甘肅省榆中盆地不同人工植被類型下的土壤養(yǎng)分時空特征

韋 體，卜 磊，吳登宇，陳宏福，高丹丹，劉紅海，徐紅偉，蔡 勇，楊具田，郭鵬輝

（1. 西北民族大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730030；2. 甘肅煙草工業(yè)責(zé)任有限公司，甘肅 蘭州 730050）

土壤是植物賴以生存的基礎(chǔ)，直接或間接影響植物的生長，植物也反過來影響土壤的形成和發(fā)育[1]。土壤與植物是陸地生態(tài)的2個重要組成部分，土壤中含有多種礦物質(zhì)，為植物生長代謝提供不可或缺的重要條件，而植物通過影響土壤養(yǎng)分、腐殖質(zhì)形態(tài)以及礦物質(zhì)的礦化速率等，加快土壤碳氮循環(huán)過程[2‐3]。因此，充分了解二者之間的關(guān)系，對于植被修復(fù)具有重要意義。

甘肅省榆中盆地地處西北黃土高原，多山少雨，氣候干燥，植被稀疏，生態(tài)環(huán)境脆弱，土層較為疏松，土壤水分極易流失，且土壤養(yǎng)分差異比較明顯[4‐5]。長期以來人們一直希望通過退耕還林、植樹造林等方式來修復(fù)榆中盆地的生態(tài)系統(tǒng)，改良其土壤養(yǎng)分。研究表明，人工植被修復(fù)的確能夠改良土壤理化性質(zhì)[6‐7]。但目前人們關(guān)注的焦點大多集中在植被類型與土壤理化性質(zhì)的相互作用關(guān)系方面，對于植被類型與土壤養(yǎng)分之間的季節(jié)變化動態(tài)方面研究報道較少。鑒于此，在前期調(diào)查分析的基礎(chǔ)上，選取甘肅省榆中盆地草地、落葉林、針葉林、灌木林4 種典型的人工植被類型，以4 種典型人工植被類型下分布較為廣泛的8 種植物（苜蓿、梨樹、銀杏、松樹、柏樹、牡丹、月季、丁香）樣地土壤樣品為研究對象，對其空間和時間分布上的養(yǎng)分狀況及其變化特征進(jìn)行分析，旨在闡明榆中盆地不同人工植被類型與土壤養(yǎng)分季節(jié)變化動態(tài)及其相互關(guān)系，以期為西北黃土高原脆弱區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)重建提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域概況

甘肅省榆中盆地地處西北黃土高原，介于東經(jīng)103°49′15″～104°34′20″、北緯35°34′20″～36°26′30″，總面積3 301.6 km2，海拔1 432～3 670 m，地勢南高北低，中部呈“凹”狀，山多川少，自南至北地形呈“馬鞍型”分布。榆中盆地屬于典型溫帶半干旱大陸性氣候，冬季嚴(yán)寒，夏季炎熱，氣溫年較差、日較差大，四季分明。年平均降水量350 mm，全年無霜期159 d，年平均氣溫6.57 ℃。主要植被類型為落葉喬木、落葉灌木、常綠喬木和草地，分布較為密集，土壤主要由亞高山草甸土和灰褐土構(gòu)成[8‐10]。

1.2 樣品采集

分別于2019年4月和11月采集土壤樣品，采集時以盡量不破壞采集區(qū)為前提，并保證樣點選取的均勻性、科學(xué)性和可比性，各采集區(qū)取樣方法、時間、位置和處理方法保持一致。在4 種典型的人工植被類型（草地、落葉林、針葉林、灌木林）下分布較為廣泛的8種植物（苜蓿、梨樹、銀杏、松樹、柏樹、牡丹、月季、丁香）樣地（30 m×30 m）內(nèi)采用S形采樣法選取5 個點進(jìn)行采樣，每個樣點自上而下分別采集A（0～10 cm）、B（10～20 cm）、C（20～30 cm）3 個土層深度的土壤樣品。將每個土層深度的5個樣品組成1 個混合樣品，并用四分法分取至1 kg 左右。將采得的土樣放入專用樣品袋中作好標(biāo)記，帶回實驗室。將土壤樣品置于陰涼通風(fēng)處自然風(fēng)干，利用瓷研缽將其研細(xì)，通過孔徑為0.15 mm 的尼龍網(wǎng)篩去除樣品中的石頭、雜草及其他雜質(zhì)，裝入密封袋中備用。

1.3 樣品指標(biāo)測定

采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定土壤速效磷含量；采用乙酸銨浸提-火焰光度法測定土壤速效鉀含量；采用土壤養(yǎng)分速測儀（OK-Q，鄭州歐柯奇儀器制造有限公司）測定土壤銨態(tài)氮含量；采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定土壤有機質(zhì)含量；采用pH 計[pHBJ-260 型，上海儀電控股（集團）公司]測定土壤pH 值；采用農(nóng)業(yè)環(huán)境測定儀（HL-2000，石家莊世亞科技有限公司）連接土壤鹽分傳感器測定土壤電導(dǎo)率。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010 軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，采用SPSS 21.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，采用雙變量相關(guān)分析法分析土壤各養(yǎng)分之間的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 甘肅省榆中盆地土壤養(yǎng)分概況

甘肅省榆中盆地4 種典型的人工植被類型（針葉林、落葉林、灌木林、草地）下分布較為廣泛的8種植物（苜蓿、梨樹、牡丹、月季、銀杏、松樹、柏樹、丁香）樣地土壤主要養(yǎng)分指標(biāo)變異系數(shù)最低為2.15%，最高達(dá)44.34%。變異系數(shù)的大小反映了指標(biāo)變異程度，一般認(rèn)為，變異系數(shù)<10%為弱強度變異，10%≤變異系數(shù)≤100%為中等強度變異，變異系數(shù)>100%為強度變異[11]。由表1 可知，土壤速效磷含量和pH值的變異系數(shù)分別為9.83%、2.15%，屬于弱強度變異；土壤銨態(tài)氮含量、速效鉀含量、有機質(zhì)含量和電導(dǎo)率的變異系數(shù)分別為44.34%、30.49%、28.81%、33.33%，介于10%～100%，為中等強度變異。上述結(jié)果表明，在不考慮空間分布的前提下，單從土壤養(yǎng)分的隨機性上看，各養(yǎng)分含量總體上比較分散。銨態(tài)氮、速效磷、速效鉀、有機質(zhì)平均含量分別為50.04 mg/kg、76.16 mg/kg、130.62 mg/kg、18.15 g/kg；pH 值、電導(dǎo)率平均值則分別為8.39、0.36 mS/cm。

2.2 甘肅省榆中盆地不同人工植被類型下的土壤養(yǎng)分含量空間與時間分布特征

由表2 可知，甘肅省榆中盆地4 種典型的人工植被類型（針葉林、落葉林、灌木林、草地）下分布較為廣泛的8種植物（苜蓿、梨樹、牡丹、月季、銀杏、松樹、柏樹、丁香）樣地土壤銨態(tài)氮、速效磷、速效鉀及有機質(zhì)含量均隨著土層深度增加而減少，且同一植物樣地不同土層的土壤銨態(tài)氮、速效磷、速效鉀及有機質(zhì)含量均存在顯著性差異（P<0.05）。土壤銨態(tài)氮含量介于25.79～100.99 mg/kg。其中，丁香樣地0～10 cm 土層銨態(tài)氮含量最高，達(dá)100.99 mg/kg，且其不同土層深度的銨態(tài)氮含量均高于其他7種植物樣地；銀杏樣地20～30 cm 土層銨態(tài)氮含量最低，為25.79 mg/kg。土壤速效磷含量介于59.42～93.65 mg/kg。其中，月季樣地0～10土層速效磷含量最高，達(dá)93.65 mg/kg；銀杏樣地20～30 cm 土層速效磷含量最低，為59.42 mg/kg。土壤速效鉀含量介于74.17～218.13 mg/kg。其中，梨樹樣地0～10 cm 土層速效鉀含量最高，達(dá)218.13 mg/kg，是柏樹樣地20～30 cm 土層速效鉀含量（74.17 mg/kg）的2.9 倍。土壤有機質(zhì)含量介于9.33～29.92 g/kg。其中，苜蓿樣地0～10 cm土層有機質(zhì)含量最高，達(dá)29.92 g/kg；梨樹樣地20～30 cm土層有機質(zhì)含量最低，為9.33 g/kg。

表2 甘肅省榆中盆地不同人工植被類型下土壤養(yǎng)分含量的空間與時間分布特征Tab.2 Spatial and temporal distribution characteristics of soil nutrients content under different artificial vegetation types in Yuzhong Basin，Gansu Province

從季節(jié)變化來看，不同人工植被類型下8 種植物樣地在同一土層深度中，土壤銨態(tài)氮、速效磷、速效鉀含量均為春季顯著高于冬季（P<0.05）。其中，春季丁香樣地土壤銨態(tài)氮平均含量最高，達(dá)95.81 mg/kg；冬季銀杏樣地土壤銨態(tài)氮平均含量最低，為29.06 mg/kg。春季月季樣地土壤速效磷平均含量最高，達(dá)86.15 mg/kg；冬季銀杏樣地土壤速效磷平均含量最低，為65.54 mg/kg。春季梨樹樣地土壤速效鉀平均含量最高，達(dá)197.16 mg/kg；冬季銀杏樣地土壤速效鉀平均含量最低，為84.05 mg/kg。土壤有機質(zhì)含量為冬季顯著高于春季（P<0.05）。其中，春季銀杏樣地土壤有機質(zhì)平均含量最低，為12.18 g/kg；冬季苜蓿樣地土壤有機質(zhì)含量最高，達(dá)26.60 g/kg。

2.3 甘肅省榆中盆地不同人工植被類型下的土壤理化因子空間與時間分布特征

由表3 可知，甘肅省榆中盆地4 種典型的人工植被類型（針葉林、落葉林、灌木林、草地）下分布較為廣泛的8種植物（苜蓿、梨樹、牡丹、月季、銀杏、松樹、柏樹、丁香）樣地土壤pH 值和土壤電導(dǎo)率在不同土層深度存在顯著性差異（P<0.05）。土壤pH 值介于7.84～8.68。其中，柏樹樣地10～20 cm 土層pH值最高，達(dá)8.68；月季樣地0～10 cm 土層pH 值最低，為7.84。土壤電導(dǎo)率介于0.20～0.70 mS/cm。其中，銀杏樣地20～30 cm 土層電導(dǎo)率最高，達(dá)0.70 mS/cm；丁香樣地0～10 cm 土層電導(dǎo)率最低，為0.20 mS/cm。

表3 甘肅省榆中盆地不同人工植被類型下土壤理化因子的空間與時間分布特征Tab.3 Spatial and temporal distribution characteristics of soil physical and chemical factors under different artificial vegetation types in Yuzhong Basin，Gansu Province

從季節(jié)變化來看，不同人工植被類型下8 種植物樣地在同一土層深度中，土壤pH 值和土壤電導(dǎo)率在不同季節(jié)具有顯著性差異（P<0.05）。其中，春季柏樹樣地土壤pH 值平均值最高，達(dá)8.63；冬季苜蓿樣地土壤pH值平均值最低，為8.17。土壤電導(dǎo)率在同一土層深度表現(xiàn)為春季顯著高于冬季（P<0.05）。春季銀杏樣地土壤電導(dǎo)率平均值最高，達(dá)0.67 mS/cm；冬季丁香樣地土壤電導(dǎo)率平均值最低，為0.23 mS/cm。

2.4 甘肅省榆中盆地不同人工植被類型下的土壤養(yǎng)分間相關(guān)性分析

甘肅省榆中盆地4 種典型的人工植被類型（針葉林、落葉林、灌木林、草地）下分布較為廣泛的8種植物（苜蓿、梨樹、牡丹、月季、銀杏、松樹、柏樹、丁香）樣地土壤各養(yǎng)分間Pearson 相關(guān)分析結(jié)果（表4）表明，8 種植物樣地的土壤銨態(tài)氮含量與速效磷含量呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），相關(guān)系數(shù)為0.42；土壤銨態(tài)氮含量與土壤pH 值呈顯著正相關(guān)（P<0.05）；土壤銨態(tài)氮含量與速效鉀含量、電導(dǎo)率之間均呈顯著負(fù)相關(guān)（P<0.05）；土壤銨態(tài)氮含量與有機質(zhì)含量無顯著相關(guān)性（P>0.05）。土壤速效磷含量與土壤有機質(zhì)含量呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），相關(guān)系數(shù)為0.44；土壤速效磷含量與土壤電導(dǎo)率呈極顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01），相關(guān)系數(shù)為-0.42；土壤速效磷含量與土壤pH 值呈顯著負(fù)相關(guān)（P<0.05）；土壤速效磷含量與速效鉀含量無顯著相關(guān)性（P>0.05）。土壤速效鉀含量與土壤有機質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)（P<0.05）；土壤速效鉀含量與土壤電導(dǎo)率、pH值均呈極顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01）。土壤有機質(zhì)含量與電導(dǎo)率呈極顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01），相關(guān)系數(shù)為-0.54；土壤有機質(zhì)含量與土壤pH 值無顯著相關(guān)性（P>0.05）。土壤pH值與電導(dǎo)率無顯著相關(guān)性（P>0.05）。

表4 甘肅省榆中盆地不同人工植被類型下的土壤養(yǎng)分含量與理化因子間的相關(guān)性Tab.4 Correlation between soil nutrients content and physical and chemical factors under different artificial vegetation types in Yuzhong Basin，Gansu Province

本研究利用多元線性逐步回歸法對土壤養(yǎng)分與理化因子進(jìn)行了分析，得到土壤速效鉀含量（Y）與銨態(tài)氮含量（X1）、有機質(zhì)含量（X2）、pH 值（X3）及電導(dǎo)率（X4）的最優(yōu)方程（表5）。表5顯示，在苜蓿樣地，速效鉀含量與銨態(tài)氮含量、有機質(zhì)含量和電導(dǎo)率呈線性數(shù)量關(guān)系，表明苜蓿對土壤速效鉀含量、銨態(tài)氮含量、有機質(zhì)含量和電導(dǎo)率產(chǎn)生了綜合性的影響。在梨樹樣地，土壤速效鉀含量與pH 值和電導(dǎo)率存在線性關(guān)系，表明梨樹對土壤速效鉀、pH 值和電導(dǎo)率產(chǎn)生了綜合性影響。在銀杏樣地，表現(xiàn)為土壤速效鉀含量僅與銨態(tài)氮含量存在線性數(shù)量關(guān)系，表明銀杏對土壤速效鉀含量和銨態(tài)氮含量產(chǎn)生了綜合影響。在松樹、柏樹、月季及丁香樣地，土壤速效鉀含量與銨態(tài)氮含量和電導(dǎo)率存在線性數(shù)量關(guān)系，表明松樹、柏樹、月季及丁香4 種植物對土壤速效鉀含量、銨態(tài)氮含量和電導(dǎo)率產(chǎn)生了綜合影響。在牡丹樣地，土壤速效鉀含量與有機質(zhì)含量和電導(dǎo)率存在線性數(shù)量關(guān)系，表明牡丹對土壤速效鉀含量、有機質(zhì)含量和電導(dǎo)率產(chǎn)生了綜合影響。

表5 甘肅省榆中盆地不同人工植被類型下的土壤養(yǎng)分與理化因子間的多元線性回歸關(guān)系Tab.5 Multiple linear regression relationship between soil nutrients and physical and chemical factors under different artificial vegetation types in Yuzhong Basin，Gansu Province

3 結(jié)論與討論

甘肅省榆中盆地作為西北黃土高原的典型區(qū)域，水土流失嚴(yán)重、植被稀少，生態(tài)環(huán)境脆弱[5]。人工植物種植既是改善該區(qū)域脆弱生態(tài)環(huán)境的有效方法，也是改良土壤品質(zhì)、適應(yīng)惡劣環(huán)境的綜合體現(xiàn)。本研究針對榆中盆地不同人工植被類型下土壤養(yǎng)分的時空特征進(jìn)行了分析，從土壤的空間垂直分布上看，隨著土層深度（0～30 cm）的增加，土壤中銨態(tài)氮、速效磷、速效鉀及有機質(zhì)含量逐漸降低。其中，土壤銨態(tài)氮含量、速效鉀及有機質(zhì)含量在不同土層深度及季節(jié)下變異系數(shù)分別為44.34%、30.49%、28.81%，均表現(xiàn)為中等強度變異；速效磷含量變異系數(shù)為9.83%，表現(xiàn)為弱強度變異。變異系數(shù)值越小，表明不同土層之間土壤養(yǎng)分含量差別越小。本研究中，銨態(tài)氮、速效鉀及有機質(zhì)含量，尤其是速效磷含量在不同土層中較穩(wěn)定。趙鵬等[12]的研究發(fā)現(xiàn)，檉柳和黑果枸杞樣地土壤養(yǎng)分含量（有機質(zhì)、全氮、速效氮、速效磷、速效鉀）隨土層深度的增加而降低，與本研究結(jié)果一致，這可能與植物凋落物的分解有關(guān)[6]。植物凋落物的分解是土壤養(yǎng)分的主要來源，其含量的高低，在一定程度上直接影響土壤養(yǎng)分分解和循環(huán)的速率，故深層土壤中養(yǎng)分含量較低[13]。從季節(jié)變化動態(tài)來看，除有機質(zhì)外，不同人工植被類型下8種植物樣地，春季土壤銨態(tài)氮、速效磷、速效鉀含量顯著高于冬季（P<0.05）。甘肅省榆中盆地春季溫度回升，土壤微生物種類和數(shù)量增加，土壤表層的凋落物分解速率加快，加之該季節(jié)降雨量增加，土壤表面的養(yǎng)分隨水分下滲，經(jīng)夏秋2個季節(jié)植物吸收與利用后，土壤養(yǎng)分逐漸減少。進(jìn)入冬季后榆中盆地氣溫急劇下降，降雨量稀少，土壤微生物數(shù)量和種類減少，導(dǎo)致冬季土壤養(yǎng)分顯著低于春季（P<0.05）。不同人工植被類型下8種植物樣地，冬季土壤有機質(zhì)含量顯著高于春季（P<0.05），其原因可能是該研究區(qū)域每年冬季有大量的植物凋落物堆積，這些堆積的凋落物逐步轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)，使土壤中的有機物含量增加[14‐15]。

土壤pH 值是反映土壤酸堿度的重要指標(biāo)，pH值過高（過堿）或過低（過酸）均不利于植物生長[16‐17]。本研究結(jié)果表明，甘肅省榆中盆地不同人工植被類型下8 種植物樣地土壤pH 值在不同季節(jié)各土層變化不大，維持在7.84～8.68，表明8種植物對榆中盆地土壤的酸堿性改良作用不明顯，土壤整體上呈偏堿性，這也可能與該區(qū)域干旱少雨有關(guān)。本研究中土壤電導(dǎo)率隨著土層深度增加而增加，這可能與該區(qū)域地質(zhì)條件及人工灌溉方式等因素有較大關(guān)系，具體原因仍需進(jìn)一步研究和分析。

本研究通過線性回歸分析，發(fā)現(xiàn)苜蓿樣地土壤銨態(tài)氮含量、有機質(zhì)含量和電導(dǎo)率與速效鉀含量存在線性數(shù)量關(guān)系，而其他植物樣地則沒有這種關(guān)系，由此可推斷苜蓿種植對于綜合改良土壤理化性質(zhì)的效果優(yōu)于其他植物，其原因可能是苜蓿為豆科植物，具有固氮作用。

本研究通過對甘肅省榆中盆地不同人工植被類型下8 種植物樣地的土壤養(yǎng)分含量進(jìn)行分析，揭示了土壤養(yǎng)分含量對其地上植物生長及季節(jié)變化的響應(yīng)，表明土壤養(yǎng)分與人工植被存在一定的同步性，呈現(xiàn)出一定的線性相關(guān)關(guān)系，亦即土壤養(yǎng)分含量與植物是協(xié)同互作的有機整體。