蘇 驊,王 平
(1.保山學(xué)院 資源環(huán)境學(xué)院,云南 保山 678000;2.云南師范大學(xué) 旅游與地理科學(xué)學(xué)院,云南 昆明 650092)
中國(guó)是一個(gè)多山的國(guó)家,山地蘊(yùn)藏著豐富的自然資源和生物資源,山地研究在人類的生存及生物多樣性發(fā)展中具有重要意義。山地土壤是山地生態(tài)環(huán)境的重要組成,中國(guó)較多學(xué)者就曾對(duì)山地土壤開展研究[1-8]。有機(jī)質(zhì)作為山地土壤的重要組成部分,與土壤的形成和發(fā)育密切相關(guān),有機(jī)質(zhì)具有膠體特征,能吸附陽離子,因而使土壤具有保肥能力和緩沖性,有機(jī)質(zhì)還能使土壤形成結(jié)構(gòu),改善土壤物理性狀[9]。國(guó)內(nèi)外較多學(xué)者都曾對(duì)山地土壤有機(jī)質(zhì)開展研究,Garten、Post、Hanson和Cooper研究了阿帕拉契亞山地有機(jī)碳隨海拔高度變化的規(guī)律,并指出隨海拔升高山地表層土壤有機(jī)碳含量呈增加趨勢(shì)[10]。張萬儒對(duì)臥龍自然保護(hù)區(qū)森林土壤有機(jī)質(zhì)的垂直分布規(guī)律進(jìn)行了研究[11]。常慶瑞、雷梅等通過對(duì)秦嶺北坡垂直帶譜土壤腐殖質(zhì)特性研究發(fā)現(xiàn),隨海拔升高,土壤腐殖質(zhì)含量增加,胡敏素的比例下降[12]。呂貽忠、張鳳蓉等研究北京百花山山地土壤有機(jī)質(zhì)的垂直分異規(guī)律,并用相關(guān)分析方法計(jì)算了有機(jī)質(zhì)與海拔高度之間的相關(guān)系數(shù)[13]。這些研究都表明,山地土壤垂直分異的研究已經(jīng)日趨受到重視,土壤有機(jī)質(zhì)作為山地土壤一個(gè)重要的組成部分,在山地土壤研究中,有著重要的意義和價(jià)值。
哈巴雪山是滇西北著名的高山峽谷區(qū),保護(hù)區(qū)內(nèi)生物多樣性豐富,植被種類繁多,垂直分異顯著,受人類活動(dòng)影響較小,比較完整地保持了原生的自然環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng),是研究土壤垂直分異的理想?yún)^(qū)域。目前針對(duì)哈巴雪山土壤垂直分異的研究非常少,土壤有機(jī)質(zhì)垂直分異研究存在空白。本文通過實(shí)地采樣、實(shí)驗(yàn)分析,研究區(qū)內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)垂直分異特征,可為全面掌握山體生態(tài)環(huán)境特點(diǎn)、空間差異、變化趨勢(shì)提供基礎(chǔ)資料,并對(duì)保護(hù)區(qū)制定有效管護(hù)、恢復(fù)對(duì)策和措施等提供理論依據(jù)。
哈巴雪山自然保護(hù)區(qū),位于滇西北迪慶藏族自治州香格里拉縣境內(nèi),東經(jīng)100°02′20″~100°14′30″,北緯27°10′00″~27°22′40″,屬橫斷山系中段高山峽谷區(qū),總體地勢(shì)西北高,東南低,保護(hù)區(qū)最高點(diǎn)是哈巴雪山主峰,位于保護(hù)區(qū)西北部,海拔5 396 m,以保護(hù)中國(guó)緯度最南的現(xiàn)代海洋性冰川、金沙江流域典型完整的高山垂直帶自然景觀、寒溫性針葉林生態(tài)系統(tǒng)及珍稀動(dòng)植物種質(zhì)資源為目的。保護(hù)區(qū)氣候基帶(2 400~3 000 m)系暖溫帶低緯高原季風(fēng)氣候。區(qū)內(nèi)高差巨大,氣候垂直分異十分顯著,從金沙江河谷至哈巴雪山最高峰,氣溫隨海拔升高而逐漸降低,年平均氣溫從16.5℃左右降至-9.0℃左右。年降水量從580.0 mm左右增加到1 600.0 mm,降水量隨海拔升高而逐漸增多,4 000~4 500 m為最大降水高度,之后隨海拔增加而逐漸減少。受立體氣候的影響和控制,保護(hù)區(qū)內(nèi)植被垂直分帶譜典型、完整,雪線、森林上限和森林下限明顯,特有的水熱條件對(duì)比關(guān)系的垂直變化決定了哈巴雪山特有的土壤垂直帶譜結(jié)構(gòu)與組成。豐富的植被類型使得保護(hù)區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)來源豐富,加之生物的積累和分解,富集了較多的植物所需的養(yǎng)分及腐殖質(zhì),形成保護(hù)區(qū)特有的森林土壤和高山土壤。
哈巴雪山保護(hù)區(qū)屬于典型極高山、高山峽谷地區(qū),因此選擇路線調(diào)查方法完成野外土壤調(diào)查任務(wù)。野外調(diào)查線路共4條:(1)哈巴村經(jīng)龍王邊、哈巴河中游至羊房;(2)哈巴村經(jīng)落馬海、大尖山坪子至黑海,棉沙壩經(jīng)老窩子至養(yǎng)馬仔(大巖房河源頭);(3)永勝村羊杈角經(jīng)鎢礦選礦廠到麻花坪采礦區(qū),再經(jīng)道國(guó)坪、狗鉆洞、花水至雪海(哈巴雪山主峰東部冰川分布區(qū));(4)麻花坪礦區(qū)經(jīng)馬鹿塘至老藥山、中村、新藥山、干海子、上長(zhǎng)坪、下長(zhǎng)坪到橋頭。剖面選擇受人為因素影響較小、土壤發(fā)育良好的典型地段。在每個(gè)剖面點(diǎn)上,自下而上分層采樣,每層采集約1 kg土樣裝入土樣袋內(nèi)編號(hào)及標(biāo)簽。主要土壤剖面點(diǎn)的位置及海拔高度見表1。
表1 土壤剖面采樣位置及坡向
按照《土壤農(nóng)化分析》(第3版)[14]中的要求來風(fēng)干、制備、保存。野外采集的土壤樣品運(yùn)到實(shí)驗(yàn)室后,立即將全部樣品均勻平鋪于硬質(zhì)紙上風(fēng)干。在土樣半干時(shí),把土塊壓碎,除去石塊和殘根等侵入體后風(fēng)干。風(fēng)干后的土樣,研磨使之全部通過0.25 mm孔徑的土壤篩,以備分析。
采用重鉻酸鉀容量法—外加熱法[14]。
方法原理:在外加熱的條件下(油浴溫度為180 ℃,沸騰5 min),用一定濃度的重鉻酸鉀—硫酸溶液氧化土壤有機(jī)質(zhì)(碳),剩余的重鉻酸鉀用硫酸亞鐵來滴定,從所消耗的重鉻酸鉀量來計(jì)算有機(jī)碳的含量。
如表2所示,保護(hù)區(qū)A層有機(jī)質(zhì)含量變化范圍較大在:18.39~582.90(g·kg-1),B層有機(jī)質(zhì)含量在7.53~126.95(g·kg-1),C層有機(jī)質(zhì)含量在7.39~77.66(g·kg-1)。在同一剖面中,有機(jī)質(zhì)含量隨土層深度增加而降低(圖1)。這是因?yàn)楸韺痈?、枯枝落葉及生物殘?bào)w較多,有機(jī)質(zhì)來源較為豐富,土壤腐殖質(zhì)含量較多,故而有機(jī)質(zhì)含量較高;隨著土層加深,植物根系減少,生物殘?bào)w減少,微生物的種類、活性和數(shù)量也逐漸降低,生物累積作用減弱,有機(jī)質(zhì)含量趨于降低。
表2 哈巴雪山自然保護(hù)區(qū)剖面土層土壤有機(jī)質(zhì)含量
其中07號(hào)石灰土及06號(hào)紫色土兩個(gè)土類,為非地帶性土壤,在保護(hù)區(qū)2 500 m海拔以下有交錯(cuò)分布,有機(jī)質(zhì)含量中等,表土層分別為39.85(g·kg-1)、21.24(g·kg-1),至心土層,07號(hào)石灰土含量減少了將近四分之三,為9.41(g·kg-1),至底土層,07號(hào)較心土層有一定增加,這與土壤淋溶強(qiáng)度有關(guān),07號(hào)B層,淋溶強(qiáng)度較大,大量有機(jī)質(zhì)隨著淋溶作用,在BC層淀積,所以有機(jī)質(zhì)含量呈現(xiàn):表土層>地土層>心土層的現(xiàn)象。按照全國(guó)土壤普查養(yǎng)分含量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[15],研究區(qū)土壤剖面中有機(jī)質(zhì)含量豐富均屬1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。
有學(xué)者論述[16-18],土壤中有機(jī)質(zhì)的含量是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡過程,其大小取決于有機(jī)質(zhì)的積累和分解速率,即腐殖化過程和礦質(zhì)化過程,而影響有機(jī)質(zhì)積累和分解的因素主要有降水和溫度。溫度升高時(shí),土壤生物活性增大,會(huì)加速有機(jī)質(zhì)的分解,相反,當(dāng)溫度降低時(shí),有機(jī)質(zhì)分解相對(duì)緩慢,腐殖化過程大于礦質(zhì)化過程,其結(jié)果是導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)含量增加。而降水是影響有機(jī)質(zhì)含量的另一個(gè)因素。降水豐沛的地段,有利于植被的生長(zhǎng),生物積累旺盛,有機(jī)質(zhì)來源豐富,使得有機(jī)質(zhì)含量增加。
圖1 哈巴雪山自然保護(hù)區(qū)剖面土壤有機(jī)質(zhì)含量分布圖
根據(jù)不同的海拔高度,有機(jī)質(zhì)含量不同,對(duì)A、B層有機(jī)質(zhì)含量(Y)與其海拔高度(X)進(jìn)行回歸分析,得出以下回歸方程:
A層有機(jī)質(zhì)含量與海拔相關(guān)方程:
Y=0.3771X-942.84R2=0.914
B層有機(jī)質(zhì)含量與海拔相關(guān)方程:
Y=0.1X-272.26R2=0.9209
BC層有機(jī)質(zhì)含量與海拔相關(guān)方程:
Y=0.0573X-151.96R2=0.9349
兩者的回歸分析表明,哈巴雪山土壤表土層、心土層、底土層土壤有機(jī)質(zhì)含量(Y)與海拔高度(X)之間存在著極為顯著的線性相關(guān),相關(guān)系數(shù)均≥0.910。
圖2~4可看出,土壤A層有機(jī)質(zhì)含量呈現(xiàn)隨海拔高度升高而增加的趨勢(shì),散點(diǎn)分布范圍在10~600(g·kg-1);B層有機(jī)質(zhì)含量隨海拔增加,也呈現(xiàn)增加趨勢(shì),相對(duì)A層,與海拔變化相關(guān)性更高,只是這一層土壤,本身含量偏低,散點(diǎn)分布較為集中,增加趨勢(shì)稍弱一些;BC層有機(jī)質(zhì)含量相關(guān)性是3個(gè)土層中最高的,只是該層土含量較低,變化范圍不大,散點(diǎn)圖分布較為集中,均在0~100(g·kg-1)。剖面有機(jī)質(zhì)最大值出現(xiàn)在04號(hào)灰化土土樣,而不是海拔4 700 m的高山寒漠土。同一剖面各土層之間有機(jī)質(zhì)含量差異明顯,由表層往下層呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。其中04號(hào)剖面差異最大,土壤有機(jī)質(zhì)表聚性明顯,表層有機(jī)質(zhì)含量高達(dá)582.90(g·kg-1),心土層為126.95(g·kg-1),底土層低至77.66(g·kg-1)。
圖2 A層土壤有機(jī)質(zhì)垂直分布圖
圖3 B層土壤有機(jī)質(zhì)垂直分布圖
圖4 BC層土壤有機(jī)質(zhì)垂直分布圖
溫度和降水量?jī)蓚€(gè)外在影響因子對(duì)有機(jī)質(zhì)含量有顯著影響。一般而言,當(dāng)降水量和其他條件保持不變時(shí),溫度越高,有機(jī)質(zhì)含量越低;反之,當(dāng)溫度保持不變,其他條件類似的情況下,有機(jī)質(zhì)含量隨降水量的增加而增加。溫度、≥10℃積溫隨海拔高度升高而降低,降水量卻正好相反(表3),隨海拔高度的升高而增多,這種變化規(guī)律對(duì)有機(jī)質(zhì)累積極為有利。
如圖5、6所示,當(dāng)溫度達(dá)到2.83 ℃,降水量達(dá)到1 046.0 mm時(shí),A層土壤有機(jī)質(zhì)含量最大,為582.9(g·kg-1)。在年均溫10.0 ℃地帶(海拔:2 800 m)時(shí),土壤有機(jī)質(zhì)含量?jī)H為18.39(g·kg-1)。造成土壤有機(jī)質(zhì)含量如此分布的主要原因是高海拔山地,降水豐富,溫度較低,土壤發(fā)育環(huán)境陰冷潮濕,致使有機(jī)質(zhì)得到了很好的積累。由此可見,溫度和降水量對(duì)于土壤有機(jī)質(zhì)含量的多寡有較大的影響。
土壤有機(jī)質(zhì)以各種形態(tài)存在于土壤中,有些與礦物土粒機(jī)械相混,有些溶于土壤溶液中,也有些以生命體形式存在于土壤中,但大部分則與土壤中的無機(jī)成分結(jié)合形成有機(jī)—無機(jī)復(fù)合膠體。一般而言,土壤有機(jī)質(zhì)與細(xì)的土壤顆粒易形成有機(jī)—無機(jī)復(fù)合膠體后,較細(xì)的土粒粒徑小,易被腐殖質(zhì)包圍,同時(shí)由于較細(xì)的土粒比表面積大,帶正電荷的土粒與帶負(fù)電荷的腐殖質(zhì)結(jié)合形成穩(wěn)定的物質(zhì),不易被微生物分解。
表3 剖面土壤有機(jī)質(zhì)含量與氣候要素對(duì)照表
圖5 有機(jī)質(zhì)含量隨溫度變化分布圖
圖6 有機(jī)質(zhì)含量隨降水量變化分布圖
在研究中發(fā)現(xiàn),土壤有機(jī)質(zhì)含量與黏粒之間存在密切的關(guān)系。一般土壤表層(A層)黏粒(粒徑<0.001 mm)含量較高,如HB-06號(hào)A層,<0.001 mm黏粒其粒級(jí)含量高達(dá)36.87%,其次07號(hào)A層也高達(dá)30.2%。向下,B、C層黏粒含量明顯下降,大約在10%~25%,與之對(duì)應(yīng)的,該土層有機(jī)質(zhì)含量也相應(yīng)減少。這主要是黏粒的表面積較大,易吸附有機(jī)質(zhì),從而對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)起到物理或化學(xué)的保護(hù),這種保護(hù)作用會(huì)因?yàn)轲ちK急壤牟煌瑢?duì)土壤有機(jī)質(zhì)的含量分布產(chǎn)生影響。
通過對(duì)哈巴雪山自然保護(hù)區(qū)內(nèi)土樣有機(jī)質(zhì)測(cè)定分析,結(jié)果表明:土壤有機(jī)質(zhì)與海拔、溫度、降水呈現(xiàn)一定的規(guī)律性變化。在海拔較高、降水豐富、植被覆蓋率高的地帶,腐殖質(zhì)來源豐富,有機(jī)質(zhì)累積較快,有機(jī)質(zhì)總體含量較為豐富。高山草甸土剖面,表層有機(jī)質(zhì)含量高(180 g/kg以上),即使是心土層和底土層,有機(jī)質(zhì)含量也很高。尤其是灰化土底土層有機(jī)質(zhì)含量高(77.66 g/kg)。有機(jī)質(zhì)最大值未出現(xiàn)在海拔最高的高山寒漠土剖面,是由于植被類型、生物量和徑流侵蝕等因素共同作用的結(jié)果。雪線附近因氣溫低、土層淺、風(fēng)蝕強(qiáng)烈導(dǎo)致生境惡劣,多生長(zhǎng)發(fā)育高山草甸,生物量累積較小,土壤有機(jī)質(zhì)含量反而不是最高。在棕壤、暗棕壤、灰化土分布區(qū),森林繁茂,植物殘?bào)w數(shù)量豐富,氣候溫暖濕潤(rùn),特別有利于腐殖化過程的進(jìn)行,有機(jī)質(zhì)含量普遍較高。溫度較低的地帶,有機(jī)質(zhì)含量普遍較高;降雨量多的地帶,有機(jī)質(zhì)含量分布較高。但是不能只憑溫度高低或降雨量多少來衡量其對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響,有機(jī)質(zhì)的累積與分解是溫度和降雨量共同作用的結(jié)果。
相同海拔高度的陰坡、相對(duì)陰濕的溝谷地段,以及植被保存完好的緩坡地段,土壤有機(jī)質(zhì)含量也較高,表土層顏色偏深,反之,則偏低偏淺。保護(hù)區(qū)2 900 m以下的云南松林、華山松林廣布區(qū),因其林下針狀的凋落物殘?bào)w比常綠闊葉林下闊葉殘?bào)w難分解轉(zhuǎn)化,因此生物累積過程比闊葉林地區(qū)緩慢得多,表土層有機(jī)質(zhì)含量明顯低于該高度帶的闊葉林地區(qū)。
保護(hù)區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量不僅與溫度、降水有關(guān),還與植被類型、土壤質(zhì)地、土壤結(jié)構(gòu)有關(guān)。土壤有機(jī)質(zhì)的累積和分解速率的大小也受溫度和降雨量的影響。溫度、降水量都較高,例如干熱河谷地帶,地形陡峻,枯枝落葉層的蓄積量少,有機(jī)質(zhì)的分解速率較大,不利于土壤有機(jī)質(zhì)的累積,因此土壤有機(jī)質(zhì)含量低。山上雪線附近,雨量較多,溫度較低,土壤有機(jī)質(zhì)的累積速率較高,則有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)增加。之所以產(chǎn)生這樣的結(jié)果,其主要原因是溫度和降雨量對(duì)微生物和酶的活性具有較大的影響力。降雨量過大或過少,溫度過高或過低,都會(huì)抑制細(xì)菌、真菌和酶對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的分解和合成性能。