甘肅省公益林不同生態(tài)區(qū)位土壤理化特征研究

劉燕萍，陳徵尼，仲怡銘，凌 雷

（1.甘肅省林業(yè)科學(xué)研究院，蘭州 730000；2.蘭州新區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展研究院，蘭州 730300）

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，對(duì)改變和影響區(qū)域氣候、水資源分布、涵養(yǎng)水源、凈化水質(zhì)、保持水土、抵御各種自然災(zāi)害、維持生物穩(wěn)定性和多樣性具有重要作用，是構(gòu)建人與自然和諧的社會(huì)基本要求。公益林以維護(hù)和改善生態(tài)環(huán)境、保持生態(tài)平衡、保護(hù)生物多樣性等滿足人類社會(huì)的生態(tài)、社會(huì)需求和可持續(xù)發(fā)展為主體功能，充分發(fā)揮森林的生態(tài)效益是公益林建設(shè)的目的所在[1]，其主要生態(tài)功能包括水源涵養(yǎng)、固土保肥、固碳釋氧等幾個(gè)方面，其中水源涵養(yǎng)和固土保肥是公益林生態(tài)功能的重中之重。甘肅省地形地貌復(fù)雜，面臨的主要生態(tài)問(wèn)題有水資源匱乏、植被覆蓋率低、水土流失嚴(yán)重、草原退化日益加劇、土地荒漠化持續(xù)擴(kuò)展、滑坡泥石流威脅不斷等。對(duì)于這樣一個(gè)森林資源短缺、生態(tài)危機(jī)嚴(yán)重的省份，如何提高森林質(zhì)量，有效發(fā)揮森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，是實(shí)現(xiàn)森林資源的可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵所在。

森林土壤是林木生長(zhǎng)的基礎(chǔ)，為林木生長(zhǎng)提供所需的水分、養(yǎng)分等生態(tài)要素[2]，因此，土壤的理化性質(zhì)是公益林生態(tài)效益檢測(cè)的重要指標(biāo)。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)公益林研究主要集中在公益林的管護(hù)措施、評(píng)價(jià)體系、補(bǔ)償機(jī)制等，對(duì)公益林在不同生態(tài)區(qū)位發(fā)揮的作用以及在公益林監(jiān)測(cè)中各指標(biāo)在不同區(qū)位的差異性研究較少。本研究以甘肅省公益林為研究對(duì)象，對(duì)甘肅省內(nèi)公益林在不同生態(tài)區(qū)位土壤理化特征進(jìn)行研究，探討甘肅省公益林土壤理化性質(zhì)在不同生態(tài)區(qū)位的特征和差異性，以此為甘肅省公益林生態(tài)效益評(píng)價(jià)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

甘肅省位于全國(guó)地理中心，地處黃土高原、內(nèi)蒙古高原和青藏高原的交匯處，分屬黃河、長(zhǎng)江和內(nèi)陸河三大流域，地理坐標(biāo)N32°11'～42°57'、E92°13'～108°46'，東接陜西，南鄰四川，東北與寧夏毗鄰，西連青海、新疆，北靠?jī)?nèi)蒙古，并與蒙古人民共和國(guó)接壤。甘肅地形狹長(zhǎng)，東西長(zhǎng)1 655 km，南北寬530 km，土地總面積42.58萬(wàn)km2。甘肅省地處我國(guó)東部季風(fēng)區(qū)、西北干旱區(qū)和青藏高原三大自然地理區(qū)的交匯處，自然生態(tài)環(huán)境復(fù)雜，地形地貌、氣候類型多樣，森林資源十分匱乏。據(jù)第六次甘肅省森林資源清查，林業(yè)用地面積981.21萬(wàn)km2，森林覆蓋率僅13.42%，國(guó)家級(jí)公益林總面積914.83萬(wàn)km2。根據(jù)《甘肅省國(guó)家級(jí)公益林區(qū)劃界定辦法》，本研究選擇甘肅省公益林6個(gè)生態(tài)區(qū)位，包括江河源頭區(qū)、江河兩岸區(qū)、重點(diǎn)自然保護(hù)區(qū)、水流失嚴(yán)重區(qū)、沙地接壤區(qū)、西南高山峽谷區(qū)作為研究區(qū)域，對(duì)區(qū)域內(nèi)土壤理化特征進(jìn)行深入研究。

1.2 樣品采集

2019 年8 月，根據(jù)甘肅省公益林分布特征，選擇位于不同生態(tài)區(qū)位的6 個(gè)縣作為取樣地點(diǎn)。根據(jù)林分面積，在每個(gè)縣選取一個(gè)典型林分，在林地內(nèi)隨機(jī)布設(shè)3個(gè)20 m×20 m 的樣方進(jìn)行采樣。為保證取樣點(diǎn)選取的分布均勻性、科學(xué)性、可比性，各樣方取樣方法、時(shí)間、位置和處理方法保持一致。在樣方內(nèi)隨機(jī)選取3個(gè)樣點(diǎn)，每個(gè)樣點(diǎn)分別在0～10，10～20，20～40，40～60，60～100 cm 土層處取3 個(gè)土樣分別裝回取樣袋和土壤盒，同時(shí)，用環(huán)刀在各土層處分別取3個(gè)土樣，一起帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行化驗(yàn)和測(cè)定。采樣點(diǎn)基本概況見(jiàn)表1。

表1 采樣點(diǎn)基本概況Table 1 Basic overview of sampling points

1.3 數(shù)據(jù)收集及處理

1.3.1 土壤物理性質(zhì)測(cè)定 土壤含水量用傳統(tǒng)烘干法測(cè)定，土壤容重用環(huán)刀法測(cè)定。土壤總孔隙度計(jì)算方法[2]為：

式中：p為土壤總孔隙度（%）；b為土壤容重（g·cm-3）。

土壤最大持水量的計(jì)算方法[3]為：

式中：T0為土壤最大持水量（%）；M1為環(huán)刀內(nèi)注滿水的濕土質(zhì)量（g）；M0為環(huán)刀及原狀土質(zhì)量（g）。

1.3.2 土壤化學(xué)性質(zhì)測(cè)定 土壤全氮用凱氏蒸餾法測(cè)定，土壤全磷用氫氧化鈉鉬銻抗比色法測(cè)定，土壤全鉀用分光光度法測(cè)定，土壤有機(jī)質(zhì)用重鉻酸鉀容量法測(cè)定。

1.3.3 數(shù)據(jù)分析 利用SPSS 18.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析和統(tǒng)計(jì)分析,并利用Microsoft Excel 2007軟件進(jìn)行相關(guān)的表格和圖表制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同生態(tài)區(qū)位土壤物理性質(zhì)

由表2 可知，土壤含水率在不同生態(tài)區(qū)位差異顯著（p＜0.05），其中西南高山峽谷區(qū)土壤含水率最大，為41.86%，顯著高于其他5個(gè)生態(tài)區(qū)位，沙地接壤區(qū)土壤含水率最小，為6.83%，江河源頭區(qū)、江河兩岸區(qū)、水土流失嚴(yán)重區(qū)和沙地接壤區(qū)的土壤含水率無(wú)顯著差異（p＞0.05）；土壤容重在不同的生態(tài)區(qū)位差異顯著（p＜0.05），表現(xiàn)為：江河源頭區(qū)＞沙地接壤區(qū)＞水土流失嚴(yán)重區(qū)＞江河兩岸區(qū)＞西南高山峽谷區(qū)＞重點(diǎn)自然保護(hù)區(qū)。江河源頭區(qū)土壤容重最大，為1.56 g·cm-3,顯著高于重點(diǎn)自然保護(hù)區(qū)和西南高山峽谷區(qū)（p＜0.05），與其他3個(gè)區(qū)位無(wú)明顯差異；江河源頭區(qū)土壤總孔隙度為42.62%，顯著小于其他5個(gè)生態(tài)區(qū)位（p＜0.05），而其他5個(gè)生態(tài)區(qū)位互相之間無(wú)顯著差異性（p＞0.05）；土壤最大持水量表現(xiàn)為：水土流失嚴(yán)重區(qū)＞重點(diǎn)自然保護(hù)區(qū)＞沙地接壤區(qū)＞西南高山峽谷區(qū)＞江河兩岸區(qū)＞江河源頭區(qū)，江河源頭區(qū)與水土流失嚴(yán)重區(qū)土壤最大持水量存在顯著差異性（p＜0.05），與其他4個(gè)生態(tài)區(qū)位無(wú)顯著差異（p＞0.05）。

表2 不同生態(tài)區(qū)位土壤物理性質(zhì)統(tǒng)計(jì)分析Table 2 Statistical analysis of soil physical properties in different ecological locations

2.2 不同生態(tài)區(qū)位土壤化學(xué)性質(zhì)

由表3 可知，土壤有機(jī)質(zhì)在不同生態(tài)區(qū)位存在顯著差異性（p＜0.05），重點(diǎn)自然保護(hù)區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)最大，為74.12 g·cm-1，顯著高于江河源頭區(qū)，江河兩岸區(qū)，水土流失嚴(yán)重區(qū)，沙地接壤區(qū)（p＜0.05），而與西南高山峽谷區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量無(wú)顯著差異性；土壤全氮含量為江河源頭區(qū)最大，顯著高于另外5個(gè)生態(tài)區(qū)位（p＜0.05），這5個(gè)生態(tài)區(qū)位的土壤全氮含量互相之間無(wú)明顯差異；土壤全磷含量表現(xiàn)為：西南高山峽谷區(qū)＞水土流失嚴(yán)重區(qū)＞江河源頭區(qū)＞重點(diǎn)自然保護(hù)區(qū)＞江河兩岸區(qū)＞沙地接壤區(qū)，沙地接壤區(qū)含量最小，為0.31 g·cm-1，與西南高山峽谷區(qū)和水土流失嚴(yán)重區(qū)差異顯著（p＜0.05），除沙地接壤區(qū)外，其他5 個(gè)生態(tài)區(qū)位的土壤全磷含量無(wú)顯著變化；土壤全鉀含量在各生態(tài)區(qū)位分布比較均勻，無(wú)顯著差異性（p＞0.05）。

表3 不同生態(tài)區(qū)位土壤化學(xué)性質(zhì)統(tǒng)計(jì)分析Table 3 Statistical analysis of soil chemical properties in different ecological locations

2.3 不同生態(tài)區(qū)位土壤理化性質(zhì)的空間異質(zhì)性

2.3.1 不同生態(tài)區(qū)位土壤物理性質(zhì)空間差異 由圖1可知，各生態(tài)區(qū)位在100 cm土層內(nèi)土壤含水率隨著土層深度的增加普遍呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)，在10～20 cm處最大，40～60 cm處最小，60～100 cm又逐漸增加，西南高山峽谷區(qū)與重點(diǎn)自然保護(hù)區(qū)的土壤含水率變化較明顯，其他區(qū)位無(wú)明顯變化；江河源頭區(qū)和重點(diǎn)自然保護(hù)區(qū)的土壤容重隨著土層深度的增加逐漸增加，在60～100 cm處達(dá)到最大值，0～40 cm土層內(nèi)，各生態(tài)區(qū)位土壤容重存在明顯的差異，而在40～100 cm土層，江河源頭區(qū)明顯高于其他5個(gè)區(qū)位，而這5個(gè)區(qū)位互相之間無(wú)明顯差異；各生態(tài)區(qū)位的土壤總孔隙度隨著土層深度的增加普遍呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，在40～100 cm土層，江河源頭區(qū)和西南高山峽谷區(qū)明顯低于其他四個(gè)區(qū)位；土壤最大持水率在重點(diǎn)自然保護(hù)區(qū)隨著土層深度的增加呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)，在20～40 cm土層達(dá)到最大值，其他5個(gè)區(qū)位的土壤最大持水率則無(wú)明顯變化規(guī)律。

圖1 不同土層土壤物理性質(zhì)變化特征Figure 1 Changes in soil physical properties of different soil layers

2.3.2 不同生態(tài)區(qū)位土壤化學(xué)性質(zhì)空間差異 由圖2可知，各生態(tài)區(qū)位土壤有機(jī)質(zhì)含量與土壤全氮含量都隨土層深度的增加逐漸減小，在重點(diǎn)自然保護(hù)區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量明顯高于其他生態(tài)區(qū)位，而土壤全氮含量在江河源頭區(qū)最高顯著高于其他生態(tài)區(qū)位；各生態(tài)區(qū)位土壤全磷含量在0～20 cm土層相對(duì)較高且在西南高山峽谷區(qū)土壤全磷含量在各土層普遍高于其他生態(tài)區(qū)位；土壤全鉀含量隨土壤深度的增加無(wú)明顯變化規(guī)律，江河源頭區(qū)土壤全鉀含量在各土層普遍高于其他生態(tài)區(qū)位。

圖2 不同土層土壤化學(xué)性質(zhì)變化特征Figure 2 Variation characteristics of soil chemical properties in different soil layers

2.4 不同生態(tài)區(qū)位土壤理化性質(zhì)相關(guān)性分析

由表4可知，土壤理化特征各指標(biāo)之間存在一定的相關(guān)性，且相關(guān)性較顯著。土層與土壤理化性質(zhì)各指標(biāo)之間普遍呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與土壤有機(jī)質(zhì)有顯著相關(guān)性（p＜0.01），與土壤容重和土壤總孔隙度之間的相關(guān)性也較顯著（p＜0.05）；土壤有機(jī)質(zhì)與土壤全鉀和土壤容重呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性且與土壤容重相關(guān)性顯著（p＜0.01），土壤有機(jī)質(zhì)與土壤全氮、全磷、含水率、總孔隙度以及土壤最大持水率都呈正相關(guān)關(guān)系，與土壤含水率和土壤總孔隙度有顯著相關(guān)性（p＜0.01），土壤全氮與土壤總孔隙度和土壤最大持水率呈負(fù)相關(guān)性，與土壤全磷、含水率、容重之間呈正向關(guān)系，相關(guān)性均不顯著，土壤全氮與土壤全鉀之間存在顯著正相關(guān)性（p＜0.01），土壤全磷與土壤全鉀和土壤含水率之間存在正相關(guān)性，且與土壤含水率的相關(guān)性顯著（p＜0.01），土壤全磷與土壤容重和土壤最大持水率之間呈負(fù)相關(guān)性，相關(guān)性不顯著，土壤全鉀與土壤含水率和容重之間存在正相關(guān)性，與土壤總孔隙度和最大持水率之間存在負(fù)相關(guān)性，相關(guān)性均不顯著，土壤含水率與土壤容重之間呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（p＜0.01），與總孔隙度和最大持水率之間呈正相關(guān)性，相關(guān)性不顯著。土壤容重與土壤總孔隙度呈顯著負(fù)相關(guān)（p＜0.01），土壤總孔隙度與土壤最大持水率呈顯著正相關(guān)（p＜0.05）。

表4 不同土層土壤理化性質(zhì)相關(guān)性分析Table 4 Correlation analysis of soil physical and chemical properties in different soil layers

3 討論與結(jié)論

土壤是一個(gè)形態(tài)和演化過(guò)程都十分復(fù)雜的自然綜合體[4-5]，它的形成過(guò)程包括物理過(guò)程、化學(xué)過(guò)程和生物過(guò)程。由于不同地區(qū)的氣候特征、立地類型、成土母質(zhì)、植被類型等各不相同，致使土壤性質(zhì)在不同的地區(qū)存在明顯的差異[6]。即使在同一個(gè)地區(qū)，在不同的時(shí)間和不同的空間也會(huì)造成土壤性質(zhì)的差異性。本研究對(duì)甘肅省公益林6 大生態(tài)區(qū)位的土壤理化特征進(jìn)行研究，研究表明土壤理化特征在不同生態(tài)區(qū)位存在一定的差異性，土壤容重在江河源頭區(qū)最大，而土壤孔隙度在江河源頭區(qū)最小，兩者存在顯著的負(fù)相關(guān)性，這與王政權(quán)等[6]研究結(jié)果一致。土壤含水率在西南高山峽谷區(qū)最大，而在沙地接壤區(qū)最小，造成這一結(jié)果的原因可能是因?yàn)槲髂细呱綅{谷區(qū)年降雨量較大，蒸發(fā)量較小，而沙地接壤區(qū)與之相反。土壤有機(jī)質(zhì)在重點(diǎn)自然保護(hù)區(qū)的含量顯著高于其他生態(tài)區(qū)位，可能是因?yàn)樵谥攸c(diǎn)自然保護(hù)區(qū)的植被類型較其他生態(tài)區(qū)位都比較豐富，底層枯落物較多，所以有機(jī)質(zhì)含量較高。

不同生態(tài)區(qū)位土壤理化性質(zhì)隨土層深度的增加表現(xiàn)出一定的規(guī)律。土壤含水率在各生態(tài)區(qū)位同時(shí)表現(xiàn)為隨著土層深度的增加，含水率先增加后減小的趨勢(shì)，這與王永強(qiáng)等[7-9]的研究結(jié)果一致。表層蒸發(fā)大造成表層土壤含水率較低，隨著土層深度的增加，土壤含水率逐漸增加，直至達(dá)到一定深度的時(shí)候，土壤中分布大量的植物根系，由于植物耗水致使土壤含水率逐漸減小。隨著土層深度的增加，土壤容重逐漸增加，土壤總孔隙度普遍下降，在40～100 cm 土層，黃河源頭區(qū)土壤容重和土壤總孔隙度與其他區(qū)位存在明顯差異，這可能是由土壤類型不同引起的，黃河源頭區(qū)土壤類型屬于沙質(zhì)土，與其他區(qū)位都有差別，導(dǎo)致了土壤容重和土壤總孔隙度與其他區(qū)位的差異，土壤最大持水率在各生態(tài)區(qū)位表現(xiàn)的規(guī)律與土壤含水率保持一致，這也表明土壤最大持水率和土壤含水率存在明顯的正相關(guān)關(guān)系[10-12]。土壤有機(jī)質(zhì)含量與土壤全氮含量在各生態(tài)區(qū)位都表現(xiàn)為隨土層深度的增加逐漸減小，在土壤表層相對(duì)較高，這與馮天嬌等[13-14]的研究一致。土壤中的氮元素含量大部分是由土壤有機(jī)質(zhì)分解而來(lái)，所以土壤全氮含量和土壤有機(jī)質(zhì)含量隨著土層深度的增加表現(xiàn)出了相同的變化規(guī)律[15-18]。土壤全磷含量與土壤全鉀含量隨土層深度的增加沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律，說(shuō)明他們含量主要由土壤成土母質(zhì)決定[19-21]。

在甘肅省公益林6大生態(tài)區(qū)位內(nèi)，土壤理化性質(zhì)存在一定的差異性。土壤含水率在西南高山峽谷區(qū)最大，為41.86%，而在沙地接壤區(qū)最小，為6.83%，土壤容重在江河源頭區(qū)最大，土壤總孔隙度在此生態(tài)區(qū)位最小，兩者存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，土壤有機(jī)質(zhì)在重點(diǎn)自然保護(hù)區(qū)的含量為74.12 g·kg-1,顯著高于其他生態(tài)區(qū)位。其他土壤理化指標(biāo)在各生態(tài)區(qū)位沒(méi)有明顯的差異。土壤理化指標(biāo)在空間分布上存在一定的規(guī)律，土壤含水率與土壤最大持水率隨著土層深度的增加都呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)，兩者存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，土壤容重隨土層深度的增加，逐漸增加而土壤孔隙度隨土層深度的增加逐漸減小，兩者存在顯著負(fù)相關(guān)性。土壤有機(jī)質(zhì)含量和土壤全氮含量具有明顯表聚性，在土壤表層含量較高，隨土層深度的增加逐漸減小。土壤全磷含量與土壤全鉀含量在土壤空間分布上無(wú)明顯變化規(guī)律。