祁连山西段青海云杉林土壤养分特征研究

赵维俊 ，刘贤德 ，金 铭 ，车宗玺 ，马 钰

(1.甘肃省森林生态与冻土水文水资源重点实验室，甘肃张掖734000;2.甘肃省祁连山水源涵养林研究院，甘肃张掖734000)

土壤养分是土壤质量变化最基本的表征和核心研究内容[1]，是土壤从环境条件和营养条件两方面来影响植物的生长发育和植物的物种组成，历来受到土壤学、植物营养学和生态学研究领域的众多专家和学者的关注[2-4]。青海云杉是我国特有树种，集中分布在甘、青两省交界的祁连山[5]，面积为169 564 hm2，蓄积量18 107 932 m3，祁连山青海云杉林生态系统对维系林区生物多样性、涵养水源、保持水土起着非常重要的生态作用，同时对区域农业发展及整个西北地区经济建设和气候有着重大的影响。

祁连山是我国著名的高大山系之一，按地形可分为东、中、西段，祁连山森林植被自东南向西北植被逐渐荒漠化，目前对祁连山建群种青海云杉土壤养分研究不多，而且集中在祁连山的东、中段[6-8]，而对祁连山西段青海云杉土壤养分研究鲜有报道，因此，本文通过对祁连山西段青海云杉林土壤养分特征进行研究，为提高祁连山西段青海云杉林生态系统土壤肥力、生产力以及指导青海云杉可持续经营和管理提供参考，也为整个祁连山青海云杉森林生态系统的土壤肥力和营养元素循环研究奠定基础。

1 试验区概况

研究区位于祁连山西段北麓，河西走廊南部，肃南裕固族自治县祁丰藏族乡境内，地处 97°15′-99°10′E，38°57′-39°43′N 之间。平均海拔 4 000 m 左右，年平均气温4℃，最冷月平均温度-13℃，最热月平均温度17℃，年降水量300 mm，年蒸发量1 800 mm，平均无霜期90～120 d，属典型的内陆干旱气候。青海云杉林主要分布在海拔2 500～3 200 m的阴坡、半阴坡，林区土壤为山地灰褐土，土层平均厚度为40 cm，有轻微的水土流失，林下有少量的苔藓和草本，灌丛极少见，草本层优势种主要有苔草(Carex tristachya)、珠牙蓼(polygonum viviparum L.)、棘豆(Oxytropis)、针茅(Stipa capillataLinn.)、香 青 (Anaphalis sinica Hance)等，灌木层优势种主要有爬地柏(Sabina procumbens(Endl.)Iwata et Kusaka)、鲜黄小檗(Berberis diaphana Maxin.)、银露梅(Pltentilla glabra)等。

2 研究方法

2.1 供试土壤

2009年7月27日至2009年8月4日在试验区选择典型青海云杉林典型样地10个，样地面积大小为20 m×20 m，多数样地林下无灌木，苔藓和草本植物较少，在对样地林木调查后，进行土壤取样，在每个样地的外侧顺坡向选一个点挖土壤剖面，取分层(上层0-10 cm、中层 10-20 cm、下层 20-40 cm)土样，每个层次3个重复，把环刀取的土样用自封袋密封，用于土壤含水量测定。另外在每个层次取混合土样按四分法取适量土壤带回实验室，挑拣出植物残体和大的石块，同层土样室温风干混匀并研磨过2 mm筛后置于自封袋中用于土壤化学性质分析。供试土壤样地基本情况见表1。

表1 供试土壤临时样地基本情况

2.2 土壤理化性质分析

土壤容重和质量含水量的测定采用环刀法[9]。土壤有机质测定用重铬酸钾外加热法;土壤全N用重铬酸钾-硫酸消化法;全P用碱熔-钼锑抗比色法;全K用氢氧化钠熔融-火焰光度计法[10]。供试土壤基本性质测定结果见表2。

表2 供试土壤的基本性质

2.3 分析方法

所有数据采用Excel 2003和SPSS 11.0进行数据统计、分析和作图处理。

3 结果与分析

3.1 土壤养分要素的统计特征值

由表3看出，祁连山西段青海云杉林林地土壤全氮含量变化范围介于0.15%～0.44%之间，均值为(0.29±0.01)%;全磷含量变化范围介于0.036%～0.066%之间，均值为(0.051±0.001)%;全钾含量变化范围介于1.766%～2.183%之间，均值为(1.990±0.019)%;有机质含量变化范围介于 3.78%～12.35%之间，均值为(7.96±0.40)%。土壤全氮、全磷、全钾和有机质含量的变异系数分别为24.14%、15.69%、5.18%和27.26%，全氮和有机质含量变异系数较大，其次为全磷含量，较低的为全钾含量，空间变异程度均属中等变异[11]。经QQ残差图分析，土壤全氮、全磷、全钾和有机质含量均呈正态分布[12]。

表3 供试土壤养分的总体统计特征

对10个样地养分含量总体均值的单因素方差分析得出，土壤全氮、全磷、全钾和有机质含量的F值分别为5.96，13.16，4.64，5.42 ，除全磷含量总体均值为极显著外(F＞F0.01)，全氮、全钾和有机质含量在不同样地的总体均值差异均不显著(F＜F0.05)。青海云杉林林地不同样地全磷含量差异极显著，可能是磷的风化、淋溶、富集迁移等多种因素共同作用的结果，其中生物富集迁移是影响磷素积累的主导因素[13];土壤有机质差异不显著，可能与研究区水热条件相似有关;全氮含量差异亦不显著，可能有土壤有机质有着密切的关系[14];全钾含量差异不显著，而且变异系数较低，可能与土壤矿物类型和数量较为一致有关。

3.2 土壤养分在剖面上的变化

研究区林地土壤剖面0-10 cm、10-20 cm和20-40 cm土层土壤全氮和有机质含量的变化趋势是一致的，其含量的变化随着土层深度的加深而减少，其中土壤全氮在0-10，10-20，20-40 cm土层上的含量分别是(0.33±0.05)%、(0.27±0.07)%和(0.27±0.08)%，10-20，20-40 cm 含量变化不大，这与这两个土壤发生层次的性状一致有关;土壤有机质在0-10，10-20，20-40 cm 含量分别为(8.565±2.019)%、(7.855±2.320)%和(7.477±2.130)%。研究区林地土壤表层生物积累量较大，土壤上层较下层土壤归还量大，土壤有机质积累量也相应较大，土壤全氮随土壤有机质的变化，有机质含量高的土层其含氮量水平亦高，说明土壤全氮与土壤有机质之间具有很密切的相关性(图1)。土壤全磷含量随土层深度而增加，但其变化差异不大，含量大小较为一致。土壤全钾含量随土层深度变化不大。

图1 土壤全氮、全磷、全钾和有机质在剖面上的变化

变异系数是表征总体内部各试验样本之间变异程度的一个重要参数，是对两个或多个资料变异程度比较[15]。

土壤全氮和土壤有机质在0-10，10-20，20-40 cm的变异系数分别为:16.23%、26.83%、27.74%和 23.57%、28.48%、29.53%，土壤变异系数随土壤深度的增加而变大，与其含量大小的变化规律相反，表层虽含量大，但变异系数较小。土壤全磷表层的变异系数 16.97%大于底层的变异系数16.16%，亦与其含量大小变化规律相反。土壤全钾随土层增加变异系数分别为 6.04%、3.06%和4.87%。在土壤剖面上，空间变异除土壤全钾含量为弱变异性，其他养分变异程度均属中等水平[11]。

3.3 土壤有机质与其他土壤养分元素的关系

土壤有机质含量能影响到土壤的许多性质，其中包括供给氮、磷、钾和微量元素的能力[16]，土壤有机质是影响林分生产力与土壤肥力的重要因素。以土壤剖面0-10 cm土壤全氮、土壤全磷和土壤全钾含量做自变量，以土壤有机质含量做因变量，应用SPSS提供的对数函数、二次曲线、三次曲线、复合函数、S曲线、指数函数等11种曲线模型对土壤有机质含量与全氮、全磷、全钾含量进行拟合，最终选择拟合优度(R2)大的方程作为模拟方程[17]，其中拟合优度是评价回归方程对样本数据的代表程度。

表4 土壤有机质与土壤全氮、全磷和全钾的模拟方程

由表4可知，祁连山西段青海云杉林土壤有机质含量与全氮含量拟合方程三次方程为最优曲线方程，且呈极显著正相关(P＜0.01)，土壤有机质含量与土壤全磷含量拟合最优方程为S曲线模型，两者之间呈显著正相关(P＜0.05)，土壤有机质与土壤全钾含量相关性不显著。

4 结论

(1)祁连山西段青海云杉林同土壤层次养分含量有机质含量最高，3大元素中以全钾含量最高。土壤有机质是土壤各营养元素特别是N和P的重要来源。丰富的有机质可以促进微生物的活动，增加土壤养分，促进林木生长，其来源是地上部分枯枝落叶的积累和分解，而非地下部分的根系死亡。因此，试验区土壤有机质含量在垂直方向上由上而下呈逐渐减少趋势。土壤中的K主要来自含K的矿物质，另外还受到地质、淋溶等因素的影响。

(2)对10个样地的单因素方差分析得出，除全磷含量总体均值为极显著外(F＞F0.01)，全氮、全钾和有机质含量在不同样地的总体均值差异均不显著(F＜F0.05)，这与研究区的植被因子和环境条件及土壤养分的固有属性有一定的关系。

(3)各种土壤养分在土壤剖面有一定的变化规律，土壤有机质和全氮含量随土层深度的增加而减少，土壤全磷含量和土壤全钾含量随土层深度变化不明显。土壤养分空间变异反映了土壤养分在剖面上分布的均匀性，研究区除土壤全钾含量为弱变异性，其他养分变异程度均属中等水平。

(4)祁连山西段青海云杉林地土壤上层(0-10 cm)土壤全氮含量与土壤有机质含量呈极显著正相关，土壤全磷含量与有机质含量呈显著正相关，土壤全钾含量与土壤有机质含量相关性不显著。

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