大興安嶺干旱陽坡土壤水分和養(yǎng)分變異性研究

付志祥，孫海龍，劉道錕，周 林

(東北林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，哈爾濱 150040)

土壤作為植物所需水分和養(yǎng)分的主要提供者，土壤水分和養(yǎng)分的空間分布直接影響著植物群落的分布、演替和生產(chǎn)力[1]，彭晚霞等[2]和劉淑娟等[3]在喀斯特峰從洼地研究發(fā)現(xiàn)該地區(qū)土壤水分和養(yǎng)分指標(biāo)均隨植被正向演替(草地、灌木林、次生林、原生林)而增加，劉彬等[4]也發(fā)現(xiàn)干旱河谷土壤水分、養(yǎng)分明顯低于相鄰森林；同時，研究也發(fā)現(xiàn)隨坡面位置變化，喀斯特、干旱河谷和黃土高原等地區(qū)坡面的土壤水分和養(yǎng)分也發(fā)生明顯變化，并影響植被的分布和群落生產(chǎn)力[3-6]。而且，土壤特征的研究一直是退化生態(tài)系統(tǒng)研究的核心問題[7-9]。因此，認(rèn)識退化植被的土壤水分和養(yǎng)分變化規(guī)律，對人工調(diào)控植被演替、促進退化生態(tài)的恢復(fù)具有重要意義。

大興安嶺是我國重要的林區(qū)，由于頻繁的采伐和火燒破壞導(dǎo)致該區(qū)干旱陽坡植被嚴(yán)重退化[10]，在坡面的中下部植被主要以草叢和灌草叢為主，而在坡面的上部或頂部直至陰坡以次生闊葉林為主。在經(jīng)過干擾后該區(qū)干旱陽坡不同坡位植被分布出現(xiàn)差異的原因目前還很少有人進行探討，尤其對坡面土壤水分和養(yǎng)分的時空分布特征與植被分布的關(guān)系還了解較少。本文通過對干旱陽坡不同退化植被類型土壤水分、養(yǎng)分特征的分析，探討干旱陽坡土壤水分、養(yǎng)分在不同植被類型和不同地貌部位的變化規(guī)律，進而為大興安嶺干旱陽坡的恢復(fù)提供理論依據(jù)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究地自然概況

研究地點位于黑龍江省大興安嶺加格達(dá)奇區(qū)的大興安嶺農(nóng)林科學(xué)研究院實驗基地塔列圖施業(yè)區(qū)，地理坐標(biāo)為E124°02′-N50°15′。該地區(qū)屬于寒溫帶大陸季風(fēng)性氣候，年平均氣溫為-1.2℃，年度極端最高氣溫32.8℃，年度極端最低溫-40.2℃，年平均有效積溫2 100℃，日照時數(shù)2 671 h，年無霜期平均80 d，年均降雨量460 mm[11]。研究區(qū)地帶性土壤為暗棕壤，土層較薄，一般在30～40 cm，下多石礫，土體內(nèi)礫石含量高達(dá)30％～50％，以壤質(zhì)為主；土壤呈酸性，pH值為4.5～6.5。

研究區(qū)植被特點為陽坡，是退化的草叢和灌草叢，陽坡或半陽坡的山脊是天然次生闊葉林。3種植物群落的主要種類組成為：

(1)草叢，主要有苔草(Carextristachya)、香蒿(Artemisiacarvifolia)、委陵菜(Potentillaaiscolar)、興安天門冬(Asparagusdauricus)、銀柴胡(RadixStellariae)、鳶尾(Irisuniflora)和小葉樟(Calamagrostisangustifolia)等。

(2)灌草叢，灌木主要有西伯利亞山杏(Armeniaeasibiriea)和春榆(Ulmusjaponica)等，草本主要有苔草(Carextristachya)、艾蒿(Artemisiaargyi)、裂葉蒿(Artemisialaciniata)、敗醬(Patriniascabiosaefolia)和委陵菜(Potentillaaiscolar)等。

(3)山脊次生林，喬木層主要包括黑樺(Betuladahurica)、白樺(Betulaplatyphylla)、山楊(Populusdavidiana)和蒙古櫟(Quercusmongolica)等，林下灌木以胡枝子(Lespedezabiocolor)為主。

圖1 土壤取樣點布設(shè)示意圖

1.2 研究方法

1.2.1 土壤樣品采集

土壤樣品采集時間為：2012年8月1日-5日，期間無降水。選擇植被為灌草叢和草叢的典型干旱陽坡各2個，利用樣線法(線形取樣法，Transect)進行調(diào)查取樣[12]，每個干旱陽坡各設(shè)置1條樣線。樣線從陽坡山腳以垂直等高線直到陰陽坡交界處(或不同植被交界處)，再從交界處將樣線繼續(xù)延長50 m。取樣時沿樣線叢山腳每隔10 m設(shè)1個點，每個樣點分0～10 cm和10～20 cm土層取樣，分別取鮮土裝入鋁盒稱重，以測定土壤水分，并取部分鮮土裝入封口袋內(nèi)用于土壤養(yǎng)分分析，同時記錄該樣點海拔，土層厚度，估算石礫含量(如圖1所示)。選擇的灌草叢樣地坡度為25°～28°，草叢樣地坡度為30°～33°，山脊林地樣地坡度5°～15°。共計灌草叢32個樣點，草叢22個樣點，山脊林地20個樣點。

表1 干旱陽坡不同植被類型的土壤水分和養(yǎng)分含量

不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)

1.2.2 土壤水分和養(yǎng)分測定

土壤樣品帶回實驗室后，利用烘干法測定土壤含水量(SM)。封口袋內(nèi)土壤樣品風(fēng)干后過篩，用于土壤養(yǎng)分分析。土壤全碳(TC)和全氮(TN)利用元素分析儀(Vario MACRO，elementar)進行測定，土壤全磷(TP)、全鉀(TK)用硫酸-高氯酸酸熔-鉬銻抗比色法——火焰光度法測定[13-14]，土壤速效磷(AP)用鹽酸-硫酸雙酸浸提-鉬銻抗比色法測定[14]，速效鉀(AK)用醋酸浸提-火焰光度法測定[14]，堿解氮(AN)用堿解擴散法測定[14]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

本實驗數(shù)據(jù)采用Excel2010和SPSS19.0進行統(tǒng)計分析，利用SigmaPlot10.0作圖。采用方差分析(ANOVA)判斷不同植被類型及不同地貌部位土壤水分和養(yǎng)分的差異性，用最小顯著差數(shù)法(LSD)檢驗差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱陽坡不同植被類型土壤水分和養(yǎng)分含量的差異

由表1可知，不同植被類型間土壤含水量(SM)差異明顯，均表現(xiàn)為山脊林地>灌草叢>草叢，其中山脊林地顯著高于草叢和灌草叢(P<0.01)。兩土層之間土壤含水量差異均表現(xiàn)為0～10 cm土層較高，但差異不顯著(P>0.05)，而且兩土層之間差值也表現(xiàn)為山脊林地>灌草叢>草叢。不同植被類型間TC、TN、TP、AN、AP、AK和C/N均表現(xiàn)為山脊林地>灌草叢>草叢，且具有顯著差異(P<0.05)，但是TK表現(xiàn)為灌草叢>草叢>山脊林地(P<0.05)。0～10 cm土層各養(yǎng)分含量均高于10～20 cm土層，但是僅各植被類型土壤的TC、TN、AK和C/N，及山脊林地土壤的AN、TP具有顯著差異(P<0.05)。

圖2 草叢不同地貌部位的土壤特征變化規(guī)律

2.2 干旱陽坡不同地形部位土壤水分和養(yǎng)分含量的差異

由圖2可知，干旱陽坡草叢植被SM均表現(xiàn)為山脊林地最高，坡上和坡下次之，坡中最低的趨勢，其中0～10 cm土層不同地形部位之間差異顯著(P<0.05)。TC和TP在0～10 cm土層最高值均出現(xiàn)在山脊林地，其次為坡下，最低為坡中和坡上，其中山脊林地顯著高于其它坡位(P<0.05)，而在10～20 cm土層各地形部位差異不顯著。TN和AN兩土層均表現(xiàn)為坡上、坡中和坡下相差較小，而山脊林地顯著較低的格局。與TN和AN相反，TK表現(xiàn)為山脊林地顯著較高，而其它地形部位差異較小的格局。AP在不同地形部位之間差異顯著(P<0.05)，兩土層均表現(xiàn)為：山脊林地>坡下>坡中>坡上。AK與C/N在不同地形部位間差異顯著，均表現(xiàn)山脊林地>坡上>坡下>坡中。

由圖3可知，干旱陽坡灌草叢植被的SM在不同坡位間具有顯著差異(P<0.05)，不同地形部位大小次序與草叢相似。TC、TN、TP、AN、AK和C/N在不同地形部位間差異顯著(P<0.05)，均表現(xiàn)為最高值出現(xiàn)在山脊林地，其次為坡上，最低為坡中和坡下的格局，但是10～20 cm土層TN和AN在坡下表現(xiàn)為較高數(shù)值。TK在坡下、坡中和坡上之間差異較小(P>0.05)，但是均顯著高于山脊林地。與草叢相似，灌草叢AP在不同地形部位差異顯著(P<0.05)，均表現(xiàn)為山脊林地和坡上較高，坡中和坡下較低的格局。

3 結(jié)論與討論

3.1 不同植被對土壤水分、養(yǎng)分的影響

本研究結(jié)果表明：除了TK外，干旱陽坡草叢和灌草叢，以及山脊林地的土壤水分與養(yǎng)分均表現(xiàn)為山脊林地>灌草叢>草叢，這與其他研究者在喀斯特[3，15-16]和干旱河谷[4]等地區(qū)的研究結(jié)果相似。與其他研究中大興安嶺地區(qū)的土壤養(yǎng)分特征[17-19]相比，本研究中草叢下土壤的TA含量明顯較低，同時本研究中不同植被類型間土壤AP的差異也最大(見表1)，這表明植被的退化加劇了土壤中速效磷的貧瘠化[15]，使植被群落朝著耐貧瘠和干旱的群落類型方向發(fā)展，因此，提高土壤中有效磷的供應(yīng)將促進該地區(qū)森林植被的恢復(fù)。土壤SM在山脊林地與灌草叢和草叢間的差異也較大，這可能與處于山脊的次生林地坡度較小，且部分處于陰坡，而且有樹木遮陰和較厚的凋落物層，能夠截留更多的降水和抑制土壤水分蒸發(fā)有關(guān)，而草叢和灌草叢位于陽坡，且坡度較大，土壤蒸發(fā)量大，降水的截留能力弱，同時土壤養(yǎng)分也流失較多，因此土壤SM和速效養(yǎng)分均較低。

圖3 灌草叢不同地貌部位的土壤特征變化規(guī)律

3.2 坡位對土壤水分、養(yǎng)分的影響

本研究中干旱陽坡的草叢和灌草叢土壤SM、TC、TP、AP、AK、和C/N均表現(xiàn)為山脊林地較高，而土壤TK在山脊林地最低的格局，這與植被類型間的差異一致，而干旱陽坡草叢土壤的TN和AN最高值未出現(xiàn)在山脊林地，這主要與草叢兩條樣線上方的林地仍為陽坡有關(guān)(如圖1所示)。一般在不同坡位由于降雨后徑流侵蝕的差異，土壤水分和養(yǎng)分通常表現(xiàn)為洼積效應(yīng)或坡下較高的趨勢[20]，這也是本研究中草叢植被坡下土壤的SM、TC、TP、TK和AP高于坡上和坡中的原因。

與草叢植被不同，除了TK灌草叢植被土壤表層的水分和養(yǎng)分均表現(xiàn)為坡上高于坡下和坡中格局，這與灌草叢坡上部坡度越緩，地表徑流速度較小，從而更有利于降水的入滲有關(guān)(如圖1所示)[21]。另外，灌草叢植被坡下和坡中土壤水分、養(yǎng)分較低還與人為干擾有關(guān)，由于陽坡是放牧的重要場所，動物取食減少了植被凋落物的歸還量，因此降低了土壤表層的養(yǎng)分，這種影響在灌草叢植被尤其明顯，可能與灌草叢坡地坡度較緩，以及動物的取食偏好有關(guān)。

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