祁連山東段不同植被類型土壤物理特性研究

高媛李剛袁斌倪兆睿趙晶晶

(甘肅祁連山國家級自然保護區(qū)管護中心，甘肅 張掖 734000)

祁連山所處的地理位置具有一定的特殊性,在遭受到其它氣候條件的干擾下,又具有面積較大、地形高差較大等特點,造成祁連山區(qū)氣候差異較大,對所在區(qū)域和周圍大面積地區(qū)的環(huán)境產生了十分重要的影響,形成了以多種生態(tài)系統(tǒng)和形式并存的復合生態(tài)系統(tǒng)。在這個復合生態(tài)系統(tǒng)中,動植種類繁多、群落結構復雜多樣,往往成為人們廣泛研究的熱點和重要場所。

土壤為植物生長和發(fā)育提供重要的保障,在土壤的物理性質方面,主要是通過改善土壤的蓄水性和透氣性,從而對土壤調節(jié)水分和涵養(yǎng)水源方面都起到重要作用,使得土壤的肥力和植被生長狀況都發(fā)生變化。同時,水資源也是必不可少的重要因素,而在人類生活和生產過程中,水資源的開發(fā)利用和保護成為人們關注的熱點,受到人們的廣泛關注,在水資源短缺的西北干旱和半干旱地區(qū),植被生長和發(fā)育往往受到水分的限制。水是自然環(huán)境中最積極、最活躍的因素,在植被建設中,亟待解決的難題就是在水資源短缺的情況下怎樣處理好生態(tài)用水增加的問題,找到這兩者的平衡關系,既是在生態(tài)環(huán)境建設過程中的核心問題,也是目前科學研究中的一項重要的熱點問題。

不同植被具有不同的有機質組成,導致進入土壤的植物凋落物的性質和數(shù)量不同,從而影響土壤的性質和狀態(tài),使其產生差異。本研究選擇位于祁連山東段西營河流域的不同植被類型土壤為研究對象,該區(qū)主要分布有云杉林、高寒灌叢和高寒草甸等不同的植被類型,選擇喬木林、灌叢、草地3種不同植被類型的土壤容重、孔隙度、持水量及土壤持水性能等土壤特性及其水源涵養(yǎng)性能為研究對象,分析不同植被類型下土壤物理性狀和蓄水性能,旨在為該研究區(qū)域森林資源的經營和利用提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于武威市西營河流域(E101°5′～102°5′,N37°0′～38°0′),面積約1727.5km2,海拔高度1880～4854m。流域屬溫帶大陸性氣候,日照時間長,太陽輻射強,晝夜溫差大。年平均降水量為450mm,年潛在蒸發(fā)量為700～1200mm。流域內主要分布有干旱半干旱草原、寒溫性針葉林和高寒灌叢等類型,土壤種類主要有灰褐土、黑鈣土、寒漠土等[1,2]。

2 研究方法

2.1 樣地設置

供試土樣于2020年8月取自西營河流域。按照植被類型選取3塊典型樣地,分別為青海云杉喬木林、金露梅灌叢和草本。為了減少除了植被類型的差異以外的其它因素對土壤物理特性和蓄水特性產生的影響,選擇海拔高度相對一致的3種不同植被類型的地塊進行試驗和研究。樣地詳細情況見表1。

表1 采樣地詳情

2.2 樣品采集與分析

從每個樣地隨機選取3個未受干擾的土壤剖面。采用環(huán)刀法,在每個樣地按土層深度0～10cm、10～20cm、20～30cm和30～40cm分4層取土,每層重復3次。將土壤樣品帶回實驗室進行土壤容重、孔隙度、土壤含水量、持水量等物理性質的測定。采用稱重法測定土壤含水量；采用烘干法測定土壤容重；采用環(huán)刀法測定土壤孔隙度、毛管持水量和最大持水量[3]。

土壤最大蓄水量(t·hm-2)＝土壤總孔隙度×10000m2×土壤深度

土壤非毛管孔隙蓄水量(t·hm-2)＝土壤非毛管孔隙度×10000m2×土壤深度

2.3 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2016軟件進行統(tǒng)計分析。

3 結果與分析

3.1 3種植被類型土壤容重與孔隙度變化特征

土壤容重值的大小在一定程度上能夠反映土壤透水和通氣性能的強弱[4]。在祁連山東段不同植被類型和土層厚度研究中,土壤容重也存在一定差異。在0～40cm土壤中,灌叢、喬木林、草本的平均土壤容重分別為1.01g·cm-3、0.74g·cm-3、0.92g·cm-3,灌叢平均土壤容重最大,約是喬木林平均土壤容重的1.36倍。在0～10、10～20、20～30cm土層中,土壤容重從大到小為灌叢＞草本＞喬木林；在30～40cm土層中,土壤容重從大到小為喬木林＞灌叢＞草本。同一植被類型下,土壤容重隨土層深度的增加呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢。

圖1 3種植被類型土壤容重特征變化

土壤孔隙的數(shù)量和大小對土壤的水、肥、氣產生不同的影響,從而調節(jié)植物生長所需的水分和空氣[5]。在0～40cm土層土壤中,3種植被類型土壤平均總孔隙度從大到小為喬木林(69.43%)＞草本(63.49%)＞灌叢(60.67%),平均毛管孔隙度從大到小為喬木林(62.31%)＞灌叢(57.57%)＞草本(55.36%),平均非毛管孔隙度從大到小為草本(8.13%)＞喬木林(7.12%)＞灌叢(3.09%)。在0～10cm表層土壤中,3種植被類型土壤總孔隙度從大到小為喬木林(71.81%)＞草本(65.24%)＞灌叢(59.80%),毛管孔隙度從大到小為喬木林(63.37%)＞灌叢(56.63%)＞草本(53.94%),非毛管孔隙度從大到小為草本(11.30%)＞喬木林(6.32%)＞灌叢(3.17%)。

表2 3種植被類型土壤孔隙度特征變化

3.2 3種植被類型土壤含水量和蓄水性能變化特征

作為土壤的重要組成部分,土壤中的水分及其形態(tài)將對土壤的形成和發(fā)展、肥力水平和自凈能力產生重要影響。在0～40cm土壤中,3種植被類型土壤平均含水量從大到小為喬木林(33.07%)＞草本(31.50%)＞灌叢(28.44%),3種植被類型土壤平均飽和持水量從大到小為喬木林(88.97%)＞草本(63.70%)＞灌叢(60.91%),3種植被類型土壤平均毛管持水量從大到小為喬木林(75.47%)＞草本(57.05%)＞灌叢(51.18%),3種植被類型土壤平均最大蓄水量從大到小為喬木林(694.27t·hm-2)＞草本(634.94t·hm-2)＞灌叢(606.66t·hm-2),3種植被類型土壤平均非毛管蓄水量從大到小為草本(81.32t·hm-2)＞喬木林(71.22t·hm-2)＞灌叢(30.92t·hm-2)。在0～10cm表層土壤中,3種植被類型土壤含水量從大到小為喬木林(34.07%)＞灌叢(31.66%)＞草本(28.70%),3種植被類型土壤飽和持水量從大到小為喬木林(99.52%)＞草本(65.91%)＞灌叢(58.00%),3種植被類型土壤毛管持水量從大到小為喬木林(82.81%)＞草本(56.11%)＞灌叢(51.41%),3種植被類型土壤最大蓄水量從大到小為喬木林(718.11t·hm-2)＞草本(652.41t·hm-2)＞灌叢(597.97t·hm-2),3種植被類型土壤非毛管蓄水量從大到小為草本(113.01t·hm-2)＞喬木林(84.41t·hm-2)＞灌叢(31.67t·hm-2)。不同土壤土層中,草本土壤含水量和毛管持水量隨土層深度增加而增加,灌叢和喬木林土壤含水量、飽和持水量等物理特性隨土層深度增加表現(xiàn)出先減小后增加趨勢。

表3 不同植被類型土壤含水量和蓄水性能特征變化

4 結論和討論

3種植被類型土壤容重和孔隙度存在明顯差異,具體表現(xiàn)為土壤容重從大到小為灌叢(1.01g·cm-3)＞草本(0.92g·cm-3)＞喬木林(0.74g·cm-3),土壤平均總孔隙度從大到小為喬木林(69.43%)＞草本(63.49%)＞灌叢(60.67%),土壤平均毛管孔隙度從大到小為喬木林(62.31%)＞灌叢(57.57%)＞草本(55.36%)。在0～10cm表層土壤中,土壤容重從大到小為灌叢(1.04g·cm-3)＞草本(0.87g·cm-3)＞喬木林(0.67g·cm-3),土壤總孔隙度從大到小為喬木林(71.81%)＞草本(65.24%)＞灌叢(59.80%),土壤毛管孔隙度從大到小為喬木林(63.37%)＞灌叢(56.63%)＞草本(53.94%)。植被土壤容重越大,土壤孔隙度越小,表現(xiàn)出相反趨勢。在周圍立地條件相同的情況下,在表層和0～40cm土壤物理形狀研究中,相比其它2種植被類型,喬木林土壤容重最小,孔隙度最高,較其它2種植被類型土體疏松,其物理性質最好,這可能與喬木林林下根系分布和有機質含量有關。

3種植被類型土壤平均含水量、平均飽和持水量、平均毛管持水量和平均最大蓄水量從大到小均表現(xiàn)為喬木林＞草本＞灌叢。綜合土壤容重、土壤孔隙度、土壤含水量、最大蓄水量,當土壤容重較小時,土體疏松,表現(xiàn)出土壤孔隙度也就越大,造成喬木林土壤持水能力就越強,說明喬木林的水源涵養(yǎng)功能強于其它2種植被類型,可能主要是喬木林土壤表層有大量的苔蘚層和枯枝落葉,很大程度上對改良當?shù)赝寥牢锢硇誀詈吞嵘寥佬钏芰苡凶饔?使得土壤有很好的物理性狀和持水能力。