祁連山排露溝流域亞高山灌木林土壤鉀素含量變化特征

王有玉 任雪梅 安麗娟 張平 何立金

(甘肅祁連山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管護(hù)中心西水自然保護(hù)站，甘肅 張掖 734000)

作為林木生長(zhǎng)必需的3大營(yíng)養(yǎng)元素之一的土壤鉀素，其豐缺程度直接影響著植株體內(nèi)的生理生化過(guò)程，如碳水化合物代謝、蛋白質(zhì)代謝、呼吸代謝等重要功能[1]。土壤鉀素的供應(yīng)能力取決于各形態(tài)鉀的有效性，已有研究表明，土壤中各形態(tài)鉀對(duì)林木吸收鉀素的貢獻(xiàn)存在較大的差異[2]。從植物營(yíng)養(yǎng)學(xué)的角度看待，能被林木生長(zhǎng)吸收的主要鉀素形態(tài)有3種，包括土壤全鉀、速效鉀、緩性鉀，其中土壤全鉀主要是礦物鉀，礦物鉀經(jīng)過(guò)風(fēng)化作用后才能變?yōu)樗傩р?；速效鉀是可供植物吸收的鉀；緩性鉀是速效鉀的?chǔ)備庫(kù)，是速效鉀的補(bǔ)給來(lái)源。

在山地森林生態(tài)系統(tǒng)中，土壤鉀素的唯一來(lái)源是土壤母質(zhì)，不同形態(tài)的鉀素含量和彼此之間的相互作用及植物生長(zhǎng)對(duì)鉀素的耗竭，其含量大小和分布規(guī)律直接受土壤母質(zhì)風(fēng)化條件、生物循環(huán)過(guò)程、森林動(dòng)態(tài)變化和經(jīng)營(yíng)活動(dòng)等影響。梁貴等對(duì)湘中丘陵區(qū)石櫟—青岡櫟常綠闊葉林中的土壤鉀研究表明，其含量大小受制于林地所處的海拔高度和土壤粘粒含量[3]。李佳奇等通過(guò)對(duì)弄崗北熱帶喀斯特季節(jié)性雨林15hm2森林動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)樣地土壤鉀研究表明，其含量在海拔梯度上呈聚集性分布，而且與海拔呈顯著負(fù)相關(guān)[4]。蘇驊等對(duì)哈巴雪山自然保護(hù)區(qū)土壤鉀素垂直分布研究表明，全鉀含量分布與海拔高度相關(guān)性不大，速效而鉀含量隨海拔升高而增加的趨勢(shì)較為明顯[5]。姜林對(duì)祁連山西水林區(qū)不同土壤類(lèi)型不同發(fā)生層鉀素剖面變化規(guī)律進(jìn)行了研究，全鉀含量介于18.32～24.17g·kg-1，各發(fā)生層沒(méi)有明顯的規(guī)律性變化；速效鉀含量介于50.14～299.60g·kg-1，各發(fā)生層間隨土層加深逐漸減小且降低幅度很大[6]。作為祁連山水源涵養(yǎng)功能的主體——亞高山灌木林，其生態(tài)功能特別是水源涵養(yǎng)功能的地位尤為重要，而且對(duì)亞高山灌木林土壤剖面理化性質(zhì)隨海拔梯度的變化特征研究少有報(bào)道。因此，本研究為了更好地合理經(jīng)營(yíng)管理祁連山亞高山灌木林，研究分析其土壤全鉀、速效鉀和緩性鉀在剖面上和海拔梯度上的變化規(guī)律，并分析不同形態(tài)鉀與有機(jī)質(zhì)及不同形態(tài)鉀之間的相互關(guān)系，以期為祁連山灌木林生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)營(yíng)管理提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)選擇位于青藏高原北麓邊緣、祁連山中段的肅南縣馬蹄鄉(xiāng)八一村境內(nèi)的排露溝流域，從地形上來(lái)看，該流域呈中卵形狀。該流域是個(gè)林草復(fù)合流域，流域植被覆蓋較少，很少有水土流失發(fā)生。流域氣候?qū)儆诟吆降厣植菰瓪夂?，水熱條件隨海拔梯度有著明顯的梯度變化特征，造就了不同海拔梯度上分布不同的植被帶，不同植被帶優(yōu)勢(shì)種表現(xiàn)出不同的多度[7]，優(yōu)勢(shì)種數(shù)量隨海拔升高呈先增加后減少的變化趨勢(shì)，這很大程度上取決于土壤資源的分布。其陽(yáng)坡、半陽(yáng)坡分布著以針茅為優(yōu)勢(shì)草本植物的山地草原，陰坡和半陰坡低海拔段分布著青海云杉林分布帶(海拔2700～3300m)，中海拔段分布著亞高山灌木林帶(海拔3300～3600m)，3600m高海拔段以上分布著灌叢草甸和高山冰雪植被。中海拔段的亞高山灌木優(yōu)勢(shì)種有吉拉柳(Salix gilashanica)、箭葉錦雞兒(Caragana jubata)、北極果(Arctous alpinus)等，其灌層下主要分布高山蒿草(Pygmaea)、高山龍膽(Gentiana algida)、火絨草(Leontopodium leontopodioides)等耐低溫、潮濕環(huán)境的草本優(yōu)勢(shì)種和山赤蘚(Syntrichiaruralis)、毛尖羽蘚(Thuidium philibertii)、扭葉牛毛蘚(Ditrichum crispatissimum)等蘚類(lèi)植物[8]。

2 樣地設(shè)置和土樣采集

參考典型樣地法在祁連山排露溝流域的亞高山灌木林內(nèi)進(jìn)行樣地設(shè)置，樣地設(shè)置每隔100m海拔進(jìn)行樣地設(shè)定，包括海拔3300m、3400m、3500m和3600m，根據(jù)環(huán)境條件在同一海拔上進(jìn)行樣地設(shè)置，樣地面積大小為5m×5m，樣地?cái)?shù)為2～3個(gè)，每個(gè)樣地的位置較為接近且環(huán)境條件較為一致，調(diào)查樣地的微地形和植被信息見(jiàn)表1。在每個(gè)樣地內(nèi)隨機(jī)選擇采樣點(diǎn)制作土壤剖面，土壤剖面的挖掘深度從表土層直至母質(zhì)層，調(diào)查樣地的土壤信息見(jiàn)表1，利用小刀在土壤剖面上進(jìn)行機(jī)械劃分土層，土層依次為10cm、20cm、30cm和40cm，然后沿著土壤剖面自下而上逐層用小鐵鏟采樣，最后將同一海拔不同樣地內(nèi)的土樣按同一土層混合均勻，按四分之一法取約500g的土樣密封裝袋帶回實(shí)驗(yàn)室并待風(fēng)干后過(guò)篩，用于測(cè)定土壤化學(xué)性質(zhì)，包括測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)、全鉀、速效鉀和緩性鉀的含量，各指標(biāo)的測(cè)定所采用的測(cè)定方法依照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》測(cè)定[9]。

表1 供試樣地情況

3 結(jié)果與分析

3.1 亞高山灌木林土壤鉀素含量剖面變化特征

對(duì)排露溝流域不同海拔分布的亞高山灌木林其土壤剖面不同土層中的鉀素(包括全鉀、速效鉀和緩性鉀)含量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，不同海拔不同土層的全鉀含量隨土層深度的增加，其變化規(guī)律不明顯，而且全鉀含量變化變異程度小，從海拔3300～3600m其含量變化范圍依次為17.2～19.3g·kg-1、17.5～18.7g·kg-1、17.9～18.6g·kg-1、19.8～20.4g·kg-1。不同海拔不同土層的速效鉀含量隨土層深度的增加，其含量總體上呈不斷減小的變化趨勢(shì)，而且速效鉀含量變化變異程度大，主要體現(xiàn)在0～10cm土層其含量明顯大于其他土層的含量，從海拔3300～3600m其含量變化范圍依次為74.7～109.0mg·kg-1、75.5～153.0mg·kg-1、83.1～226.0mg·kg-1、75.6～112.0mg·kg-1。不同海拔不同土層的緩性鉀含量隨土層深度的增加，其變化規(guī)律不明顯，而且緩性鉀含量變化變異程度小，從海拔3300～3600m其含量變化范圍依次為483～722mg·kg-1、583～766mg·kg-1、607～790mg·kg-1、494～559mg·kg-1。

表2 不同土層深度鉀素含量變化規(guī)律

3.2 亞高山灌木林土壤鉀素含量隨海拔變化特征

對(duì)排露溝流域不同海拔分布的亞高山灌木林其土壤剖面中的鉀素(包括全鉀、速效鉀和緩性鉀)含量進(jìn)行了均值統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，不同海拔土壤全鉀含量從海拔3300～3600m總體上呈增加的變化趨勢(shì)，速效鉀和緩性鉀含量從海拔3300～3500m呈增加的變化趨勢(shì)，其拐點(diǎn)出現(xiàn)在海拔3500m處，而后其含量是減小的，即從海拔3500～3600m其含量是減小的。不同海拔亞高山灌木林0～40cm土深的鉀素含量大小各不相同，其中全鉀、速效鉀和緩性鉀含量變化范圍依次為18.1～20.0g·kg-1、85.8～131.9mg·kg-1、524～700mg·kg-1，全鉀含量的變異程度較小，而速效鉀和緩性鉀的變異程度較大。

表3 不同海拔梯度土壤鉀素含量變化規(guī)律

3.3 亞高山灌木林土壤鉀素含量與有機(jī)質(zhì)的相關(guān)性

對(duì)排露溝流域亞高山灌木林土壤剖面中的鉀素(包括全鉀、速效鉀和緩性鉀)含量及其對(duì)應(yīng)的有機(jī)質(zhì)含量進(jìn)行了相關(guān)性分析，結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可知，土壤中的全鉀與有機(jī)質(zhì)呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，速效鉀與有機(jī)質(zhì)呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，緩性鉀與有機(jī)質(zhì)呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。鉀素中的速效鉀與全鉀之間相關(guān)性不顯著(P>0.05)，緩性鉀與全鉀之間呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)、與速效鉀之間呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。

表4 土壤有機(jī)質(zhì)和鉀素含量的相關(guān)性分析矩陣

4 結(jié)論與討論

土壤全鉀含量隨土層深度增加，沒(méi)有明顯的變化規(guī)律，主要是受研究區(qū)成土母質(zhì)中的含鉀礦物的影響，該研究結(jié)論與姜林等對(duì)同一研究區(qū)不同土壤類(lèi)型其全鉀含量變化規(guī)律是一致的[6]，說(shuō)明研究區(qū)土壤全鉀含量不受土壤類(lèi)型的影響。不同海拔亞高山灌木林土壤剖面速效鉀表現(xiàn)出明顯的層化和表聚現(xiàn)象，原因是灌木林地上新陳代謝物質(zhì)歸還和地下根系的作用和部分分解等作用，使得土壤中的團(tuán)聚體和有機(jī)質(zhì)含量增加，土壤中的鉀素被吸附保蓄在有機(jī)體上，減緩了速效鉀向下層輸運(yùn)；深層的土壤速效鉀直接被灌木林根系吸收，使得深層土壤速效鉀含量減少。綜合而言，土壤速效鉀的剖面分布特點(diǎn)是表層有機(jī)體的補(bǔ)鉀和深層鉀的消耗共同導(dǎo)致的。作為土壤速效鉀的儲(chǔ)備庫(kù)緩性鉀，其在土層中的變化規(guī)律不明顯，可能是緩性鉀的本身屬性所決定，即初始轉(zhuǎn)換量和轉(zhuǎn)換率受環(huán)境的影響從而決定其固定和釋放[1]。

土壤全鉀含量隨海拔梯度增加，亦沒(méi)有明顯的變化規(guī)律，很可能是土壤母質(zhì)是一樣的且風(fēng)化程度受外界環(huán)境影響弱。土壤速效鉀和緩性鉀含量隨海拔梯度的變化規(guī)律類(lèi)同于表1中植被信息中海拔梯度的變化規(guī)律，而且雷蕾等在該試驗(yàn)區(qū)的研究也表明，隨海拔梯度的增加，各個(gè)海拔段的生物量是逐漸增加的[10]，各個(gè)海拔段生物量大小依次為3300m>3400m>3500m>3600m。即隨海拔梯度的增加，亞高山灌木林的生物量和生產(chǎn)力增加，使得歸還到土壤中的有機(jī)質(zhì)含量是豐富的。研究區(qū)亞高山灌木林植被分布帶的土壤全鉀含量豐缺程度表現(xiàn)為高水平，土壤速效鉀含量豐缺程度表現(xiàn)為中至中上水平，土壤緩性鉀含量豐缺程度表現(xiàn)為極高水平[11]。可見(jiàn)，研究區(qū)亞高山灌木林分布帶的土壤供鉀能力表現(xiàn)為中等以上水平，而且這還是0～40cm土層深度的鉀含量均值，而普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中的鉀含量均值是根據(jù)表土層的含量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的(0～20cm)。

土壤全鉀含量與有機(jī)質(zhì)含量呈負(fù)相關(guān)性，說(shuō)明土壤有機(jī)質(zhì)的積累不利于礦物鉀含量的釋放，可能是土壤有機(jī)質(zhì)與礦物鉀的“稀釋效應(yīng)”有很大的關(guān)系。這與同是位于該流域2900～3300m的青海云杉林分布帶其土壤全鉀與有機(jī)質(zhì)的相互作用是一致的[12]。土壤速效鉀和緩性鉀與有機(jī)質(zhì)之間的正相關(guān)性，說(shuō)明從植物營(yíng)養(yǎng)的角度或者說(shuō)能被植物直接吸收和在鉀素耗竭情況下能被植物吸收利用的情況，土壤有機(jī)質(zhì)含量的豐富正向促成植物對(duì)鉀素的利用。而且還有研究表明，在富含有機(jī)質(zhì)的土壤中，土壤有機(jī)質(zhì)與全鉀之間的相互作用表現(xiàn)明顯，而且這種作用隨著有機(jī)質(zhì)含量的升高，其顯著性更為明顯[13]。本研究有機(jī)質(zhì)與全鉀的極顯著相關(guān)性，說(shuō)明亞高山灌木林土壤中的有機(jī)質(zhì)含量是豐富的。土壤有機(jī)質(zhì)、速效鉀和緩性鉀彼此之間的相互正作用，說(shuō)明彼此之間存在消長(zhǎng)協(xié)調(diào)性，而且速效鉀和緩性鉀之間存在的一種動(dòng)態(tài)平衡[14]，可用來(lái)表征土壤鉀素含量的供應(yīng)能力大小。

綜上，祁連山排露溝流域亞高山灌木林土壤各形態(tài)的鉀素含量及其分布狀況表明，亞高山灌木林土壤鉀素含量能夠滿(mǎn)足灌木林生長(zhǎng)需要。