張瑜，吳永華，張建旗,黃蓉,趙峰

(蘭州市園林科學(xué)研究所，甘肅 蘭州 730070)

地形是影響土壤和環(huán)境間物質(zhì)能量交換的重要因素，在同一地區(qū)其他成土條件相近的情況下，地形的差異往往會導(dǎo)致土壤養(yǎng)分的空間變異。土壤的水熱分配和物質(zhì)移動(dòng)堆積在不同的海拔、坡度和坡向地形條件下存在差異。因此，地形地貌特征影響著表層土壤養(yǎng)分的含量及空間分配特征，地形條件的變化，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分狀況的改變。所以說，研究坡向與土壤養(yǎng)分空間特征之間的關(guān)系，能夠?yàn)楹侠磉M(jìn)行土地利用規(guī)劃提供理論依據(jù)，并且對土壤養(yǎng)分綜合管理以及進(jìn)行土壤改良和耕作都具有一定的指導(dǎo)作用[1-2]。

黃土丘陵地區(qū)干旱缺水，生態(tài)環(huán)境脆弱，水土流失嚴(yán)重，山區(qū)的地形條件復(fù)雜多變，土地利用方式與地形因子的交互作用尤為明顯。植被恢復(fù)重建是治理該區(qū)水土流失、改善土壤質(zhì)量的重要措施之一。蘭州市皋蘭縣水阜鎮(zhèn)老虎臺地處甘肅中部，位于黃河上游，地形屬黃土高原丘陵溝壑區(qū)，屬北溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，年降水量少，地下水匱乏，蓄水保墑性差，森林覆蓋率低、生態(tài)環(huán)境脆弱，生態(tài)系統(tǒng)退化嚴(yán)重[3]，在此區(qū)域開展雨養(yǎng)生態(tài)系統(tǒng)保育、恢復(fù)與重建技術(shù)研究對建設(shè)以根治旱澇為本的雨養(yǎng)生態(tài)試驗(yàn)示范區(qū)和改善區(qū)域生存環(huán)境具有極其重要的作用。近年來，學(xué)者對蘭州市南北兩山的土壤養(yǎng)分和水分動(dòng)態(tài)變化規(guī)律進(jìn)行了較多研究[4]，但對雨養(yǎng)生態(tài)區(qū)不同坡向的土壤養(yǎng)分和土層與坡向相關(guān)性研究少有報(bào)道，對于黃土高原丘陵溝壑區(qū)土壤養(yǎng)分狀況在坡向、坡位尺度上的空間分布特征的研究仍然不夠深入。本試驗(yàn)通過對老虎臺雨養(yǎng)生態(tài)試驗(yàn)示范區(qū)不同坡向土壤的有機(jī)質(zhì)、速效P、速效K和速效N含量的測定，分析坡向與土層之間的相關(guān)性，評價(jià)土壤質(zhì)量。以期揭示黃土丘陵溝壑區(qū)不同坡向土壤全量養(yǎng)分特征，為該區(qū)退化生態(tài)系統(tǒng)的植被恢復(fù)重建提供一定的決策依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

研究區(qū)位于蘭州市皋蘭縣水阜鎮(zhèn)。地理位置為N 36°06′94″～36°16′36″，E 103°49′51″～103°56′39″，海拔

平均1 833 m。氣候干燥，雨量稀少，溫差大。年均溫7.2℃， 年均降水量200 mm，年蒸發(fā)量1 850 mm。全年日照時(shí)數(shù)2 768 h，無霜期144 d，土壤為淡灰鈣土[5]。研究區(qū)3個(gè)坡向植被類型見表1。

表1 不同坡向植物分布

1.2 研究方法

1.2.1 土樣采集與處理 土樣采自蘭州雨養(yǎng)生態(tài)系統(tǒng)試驗(yàn)區(qū)皋蘭縣水阜鎮(zhèn)老虎臺試驗(yàn)點(diǎn)，分別從陰坡、陽坡和半陽坡3個(gè)坡向按照X型取樣方法進(jìn)行分層取樣(0～20、20～40、40～60、60～80 cm)，重復(fù)3次，并將每層土樣進(jìn)行混合裝入自封袋編號，帶回實(shí)驗(yàn)室備用。共采集60個(gè)樣品。土樣自然風(fēng)干后碾碎，分別過2.00、0.25 mm篩備用，測定其有機(jī)質(zhì)、速效P、速效K和速效N含量。

1.2.2 土壤測定指標(biāo)及方法 土壤有機(jī)質(zhì)、速效N、速效P和速效K含量的測定分別依據(jù)中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)LY/T1237-1999、LY/T1229-1999、LY/T1233-1999和Y/-1236-1999 進(jìn)行。其中，有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀-硫酸氧化外加熱法；速效N采用堿解擴(kuò)散法；速效P采用碳酸氫鈉浸提-鉬藍(lán)比色法；速效K采用乙酸銨浸提-火焰光度法[6-8]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)處理和分析采用Excel 2010和SPSS 22.0軟件。采用SPSS 22.0中one-way ANOVA進(jìn)行不同坡向土壤特性指標(biāo)數(shù)據(jù)的顯著性差異分析和多重比較；采用Two-way ANOVA，分析土層和坡向間及其互作下土壤理化性質(zhì)變化；采用Pearson相關(guān)分析對不同坡向和不同土層深度的土壤養(yǎng)分進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同坡向土壤有機(jī)質(zhì)含量變化

有機(jī)質(zhì)含量在同一坡向不同土層深度整體上表聚現(xiàn)象明顯,平均含量為陰坡>半陽坡>陽坡。土層深度0～20 cm時(shí)，陰坡的有機(jī)質(zhì)含量最高，達(dá)19.624 g/kg，較半陽坡和陽坡分別高出79%、175%；土層深度20～40 cm時(shí)，陰坡較半陽坡和陽坡分別高出69%、161%；隨著土層深度的繼續(xù)增加，陽坡的土壤有機(jī)質(zhì)含量下降趨勢不明顯。土層深度0～80 cm時(shí)，陰坡與陽坡和半陽坡間均有顯著性差異，但陽坡和半陽坡間差異不顯著(P<0.05)；陽坡和陰坡均為土層深度0～20與20～80 cm間差異顯著(P<0.05)，半陽坡為0～20與40～80 cm間差異顯著(P<0.05)；3個(gè)坡向在土層40～80 cm間均沒有顯著性差異(P>0.05)(圖1)。

圖1 不同坡向不同土層深度有機(jī)質(zhì)含量Fig.1 Soil organic matter content at different soil layers from the different slope aspects注：不同小寫字母表示同一坡向不同土層間差異顯著(P<0.05)；不同大寫字母表示同一土層不同坡向間的差異顯著(P<0.05)，下同

2.2 不同坡向土壤速效P含量變化

不同坡向的土壤速效P含量主要集中在0～20 cm土層，陽坡尤為明顯，達(dá)15.83 mg/kg，比半陽坡和陰坡分別高出0.47%和1.54%；隨著土層深度的增加，陰坡土壤速效P含量逐漸降低；半陽坡和陽坡速效P含量呈U形變化，當(dāng)土層深度下降到60～80 cm時(shí)又有所增加，這是否與植物根系的吸收有關(guān)，需進(jìn)一步深入研究。除了土層深度60～80 cm時(shí)陽坡與陰坡間差異顯著外(P<0.05)，其余土層深度不同坡向間均無顯著差異(P>0.05)；同一坡向下，土壤速效P含量在整體表現(xiàn)出0～20 cm時(shí)含量高，且與其他土層之間形成顯著性差異，20～80 cm土層間速效P含量均不顯著(P>0.05)(圖2)。

圖2 不同坡向不同土層深度速效P含量Fig.2 Variation in soil available P content at different soil depths from the different slope aspects

2.3 不同坡向土壤速效K含量變化

不同坡向土壤速效K含量均為0～20 cm土層時(shí)最高，同樣陰坡最為明顯，達(dá)192.46 mg/kg；土層深度在20～80 cm，不同坡向土壤速效K含量變化趨勢不明顯。土層深度0～40 cm時(shí)，不同坡向速效K含量差異不顯著；土層深度40～60 cm時(shí)，陽坡與陰坡之間差異性顯著，但與半陽坡之間無顯著性差異(P>0.05)；土層深度60～80 cm時(shí)，陽坡與陰坡和半陽坡之間均差異顯著(P<0.05)，但半陽坡與陰坡之間差異不顯著(P>0.05)(圖3)。

圖3 不同坡向不同土層深度速效K含量Fig.3 Variation in soil available K content at different soil depths from the different slope aspects

2.4 不同坡向土壤速效N含量變化

整體上土層深度與土壤速效N含量的高低呈反比，且陰坡>半陽坡>陽坡；40～80 cm土層間，陽坡和半陽坡有2次交集。在0～80 cm土層深度之間，土壤速效N含量表現(xiàn)出陰坡顯著高于陽坡和半陽坡，但陽坡和半陽坡之間差異性不顯著(P<0.05)。就坡向而言，陽坡和半陽坡的土壤速效N含量為土層深度0～20 cm與土層深度40～60 cm和60～80 cm差異性顯著，其余土層深度之間速效N含量均不顯著；陰坡土壤速效N含量在40～60 cm和60～80 cm間差異性不顯著，其余土層深度速效N含量顯著(P<0.05)(圖4)。

圖4 不同坡向不同土層深度速效N含量Fig.4 Variation in soil available N content at different soil depths from the different slope aspects

2.5 土層深度和坡向?qū)ν寥鲤B(yǎng)分的影響

土壤有機(jī)質(zhì)、速效P、速效K和速效N含量均在不同土層之間差異極顯著(P=0.000)，但坡向?qū)︷B(yǎng)分含量的影響和同時(shí)受土層與坡向互作的影響不盡相同。土壤有機(jī)質(zhì)含量在坡向之間差異極顯著(P=0.000)，同時(shí)受土層和坡向互作影響顯著(P=0.020)；土壤速效P含量在坡向(P=0.063)以及土層和坡向互作影響(P=0.559)下差異均不顯著；土壤速效K含量在土層與坡向互作影響下差異顯著(P=0.021)，在坡向之間差異不顯著(P=0.057)；土壤速效N含量在坡向之間差異極顯著(P=0.000)，同時(shí)受土層和坡向互作影響顯著(P=0.042)(表2)。由此可見，相對于坡向而言，各項(xiàng)指標(biāo)整體更易受到土層深度的影響，因此，老虎臺雨養(yǎng)生態(tài)系統(tǒng)立地選擇過程中，若能充分考慮坡向的影響，將有助于改善立地土壤環(huán)境，提高植物的生長質(zhì)量狀況。

表2 不同土層深度和坡向?qū)ν寥鲤B(yǎng)分的影響

2.6 不同坡向土壤養(yǎng)分間相關(guān)性分析

土壤養(yǎng)分的相關(guān)性分析結(jié)果表明(表3)，坡向與土壤有機(jī)質(zhì)和速效N含量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；土壤深度與土壤有機(jī)質(zhì)、速效P，速效K和速效N含量呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)；土壤有機(jī)質(zhì)、速效P、速效K和速效N含量之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。土壤有機(jī)質(zhì)與速效P、速效K和速效N含量的相關(guān)程度為：速效N>速效P>速效K，說明土壤有機(jī)質(zhì)含量的積累和分布對土壤速效N、速效P和速效K的分布有著重要影響。

表3 采用Pearson對不同坡向不同土層深度的土壤養(yǎng)分的相關(guān)性分析

3 討論

坡向作為重要的地形因子，對土壤礦化和腐殖化過程以及有機(jī)質(zhì)含量的空間分布有重要的影響[9]。許多研究表明：坡向?qū)ν寥鲤B(yǎng)分的剖面分布有著重要影響，且不同坡向土壤養(yǎng)分剖面分布的差異主要是由坡面養(yǎng)分和土壤養(yǎng)分在降水侵蝕過程中的再分配造成的[10]。老虎臺雨養(yǎng)生態(tài)區(qū)土壤養(yǎng)分含量呈現(xiàn)出表聚現(xiàn)象，隨著土層深度的增加而下降，這與前人的研究結(jié)果一致[11-14]，可能與草本植物的落葉腐熟有關(guān)。本研究中，土壤有機(jī)質(zhì)含量在0～80 cm土層間陰坡、陽坡和半陽坡的差異顯著，表層土(0～20 cm)陰坡土壤有機(jī)質(zhì)含量最高，這可能是由于陰坡、半陽坡、陽坡坡向不同，導(dǎo)致不同樣地間溫度和含水量不同。而溫度和降水是影響土壤表層養(yǎng)分含量和分布的主要環(huán)境因子[15]。不同類型土壤速效養(yǎng)分多集中在表層土中，整體上，土壤有機(jī)質(zhì)含量陰坡>半陽坡>陽坡，是因?yàn)閺年柶碌疥幤?，太陽輻射減少，陰坡溫度較低，蒸發(fā)較少，土壤有機(jī)質(zhì)降解較低，積累較多，陰坡土壤含水量高于半陽坡和陽坡，因此導(dǎo)致不同坡向的有機(jī)質(zhì)不同,陰坡土壤有機(jī)質(zhì)含量高于陽坡[16-17]。坡向作為重要的地形因子，通過改變光照、溫度，間接影響著土壤水分的含量和分布，坡向通過影響植被和土壤水分等微環(huán)境產(chǎn)生作用，進(jìn)而影響造成土壤養(yǎng)分的差異。

速效N、速效P和速效K是對植物生長起重要作用的礦質(zhì)元素，其中總N和總P含量是反映土壤養(yǎng)分的基礎(chǔ)，而速效N、速效P和速效K含量則反映土壤供給植物養(yǎng)分的能力[18]。本研究表明，陰坡的速效N含量明顯高于半陽坡和陽坡，土壤速效P和速效K含量偏低，速效鉀在陰坡顯著高于半陽坡和陽坡。這可能是由于陽坡植被覆蓋度較低，土壤中植物根系較少，土壤氮素流失較多[19]。深層土壤速效N和有機(jī)質(zhì)變化趨勢一致。以往研究也表明，土壤有機(jī)質(zhì)的積累與分解直接影響N素在土壤中的存貯和轉(zhuǎn)化[20-21]，對土壤氮素含量起主導(dǎo)作用[22-23]。不同土壤深度的速效N、有效P和速效K含量隨著土層深度的增加而降低，土壤中速效P的含量，隨著土壤類型、氣候、施肥水平、灌溉和耕作栽培措施等條件的不同而異，從植物和施肥角度來看，土壤中速效P的含量測定能說明土壤磷肥的供應(yīng)情況，為施用磷肥及提高磷肥利用率提供依據(jù)。與速效N、速效P不同的是，速效K含量在不同坡向深度分布上變化不大，這可能與速效K在土壤中比較穩(wěn)定，在不同剖面分布中較為均勻有關(guān)。不同坡向的速效N、速效P和速效K含量在不同剖面分布的差異，與植被對不同養(yǎng)分的選擇性吸收以及吸收強(qiáng)度和深度有密切的關(guān)系。

4 結(jié)論

通過綜合分析各項(xiàng)指標(biāo)，結(jié)合第二次全國土壤普查技術(shù)規(guī)程[24-25]得出，老虎臺試驗(yàn)示范區(qū)土壤養(yǎng)分含量整體上非常匱乏，土壤有機(jī)質(zhì)和速效N含量屬于極低級別，速效P和速效K含量均屬于低級。不同坡向土壤養(yǎng)分之間和土層與坡向交互作用的相關(guān)性顯著。在今后植被恢復(fù)配置時(shí)，首先要根據(jù)植物的生長習(xí)性選擇栽植地，其次還要考慮抗性強(qiáng)和耐瘠薄的品種，在種植時(shí)施用一些充分腐熟的有機(jī)肥料。