祁連山國家公園祁豐林場四種典型植被類型土壤鹽基離子含量變化特征

石澎雨田曉萍石曉萍侯玉梅車宗偉

(1.張掖市林業(yè)科學研究院，甘肅 張掖 734000；2.甘肅省祁連山水源涵養(yǎng)林研究院，甘肅 張掖 734000；3.甘肅祁連山國家級自然保護區(qū)管護中心祁豐自然保護站，甘肅 肅南 735015)

土壤交換性鹽基離子作為土壤質量重要表征的生態(tài)參數(shù)受到了人們越來越多的關注，通過對其了解和研究能更好地指導人們進行人工經(jīng)營和科學管理植被生態(tài)系統(tǒng)。土壤交換性鹽基離子含量大小在很大程度上反映了土壤形成的過程、維持生物有效性、緩沖土壤酸化等諸多的生態(tài)學功能和過程[1，2]。土壤交換性鹽基離子含量變化受制于不同的土地利用方式、植被類型以及人為的不同管理措施的影響[3-5]。如，黃尚書等對江西省的紅壤研究發(fā)現(xiàn)，不同土地利用方式會對其土壤交換性鹽基離子的含量產(chǎn)生明顯的影響，而且土壤鹽基飽和度表明該研究區(qū)土壤肥力水平較低[6]。秦書琪等對高寒草原土壤交換性鹽基離子添加氮研究發(fā)現(xiàn)，在堿性土壤中的氮添加促進了植物的生長，造成了鹽基含量的降低，同時導致銨根離子交換作用比硝酸離子淋溶增強[7]。聶三安等通過栽培管理方式對上海郊區(qū)大棚及露地栽培體系下有機和常規(guī)農業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中土壤交換性鹽基離子研究發(fā)現(xiàn)，不同園藝系統(tǒng)管理方式改變了土壤鹽基離子的分布及特性，進而影響作物的生長發(fā)育[8]。

分布在祁連山國家公園的森林生態(tài)系統(tǒng)，受地形的影響，其降水和氣溫存在明顯的差異，水熱條件的不同必定導致其土壤生態(tài)環(huán)境及其生態(tài)學過程的不同。根據(jù)楊全生等的研究對祁連山的地形劃分[9]，本研究所選擇的研究區(qū)域位于祁連山西段，目前已有人對祁連山中段的西水林場森林土壤交換性鹽基離子的研究進行了報道。正如前面所述，不同地形影響下的森林生態(tài)系統(tǒng)其土壤交換性鹽基離子可能存在明顯的影響。鑒于此，本研究選擇祁連山國家公園西段的祁豐林場分布的4種典型植被類型為研究對象，通過土鉆取樣法和室內測定相結合的分析方法，對其土壤交換性鹽基離子含量和變化規(guī)律進行了測定和分析，同時分析了壤交換性鹽基離子與有機碳和速效養(yǎng)分的關系，以期為祁連山國家公園分布的森林植被進行分類經(jīng)營和管理提供理論參考。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域選擇地處祁連山國家公園的祁豐林場，地理經(jīng)緯度為E97°15′～99°10′，N38°57′～39°43′，該林區(qū)現(xiàn)有占地總面積為9.13×105hm2，氣候帶上屬于半濕潤和半干旱山地草原氣候。山地地貌海拔落差大，最大高差處高達2000m左右，明顯的水熱環(huán)境差異孕育了豐富多樣的植被類型，主要有高山灌木林、高山草甸帶、山地森林草原帶、山地草原帶和山地荒漠草原荒漠帶。土壤類型亦豐富多樣，主要有高山寒漠土、高山草甸土、高山草原土、亞高山草原土、森林灰褐土、山地栗鈣土、山地棕鈣土、灰漠土、草甸土[10]。林區(qū)內動植物資源也相對豐富，人為干擾活動不明顯。

1.2 樣品采集與處理

在祁豐林場選擇4種典型植被類型包括青海云杉林(Picea crassifolia forest，簡稱PCF)、祁連圓柏林(Sabina przewalskii forest，簡稱SPF)、青海云杉-祁連圓柏混交林(Picea crassifolia-Sabina przewalskii mixed forest，簡稱PC-SPMF)和灌木林(Shrub forest，簡稱SF)，基于“典型性、代表性”建立試驗樣地，見表1，在每種植被類型建立1個面積大小為50m×50m的試驗樣地，將樣地劃分為4個25m×25m的柵格，對其進行植被調查和土壤取樣，每個柵格作為1個土壤采樣點，在每個采樣點利用環(huán)刀體積為100cm3的土鉆采集土樣，土壤剖面深度為60cm，共3～5個重復，將4個采樣點重復采集到的土樣分別按土層0～10cm、10～20cm、20～40cm、40～60cm充分混合并清理植物根系和石塊，按四分之一法取土樣帶回實驗室風干、磨碎和過篩。

表1 4種植被類型典型樣地的基本情況[10]

1.3 樣品分析與數(shù)據(jù)處理

土壤樣品中的交換性K+、Na+、Ca2+、Mg2+含量測定參照《土壤農業(yè)化學分析方法》[11]，土壤有機碳、速效氮、速效磷、速效鉀的室內測定分析參照《森林土壤分析方法》測定[12]。所有數(shù)據(jù)的分析和作圖采用軟件Excel 2016和SPSS 19.0進行試驗數(shù)據(jù)分析和制圖，采用單因素方差分析法(one-way ANOVA)分析差異顯著性。另外鹽基總量是交換性鹽基K+、Na+、Ca2+、Mg2+含量的總和。

2 結果與分析

2.1 4種植被類型土壤剖面鹽基離子含量變化特征

對研究區(qū)4種植被類型土壤剖面不同土層的土壤交換性K+、Na+、Ca2+、Mg2+含量大小和變化規(guī)律進行分析，結果見圖1。由圖1可知，PCF、SPF、PC-SPMF和SF土壤剖面交換性K+含量變化范圍依次為0.31～0.39cmol·kg-1、0.22～0.60cmol·kg-1、0.22～0.63cmol·kg-1、0.40～1.21cmol·kg-1，對應的均值依次為0.33cmol·kg-1、0.31cmol·kg-1、0.36cmol·kg-1、0.67cmol·kg-1，交換性K+含量從大到小依次為SF>PC-SPMF>PCF>SPF。土壤交換性K+含量隨土層深度增加，PCF不同土層間的差異性不顯著(P>0.05)；祁連圓柏混交林其含量表現(xiàn)為0～10cm和10～20cm土層明顯大于其他土層(P<0.05)；PC-SPMF其含量表現(xiàn)為0～10cm明顯大于其他土層(P<0.05)；SF不同土層間的差異性明顯(P>0.05)。不同植被類型土壤交換性K+含量呈現(xiàn)明顯的表聚性特點。

注：圖中不同小寫字母表示同一植被類型土壤交換性鹽基離子含量在不同土層的差異顯著性(P<0.05)。

PCF、SPF、PC-SPMF和SF土壤剖面交換性Na+含量變化范圍依次為1.18～2.37cmol·kg-1、1.19～2.32cmol·kg-1、1.28～2.56cmol·kg-1、1.82～2.52cmol·kg-1，對應的均值大小依次為1.85cmol·kg-1、2.00cmol·kg-1、1.81cmol·kg-1、2.10cmol·kg-1，交換性Na+含量從大到小依次為SF>SPF>PCF>PC-SPMF。土壤交換性Na+含量隨土層深度增加，PCF含量表現(xiàn)為不斷增加；SPF表現(xiàn)為0～10cm土層含量明顯低于其他土層；PC-SPMF和SF均表現(xiàn)為40～60cm土層含量明顯高于其他土層。不同植被類型土壤交換性Na+含量呈現(xiàn)明顯的淺土層低于深土層。

PCF、SPF、PC-SPMF和SF土壤剖面交換性Ca2+含量變化范圍依次為101.08～126.08cmol·kg-1、96.32～142.68cmol·kg-1、87.13～140.75cmol·kg-1、114.48～113.92cmol·kg-1，對應的均值大小依次為115.31cmol·kg-1、130.01cmol·kg-1、128.91cmol·kg-1、126.73cmol·kg-1，交換性Ca2+含量從大到小依次為SPF>PC-SPMF>SF>PCF。土壤交換性Ca2+含量隨土層深度增加，PCF和SF含量變化不明顯(P>0.05)；SPF和PC-SPMF則表現(xiàn)為0～10cm土層含量明顯低于其他土層(P<0.05)。不同植被類型土壤交換性Ca2+含量呈現(xiàn)明顯的淺土層低于深土層。

PCF、SPF、PC-SPMF和SF土壤剖面交換性Mg2+含量變化范圍依次為6.69～13.71cmol·kg-1、11.72～16.30cmol·kg-1、13.57～24.04cmol·kg-1、3.48～6.50cmol·kg-1，對應的均值大小依次為11.33cmol·kg-1、14.31cmol·kg-1、20.17cmol·kg-1、5.40cmol·kg-1，交換性Mg2+含量從大到小依次為PC-SPMF>SPF>PCF>SF。土壤交換性Mg2+含量隨土層深度增加，PCF表現(xiàn)為0～10cm土層含量明顯低于其他土層(P<0.05)；SPF和SF含量變化不明顯(P>0.05)；PC-SPMF則表現(xiàn)為0～20cm土層明顯低于深土層(P<0.05)。不同植被類型土壤交換性Mg2+含量呈現(xiàn)明顯的淺土層低于深土層。

2.2 4種植被類型土壤鹽基離子含量和鹽基總量

對研究區(qū)4種植被類型土壤剖面的交換性K+、Na+、Ca2+、Mg2+含量大小和差異顯著性進行分析，結果見表2。由表2可知，研究區(qū)4種植被類型土壤交換性鹽基離子的土壤剖面含量分布大小均存在顯著性差異(P<0.05)，具體表現(xiàn)為Ca2+>Mg2+>Na+>K+。說明交換性Ca2+和Mg2+主要取決于研究區(qū)土壤形成環(huán)境與成土母質元素對Ca和Mg優(yōu)先形成固持作用。

表2 4種植被類型土壤剖面鹽基離子含量

對研究區(qū)4種植被類型土壤剖面的交換性鹽基總量大小和差異顯著性進行分析，結果見圖2。由圖2可知，PCF、SPF、PC-SPMF和SF土壤剖面交換性鹽基總量變化范圍依次為109.34～142.47cmol·kg-1、109.82～151.20cmol·kg-1、102.64～165.64cmol·kg-1、119.83～143.34cmol·kg-1，對應的均值大小依次為128.82cmol·kg-1、146.63cmol·kg-1、151.25cmol·kg-1、134.73cmol·kg-1，交換性鹽基總量從大到小依次為PC-SPMF>SPF>SF>PCF。土壤交換性鹽基總量隨土層深度增加，PCF和SF不同土層含量變化不明顯(P>0.05)；SPF和PC-SPMF則表現(xiàn)為0～10cm土層明顯低于其他土層(P<0.05)。不同植被類型土壤交換性鹽基總量呈現(xiàn)明顯的淺土層低于深土層。

圖2 4種植被類型土壤剖面0～60cm土壤鹽基總量

2.3 4種植被類型土壤交換性鹽基離子與有機碳和速效養(yǎng)分的關系

對4種植被類型土壤交換性鹽基離子與土壤有機碳和速效養(yǎng)分進行相關性分析，結果見表3。由表3可知，交換性鹽基離子之間表現(xiàn)為交換性鉀與交換性鈣之間呈顯著負相關(P<0.05)，與交換性鎂之間呈極顯著負相關(P<0.01)；交換性鈉與交換性鈣呈顯著正相關(P<0.05)；交換性鈣與交換性鎂之間呈顯著正相關(P<0.05)。交換性鹽基離子與有機碳和速效養(yǎng)分之間，則表現(xiàn)為交換性鉀與速效磷之間呈顯著正相關(P<0.05)，與速效鉀之間呈極顯著正相關(P<0.01)；交換性鈣與速效氮和速效磷之間呈極顯著負相關(P<0.01)，與速效鉀呈顯著負相關(P<0.05)。另外，有機碳與速效氮之間呈極顯著正相關(P<0.01)，速效氮與速效磷、速效磷與速效鉀之間均呈顯著正相關(P<0.05)。

表3 土壤鹽基離子與有機碳和速效養(yǎng)分的相關性分析

3 結論與討論

本研究表明，該研究區(qū)4種植被類型土壤剖面鹽基離子的K+、Na+、Ca2+、Mg2+含量大小不同于姜林等對祁連山中段分布的4種土壤(對應的4種植被類型)土壤鹽基含量大小，說明不同地形影響下的水熱條件的不同植被類型其土壤化學性質存在明顯的差異。同時4種交換性鹽基離子的含量大小表現(xiàn)為Ca2+>Mg2+>Na+>K+，該研究結果與姜林等研究結論基本一致[13]，雖然Na和K的順序大小有出入，但是二者研究均表明，祁連山中段和西段土壤中的鹽基離子當中以Ca2+和Mg2+離子為主，說明其來源主要貢獻于成土母質和土壤形成過程。土壤交換性K+含量呈現(xiàn)明顯的表聚性特點，說明其元素含量主要來自于林下植被較高的生物殘體分解、累積歸還的作用結果[14]；Na+、Ca2+、Mg2+含量呈現(xiàn)明顯的淺土層低于深土層，這可能與淋溶強度作用有很大的關系[15]。4種植被類型交換性鹽基總量從大到小依次為PC-SPMF>SPF>SF>PCF，說明不同植被類型影響下的土壤鹽基總量不同，一般來講，非酸性土壤的土壤中鹽基總量在很大程度上反映了其緩沖、保肥能力[16]，即土壤鹽基總量越大，更適宜其生長需要。因此，在對林區(qū)進行經(jīng)營和管理的過程中，建議多考慮營造和撫育管理PC-SPMF和SPF等耐旱的林型，而且該區(qū)域降水少，優(yōu)先考慮采取這種措施是可行的，在調查的過程中發(fā)現(xiàn)也是符合實際的。交換性離子之間的相互作用有正向作用，亦有反向作用，其原理比較復雜，需要指出的是交換性鈣與速效氮和速效磷之間呈極顯著負相關(P<0.01)，這就要求在不同植被類型經(jīng)營的過程中，要注重鹽基離子對植物吸收養(yǎng)分的有效性。