托木爾峰國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)臺(tái)蘭河上游不同海拔草地土壤持水能力研究

馬國(guó)飛， 滿蘇爾·沙比提， 張雪琪

(新疆師范大學(xué) 地理科學(xué)與旅游學(xué)院， 新疆 烏魯木齊 830054)

草地是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，草地生態(tài)系統(tǒng)的健康與穩(wěn)定依賴(lài)于土壤系統(tǒng)功能的完善[1]。天然草地不僅能夠截留降水，而且有著較高的滲透性和保水能力，在水源涵養(yǎng)、水土保持及改良土壤等方面具有重要意義[2]。草地生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能以土壤蓄水為主[3]，而土壤的水源涵養(yǎng)能力受不同氣候、地形[4-5]、植被類(lèi)型[6]、土地性質(zhì)[7]以及人類(lèi)活動(dòng)[8]的影響而有所差異。海拔作為重要的地形因子，氣溫和降水在海拔梯度上呈現(xiàn)出明顯的空間分異特征，這一特征同時(shí)也深刻反映在不同海拔的生物群落組成、植被類(lèi)型及土壤性狀等方面。近年來(lái)，不同尺度下草地土壤水源涵養(yǎng)功能的研究已成為國(guó)際生態(tài)水文研究的熱點(diǎn)課題[9-11]。國(guó)內(nèi)也對(duì)草地土壤水源涵養(yǎng)能力的空間異質(zhì)性及其影響因素開(kāi)展了諸多研究[3,12-13]，而對(duì)天山托木爾峰國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)的相關(guān)研究還未見(jiàn)報(bào)道。

天山托木爾峰國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)位于新疆阿克蘇地區(qū)溫宿縣境內(nèi)(E 79°50′～80°54′，N 41°40′～42°04′)，保護(hù)區(qū)東西長(zhǎng)105 km，南北寬28 km，總面積23.76×104hm2，是我國(guó)少有的高山自然保護(hù)區(qū)，主要以高山冰川和野生動(dòng)植物及其生境保護(hù)為主，也是以水源涵養(yǎng)、生態(tài)旅游和科學(xué)研究為一體化的綜合性國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)。自然保護(hù)區(qū)海拔1 450～7 443 m，垂直高度差近6 000 m，共發(fā)育了從暖溫帶、荒漠帶到冰雪帶7個(gè)垂直自然帶，形成天山南坡最完整的垂直自然帶譜。自然保護(hù)區(qū)作為天山最大的冰川作用中心及眾多內(nèi)陸河水系的發(fā)源地，是新疆重要的水資源補(bǔ)給區(qū)，被譽(yù)為“天然水塔”，生態(tài)地位十分重要，是新疆重要的生態(tài)屏障。同時(shí)還是重要的農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)地，其生態(tài)環(huán)境的優(yōu)劣，直接關(guān)系到新疆兩千多萬(wàn)人口的生態(tài)安全[14]。深入研究天山托木爾峰國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)的植被水源涵養(yǎng)功能及其時(shí)空規(guī)律對(duì)該保護(hù)區(qū)的水資源保護(hù)與利用及生態(tài)地位和安全具有重大意義。本研究選取保護(hù)區(qū)內(nèi)南坡具有代表性的臺(tái)蘭河上游河谷區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，通過(guò)野外調(diào)查、土樣采集及室內(nèi)分析，對(duì)研究區(qū)不同海拔草地表層土壤持水能力進(jìn)行研究，以期為該區(qū)草地土壤水資源利用、水土保持及生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能研究等方面提供基礎(chǔ)資料和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

臺(tái)蘭河流域的地理位置為N 40°41′44″～42°15′13″，E 80°21′44″～81°10′44″之間，位于新疆阿克蘇地區(qū)溫宿縣境內(nèi)，發(fā)源于西南天山最高峰托木爾峰(海拔7 435.3 m)南麓，由大臺(tái)蘭河、小臺(tái)蘭河及塔克拉克河匯流而成。河流自北向南最終注入塔里木盆地，全長(zhǎng)90 km，流域總面積為5 824 km2，為一獨(dú)立水系。臺(tái)蘭河流域?qū)俚湫透珊荡箨懶詺夂?，地質(zhì)構(gòu)造屬于華力西晚期南侵及第三紀(jì)喜馬拉雅山期造山運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈隆升區(qū)，地層由中新生代地層、大理石變質(zhì)巖和砂巖泥巖基巖及區(qū)域性第四紀(jì)黃土等組成，上覆冰磧殘積物，河谷兩側(cè)洪積、沖積扇十分發(fā)育[15]。流域內(nèi)年均溫為7.9℃，極端最高氣溫為37.6℃，最低氣溫為-27.4℃。多年平均降水量為182.6 mm[16]，降水分布較集中且多出現(xiàn)在夏季，最大月降水量出現(xiàn)在7月，降水量占年降水量的17.0%～22.8%。高山區(qū)的水面蒸發(fā)量在600 mm左右，中山區(qū)在800 mm至1 000 mm之間。受北高南低總體地勢(shì)的影響，流域自然景觀垂直地帶性明顯，以荒漠帶為基帶(海拔2 100 m或陽(yáng)坡2 300 m以下)，隨著地形和土壤條件的不同，發(fā)育著不同的灌木和小半灌木荒漠。主要有霸王(Zygophyllumfabago)群系、琵琶柴(Reaumuriasoongarica)群系、假木賊(Anabasistruncata)群系等。山地荒漠草原帶(2 100～2 400 m或陽(yáng)坡2 500 m)分布較狹窄，主要有戈壁針茅(StipatianschanicaRoshev)群系、沙生針茅(Stipaglareosa)群系和高加索針茅(Stipacaucasica)群系，灌木類(lèi)植被錦雞兒(Caraganaturfanensis)有著廣泛分布。亞高山森林草原帶廣泛占據(jù)在2 400 ～ 3 100 m海拔高度范圍內(nèi)，陰坡以雪嶺云杉(Piceaschrenkiana)建群的山地陰暗針葉林為主，陽(yáng)坡則以山地典型草原為主，在草原類(lèi)型中，克氏針茅(StipakryloviiRoshev)群系占主體，另外羊茅(Festucaovina)群系及天山異燕麥(Helictotrichonhookeri)和銀穗草(Leucopoaolgae)等植被局部分布；土壤以棕漠土(1 900 m以下)、山地棕鈣土(1 900～2 200 m)和山地栗鈣土(2 200～2 600 m)為主。

1.2 研究方法

1.2.1樣地選擇與樣品采集 于2016年7月份在托木爾峰國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)臺(tái)蘭河上游河谷區(qū)域進(jìn)行了野外調(diào)查，根據(jù)坡度、坡向、植被生長(zhǎng)狀況，沿河谷自南向北間隔設(shè)定具有代表性的草地樣地并采用土鉆法和環(huán)刀法對(duì)樣地內(nèi)草地植被下土壤表層(0～10 cm)進(jìn)行分別取樣(因研究區(qū)大部分采樣點(diǎn)土壤底層碎巖過(guò)多，底層土壤很難采集)，共設(shè)樣地12塊，樣地大小為5 m×5 m，于每個(gè)樣地內(nèi)選取中心點(diǎn)及四個(gè)角設(shè)置樣點(diǎn)，用土鉆在每一樣點(diǎn)重復(fù)取3個(gè)平行樣，將3次所采土樣混合均勻后用四分法取土0.5 kg左右裝袋貼標(biāo)并立即精確稱(chēng)重；用100 cm3容積環(huán)刀在每一樣地內(nèi)隨機(jī)采取平行樣3份，用于測(cè)定土壤指標(biāo)均值以減小誤差。同時(shí)用GPS進(jìn)行定位并記錄各采樣地的經(jīng)緯度、海拔及植被群落等相關(guān)數(shù)據(jù)(表1)。土樣帶回實(shí)驗(yàn)室立即進(jìn)行自然風(fēng)干，重新貼標(biāo)備用。

表1 草地基本概況Table 1 General situation of grassland plots

1.2.2土壤水文物理性質(zhì)測(cè)定 參照《土壤農(nóng)化分析》[17]中土壤測(cè)定分析的標(biāo)準(zhǔn)方法，對(duì)土壤水文物理性質(zhì)進(jìn)行測(cè)定。土壤含水量的測(cè)定采用烘干(105℃)稱(chēng)重法，計(jì)算公式：土壤含水量=(自然濕重-烘干重)/烘干重；采用環(huán)刀浸水法測(cè)定土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙、非毛管孔隙等各項(xiàng)水文物理性質(zhì)。土壤最大持水量和土壤毛管持水量是評(píng)價(jià)土壤蓄水性能的重要指標(biāo)，本文采用郭夢(mèng)嬌等人的計(jì)算方法[18]得到結(jié)果，公式如下：

Wt= 1 000Pth

Wo= 1 000Poh

Wc= 1 000Pch

式中:Wt為土壤最大持水量(mm)，Wo為土壤非毛管蓄水量(mm)，Wc為土壤毛管持水量(mm)，Pt為土壤總孔隙度(%)，Po為土壤非毛管孔隙度(%)，Pc為土壤毛管孔隙度(%)，h為土層厚度(取0.1 m)。

1.2.3數(shù)據(jù)分析 采用統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件SPSS 21.0對(duì)土壤水文物理性質(zhì)的相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和差異性分析，利用軟件Excel 2003進(jìn)行圖表的制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同海拔草地表層土壤容重的變化

由表2可知，各樣地平均土壤容重的范圍在1.02～1.44 g·cm-3之間，最大值出現(xiàn)在海拔1 924.06 m的4號(hào)樣地，最小值則出現(xiàn)在海拔2 370.7 m的12號(hào)樣地。不同土壤類(lèi)型的平均土壤容重的大小順序?yàn)樯降刈啬?1.37 g·cm-3)>山地棕鈣土(1.23 g·cm-3)>山地栗鈣土(1.05 g·cm-3)，分析表明不同土壤類(lèi)型的土壤容重大小之間均有顯著性差異(P<0.05)，整體上隨海拔高度的增加，土壤容重呈現(xiàn)不斷減小的趨勢(shì)。分析草地表層土壤容重與海拔之間的關(guān)系可知(圖2)，土壤容重與海拔高度之間呈極顯著的指數(shù)負(fù)相關(guān)關(guān)系(R2= 0.8817)，即隨著海拔高度的增加，土壤容重呈減小趨勢(shì)，說(shuō)明其疏松程度高，發(fā)育較成熟，土壤質(zhì)量趨于良好。

2.2 不同海拔草地表層土壤孔隙的變化

由表2可知，研究區(qū)各樣地表層土壤的平均非毛管孔隙度、毛管孔隙度和總孔隙度的范圍分別為4.03%～7.45%，47.48%～58.53%，51.51%～65.85%，不同土壤類(lèi)型的平均總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度的大小順序均為山地栗鈣土(65.53%，58.08%，7.44%)>山地棕鈣土(61.76%，55.59%，6.16%)>山地棕漠土(55.67%，50.92%，4.75%)。研究區(qū)草地表層土壤的孔隙度均隨海拔高度增加而增加。由圖2可知，土壤非毛管孔隙度與海拔高度間表現(xiàn)出極顯著的線性正相關(guān)關(guān)系(R2= 0.8374)；毛管孔隙度和總孔隙度均與海拔高度呈二次曲線關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.6983和0.7463。隨海拔上升，降水量增加，豐富了植被群落并促進(jìn)了微生物活躍程度，從而改變了土壤理化性質(zhì)，增加了土壤營(yíng)養(yǎng)成分，進(jìn)一步使得孔隙度得到顯著改善。

表2 不同海拔草地表層土壤物理性質(zhì)特征Table 2 Grassland soil physical characteristic at different altitudes in the study area

2.3 不同海拔草地表層土壤含水量的變化

土壤含水量的大小與降水量、蒸發(fā)量、生物量及枯落物腐殖質(zhì)層、土壤粒度、土壤容重及孔隙度大小等諸多因素密切相關(guān)[4]。由表2可知，不同海拔高度草地表層土壤的自然含水量的范圍在9.04%～44.70%之間，最大值為最小值的4.94倍，山地栗鈣土、山地棕漠土土壤自然含水量均與山地棕鈣土差異顯著(P<0.05)，而山地栗鈣土與山地棕漠土之間則無(wú)顯著差異。不同類(lèi)型土壤平均自然含水量的大小順序?yàn)樯降乩踱}土(37.34%)>山地棕鈣土(28.93%)>山地棕漠土(13.87%)。由圖2中土壤含水量與海拔間的關(guān)系可知，研究區(qū)草地土壤含水量與海拔之間存在很好的線性相關(guān)關(guān)系(R2=0.617 2)，即土壤含水量隨海拔上升而呈現(xiàn)不斷增大的趨勢(shì)，這與山地垂直帶演化規(guī)律相符合。

圖1 土壤物理性狀與海拔高度的關(guān)系Fig.1 Correlations between soil physical properties and altitudes

2.4 不同海拔草地表層土壤持水能力

土壤持水量作為評(píng)價(jià)不同植被水分保持與水源涵養(yǎng)功能的重要指標(biāo)，其大小反映了土壤貯蓄和調(diào)節(jié)水分的潛在能力[19]。草地土壤的持水能力與土壤厚度和土壤孔隙度狀況密切相關(guān)。不同海拔草地表層土壤的持水能力差異較顯著。由表3可知，各土壤類(lèi)型下，草地表層土壤平均最大持水量大小表現(xiàn)為：山地栗鈣土(65.52%)>山地棕鈣土(61.75%)>山地棕漠土(55.67%)，最大值為最小值的1.28倍；平均非毛管蓄水量由大到小依次為：山地栗鈣土(7.44%)>山地棕鈣土(6.16%)>山地棕漠土(4.75%)，最大值為最小值的1.85倍；平均毛管持水量大小順序?yàn)椋荷降乩踱}土(58.08%)>山地棕鈣土(55.59%)>山地棕漠土(50.92%)，最大值為最小值的1.23倍。不同土壤類(lèi)型下的草地表層土壤持水能力大小間存在顯著性差異(P<0.05)。在土壤厚度一定時(shí)，不同樣地土壤持水量均隨海拔高度的增加而出現(xiàn)不斷增大的趨勢(shì)。

土壤持水能力與土壤前期含水量密切相關(guān)，當(dāng)土壤自然含水量較大時(shí)，土壤的潛在持水能力減弱，即使降水量很小，也可能會(huì)有地表徑流產(chǎn)生。因此，把最大持水量與土壤前期含水量之差作為衡量土壤涵蓄降水量的指標(biāo)[5]。不同土壤類(lèi)型下的草地表層土壤平均涵蓄降水量大小表現(xiàn)為：山地棕漠土(41.80 mm)>山地棕鈣土(32.83 mm)>山地栗鈣土(28.18 mm)，其中，最大值為最小值的2.48倍；不同類(lèi)型土壤的平均涵蓄降水量間均存在顯著差異(P<0.05)。研究區(qū)土壤最大持水量以毛管持水量為主，毛管持水量與土壤前期含水量之差反映供植物利用的潛在土壤有效蓄水，稱(chēng)其為有效涵蓄量[5]，其大小表現(xiàn)與土壤涵蓄降水量一致。不同土壤類(lèi)型下的草地表層土壤平均有效涵蓄量大小表現(xiàn)為：山地棕漠土(37.05 mm)>山地棕鈣土(26.66 mm)>山地栗鈣土(20.74 mm)，其中，最大值為最小值的3.17倍；不同類(lèi)型土壤的平均有效涵蓄量間均存在顯著差異(P<0.05)。從空間變化來(lái)看，不同草地表層土壤的涵蓄降水量與有效涵蓄量總體上隨著海拔高度的增加而呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。

表3 不同海拔草地表層土壤蓄水能力Table 3 Grassland soil water-hold capacity at different altitudes in the study area

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

土壤作為植物生存的主要載體，其持水能力在空間尺度上呈異質(zhì)性分布。海拔作為重要的地形因子，最能反映出生態(tài)環(huán)境的變化差異，通過(guò)影響氣溫、降水蒸發(fā)和植物群落等環(huán)境因子，促使土壤理化性狀發(fā)生變異[20]，這對(duì)土壤的疏松透氣性、水源涵養(yǎng)能力以及對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收積累和有效利用等方面意義重大。研究區(qū)位于托木爾峰南坡，較低海拔高度草地植被下土壤的自然含水量受所處地理位置形成的干旱性氣候和塔克拉瑪干沙漠的燥熱脅迫效應(yīng)較為顯著。因氣溫高，降水偏少，草地覆蓋稀疏，微生物量及活躍程度差，土壤營(yíng)養(yǎng)成分不足，直接影響土壤的發(fā)育狀況，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)性差，土壤容重大，緊實(shí)度大，孔隙度偏小，土壤滲透能力不足；且較低海拔草地表層土壤水分蒸發(fā)量大，導(dǎo)致表層土壤水分流失快，水源涵養(yǎng)功能微弱。隨海拔高度增加，形成降水幾率增加，降水偏多，植被蓋度大，且氣溫迅速下降，蒸發(fā)減弱，導(dǎo)致土壤水分含水量較大。較高海拔的草地土壤含水量隨降水量增加而增加，從而豐富了植被群落并促進(jìn)微生物量及其活躍程度，改變了土壤理化性質(zhì)，增加了土壤營(yíng)養(yǎng)成分，進(jìn)一步改善了土壤孔隙度，促進(jìn)土壤涵養(yǎng)水源能力的提高、土壤結(jié)構(gòu)的改善、土壤養(yǎng)分的循環(huán)。馬維偉等[21]對(duì)甘南尕海草甸濕地不同海拔高度土壤性狀的研究表明隨著海拔上升，地表溫度降低，蒸發(fā)減小，所以含水量相應(yīng)增加的趨勢(shì)，與本研究結(jié)果一致。受不同海拔高度引起的水熱條件地帶性規(guī)律分布，降水不斷增加，氣溫下降導(dǎo)致蒸發(fā)量減少，植被群落生境條件優(yōu)化，土壤發(fā)育良好，土壤容重及孔隙度受植被根系發(fā)達(dá)程度、微生物活躍度及有機(jī)質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的貧瘠程度影響巨大。隨海拔上升，降水增加，植被群落覆蓋度提高，有利于植物根系的生長(zhǎng)，從而改善了土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，孔隙度增大，因而更利于水分的持蓄和滲透。這與韓路等[5]的分析研究結(jié)果一致。草地土壤的持水能力與土壤厚度和土壤孔隙度狀況密切相關(guān)。本研究表明，草地表層土壤平均最大持水量、平均非毛管蓄水量和平均毛管持水量大小均表現(xiàn)為隨海拔高度的增加增大。而不同草地表層土壤的涵蓄降水量與有效涵蓄量總體上隨著海拔高度的增加而呈下降趨勢(shì)。在土層厚度一定時(shí)，土壤水源涵養(yǎng)能力主要取決于土壤孔隙特征，其中最大持水量和涵蓄降水量與總孔隙度有關(guān)，毛管持水量和有效涵蓄量與毛管孔隙度有關(guān)，非毛管孔隙度則更多地影響土壤滲透能力，這與劉賢德等[22]關(guān)于祁連山西水林區(qū)亞高山灌叢水文功能的綜合評(píng)價(jià)中的觀點(diǎn)一致。海拔高度的差異深刻影響土壤類(lèi)型的分布，不同海拔高度引起的水熱條件不同造成草地蓋度及根系的分布狀況產(chǎn)生差異，導(dǎo)致其土壤熟化程度不同，并引起土壤水文調(diào)節(jié)能力的差異。說(shuō)明海拔這一環(huán)境因子對(duì)研究區(qū)草地植被表層土壤水源涵養(yǎng)能力的影響具有其規(guī)律性。

除海拔這一主要環(huán)境因子的影響外，牲畜的踩踏及人類(lèi)活動(dòng)等人為因素也是造成土壤容重和孔隙度差異顯著的重要原因，研究區(qū)較低海拔的草地因距離牧民活動(dòng)及旅游景區(qū)近，受放牧強(qiáng)度或人類(lèi)活動(dòng)的影響大，表層土壤受踩踏程度嚴(yán)重，土壤緊實(shí)程度增加，導(dǎo)致土壤容重變大，空隙度縮小，土壤滲透能力下降，從而使得土壤中水分不足，植物根系生長(zhǎng)受到限制，這與趙錦梅等[23]對(duì)祁連山東段不同高寒灌叢草地土壤性狀的分析原因一致。此外，隨著放牧強(qiáng)度的增大，家畜對(duì)草地植被的啃食增加，地面植被覆蓋的減少使土壤水分蒸發(fā)增加，土壤保水能力下降，這些因素都是引起較低海拔的放牧草地土壤持蓄水能力降低的重要因素，吳啟華等[4]在對(duì)牧壓梯度下高寒雜草類(lèi)草甸土壤持水能力及影響因素的分析研究中也得到相同的結(jié)果。

整體來(lái)看，隨海拔升高，研究區(qū)草地表層土壤的水文特征呈現(xiàn)規(guī)律性演替分布，植被蓋度、土壤含水量、孔隙度及水源涵養(yǎng)能力不斷增大，容重則逐漸縮小。這不僅受托木爾峰國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)所在特殊的地理位置而形成的山地垂直演化規(guī)律影響，而且受放牧強(qiáng)度和人類(lèi)活動(dòng)等人為因素影響，進(jìn)一步加強(qiáng)了這一差異顯著性。

3.2 結(jié)論

研究區(qū)草地表層土壤容重與海拔呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(R2= 0.881 7)，表現(xiàn)為隨海拔高度的上升而減小的趨勢(shì)；而土壤孔隙度與海拔高度之間表現(xiàn)出很好的正相關(guān)關(guān)系。各草地表層土壤自然含水量間均存在顯著性差異(P<0.05)，且隨海拔上升呈現(xiàn)不斷增大的趨勢(shì)，這與山地垂直帶演化規(guī)律相符合。土壤平均飽和蓄水量、平均非毛管蓄水量和平均毛管蓄水量大小均表現(xiàn)為隨海拔高度的增加而出現(xiàn)不斷增大的趨勢(shì)；而不同草地表層土壤的涵蓄降水量與有效涵蓄量總體上隨海拔高度的增加而呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。