大興安嶺干旱陽坡土壤水分和養分變異性研究

付志祥，孫海龍，劉道錕，周 林

(東北林業大學 林學院，哈爾濱 150040)

土壤作為植物所需水分和養分的主要提供者，土壤水分和養分的空間分布直接影響著植物群落的分布、演替和生產力[1]，彭晚霞等[2]和劉淑娟等[3]在喀斯特峰從洼地研究發現該地區土壤水分和養分指標均隨植被正向演替(草地、灌木林、次生林、原生林)而增加，劉彬等[4]也發現干旱河谷土壤水分、養分明顯低于相鄰森林；同時，研究也發現隨坡面位置變化，喀斯特、干旱河谷和黃土高原等地區坡面的土壤水分和養分也發生明顯變化，并影響植被的分布和群落生產力[3-6]。而且，土壤特征的研究一直是退化生態系統研究的核心問題[7-9]。因此，認識退化植被的土壤水分和養分變化規律，對人工調控植被演替、促進退化生態的恢復具有重要意義。

大興安嶺是我國重要的林區，由于頻繁的采伐和火燒破壞導致該區干旱陽坡植被嚴重退化[10]，在坡面的中下部植被主要以草叢和灌草叢為主，而在坡面的上部或頂部直至陰坡以次生闊葉林為主。在經過干擾后該區干旱陽坡不同坡位植被分布出現差異的原因目前還很少有人進行探討，尤其對坡面土壤水分和養分的時空分布特征與植被分布的關系還了解較少。本文通過對干旱陽坡不同退化植被類型土壤水分、養分特征的分析，探討干旱陽坡土壤水分、養分在不同植被類型和不同地貌部位的變化規律，進而為大興安嶺干旱陽坡的恢復提供理論依據。

1 研究地區與研究方法

1.1 研究地自然概況

研究地點位于黑龍江省大興安嶺加格達奇區的大興安嶺農林科學研究院實驗基地塔列圖施業區，地理坐標為E124°02′-N50°15′。該地區屬于寒溫帶大陸季風性氣候，年平均氣溫為-1.2℃，年度極端最高氣溫32.8℃，年度極端最低溫-40.2℃，年平均有效積溫2 100℃，日照時數2 671 h，年無霜期平均80 d，年均降雨量460 mm[11]。研究區地帶性土壤為暗棕壤，土層較薄，一般在30～40 cm，下多石礫，土體內礫石含量高達30％～50％，以壤質為主；土壤呈酸性，pH值為4.5～6.5。

研究區植被特點為陽坡，是退化的草叢和灌草叢，陽坡或半陽坡的山脊是天然次生闊葉林。3種植物群落的主要種類組成為：

(1)草叢，主要有苔草(Carextristachya)、香蒿(Artemisiacarvifolia)、委陵菜(Potentillaaiscolar)、興安天門冬(Asparagusdauricus)、銀柴胡(RadixStellariae)、鳶尾(Irisuniflora)和小葉樟(Calamagrostisangustifolia)等。

(2)灌草叢，灌木主要有西伯利亞山杏(Armeniaeasibiriea)和春榆(Ulmusjaponica)等，草本主要有苔草(Carextristachya)、艾蒿(Artemisiaargyi)、裂葉蒿(Artemisialaciniata)、敗醬(Patriniascabiosaefolia)和委陵菜(Potentillaaiscolar)等。

(3)山脊次生林，喬木層主要包括黑樺(Betuladahurica)、白樺(Betulaplatyphylla)、山楊(Populusdavidiana)和蒙古櫟(Quercusmongolica)等，林下灌木以胡枝子(Lespedezabiocolor)為主。

圖1 土壤取樣點布設示意圖

1.2 研究方法

1.2.1 土壤樣品采集

土壤樣品采集時間為：2012年8月1日-5日，期間無降水。選擇植被為灌草叢和草叢的典型干旱陽坡各2個，利用樣線法(線形取樣法，Transect)進行調查取樣[12]，每個干旱陽坡各設置1條樣線。樣線從陽坡山腳以垂直等高線直到陰陽坡交界處(或不同植被交界處)，再從交界處將樣線繼續延長50 m。取樣時沿樣線叢山腳每隔10 m設1個點，每個樣點分0～10 cm和10～20 cm土層取樣，分別取鮮土裝入鋁盒稱重，以測定土壤水分，并取部分鮮土裝入封口袋內用于土壤養分分析，同時記錄該樣點海拔，土層厚度，估算石礫含量(如圖1所示)。選擇的灌草叢樣地坡度為25°～28°，草叢樣地坡度為30°～33°，山脊林地樣地坡度5°～15°。共計灌草叢32個樣點，草叢22個樣點，山脊林地20個樣點。

表1 干旱陽坡不同植被類型的土壤水分和養分含量

不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)

1.2.2 土壤水分和養分測定

土壤樣品帶回實驗室后，利用烘干法測定土壤含水量(SM)。封口袋內土壤樣品風干后過篩，用于土壤養分分析。土壤全碳(TC)和全氮(TN)利用元素分析儀(Vario MACRO，elementar)進行測定，土壤全磷(TP)、全鉀(TK)用硫酸-高氯酸酸熔-鉬銻抗比色法——火焰光度法測定[13-14]，土壤速效磷(AP)用鹽酸-硫酸雙酸浸提-鉬銻抗比色法測定[14]，速效鉀(AK)用醋酸浸提-火焰光度法測定[14]，堿解氮(AN)用堿解擴散法測定[14]。

1.3 數據處理

本實驗數據采用Excel2010和SPSS19.0進行統計分析，利用SigmaPlot10.0作圖。采用方差分析(ANOVA)判斷不同植被類型及不同地貌部位土壤水分和養分的差異性，用最小顯著差數法(LSD)檢驗差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 干旱陽坡不同植被類型土壤水分和養分含量的差異

由表1可知，不同植被類型間土壤含水量(SM)差異明顯，均表現為山脊林地>灌草叢>草叢，其中山脊林地顯著高于草叢和灌草叢(P<0.01)。兩土層之間土壤含水量差異均表現為0～10 cm土層較高，但差異不顯著(P>0.05)，而且兩土層之間差值也表現為山脊林地>灌草叢>草叢。不同植被類型間TC、TN、TP、AN、AP、AK和C/N均表現為山脊林地>灌草叢>草叢，且具有顯著差異(P<0.05)，但是TK表現為灌草叢>草叢>山脊林地(P<0.05)。0～10 cm土層各養分含量均高于10～20 cm土層，但是僅各植被類型土壤的TC、TN、AK和C/N，及山脊林地土壤的AN、TP具有顯著差異(P<0.05)。

圖2 草叢不同地貌部位的土壤特征變化規律

2.2 干旱陽坡不同地形部位土壤水分和養分含量的差異

由圖2可知，干旱陽坡草叢植被SM均表現為山脊林地最高，坡上和坡下次之，坡中最低的趨勢，其中0～10 cm土層不同地形部位之間差異顯著(P<0.05)。TC和TP在0～10 cm土層最高值均出現在山脊林地，其次為坡下，最低為坡中和坡上，其中山脊林地顯著高于其它坡位(P<0.05)，而在10～20 cm土層各地形部位差異不顯著。TN和AN兩土層均表現為坡上、坡中和坡下相差較小，而山脊林地顯著較低的格局。與TN和AN相反，TK表現為山脊林地顯著較高，而其它地形部位差異較小的格局。AP在不同地形部位之間差異顯著(P<0.05)，兩土層均表現為：山脊林地>坡下>坡中>坡上。AK與C/N在不同地形部位間差異顯著，均表現山脊林地>坡上>坡下>坡中。

由圖3可知，干旱陽坡灌草叢植被的SM在不同坡位間具有顯著差異(P<0.05)，不同地形部位大小次序與草叢相似。TC、TN、TP、AN、AK和C/N在不同地形部位間差異顯著(P<0.05)，均表現為最高值出現在山脊林地，其次為坡上，最低為坡中和坡下的格局，但是10～20 cm土層TN和AN在坡下表現為較高數值。TK在坡下、坡中和坡上之間差異較小(P>0.05)，但是均顯著高于山脊林地。與草叢相似，灌草叢AP在不同地形部位差異顯著(P<0.05)，均表現為山脊林地和坡上較高，坡中和坡下較低的格局。

3 結論與討論

3.1 不同植被對土壤水分、養分的影響

本研究結果表明：除了TK外，干旱陽坡草叢和灌草叢，以及山脊林地的土壤水分與養分均表現為山脊林地>灌草叢>草叢，這與其他研究者在喀斯特[3，15-16]和干旱河谷[4]等地區的研究結果相似。與其他研究中大興安嶺地區的土壤養分特征[17-19]相比，本研究中草叢下土壤的TA含量明顯較低，同時本研究中不同植被類型間土壤AP的差異也最大(見表1)，這表明植被的退化加劇了土壤中速效磷的貧瘠化[15]，使植被群落朝著耐貧瘠和干旱的群落類型方向發展，因此，提高土壤中有效磷的供應將促進該地區森林植被的恢復。土壤SM在山脊林地與灌草叢和草叢間的差異也較大，這可能與處于山脊的次生林地坡度較小，且部分處于陰坡，而且有樹木遮陰和較厚的凋落物層，能夠截留更多的降水和抑制土壤水分蒸發有關，而草叢和灌草叢位于陽坡，且坡度較大，土壤蒸發量大，降水的截留能力弱，同時土壤養分也流失較多，因此土壤SM和速效養分均較低。

圖3 灌草叢不同地貌部位的土壤特征變化規律

3.2 坡位對土壤水分、養分的影響

本研究中干旱陽坡的草叢和灌草叢土壤SM、TC、TP、AP、AK、和C/N均表現為山脊林地較高，而土壤TK在山脊林地最低的格局，這與植被類型間的差異一致，而干旱陽坡草叢土壤的TN和AN最高值未出現在山脊林地，這主要與草叢兩條樣線上方的林地仍為陽坡有關(如圖1所示)。一般在不同坡位由于降雨后徑流侵蝕的差異，土壤水分和養分通常表現為洼積效應或坡下較高的趨勢[20]，這也是本研究中草叢植被坡下土壤的SM、TC、TP、TK和AP高于坡上和坡中的原因。

與草叢植被不同，除了TK灌草叢植被土壤表層的水分和養分均表現為坡上高于坡下和坡中格局，這與灌草叢坡上部坡度越緩，地表徑流速度較小，從而更有利于降水的入滲有關(如圖1所示)[21]。另外，灌草叢植被坡下和坡中土壤水分、養分較低還與人為干擾有關，由于陽坡是放牧的重要場所，動物取食減少了植被凋落物的歸還量，因此降低了土壤表層的養分，這種影響在灌草叢植被尤其明顯，可能與灌草叢坡地坡度較緩，以及動物的取食偏好有關。

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