夏爾希里自然保護(hù)區(qū)草地表層土壤理化性質(zhì)與海拔高度的關(guān)系

劉西剛，王勇輝，焦 黎 （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）

草地在陸地生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著不可替代的作用，其發(fā)生和發(fā)展受土壤系統(tǒng)的控制[1-2]。地形通過(guò)改變光、熱、水等氣候因素影響植被，進(jìn)而影響土壤形成過(guò)程、土壤演替及其理化性質(zhì)[3-4]。海拔因子通過(guò)改變周圍小氣候環(huán)境要素、影響降水量進(jìn)而影響土壤含水量指標(biāo)，致使土壤性狀、生物群落組成和植被類型發(fā)生改變[5]。土壤理化性狀既能反映土壤的機(jī)械組成，又能反映該地區(qū)土壤的涵水能力[6]?？傊?，研究不同海拔高度的草地土壤理化性質(zhì)，有助于了解山區(qū)垂直帶的土壤形成過(guò)程、結(jié)構(gòu)和功能，也有助于研究不同海拔梯度植被和土壤之間的相互作用機(jī)制[7-9]。有部分學(xué)者認(rèn)為，海拔因素對(duì)土壤理化性質(zhì)影響顯著[10-12]。

夏爾希里自然保護(hù)區(qū)位于天山北坡西段，是我國(guó)與哈薩克斯坦的邊界地帶，保護(hù)區(qū)管理嚴(yán)格，進(jìn)入其內(nèi)開(kāi)展研究極其困難。該保護(hù)區(qū)是一個(gè)基因庫(kù)，具有豐富的遺傳多樣性，不受人為干擾。草原生態(tài)系統(tǒng)是保護(hù)區(qū)重要的自然生態(tài)系統(tǒng)類型之一，主要分布在海拔高度為800～2 200 m之間的山地，是野生動(dòng)物最主要的棲息場(chǎng)所，該區(qū)域的穩(wěn)定發(fā)展不僅對(duì)保護(hù)區(qū)的生物多樣性有積極影響，對(duì)促進(jìn)保護(hù)區(qū)物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)、調(diào)節(jié)小區(qū)域氣候、保護(hù)水土、防風(fēng)固沙、美化環(huán)境也具有重要作用[13]。目前，對(duì)于天山北坡土壤理化性質(zhì)的研究較多[10，14-16]，但大部分研究區(qū)域都受人為干擾作用影響較大，鮮見(jiàn)關(guān)于無(wú)人為干擾的自然保護(hù)區(qū)土壤理化性質(zhì)的研究[17]。該研究以夏爾希里自然保護(hù)區(qū)的草地為研究對(duì)象，分析不同海拔高度的草地土壤理化性質(zhì)，以期為同類山地土壤理化性質(zhì)研究提供模板參考，豐富天山北坡土壤理化性質(zhì)特征數(shù)據(jù)庫(kù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

夏爾希里自然保護(hù)區(qū)位于新疆博爾塔拉蒙古自治州境內(nèi)北部阿拉套山南坡山區(qū)，地理位置為45°07'43″～45°23'15″N，81°43'09″～82°33'18″E。東西長(zhǎng)66 km，南北寬25 km，總面積為314 km2。保護(hù)區(qū)內(nèi)主要以大陸性寒溫帶寒冷氣候?yàn)橹鱗17]。年平均氣溫5～6℃，極端最高溫28.3℃，極端最低溫-32.1 ℃，年平均降水量為183 mm[18]，降水量主要集中于春、夏兩季，隨海拔高度上升而逐步增大，低山帶為100～250 mm，中山帶為＞250～450 mm，高山帶可達(dá)＞450～600 mm。保護(hù)區(qū)由于受山地地勢(shì)差的影響，自然景觀垂直地帶性明顯，以荒漠帶（310～1 300 m）為基帶，因地形和土壤質(zhì)地不同，地表植物主要以梭梭、戈壁藜、麻黃等旱生或超旱生植被為主。山地草原帶（1 300～1 600 m）分布較廣泛，主要建群種為針茅、錦雞兒等，其中灌木類植被在該帶廣泛分布，群落植被覆蓋度可達(dá)40%～60%。山地針葉林帶廣泛分布在海拔1 600～2 700 m范圍內(nèi)，陰坡和半陰坡主要以雪嶺云杉植被為主，陽(yáng)坡以森林草原為主，在草原類型中，錦雞兒、針茅群種占主體，蒿屬、繡線菊等群種植被局部分布。土壤以山地棕鈣土（海拔800～1 100 m）、山地栗鈣土（海拔＞1 100～1 600 m）、山地黑鈣土（海拔＞1 600～2 200 m）為主[17]。

1.2 研究方法

于2014年9月對(duì)夏爾希里自然保護(hù)區(qū)進(jìn)行野外調(diào)查，依據(jù)地表植被類型、植物生長(zhǎng)狀況、坡度、坡向等要素的綜合考察結(jié)果，在保護(hù)區(qū)的核心區(qū)域選取具有代表性的15個(gè)草地樣地（表1）。

表1 研究區(qū)樣地基本情況Table 1 Basic situation of sample plots in the study area

用土鉆法和環(huán)刀法對(duì)樣地內(nèi)草地植被下的表層土壤（0～10 cm）進(jìn)行采樣，每個(gè)樣地大小均為3 m×3 m，每個(gè)樣地內(nèi)均按五點(diǎn)法采集5個(gè)草地表層土壤樣點(diǎn)，共采集75個(gè)草地表層土壤樣品，每個(gè)樣點(diǎn)用土鉆重復(fù)取樣3次，將3次采集的土樣混合均勻后，用四分法取約0.5 kg土裝袋貼標(biāo)，并立即稱重，為了減少后期計(jì)算誤差，用100 cm3環(huán)刀在每個(gè)樣地內(nèi)隨機(jī)采取3份平行樣，同時(shí)用GPS對(duì)各樣地進(jìn)行精確定位，記錄樣地的經(jīng)緯度、高程、植被狀況等信息。

將土樣帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干后重新貼標(biāo)備用，土壤各理化性質(zhì)指標(biāo)均參照《土壤農(nóng)化分析》[19]進(jìn)行測(cè)定，用PHS-4型智能酸度計(jì)測(cè)定土壤浸提液（水土質(zhì)量比為2.5：1）pH值，用酸溶-鉬銻抗比色法測(cè)定全磷含量，重鉻酸鉀-外加熱法測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)含量，高氯酸-硫酸消化法測(cè)定全氮含量。用環(huán)刀法測(cè)定土壤容重、非毛管孔隙度、毛管孔隙度和總孔隙度等土壤物理指標(biāo)。土壤含水量采用烘干（105℃）稱重法測(cè)定，計(jì)算公式為土壤含水量=（自然濕重-烘干重）/烘干重；采用浸泡法測(cè)定土壤飽和含水率，計(jì)算公式為土壤飽和含水率=（飽和濕重-烘干重）/烘干重×100%；利用Microsoft Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，利用Origin 9.0軟件進(jìn)行理化性質(zhì)與海拔高度的擬合關(guān)系圖表制作，利用SPSS 20.0軟件進(jìn)行草地土壤理化性質(zhì)綜合評(píng)價(jià)。

2 結(jié)果與分析

2.1 草地表層土壤物理性質(zhì)隨海拔高度的變化

2.1.1 草地表層土壤物理性質(zhì)的變化特征

夏爾希里自然保護(hù)區(qū)不同海拔高度草地表層土壤物理性質(zhì)變化見(jiàn)表2。由表2可知，不同海拔高度上土壤含水量、飽和含水率、土壤容重、非毛管孔隙度、毛管孔隙度、總孔隙度平均值均差異顯著（P＜0.05）。隨著海拔高度的變化，土壤含水量w、飽和含水率、土壤容重、非毛管孔隙度、毛管孔隙度、總孔隙度平均值均發(fā)生不同程度變化，變化范圍分別為 9.68%～20.24%、58.47%～113.2%、0.91～1.35 g·cm-3、2.18%～6.73%、35.42%～42.95%、38.09%～49.25%。不同土壤類型比較而言，表層草地土壤的土壤含水量、飽和含水率、非毛管孔隙度、毛管孔隙度、總孔隙度平均值均表現(xiàn)為黑鈣土＞栗鈣土＞棕鈣土，土壤容重的變化規(guī)律則相反，大體為棕鈣土＞栗鈣土＞黑鈣土。

表2 不同海拔高度草地表層土壤物理性質(zhì)Table 2 Physical properties of grassland surface soil at different altitudes

2.1.2 草地表層土壤物理性質(zhì)與海拔高度的關(guān)系

由圖1可見(jiàn)，草地表層不同土壤物理性質(zhì)指標(biāo)與海拔高度之間的關(guān)系呈現(xiàn)不同程度變化，土壤飽和含水率、容重分別與海拔高度呈顯著線性相關(guān)性，決定系數(shù)分別為0.928、0.804（P＜0.01）。但兩者的規(guī)律截然不同，飽和含水率隨海拔高度增加而逐漸增大，在海拔高度2 142.24 m處達(dá)最大值113.2%。土壤容重隨海拔高度的增加而逐漸減小，在海拔高度2 142.24 m處出現(xiàn)最小值0.91 g·cm-3?？偪紫抖?、非毛管孔隙度、自然含水率大致隨海拔高度的增加而逐漸增大，最大值均出現(xiàn)在海拔高度2 142.24 m處，決定系數(shù)分別為0.867（P＜0.01）、0.623（P＜0.05）、0.752（P＜0.01）。一般學(xué)者認(rèn)為土壤容重與土壤含水量大體呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[1，20-21]，筆者的研究結(jié)果與其一致，即土壤容重減小時(shí)土壤各含水量指標(biāo)增大。這可能是由于海拔高度影響所致，隨著海拔高度的增加，土壤類型由棕鈣土過(guò)渡到栗鈣土，土壤質(zhì)量逐漸趨于良好，土壤孔隙度逐漸增大，持水性能逐漸提高，再加上隨著海拔高度增加，降水量逐漸增多，導(dǎo)致植被覆蓋度逐漸增大，從而使得土壤質(zhì)量改良，土壤疏松程度提高。

2.2 草地表層土壤化學(xué)性質(zhì)隨海拔高度的變化

2.2.1 草地表層土壤化學(xué)性質(zhì)的變化特征

保護(hù)區(qū)草地表層土壤化學(xué)性質(zhì)變化見(jiàn)表3。

圖1 草地表層土壤物理性質(zhì)與海拔高度的關(guān)系Fig.1 Relationship between surface soil physical properties and altitudes of the grassland

表3 不同海拔高度草地表層土壤化學(xué)性質(zhì)Table 3 Chemical properties of grassland surface soil at different altitudes

由表3可知，土壤有機(jī)質(zhì)、全N、全P含量和C/N比、pH值在不同海拔高度上大多差異顯著（P＜0.05）。土壤w（有機(jī)質(zhì)）、w（全N）、w（全P）、C/N比、pH值的平均值變化范圍依次為3.72%～11.98%、1.25%～3.25%、0.121%～0.159%、9.06～13.97、6.95～9.25。土壤有機(jī)質(zhì)、全N、全P含量和C/N比的最大值均出現(xiàn)在海拔高度2 142.24 m處，最小值均出現(xiàn)在海拔高度835.23 m處，且最大值與最小值的比值分別為3.22、2.6、1.3。土壤pH值的變化規(guī)律與其不同，最大值出現(xiàn)在海拔高度1 075.98 m處，最小值出現(xiàn)在海拔高度2 142.24 m處，最大值是最小值的1.33倍。對(duì)不同土壤類型的化學(xué)性質(zhì)分析可知，草地表層土壤有機(jī)質(zhì)、全N、全P含量和C/N比均表現(xiàn)為棕鈣土＜栗鈣土＜黑鈣土，而土壤pH值表現(xiàn)為棕鈣土＞栗鈣土＞黑鈣土。

2.2.2 草地表層土壤化學(xué)性質(zhì)與海拔高度的關(guān)系

海拔高度可通過(guò)影響地表植被類型和植被生產(chǎn)力來(lái)限制土壤養(yǎng)分元素含量，還可通過(guò)改變土壤溫度和水分條件來(lái)限制微生物活性[10]。對(duì)研究區(qū)草地表層土壤化學(xué)性質(zhì)與海拔高度進(jìn)行相關(guān)性分析（圖2），發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)質(zhì)含量與海拔高度呈極顯著線性正相關(guān)關(guān)系（R2=0.915，P＜0.01），說(shuō)明海拔高度對(duì)草地土壤有機(jī)質(zhì)影響較大；全N含量與海拔高度之間呈現(xiàn)極顯著二次曲線相關(guān)關(guān)系（R2=0.938，P＜0.01），海拔高度增加時(shí)土壤有機(jī)質(zhì)與全N含量也隨之增加，這與土壤全N含量主要受土壤有機(jī)質(zhì)含量影響有關(guān)[22]。土壤全P含量與海拔高度呈極顯著二次曲線相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），從變化趨勢(shì)來(lái)看，隨著海拔高度增加，土壤全P含量增幅逐漸放緩。這可能是因?yàn)楹０胃叨壬撸瑤r石風(fēng)化和土壤養(yǎng)分積累加速，導(dǎo)致土壤全磷含量增加，但同時(shí)土壤淋溶作用增強(qiáng)，兩者相互作用導(dǎo)致土壤全P含量呈緩慢上升趨勢(shì)。土壤pH值與海拔高度呈極顯著線性負(fù)相關(guān)關(guān)系（R2=0.919，P＜0.01），這主要與不同海拔高度土壤淋溶作用、地表植被類型、有機(jī)酸作用等諸要素共同影響有關(guān)。

圖2 草地表層土壤化學(xué)性質(zhì)與海拔高度的關(guān)系Fig.2 Relationship between surface soil chemical properties and altitudes of the grassland

2.3 不同海拔高度草地表層土壤理化性質(zhì)評(píng)價(jià)

采用主成分分析方法對(duì)夏爾希里自然保護(hù)區(qū)草地土壤表層的總孔隙度、容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、自然含水率、有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量、全磷含量和pH值這9項(xiàng)理化指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，旨在評(píng)價(jià)保護(hù)區(qū)不同海拔高度草地表層土壤綜合理化性能的強(qiáng)弱。通過(guò)分析方差貢獻(xiàn)率（表4）可知，第1主成分的方差貢獻(xiàn)率為81.557%，說(shuō)明第1主成分能大體上反映所有指標(biāo)的變化情況。

由理化指標(biāo)的主成分載荷矩陣（表5）可知，各指標(biāo)的系數(shù)各不相同，根據(jù)分析結(jié)果可得到相應(yīng)的主成分表達(dá)式（綜合評(píng)價(jià)函數(shù)）如下：F1=1.265X1-1.937X2+2.735X3+4.771X4+3.001X5+0.355X6+1.782X7+0.307X8-1.556X9，通過(guò)此函數(shù)對(duì)不同海拔高度的草地表層土壤理化性質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)分（表6），結(jié)果顯示，不同海拔高度草地表層土壤理化性質(zhì)綜合得分不盡相同，大體表現(xiàn)為隨海拔高度升高綜合排名逐漸升高，說(shuō)明隨著海拔高度升高，草地表層土壤理化性能逐漸增強(qiáng)。在海拔高度為2 142.24 m時(shí)草地土壤理化性能最好，海拔高度為835.23 m處土壤理化性能最差。從不同土壤類型的綜合評(píng)分可知，草地表層土壤理化性能大體表現(xiàn)為山地黑鈣土＞山地栗鈣土＞山地棕鈣土。

表4 解釋總方差Table 4 Total variance of interpretation

表5 主成分載荷矩陣Table 5 Principal component load matrix

表6 草地表層土壤持水能力綜合評(píng)分結(jié)果Table 6 Comprehensive scoring results of water holding capacity of grassland surface soil

3 討論

土壤是植物生長(zhǎng)的主要載體，其物理性質(zhì)是衡量土壤肥力的重要指標(biāo)之一，主要包括土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、孔隙、土壤水分等性質(zhì)[11]，在空間分布上存在較大差異。海拔高度是重要的地形因子之一，通過(guò)改變環(huán)境因子如氣溫、降水與蒸發(fā)量、植物群落等因素，導(dǎo)致土壤理化性質(zhì)發(fā)生變化，進(jìn)而反映生態(tài)環(huán)境的變化差異[23]。研究區(qū)草地表層土壤物理性質(zhì)受海拔因子的影響較大，隨著海拔高度的增加，土壤自然含水率、飽和含水率、總孔隙度、非毛管孔隙度大體呈上升趨勢(shì)，在海拔高度835.23 m處出現(xiàn)最小值，在2 142.24 m處出現(xiàn)最大值。這主要是因?yàn)榈秃０螀^(qū)域草地表層土壤溫度較高，降水較少，蒸發(fā)量較大，導(dǎo)致土壤含水量較低，再加上地表植被覆蓋度較低，微生物含量及活躍程度較差，導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)變差，土壤容重較大，土壤孔隙度較??；隨著海拔高度升高，溫度逐漸降低，降水量逐漸增大，植被群落趨于豐富，微生物數(shù)量及其活躍程度有所提高，土壤質(zhì)量和結(jié)構(gòu)得到較大幅度改良，土壤疏松程度進(jìn)一步提升，導(dǎo)致土壤孔隙度逐漸增大，土壤容重逐漸減小。這與馬國(guó)飛等[23]對(duì)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的研究結(jié)果一致。

土壤有機(jī)質(zhì)含量可衡量土壤質(zhì)量的高低，是土壤養(yǎng)分的重要組成物質(zhì)，主要受土壤母質(zhì)、植被類型和水熱條件等因素的綜合影響。海拔高度作為綜合環(huán)境的重要因子之一，通過(guò)改變土壤溫度和水分條件，影響植被生產(chǎn)力、微生物及土壤酶活性，從而調(diào)節(jié)土壤有機(jī)物輸入量[9-10]。研究區(qū)草地表層土壤有機(jī)質(zhì)含量隨海拔升高而逐漸增加，在海拔高度2 142.24 m處出現(xiàn)最大值，這主要是由于植物枯落物的累積和分解以及土壤微生物活性造成的。隨著海拔高度的增加，水熱分配發(fā)生變化，高海拔區(qū)域溫度低，降水多，植物群落增多，地表枯落物以及根系殘留的腐爛和分解作用加速，致使土壤有機(jī)質(zhì)含量升高，這與任啟文等[24]對(duì)小五臺(tái)山不同海拔土壤理化性質(zhì)垂直變化規(guī)律的研究結(jié)果一致。通常認(rèn)為土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量對(duì)環(huán)境因子的響應(yīng)及空間分布等方面存在良好的耦合關(guān)系[25]，筆者分析得出土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量均隨海拔升高而增加，且變化規(guī)律較為一致。該區(qū)域全磷含量變化幅度較小，與已有研究認(rèn)為土壤全磷含量的豐富程度主要受土壤母質(zhì)和成土作用控制，在土壤中遷移緩慢，空間分布穩(wěn)定的結(jié)論[12]相一致。筆者研究中，土壤pH值隨著海拔高度的升高呈現(xiàn)逐漸降低趨勢(shì)，這與馬國(guó)飛等[26]的研究結(jié)果一致。

對(duì)不同理化性質(zhì)指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)分析認(rèn)為，在不同海拔高度上，夏爾希里自然保護(hù)區(qū)草地表層土壤理化性質(zhì)的綜合性能不盡相同，海拔高度2 142.24 m處綜合性能最強(qiáng)，海拔高度835.23 m處綜合性能最差。不同土壤類型比較而言，黑鈣土＞栗鈣土＞棕鈣土。這主要是受夏爾希里自然保護(hù)區(qū)所處特殊地理位置形成的山地垂直演化規(guī)律影響。

4 結(jié)論

（1）研究區(qū)草地表層土壤物理指標(biāo)含量在不同海拔高度上差異顯著（P＜0.05）。土壤飽和含水率、總孔隙度、非毛管孔隙度、自然含水量均與海拔呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），在海拔高度2 142.24 m處各指標(biāo)含量均出現(xiàn)最大值。土壤容重與海拔呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01），在海拔高度2 142.24 m處出現(xiàn)最小值 0.91 g·cm-3。

（2）研究區(qū)草地表層土壤化學(xué)指標(biāo)在不同海拔高度上差異較顯著（P＜0.05）。土壤有機(jī)質(zhì)、全N、全P質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化范圍分別為3.72%～11.98%、1.25%～3.25%、0.121%～0.159%，3者均與海拔高度呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），均在海拔高度2 142.24 m處出現(xiàn)最大值，pH值與海拔高度的關(guān)系正好相反。

（3）研究區(qū)海拔高度2 142.24 m處草地土壤理化性能最好，海拔高度835.23 m處性能最差。從不同土壤類型的綜合評(píng)價(jià)看，草地表層土壤理化性能大體表現(xiàn)為黑鈣土＞栗鈣土＞棕鈣土。