祁連山哈溪林區(qū)典型植被土壤陽離子交換量和交換性鹽基離子的變化特征

趙維俊，敬文茂，馬 劍，季元祖，成彩霞，張治勝

(1.甘肅省祁連山水源涵養(yǎng)林研究院，甘肅 張掖 734000； 2.甘肅省林業(yè)科學(xué)研究院,甘肅 蘭州 730000；3.天祝藏族自治縣哈溪林場，甘肅 天祝 733206)

土壤是林木生長的基質(zhì)，特別是對土層較薄的山地森林來說，土壤條件對林木生長至關(guān)重要[1]。土壤養(yǎng)分是土壤肥力的重要標(biāo)志，陽離子交換量和交換性鹽基離子作為土壤養(yǎng)分的重要指標(biāo)，在一定程度上反映了土壤肥力[2]。近年來，有關(guān)研究表明，不同森林對土壤陽離子交換量及交換性鹽基離子的影響存在較大的差異，一方面是不同氣候影響下的植被生產(chǎn)力不同，另一方面是土壤基質(zhì)條件決定了生長什么樣的植被[3-4]。因此，研究森林植被特別是山地森林植被對土壤陽離子交換量及交換性鹽基離子的影響意義重大，有助于了解不同森林的土壤肥力及其影響因子。

祁連山東起黃河谷地與秦嶺、六盤山相連，西至當(dāng)金山口與阿爾金山脈相接，由一系列東南—西北走向的山脈和谷地組成，從東到西綿延長約850 km。受西風(fēng)帶、偏南季風(fēng)和東亞季風(fēng)的共同影響，祁連山從東到西氣溫逐漸升高，降水量逐漸減少；隨海拔梯度的增加，氣溫不斷降低，降水先逐漸增加，超過一定高度后又減小[5]。受地理位置和地形、水熱條件差異的影響，分布在祁連山的森林具有明顯的水平地帶性和垂直梯度分布規(guī)律。水平地帶性植被，從東到西依次發(fā)育著溫性草原、溫帶針闊葉林、寒溫性針葉林、高寒灌叢、高山草甸、高寒草原和高寒荒漠；垂直梯度植被，從低海拔到高海拔依次分布著牧草、干性灌叢、喬木林、灌叢、寒漠草甸[6]。本研究選擇祁連山東段哈溪林區(qū)分布的典型森林，對其林下土壤的陽離子交換量和鹽基離子剖面分布進(jìn)行研究，旨在揭示不同森林土壤的陽離子交換量和鹽基離子在剖面上的分布規(guī)律和影響因素，為區(qū)域尺度上的祁連山不同地理位置的土壤發(fā)生特性、土壤分類制圖、土壤質(zhì)量評價(jià)、土壤數(shù)字化管理等研究提供基礎(chǔ)資料和參考，也為祁連山森林植被可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境治理提供理論依據(jù)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于祁連山東段石羊河源頭的哈溪林區(qū)(102°01′～102°51′E，37°16′～37°16′N)，總面積14.0萬hm2，年平均氣溫1.8 ℃，年降水量350～400 mm，無霜期110 d，屬大陸性氣候，春季干燥，夏季涼爽多雨，秋季多陰潮濕，冬季干燥寒冷。林區(qū)內(nèi)自然條件復(fù)雜，水熱條件差異大，形成了多種具有明顯垂直梯度的森林和土壤類型。海拔2 700～3 300 m的陽坡、半陽坡，有祁連圓柏(Sabinaprzewalskii)林分布，大面積則發(fā)育成山地草原；山地森林草原帶主要分布在海拔2 000～3 200 m的山地陰坡、半陰坡，主要生長著青海云杉(Piceacrassifolia)林和由青海云杉逆向演替形成的紅樺(Betulaalbosinensis)林、山楊(Populusdavidiana)林等；高山灌叢林主要分布在海拔3 000～3 500 m的山地陰坡、半陰坡。隨海拔梯度的增加，由低到高依次分布著山地栗鈣土、山地黑鈣土、山地灰褐土、亞高山灌叢草甸土、高山草甸土和高山寒漠土，在各類土壤中山地灰褐土和亞高山灌叢草甸土是生長森林的土壤。研究區(qū)森林層次結(jié)構(gòu)簡單、樹種組成單純，主要喬木樹種有青海云杉、祁連圓柏，與陽坡草地犬齒交錯(cuò)分布，在森林草原植被帶的下部為西北針茅草原，上部為紫花針茅草原，高海拔主要分布吉拉柳(Salixxgilashanica)灌叢、金露梅(Potentillafruticosa)灌叢、杜鵑(Rhododendronsimsii)灌叢[7]。

1.2 樣品采集與處理

于2016年10月份在哈溪林區(qū)選擇高山灌叢林、祁連圓柏林和青海云杉林3種典型森林為研究對象，根據(jù)不同森林的立地條件，順坡向分別建立了50 m×50 m的樣地(樣地情況見表1)[8]，然后將樣地分割為4個(gè)25 m×25 m的樣方作為重復(fù)。在每個(gè)樣方內(nèi)選定5個(gè)取樣點(diǎn)，用土鉆由上至下采集土樣，取樣深度為100 cm，取樣層次分別為0～10、10～20、20～40、40～60、60～100 cm，然后將5個(gè)取樣點(diǎn)的土壤樣品按層混合，用塑料袋密封帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干。樣品風(fēng)干后，磨細(xì)并分別過孔徑2.00和0.25 mm的土壤篩，用于土壤化學(xué)性質(zhì)的測定和分析。

表1 不同森林的立地條件和植被組成

1.3 樣品分析

土壤化學(xué)性質(zhì)按照森林土壤分析方法[9]測定，其中：陽離子交換量(CEC)采用1 mol/L乙酸銨交換法，交換性鉀離子(K+)、鈉離子(Na+)、鈣離子(Ca2+)和鎂離子(Mg2+)含量采用乙酸銨浸提-火焰光度法。另外，交換性鹽基總量(TEB)采用加和法得到，即TEB=K++Na++1/2Ca2++1/2Mg2+，鹽基飽和度(BSP)用TEB值除以CEC值得到。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用軟件Excel 2010和SPSS 15.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和制圖，采用單因素方差分析法(one-way ANOVA)分析數(shù)據(jù)的差異顯著性，采用Pearson相關(guān)系數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析(α=0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同森林土壤陽離子交換量的分布規(guī)律

由圖1可知，隨土層深度增加，高山灌叢林、祁連圓柏林和青海云杉林的土壤CEC值均不斷減小，其中：高山灌叢林0～10 cm土層CEC值顯著大于其他土層(P<0.05)；祁連圓柏林40～60和60～100 cm土層CEC值顯著低于其他土層(P<0.05)；青海云杉林0～10和10～20 cm土層CEC值顯著大于其他土層(P<0.05)。將不同森林的0～100 cm土層CEC值分別加權(quán)平均得到不同森林土壤平均CEC值，其大小表現(xiàn)為祁連圓柏林>青海云杉林>高山灌叢林，對應(yīng)的數(shù)值分別為37.55、31.72和29.80 cmol/kg。

2.2 不同森林土壤交換性鹽基離子的分布規(guī)律

由圖2可知，3種森林土壤交換性K+含量基本上呈隨土層深度增加而減小的趨勢，具有明顯的表聚性特點(diǎn)。其中：高山灌叢林不同土層交換性K+含量差異性不顯著(P>0.05)，交換性K+在土壤剖面呈較均勻分布；祁連圓柏林和青海云杉林0～10 cm土層交換性K+含量顯著大于其他土層(P<0.05)。不同森林類型按其0～100 cm土層交換性K+含量加權(quán)平均值排序?yàn)榍嗪Ｔ粕剂?祁連圓柏林>高山灌叢林，對應(yīng)的數(shù)值分別為0.46、0.39和0.36 cmol/kg。

圖1 不同森林土壤陽離子交換量的剖面分布

注：圖中所標(biāo)小寫字母表示同一森林土壤不同深度土層指標(biāo)值在5%水平上的差異性，字母不同表示相互間差異性顯著，有相同字母表示相互間差異性不顯著，下同。

隨土層深度增加，不同森林土壤交換性Na+含量變化規(guī)律各不相同(圖2)，其中：高山灌叢林0～10 cm到10～20 cm土層其含量減小，然后隨深度增加其含量不斷增加，60～100 cm土層土壤交換性Na+含量顯著大于其他土層(P<0.05)；祁連圓柏林不同土層交換性Na+含量差異性不顯著(P>0.05)；青海云杉林10～20 cm土層交換性Na+含量顯著大于其他土層(P<0.05)。不同森林類型按其0～100 cm土層交換性Na+含量加權(quán)平均值排序?yàn)榍嗪Ｔ粕剂?祁連圓柏林>高山灌叢林，對應(yīng)的數(shù)值分別為1.47、0.71和0.69 cmol/kg。

圖2 不同森林土壤交換性鹽基離子的剖面分布

隨土層深度增加，不同森林土壤交換性Ca2+含量變化規(guī)律各不相同(圖2)，其中：高山灌叢林和祁連圓柏林的土壤交換性Ca2+含量不斷減小，而且0～10 cm土層土壤交換性Ca2+含量顯著大于其他土層(P<0.05)；青海云杉林不同土層土壤交換性Ca2+含量沒有明顯的變化規(guī)律，且差異性不顯著(P>0.05)。不同森林類型按其0～100 cm土層交換性Ca2+含量加權(quán)平均值排序?yàn)榍嗪Ｔ粕剂?祁連圓柏林>高山灌叢林，對應(yīng)的數(shù)值分別為73.89、46.18和35.39 cmol/kg。

隨土層深度增加，不同森林土壤交換性Mg2+含量變化規(guī)律各不相同(圖2)，其中：高山灌叢林土壤交換性Mg2+含量不斷減小，0～10 cm土層交換性Mg2+含量顯著大于其他土層(P<0.05)；祁連圓柏林土壤交換性Mg2+含量沒有明顯的變化規(guī)律，20～40 cm土層交換性Mg2+含量顯著大于其他土層(P<0.05)；青海云杉林土壤交換性Mg2+含量先增大后減小，0～10和10～20 cm土層交換性Mg2+含量顯著大于其他土層(P<0.05)。不同森林類型按其0～100 cm土層交換性Mg2+含量加權(quán)平均值排序?yàn)榍嗪Ｔ粕剂?祁連圓柏林>高山灌叢林，對應(yīng)的數(shù)值分別為6.57、5.25和3.58 cmol/kg。

由圖3可知，隨土層深度增加，不同森林土壤TEB值變化規(guī)律各不相同。其中，高山灌叢林和祁連圓柏林的土壤TEB值總體上不斷減小，0～10 cm土層TEB值顯著大于其他土層(P<0.05)；青海云杉林的土壤TEB值沒有明顯的變化規(guī)律，且不同土層之間差異性不顯著(P>0.05)。不同森林類型按其0～100 cm土層TEB加權(quán)平均值大小排序?yàn)榍嗪Ｔ粕剂?祁連圓柏林>高山灌叢林，對應(yīng)的數(shù)值分別為82.39、52.53和40.03 cmol/kg。另外，研究區(qū)土壤中交換性K+、Na+、Ca2+和Mg2+含量占鹽基總量比例為Ca2+>Mg2+>Na+>K+。

圖3 不同森林土壤交換性鹽基總量分布

由圖4可知，隨土層深度增加，不同森林土壤BSP值變化規(guī)律各不相同，其中，祁連圓柏林和高山灌叢林不同土層的BSP值差異性均不顯著(P>0.05)；青海云杉林土壤BSP值呈逐漸增加的變化趨勢，而且不同土層間的差異性顯著(P<0.05)。不同森林類型按其0～100 cm土層BSP加權(quán)平均值排序?yàn)榍嗪Ｔ粕剂?祁連圓柏林>高山灌叢林，對應(yīng)的數(shù)值分別為302.31%、141.32%和135.98%。

圖4 不同森林土壤鹽基飽和度分布

3 討論與結(jié)論

3.1 3種森林土壤CEC值變化特點(diǎn)

土壤CEC值是土壤的基本特性和重要肥力影響因素之一[10]。研究區(qū)3種森林土壤CEC值均表現(xiàn)為喬木林大于灌木林，這與植被的生物生產(chǎn)力具有很大的關(guān)系，喬木林和灌木林代謝物質(zhì)歸還土壤有機(jī)質(zhì)的量存在差異。土壤CEC值在土壤剖面的分布為隨土層深度增加不斷減小，即研究區(qū)影響土壤CEC值的主要因素是土壤有機(jī)質(zhì)，而且還具有明顯的表聚性分布特點(diǎn)，此結(jié)論同之前的大量研究結(jié)論一致[11-12]。有關(guān)研究結(jié)果表明，研究區(qū)高山灌叢林、祁連圓柏林和青海云杉林的土壤保肥供肥能力強(qiáng)，其土壤CEC值均大于20 cmol/kg[13]。

3.2 3種森林土壤交換性鹽基離子含量變化特點(diǎn)

土壤交換性K+、Na+、Ca2+、Mg2+含量在維持土壤養(yǎng)分與緩沖土壤酸化中起著重要作用[14]。研究區(qū)3種森林土壤中交換性K+含量大小為青海云杉林>祁連圓柏林>高山灌叢林，從數(shù)值大小而言，3種森林土壤的K+含量較為接近。在土壤剖面上，3種森林土壤交換性K+含量隨土層深度增加不斷減小，具有明顯的表聚性，這可能與枯枝落葉等的生物歸還和植物根系吸收致使土壤中K+向剖面上部移動(dòng)等具有一定的關(guān)系。3種森林土壤中交換性Na+、Ca2+、Mg2+含量大小均為青海云杉林>祁連圓柏林>高山灌叢林，原因與成土母質(zhì)、生物物質(zhì)循環(huán)和淋溶作用等綜合因素有關(guān)。

3種森林土壤TEB值表現(xiàn)為青海云杉林>祁連圓柏林>高山灌叢林。林地土壤交換性鹽基具有較強(qiáng)的生物循環(huán)作用，林木較深的根系可以把剖面深層的非交換性鹽基轉(zhuǎn)化為交換性鹽基，從而提高林地中的土壤交換性鹽基含量[15]。隨土層深度增加，不同森林土壤TEB值有各自的變化特點(diǎn)。研究還發(fā)現(xiàn)，3種森林土壤中交換性K+、Na+、Ca2+和Mg2+含量占鹽基總量的比例均為Ca2+>Mg2+>Na+>K+，交換性Ca2+和Mg2+是土壤中主要的鹽基離子，這可能與研究區(qū)豐富的石灰性碳酸鈣有直接的關(guān)系。土壤BSP值是反映土壤有效養(yǎng)分含量的重要依據(jù)之一[10]，3種森林土壤BSP值呈現(xiàn)青海云杉林>祁連圓柏林>高山灌叢林，即青海云杉林土壤肥力最好。在土壤剖面上，3種森林土壤BSP值均隨土層深度的增加而增加。