王順利，劉賢德，金銘，張學(xué)龍，敬文茂，羅龍發(fā)

(甘肅省祁連山水源涵養(yǎng)林研究院，甘肅張掖734000)

流域山地坡面上，地形部位與土地利用方式是決定土壤物理性質(zhì)變化的重要因素，沿坡面不同的土壤成土過程導(dǎo)致了其特征的不同[1]。由于不同地區(qū)在氣候、母巖、地形、植被和動(dòng)物等方面的不同，形成了各種土壤類型，導(dǎo)致土壤性質(zhì)存在明顯的差異[2-5]。即使土壤類型相同，但在不同時(shí)間和不同空間上土壤的某些性質(zhì)仍然不同。這表明土壤具有時(shí)間上和空間上變化的特點(diǎn)。土壤空間差異是土壤重要的性質(zhì)之一，在不同的尺度上研究土壤的空間差異，不但對(duì)了解土壤的形成過程、結(jié)構(gòu)和功能具有重要的理論意義，而且對(duì)了解植物與土壤的關(guān)系，如更新過程、養(yǎng)分和水分對(duì)根系的影響以及植物的空間格局等也具有重要的參考價(jià)值，許多學(xué)者對(duì)此開展了多項(xiàng)研究[6-13]。近年來，土壤物理性質(zhì)的空間差異性以及與植被狀況的關(guān)系已成為國際上的研究熱點(diǎn)之一[14]。本研究旨在闡述祁連山森林土壤的主要物理性質(zhì)及其特點(diǎn);比較不同海拔、不同土壤層次以及不同利用方式下土壤物理性狀，分析祁連山土壤物理指標(biāo)的空間差異性;探討土壤理化性質(zhì)間的關(guān)系以及為人工促進(jìn)林木更新和封山禁牧保護(hù)措施的實(shí)施提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)設(shè)在祁連山中段，位于甘肅省祁連山水源林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站西水試驗(yàn)區(qū)排露溝流域(100°17′—100°18′E ，38°32′—38°33′N)，海拔 2 640～3 796 m，流域面積為2.74 km2，屬高寒山地森林草原氣候。根據(jù)該研究流域的氣象站資料表明，區(qū)域年平均氣溫0.5℃，極端最高氣溫28.0℃，極端最低氣溫-36.0℃，7月平均氣溫10.0℃～14.0℃;年降水290.2～467.8 mm;年均蒸發(fā)量1 051.7 mm;平均相對(duì)濕度60%。(以上數(shù)據(jù)為1994—2004年氣象觀測(cè)資料)。土壤主要類型為山地森林灰褐土、山地栗鈣土以及亞高山灌叢草甸土共3個(gè)類型，總的特征是土層薄、質(zhì)地粗，以粉沙塊為主;成土母質(zhì)主要是泥炭巖、礫巖、紫紅色沙頁巖等;有機(jī)質(zhì)含量中等，pH 值為7.0～8.0。研究區(qū)土壤和植被類型隨山地地形和氣候的差異而形成明顯的垂直分布帶，青海云杉(Picea crassi folia)林是構(gòu)成喬木層唯一建群種，以斑塊狀分布在陰坡、半陰坡。海拔3 300 m以上是以金露梅(Potentilla f ruticasa)、箭葉錦雞兒(Caragana jubata)和吉拉柳(Salix gilashanica)等為優(yōu)勢(shì)種的濕性灌木林。而陽坡、半陽坡則主要為山地草原(海拔2 600～3 000 m)，主要優(yōu)勢(shì)種有珠牙蓼(Polygonum viviparum)、黑穗苔(Carex carexatrata)和針茅(Stipa sp.)。

1.2 研究方法

1.2.1 長期固定樣地設(shè)立 在研究流域選擇具有代表性的3種植被類型青海云杉林、灌叢林(濕性灌木林)和草地分別設(shè)立長期固定樣地38塊，并對(duì)所設(shè)置的固定樣地進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)查。青海云杉林固定樣地(20 m×20 m)在研究流域陰坡，海拔范圍2 700～3 300 m，主要土壤為山地森林灰褐土，土層平均厚75 cm，喬木層主要建群種為青海云杉，郁閉度0.7，平均樹高13 m，平均胸徑18 cm，樹齡平均90 a;灌叢林固定樣地(5 m×5 m)設(shè)在海拔3 300～3 700 m，土壤類型為亞高山灌叢草甸土，土層平均厚度50 cm，主要優(yōu)勢(shì)樹種有金露梅、箭葉錦雞兒和吉拉柳等，蓋度平均為60%，灌叢平均高0.8 m;草地固定樣地(1 m×1 m)分布在海拔2 700～3 000 m流域陽坡，主要土壤類型為山地栗鈣土，土層平均厚80 cm，主要優(yōu)勢(shì)樹種有珠牙蓼、針茅等，蓋度平均為75%，草本平均高0.2 m。

1.2.2 土樣采集與分析方法 在固定樣地外側(cè)挖掘土壤剖面3個(gè)，利用體積200 cm3環(huán)刀取樣，各個(gè)樣點(diǎn)分層取原狀土，每個(gè)測(cè)點(diǎn)3個(gè)重復(fù)，室內(nèi)測(cè)定土壤質(zhì)地、土壤容重、孔隙度以及持水性能等土壤物理性質(zhì)。用常規(guī)方法采集和處理土壤樣品[15-17]，取樣時(shí)避免過大石礫，浸水稱重時(shí)嚴(yán)格遵循規(guī)定的時(shí)間，烘干過程中控制溫度105℃左右，表層土壤在80℃下烘干。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理 收集祁連山森林生態(tài)站2004—2008年土壤物理性質(zhì)測(cè)定資料，分類建立數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)處理時(shí)，利用Excel和SPSS數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行多元逐步回歸分析與空間差異性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤質(zhì)地

土樣測(cè)定結(jié)果表明，祁連山排露溝試驗(yàn)流域亞高山灌叢草甸土為輕壤與重壤，剖面少有泥炭化表層，其下腐殖質(zhì)層厚度20—30 cm，成土母質(zhì)主要為坡積殘積物，含石礫較多，有機(jī)質(zhì)含量14%～20%，黑褐色在成土過程中，腐殖質(zhì)積累明顯，淋溶較強(qiáng)。植物生長茂密，蓋度大，在80%～90%之間。根據(jù)成土過程和剖面特點(diǎn)，可分為腐殖質(zhì)亞高山灌叢草甸土和亞高山灌叢草甸土兩個(gè)亞類。

山地森林灰褐土為輕壤與中壤，由于森林覆蓋度較大，腐殖質(zhì)積累較厚，在成土過程中有腐殖質(zhì)積累過程、鈣化過程和淋溶過程，土壤一般無灰化和黏化現(xiàn)象，有機(jī)物分解活躍，土壤肥力較高。根據(jù)土壤剖面特征，分為山地淋溶灰褐色森林土，山地碳酸鹽灰褐森林土和典型褐色森林土。

陽坡草地山地栗鈣土多屬中壤與砂壤，在表層有較多的腐殖質(zhì)積累，其厚度在40—60 cm，淺褐色，呈粒狀或塊狀結(jié)構(gòu)，根系多集中于此層，盤結(jié)很緊，有白色菌絲體形成。底土成粒狀，結(jié)持力由緊變松，石灰性反應(yīng)由上到下逐漸加劇，土層厚度一般70—130 cm，栗鈣土質(zhì)較松。

2.2 土壤容重

祁連山排露溝流域亞高山灌叢草甸土因其所處海拔高度高，水分條件好，淋溶作用強(qiáng)，黏化層出現(xiàn)的部位較深，再加上強(qiáng)大的灌木層根系網(wǎng)，土壤孔隙度發(fā)達(dá)，所測(cè)深度內(nèi)土壤容重普遍較小，土壤容重變化在0.50～0.85 g/cm3之間，平均為0.65 g/cm3;山地森林灰褐土土壤剖面層次化明顯，質(zhì)地由輕壤過渡到中壤，屬團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，質(zhì)地疏松，容重較小，土壤容重變動(dòng)在0.45～1.38 g/cm3，平均為0.85 g/cm3;山地栗鈣土由于牧區(qū)牛羊的踐踏，土壤表層容重較大，50 cm內(nèi)為輕壤粒狀結(jié)構(gòu)，容重相對(duì)較大。土壤容重變化在0.93～1.20 g/cm3，平均為 1.07 g/cm3。土壤容重在0—10 cm，10—20 cm，20—40 cm，40—60 cm各土層均呈現(xiàn)隨深度增加而增大的趨勢(shì)。從空間差異分析，各土壤類型間有顯著性差異(P＜0.05)。從大到小依次為:山地栗鈣土＞山地森林灰褐土＞亞高山灌叢草甸土(圖1)。經(jīng)測(cè)定，亞高山灌叢草甸土和山地森林灰褐土有機(jī)質(zhì)含量偏高。亞高山灌叢草甸土20—40 cm土壤有機(jī)質(zhì)含量為16.59%，山地森林灰褐土10—40 cm有機(jī)質(zhì)含量為11.87%，山地栗鈣土0—40 cm有機(jī)質(zhì)含量?jī)H為2.19%。森林植物下土壤有機(jī)質(zhì)主要來源于植物鮮體，而這些鮮體化學(xué)元素組成的差異，對(duì)土壤形成和發(fā)育有著深刻影響。綜合分析可以看出，山地森林灰褐土和亞高山灌叢草甸土土壤容重普遍較低，遠(yuǎn)小于相應(yīng)質(zhì)地土壤的極限容重(土體堅(jiān)實(shí)以致根系不能生長的最大容重值)。反映出祁連山青海云杉林地與高山灌叢土壤良好的結(jié)構(gòu)和質(zhì)地特征，以及其具有的較強(qiáng)涵養(yǎng)水源的潛力。

2.3 土壤孔隙度

2.3.1 土壤總孔隙度 從表1可以看出，隨著土壤深度的變化，亞高山灌叢草甸土總孔隙度平均為72.70%，山地森林灰褐土平均為71.43%，山地栗鈣土平均為58.45%。從圖2可以看出，隨著海拔高度的變化，亞高山灌叢草甸土隨著海拔的升高土壤總孔隙度逐漸增大;山地灰褐土有微小差別，0—10 cm的土壤總孔隙度均大于下層的土壤總孔隙度;海拔3 000 m處，土壤總孔隙度呈現(xiàn)最大值，其值為76.12%;山地栗鈣土表現(xiàn)出隨著海拔的升高總孔隙度逐漸增大的趨勢(shì)，在海拔2 700和2 800 m其表層土壤的總孔隙度小于下層，海拔2 900和3 000 m則表現(xiàn)為表層土壤總孔隙度大于下層?？偪紫抖绕骄鶑拇蟮叫№樞?yàn)?亞高山灌叢草甸土＞山地森林灰褐土＞山地栗鈣土。從空間差異來看，不同植被下土壤總孔隙度表現(xiàn)出不同的差異，山地森林灰褐土和亞高山灌叢草甸土各層變化趨勢(shì)相似，但與山地栗鈣土顯著性差異(P＜0.05)。

圖1 祁連山排露溝流域土壤容重隨土壤深度變化

表1 排露溝小流域不同土壤類型土壤物理性質(zhì)隨土壤深度的變化

圖2 排露溝流域不同土壤類型土壤孔隙度比較

2.3.2 土壤毛管孔隙和非毛管孔隙 隨著土壤深度的變化，亞高山灌叢草甸土土壤毛管孔隙平均為63.76%，山地森林灰褐土平均為61.68%，山地栗鈣土平均為 52.83%;非毛管孔隙變化幅度分別為8.94%，10.60%與5.63%。除海拔3 000 m處下層土壤毛管孔隙小于表層土壤外，其余均表現(xiàn)出下層土壤毛管孔隙大于表層。除海拔3 000 m外均是表層土壤毛管孔隙大于下層。從空間差異分析，土壤毛管孔隙不同植被類型下，各層之間無顯著性差異;土壤非毛管孔隙，山地栗鈣土與亞高山灌叢草甸土和山地森林灰褐土之間有顯著性差異(P＜0.05)。

2.4 土壤持水狀況

2.4.1 土壤最大持水量 從圖3可以看出，亞高山灌叢草甸土最大持水量變化范圍在74.51%～165.23%，最大值出現(xiàn)在海拔3 400 m，其次為海拔3 500 m，海拔3 300 m處土壤最大持水量最小。這主要是由于祁連山降雨存在差異性，在海拔3 400～3 500 m之間是降雨量的一個(gè)峰值(根據(jù)祁連山長期定位觀測(cè)資料)，這個(gè)階段的灌叢林生長最好，土壤中根系的含量最多，從而影響土壤結(jié)構(gòu)所致。山地森林灰褐土變化范圍在76.64%～171.46%，最大值出現(xiàn)在海拔2 900～3 000 m附近，最小值出現(xiàn)在2 700 m。由于祁連山青海云杉林在2 900～3 000 m海拔范圍內(nèi)長勢(shì)較好，林下苔蘚枯枝落葉層較厚，土壤腐殖質(zhì)層發(fā)育良好，故土壤最大持水量最大。2 700 m土壤結(jié)構(gòu)團(tuán)粒狀，土壤發(fā)生層次明顯，質(zhì)地為砂壤土，故土壤最大持水量較小。山地栗鈣土變化為45.96%～66.83%，最大值出現(xiàn)在海拔3 000 m，最小值出現(xiàn)在海拔2 900 m處。土壤最大持水量山地森林灰褐土略大于亞高山灌叢草甸土，二者均大于山地栗鈣土。

從空間差異來看，各不同植被下，不同海拔之間其總體趨勢(shì)與土壤總孔隙一致。不同植被類型下土壤最大持水量表現(xiàn)出顯著性差異(P＜0.05)。

圖3 排露溝流域不同土壤類型持水情況

2.4.2 土壤毛管持水量和非毛管持水量 山地森林灰褐土土壤毛管持水量與最大持水量趨勢(shì)一致，在0—10 cm，10—20 cm，20—40 cm 和 40—60 cm 土層的土壤毛管持水量變化分別為94.75%～157.88%，73.93%～120.29%，75.16%～109.39%和 67.08%～111.39%。

山地栗鈣土在0—10 cm，10—20 cm 和 20—40 cm土層的土壤毛管持水量變化分別為44.84%～61.91%，42.64%～56.39%和 43.14%～59.34%。亞高山灌叢草甸土在0—10 cm，10—20 cm和20—40 cm土層的土壤毛管持水量變化分別為82.53%～131.93%，70.27%～115.86%和 77.15%～121.11%。亞高山灌叢草甸土土壤毛管持水量最大，山地森林灰褐土次之，山地栗鈣土最差。毛管持水量隨著海拔的升高有增大的趨勢(shì)，在同一海拔高度下，土壤毛管持水量表層大于底層。

不同植被下土壤非毛管孔持水量有顯著性差異(P＜0.05)，山地森林灰褐土、山地栗鈣土以及亞高山灌叢草甸土土壤非毛管持水量土壤上下層之間有顯著性差異(P＜0.05)，非毛管持水量表現(xiàn)為:亞高山灌叢草甸土＞山地森林灰褐土＞山地栗鈣土，山地森林灰褐土在海拔2 700～3 000 m土壤非毛管持水量大于海拔3 000～3 300 m土壤的非毛管持水量，各海拔段土壤均出現(xiàn)0—10 cm和40—60 cm的非毛管持水量大于中間層土壤非毛管持水量。亞高山草甸土隨著土層深度的增加土壤非毛管持水量依次減小，山地栗鈣土各層次之間無明顯變化。0—20 cm層土壤非毛管持水量亞高山灌叢3 400 m最大，與森林灰褐土、山地栗鈣土之間有顯著性差異(P＜0.05)，20—40 cm層土壤非毛管持水量森林灰褐土3 000 m最大，與其它不同類型土壤間有顯著性差異(P＜0.05)，40—60 cm層土壤非毛管持水量亞高山灌叢草甸土3 300 m最大，但其土壤類型內(nèi)變異也大，與其它土壤類型間無顯著性差異。

2.4.3 土壤含水量 通過對(duì)祁連山森林生態(tài)站排露溝流域2004—2008年定位觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析，祁連山不同植被下土壤含水量，山地森林灰褐土在 0—10 cm，10—20 cm，20—40 cm 和40—60 cm各土層土壤含水量的變化范圍分別為9.67%～65.76%，12.15%～66.11%，14.14%～61.28%和14.15%～68.76%;亞高山灌叢草甸土在0—10 cm，10—20 cm和20—40 cm各土層土壤含水量的變化范圍分別為46.79%～62.86%，46.77%～71.38%和51.42%～59.72%;山地栗鈣土在0—10 cm，10—20 cm和20—40 cm各土層土壤含水量的變化范圍分別為13.78%～19.77%，15.51% ～19.84%和 14.75%～19.56%。從林下土壤剖面差異來看，幾種不同植被下土壤含水量基本上表現(xiàn)為:表層土大于底層，這可能與祁連山苔蘚枯落物層截留降水，再緩慢釋放有關(guān)。森林灰褐土上下層之間土壤含水量存在顯著性差異(P＜0.05)。從空間差異來看，0—20 cm層土壤含水量順序?yàn)?亞高山灌叢草甸土＞森林灰褐土＞山地栗鈣土;20—40 cm層土壤含水量亞高山灌叢草甸土最大，與其它類型土壤間有顯著性差異(P＜0.05)。此外，祁連山幾種主要植被下土壤含水量與土壤最大持水量、毛管持水量和非毛管持水量均達(dá)到極顯著水平，各林地土壤含水量的大小主要取決于最大持水量，即與總孔隙有關(guān)。

3 結(jié)論

(1)祁連山排露溝典型小流域的土壤分布隨海拔升降、水熱變化狀況、坡向的陰陽等因素的變化具有明顯的垂直帶譜，同時(shí)隨緯度和坡向等的不同，土壤物理性質(zhì)也具有明顯的空間差異。山地森林灰褐土和亞高山灌叢草甸土由于森林作用土壤有機(jī)質(zhì)含量高，疏松、持水能力強(qiáng)、透氣性好，山地栗鈣土持水能力較差，通氣不良。亞高山灌叢草甸土與山地森林灰褐土均隨著海拔升高，土壤容重增大，亞高山灌叢草甸土土壤容重的增幅大于山地森林灰褐土。研究土壤的土壤含水量均隨海拔升高而增大。

(2)亞高山灌叢草甸土為分布在研究流域3 300～3 800 m森林郁閉線以上高寒灌叢植被下發(fā)育的高寒均腐殖質(zhì)土。因其成土環(huán)境降水豐沛，生草旺盛，淋溶作用強(qiáng)，但土壤溫度低，凍結(jié)期長，凍層季節(jié)滯水，導(dǎo)致表面有機(jī)質(zhì)分解緩慢，底土層進(jìn)行氧化還原，成土過程有腐殖質(zhì)積累過程和融凍過程，土壤主要診斷層有腐殖質(zhì)層和黏化層。剖面少有泥炭化表層，其下腐殖質(zhì)層厚度20—30 cm，成土母質(zhì)主要為坡積殘積物，含石礫較多，有機(jī)質(zhì)含量14%～20%，黑褐色在成土過程中，腐殖質(zhì)積累明顯，淋溶較強(qiáng)。植物生長茂密，蓋度大，在80%～90%之間。土壤物理性質(zhì)差異主要體現(xiàn)在生態(tài)環(huán)境極度惡劣，土體不穩(wěn)定，多大石礫，土壤結(jié)構(gòu)發(fā)育不完整，生物作用時(shí)間較短，但土壤物理性狀綜合表現(xiàn)較好。

(3)山地森林灰褐土，分為山地淋溶灰褐色森林土，山地碳酸鹽灰褐森林土和典型褐色森林土。主要分布在研究流域的陰坡、半陰坡海拔2 600～3 350 m的山地。為森林、森林草原或森林(灌叢)草甸條件下形成的土壤，具濕潤、半干潤土壤水分狀況。由于森林覆蓋度較大，腐殖質(zhì)積累較厚，在成土過程中有腐殖質(zhì)積累過程、鈣化過程和淋溶過程，土壤一般無灰化和黏化現(xiàn)象，有機(jī)物分解活躍，土壤肥力較高，生物作用時(shí)間長，土壤物理性質(zhì)較好。

(4)山地栗鈣土主要分布在海拔2 700～3 000 m的陽坡、半陽坡草地。成土母質(zhì)為黃土和坡積礫石，表層有較多的腐殖質(zhì)積累，淺褐色，呈粒狀或塊狀結(jié)構(gòu)，根系多集中于此層，盤結(jié)很緊，有白色菌絲體形成。石灰性反應(yīng)由上到下逐漸加劇，土層厚度一般為30—130 cm，山地栗鈣土土質(zhì)比較松，多屬輕壤或砂壤。其植被個(gè)體較小，改變土壤性狀的能力弱，土壤物理性質(zhì)較差。加之人為干擾，使得生態(tài)系統(tǒng)體現(xiàn)出脆弱性和不穩(wěn)定性;由于嚴(yán)重超載，過度放牧，使陽坡草地土壤退化嚴(yán)重，土壤表層孔隙度減小，土壤結(jié)構(gòu)遭到破壞。

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