邱莉萍,張興昌,程積民

(西北農(nóng)林科技大學中國科學院水利部水土保持研究所,陜西楊凌712100)

封育作為一種重要的生態(tài)系統(tǒng)恢復和重建措施已為世界各國廣泛采用。封育不僅增加了林草植被的覆蓋度,提高了生物多樣性[1-2],而且提高了土壤的肥力水平,迅速恢復了原生林草地植被及促進了生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)[3-4]。寧夏固原云霧山草原屬半干旱區(qū)典型草原,地勢較高,年均溫較低,蒸發(fā)量大,地帶性土壤以山地灰褐土和淡黑壚土為主。早期由于該區(qū)土壤流失嚴重,從1982年開始實行封育,歷時23 a,生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)恢復了良性循環(huán),草地平均植被覆蓋度達95%以上[5]。目前對該區(qū)草地土壤的研究主要集中在宏觀調(diào)查土壤肥力水平和植物多樣性上[2,6],而很少有研究涉及坡面尺度和不同類型坡地土壤養(yǎng)分的變化。然而坡地土壤肥力水平由于受到當?shù)氐臍夂驐l件、微地形變化和利用方式的影響,沿坡面不同的微環(huán)境導致了成土過程不一致,從而造成了土壤養(yǎng)分的差異[7-8]。土壤養(yǎng)分狀況在土壤質(zhì)量維持和改善方面具有重要作用,也是植被恢復生態(tài)環(huán)境效應的重要體現(xiàn)方面。系統(tǒng)研究自然恢復草地土壤養(yǎng)分分布特征,不但能夠揭示封育條件下土壤養(yǎng)分的演變特征,而且能夠為準確評價植被恢復的土壤效應提供可靠的基礎資料,從而為正確選取適當?shù)闹脖换謴痛胧┨峁┛茖W依據(jù)。有鑒于此,本文以封育了23 a的固原云霧山自然保護區(qū)撂荒坡地和自然封育坡地(陽坡和陰坡)為研究對象,分析了坡面尺度主要土壤養(yǎng)分的水平分布和剖面分布特征,以深入認識自然封育條件下土壤養(yǎng)分的分布特征及其與坡向的關系,為準確評價研究區(qū)自然封育條件下土壤質(zhì)量演變提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 土壤采樣與樣品處理

于2005年5月在云霧山草原自然保護區(qū)依據(jù)不同利用方式、不同坡位及不同坡向的原則采集土樣。選取了3個典型坡面即陽坡、陰坡和撂荒坡地作為采樣地塊。陽坡、陰坡及撂荒坡地海拔高度分別為2 104,2 102及 2005 m;坡度分別為 16°,18°及18.5°;坡長分別為150,142及155 m。陽坡和陰坡土壤類型為山地灰褐土,植被主要為長芒草(Stip bungeanaTrin.),恢復年限為23 a,植被蓋度均大于90%和70%;撂荒坡地土壤類型為湘黃土,已撂荒23 a,植被主要為長芒草,植被蓋度小于10%。在3個坡面坡頂、坡中及坡底各取一個剖面,共9個剖面點,剖面樣點取樣深度均為105 cm,每隔15 cm為一層。由于坡長不同,坡面樣點間隔不一致,其中陽坡沿坡面每隔25 m取樣,采混合樣6個;陰坡每隔20 m取樣,采混合樣7個;撂荒坡地只選取了坡頂、坡中及坡底3個混合樣。坡面0—15 cm土壤樣品用土鉆采取,每個樣點取13～15次重復,混勻土樣并裝袋。土壤樣品風干后過篩以供測定。

1.2 測定方法

土壤有機碳用重鉻酸鉀外加熱法測定,全氮用半微量凱氏法測定,全磷用酸溶—鉬銻抗比色法測定,礦質(zhì)氮用1 mol/L KCl浸提—流動元素分析儀法測定,速效磷用Olsen法測定,速效鉀用原子吸收光度計法測定,pH用酸度計法測定,陽離子交換量用醋酸銨法測定。以上指標測定時均重復3次[9]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計和圖表繪制分別采用SAS軟件和Excel軟件相應程序進行(圖1)。

圖1 不同坡面表層土壤養(yǎng)分分布特征

2 結果與分析

2.1 不同草坡地表層土壤碳、氮、磷沿坡面分布特征

大量研究表明[10-12],坡地土壤養(yǎng)分以坡頂和坡底部較高,坡面較低,這主要在降雨侵蝕條件下坡面徑流將坡面小粒徑土壤帶到坡底,使得坡面養(yǎng)分含量降低,而坡底養(yǎng)分含量增加。坡頂寬闊、平坦,侵蝕相對較弱,較之坡面養(yǎng)分得到了一定積累。對不同坡地表層(0—15 cm)土壤養(yǎng)分的測定發(fā)現(xiàn),撂荒坡地和封育陽坡有機碳和全氮表現(xiàn)出了坡面流失、坡底富集的規(guī)律(圖1),但對封育陰坡卻與之相反,這可能是因為封育陰坡植被生長旺盛,很好地保持了土壤養(yǎng)分。由于磷在土壤中難于遷移,其在坡面的分布無規(guī)律。不同坡面土壤養(yǎng)分方差分析結果表明,3個坡面土壤有機碳和全氮含量差異顯著,且均表現(xiàn)為陰坡＞陽坡＞撂荒坡,而3個坡面土壤全磷差異不顯著(表1)。這些結果表明,不同類型坡面土壤養(yǎng)分分布的差異主要是坡面土壤侵蝕所造成的土壤物質(zhì)重新分配以及坡面植被生長改變了坡面物質(zhì)重新分配引起的。

表1 表層土壤養(yǎng)分方差分析結果 g/kg

2.2 不同類型坡地土壤性質(zhì)的剖面分布特征

長期封育不僅使草坡地表層土壤養(yǎng)分狀況發(fā)生變化,而且對深層土壤的肥力狀況也產(chǎn)生顯著影響(圖2)。

圖2 不同坡地剖面土壤養(yǎng)分的分布

2.2.1 土壤全量養(yǎng)分 有機碳和全氮含量在不同類型坡地均隨土層的加深逐漸降低,封育陽坡、封育陰坡和撂荒坡剖面土壤有機碳和全氮的變幅分別為11.97,23.34,3.50 g/kg和1.10,2.37,0.35 g/kg。封育陽坡有機碳和全氮含量在60 cm以上土層高于撂荒坡地,封育陰坡在90 cm以上土層高于撂荒坡地。有機碳和全氮含量在整個剖面均表現(xiàn)為封育陰坡＞封育陽坡＞撂荒坡。長期封育后,雖然表層土壤有機碳和全氮的含量有所提高,但深層土壤有機碳和全氮含量并無太大改善,甚至有所耗竭,這可能與植被對養(yǎng)分的吸收深度和強度有關。

與有機碳和全氮有所不同,3個類型坡地全磷含量在土壤剖面變化都不大,這是因為全磷在土壤中較為穩(wěn)定,而且在土壤剖面的遷移過程較弱,其在土壤剖面的分布較為均勻。全磷在不同土層的含量均表現(xiàn)為:撂荒坡＞封育陰坡＞封育陽坡,這與不同坡面植物對土壤磷素的吸收特征有關。

2.2.2 土壤速效養(yǎng)分 礦質(zhì)氮含量在封育陰坡隨土層的加深逐漸降低,而在封育陽坡和撂荒坡剖面中有所波動,其在不同坡地的含量順序為封育陰坡＞封育陽坡＞撂荒坡。3個坡地土壤速效磷含量基本隨土層的加深而減小,且在整個剖面表現(xiàn)為封育陰坡＞撂荒坡＞封育陽坡,其變幅分別為7.83,2.65和1.93 mg/kg。封育陰坡和撂荒坡地速效鉀含量隨土層加深先降低后增加,而封育陽坡則隨土層的加深而降低。不同類型坡地除在0—15 cm土層表現(xiàn)為封育陰坡＞撂荒坡＞封育陽坡,而在15—105 cm土層表現(xiàn)為撂荒坡＞封育陰坡＞封育陽坡。不同類型坡地土壤速效氮、磷、鉀剖面分布的差異與植被對不同養(yǎng)分的選擇性吸收和吸收深度和強度有關。

2.2.3 土壤陽離子交換量和p H值 封育陰坡土壤剖面CEC隨土層的加深逐漸降低,而封育陽坡和撂荒坡土壤CEC則在剖面波動較大。除個別土層外,不同類型坡地土壤剖面CE表現(xiàn)為封育陰坡＞封育陽坡＞撂荒坡,相應坡地的變幅分別為11.25,20.92,和3.19 cmol/kg。

3個坡地土壤pH值均隨土層的加深逐漸增加,在整個剖面表現(xiàn)為撂荒坡＞封育陽坡＞封育陰坡,相應坡地的變幅分別為0.11,0.27和0.32。封育后坡面植被生長狀況得到改善,返還到土壤中有機物質(zhì)增加,土壤有機質(zhì)含量顯著提高,植物根系、凋落物和有機質(zhì)在土壤中分解和轉(zhuǎn)化過程中釋放出大量的有機酸,從而降低了土壤pH,伴隨著這些過程的發(fā)生,土壤CEC也有所提高,土壤p H和CEC的改善也促進了土壤養(yǎng)分含量的提高和有效性的增加。

3 結論

封育草坡表層土壤碳、氮、磷全量遠遠高于撂荒坡;封育陽坡表層土壤有機碳和全氮含量隨坡面位置的降低先降低后增加,而封育陰坡則與之相反;全磷在不同坡地的變異性較大。在剖面分布上,土壤有機碳、全氮、礦質(zhì)氮、速效磷及陽離子交換量基本隨土層的加深而降低,且在不同類型坡地大致表現(xiàn)為封育陰坡＞封育陽坡＞撂荒坡;pH值在不同類型坡地的剖面分布則與之相反;速效鉀和全磷均呈現(xiàn)出撂荒坡＞封育陰坡＞封育陽坡。在半干旱黃土區(qū),應該進一步提倡退化草地的自然封育,以提高土壤質(zhì)量,促進生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)。

[1] 邵新慶,王堃,王赟文,等.典型草原自然恢復演替過程中植物群落動態(tài)變化[J].生態(tài)學報,2008,28(2):855-861.

[2] 賈曉妮,程積民,萬惠娥.封育對云霧山本氏針茅草地群落的影響[J].草地學報,2008,16(3):272-277.

[3] 張偉華,關世英,李躍進,等.不同恢復措施對退化草地土壤水分和養(yǎng)分的影響[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學學報,2000,21(4):31-35.

[4] 何玉惠,趙哈林,劉新平,等.封育對沙質(zhì)草甸土壤理化性狀的影響[J].水土保持學報,2008,22(2):159-161.

[5] 鄒厚遠,關秀琦,張信,等.云霧山草原自然保護區(qū)的管理途徑探討[J].草業(yè)科學,1997,14(1):3-4.

[6] 趙艷云,胡相明.程積民,等.自然封育對云霧山草地群落的影響[J].水土保持通報,2008,28(5):95-98.

[7] Wang J,Fu B,Qiu Y,et al.Soil nutrients in relation to land use and landscape position in the semi-arid small catchment on the loess plateau in China[J].Journal of Arid Environments,2001,48:537-550.

[8] Ovalles F A,Collins M E.Soil-landscape relationships and soil variability in north central Florida[J].Soil Science Society of America Journal,1986,50:401-408.

[9] 中科院南京土壤研究所.土壤理化分析[M].上海:上?？茖W技術出版社,1981:62-141.

[10] 趙文武,傅伯杰,陳利頂.陜北黃土丘陵溝壑區(qū)地形因子與水土流失的相關性分析[J].水土保持學報,2003,17(3):66-69.

[11] 郭勝利,劉文兆,史竹葉,等.半干旱區(qū)流域土壤養(yǎng)分分布特征及其與地形、植被的關系[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,2003,21(4):40-43.

[12] Norton J B,Sandor J A,White C S.Hillslope soils and organic matter dynamics within a Native American agroecosystem on the Colorado plateau[J].Soil Science Society of Am erica Journal,2003,67:225-234.