伊犁河谷不同森林模式下土壤的養(yǎng)分特征和粒徑組成

桑巴葉, 朱玉偉, 劉 康, 陳啟民, 褚奮飛

(新疆林科院 造林治沙研究所, 新疆 烏魯木齊 830063)

伊犁河谷不同森林模式下土壤的養(yǎng)分特征和粒徑組成

桑巴葉, 朱玉偉, 劉 康, 陳啟民, 褚奮飛

(新疆林科院 造林治沙研究所, 新疆 烏魯木齊 830063)

[目的] 對(duì)伊犁河谷不同森林模式下土壤粒徑組成和養(yǎng)分空間特征進(jìn)行研究,為科學(xué)栽培和可持續(xù)經(jīng)營(yíng)提供理論依據(jù)。[方法] 通過野外采樣與室內(nèi)試驗(yàn),分析伊犁河谷不同模式下土壤粒徑分布特征及其與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系。[結(jié)果] 7個(gè)模式林地土壤基本集中在細(xì)粉粒和粗粉粒兩個(gè)粒級(jí)。主要由細(xì)粉?！址哿！ち?、細(xì)粉粒—粗粉?！獦O細(xì)砂粒和粗粉粒—細(xì)粉?！獦O細(xì)砂粒為主的質(zhì)地組成,其中細(xì)粉粒—粗粉?！ちＭ寥鲤B(yǎng)分較佳,相比之下含有砂粒的土壤養(yǎng)分較低。土壤有機(jī)質(zhì)和土壤堿解氮與黏粒和細(xì)粉粒含量的關(guān)系非常密切,尤其是細(xì)粉粒;速效磷與砂粒、黏粒和細(xì)粉粒呈正相關(guān);速效鉀與黏粒和細(xì)粉粒含量的關(guān)系密切,隨著其含量增加而增加,跟砂粒呈顯著負(fù)相關(guān),砂粒含量高,速效鉀含量降低。[結(jié)論] 伊犁河谷7個(gè)模式林分土壤養(yǎng)分狀況各異,養(yǎng)分各項(xiàng)指標(biāo)含量不同,可根據(jù)養(yǎng)分狀況進(jìn)行撫育管理。各模式土壤中粉粒含量占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。根據(jù)各養(yǎng)分含量與各粒徑組成之間的相關(guān)性分析表明,土壤顆粒越細(xì),與土壤養(yǎng)分的關(guān)系越密切。

伊犁河谷; 模式; 土壤養(yǎng)分; 土壤粒徑分布

土壤是一種由大小、形狀不同的固體組分和孔隙以一定形式連結(jié)所形成的多孔介質(zhì),有一定的分形特征[1-2]。土壤粒徑分布影響著土壤的水力特征、肥力狀況及土壤侵蝕等，是土壤重要物理特性之一[3-5]。不同粒徑組成的土壤其保水能力、吸附力、粘著性等都有明顯的差異，影響土壤養(yǎng)分循環(huán)、轉(zhuǎn)化及其有效性。因此，對(duì)土粒組合比例進(jìn)行定量化描述，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。伊犁河谷位于新疆西天山地區(qū),是新疆及天山氣候最濕潤(rùn)、降水最豐沛、植被土壤發(fā)育最良好的地區(qū)，森林覆蓋率為7.9%，林、草植被覆蓋率高達(dá)67.7%，被喻為新疆干旱區(qū)的一塊“濕島”。良好的氣候條件及植被覆蓋使土壤發(fā)育充分,土地資源稟賦及潛力的綜合優(yōu)勢(shì)全疆最優(yōu),干旱區(qū)少有。國內(nèi)外對(duì)土壤養(yǎng)分進(jìn)行了大量研究，主要包括土壤養(yǎng)分空間變異、不同施肥方式或耕作方式對(duì)土壤養(yǎng)分含量的影響、不同植被恢復(fù)模式下對(duì)土壤養(yǎng)分的影響、土壤養(yǎng)分與土壤酶或微生物的關(guān)系等[6]。國內(nèi)對(duì)土壤粒徑分布的分形研究較晚，但也取得了很大的成果。目前，研究主要集中在不同土壤利用方法或植被類型下土壤的分形特征研究和土壤分形特征與土壤水分、養(yǎng)分關(guān)系研究等方面[7-8]。目前在伊犁河谷地區(qū)開展的研究主要集中在土壤養(yǎng)分[9]、有機(jī)碳[10]、鹽分[11]方面，土壤粒徑方面研究極少，僅見伊犁河谷新墾綠洲土壤粒度特征[12]和伊犁河谷新墾荒地土壤粒度特征[13]研究，未見關(guān)于土壤養(yǎng)分和粒徑的關(guān)系研究。本文擬對(duì)比分析伊犁河谷不同模式林地土壤養(yǎng)分狀況與土壤粒徑的分布特征，探討?zhàn)B分含量與土壤粒徑之間的相互關(guān)系，以期為伊犁河谷地區(qū)土壤綜合評(píng)價(jià)提供一個(gè)量化的指標(biāo)，為土壤養(yǎng)分管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

伊犁河谷位于中國的天山山脈西部，準(zhǔn)噶爾盆地西南緣，屬南天山、北天山分隔而成的由斷陷盆地與山間河谷間布的中亞內(nèi)陸河流域。地理位置在東經(jīng)80°09′42″—84°56′50″，北緯42°14′16″—44°53′30″。三面環(huán)山，流域地跨中溫帶大陸性氣候和高山山前(低山)溫帶半濕潤(rùn)氣候類型，氣候溫和濕潤(rùn)，晝夜溫差大。年均降水量200～800 mm，降水隨高程上升增多明顯。平均海拔高度為477～1 701 m，氣候溫和濕潤(rùn)，降水量充足，是中國唯一的溫帶大陸性氣候地區(qū)，部分地區(qū)屬于高山氣候。伊犁河谷地域遼闊，資源豐富，素有“塞外江南”的美稱。豐沛的降水、適宜的氣候、山盆相間的地形,使伊犁河流域土壤發(fā)育良好,土壤類型結(jié)構(gòu)多樣，除伊犁河中下游河谷有小片沙洲外,幾乎無沙漠分布。土壤類型包括潮土、灌耕土、草甸圖、黑鈣土、栗鈣土、灰鈣土、山地森林土、沼澤土、鹽土和風(fēng)沙土等。

1.2 研究方法

1.2.1 林分模式的選擇 選取伊犁河谷7種典型林分模式，即用材林、農(nóng)田防護(hù)林、低山防護(hù)林、低山生態(tài)經(jīng)濟(jì)型防護(hù)林、林草復(fù)合經(jīng)營(yíng)、荒漠天然林、低山經(jīng)濟(jì)林。各模式均未進(jìn)行施肥措施。不同林分模式基本概況見表1。

表1 伊犁河谷樣地基本概況

1.2.2 土壤樣品的采集 本次采樣時(shí)間為2016年8—9月。在對(duì)研究區(qū)實(shí)際調(diào)查的基礎(chǔ)上，選取了7種林分模式，各模式中設(shè)置3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣地，樣地規(guī)格為50 m×50 m，按“S”型隨機(jī)采取5個(gè)樣點(diǎn)的土樣，在每個(gè)樣點(diǎn)取0—20， 20—40 cm土層土樣，將相同土層的樣品混合，去除石塊、根系和土壤動(dòng)物等，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干、過篩后貯存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.3 測(cè)定指標(biāo)及測(cè)定方法 測(cè)量土壤化學(xué)性質(zhì)的指標(biāo)主要有總鹽、速效磷、速效鉀、堿解氮、有機(jī)質(zhì)、pH測(cè)定。實(shí)驗(yàn)室化驗(yàn)分析方法[14]:總鹽含量采用電導(dǎo)法測(cè)定；速效磷用鉬銻抗比色法；速效鉀用醋酸銨浸提、火焰光度計(jì)法測(cè)定；堿解氮采用堿解擴(kuò)散法；土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法—外加熱法；水浸提后,用pH-3數(shù)顯酸度計(jì)測(cè)定pH值。

土壤粒度由激光粒度分布儀(BT-2 001)測(cè)定。土壤粒徑測(cè)量結(jié)果分6級(jí)輸出，分別為<0.002，0.002～0.02，0.02～0.05，0.05～0.1，0.1～0.25和0.25～0.5 mm，并按美國土壤質(zhì)地分類制，分為砂粒(0.05～2 mm)、粉粒(0.002～0.05 mm)和黏粒(<0.002 mm)。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2007和SPSS 19.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同森林模式土壤養(yǎng)分分層特征

對(duì)7種模式林分下土壤鹽分的測(cè)定結(jié)果(表2)表明，各模式中農(nóng)田防護(hù)林土壤含鹽量最高，其0—20 cm土層土壤含鹽量比含鹽量最低的低山生態(tài)經(jīng)濟(jì)型防護(hù)林高91.38%。各模式0—20 cm土層含鹽量略高于20—40 cm。0—20和20—40 cm土層總鹽含量均表現(xiàn)為農(nóng)田防護(hù)林>荒漠天然林>林草復(fù)合經(jīng)營(yíng)>用材林>低山經(jīng)濟(jì)林>低山防護(hù)林>低山生態(tài)經(jīng)濟(jì)型防護(hù)林。農(nóng)田防護(hù)林地總鹽含量高與緊鄰水源有關(guān)系。

表2 伊犁河谷不同森林模式土壤理化性質(zhì)

注：數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，小寫字母表示土壤同層不同模式之間存在顯著性差異(p<0.05)。

土壤有機(jī)質(zhì)是土壤養(yǎng)分的源與庫，是土壤質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，能改善土壤的理化性質(zhì)。由表2可知，0—20 cm土層低山經(jīng)濟(jì)林模式的有機(jī)質(zhì)含量最高并與其它模式之間差異顯著(p<0.05)，次之為用材林。20—40 cm土層仍為低山經(jīng)濟(jì)林模式的有機(jī)質(zhì)含量最高，與其它模式之間差異顯著，次之為林草復(fù)合經(jīng)營(yíng)和用材林，二者之間不存在顯著差異，但均與其它模式之間差異顯著。

土壤堿解氮含量大小反映了短期內(nèi)土壤氮素的供應(yīng)狀況。結(jié)果(表2)表明，土壤堿解氮在各土層之間變化與有機(jī)質(zhì)的變化趨勢(shì)基本相同，低山經(jīng)濟(jì)林在0—20 cm和20—40 cm土層的堿解氮含量最高。0—20 cm低山經(jīng)濟(jì)林與其它模式之間差異顯著，含量最低出現(xiàn)在荒漠天然林，比最高低93.17%；20—40 cm用材林堿解氮含量與低山經(jīng)濟(jì)林相差不大，此兩種模式與其它模式之間差異顯著。

速效磷表征直接被植物體吸收利用的含量。0—20 cm土層用材林含量最高，與最低的低山防護(hù)林相差80.48%；20—40 cm土層則低山生態(tài)經(jīng)濟(jì)型防護(hù)林含量最高，比0—20 cm含量高出85.24%。土壤有效磷含量空間分布的波動(dòng)頻繁，2個(gè)土層中各模式土壤速效磷含量排序不同，0—20 cm土層含量表現(xiàn)為用材林>低山經(jīng)濟(jì)林>農(nóng)田防護(hù)林>低山生態(tài)經(jīng)濟(jì)型防護(hù)林>荒漠天然林>林草復(fù)合經(jīng)營(yíng)>低山防護(hù)林，20—40 cm則為低山生態(tài)經(jīng)濟(jì)型防護(hù)林>荒漠天然林>低山經(jīng)濟(jì)林>用材形防護(hù)林>林草復(fù)合經(jīng)營(yíng)>低山防護(hù)林>農(nóng)田防護(hù)林。

速效鉀表征可供植物利用鉀素的含量。供試林地速效鉀含量在38.67～249.33 mg/kg，除荒漠天然林外其他模式土壤速效鉀2個(gè)層次的含量較豐富，均屬中高水平。方差分析表明，在0—20 cm土層，低山防護(hù)林和用材林含量相對(duì)較高，與其它模式之間有顯著差異，最低含量出現(xiàn)在荒漠天然林，比低山防護(hù)林低77.23%；在20—40 cm土層含量最高仍為低山防護(hù)林，與其它模式之間有顯著差異，與最低含量的荒漠天然林相差84.60%。

2.2 不同模式土壤顆粒粒級(jí)組成的分析

表3表明，各模式林分土壤顆粒主要集中在細(xì)粉粒(2～20 μm)和粗粉粒(20～50 μm)2個(gè)粒級(jí)。細(xì)粉粒比例在20.08%～83.09%之間，0—20 cm平均比例55.35%，20—40 cm為58.23%；粗粉粒比例在11.78%～41.73%，0—20和20—40 cm平均比例分別為30.21%和28.47%。各模式林分土壤0—20和20—40 cm土層粉粒含量比例均表現(xiàn)為低山經(jīng)濟(jì)林>低山防護(hù)林>用材林>低山生態(tài)經(jīng)濟(jì)型防護(hù)林>農(nóng)田防護(hù)林>林草復(fù)合經(jīng)營(yíng)模式>荒漠天然林。

表3 伊犁河谷不同模式土壤顆粒組成分層特征

各模式土壤中黏粒比例較低，0—20和20—40 cm土層比例分別在1.48%～6.55%和0.64%～6.27%，平均值4.34%和4.49%。極細(xì)砂粒除低山經(jīng)濟(jì)林外其他模式林地中均有分布，0—20和20—40 cm土層平均比例分別為7.99%和6.71%；細(xì)砂粒在農(nóng)田防護(hù)林、低山生態(tài)經(jīng)濟(jì)型防護(hù)林、林草復(fù)合經(jīng)營(yíng)模式和荒漠天然林分土壤中分布，各模式土壤中細(xì)砂粒比例低，0—20和20—40 cm土層平均比例分別為2.10%和2.08%；中砂粒只有荒漠天然林土壤的20—40 cm有分布，比例僅為0.03%，基本可以忽略不計(jì)。

2.3 土壤養(yǎng)分與土壤粒徑的相關(guān)性

表4是0—40 cm土層土壤粒徑與土壤養(yǎng)分含量的相關(guān)關(guān)系表，由表可知，速效氮與黏粒、細(xì)粉粒分別呈顯著(p<0.05)和極顯著正相關(guān)(p<0.01)，與粗粉粒和極細(xì)砂粒分別呈極顯著和顯著負(fù)相關(guān)；速效磷與黏粒、細(xì)粉粒、極細(xì)砂粒和細(xì)砂粒呈正相關(guān)，但均未達(dá)到顯著水平(p>0.05),與粗粉粒呈負(fù)相關(guān)，亦未達(dá)到顯著水平；速效鉀與黏粒呈顯著正相關(guān)，與極細(xì)砂粒和細(xì)砂粒呈顯著負(fù)相關(guān)；有機(jī)質(zhì)與細(xì)粉粒極顯著正相關(guān)，與粗粉粒和極細(xì)細(xì)砂粒顯著負(fù)相關(guān)。

表4 研究區(qū)土壤養(yǎng)分含量與各土壤粒徑土粒含量的相關(guān)系數(shù)

注：*表示差異達(dá)顯著水平(p<0.05)；**表示差異達(dá)極顯著水平(p<0.01)。

3 討論與結(jié)論

(1) 土壤養(yǎng)分含量強(qiáng)烈地受到林分種類、土壤深度的影響，本研究7個(gè)不同模式林分中低山經(jīng)濟(jì)林的有機(jī)質(zhì)和堿解氮平均含量最高，次之為用材林，第3為林草復(fù)合經(jīng)營(yíng)模式，荒漠天然林為最低；低山防護(hù)林速效鉀含量最高，含量第2和最低同上；用材林速效磷含量最高，緊跟其后為低山生態(tài)經(jīng)濟(jì)型防護(hù)林，最低為低山防護(hù)林。各模式中農(nóng)田防護(hù)林和荒漠天然林養(yǎng)分狀況處于較低水平。各模式下0—20 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)和堿解氮含量均高于20—40 cm土層，速效磷和速效鉀含量則有些不同，低山生態(tài)經(jīng)濟(jì)型防護(hù)林、低山防護(hù)林、林草復(fù)合經(jīng)營(yíng)模式0—20 cm土層速效磷和速效鉀含量比20—40 cm低。各模式養(yǎng)分狀況各異，養(yǎng)分各項(xiàng)指標(biāo)含量不同，可根據(jù)養(yǎng)分狀況進(jìn)行撫育管理。

(2) 本研究7個(gè)典型模式林分土壤顆粒粒徑的含量比例有所不同，但是基本集中在細(xì)粉粒和粗粉粒兩個(gè)粒級(jí)。主要由細(xì)粉?！址哿！ち?用材林、低山經(jīng)濟(jì)林、低山防護(hù)林)、細(xì)粉?！址哿！獦O細(xì)砂粒(農(nóng)田防護(hù)林、低山生態(tài)經(jīng)濟(jì)型防護(hù)林、林草復(fù)合經(jīng)營(yíng)模式)和粗粉?！?xì)粉?！獦O細(xì)砂粒(荒漠天然林)為主的質(zhì)地組成，其中細(xì)粉?！址哿！ちＭ寥鲤B(yǎng)分較佳，相比之下含有砂粒的土壤養(yǎng)分較低。已有的研究[15]表明，土壤養(yǎng)分主要與土壤中的細(xì)顆粒，即與粉粒和黏粒的含量有密切關(guān)系。不同粒徑的顆粒對(duì)土壤養(yǎng)分元素的吸附能力不同，粒徑越小，土粒比表面積越大，對(duì)土壤養(yǎng)分的吸附量就越大，本研究與前人研究結(jié)果一致。

(3) 土壤有機(jī)質(zhì)和土壤堿解氮與黏粒和細(xì)粉粒含量的關(guān)系非常密切，尤其是細(xì)粉粒，黏粒和細(xì)粉粒含量高，則有機(jī)質(zhì)和土壤堿解氮含量高。土壤氮素主要存在于土壤有機(jī)質(zhì)中，所以土壤氮素變化規(guī)律與有機(jī)質(zhì)一致，同劉欽普等[16]的研究結(jié)果一致。速效磷的含量隨著砂粒、黏粒和細(xì)粉粒的含量增加而增加。速效鉀與黏粒和細(xì)粉粒含量的關(guān)系十分密切，隨著其含量增加而增加，跟砂粒呈顯著負(fù)相關(guān)，砂粒含量高，速效鉀含量降低，這同Rahmatullah等[17]通過多年的試驗(yàn)得出的速效鉀主要存在于粉粒中和王巖等[18]的速效鉀主要分布在<50 μm粒級(jí)中的研究結(jié)論一致。

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SoilNutrientsPropertiesandParticleSizeCompositionUnderDifferentForestPatterninIliRiverValley

SANG Baye, ZHU Yuwei, LIU Kang, CHEN Qimin, CHU Fenfei

(InstituteofAfforestation,XinjiangAcademyofForestry,Urumqi,XinjiangUygurAutonomousRegion830063,China)

[Objective] Soil particle size composition and soil nutrients of the different forest patterns at arable layer in the Ili River valley were studied to provide scientific basis of cultivation and sustainable management of forest. [Methods] This study analyzed the relationships between soil particle size distribution and soil physicochemical characteristics of different afforestation patterns in the Ili River valley based on fieldwork and laboratory experiments. [Results] The sampled soils of 7 forest patterns were mainly composed of fine silt and coarse silt, and their soil textures were dominated by fine silt-coarse silt-clay, fine silt-coarse silt-very fine sand, and coarse silt-fine silt-very fine sand. Among them, soil nutrients of the fine silt-coarse silt-clay soil were better, and the soil nutrients of the soil with sand were low. Soil organic matter and available nitrogen were closely related to the contents of clay and fine silt, especially to fine silt. Available phosphorus had positive correlations with sand, clay and fine silt content. Available potassium was closely related to the content of clay and fine silt, and the content of available potassium increased with the increase of clay and fine silt content. Available potassium was negatively correlated with sand content; it decreased with the increase of sand content. [Conclusion] The soil nutrient status and the nutrients contents of the 7 forest patterns were different. The soil should be managed according to their nutrient status. The content of silt in soils of different forest patterns had the greatest proportion. According to the correlation analysis between the nutrient content and the particle size, soil fine particle proportion is closely related to soil nutrients.

IliRivervalley;model;soilnutrients;soilparticlesizedistribution

A

1000-288X(2017)05-0328-05

S157.2, S750

文獻(xiàn)參數(shù)： 桑巴葉, 朱玉偉, 劉康, 等.伊犁河谷不同森林模式下土壤的粒徑組成和養(yǎng)分特征[J].水土保持通報(bào)，2017,37(5)：328-332.

10.13961/j.cnki.stbctb.2017.05.055； Sang Baye, Zhu Yuwei, Liu Kang, et al. Soil nutrients properties and particle size composition under different forest pattern in Ili River valley [J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(5)：328-332.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.05.055

2017-03-17

2017-03-31

國家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目“伊犁河谷生態(tài)經(jīng)濟(jì)林工程建設(shè)技術(shù)研究與示范”(201304714); “十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFD060040303); 自治區(qū)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(KYGY2016081)

桑巴葉(1977—),女(蒙古族),新疆維吾爾族自治區(qū)烏魯木齊市人,副研究員,主要從事造林技術(shù)研究工作。E-mail:sby827@sina.com。

朱玉偉(1963—), 男(漢族),新疆維吾爾族自治區(qū)烏魯木齊市人,研究員,主要從事防沙治沙、節(jié)水造林及防護(hù)林方面的研究工作。E-mail:xjzhuyuwei@sina.com。