南泥灣濕地不同植被類型土壤養分變化規律與肥力評價

周永維, 葛 瑤, 艾 寧, 郝寶寶, 李 陽, 強大宏, 劉長海

(延安大學 生命科學學院, 陜西 延安716000)

濕地是位于陸生生態系統和水生生態系統之間的過渡性地帶，擁有許多野生動植物資源，是重要的生態系統之一，也是生源要素碳、氮和磷最重要的源和匯，以及生物地球化學轉化最活躍的場所[1]。其中濕地研究的核心是濕地生物地球化學循環，濕地生物地球化學循環的關鍵任務是研究其物理、化學和生物過程以及這些過程與濕地功能的關系[2]；近年來，減緩和防止濕地生態系統的人為破壞、修復重建受損的濕地已經受到了廣泛關注[3-4]。南泥灣濕地在陜北黃土高原具有極其重要的地位，然而人為的干擾和破壞對南泥灣濕地的生物多樣性造成嚴重的影響[5]。前人關于南泥灣濕地的研究有植物多樣性[6]、土壤動物多樣性[7-8]與蝶類[9]、蚯蚓等[10]濕地指示性生物的多樣性分析，以及土壤因子、土壤微生物和濕地保護等方面[11-13]，目前還沒有關于南泥灣濕地土壤養分與土壤肥力方面的研究。不同植被類型會影響土壤發育和營養物質富集[14]、土壤質量[15]、土壤理化性質[16]和土壤養分的積累、分布與循環等[17]，然而不同的植被類型與土壤養分的變化也會間接導致濕地生態系統發生變化。因此研究濕地不同植被類型土壤養分特征及肥力評價對生態植被的建設、減少土壤養分的流失和濕地的恢復與重建具有重要的意義。本研究對南泥灣濕地不同植被類型(河灘草地、旱地草地、灌木地、小葉楊林地)的土壤養分變化規律進行分析，并運用土壤肥力綜合評價法量化比較南泥灣濕地不同植被類型的土壤肥力狀況，探討南泥灣濕地不同植被類型對土壤養分變化規律的影響，皆在為該區域土壤質量評價、林業生態工程建設及生態修復提供科學依據和數據支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本研究區域位于陜西省延安市南泥灣(109°32′36″—109°44′52″E, 36°19′52″—36°21′53″N)，平均海拔為1 230 m。該地區是我國內陸干旱區與東部季風濕潤區過渡帶，年平均氣溫為8.2℃，年日照時間在 2 420 h左右，年平均降雨量530～600 mm。區內植被覆蓋率達83%，主要以次生林為主，優勢種主要有山楊(Populusdavidiana)、遼東棟(Quercuswutaishansea)、油松(Pinustabuliformis)、樺樹(Betula)、側柏(Platycladusorientalis)等。

1.2 試驗方法

2019年5月，我們在延安市寶塔區南泥灣選取了4個典型(河灘草地、灌木地、小葉楊林地、旱地草地)樣地。在4個典型樣地分別選取總面積為20 m×20 m的樣方，每個樣方按照“品”字形設置3個采樣點，在每個采樣點內使用土鉆對土層0—10 cm，10—20 cm，20—40 cm進行樣品采集。土壤樣品在實驗室自然風干后，撿去石塊、殘根等雜物過篩，過篩后的土壤用于有機質、pH、速效磷等土壤化學質的測定。土壤養分指標的測定參照《土壤農化分析》[18]。各樣地基本情況見表1。

表1 樣地基本概況

1.3 數據處理

1.3.1 數據分析 采用Excel 2010進行數據處理，SPSS 22.0進行統計分析，用Origin 2018進行作圖。

1.3.2 土壤質地的計算 土壤肥力綜合評價計算公式為[19-20]：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:u(Xij)為各土壤養分指標的隸屬度值;Xij為土壤養分指標值;Xj,min，Xj,max分別為第j項土壤養分指標的最小值和最大值;Vj為標準差系數;Wj為各指標的權重;H為土壤綜合質量指數。

2 結果與分析

2.1 南泥灣濕地土壤養分指標的統計與分析

對所測的土壤養分指標分別進行算術平均，其結果作為南泥灣濕地土壤養分的平均狀況(表2)。結果表明，南泥灣濕地土壤養分差異較大。變異系數(CV)不僅能反映其空間變異性，還是進行土壤養分管理和合理施肥的基礎[21]。南泥灣濕地0—40 cm土層中，土壤有機質、速效磷、全磷為中等變異性，其中土壤有機質、速效磷變異系數較大，這可能與植被殘渣、枯落物等有密切關系，因為土壤有機質和速效磷除了與其成土母巖、氣候和自然理化性質有密切關系外，植被的作用也不可忽視[22]。土壤堿解氮含量和pH為弱變異性，其中pH的變異系數為2.20%，空間變異性最小，說明南泥灣濕地的土壤pH變化不大，其原因是南泥灣濕地地處西北干旱地區，降雨量小而蒸發量大，導致該區域水資源短缺，地下水及其鹽類成分對其影響較小所致[23]。

表2 南泥灣濕地土壤肥力統計信息

2.2 不同植被類型土壤養分指標特征分析

由表3可知，0—40 cm土層各植被類型樣地的5項養分指標存在一定的差異。有機質、速效磷、全磷和堿解氮含量由高到低為草地>林地>灌木地，而pH由高到低為灌木地>草地>林地，4種植被類型土壤呈堿性。在0—40 cm土層，灌木地的有機質、速效磷和全磷含量與其余植被類型存在顯著差異(p<0.05)，河灘草地的速效磷含量和全磷含量顯著大于旱地草地(p<0.05)。然而各植被類型的堿解氮含量和pH無顯著差異(p>0.05)。

表3 不同植被類型土壤養分指標特征

2.3 不同植被類型下土壤養分垂直分布特征

不同植被類型下土壤養分在0—40 cm呈現差異較大，見圖1。各植被類型中全磷含量變化無規律，表現出波動趨勢，整體變化幅度較大。各植被類型的堿解氮、速效磷和有機質含量在土層20 cm處有一個明顯的拐點，在土層10—20 cm變幅劇烈，在土層20—40 cm變化幅度減小，而灌木地在20 cm處含量大于其余植被類型，各植被類型在整體趨勢上表現出表層含量大于底層含量，具有明顯的垂直分布特征。各植被類型的pH波動幅度較小，表現出隨土層深度而遞增。

圖1 土壤養分指標含量與采樣深度的關系

2.4 不同植被類型土壤肥力的綜合評價

由表4可以看出灌木地的土壤肥力與其余植被類型存在顯著差異，土壤肥力由高到低為河灘草地>小葉楊林地>旱地草地>灌木地。土壤肥力綜合評價值劃分為5個等級，>0.8為極高等級，0.6～0.8為高等級，0.4～0.6為中等級，0.2～0.4為低等級和<0.2為極低等級[19,24]。因此，河灘草地、小葉楊林地和旱地草地土壤肥力屬于中等級(0.433，0.387，0.374)，而灌木地屬于極低等級(0.133)。因而，南泥灣濕地土壤肥力較低。

表4 土壤肥力綜合評價

3 討 論

3.1 不同植被類型對養分指標的影響

灌木地全磷含量顯著低于其余植被類型 (p<0.05)，可能是因為土層中的植物根系對其產生的影響，也可能與土壤有機質存在一定的關系，一般情況下有機質含量高的土壤具有較強的磷吸附能力[25]。有機質含量大小主要取決于有機物質的輸入和輸出，輸入量來源于植物枯落物腐化，輸出量包括各種環境條件下對土壤碳的分解和侵蝕[26-27]，而水鹽條件也決定了土壤有機質的積累[28]。在0—40 cm土層中，灌木地土壤有機質含量與其余植被類型存在顯著差異(p<0.05)，可能是與發達的根系和地下生物量有關，草地除根狀莖外還有發達的蘗節，林地的枯落物大于灌木地，因而有機質含量高于灌木地。

3.2 土壤養分的垂直變化

不同的植被類型改變了土壤理化性質和環境狀況，進而影響了許多生態過程，使得土壤養分在垂直深度上發生變化[29-30]。研究結果顯示，不同植被類型下土壤養分具有明顯的垂直分布特征，南泥灣濕地4種植被類型的土壤有機質含量分布表現為明顯的表聚性特征，這可能是由于地面的枯枝落葉和土壤表層的根系較多，所以有機質分解后大多數積聚在土壤淺層[31]，而有機質向下運輸較慢。已有研究表明[32]，土壤全磷含量隨土層深度的增加而減少，主要是由于濕地土壤全磷和有機質受土壤水分和pH的制約，與本研究結果相一致。艾尤爾·亥熱提等[33]研究結果表明堿解氮含量隨土層深度的增加而降低，植被對土壤養分具有表聚作用，可能與植物根系的深淺、水分條件、化學過程有關，而本研究結果與其一致。南泥灣濕地的4種植被類型土壤均呈現弱堿性，并隨著土層的增加pH值逐漸增加，影響土壤pH變化的因素可能有地下水鹽類的成分和含量、蒸發量、降雨量和植物生長狀況等[34]。

3.3 南泥灣濕地不同植被類型土壤肥力綜合評價

影響土壤肥力的因素主要有土壤養分含量、植物對養分指標的吸收能力以及各環境因子。研究結果表明，南泥灣濕地的河灘草地、小葉楊林地和旱地草地土壤肥力屬于中等級，可能是由于河灘草地土壤含水量和養分含量較高高，草本植被的根系較淺，因此河灘草地土壤肥力較高；旱地草地在一定承載力范圍內，牲畜的糞便和凋落物在一定程度上補充有機肥到草地中，改善草地質量；小葉楊林地土壤肥力屬于中等級，主要是由于地表的枯落物和腐殖質較多，而且覆蓋度較高。灌木地的覆蓋度較低，陽光長時間的照射使得土壤的地表溫度較高，從而使土壤水分散失和呼吸過程加劇[35]，因此灌木地屬于極低等級。通過施加氮肥、磷肥和種植固氮植物等措施，從而減少南泥灣濕地土壤養分的流失，可以促進植物生長，而植物的凋落物可以促進土壤中有機質的增加，還可以促進土壤熟化和磷含量的提高[36]。

4 結 論

(1) 在0—40 cm土層，南泥灣濕地不同植被類型土壤堿解氮含量和pH值無顯著差異；灌木地土壤有機質、全磷和速效磷含量與其余植被類型的差異顯著異(p<0.05)。

(2) 不同植被類型的pH值隨土層土層深度遞增；土壤有機質、全磷、速效磷和堿解氮隨土層深度的增加而呈降低趨勢。

(3) 南泥灣濕地植被類型中，河灘草地、小葉楊林地和旱地草地的土壤肥力為中等級水平，灌木地的土壤肥力為低等級水平。