有限。

2．2 不同植被對土壤有機碳含量的影響

土壤有機碳是土壤養(yǎng)分循環(huán)轉(zhuǎn)化的核心，其含量變化是不同植被類型、土地利用方式下土壤質(zhì)量演變的重要標志［20］。從表2看出，不同植被覆蓋下土壤有機碳含量差異顯著（p＜0．05），依次為青海云杉－白樺林＞白樺林＞青海云杉林＞銀露梅灌叢＞叢生禾草草地，呈現(xiàn)從草地到灌叢再到喬木林逐漸上升的趨勢。叢生禾草草地下，由于地表凋落物很有限，所以土壤有機碳含量最低，為26．04 g／kg。隨著植被的演替，以枯枝落葉和死亡根系等形式歸還到土壤中的有機質(zhì)數(shù)量不斷增加，土壤有機碳含量也相應(yīng)升高，反映了植被演替能夠顯著促進土壤有機碳的積累。在不同喬木覆蓋下，土壤有機碳含量表現(xiàn)為青海云杉－白樺林稍高于白樺林，二者均遠大于青海云杉林。相較于青海云杉的凋落物，白樺的枯枝落葉更容易分解。至于青海云杉－白樺林覆蓋下的有機碳含量稍高于白樺下的有機碳含量，可能因為相較于其他植被類型，白樺林的郁閉度低，有機碳礦化消耗較高所致。

表2 不同植被下的土壤有機碳、全氮、全磷含量 g／kg

表3 不同植被覆蓋下土壤速效氮、速效磷含量 mg／kg

2．3 不同植被對土壤全氮、速效氮含量的影響

土壤全氮含量是衡量土壤氮素供應(yīng)狀況的重要指標，不同植被覆蓋下土壤全氮含量依次為白樺林＞青海云杉－白樺林＞銀露梅灌叢＞青海云杉林＞叢生禾草草地，各植被間差異顯著（p＜0．05，表2－3）。土壤氮素主要分布于土壤有機質(zhì)中，土壤全氮含量的變化取決于有機質(zhì)含量的變化［21］。從草地到灌叢再到喬木林，地表枯枝落葉層的分解補充與累積不斷增加，從而使得土壤全氮含量隨之升高。青海云杉林下的土壤全氮含量低于銀露梅灌叢下的土壤全氮含量，是因為青海云杉的枯枝落葉不易分解所致。就喬木林而言，土壤全氮含量表現(xiàn)為白樺林下顯著高于青海云杉林和青海云杉－白樺林，一方面是由于闊葉林會產(chǎn)生大量容易分解的枯枝落葉，另一方面是針葉林下氮素礦化作用較強，大量有機氮被轉(zhuǎn)化成了無機氮，土壤銨態(tài)氮變化情況與全氮相反，佐證了上述推論。

土壤中的速效氮主要以銨態(tài)氮（NH4－N）和硝態(tài)氮（NO3－N）的形式存在，它們是植物從土壤中吸收氮素的主要形態(tài)。不同植被下，土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量都有顯著變化（p＜0．05），但二者的變化情況差異較大（表3）。就速效氮的組成而言，銨態(tài)氮占了很大的比例，其占速效氮含量的百分數(shù)最低為銀露梅灌叢下的68．9%，最高為青海云杉－白樺林下的84．6%，這是由于研究區(qū)土壤呈微酸性、氨化作用較強而硝化作用相對較弱所致。銨態(tài)氮含量基本隨草地到灌叢再到喬木林的演替而增加，在青海云杉林下最高為20．42 mg／kg。雖然硝態(tài)氮有隨植被演替而增加的趨勢，但在青海云杉林和青海云杉－白樺混交林下卻顯著低于白樺林甚至低于銀露梅灌叢下的含量，在青海云杉－白樺林下僅為3．23 mg／kg。有試驗表明，營養(yǎng)需求量低的針葉樹通常喜好銨態(tài)氮［22］，為了滿足對銨態(tài)氮的需求，青海云杉有可能通過某種機制抑制了其林下土壤中硝化細菌的硝化作用，從而降低了硝態(tài)氮的含量；同時研究區(qū)針葉林下的地表植被覆蓋不如闊葉林，土壤侵蝕較闊葉林嚴重，導(dǎo)致硝態(tài)氮流失也較多。此外，土壤氧氣充足有利于銨態(tài)氮的氧化從而增加土壤硝態(tài)氮含量，由于白樺林的凋落物量大且容易分解，其下的土壤結(jié)構(gòu)要比針葉林下疏松，有利于硝態(tài)氮的生成。以上因素共同作用造成了青海云杉林和青海云杉－白樺林下土壤銨態(tài)氮含量高而硝態(tài)氮含量低的結(jié)果。

2．4 不同植被對土壤全磷、速效磷含量的影響

磷是一種沉積性礦物，在主要植物營養(yǎng)元素中，磷在風(fēng)化殼中的物質(zhì)遷移是最小的。表2顯示，除白樺林外，土壤全磷含量在其他植被下無顯著差異，表明不同植被對土壤全磷含量的影響不明顯。土壤全磷含量主要受土壤母質(zhì)和成土作用的影響，白樺林可能由于其較大的枯枝落葉量，導(dǎo)致全磷含量高于其他植被覆蓋下的土壤。植物生長需要的是速效磷而不是全磷，不同植被覆蓋下土壤速效磷含量差異顯著（p＜0．05，），表現(xiàn)出與土壤有機碳完全一致的變化趨勢（表3）。相關(guān)分析表明二者有極顯著的正相關(guān)關(guān)系（R＝0．940＊＊，p＜0．01），不同植被對速效磷的影響機理應(yīng)與有機碳相似。土壤中的磷被植物吸收之后又以凋落物的形式歸還土壤，相比于草地，灌叢與喬木林速效磷高，與其有較厚的腐殖質(zhì)層，土壤微生物含量高，礦化分解全磷的能力較強有關(guān)。而喬木林中青海云杉林下速效磷含量最少，與針葉林對速效磷的消耗較大有關(guān)。

3 討 論

徑流、淋溶損失是養(yǎng)分從土壤－植物生態(tài)系統(tǒng)中流失的主要途徑之一。研究區(qū)主要發(fā)育的山地栗鈣土和森林灰褐土，成土過程中腐殖質(zhì)積累過程較為強烈，加之該區(qū)降水量小，淋溶過程較弱，從而使土壤養(yǎng)分累積在土壤表層。在同一氣候和土壤條件下，所覆蓋的植被類型不同，土壤的理化性質(zhì)有差異，反映了土壤特性除了與其成土母巖、氣候和自然理化性質(zhì)有密切關(guān)系外，植被的作用也不可忽視［23］。植被對土壤養(yǎng)分具有表聚效應(yīng)，而土壤養(yǎng)分的表聚為地表植被的生長提供了豐富的營養(yǎng)元素，使地表的覆蓋度增加，有效地減輕了土壤侵蝕，降低了土壤養(yǎng)分的流失，從而表現(xiàn)出植被與土壤相互促進的循環(huán)演替進程。

土壤有機碳和全氮作為土壤微生物的能量和細胞構(gòu)成要素，二者含量的多少會影響土壤中微生物的數(shù)量，從而影響土壤養(yǎng)分的長期積累和植物生長。對不同植被覆蓋下的土壤有機碳與全氮進行線性分析，回歸方程為y＝0．1268x＋0．2185，R2＝0．8141（y——土壤全氮；x——土壤有機碳）。土壤全氮含量隨土壤有機碳的增加而升高，充分證明有機質(zhì)的積累對土壤有機碳和全氮含量具有重要影響。不同植被對土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和速效磷等速效養(yǎng)分的影響與對土壤有機碳的影響基本相似，雖然受不同植被養(yǎng)分吸收差異以及養(yǎng)分本身流失潛力不同等因素的影響，各速效養(yǎng)分的變化情況互有不同，但總的變化趨勢大體一致，說明土壤有機碳在維持土壤養(yǎng)分庫、提高土壤養(yǎng)分有效性方面起著重要作用［24］。硝態(tài)氮是土壤－植物系統(tǒng)中流失潛力最大的速效養(yǎng)分。本研究中，青海云杉林通過抑制硝化作用使土壤銨態(tài)氮占優(yōu)勢，對于促進林下土壤肥力，防止氮素流失具有重要的現(xiàn)實意義。但青海云杉的凋落物分解緩慢，對于有機質(zhì)的輸入有一定的限制作用；而白樺林由于林下容易分解的大量枯枝落葉，可為土壤提供豐富的有機質(zhì)，但其林下土壤硝態(tài)氮含量最高，因此養(yǎng)分流失的潛力也最大；而青海云杉－白樺混交林下的土壤硝態(tài)氮含量在喬木林中最低，且其他養(yǎng)分含量也不遜于青海云杉林和白樺林；另外，青海云杉林對速效磷的消耗較大，使林下土壤速效磷含量較其他林相相對匱乏。綜上，青海云杉－白樺混交林樹種優(yōu)勢互補，提高了物種的多樣性，增強了土壤－植被系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使土壤養(yǎng)分保持較高的平衡狀態(tài)，有效防止了土壤質(zhì)量的退化，所以其養(yǎng)分效應(yīng)要強于本研究中的其他植被。

4 結(jié) 論

（1）不同植被覆蓋下0－20 c m土層土壤養(yǎng)分含量顯著高于20－40 c m土層，植被對土壤養(yǎng)分具有表聚效應(yīng)，受凋落物量等因素的影響，喬木林的表聚效強于灌叢與草地。

（2）植被演替有助于土壤養(yǎng)分的積累，表現(xiàn)為隨著上覆植被從草本植物到灌叢再到喬木的變化，土壤有機碳、全氮、銨態(tài)氮和速效磷等養(yǎng)分均呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢；植被對土壤全磷影響不大。

（3）青海云杉－白樺混交林在對土壤養(yǎng)分的積累以及維持土壤養(yǎng)分的平衡狀態(tài)方面要強于本研究中的其他植被。通過人工調(diào)節(jié)的手段來促進混交林的保護和更新，可使生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)得以良性循環(huán)。

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