袁杰, 曹廣超, 2,*, 曹生奎, 趙青林

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祁連山南坡不同植被類型枯落物及其土壤持水特性分析

袁杰1, 曹廣超1, 2,*, 曹生奎1, 趙青林1

1. 青海師范大學, 青海省自然地理與環(huán)境過程重點實驗室, 西寧 810008 2. 青海師范大學, 研究生院, 西寧 810008

祁連山南坡地處青藏高原東北部, 是西北內(nèi)陸重要的水源涵養(yǎng)區(qū)和高寒生態(tài)脆弱區(qū), 近年來由于全球變暖和人類活動共同影響, 該區(qū)生態(tài)環(huán)境發(fā)生了明顯變化, 基于此對該區(qū)不同植被類型枯落物和土壤持水性能進行分析, 并利用不同植被類型土壤理化性質(zhì)對其持水差異原因進行分析。研究發(fā)現(xiàn): 不同植被類型枯落物持水性能存在顯著差異, 其中枯落物蓄積量為青海云杉(17.80 t·hm–2)>混合灌叢(15.50 t·hm–2)>祁連圓柏(6.08 t·hm–2)>高寒草甸(4.08 t·hm–2)>高山草地(3.33 t·hm–2), 自然含水量為混合灌叢 (7.58 t·hm–2) >青海云杉(2.13 t·hm–2) >高寒草甸(1.25 t·hm–2) >高山草地(1.17 t·hm–2) >祁連圓柏 (0.75 t·hm–2), 最大持水量為青海云杉(30.33 t·hm–2)>混合灌叢(19.67 t·hm–2)>祁連圓柏(10.25 t·hm–2)>高寒草甸(4.08 t·hm–2)>高山草地(3.17 t·hm–2); 不同植被類型土壤質(zhì)量含水量(<0.01)、貯水量(<0.05)及飽和蓄水量(<0.001)之間存在顯著差異; 不同植被類型土壤容重、總孔隙度、砂含量、粉砂含量、黏粒含量及有機質(zhì)含量因不同植被類型立地條件和生長環(huán)境的影響而具有明顯差異。經(jīng)分析后發(fā)現(xiàn), 各土壤理化指標都不同程度的影響著各植被類型的持水性能, 其中土壤容重和砂粒越大, 相應的土壤持水能力越差, 土壤粉砂、黏粒、總孔隙度及有機質(zhì)越大, 相應的土壤持水能力越好。

不同植被類型; 枯落物; 土壤持水性能; 相關(guān)性

1 前言

水是生命之源, 是人類賴以生存的基礎(chǔ), 進入21世紀以來隨著水資源破壞和水環(huán)境惡化, 水資源短缺問題日益突出。祁連山地處青藏高寒區(qū)、西北干旱區(qū)和東部濕潤區(qū)交界帶, 是西北地區(qū)重要的水源涵養(yǎng)區(qū)[1], 由于境內(nèi)海拔梯度高、水系分布廣泛、植被水源涵養(yǎng)功能強而擔負著青藏高原東北部乃至整個河西綠洲的生態(tài)安全[2]。然而近些年來由于全球變化和人為活動的影響下, 該區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)功能正在發(fā)生著明顯變化, 并且引起國家領(lǐng)導人和國內(nèi)外相關(guān)學者廣泛關(guān)注[3]。國家層面習總書記提出了“綠水青山就是金山銀山”的論證, 并在青海考察時強調(diào)“尊重自然、順應自然、保護自然, 堅決筑牢國家生態(tài)安全屏障”; 學術(shù)界方面則由2017年1月一篇名為《兩位生態(tài)學博導四問祁連山生態(tài)保護》被廣泛轉(zhuǎn)載而得到了有關(guān)部門的重視, 并采取了相應懲處措施, 由此可見“生態(tài)保護”被提升到了一個前所未有的高度?；诖? 國內(nèi)外學者在祁連山地區(qū)進行了大量研究, 如劉賢德、牛赟、張學龍等分別對祁連山區(qū)森林土壤水文特征[4]、森林土壤碳、氮[5]和不同灌叢生物量分配特征[6]進行了相關(guān)研究, 發(fā)現(xiàn)祁連山林地土壤的貯水性能和調(diào)節(jié)水分的潛在能力明顯好于無林地, 而林地土壤碳氮直接受祁連山成土母質(zhì)和人為活動的直接影響; 車宗璽、王雅瓊、王順利[7–9]等分別對祁連山草地土壤抗沖性、溫度、水分變化進行了相關(guān)研究, 發(fā)現(xiàn)草地類型中亞高山灌叢草甸土壤持水性能最好并且草地土壤溫度和海拔高度呈線性正相關(guān)關(guān)系, 另外與海拔、坡度、地上生物量、植物多樣性相比, 植被蓋度和根系密度對土壤抗沖性的影響更為突出。但從現(xiàn)有研究來看, 這些研究都集中在祁連山北坡且對不同植被類型枯落物及土壤持水性能方面的研究較少。基于此, 本研究以青海省境內(nèi)祁連山南坡為研究對象, 采集該區(qū)域不同植被類型枯落物及土壤, 并對其持水特性進行分析, 以期為該區(qū)生態(tài)保護、水資源合理配置提供科學的理論基礎(chǔ)和科學依據(jù)。

2 材料和方法

2.1 研究區(qū)概況

祁連山南坡地處祁連山中段腹地, 位于青藏高原東北緣, 黃土高原西緣, 為黃土高原向青藏高原的過渡地帶, 是青藏高原特征和黃土高原特征的綜合體[10], 地理位置為98°08′13″—102°38′16″ E, 37°03′17″—39°05′56″ N, 面積約為2.4萬 km2。區(qū)內(nèi)以山地地貌為主, 地形復雜, 相對高差較大, 海拔范圍介于2257 m—5235 m。太陽輻射強, 氣溫日較差大, 祁連山南坡年均氣溫在-5.9 ℃, 年極端最高溫為30.5 ℃, 極端最低氣溫為-37.1 ℃, 屬于大陸性高寒半濕潤山地氣候[11]。土壤類型主要有高山寒漠土、高山草甸土、高山草原土、山地草甸土、山地栗鈣土、山地灰褐土、黑鈣土、栗鈣土、草甸土和沼澤土10大類, 又根據(jù)不同土質(zhì)分為淋溶高山草甸土、碳酸鹽高山草甸土等26個亞類。主要植被類型有高山草地、灌叢、針葉林, 其中草地優(yōu)勢種為小蒿草、線葉蒿草、針茅、芨芨草、禾草等, 主要灌叢類型為金露梅、銀露梅、高山柳、箭葉錦雞兒、白刺、沙棘、小葉錦雞兒等, 森林植被類型中天然喬木主要包括青海云杉、祁連圓柏、油松林、山楊林、樺木林等, 人工林植被主要為楊樹林[12], 主要承擔水源涵養(yǎng)和產(chǎn)水功能, 以及棲息野生動物、制造氧氣和保持水土功能。

2.2 研究方法

2.2.1 樣品采集

于2017年7—8月對研究區(qū)全面調(diào)查的基礎(chǔ)上, 進行實地樣品采集, 分別對海拔梯度范圍在3000—4000 m之間的草地、灌叢、林地進行采樣, 其中草地類型選擇高寒草甸和高山草地, 灌叢選取具有代表性的混合灌叢, 林地選擇青海云杉和祁連圓柏, 待樣地選擇結(jié)束后, 為了降低空間異質(zhì)性, 分別對每類樣地設立20 m*20 m樣方, 每類樣地樣方內(nèi)隨機布設3個大小均為1 m*1 m樣方進行枯落物采集, 并用直徑為5 cm的土鉆鉆取0—50 cm(鉆取間隔為10 cm)的土壤樣品, 共采集枯落物15件(表1), 土壤樣品75件, 具體樣地信息見表1。

2.2.2 試驗處理及方法

所有樣品經(jīng)現(xiàn)場稱重后帶回實驗室進行處理, 各植被類型枯落物采用室內(nèi)浸水法測定, 將枯落物自然晾干后放入大小統(tǒng)一的紗布袋, 稱重, 放入水中浸泡24 h稱重, 計算其持水性能和吸水速率; 各植被類型土壤樣品測其容重后, 自然風干, 稱重, 其中土壤水分-物理性質(zhì)測定采取下列計算公式(表2),土壤粒度由英國Malvern公司生產(chǎn)的Mastersizer 2000型激光粒度儀進行測定, 測量時待遮光度分布在17%—20%之間, 重復測量三次, 取其平均值為最后結(jié)果[13], 土壤有機質(zhì)含量采用經(jīng)典重鉻酸鉀氧化滴定法測定[14]。所有指標測定計算完成后利用Excel 2016和SPSS 21.0軟件對數(shù)據(jù)進行分析, 采用單因素方差分析(one-way ANOVA)進行差異性分析(<0.05), 利用Grapher 10.0進行圖表制作。上述各指標計算公式[15-16]見表2。

3 結(jié)果和分析

3.1 不同植被類型枯落物持水特性分析

不同植被類型枯落物的多少受植被類型種類、海拔高度、坡度等因素影響, 枯落物蓄積量的大小直接決定著不同植被類型滯留水分從而發(fā)揮涵養(yǎng)水源的能力, 影響著土壤持水性能[17-18], 通過對不同植被類型單位面積枯落物蓄積量分析(圖1), 青海云杉枯落物蓄積量最大(17.80 t·hm-2), 其次為混合灌叢(15.50 t·hm-2)、祁連圓柏(6.08 t·hm-2), 高寒草甸(4.08 t·hm-2)和高山草地(3.33 t·hm-2)蓄積量最小, 經(jīng)LSD檢驗, 青海云杉和混合灌叢蓄積量與其它植被類型存在顯著差異(<0.05), 祁連圓柏、高寒草甸與高山草地枯落物蓄積量差異性不顯著, 表明就不同植被枯落物而言, 青海云杉和混合灌叢的持水性能潛力強于其它3類植被類型。

表2 枯落物及土壤相關(guān)指標計算公式

注: 不同小寫字母表示不同植被類型之間差異性顯著(P<0.05)

另外通過不同植被類型枯落物層各持水性能指標發(fā)現(xiàn)(表3), 混合灌叢自然含水量均值最大(7.58 t·hm-2), 其次為青海云杉(2.13 t·hm-2)、高寒草甸(1.25 t·hm-2)、高山草地(1.17 t·hm-2), 祁連圓柏最小(0.75 t·hm-2), 經(jīng)方差分析, 混合灌叢和其它植被類型自然含水量方面存在顯著差異(<0.05); 各植被類型枯落物層最大持水量均值大小依次為青海云杉(30.33 t·hm-2)>混合灌叢(19.67 t·hm-2)>祁連圓柏(10.25 t·hm-2)>高寒草甸(4.08 t·hm-2)>高山草地(3.17 t·hm-2),青海云杉和混合灌叢最大持水量之間存在顯著差異且分別與其它3類植被類型差異顯著(< 0.05);各植被類型枯落物層最大和有效攔蓄量大小順序一致, 依次為青海云杉>混合灌叢>祁連圓柏>高寒草甸>高山草地, 經(jīng)方差分析可知青海云杉和混合灌叢枯落物層最大和有效攔蓄量與其余3類植被類型存在顯著差異(<0.05); 各植被類型枯落物層最大持水率大小依次為混合灌叢(289.18%)>青海云杉(240.89%)>祁連圓柏(212.46%)>高山草地(162.50%)>高寒草甸(152.46%); 各植被類型枯落物最大攔蓄率和有效攔蓄率大小一致, 依次為青海云杉>祁連圓柏>混合灌叢>高山草地>高寒草甸。上述枯落物持水性能指標中, 枯落物的有效攔蓄量可以更真實反映枯落物對降雨的實際攔蓄能力[19], 從而反映枯落物持水性能的強弱, 結(jié)合不同植被類型枯落物蓄積量可以看出青海云杉枯落物蓄積量最大且有效攔蓄量也較其它植被類型大, 其次為混合灌叢、祁連圓柏、高寒草甸和高山草地, 說明枯落物綜合持水性能由強至弱依次為青海云杉、混合灌叢、祁連圓柏、高寒草甸、高山草地。

3.2 不同植被類型土壤持水特性分析

土壤持水性能是除植被枯落物外另一個評價植被類型涵養(yǎng)水源的重要體現(xiàn), 可以反映植被類型土壤持水和調(diào)蓄能力, 評價枯落物層下土壤的水文功能[20], 由圖2(a)可以看出, 高寒草甸土壤質(zhì)量含水量變化范圍在14.02%—21.45%, 在0—50 cm內(nèi)變化不大, 呈表層向下先減后增的趨勢, 高山草地土壤質(zhì)量含水量變化范圍7.24%—28.67%, 在10—20 cm處達到最大, 自20 cm開始逐層遞減, 混合灌叢土壤質(zhì)量含水量變化范圍在13.80%—38.88%, 呈現(xiàn)自表層開始向下逐層遞減趨勢, 青海云杉土壤質(zhì)量含水量變化范圍47.03%—56.55%, 以30 cm為界, 界上質(zhì)量含水量高于界下, 祁連圓柏土壤質(zhì)量含水量變化范圍在9.47%—16.48%, 整體偏低, 在30—40 cm處達到最大值; 各植被類型土壤貯水量如圖2(b)所示, 在不同土層存在明顯差異, 其中高寒草甸和高山草地變化趨勢一致, 變化范圍在11.67 mm—24.70 mm, 大致以30 cm為界, 界上土壤貯水量明顯大于界下, 混合灌叢土壤貯水量變化范圍在20.61 mm—36.67 mm, 明顯大于其它植被類型并在20 cm處達到最大, 20 cm開始遞減, 青海云杉和祁連圓柏土壤貯水量變化范圍在11.07 mm—31.72 mm, 最大值分別出現(xiàn)在20 cm和50 cm層, 都呈現(xiàn)出先增后減再增的趨勢, 各植被類型土壤飽和蓄水量基本呈自表層向下逐層遞減趨勢, 變化范圍在398.05 t·hm-2—815.37 t·hm-2, 其中青海云杉各土層土壤飽和蓄水量明顯大于其它植被類型。

表3 不同植被類型枯落物層持水性能

注: 同列不同小寫字母表示不同樣地之間差異顯著(<0.05)。

對不同植被類型和同一植被類型不同土層土壤蓄水指標進行差異性分析可知(表4), 不同植被類型土壤質(zhì)量含水量之間存在顯著差異(<0.01), 同一植被類型不同土層間質(zhì)量含水量同樣存在差異(<0.01), 不同植被類型之間土壤貯水量也表現(xiàn)出顯著差異(<0.05), 但同一植被類型不同土層間土壤貯水量差異不明顯(0.4089), 各植被類型土壤飽和蓄水量存在極顯著差異(<0.001), 同一植被類型不同土層間土壤飽和蓄水量同樣呈極顯著差異(<0.0001)。綜上分析, 通過各植被類型土壤質(zhì)量含水量、貯水量及飽和蓄水量可以看出, 青海云杉土壤持水性能最強, 其次為混合灌叢、高山草地、高寒草甸, 祁連圓柏綜合持水性能較弱, 且不同植被類型之間各蓄水指標存在不同程度差異性。

圖2 不同植被類型土壤蓄水指標

表4 不同植被類型土壤蓄水指標差異性分析

3.3 不同植被類型土壤物理性質(zhì)分析

土壤容重、總孔隙度、質(zhì)地及有機質(zhì)是土壤基本特性之一, 能直觀的反映土壤的松緊、孔隙大小、顆粒組成和發(fā)育情況[21], 通過上述指標進一步分析可以間接性分析土壤蓄水性能差異的原因。其中, 土壤自然容重越大說明土壤越緊實, 孔隙數(shù)量越少, 從而導致土壤的水分和空氣狀況變差, 由圖3(a)可以看出, 各植被類型土壤容重基本隨土壤層的增加而遞增且自10 cm開始各植被類型土壤容重發(fā)生較大變化, 高寒草甸和高山草地土壤容重明顯高于其它植被類型, 青海云杉各土層土壤容重最小; 土壤總孔隙是影響土壤滲透性能、決定地表產(chǎn)流的關(guān)鍵因素, 其高低直接決定著土壤的蓄水性能, 各類型土壤總孔隙度和土壤容重沿土層呈相反趨勢, 自表層開始向下逐層遞減(圖3b), 其中以青海云杉為例, 其土壤容重低, 相應的土壤就松散, 其孔隙度也就越高, 相應的其蓄水能力也就越強。

各植被類型土壤黏粒(<4 μm)沿土層變化趨勢如圖4(a)所示, 混合灌叢土壤黏粒組分各土層明顯低于其它植被類型, 呈先增后減趨勢, 高寒草甸土壤黏粒自表層向下逐層遞減, 40 cm處黏粒成分增加, 高山草地土壤黏?；境时韺酉蛳轮饘舆f減趨勢, 青海云杉土壤黏粒在各土壤層變化趨勢不明顯, 祁連圓柏土壤黏粒含量變化趨勢與高山草地相同, 呈自表層向下逐層遞減趨勢; 祁連圓柏和青海云杉各土層粉砂(4—63 μm)含量明顯大于其它植被類型且以30 cm為界呈先增后減趨勢, 混合灌叢土壤粉砂含量在20 cm處達到最大值, 20 cm開始向下呈遞減趨勢, 高寒草甸土壤粉砂含量在0—40 cm呈遞減趨勢, 40 cm開始粉砂含量明顯增加, 高山草地土壤粉砂含量沿土層變化混亂, 無明顯變化規(guī)律4(b); 高寒草甸、高山草地及混合灌叢各土層砂含量(>63 μm)明顯大于青海云杉和祁連圓柏, 其中混合灌叢土壤砂含量波動最明顯, 隨土層深度增加砂含量占比越大, 高寒草甸和高山草地砂含量變化趨勢分別和各自粉砂含量變化趨勢一致4(c)。各植被類型土壤有機質(zhì)相較于土壤質(zhì)地, 在土層變化趨勢較為一致, 基本自表層向下逐層遞減4(d), 其中青海云杉各土層有機質(zhì)最大, 其次為混合灌叢, 高寒草甸和高山草地土壤有機質(zhì)含量在10—30 cm差異較大, 祁連圓柏土壤有機質(zhì)含量整體小于其它植被類型。

圖3 不同植被類型土壤容重和總孔隙度

圖4 不同植被類型土壤質(zhì)地和有機質(zhì)分析

綜上可以看出, 青海云杉由于各土層容重較小, 所以其土壤結(jié)構(gòu)較其它植被類型松散, 孔隙多, 加之土壤黏粉比大決定了青海云杉土壤有機質(zhì)含量高且持水性能優(yōu)于其它植被類型, 混合灌叢土壤容重較剩余植被類型小, 孔隙度高, 其蓄水性能也隨之較其余植被類型高, 高寒草甸和高山草地土壤容重較大, 土壤結(jié)構(gòu)緊密, 導致其土壤中孔隙偏少, 加之兩類草地各層土壤黏粒含量穩(wěn)定, 導致土壤吸收土壤水分能力較差, 所以兩類草地土壤持水性能較青海云杉和混合灌叢弱, 祁連圓柏在研究區(qū)基本生長在坡度較大的陽坡, 其土層厚度一般不超過50 cm, 50 cm下為成土母質(zhì), 土壤發(fā)育強度低于其它植被類型, 其土壤自然含水量和貯水量明顯低于其它植被類型, 所以相較于其它植被類型, 祁連圓柏土壤持水性能較差。

4 討論

祁連山南坡即是我國西北內(nèi)陸的重要水源涵養(yǎng)區(qū)又是高寒地區(qū)生態(tài)脆弱帶, 各植被類型土壤持水性能直接決定該區(qū)整體的水源涵養(yǎng)功能, 而不同植被類型由于其生長環(huán)境不同而影響各自的持水性能, 本研究分別對地上枯落物和地下土壤進行了分析。對于前者, 枯落物的多少直接決定了不同植被類型的地上持水性能, 對于后者本研究分別對不同植被土壤持水指標和物理性質(zhì)進行了分析, 那么影響植被類型土壤持水性能的因素到底是什么？影響程度如何？本研究嘗試性的做了一些分析, 分別對各植被類型土壤持水指標和物理性質(zhì)指標進行了相關(guān)性分析, 分析發(fā)現(xiàn)高寒草甸土壤質(zhì)量含水量分別與總孔隙度(<0.01)和粉砂含量(<0.05)呈顯著正相關(guān)(圖5-b、c), 與土壤容重(<0.01)和砂含量(<0.05) 呈顯著負相關(guān)(圖5-a、d); 高寒草甸土壤飽和蓄水量和土壤容重(圖5e)呈顯著負相關(guān)(<0.0001), 和土壤總空隙度(<0.0001)、有機質(zhì)(<0.05)和黏粒(<0.05)呈顯著正相關(guān)(圖5-f、g、h), 高寒草甸土壤貯水量和各物理性質(zhì)均無顯著相關(guān)性(未在圖中列出), 綜上可以看出, 土壤容重、質(zhì)地及土壤有機質(zhì)的大小是影響高寒草甸土壤蓄水和含水能力強弱的關(guān)鍵因子, 其中土壤容重的大小直接決定了土壤總孔隙度的多少, 進而直接影響了土壤質(zhì)量含水量和土壤飽和蓄水量, 土壤粉砂和砂含量間接的影響土壤中含水量的大小, 土壤有機質(zhì)和黏粒含量作為土壤發(fā)育指標之一, 影響著土壤飽和蓄水量的大小。

圖5 高寒草甸持水性能影響因素

高山草地土壤物理指標和持水指標相關(guān)性分析見圖6(a—j), 其中土壤質(zhì)量含水量和土壤容重呈顯著負相關(guān)(<0.0001), 與土壤總空隙度和土壤有機質(zhì)呈顯著正相關(guān)(<0.0001), 土壤貯水量分別和土壤總孔隙度(<0.001)、容重(<0.001)、有機質(zhì)(<0.0001)和粉砂含量(<0.05)呈顯著正相關(guān), 土壤飽和蓄水量和容重呈顯著負相關(guān)(<0.0001), 和土壤有機質(zhì)呈顯著正相關(guān)(<0.001), 相較高寒草甸, 高山草地質(zhì)量含水量的大小除受土壤容重影響外, 還受土壤有機質(zhì)的影響, 有機質(zhì)含量越高, 質(zhì)量含水量也越大, 此外與高寒草甸不同, 高山草地土壤貯水量分別不同程度受到土壤容重、總孔隙度、有機質(zhì)和粉砂含量的影響, 土壤飽和蓄水量和高寒草甸相似, 其值大小受土壤容重和土壤有機質(zhì)影響。

混合灌叢生長環(huán)境較為特殊, 是介于草地-林地垂直地帶中間的一類植被類型, 這也導致了其土壤理化性質(zhì)的復雜性, 分析發(fā)現(xiàn)混合灌叢土壤質(zhì)量含水量和所有土壤物理性質(zhì)都有顯著相關(guān)且呈極顯著相關(guān)(圖7a—f), 土壤貯水量與黏粒(<0.01)、粉砂(<0.001)、有機質(zhì)含量(<0.05)呈正相關(guān)(圖7-g, h, j), 和砂含量(圖7i)呈顯著負相關(guān)(<0.05), 混合灌叢土壤飽和蓄水量分別與土壤容重(<0.0001)和砂含量(<0.01)呈顯著負相關(guān), 與土壤黏粒(<0.01)、粉砂(<0.01)及有機質(zhì)含量(<0.001)呈顯著正相關(guān)(圖7k~o), 可以看出混合灌叢土壤蓄水和持水受影響因素較其它植被類型多。

圖6 高山草地持水性能影響因素

青海云杉和祁連圓柏土壤蓄水和持水指標與各物理性質(zhì)相關(guān)性分析如圖8所示, 其中圖8a、b、c為青海云杉與各指標相關(guān)性, 圖8d、e、f為祁連圓柏與各指標相關(guān)性, 可以看出青海云杉土壤質(zhì)量含水量與各物理指標無顯著相關(guān)性, 土壤貯水量和黏粒含量呈顯著正相關(guān)(<0.05), 土壤飽和蓄水量和土壤容重呈顯著負相關(guān)(<0.0001), 和土壤有機質(zhì)呈顯著正相關(guān)(<0.05); 祁連圓柏土壤質(zhì)量含水量和貯水量與各物理指標無顯著相關(guān)性, 土壤飽和蓄水量和粉砂含量呈顯著正相關(guān)(<0.01), 與土壤砂含量(<0.05)和土壤容重(<0.0001)呈顯著負相關(guān)。研究區(qū)地處青藏高原東緣屬典型高寒生態(tài)圈, 受立地條件、生長環(huán)境及各植被類型土壤理化性質(zhì)的影響, 各植被類型持水和蓄水能力都具有顯著的差異, 其中各植被類型枯落物蓄積量青海云杉>混合灌叢>祁連圓柏>高寒草甸>高山草地, 枯落物蓄積量的多少直接導致不同植被類型枯落物持水性能強弱, 經(jīng)分析發(fā)現(xiàn), 各類型枯落物持水能力強弱和蓄積量大小順序相同, 這與趙錦梅、王洪英[22-23]等人的研究結(jié)果一致, 另外各植被類型土壤持水能力由于受到各類型土壤理化性質(zhì)的影響, 也具有明顯的差異, 各植被類型土壤質(zhì)量含水量均值青海云杉>混合灌叢>高山草地>高寒草甸>祁連圓柏, 土壤貯水量均值混合灌叢>青海云杉>高山草地>高寒草甸>祁連圓柏, 土壤飽和蓄水量均值青海云杉>混合灌叢>祁連圓柏>高寒草甸>高山草地, 可以看出各植被類型土壤持水能力由于不同的生境而產(chǎn)生明顯差異, 分析后發(fā)現(xiàn)青海云杉土壤持水性能受土壤黏粒、容重、有機質(zhì)的影響較大, 祁連圓柏土壤持水性能受土壤粉砂、砂、容重的影響較大, 混合灌叢由于地處草地-林地-草甸過渡帶, 其土壤持水能力受土壤容重、質(zhì)地、有機質(zhì)及總空隙度等因子的共同影響, 高山草地和高寒草甸土壤持水性能受土壤容重、粉砂、砂及有機質(zhì)的影響較大, 可以看出土壤容重、質(zhì)地、有機質(zhì)作為土壤最基本的理化性質(zhì)指標, 不同程度的影響著各植被類型的土壤持水能力。本研究對不同植被類型土壤持水性能的差異性做了相關(guān)分析, 分析中發(fā)現(xiàn)一些值得后續(xù)進行分析的問題, 如4類植被類型土壤持水性能受理化指標影響差異為什么不同, 為什么混合灌叢土壤持水性能受理化指標影響明顯多余其它植被類型等, 這些問題都需要更進一步分析探討。

圖7 混合灌叢持水性能影響因素

5 結(jié)論

(1) 不同植被類型枯落物持水性能存在顯著差異, 青海云杉和混合灌叢枯落物層蓄水持水能力明顯優(yōu)于其它植被類型, 綜合持水性能由強至弱依次為青海云杉、混合灌叢、祁連圓柏、高寒草甸、高山草地。

(2) 青海云杉土壤持水性能最強, 其次為混合灌叢、高山草地、高寒草甸, 祁連圓柏綜合持水性能較弱且不同植被類型之間各蓄水指標存在差異性。

(3) 土壤容重、總孔隙度及有機質(zhì)不同程度影響著植被類型蓄水能力, 土壤容重、總孔隙度、粉砂(4~63 μm)、砂(>63 μm)及黏粒(<4 μm)是影響不同植被類型土壤蓄水能力的主要因子, 其中土壤容重和砂粒含量與土壤蓄水能力呈負相關(guān), 土壤總孔隙度、粉砂及黏粒含量和土壤蓄水能力呈正相關(guān)。

圖8 青海云杉和祁連圓柏持水性能影響因素

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Analysis on litterfall and soil water retention properties of different vegetation types on the South Slope of Qilian Mountains

YUAN Jie1, CAO Guangchao1, 2*, CAO Shengkui1, ZHAO Qinglin1

1. Key Laboratory of Qinghai Province Physical Geography and Environmental Process, Qinghai Normal University, Xi'ning 810008, China 2. Graduate school of Qinghai Normal university , Xining 810008, China

Located in the northeastern of Qinghai-Tibet plateau, the southern slope of Qilian Mountains is the significant water conservation and alpine ecologically vulnerable area in northwestern inland of China. In recent years, the ecological environment of the southern slope has significantly changed due to global warming and human activities. This paper studied the water-holding capacity of litter and soil in different vegetation types and the reasons for water-holding variability among different vegetation types using the physicochemical properties of soils. The results showed that there were significant differences in water-holding capacity of litter among different vegetation types. The litter amount of growing stock were followed the following order:(17.80 t·hm–2)> Mixed shrub (15.50 t·hm–2)>(6.08t·hm–2)> Alpine meadow (4.08 t·hm–2)> Alpine grassland (3.33 t·hm–2). Natural moisture content of shrubs (7.58t·hm–2)>(2.13 t·hm–2)> Alpine meadow (1.25 t·hm–2)> Alpine grassland (1.17 t·hm–2)>(0.75 t·hm–2); the maximum water-holding capacity of(30.33 t·hm–2)> Mixed shrub (19.67 t·hm–2)>(10.25 t·hm–2)> Alpine meadow (4.08 t·hm–2)> Alpine grassland (3.17 t·hm–2). There were significant differences in soil water content (), soil water storage (), and soil saturated storage () among different vegetation types. The bulk density, total porosity, sand content, silt content, clay content, and organic matter content of the soils among vegetation types were significantly different due to their site conditions and growth micro-environment. It was found that the physicochemical properties of the soils had significant effects on the water-holding performance of vegetation types. Soil bulk density and sand content were negatively correlated with the soil water-holding capacity, respectively; while soil silt content, clay content, total porosity and organic matter content were positively correlated with the soil water-holding capacity, respectively.

different vegetation types; litterfall; water-holding capacity of soils; correlation

10.14108/j.cnki.1008-8873.2018.05.024

K903

A

1008-8873(2018)05-180-12

2018-06-25;

2018-09-06

國家自然基金(41361005); 青海省“高端創(chuàng)新人才千人計劃”(青人才字[2016]11號); 青海省“135高層次人才培養(yǎng)工程”

袁杰(1989—), 男, 青海西寧人, 博士研究生, 主要從事地表環(huán)境過程研究, E-mail: yuanjie8903@126.com

通信作者:曹廣超, 男, 博士生導師, 教授, 主要從事自然地理與地表環(huán)境過程研究, E-mail: caoguanchao@126.com

袁杰, 曹廣超, 曹生奎, 等. 祁連山南坡不同植被類型枯落物及其土壤持水特性分析[J]. 生態(tài)科學, 2017, 37(5): 180-190.

YUAN Jie, CAO Guangchao, CAO Shengkui, et al. Analysis on litterfall and soil water retention properties of different vegetation types on the South Slope of Qilian Mountains[J]. Ecological Science, 2017, 37(5): 180-190.