夏爾希里自然保護區草地表層土壤理化性質與海拔高度的關系

劉西剛，王勇輝，焦 黎 （新疆師范大學地理科學與旅游學院，新疆 烏魯木齊 830054）

草地在陸地生態系統中發揮著不可替代的作用，其發生和發展受土壤系統的控制[1-2]。地形通過改變光、熱、水等氣候因素影響植被，進而影響土壤形成過程、土壤演替及其理化性質[3-4]。海拔因子通過改變周圍小氣候環境要素、影響降水量進而影響土壤含水量指標，致使土壤性狀、生物群落組成和植被類型發生改變[5]。土壤理化性狀既能反映土壤的機械組成，又能反映該地區土壤的涵水能力[6]。總之，研究不同海拔高度的草地土壤理化性質，有助于了解山區垂直帶的土壤形成過程、結構和功能，也有助于研究不同海拔梯度植被和土壤之間的相互作用機制[7-9]。有部分學者認為，海拔因素對土壤理化性質影響顯著[10-12]。

夏爾希里自然保護區位于天山北坡西段，是我國與哈薩克斯坦的邊界地帶，保護區管理嚴格，進入其內開展研究極其困難。該保護區是一個基因庫，具有豐富的遺傳多樣性，不受人為干擾。草原生態系統是保護區重要的自然生態系統類型之一，主要分布在海拔高度為800～2 200 m之間的山地，是野生動物最主要的棲息場所，該區域的穩定發展不僅對保護區的生物多樣性有積極影響，對促進保護區物質循環和能量流動、調節小區域氣候、保護水土、防風固沙、美化環境也具有重要作用[13]。目前，對于天山北坡土壤理化性質的研究較多[10，14-16]，但大部分研究區域都受人為干擾作用影響較大，鮮見關于無人為干擾的自然保護區土壤理化性質的研究[17]。該研究以夏爾希里自然保護區的草地為研究對象，分析不同海拔高度的草地土壤理化性質，以期為同類山地土壤理化性質研究提供模板參考，豐富天山北坡土壤理化性質特征數據庫。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

夏爾希里自然保護區位于新疆博爾塔拉蒙古自治州境內北部阿拉套山南坡山區，地理位置為45°07'43″～45°23'15″N，81°43'09″～82°33'18″E。東西長66 km，南北寬25 km，總面積為314 km2。保護區內主要以大陸性寒溫帶寒冷氣候為主[17]。年平均氣溫5～6℃，極端最高溫28.3℃，極端最低溫-32.1 ℃，年平均降水量為183 mm[18]，降水量主要集中于春、夏兩季，隨海拔高度上升而逐步增大，低山帶為100～250 mm，中山帶為＞250～450 mm，高山帶可達＞450～600 mm。保護區由于受山地地勢差的影響，自然景觀垂直地帶性明顯，以荒漠帶（310～1 300 m）為基帶，因地形和土壤質地不同，地表植物主要以梭梭、戈壁藜、麻黃等旱生或超旱生植被為主。山地草原帶（1 300～1 600 m）分布較廣泛，主要建群種為針茅、錦雞兒等，其中灌木類植被在該帶廣泛分布，群落植被覆蓋度可達40%～60%。山地針葉林帶廣泛分布在海拔1 600～2 700 m范圍內，陰坡和半陰坡主要以雪嶺云杉植被為主，陽坡以森林草原為主，在草原類型中，錦雞兒、針茅群種占主體，蒿屬、繡線菊等群種植被局部分布。土壤以山地棕鈣土（海拔800～1 100 m）、山地栗鈣土（海拔＞1 100～1 600 m）、山地黑鈣土（海拔＞1 600～2 200 m）為主[17]。

1.2 研究方法

于2014年9月對夏爾希里自然保護區進行野外調查，依據地表植被類型、植物生長狀況、坡度、坡向等要素的綜合考察結果，在保護區的核心區域選取具有代表性的15個草地樣地（表1）。

表1 研究區樣地基本情況Table 1 Basic situation of sample plots in the study area

用土鉆法和環刀法對樣地內草地植被下的表層土壤（0～10 cm）進行采樣，每個樣地大小均為3 m×3 m，每個樣地內均按五點法采集5個草地表層土壤樣點，共采集75個草地表層土壤樣品，每個樣點用土鉆重復取樣3次，將3次采集的土樣混合均勻后，用四分法取約0.5 kg土裝袋貼標，并立即稱重，為了減少后期計算誤差，用100 cm3環刀在每個樣地內隨機采取3份平行樣，同時用GPS對各樣地進行精確定位，記錄樣地的經緯度、高程、植被狀況等信息。

將土樣帶回實驗室自然風干后重新貼標備用，土壤各理化性質指標均參照《土壤農化分析》[19]進行測定，用PHS-4型智能酸度計測定土壤浸提液（水土質量比為2.5：1）pH值，用酸溶-鉬銻抗比色法測定全磷含量，重鉻酸鉀-外加熱法測定土壤有機質含量，高氯酸-硫酸消化法測定全氮含量。用環刀法測定土壤容重、非毛管孔隙度、毛管孔隙度和總孔隙度等土壤物理指標。土壤含水量采用烘干（105℃）稱重法測定，計算公式為土壤含水量=（自然濕重-烘干重）/烘干重；采用浸泡法測定土壤飽和含水率，計算公式為土壤飽和含水率=（飽和濕重-烘干重）/烘干重×100%；利用Microsoft Excel軟件進行數據處理，利用Origin 9.0軟件進行理化性質與海拔高度的擬合關系圖表制作，利用SPSS 20.0軟件進行草地土壤理化性質綜合評價。

2 結果與分析

2.1 草地表層土壤物理性質隨海拔高度的變化

2.1.1 草地表層土壤物理性質的變化特征

夏爾希里自然保護區不同海拔高度草地表層土壤物理性質變化見表2。由表2可知，不同海拔高度上土壤含水量、飽和含水率、土壤容重、非毛管孔隙度、毛管孔隙度、總孔隙度平均值均差異顯著（P＜0.05）。隨著海拔高度的變化，土壤含水量w、飽和含水率、土壤容重、非毛管孔隙度、毛管孔隙度、總孔隙度平均值均發生不同程度變化，變化范圍分別為 9.68%～20.24%、58.47%～113.2%、0.91～1.35 g·cm-3、2.18%～6.73%、35.42%～42.95%、38.09%～49.25%。不同土壤類型比較而言，表層草地土壤的土壤含水量、飽和含水率、非毛管孔隙度、毛管孔隙度、總孔隙度平均值均表現為黑鈣土＞栗鈣土＞棕鈣土，土壤容重的變化規律則相反，大體為棕鈣土＞栗鈣土＞黑鈣土。

表2 不同海拔高度草地表層土壤物理性質Table 2 Physical properties of grassland surface soil at different altitudes

2.1.2 草地表層土壤物理性質與海拔高度的關系

由圖1可見，草地表層不同土壤物理性質指標與海拔高度之間的關系呈現不同程度變化，土壤飽和含水率、容重分別與海拔高度呈顯著線性相關性，決定系數分別為0.928、0.804（P＜0.01）。但兩者的規律截然不同，飽和含水率隨海拔高度增加而逐漸增大，在海拔高度2 142.24 m處達最大值113.2%。土壤容重隨海拔高度的增加而逐漸減小，在海拔高度2 142.24 m處出現最小值0.91 g·cm-3。總孔隙度、非毛管孔隙度、自然含水率大致隨海拔高度的增加而逐漸增大，最大值均出現在海拔高度2 142.24 m處，決定系數分別為0.867（P＜0.01）、0.623（P＜0.05）、0.752（P＜0.01）。一般學者認為土壤容重與土壤含水量大體呈負相關關系[1，20-21]，筆者的研究結果與其一致，即土壤容重減小時土壤各含水量指標增大。這可能是由于海拔高度影響所致，隨著海拔高度的增加，土壤類型由棕鈣土過渡到栗鈣土，土壤質量逐漸趨于良好，土壤孔隙度逐漸增大，持水性能逐漸提高，再加上隨著海拔高度增加，降水量逐漸增多，導致植被覆蓋度逐漸增大，從而使得土壤質量改良，土壤疏松程度提高。

2.2 草地表層土壤化學性質隨海拔高度的變化

2.2.1 草地表層土壤化學性質的變化特征

保護區草地表層土壤化學性質變化見表3。

圖1 草地表層土壤物理性質與海拔高度的關系Fig.1 Relationship between surface soil physical properties and altitudes of the grassland

表3 不同海拔高度草地表層土壤化學性質Table 3 Chemical properties of grassland surface soil at different altitudes

由表3可知，土壤有機質、全N、全P含量和C/N比、pH值在不同海拔高度上大多差異顯著（P＜0.05）。土壤w（有機質）、w（全N）、w（全P）、C/N比、pH值的平均值變化范圍依次為3.72%～11.98%、1.25%～3.25%、0.121%～0.159%、9.06～13.97、6.95～9.25。土壤有機質、全N、全P含量和C/N比的最大值均出現在海拔高度2 142.24 m處，最小值均出現在海拔高度835.23 m處，且最大值與最小值的比值分別為3.22、2.6、1.3。土壤pH值的變化規律與其不同，最大值出現在海拔高度1 075.98 m處，最小值出現在海拔高度2 142.24 m處，最大值是最小值的1.33倍。對不同土壤類型的化學性質分析可知，草地表層土壤有機質、全N、全P含量和C/N比均表現為棕鈣土＜栗鈣土＜黑鈣土，而土壤pH值表現為棕鈣土＞栗鈣土＞黑鈣土。

2.2.2 草地表層土壤化學性質與海拔高度的關系

海拔高度可通過影響地表植被類型和植被生產力來限制土壤養分元素含量，還可通過改變土壤溫度和水分條件來限制微生物活性[10]。對研究區草地表層土壤化學性質與海拔高度進行相關性分析（圖2），發現土壤有機質含量與海拔高度呈極顯著線性正相關關系（R2=0.915，P＜0.01），說明海拔高度對草地土壤有機質影響較大；全N含量與海拔高度之間呈現極顯著二次曲線相關關系（R2=0.938，P＜0.01），海拔高度增加時土壤有機質與全N含量也隨之增加，這與土壤全N含量主要受土壤有機質含量影響有關[22]。土壤全P含量與海拔高度呈極顯著二次曲線相關關系（P＜0.01），從變化趨勢來看，隨著海拔高度增加，土壤全P含量增幅逐漸放緩。這可能是因為海拔高度升高，巖石風化和土壤養分積累加速，導致土壤全磷含量增加，但同時土壤淋溶作用增強，兩者相互作用導致土壤全P含量呈緩慢上升趨勢。土壤pH值與海拔高度呈極顯著線性負相關關系（R2=0.919，P＜0.01），這主要與不同海拔高度土壤淋溶作用、地表植被類型、有機酸作用等諸要素共同影響有關。

圖2 草地表層土壤化學性質與海拔高度的關系Fig.2 Relationship between surface soil chemical properties and altitudes of the grassland

2.3 不同海拔高度草地表層土壤理化性質評價

采用主成分分析方法對夏爾希里自然保護區草地土壤表層的總孔隙度、容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、自然含水率、有機質含量、全氮含量、全磷含量和pH值這9項理化指標進行綜合分析，旨在評價保護區不同海拔高度草地表層土壤綜合理化性能的強弱。通過分析方差貢獻率（表4）可知，第1主成分的方差貢獻率為81.557%，說明第1主成分能大體上反映所有指標的變化情況。

由理化指標的主成分載荷矩陣（表5）可知，各指標的系數各不相同，根據分析結果可得到相應的主成分表達式（綜合評價函數）如下：F1=1.265X1-1.937X2+2.735X3+4.771X4+3.001X5+0.355X6+1.782X7+0.307X8-1.556X9，通過此函數對不同海拔高度的草地表層土壤理化性質進行綜合評分（表6），結果顯示，不同海拔高度草地表層土壤理化性質綜合得分不盡相同，大體表現為隨海拔高度升高綜合排名逐漸升高，說明隨著海拔高度升高，草地表層土壤理化性能逐漸增強。在海拔高度為2 142.24 m時草地土壤理化性能最好，海拔高度為835.23 m處土壤理化性能最差。從不同土壤類型的綜合評分可知，草地表層土壤理化性能大體表現為山地黑鈣土＞山地栗鈣土＞山地棕鈣土。

表4 解釋總方差Table 4 Total variance of interpretation

表5 主成分載荷矩陣Table 5 Principal component load matrix

表6 草地表層土壤持水能力綜合評分結果Table 6 Comprehensive scoring results of water holding capacity of grassland surface soil

3 討論

土壤是植物生長的主要載體，其物理性質是衡量土壤肥力的重要指標之一，主要包括土壤質地、結構、孔隙、土壤水分等性質[11]，在空間分布上存在較大差異。海拔高度是重要的地形因子之一，通過改變環境因子如氣溫、降水與蒸發量、植物群落等因素，導致土壤理化性質發生變化，進而反映生態環境的變化差異[23]。研究區草地表層土壤物理性質受海拔因子的影響較大，隨著海拔高度的增加，土壤自然含水率、飽和含水率、總孔隙度、非毛管孔隙度大體呈上升趨勢，在海拔高度835.23 m處出現最小值，在2 142.24 m處出現最大值。這主要是因為低海拔區域草地表層土壤溫度較高，降水較少，蒸發量較大，導致土壤含水量較低，再加上地表植被覆蓋度較低，微生物含量及活躍程度較差，導致土壤結構變差，土壤容重較大，土壤孔隙度較小；隨著海拔高度升高，溫度逐漸降低，降水量逐漸增大，植被群落趨于豐富，微生物數量及其活躍程度有所提高，土壤質量和結構得到較大幅度改良，土壤疏松程度進一步提升，導致土壤孔隙度逐漸增大，土壤容重逐漸減小。這與馬國飛等[23]對托木爾峰國家級自然保護區臺蘭河上游不同海拔草地土壤持水能力的研究結果一致。

土壤有機質含量可衡量土壤質量的高低，是土壤養分的重要組成物質，主要受土壤母質、植被類型和水熱條件等因素的綜合影響。海拔高度作為綜合環境的重要因子之一，通過改變土壤溫度和水分條件，影響植被生產力、微生物及土壤酶活性，從而調節土壤有機物輸入量[9-10]。研究區草地表層土壤有機質含量隨海拔升高而逐漸增加，在海拔高度2 142.24 m處出現最大值，這主要是由于植物枯落物的累積和分解以及土壤微生物活性造成的。隨著海拔高度的增加，水熱分配發生變化，高海拔區域溫度低，降水多，植物群落增多，地表枯落物以及根系殘留的腐爛和分解作用加速，致使土壤有機質含量升高，這與任啟文等[24]對小五臺山不同海拔土壤理化性質垂直變化規律的研究結果一致。通常認為土壤有機質和全氮含量對環境因子的響應及空間分布等方面存在良好的耦合關系[25]，筆者分析得出土壤有機質、全氮含量均隨海拔升高而增加，且變化規律較為一致。該區域全磷含量變化幅度較小，與已有研究認為土壤全磷含量的豐富程度主要受土壤母質和成土作用控制，在土壤中遷移緩慢，空間分布穩定的結論[12]相一致。筆者研究中，土壤pH值隨著海拔高度的升高呈現逐漸降低趨勢，這與馬國飛等[26]的研究結果一致。

對不同理化性質指標的綜合評價分析認為，在不同海拔高度上，夏爾希里自然保護區草地表層土壤理化性質的綜合性能不盡相同，海拔高度2 142.24 m處綜合性能最強，海拔高度835.23 m處綜合性能最差。不同土壤類型比較而言，黑鈣土＞栗鈣土＞棕鈣土。這主要是受夏爾希里自然保護區所處特殊地理位置形成的山地垂直演化規律影響。

4 結論

（1）研究區草地表層土壤物理指標含量在不同海拔高度上差異顯著（P＜0.05）。土壤飽和含水率、總孔隙度、非毛管孔隙度、自然含水量均與海拔呈極顯著正相關（P＜0.01），在海拔高度2 142.24 m處各指標含量均出現最大值。土壤容重與海拔呈極顯著負相關（P＜0.01），在海拔高度2 142.24 m處出現最小值 0.91 g·cm-3。

（2）研究區草地表層土壤化學指標在不同海拔高度上差異較顯著（P＜0.05）。土壤有機質、全N、全P質量分數的變化范圍分別為3.72%～11.98%、1.25%～3.25%、0.121%～0.159%，3者均與海拔高度呈極顯著正相關（P＜0.01），均在海拔高度2 142.24 m處出現最大值，pH值與海拔高度的關系正好相反。

（3）研究區海拔高度2 142.24 m處草地土壤理化性能最好，海拔高度835.23 m處性能最差。從不同土壤類型的綜合評價看，草地表層土壤理化性能大體表現為黑鈣土＞栗鈣土＞棕鈣土。