祁連山青海云杉林土壤代換性鉀、鈣、鎂含量及其分布規(guī)律研究

孟偉，張文強(qiáng)，李莎

(新疆阿克蘇地區(qū)阿瓦提縣胡楊林管理站，新疆 阿克蘇 843200)

祁連山青海云杉林土壤代換性鉀、鈣、鎂含量及其分布規(guī)律研究

孟偉，張文強(qiáng)，李莎

(新疆阿克蘇地區(qū)阿瓦提縣胡楊林管理站，新疆 阿克蘇 843200)

以祁連山大野口流域100 m×100 m青海云杉林樣地為試驗(yàn)地，采用野外土壤剖面分層取樣法測定和分析了青海云杉林地土壤代換性鉀、鈣、鎂含量及其在剖面上的變化規(guī)律。結(jié)果表明：試驗(yàn)地青海云杉林土層(0～10 cm)代換性鉀、鈣、鎂含量平均值分別為190.6、166.9和55.8 mgkg-1；土壤代換性鉀和鈣在土壤剖面中具有向土壤表層富集的趨勢，而土壤代換性鎂在土壤剖面中具有向土壤下層移動(dòng)富集的趨勢；土壤代換性鉀、鈣與土壤有機(jī)質(zhì)相關(guān)性呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，土壤代換性鎂與土壤有機(jī)質(zhì)相關(guān)性不顯著(P>0.05)。

青海云杉林；土壤剖面；代換性鉀、鈣、鎂含量；祁連山

土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)的重要載體[1]，尤其生長在高海拔地區(qū)的山地森林，土壤中含有大量的礫石，加上土層較薄，土壤養(yǎng)分的供應(yīng)對森林的可持續(xù)發(fā)展起著非常重要的生態(tài)作用。土壤中的鉀、鈣、鎂作為森林生長發(fā)育不可缺少的營養(yǎng)元素，其代換性鉀、鈣、鎂含量是衡量土壤中鉀、鈣、鎂有效性的重要指標(biāo)[2]。地處祁連山北麓的針葉林生態(tài)系統(tǒng)是我國西北地區(qū)重要的生態(tài)屏障之一，其建群種或優(yōu)勢種青海云杉林生態(tài)系統(tǒng)分布在祁連山北坡，生長的土壤土層較薄，加上季節(jié)凍土的存在[3]，研究其土壤代換性鉀、鈣、鎂含量及其分布規(guī)律，有助于了解不同區(qū)域不同森林植被類型受生物氣候和淋溶及人為干擾等條件作用下的鉀、鈣、鎂養(yǎng)分狀況。另外土壤養(yǎng)分在不同尺度上具有明顯的空間異質(zhì)性[4]，在土壤養(yǎng)分測定實(shí)際工作中，因主觀性而忽略必要的土壤設(shè)計(jì)取樣，諸如：人為主觀簡單取樣、節(jié)省野外取樣人力成本、減少實(shí)驗(yàn)分析次數(shù)等，使得土壤養(yǎng)分的測定存在一定程度的不確定性。

因此，本研究選擇建立在祁連山北坡的100 m×100 m青海云杉林樣地為試驗(yàn)地，通過多次重復(fù)土壤剖面法取樣測定代換性鉀、鈣、鎂含量，分析其含量及在土壤剖面中的變化規(guī)律；采用回歸分析方法分析土壤代換性鉀鈣鎂與土壤有機(jī)質(zhì)含量之間的相互關(guān)系，以期為祁連山青海云杉林經(jīng)營和管理提供參考。

1 試驗(yàn)區(qū)基本情況

試驗(yàn)區(qū)位于祁連山中段的肅南裕固族自治縣馬蹄區(qū)西水鄉(xiāng)西水林區(qū)的大野口流域，該流域面積68.06 km2，海拔2 650～4 600 m，具有明顯垂直分布的植被和土壤類型，人為干擾較小，是開展森林生態(tài)學(xué)研究的理想場所。屬大陸性高寒半濕潤山地氣候，年均氣溫5.4 ℃，年降水量為300～500 mm，多集中在6—9月，年蒸發(fā)量為1 488 mm。選擇在該流域已建立的青海云杉林100 m×100 m大樣地作為試驗(yàn)樣地，利用全站儀將樣地分割為25個(gè)20 m×20 m的小樣方。樣地位于陰坡，地勢平坦，地理位置為38°31′48″ N，100°15′00″ E，海拔2 835 m，坡度13°，坡向NW。林分起源為天然次生林，土壤為山地灰褐土，存在季節(jié)凍土。樣地內(nèi)喬木樹種組成單一，只有青海云杉，群落成熟穩(wěn)定，林木更新良好，林下光照不足。灌木層物種較少，主要由薔薇科金露梅(Potentillafruticosa)和銀露梅(Potentillaglabra)等落葉灌木組成。草本層主要有苔草(Carexspp.)、珠芽蓼(Polygonumviviparum)、馬先蒿(Pedicularisspp.)等。苔蘚層發(fā)育良好，蓋度80%以上，厚度約10 cm，主要由山羽蘚(Abietinellaabietina)、歐灰蘚(Hypnumcupressiforme)、提燈蘚(Mniumcuspidatum)等組成[5-8]。

2 研究方法

2.1 土壤取樣和測定方法

2014年在植物生長旺期，采用剖面法進(jìn)行土壤取樣，剖面深度60 cm。在每個(gè)20 m×20 m小樣方內(nèi)順坡向沿“品”字形選3個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行取樣，采樣前先除去采樣點(diǎn)表層枯枝落葉和苔蘚層，利用小刀將土壤剖面機(jī)械劃分層次，分別為0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm和40～60 cm，然后將每個(gè)樣方內(nèi)3個(gè)采樣點(diǎn)同層同質(zhì)量約500 g的土樣放在塑料布上均勻混合，然后取四分之一質(zhì)量的土樣作為化驗(yàn)樣品，25個(gè)重復(fù)，5個(gè)土層共計(jì)125份土樣。將采集的土樣帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干，代換性鉀、鈣、鎂含量用原子吸收分光光度法測定，土壤有機(jī)質(zhì)用重鉻酸鉀容量法測定，每份土壤各項(xiàng)化學(xué)指標(biāo)的測定均做3次重復(fù)，具體測定方法參照《土壤農(nóng)化分析》[9]。

2.2 分析方法

使用SPSS 11進(jìn)行土壤代換性鉀、鈣、鎂含量的描述性統(tǒng)計(jì)分析，包括最大值、最小值、均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)。用回歸分析法對土壤代換性鉀、鈣、鎂含量和土壤有機(jī)質(zhì)含量的相互關(guān)系進(jìn)行分析。在曲線的擬合過程中，綜合考慮了模型的簡潔性和擬合優(yōu)度的高低[10]。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤剖面代換性鉀、鈣、鎂含量狀況

因土層較薄，加上季節(jié)凍土的存在，祁連山青海云杉林根系分布較淺，分布深度平均在60 cm左右[11]。本研究僅分析了試驗(yàn)地0～60 cm深度的青海云杉林土壤剖面交換性鉀、鈣、鎂含量變化規(guī)律，表1為試驗(yàn)樣地土壤剖面代換性鉀、鈣、鎂含量的統(tǒng)計(jì)特征值。在林業(yè)上，常用0～10 cm土壤表層養(yǎng)分含量來表征林地土壤養(yǎng)分含量大小[12，13]。從表1可知，試驗(yàn)地25個(gè)土壤剖面0～10 cm的土壤代換性鉀含量平均值為190.6 mgkg-1，代換性鈣含量平均值為166.9 mgkg-1，代換性鎂含量平均值為55.8 mgkg-1。變異系數(shù)波動(dòng)較大的為代換性鈣和鎂含量，對應(yīng)值分別為48.8%和47.7%，數(shù)據(jù)波動(dòng)較小的為代換性鉀含量，其變異系數(shù)為22.8%。從鉀、鈣、鎂含量之間的比值來看，Mg/K為0.29，Mg/Ca為0.33，說明相對代換性鉀和鈣含量較高，青海云杉林地土壤代換性鎂的供應(yīng)水平較低。

表1 土壤剖面代換性鉀、鈣、鎂含量統(tǒng)計(jì)分析(n=25)

3.2 代換性鉀、鈣、鎂在土壤剖面中的變化規(guī)律

因成土母質(zhì)、生物物質(zhì)循環(huán)和淋溶作用等的綜合作用[14]，使得代換性鉀、鈣、鎂在不同的區(qū)域和不同的植被類型中呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。從圖1可知，祁連山試驗(yàn)地青海云杉林林地土壤代換性鉀、鈣、鎂元素在土壤剖面中的變化規(guī)律各不相同。其中代換性鉀含量隨土層深度的增加，其含量不斷減小，土層30～40 cm處含量最小，40～60 cm土層含量雖有增加，但增量不明顯，代換性鉀呈現(xiàn)出明顯的“表聚性”。代換性鈣含量雖在10～20 cm土層含量最大，但與0～10 cm土層含量差異不明顯，隨著土層深度增加，其含量不斷減小，但含量大小變化差異不明顯，即：代換性鈣含量亦呈明顯的“表聚性”。代換性鉀和鈣的“表聚性”表明這兩種元素含量可能主要來源于林地凋落物和其他生物殘?bào)w分解所致。代換性鎂含量較小，隨土層深度增加，其含量沒有明顯的變化規(guī)律，其含量最高值出現(xiàn)在20～30 cm土層，最小值出現(xiàn)在30～40 cm土層，最小值較最大值減少了66.31%，可能與淋溶作用有關(guān)，代換性鎂含量較代換性鉀和鈣含量“表聚性”弱。

圖1 土壤代換性鉀、鈣、鎂在剖面中的分布

3.3 土壤剖面代換性鉀、鈣、鎂與有機(jī)質(zhì)的相互關(guān)系

對祁連山試驗(yàn)地土壤剖面代換性鉀、鈣、鎂元素和土壤有機(jī)質(zhì)進(jìn)行了回歸分析(表2)，結(jié)果表明，代換性鉀和代換性鈣與土壤有機(jī)質(zhì)含量的相關(guān)性極為密切，且呈極顯著正相關(guān)性(P<0.01)，即：土壤代換性鉀和代換性鈣含量隨土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加而增加，說明林地歸還的代謝物特別是枯落物通過分解產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)對鉀、鈣元素的富集起著重要的作用。代換性鎂與土壤有機(jī)質(zhì)雖呈正相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)性不顯著(P>0.05)，也就是說林地土壤鎂元素含量受土壤有機(jī)質(zhì)的影響不明顯。綜合上述分析可知，林地土壤有機(jī)質(zhì)對林地代換性鉀、鈣元素具有重要的生態(tài)作用，對代換性鎂元素的作用較弱。

表2 土壤剖面代換性鉀、鈣、鎂與有機(jī)質(zhì)的回歸分析

4 結(jié)論與討論

通過對100 m×100 m祁連山青海云杉林試驗(yàn)地土壤剖面代換性鉀、鈣、鎂含量的測定，明確了這3種元素的含量及其分布規(guī)律。土壤代換性鉀、鈣、鎂在青海云杉林中具有其自身的變化特征，相對代換性鉀、鈣元素含量，土壤鎂含量較小。因代換性鉀、鈣、鎂之間的相互作用，需要土壤中鉀、鈣、鎂含量維持一定的比例，才能維持森林生長的需要。代換性鉀和鈣在土壤剖面中分布規(guī)律具有向土壤表層富集的趨勢，而土壤代換性鎂元素含量在土壤剖面則沒有明顯的變化規(guī)律，其含量最大值出現(xiàn)在20～30 cm土層，具有向土壤下層移動(dòng)富集的趨勢，這可能也是土壤缺乏代換性鎂元素的原因之一。需要補(bǔ)充的是，試驗(yàn)地土壤表層分布較厚的苔蘚植物群落，其對代換性鉀、鈣、鎂元素在土層中的運(yùn)移也產(chǎn)生了一定的影響，此問題尚有待于進(jìn)一步研究。另外對土壤剖面代換性鉀、鈣、鎂含量與土壤有機(jī)質(zhì)含量回歸分析表明，在對祁連山青海云杉林經(jīng)營管理的過程中，通過可能的措施形成一個(gè)有利于土壤有機(jī)質(zhì)含量增加的微環(huán)境，從而保證青海云杉林對代換性鉀、鈣、鎂元素生長的需要。

[1] 尹娜，魏天興，張曉娟．黃土丘陵區(qū)人工林土壤養(yǎng)分效應(yīng)研究[J]．水土保持研究，2008，15(2)：209-214[2] 陸集卿，陳大勛，李雙霖．福建省主要土類代換性鉀、鈣、鎂含量及其分布規(guī)律的研究[J]．福建林學(xué)院學(xué)報(bào)，1985，14(2)：134-142

[3] 金銘，李毅，劉賢德，等．祁連山黑河中上游季節(jié)凍土年際變化特征分析[J]．冰川凍土，2011，33(5)：1068-1073

[4] 曾宏達(dá)，楊玉盛，陳光水，等．不同尺度下森林土壤特性空間變異與取樣策略[J]．亞熱帶資源與環(huán)境學(xué)報(bào)，2008，3(3)：32-39

[5] 楊國靖，肖篤寧，周立華．祁連山區(qū)森林景觀格局對水文生態(tài)效應(yīng)的影響[J]．水科學(xué)進(jìn)展，2004，15(4)：489-494

[6] 張學(xué)龍，馬鈺，趙維俊，等．祁連山青海云杉種群種內(nèi)競爭分析[J]．干旱區(qū)研究，2013，30(2)：242-247

[7] 李效雄，劉賢德，趙維?。钸B山青海云杉林動(dòng)態(tài)監(jiān)測樣地群落特征[J]﹒中國沙漠，2013，33(1)：94-100

[8] 李莎．祁連山青海云杉林土壤溫濕度變化特征[J]﹒防護(hù)林科技，2016，(1)：10-12

[9] 鮑士旦．土壤農(nóng)化分析[M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社，2000

[10] 張文彤．SPSS 統(tǒng)計(jì)分析高級教程[M]．北京：高等教育出版社，2004，213-234

[11] 趙維俊，劉賢德，張學(xué)龍，等．祁連山青海云杉(Piceacrassifolia)林土壤有機(jī)碳與化學(xué)性質(zhì)的相互關(guān)系[J]．冰川凍土，2014，36(6)：1565-1571

[12] 張娜．浙江天童20公頃常綠闊葉林動(dòng)態(tài)監(jiān)測樣地土壤性質(zhì)的空間異質(zhì)性[D]．上海：華東師范大學(xué)，2012

[13] 杜洪業(yè)，徐程楊，張?zhí)碓仯熑~紅松林土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析[J]．東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，41(10)：98-102

[14] 李娟．植物鉀、鈣、鎂素營養(yǎng)的研究進(jìn)展[J]．福建稻麥科技，2007，25(1)：39-42

Contents of Soil Exchangeable Potassium,Calcium and Magnesium of Picea crassifolia Forest in Qilian Mountains and its Distribution Rules

Meng Wei, Zhang Wenqiang, Li Sha

(Huyang Lin Management Stations, Awat County, Asku Prefecture, Xinjiang Uygur Autonomous,Region,Aksu 843200,China)

Taking 100 m×100 mPiceaCrassifoliaplots as field sampling in Dayekou basin of Qilian Mountains, soil exchangeable potassium, calcium and magnesium content and its change rule in soil profile ofPiceacrassifoliaforest were analyzed by adopting the method of soil sampling and laboratory. Result shows that: the exchangeable potassium, calcium and magnesium content is 190.6, 166.9 & 55.8 mg·kg-1at 0-10 cm soil layer, which lived in experimental field ofPiceaCrassifoliaforest, exchangeable magnesium levels is lower than exchangeable calcium & magnesium in the soil. There was enrichment tendency to the surface for exchangeable potassium and calcium in the soil profile, and the exchangeable magnesium enrichment tendency move to lower in soil profile. Exchangeable potassium and exchangeable calcium has a very close soil organic matter content, and has a very significant positive correlation (P< 0.01), the exchangeable magnesium have a positive correlation with soil organic matter, but the correlation is not significant (P> 0.05).

Piceacrassifoliaforest; soil profile; exchangeable potassium, calcium and magnesium content; Qilian Mountains

1005-5215(2017)01-0037-03

2016-12-13

孟偉(1974-)，女，甘肅武威人，大學(xué)，助理工程師，主要從事林業(yè)生態(tài)研究,Email：302410238@qq.com

S153.6

A

10.13601/j.issn.1005-5215.2017.01.010