袁 杰, 曹廣超, 曹生奎, 袁有靖, 張 虔, 蒲 妮

(1.青海師范大學(xué).青藏高原地表過程與生態(tài)保育教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西寧810008;2.青海師范大學(xué).地理科學(xué)學(xué)院.青海省自然地理與環(huán)境過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西寧810008;3.青海省人民政府—北京師范大學(xué) 高原科學(xué)與可持續(xù)發(fā)展研究院, 西寧810008; 4.青海省地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院, 西寧810008)

土壤作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,是連接大氣和地上地下生物的重要樞紐,發(fā)揮著重要的水文調(diào)節(jié)功能,維持著生態(tài)系統(tǒng)的能量平衡[1]。其中作為疏通劑,土壤水分的多少及存在形式不僅對(duì)土壤形成發(fā)育過程有重要影響,而且是土壤物質(zhì)遷移和運(yùn)動(dòng)的載體。因此土壤蓄水能力在區(qū)域產(chǎn)流和水文循環(huán)方面起著重要作用,是研究區(qū)域內(nèi)水源涵養(yǎng)的重要指標(biāo),準(zhǔn)確揭示土壤蓄水能力可以更好地反饋未來變化環(huán)境下山區(qū)水源涵養(yǎng)的重點(diǎn)構(gòu)建能力[2]。國(guó)內(nèi)外對(duì)土壤蓄水性能的研究集中于外界因素的影響,如不同生態(tài)環(huán)境、不同氣候以及土壤水滲透性能等方面[3-6],針對(duì)微地形影響下土壤蓄水能力的研究較少。地形因子對(duì)土壤水分空間分布有重大影響,坡向、坡位更是影響土壤蓄水能力坡面尺度變異的重要地形因素,不同坡向坡位下土壤蓄水能力的差異性尚有待深入研究。

祁連山作為西北內(nèi)陸干旱區(qū)重要的水源涵養(yǎng)區(qū),其生態(tài)環(huán)境的好壞,直接關(guān)系到河西走廊、西北部地區(qū)的生態(tài)安全,甚至可能會(huì)引起黑河下游甘肅及內(nèi)蒙古兩省區(qū)的生態(tài)環(huán)境經(jīng)濟(jì)問題,由于重要的地理位置和水源涵養(yǎng)功能,祁連山生態(tài)環(huán)境問題近年來受到學(xué)術(shù)界持續(xù)關(guān)注[7-10]。但整體來看,在該區(qū)仍然缺少微地形影響下土壤蓄水性能的相關(guān)研究?；诖?以祁連山微地形為研究對(duì)象,深入分析坡位坡向?qū)ν寥佬钏芰Φ挠绊?才能為該區(qū)精準(zhǔn)實(shí)施提高土壤界面水源涵養(yǎng)功能提供基礎(chǔ)參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于祁連山南坡中段,地理位置為97°16′—101°11′E,38°11′—40°13′N。地勢(shì)整體南高北低、地形復(fù)雜多變,山地、平原相間排列,長(zhǎng)年受西風(fēng)帶和東南季風(fēng)影響,屬于典型大陸性高原氣候[11]。冬季寒冷干燥,夏季溫涼濕潤(rùn),降水主要集中在5—9月,年降水量約300～700 mm,其中夏季降水量約占全年的86%,同時(shí)降水量整體呈由東向西減少趨勢(shì)[12-13]。研究區(qū)以干旱半干旱植被為主,廣泛分布喬本科(Gramineae)、莎草科(Cyperaceae)植被,以及少數(shù)的狼毒(Stellerachamaejasme)、薔薇科(Rosaceae)和委陵菜屬(Potentillachinensis)。受地形、氣候和植被影響,該區(qū)土壤垂直分帶明顯,隨海拔自下而上依次為栗鈣土、黑鈣土、灰褐土、山地草甸土、高山草原土、高山草甸土、寒漠土[12]。

2 材料與方法

2.1 樣地布設(shè)與樣品采集

試驗(yàn)選取該區(qū)腹地普遍分布的典型坡地,陰陽坡分別為青海云杉(北東向)和高山草地(西南向),采樣時(shí)間為2021年8月(圖1)。以“倒V”形路線,自高山草地坡底至青海云杉坡底,共設(shè)置11個(gè)樣地,根據(jù)實(shí)地情況,參考海拔梯度,分別在兩類典型生態(tài)系統(tǒng)坡底(PD)、坡底上(PDS)、坡中(PZ)、坡中上(PZS)、坡上(PS)、公共坡頂(PSD)設(shè)3個(gè)1 m×1 m樣方,共計(jì)33個(gè)樣方。利用土鉆環(huán)刀法進(jìn)行土壤樣品分層采集,采樣間隔為10 cm,采樣深度為0—50 cm,共采集165件土壤樣品。將土壤樣品現(xiàn)場(chǎng)稱重后,裝入透明無菌袋封裝并標(biāo)號(hào),每類樣地均利用手持GPS記錄地理坐標(biāo)、植被蓋度、海拔高度、坡度等樣地信息。

圖1 采樣區(qū)示意圖

2.2 樣品測(cè)定和數(shù)據(jù)處理

本研究所有試驗(yàn)均在青海省自然地理與環(huán)境過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中完成。土壤蓄水能力分別由土壤貯水量和土壤飽和蓄水量進(jìn)行指代,其中土壤貯水量為土壤實(shí)際蓄水能力[12],土壤飽和蓄水量為一定土層厚度土壤孔隙中水分達(dá)到飽和時(shí)的量,代表土壤潛在蓄水能力[12,14],計(jì)算公式見表1。

表1 土壤蓄水能力指標(biāo)計(jì)算公式

其余土壤理化性質(zhì)測(cè)定:(1) 土壤粒度使用英國(guó)Malvern公司制造的 Mastersizer2000型粒度儀進(jìn)行測(cè)試,詳細(xì)過程不再贅述,詳見文獻(xiàn)[15]。(2) 土壤pH采用pH(pH-3c)計(jì)進(jìn)行測(cè)試[16]。(3) 土壤有機(jī)質(zhì)采取重鉻酸鉀氧化法[16]。通過上述方法測(cè)定完成所有指標(biāo)后,運(yùn)用Graphpad Prism7.0軟件完成數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、差異性分析及圖表制作工作。

3 結(jié)果與分析

3.1 高山草地土壤蓄水能力差異分析

由圖2可知,高山草地在PD,PZS,PS處土壤貯水量均隨土層深度增加而減少;PZ,PDS,PSD處土壤貯水量隨土層深度增加呈先增后減趨勢(shì)。不同坡位0—50 cm土層土壤貯水量均值以PZS處為界呈先減后增趨勢(shì),界下隨坡位的增加減小趨勢(shì)明顯,界上呈增大趨勢(shì)。其中PD處土壤貯水量最大,顯著大于PZ,PZS,PS,PSD處土壤貯水量(p<0.05),PZS處土壤貯水量最小,顯著小于PD,PDS及PZ處土壤貯水量(p<0.05)。

注：不同小寫字母代表在顯著性水平p<0.05上存在顯著差異,下同。

綜上,可以看出坡位顯著影響土壤中水分貯存量,在研究區(qū)微地形高山草地所在陽坡區(qū)域,土壤水分貯存量沿坡位上升呈減少狀態(tài),坡中上(PZS)為土壤水分貯存量最低坡位。

由圖3可知,高山草地土壤飽和蓄水量除PD和PZS變化規(guī)律不明顯之外,其余坡位均表現(xiàn)出隨土層深度增加而減小。與土壤貯水量不同,高山草地PSD處各土層土壤飽和蓄水量均大于其余坡位。不同坡位土壤飽和蓄水量均值在PD-PZ-PZS處差異較小,自PZS處開始高山草地土壤飽和蓄水量呈跳躍式增加趨勢(shì),在PSD處土壤飽和蓄水量均值最大且顯著大于其他坡位(p<0.05),其他坡位之間僅PZ處和PZS處存在顯著差異(p<0.05)。

圖3 不同坡位高山草地土壤飽和蓄水量差異性分析

綜上,通過高山草地土壤貯水量和飽和蓄水量隨坡位變化差異分析可知,高山草地PZS處土壤實(shí)際水分和土壤潛在蓄水能力均最低且整體蓄水能力與其他坡位存在顯著差異,因此在研究區(qū)該坡向上,坡中上(PZS)區(qū)域應(yīng)重視保水增蓄工作。

3.2 青海云杉土壤蓄水能力差異分析

由圖4可知,青海云杉PSD,PZS,PDS處各土層土壤貯水量明顯大于其他坡位,說明上述坡位土壤持水能力均大于其他坡位。此外除PSD外,其他坡位土壤貯水量均隨土層深度增加而減小。青海云杉土壤貯水量隨坡位增加呈“增減”型變化趨勢(shì)。其中PD,PZ,PS坡位之間土壤貯水量無顯著差異性(p>0.05),而PDS,PZS,PDS坡位與其他坡位之間均存在顯著差異(p<0.05)?？梢钥闯銮嗪Ｔ粕纪寥蕾A水量總體上符合坡位越高土壤持水能力越強(qiáng)的特點(diǎn)。因此,坡位同樣顯著影響青海云杉土壤水分貯存量,在研究區(qū)微地形下青海云杉所在陰坡區(qū)域,土壤貯水量沿坡位上升呈增大趨勢(shì),坡頂處(PSD)為土壤水分貯存量最大坡位。

圖4 不同坡位青海云杉土壤貯水量差異性分析

不同坡位青海云杉土壤飽和蓄水量基本隨土層深度增加而減小(圖5)。土壤飽和蓄水量隨坡位增加呈三段式分布,具體來看PZ-PZS>PD-PDS>PS-PSD,說明陰坡青海云杉林PZ-PZS區(qū)域土壤潛在蓄水能力最強(qiáng),其次是PD-PDS處,PS-PSD土壤潛在蓄水能力最弱。

圖5 不同坡位青海云杉土壤飽和蓄水量差異性分析

3.3 不同坡向典型生態(tài)系統(tǒng)土壤蓄水能力差異分析

研究區(qū)多分布此類微地形,具體表現(xiàn)為各微地形陰陽坡植被分異極為明顯,即陽坡基本發(fā)育為高山草地,陰坡基本發(fā)育為青海云杉。為進(jìn)一步揭示微地形對(duì)土壤蓄水能力的影響,分別分析不同坡向同一坡位土壤蓄水差異性。由圖6可以看出,除0—10 cm土層外,陰陽坡土壤貯水量基本以PZS為界,界下各坡位土壤貯水量差異顯著(p<0.05),界上不顯著(p>0.05)。同時(shí)可以看出高山草地土壤水分貯存量整體大于青海云杉。

圖6 不同坡向典型生態(tài)系統(tǒng)土壤貯水量差異性分析

不同坡向土壤飽和蓄水量差異分析見圖7。與土壤貯水量不同,青海云杉各坡位土壤潛在蓄水能力整體大于高山草地。PZS處同樣是兩類典型生態(tài)系統(tǒng)土壤潛在蓄水能力產(chǎn)生明顯差異區(qū)域,即自PD-PZS,兩類生態(tài)系統(tǒng)土壤飽和蓄水量在坡位和土層尺度均表現(xiàn)出極顯著差異性;而自PZS向上,兩者在坡位和土層尺度上土壤飽和蓄水量差異性趨弱,說明PZS以下坡位是兩類生態(tài)系統(tǒng)土壤蓄水能力核心區(qū)域。

圖7 不同坡向典型生態(tài)系統(tǒng)土壤飽和蓄水量差異性分析

綜前所述,由于微地形影響,兩類典型生態(tài)系統(tǒng)土壤蓄水能力明顯存在差異?？梢钥闯鲈谖⒌匦嗡茉煜赂呱讲莸?陽坡)土壤實(shí)際蓄水量整體高于青海云杉;而青海云杉(陰坡)土壤潛在蓄水能力均大于高山草地。此外PZS是兩類生態(tài)系統(tǒng)土壤蓄水能力產(chǎn)生差異最為明顯的坡位。

4 討論與結(jié)論

4.1 討 論

祁連山是西北內(nèi)陸干旱區(qū)重要的水源涵養(yǎng)區(qū)之一,對(duì)于該區(qū)水源涵養(yǎng)方面的研究一直是學(xué)術(shù)界研究的重點(diǎn)[7-10]。團(tuán)隊(duì)自2013年在祁連山南坡進(jìn)行相關(guān)研究過程中發(fā)現(xiàn),在該區(qū)腹地多現(xiàn)如圖1所示地形(本研究中稱為“微地形”)且伴有一個(gè)顯著特點(diǎn),即以地形脊頂為中心陽坡均為高山草地,陰坡均為青海云杉。但以往眾多研究中忽略此類微地形下土壤蓄水能力的相關(guān)研究,使得量化該區(qū)土壤界面水源涵養(yǎng)量時(shí)缺少了參考依據(jù)。因此研究微地形對(duì)土壤蓄水能力的影響對(duì)精確挖掘祁連山水源涵養(yǎng)潛力具有重要意義。

坡向和坡位因改變局地土壤形態(tài)、水熱條件、植被分布被認(rèn)為是影響土壤蓄水能力發(fā)生差異的重要地形因素[17-18]。本研究發(fā)現(xiàn),坡位顯著影響了土壤中水分貯存量,直接影響各土壤層中土壤水分貯存量的大小。在陽坡土壤水分貯存量沿坡位逐漸增加呈減少狀態(tài),坡中上(PZS)土壤水分貯存量最低;而土壤飽和蓄水量作為土壤潛在蓄水能力,坡位對(duì)其影響較小,各坡位之間土壤飽和蓄水量差異較小?？傮w上高山草地土壤蓄水能力在PZS處最小,對(duì)該坡位區(qū)的水土保持工作應(yīng)引起重視。在陰坡,坡位同樣顯著影響著青海云杉土壤水分貯存量,土壤中水分貯存量沿坡位逐漸增加呈增大趨勢(shì),坡頂處(PSD)為土壤水分貯存量高坡位。

通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)研究區(qū)地形塑造下高山草地(陽坡)土壤實(shí)際蓄水能力在不同坡位均高于青海云杉,受坡位影響大;高山草地土壤潛在蓄水能力在不同坡位上相差不大,受坡位影響小。青海云杉(陰坡)土壤實(shí)際蓄水能力和潛在蓄水能力均同樣受到坡位影響,但其土壤實(shí)際蓄水能力小于陽坡(高山草地),造成差異的主要原因在于大氣降水多被青海云杉林冠層進(jìn)行截留,加之地表枯落物層和腐殖質(zhì)層的吸收,導(dǎo)致土壤中實(shí)際貯水量較高山草地小,但枯枝落葉影響下的土壤飽和含水量有良好表現(xiàn),潛在蓄水能力強(qiáng)于陽坡草地。

海拔梯度也是影響土壤蓄水能力的重要因素之一[18]。如圖8所示,整個(gè)微地形海拔梯度介于2 090～3 120 m,以30 m為間隔分別探討海拔梯度對(duì)土壤蓄水能力的影響。分析可見隨海拔梯度的增加,在一定高度范圍(3 090 m以下)高山草地土壤貯水量呈減少趨勢(shì),高于3 090 m的坡頂處土壤貯水量有所增加;高山草地土壤飽和蓄水量隨海拔梯度基本變化不大,這與上文分析結(jié)果一致。

注：“*”代表在顯著性水平0.05上存在顯著差異,“**”代表在顯著性水平0.01上存在顯著差異,下同。

不同于陽坡,海拔梯度對(duì)陰坡土壤貯水量和土壤飽和蓄水量均產(chǎn)生了較為復(fù)雜的影響(圖9)?？梢钥闯銮嗪Ｔ粕纪寥蕾A水量在3 000～3 030 m和3 060～3 090 m海拔梯度上土壤貯水量最大,其余海拔梯度間土壤貯水量差異不大。青海云杉土壤飽和蓄水量隨海拔升高呈增大趨勢(shì),但坡頂處土壤飽和蓄水量明顯減小。

圖9 海拔高度對(duì)青海云杉土壤蓄水能力影響分析

海拔不同,山體垂直方向溫度和降水格局會(huì)發(fā)生明顯改變,在同一海拔梯度內(nèi),坡向的不同直接決定了其太陽輻射的接受量,從而與坡度一起改變整個(gè)山體的土壤水文過程[19]。分析結(jié)果顯示,陽坡(高山草地)土壤實(shí)際貯水量隨海拔梯度升高依次減小,而土壤潛在蓄水能力在不同海拔梯度雖有差異但不顯著,說明在陽坡一方面隨海拔梯度的上升,受到太陽輻射影響,土壤蒸發(fā)變強(qiáng),土壤貯水量隨之減小;另一方面陽坡高山草地土壤質(zhì)地較為均質(zhì),因此表現(xiàn)出土壤實(shí)際貯水量和土壤潛在蓄水能力的不一致性。陰坡(青海云杉)土壤實(shí)際貯水量隨海拔升高無明顯規(guī)律,但在3 000～3 900 m出現(xiàn)了高峰值,這與其他學(xué)者[20-21]坡中土壤含水量較大的結(jié)論具有相似之處;青海云杉土壤潛在蓄水能力自坡底至坡頂均大于陽坡(高山草地),究其原因與云杉林對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的塑造能力有關(guān)。

除地形因子外,土壤理化指標(biāo)也是影響土壤蓄水能力的重要因素之一[22]。分別選取土壤容重、土壤質(zhì)地、土壤有機(jī)質(zhì)及土壤pH分別與不同坡向土壤蓄水能力指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析?？梢钥闯鲇捎谄孪虿煌?土壤理化性質(zhì)同樣發(fā)生明顯差異,進(jìn)一步影響土壤蓄水能力。研究區(qū)陰坡為云杉林,林內(nèi)地表積累一定厚度枯落物層(10 cm左右)且常年陰濕,有機(jī)質(zhì)層與腐殖質(zhì)層之間轉(zhuǎn)換強(qiáng)度遠(yuǎn)較高山草地強(qiáng)烈,加之云杉林龐大根系結(jié)構(gòu),致使云杉林土壤結(jié)構(gòu)松散,容重較低,因此可以發(fā)現(xiàn)云杉林土壤貯水量分別與土壤容重呈顯著負(fù)相關(guān)(p<0.01),與有機(jī)質(zhì)呈顯著正相關(guān)(p<0.01);此外陰濕環(huán)境和疏松土壤結(jié)構(gòu)同樣極易導(dǎo)致云杉林土壤酸性較陽坡草地強(qiáng),一般認(rèn)為酸性土壤質(zhì)地疏松,透氣透水性更強(qiáng),因此云杉林土壤貯水量還與pH值呈顯著正相關(guān)(p<0.01),同時(shí)這也能進(jìn)一步解釋上文圖6中陽坡草地土壤貯水量顯著大于陰坡云杉林的原因:云杉林土壤結(jié)構(gòu)疏松、容重小、孔隙多,透氣透水性強(qiáng),水分極難貯存在土層中,因此表現(xiàn)出土壤貯水量顯著小于陽坡草地的特征。陽坡草地為西南向,地表無枯枝落葉層且輻射蒸發(fā)作用強(qiáng),土壤發(fā)育強(qiáng)度遠(yuǎn)低于陰坡云杉林,土壤結(jié)構(gòu)更易堅(jiān)硬,容易板結(jié),在這種情況下,土壤中細(xì)顆粒組分越多,土壤水分越難以貯存在土壤中,而分析中發(fā)現(xiàn)不但陰坡土壤中細(xì)顆粒組分顯著大于陽坡,而且陽坡草地土壤貯水量顯著大于陰坡(圖6),說明陽坡草地土壤水分很大程度上與土壤質(zhì)地中細(xì)顆粒組分相關(guān)。表2中陽坡土壤貯水量?jī)H與土壤黏粒組分呈顯著負(fù)相關(guān)(p<0.01)能較好的證明上述觀點(diǎn)。

表2 土壤貯水量與各理化指標(biāo)相關(guān)性Table 2 Correlation between soil water storage and each physicochemical index

土壤飽和蓄水量作為土壤潛在蓄水能力,與土壤總孔隙度直接相關(guān),而土壤孔隙度又直接受土壤容重、土壤有機(jī)質(zhì)及土壤質(zhì)地影響。如上文所言,陰坡云杉林由于自身生境影響,土壤有機(jī)質(zhì)層發(fā)育強(qiáng)烈,結(jié)構(gòu)疏松,透氣透水性強(qiáng),因此土壤飽和蓄水量顯著高于陽坡草地(圖7),分別與土壤有機(jī)質(zhì)(p<0.000 1)、黏粒(p<0.001)、粉砂粒(p<0.05)、砂粒(p<0.001)呈顯著相關(guān)性;而陽坡草地雖然土壤結(jié)構(gòu)更加緊實(shí),有機(jī)質(zhì)層發(fā)育弱于云杉林,但土壤飽和蓄水量是土壤孔隙中水分達(dá)到飽和時(shí)的量,主要受土壤質(zhì)地和容重影響,因此陽坡草地土壤飽和蓄水量同樣與土壤有機(jī)質(zhì)和土壤質(zhì)地呈顯著相關(guān)(表3)。

綜上,分別從地形因素和土壤理化性質(zhì)兩個(gè)方面探討了影響土壤蓄水能力的影響因素,有別于該區(qū)其他研究,本研究基于祁連山區(qū)普遍存在的微地形,分別分析了微地形下以青海云杉和高山草地為主導(dǎo)植被的陰、陽坡土壤蓄水能力差異,分析中地形對(duì)植被群落再塑造而產(chǎn)生的蓄水能力差異是顯而易見的。在地形影響下,不同坡向植被受到的水熱條件也隨之不同,因此形成了由圖2所示的特有植被分異山體,加之后期不同生態(tài)系統(tǒng)對(duì)土壤的再影響導(dǎo)致兩種坡向下土壤蓄水能力發(fā)生了明顯的差異,這與趙海鵬等人[23]關(guān)于坡面尺度土壤水熱的研究結(jié)果類似。此外,與相關(guān)研究[9,24]得出的在該區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)能力最強(qiáng)的結(jié)論不一致的是本研究中青海云杉土壤界面水源涵養(yǎng)能力要強(qiáng)于草地,主要體現(xiàn)在陰坡(青海云杉)土壤飽和蓄水能力顯著高于陽坡(高山草地),原因在于云杉林地表積累了一定厚度枯落物,加之陰冷潮濕,地表腐殖質(zhì)累積厚,土壤疏松,土壤孔隙度隨之遠(yuǎn)大于陽坡(高山草地),透氣透水性強(qiáng),因此在降水期,能夠更好保留水分,涵養(yǎng)水源。

4.2 結(jié) 論

(1) 在本研究區(qū)域,坡位顯著影響了土壤中水分貯存量,在陽坡土壤中水分貯存量沿坡位上升逐漸呈減少狀態(tài),坡中上為土壤水分貯存量最低的坡位;在陰坡土壤中水分貯存量沿坡位上升逐漸呈增多狀態(tài),坡頂處為土壤水分貯存量高的坡位,坡中上至坡頂區(qū)域應(yīng)當(dāng)在水土保持工作中引起足夠重視;

(2) 青海云杉(陰坡)各坡位土壤潛在蓄水能力均高于高山草地(陽坡),自坡底至坡中上,兩類典型生態(tài)系統(tǒng)土壤飽和蓄水量在坡位、土層均表現(xiàn)出了極顯著差異性,但自坡中上開始,兩者在坡位和土層尺度上土壤飽和蓄水量差異性趨弱,說明坡中上以下坡位是兩類生態(tài)系統(tǒng)土壤蓄水能力核心區(qū)域。