趙維俊 ，劉賢德 ，金 銘 ，車宗璽 ，馬 鈺

(1.甘肅省森林生態(tài)與凍土水文水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，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)

土壤養(yǎng)分是土壤質(zhì)量變化最基本的表征和核心研究?jī)?nèi)容[1]，是土壤從環(huán)境條件和營(yíng)養(yǎng)條件兩方面來(lái)影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育和植物的物種組成，歷來(lái)受到土壤學(xué)、植物營(yíng)養(yǎng)學(xué)和生態(tài)學(xué)研究領(lǐng)域的眾多專家和學(xué)者的關(guān)注[2-4]。青海云杉是我國(guó)特有樹種，集中分布在甘、青兩省交界的祁連山[5]，面積為169 564 hm2，蓄積量18 107 932 m3，祁連山青海云杉林生態(tài)系統(tǒng)對(duì)維系林區(qū)生物多樣性、涵養(yǎng)水源、保持水土起著非常重要的生態(tài)作用，同時(shí)對(duì)區(qū)域農(nóng)業(yè)發(fā)展及整個(gè)西北地區(qū)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和氣候有著重大的影響。

祁連山是我國(guó)著名的高大山系之一，按地形可分為東、中、西段，祁連山森林植被自東南向西北植被逐漸荒漠化，目前對(duì)祁連山建群種青海云杉土壤養(yǎng)分研究不多，而且集中在祁連山的東、中段[6-8]，而對(duì)祁連山西段青海云杉土壤養(yǎng)分研究鮮有報(bào)道，因此，本文通過(guò)對(duì)祁連山西段青海云杉林土壤養(yǎng)分特征進(jìn)行研究，為提高祁連山西段青海云杉林生態(tài)系統(tǒng)土壤肥力、生產(chǎn)力以及指導(dǎo)青海云杉可持續(xù)經(jīng)營(yíng)和管理提供參考，也為整個(gè)祁連山青海云杉森林生態(tài)系統(tǒng)的土壤肥力和營(yíng)養(yǎng)元素循環(huán)研究奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

研究區(qū)位于祁連山西段北麓，河西走廊南部，肅南裕固族自治縣祁豐藏族鄉(xiāng)境內(nèi)，地處 97°15′-99°10′E，38°57′-39°43′N 之間。平均海拔 4 000 m 左右，年平均氣溫4℃，最冷月平均溫度-13℃，最熱月平均溫度17℃，年降水量300 mm，年蒸發(fā)量1 800 mm，平均無(wú)霜期90～120 d，屬典型的內(nèi)陸干旱氣候。青海云杉林主要分布在海拔2 500～3 200 m的陰坡、半陰坡，林區(qū)土壤為山地灰褐土，土層平均厚度為40 cm，有輕微的水土流失，林下有少量的苔蘚和草本，灌叢極少見(jiàn)，草本層優(yōu)勢(shì)種主要有苔草(Carex tristachya)、珠牙蓼(polygonum viviparum L.)、棘豆(Oxytropis)、針茅(Stipa capillataLinn.)、香 青 (Anaphalis sinica Hance)等，灌木層優(yōu)勢(shì)種主要有爬地柏(Sabina procumbens(Endl.)Iwata et Kusaka)、鮮黃小檗(Berberis diaphana Maxin.)、銀露梅(Pltentilla glabra)等。

2 研究方法

2.1 供試土壤

2009年7月27日至2009年8月4日在試驗(yàn)區(qū)選擇典型青海云杉林典型樣地10個(gè)，樣地面積大小為20 m×20 m，多數(shù)樣地林下無(wú)灌木，苔蘚和草本植物較少，在對(duì)樣地林木調(diào)查后，進(jìn)行土壤取樣，在每個(gè)樣地的外側(cè)順坡向選一個(gè)點(diǎn)挖土壤剖面，取分層(上層0-10 cm、中層 10-20 cm、下層 20-40 cm)土樣，每個(gè)層次3個(gè)重復(fù)，把環(huán)刀取的土樣用自封袋密封，用于土壤含水量測(cè)定。另外在每個(gè)層次取混合土樣按四分法取適量土壤帶回實(shí)驗(yàn)室，挑揀出植物殘?bào)w和大的石塊，同層土樣室溫風(fēng)干混勻并研磨過(guò)2 mm篩后置于自封袋中用于土壤化學(xué)性質(zhì)分析。供試土壤樣地基本情況見(jiàn)表1。

表1 供試土壤臨時(shí)樣地基本情況

2.2 土壤理化性質(zhì)分析

土壤容重和質(zhì)量含水量的測(cè)定采用環(huán)刀法[9]。土壤有機(jī)質(zhì)測(cè)定用重鉻酸鉀外加熱法;土壤全N用重鉻酸鉀-硫酸消化法;全P用堿熔-鉬銻抗比色法;全K用氫氧化鈉熔融-火焰光度計(jì)法[10]。供試土壤基本性質(zhì)測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 供試土壤的基本性質(zhì)

2.3 分析方法

所有數(shù)據(jù)采用Excel 2003和SPSS 11.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、分析和作圖處理。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤養(yǎng)分要素的統(tǒng)計(jì)特征值

由表3看出，祁連山西段青海云杉林林地土壤全氮含量變化范圍介于0.15%～0.44%之間，均值為(0.29±0.01)%;全磷含量變化范圍介于0.036%～0.066%之間，均值為(0.051±0.001)%;全鉀含量變化范圍介于1.766%～2.183%之間，均值為(1.990±0.019)%;有機(jī)質(zhì)含量變化范圍介于 3.78%～12.35%之間，均值為(7.96±0.40)%。土壤全氮、全磷、全鉀和有機(jī)質(zhì)含量的變異系數(shù)分別為24.14%、15.69%、5.18%和27.26%，全氮和有機(jī)質(zhì)含量變異系數(shù)較大，其次為全磷含量，較低的為全鉀含量，空間變異程度均屬中等變異[11]。經(jīng)QQ殘差圖分析，土壤全氮、全磷、全鉀和有機(jī)質(zhì)含量均呈正態(tài)分布[12]。

表3 供試土壤養(yǎng)分的總體統(tǒng)計(jì)特征

對(duì)10個(gè)樣地養(yǎng)分含量總體均值的單因素方差分析得出，土壤全氮、全磷、全鉀和有機(jī)質(zhì)含量的F值分別為5.96，13.16，4.64，5.42 ，除全磷含量總體均值為極顯著外(F＞F0.01)，全氮、全鉀和有機(jī)質(zhì)含量在不同樣地的總體均值差異均不顯著(F＜F0.05)。青海云杉林林地不同樣地全磷含量差異極顯著，可能是磷的風(fēng)化、淋溶、富集遷移等多種因素共同作用的結(jié)果，其中生物富集遷移是影響磷素積累的主導(dǎo)因素[13];土壤有機(jī)質(zhì)差異不顯著，可能與研究區(qū)水熱條件相似有關(guān);全氮含量差異亦不顯著，可能有土壤有機(jī)質(zhì)有著密切的關(guān)系[14];全鉀含量差異不顯著，而且變異系數(shù)較低，可能與土壤礦物類型和數(shù)量較為一致有關(guān)。

3.2 土壤養(yǎng)分在剖面上的變化

研究區(qū)林地土壤剖面0-10 cm、10-20 cm和20-40 cm土層土壤全氮和有機(jī)質(zhì)含量的變化趨勢(shì)是一致的，其含量的變化隨著土層深度的加深而減少，其中土壤全氮在0-10，10-20，20-40 cm土層上的含量分別是(0.33±0.05)%、(0.27±0.07)%和(0.27±0.08)%，10-20，20-40 cm 含量變化不大，這與這兩個(gè)土壤發(fā)生層次的性狀一致有關(guān);土壤有機(jī)質(zhì)在0-10，10-20，20-40 cm 含量分別為(8.565±2.019)%、(7.855±2.320)%和(7.477±2.130)%。研究區(qū)林地土壤表層生物積累量較大，土壤上層較下層土壤歸還量大，土壤有機(jī)質(zhì)積累量也相應(yīng)較大，土壤全氮隨土壤有機(jī)質(zhì)的變化，有機(jī)質(zhì)含量高的土層其含氮量水平亦高，說(shuō)明土壤全氮與土壤有機(jī)質(zhì)之間具有很密切的相關(guān)性(圖1)。土壤全磷含量隨土層深度而增加，但其變化差異不大，含量大小較為一致。土壤全鉀含量隨土層深度變化不大。

圖1 土壤全氮、全磷、全鉀和有機(jī)質(zhì)在剖面上的變化

變異系數(shù)是表征總體內(nèi)部各試驗(yàn)樣本之間變異程度的一個(gè)重要參數(shù)，是對(duì)兩個(gè)或多個(gè)資料變異程度比較[15]。

土壤全氮和土壤有機(jī)質(zhì)在0-10，10-20，20-40 cm的變異系數(shù)分別為:16.23%、26.83%、27.74%和 23.57%、28.48%、29.53%，土壤變異系數(shù)隨土壤深度的增加而變大，與其含量大小的變化規(guī)律相反，表層雖含量大，但變異系數(shù)較小。土壤全磷表層的變異系數(shù) 16.97%大于底層的變異系數(shù)16.16%，亦與其含量大小變化規(guī)律相反。土壤全鉀隨土層增加變異系數(shù)分別為 6.04%、3.06%和4.87%。在土壤剖面上，空間變異除土壤全鉀含量為弱變異性，其他養(yǎng)分變異程度均屬中等水平[11]。

3.3 土壤有機(jī)質(zhì)與其他土壤養(yǎng)分元素的關(guān)系

土壤有機(jī)質(zhì)含量能影響到土壤的許多性質(zhì)，其中包括供給氮、磷、鉀和微量元素的能力[16]，土壤有機(jī)質(zhì)是影響林分生產(chǎn)力與土壤肥力的重要因素。以土壤剖面0-10 cm土壤全氮、土壤全磷和土壤全鉀含量做自變量，以土壤有機(jī)質(zhì)含量做因變量，應(yīng)用SPSS提供的對(duì)數(shù)函數(shù)、二次曲線、三次曲線、復(fù)合函數(shù)、S曲線、指數(shù)函數(shù)等11種曲線模型對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量與全氮、全磷、全鉀含量進(jìn)行擬合，最終選擇擬合優(yōu)度(R2)大的方程作為模擬方程[17]，其中擬合優(yōu)度是評(píng)價(jià)回歸方程對(duì)樣本數(shù)據(jù)的代表程度。

表4 土壤有機(jī)質(zhì)與土壤全氮、全磷和全鉀的模擬方程

由表4可知，祁連山西段青海云杉林土壤有機(jī)質(zhì)含量與全氮含量擬合方程三次方程為最優(yōu)曲線方程，且呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01)，土壤有機(jī)質(zhì)含量與土壤全磷含量擬合最優(yōu)方程為S曲線模型，兩者之間呈顯著正相關(guān)(P＜0.05)，土壤有機(jī)質(zhì)與土壤全鉀含量相關(guān)性不顯著。

4 結(jié)論

(1)祁連山西段青海云杉林同土壤層次養(yǎng)分含量有機(jī)質(zhì)含量最高，3大元素中以全鉀含量最高。土壤有機(jī)質(zhì)是土壤各營(yíng)養(yǎng)元素特別是N和P的重要來(lái)源。豐富的有機(jī)質(zhì)可以促進(jìn)微生物的活動(dòng)，增加土壤養(yǎng)分，促進(jìn)林木生長(zhǎng)，其來(lái)源是地上部分枯枝落葉的積累和分解，而非地下部分的根系死亡。因此，試驗(yàn)區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量在垂直方向上由上而下呈逐漸減少趨勢(shì)。土壤中的K主要來(lái)自含K的礦物質(zhì)，另外還受到地質(zhì)、淋溶等因素的影響。

(2)對(duì)10個(gè)樣地的單因素方差分析得出，除全磷含量總體均值為極顯著外(F＞F0.01)，全氮、全鉀和有機(jī)質(zhì)含量在不同樣地的總體均值差異均不顯著(F＜F0.05)，這與研究區(qū)的植被因子和環(huán)境條件及土壤養(yǎng)分的固有屬性有一定的關(guān)系。

(3)各種土壤養(yǎng)分在土壤剖面有一定的變化規(guī)律，土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量隨土層深度的增加而減少，土壤全磷含量和土壤全鉀含量隨土層深度變化不明顯。土壤養(yǎng)分空間變異反映了土壤養(yǎng)分在剖面上分布的均勻性，研究區(qū)除土壤全鉀含量為弱變異性，其他養(yǎng)分變異程度均屬中等水平。

(4)祁連山西段青海云杉林地土壤上層(0-10 cm)土壤全氮含量與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈極顯著正相關(guān)，土壤全磷含量與有機(jī)質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)，土壤全鉀含量與土壤有機(jī)質(zhì)含量相關(guān)性不顯著。

[1] 程先富，史學(xué)正，于東升，等.丘陵山區(qū)林地土壤養(yǎng)分狀況研究:以江西省興國(guó)縣為例[J].水土保持學(xué)報(bào)，2003，17(2):12-13.

[2] 李寶林，李香蘭.黃土高原林區(qū)土壤肥力綜合評(píng)價(jià)排序方法探討[J].水土保持學(xué)報(bào)，1995，9(1):64-70.

[3] Rboertson G P，Vitowsek P M.Nitrification potentials in primary and secondary succession[J].Ecology，1981，62:376-386.

[4] Vitousek P M ，Matson P A，Van Cleve K，et al.Nitrogen availability and nitrification during succession，primary，secondary and old field series[J].Plant and Soil，1989，115:229-239.

[5] 劉興聰.青海云杉[M].甘肅:蘭州大學(xué)出版社，1992.

[6] 張鵬，張濤，陳年來(lái).祁連山北麓山體垂直帶土壤碳氮分布特征及影響因素[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2009，20(3):518-524.

[7] 蘇永中，常學(xué)向，何志斌，等.祁連山典型流域谷地植被斑塊演變與土壤性狀[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2008，28(1):212-219.

[8] 胡啟武，歐陽(yáng)華，劉賢德.祁連山北坡垂直帶土壤碳氮分布特征[J].山地學(xué)報(bào)，2006，24(6):654-661.

[9] 張萬(wàn)儒，許本彤.森林土壤分析方法[M].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1999.

[10] 中國(guó)土壤學(xué)會(huì).土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法[M].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)科技出版社，1999.

[11] 胡克林，李保國(guó)，林啟美.農(nóng)田土壤養(yǎng)分的空間變異性特征[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，1999，15(3):33-38.

[12] 張文彤.SPSS11統(tǒng)計(jì)分析教程[M].北京:北京希望電子出版社，2002.

[13] 尹娜，魏天興，張曉娟.黃土丘陵區(qū)人工林土壤養(yǎng)分效應(yīng)研究[J].水土保持研究，2008，15(2):209-211.

[14] Stenger R，Priesack E ，Beese F.Spatial variation of nitrate-N and related soilproperties at the plot-scale[J].Geoderma，2002，105:259-275.

[15] 曾宏達(dá).次生闊葉林土壤空間異質(zhì)性研究[D].福州:福建師范大學(xué)，2006.

[16] 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院:廬山綜合實(shí)習(xí)報(bào)告指導(dǎo)書[Z].2006.

[17] 黃文彬，鄭小賢.黑龍江落葉松人工復(fù)層林生長(zhǎng)過(guò)程分析[J].林業(yè)科技開發(fā)，2007，21(3):52-54.