姜紅梅，李明治，王 親，劉星星

（蘭州大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，西部環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州730000）

生態(tài)系統(tǒng)中，植被與土壤是一個(gè)相互作用、相互影響、相互制約、協(xié)調(diào)發(fā)展的統(tǒng)一系統(tǒng)，土壤為植被提供必要的物質(zhì)基礎(chǔ)，而植被的出現(xiàn)也影響著土壤的形成和發(fā)育。不同植被類型影響著土壤養(yǎng)分的積累、分布與循環(huán)，而土壤養(yǎng)分含量又是植被生長的重要影響因子［1－2］。植被對土壤的影響主要表現(xiàn)在植物的枯枝落葉和死亡根系產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)及根系分泌物對土壤理化性質(zhì)的影響，植被防止或減輕水土流失引起的養(yǎng)分流失，植被對土壤營養(yǎng)元素的富集與再分配等作用［3］；而土壤作為植物生存的重要環(huán)境條件之一，對植物群落結(jié)構(gòu)和功能也會(huì)產(chǎn)生重要影響。一方面，土壤環(huán)境的差異會(huì)導(dǎo)致群落演替過程中物種多樣性的變化［4］；另一方面，土壤作為諸多生態(tài)過程的參與者和載體，其結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分狀況是度量生態(tài)系統(tǒng)功能恢復(fù)與維持的關(guān)鍵指標(biāo)之一［5］。在土壤養(yǎng)分循環(huán)中，碳、氮、磷元素作為生命元素驅(qū)動(dòng)著其他養(yǎng)分元素的循環(huán)與轉(zhuǎn)化，是養(yǎng)分元素循環(huán)的核心［6－7］。因此，通過研究土壤養(yǎng)分的動(dòng)態(tài)變化，對了解不同植被類型土壤肥力和營養(yǎng)元素循環(huán)機(jī)制具有重要意義。不同學(xué)者對不同氣候帶不同植被類型下的土壤養(yǎng)分效應(yīng)開展了大量研究［8－14］，雖然結(jié)果不盡相同，但大都認(rèn)為在植被恢復(fù)演替的過程中，土壤養(yǎng)分含量逐漸升高，土壤性質(zhì)向有利于植被恢復(fù)的方向發(fā)展。如Jia等［15］對子午嶺次生林的研究表明，隨著演替的進(jìn)程，土壤中的有機(jī)碳、全氮、微生物量碳氮含量迅速增加。群落內(nèi)物種的變化是影響土壤物理、化學(xué)與生物特性的重要因素。不同森林植被類型下，土壤化學(xué)性質(zhì)與養(yǎng)分狀況不盡相同［16］，其對土壤理化和生物學(xué)性質(zhì)影響顯著［17］。

祁連山東段地區(qū)地處青藏、蒙新、黃土三大高原交匯帶，具典型的高寒半干旱氣候特征，氣候濕潤，植物資源種類豐富，植被和土壤的垂直變化明顯。山地森林草原植被帶是研究區(qū)主要的植被分布帶，與上下限的灌叢構(gòu)成祁連山水源涵養(yǎng)林生態(tài)系統(tǒng)的主體，是下游地區(qū)特別是石羊河流域與黃土高原西部地區(qū)重要的生態(tài)屏障。近年來由于森林砍伐、過度放牧、開礦挖藥和開荒種植，天然植被破壞嚴(yán)重，水源涵養(yǎng)能力降低，生態(tài)調(diào)節(jié)功能減弱。其中土壤侵蝕的加劇嚴(yán)重地影響著土壤的物理、化學(xué)特性，使得土壤肥力退化，對生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重威脅。而較好的植被覆蓋可以有效地防控水土流失。但目前對于祁連山不同植被下的土壤養(yǎng)分狀況研究卻很少見于報(bào)道。基于此，本文通過分析天?？h地區(qū)典型植被群落下不同層次土壤養(yǎng)分的變化，探討不同植被對土壤養(yǎng)分含量的影響和對土壤養(yǎng)分有效性的影響等問題，以期為中國西北地區(qū)生態(tài)環(huán)境恢復(fù)、植被建設(shè)與管理提供一定的措施依據(jù)。

1 材料與方法

1．1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于祁連山東段的天祝縣，樣地位置位于36°55′－36°59′N、102°34′－102°43′E、海拔2 446～2 844 m。該區(qū)氣候寒冷潮濕，年平均氣溫－0．1℃，1月均溫－18．3℃，7月均溫12．7℃，＞0℃年積溫1 380℃，水熱同期，年日照時(shí)數(shù)2 600 h；年降水量400～420 mm，集中于7－9月3個(gè)月，年蒸發(fā)量1 590～1 600 mm，屬大陸性寒溫帶半濕潤半干旱氣候區(qū)。主要發(fā)育的土壤類型為分布在陰坡、半陰坡的森林灰褐土和分布在陽坡的山地栗鈣土。天然植被類型中喬木林主要有青海云杉（Piceacr assif olia）林、白樺（Betul apl atyphyll a）林、紅樺 （Betul aal bo－sinensis）林以及它們的混交林；灌叢主要由金露梅（Potentill af r uticosa）、銀露梅（Pltentill agl abr a）、小葉錦雞兒（Car agana micr ophylia Lam．）、小 檗 （Berberis thunber gii DC）、野薔薇（Rosa multif lor a Thunb．）等灌木組成；草地植被主要有披針苔草（Carex l anceol ata Boott）、垂穗披堿草（El y mus nutans）、早熟禾（Poa annua）、風(fēng)毛菊（Saussurea j aponica）和煙管頭草（Car pesium cer nuum Linn．）等草本植物（表1）。

表1 采樣點(diǎn)概況

1．2 樣地選取與樣品采集

供試土樣于2008年8月27－28日取自天?？h炭山嶺鎮(zhèn)。根據(jù)不同植被覆蓋情況選取五塊典型樣地，分別為：叢生禾草草地、銀露梅落葉灌叢、青海云杉常綠針葉林、青海云杉－白樺針闊混交林和白樺落葉闊葉林。為了降低環(huán)境因子的影響，我們選取的樣地空間鄰近、坡度坡向相似，因此各樣地間的溫度、降水等環(huán)境影響基本一致。在每塊樣地上根據(jù)均勻分布的原則布置6個(gè)樣點(diǎn)，利用土鉆法分層（0－20 c m和20－40 c m）取樣，將同層的土樣混合均勻并去除植物根系和石塊帶回實(shí)驗(yàn)室，風(fēng)干后過篩用于土壤養(yǎng)分的測定。

1．3 測定項(xiàng)目與分析方法

土壤有機(jī)碳（SOC）、全氮（STN）在元素分析儀（CHNS－analyser，Elementar Vario EL，Elementar Analysensysteme Gmb H，Hanau，Ger many）上測定；銨態(tài)氮（NH4－N）、硝態(tài)氮（NO3－N）采用氯化鉀浸提流動(dòng)注射分析儀法測定；全磷（STP）采用HC1 O4－H2SO4鉬銻抗比色法測定，速效磷（SAP）采用Olsen法測定。各個(gè)樣地土壤養(yǎng)分參數(shù)值為3次重復(fù)的平均值。數(shù)據(jù)經(jīng)過Excel 2003電子表格軟件整理后采用SPSS 16．0進(jìn)行分析，用最小顯著差異法（LSD）進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2．1 土壤養(yǎng)分的剖面分布特征

不同植被覆蓋下的土壤碳、氮、磷的剖面分布具有明顯的層次性，養(yǎng)分含量總體上表現(xiàn)為表層（0－20 c m）高于底層（20－40 c m），反映了植被對土壤養(yǎng)分的表聚效應(yīng)［18］。除了部分植被覆蓋下的土壤全磷、銨態(tài)氮上下層含量差異不顯著外，其他各養(yǎng)分含量均表現(xiàn)為上層顯著高于下層（p＜0．05，表2－3）。植物根系要從土壤中大量吸收養(yǎng)分以保證植物生長的營養(yǎng)需要，同時(shí)植物吸收的養(yǎng)分又主要以凋落物的形式歸還給土壤，由于研究區(qū)氣候寒冷，凋落物分解緩慢，在土壤表層積累較多，這些因素共同作用導(dǎo)致了土壤養(yǎng)分的表聚。由于不同植物的生物學(xué)特征不同，使得其凋落物的質(zhì)和量及分解速率都有較大差異［19］，所以不同植被對土壤養(yǎng)分的表聚效應(yīng)是不同的。以土壤有機(jī)碳為例，叢生禾草覆蓋下，表層含量比底層含量高35．6%，而喬木林下平均為48．5%，說明喬木林的養(yǎng)分表聚效應(yīng)強(qiáng)于叢生禾草草地的養(yǎng)分表聚效應(yīng)。由于草地下地表凋落物很少，有機(jī)質(zhì)大部分來自于死亡根系腐解及根系分泌物，所以其養(yǎng)分表聚效應(yīng)很有限。

2．2 不同植被對土壤有機(jī)碳含量的影響

土壤有機(jī)碳是土壤養(yǎng)分循環(huán)轉(zhuǎn)化的核心，其含量變化是不同植被類型、土地利用方式下土壤質(zhì)量演變的重要標(biāo)志［20］。從表2看出，不同植被覆蓋下土壤有機(jī)碳含量差異顯著（p＜0．05），依次為青海云杉－白樺林＞白樺林＞青海云杉林＞銀露梅灌叢＞叢生禾草草地，呈現(xiàn)從草地到灌叢再到喬木林逐漸上升的趨勢。叢生禾草草地下，由于地表凋落物很有限，所以土壤有機(jī)碳含量最低，為26．04 g／kg。隨著植被的演替，以枯枝落葉和死亡根系等形式歸還到土壤中的有機(jī)質(zhì)數(shù)量不斷增加，土壤有機(jī)碳含量也相應(yīng)升高，反映了植被演替能夠顯著促進(jìn)土壤有機(jī)碳的積累。在不同喬木覆蓋下，土壤有機(jī)碳含量表現(xiàn)為青海云杉－白樺林稍高于白樺林，二者均遠(yuǎn)大于青海云杉林。相較于青海云杉的凋落物，白樺的枯枝落葉更容易分解。至于青海云杉－白樺林覆蓋下的有機(jī)碳含量稍高于白樺下的有機(jī)碳含量，可能因?yàn)橄噍^于其他植被類型，白樺林的郁閉度低，有機(jī)碳礦化消耗較高所致。

表2 不同植被下的土壤有機(jī)碳、全氮、全磷含量 g／kg

表3 不同植被覆蓋下土壤速效氮、速效磷含量 mg／kg

2．3 不同植被對土壤全氮、速效氮含量的影響

土壤全氮含量是衡量土壤氮素供應(yīng)狀況的重要指標(biāo)，不同植被覆蓋下土壤全氮含量依次為白樺林＞青海云杉－白樺林＞銀露梅灌叢＞青海云杉林＞叢生禾草草地，各植被間差異顯著（p＜0．05，表2－3）。土壤氮素主要分布于土壤有機(jī)質(zhì)中，土壤全氮含量的變化取決于有機(jī)質(zhì)含量的變化［21］。從草地到灌叢再到喬木林，地表枯枝落葉層的分解補(bǔ)充與累積不斷增加，從而使得土壤全氮含量隨之升高。青海云杉林下的土壤全氮含量低于銀露梅灌叢下的土壤全氮含量，是因?yàn)榍嗪Ｔ粕嫉目葜β淙~不易分解所致。就喬木林而言，土壤全氮含量表現(xiàn)為白樺林下顯著高于青海云杉林和青海云杉－白樺林，一方面是由于闊葉林會(huì)產(chǎn)生大量容易分解的枯枝落葉，另一方面是針葉林下氮素礦化作用較強(qiáng)，大量有機(jī)氮被轉(zhuǎn)化成了無機(jī)氮，土壤銨態(tài)氮變化情況與全氮相反，佐證了上述推論。

土壤中的速效氮主要以銨態(tài)氮（NH4－N）和硝態(tài)氮（NO3－N）的形式存在，它們是植物從土壤中吸收氮素的主要形態(tài)。不同植被下，土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量都有顯著變化（p＜0．05），但二者的變化情況差異較大（表3）。就速效氮的組成而言，銨態(tài)氮占了很大的比例，其占速效氮含量的百分?jǐn)?shù)最低為銀露梅灌叢下的68．9%，最高為青海云杉－白樺林下的84．6%，這是由于研究區(qū)土壤呈微酸性、氨化作用較強(qiáng)而硝化作用相對較弱所致。銨態(tài)氮含量基本隨草地到灌叢再到喬木林的演替而增加，在青海云杉林下最高為20．42 mg／kg。雖然硝態(tài)氮有隨植被演替而增加的趨勢，但在青海云杉林和青海云杉－白樺混交林下卻顯著低于白樺林甚至低于銀露梅灌叢下的含量，在青海云杉－白樺林下僅為3．23 mg／kg。有試驗(yàn)表明，營養(yǎng)需求量低的針葉樹通常喜好銨態(tài)氮［22］，為了滿足對銨態(tài)氮的需求，青海云杉有可能通過某種機(jī)制抑制了其林下土壤中硝化細(xì)菌的硝化作用，從而降低了硝態(tài)氮的含量；同時(shí)研究區(qū)針葉林下的地表植被覆蓋不如闊葉林，土壤侵蝕較闊葉林嚴(yán)重，導(dǎo)致硝態(tài)氮流失也較多。此外，土壤氧氣充足有利于銨態(tài)氮的氧化從而增加土壤硝態(tài)氮含量，由于白樺林的凋落物量大且容易分解，其下的土壤結(jié)構(gòu)要比針葉林下疏松，有利于硝態(tài)氮的生成。以上因素共同作用造成了青海云杉林和青海云杉－白樺林下土壤銨態(tài)氮含量高而硝態(tài)氮含量低的結(jié)果。

2．4 不同植被對土壤全磷、速效磷含量的影響

磷是一種沉積性礦物，在主要植物營養(yǎng)元素中，磷在風(fēng)化殼中的物質(zhì)遷移是最小的。表2顯示，除白樺林外，土壤全磷含量在其他植被下無顯著差異，表明不同植被對土壤全磷含量的影響不明顯。土壤全磷含量主要受土壤母質(zhì)和成土作用的影響，白樺林可能由于其較大的枯枝落葉量，導(dǎo)致全磷含量高于其他植被覆蓋下的土壤。植物生長需要的是速效磷而不是全磷，不同植被覆蓋下土壤速效磷含量差異顯著（p＜0．05，），表現(xiàn)出與土壤有機(jī)碳完全一致的變化趨勢（表3）。相關(guān)分析表明二者有極顯著的正相關(guān)關(guān)系（R＝0．940＊＊，p＜0．01），不同植被對速效磷的影響機(jī)理應(yīng)與有機(jī)碳相似。土壤中的磷被植物吸收之后又以凋落物的形式歸還土壤，相比于草地，灌叢與喬木林速效磷高，與其有較厚的腐殖質(zhì)層，土壤微生物含量高，礦化分解全磷的能力較強(qiáng)有關(guān)。而喬木林中青海云杉林下速效磷含量最少，與針葉林對速效磷的消耗較大有關(guān)。

3 討 論

徑流、淋溶損失是養(yǎng)分從土壤－植物生態(tài)系統(tǒng)中流失的主要途徑之一。研究區(qū)主要發(fā)育的山地栗鈣土和森林灰褐土，成土過程中腐殖質(zhì)積累過程較為強(qiáng)烈，加之該區(qū)降水量小，淋溶過程較弱，從而使土壤養(yǎng)分累積在土壤表層。在同一氣候和土壤條件下，所覆蓋的植被類型不同，土壤的理化性質(zhì)有差異，反映了土壤特性除了與其成土母巖、氣候和自然理化性質(zhì)有密切關(guān)系外，植被的作用也不可忽視［23］。植被對土壤養(yǎng)分具有表聚效應(yīng)，而土壤養(yǎng)分的表聚為地表植被的生長提供了豐富的營養(yǎng)元素，使地表的覆蓋度增加，有效地減輕了土壤侵蝕，降低了土壤養(yǎng)分的流失，從而表現(xiàn)出植被與土壤相互促進(jìn)的循環(huán)演替進(jìn)程。

土壤有機(jī)碳和全氮作為土壤微生物的能量和細(xì)胞構(gòu)成要素，二者含量的多少會(huì)影響土壤中微生物的數(shù)量，從而影響土壤養(yǎng)分的長期積累和植物生長。對不同植被覆蓋下的土壤有機(jī)碳與全氮進(jìn)行線性分析，回歸方程為y＝0．1268x＋0．2185，R2＝0．8141（y——土壤全氮；x——土壤有機(jī)碳）。土壤全氮含量隨土壤有機(jī)碳的增加而升高，充分證明有機(jī)質(zhì)的積累對土壤有機(jī)碳和全氮含量具有重要影響。不同植被對土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和速效磷等速效養(yǎng)分的影響與對土壤有機(jī)碳的影響基本相似，雖然受不同植被養(yǎng)分吸收差異以及養(yǎng)分本身流失潛力不同等因素的影響，各速效養(yǎng)分的變化情況互有不同，但總的變化趨勢大體一致，說明土壤有機(jī)碳在維持土壤養(yǎng)分庫、提高土壤養(yǎng)分有效性方面起著重要作用［24］。硝態(tài)氮是土壤－植物系統(tǒng)中流失潛力最大的速效養(yǎng)分。本研究中，青海云杉林通過抑制硝化作用使土壤銨態(tài)氮占優(yōu)勢，對于促進(jìn)林下土壤肥力，防止氮素流失具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。但青海云杉的凋落物分解緩慢，對于有機(jī)質(zhì)的輸入有一定的限制作用；而白樺林由于林下容易分解的大量枯枝落葉，可為土壤提供豐富的有機(jī)質(zhì)，但其林下土壤硝態(tài)氮含量最高，因此養(yǎng)分流失的潛力也最大；而青海云杉－白樺混交林下的土壤硝態(tài)氮含量在喬木林中最低，且其他養(yǎng)分含量也不遜于青海云杉林和白樺林；另外，青海云杉林對速效磷的消耗較大，使林下土壤速效磷含量較其他林相相對匱乏。綜上，青海云杉－白樺混交林樹種優(yōu)勢互補(bǔ)，提高了物種的多樣性，增強(qiáng)了土壤－植被系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使土壤養(yǎng)分保持較高的平衡狀態(tài)，有效防止了土壤質(zhì)量的退化，所以其養(yǎng)分效應(yīng)要強(qiáng)于本研究中的其他植被。

4 結(jié) 論

（1）不同植被覆蓋下0－20 c m土層土壤養(yǎng)分含量顯著高于20－40 c m土層，植被對土壤養(yǎng)分具有表聚效應(yīng)，受凋落物量等因素的影響，喬木林的表聚效強(qiáng)于灌叢與草地。

（2）植被演替有助于土壤養(yǎng)分的積累，表現(xiàn)為隨著上覆植被從草本植物到灌叢再到喬木的變化，土壤有機(jī)碳、全氮、銨態(tài)氮和速效磷等養(yǎng)分均呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢；植被對土壤全磷影響不大。

（3）青海云杉－白樺混交林在對土壤養(yǎng)分的積累以及維持土壤養(yǎng)分的平衡狀態(tài)方面要強(qiáng)于本研究中的其他植被。通過人工調(diào)節(jié)的手段來促進(jìn)混交林的保護(hù)和更新，可使生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)得以良性循環(huán)。

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