哈巴雪山自然保護(hù)區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)垂直分異研究

蘇 驊，王 平

(1.保山學(xué)院 資源環(huán)境學(xué)院，云南 保山 678000；2.云南師范大學(xué) 旅游與地理科學(xué)學(xué)院，云南 昆明 650092)

0 前言

中國(guó)是一個(gè)多山的國(guó)家，山地蘊(yùn)藏著豐富的自然資源和生物資源，山地研究在人類的生存及生物多樣性發(fā)展中具有重要意義。山地土壤是山地生態(tài)環(huán)境的重要組成，中國(guó)較多學(xué)者就曾對(duì)山地土壤開展研究[1-8]。有機(jī)質(zhì)作為山地土壤的重要組成部分，與土壤的形成和發(fā)育密切相關(guān)，有機(jī)質(zhì)具有膠體特征，能吸附陽離子，因而使土壤具有保肥能力和緩沖性，有機(jī)質(zhì)還能使土壤形成結(jié)構(gòu)，改善土壤物理性狀[9]。國(guó)內(nèi)外較多學(xué)者都曾對(duì)山地土壤有機(jī)質(zhì)開展研究，Garten、Post、Hanson和Cooper研究了阿帕拉契亞山地有機(jī)碳隨海拔高度變化的規(guī)律，并指出隨海拔升高山地表層土壤有機(jī)碳含量呈增加趨勢(shì)[10]。張萬儒對(duì)臥龍自然保護(hù)區(qū)森林土壤有機(jī)質(zhì)的垂直分布規(guī)律進(jìn)行了研究[11]。常慶瑞、雷梅等通過對(duì)秦嶺北坡垂直帶譜土壤腐殖質(zhì)特性研究發(fā)現(xiàn)，隨海拔升高，土壤腐殖質(zhì)含量增加，胡敏素的比例下降[12]。呂貽忠、張鳳蓉等研究北京百花山山地土壤有機(jī)質(zhì)的垂直分異規(guī)律，并用相關(guān)分析方法計(jì)算了有機(jī)質(zhì)與海拔高度之間的相關(guān)系數(shù)[13]。這些研究都表明，山地土壤垂直分異的研究已經(jīng)日趨受到重視，土壤有機(jī)質(zhì)作為山地土壤一個(gè)重要的組成部分，在山地土壤研究中，有著重要的意義和價(jià)值。

哈巴雪山是滇西北著名的高山峽谷區(qū)，保護(hù)區(qū)內(nèi)生物多樣性豐富，植被種類繁多，垂直分異顯著，受人類活動(dòng)影響較小，比較完整地保持了原生的自然環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)，是研究土壤垂直分異的理想?yún)^(qū)域。目前針對(duì)哈巴雪山土壤垂直分異的研究非常少，土壤有機(jī)質(zhì)垂直分異研究存在空白。本文通過實(shí)地采樣、實(shí)驗(yàn)分析，研究區(qū)內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)垂直分異特征，可為全面掌握山體生態(tài)環(huán)境特點(diǎn)、空間差異、變化趨勢(shì)提供基礎(chǔ)資料，并對(duì)保護(hù)區(qū)制定有效管護(hù)、恢復(fù)對(duì)策和措施等提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

哈巴雪山自然保護(hù)區(qū)，位于滇西北迪慶藏族自治州香格里拉縣境內(nèi)，東經(jīng)100°02′20″～100°14′30″，北緯27°10′00″～27°22′40″，屬橫斷山系中段高山峽谷區(qū)，總體地勢(shì)西北高，東南低，保護(hù)區(qū)最高點(diǎn)是哈巴雪山主峰，位于保護(hù)區(qū)西北部，海拔5 396 m，以保護(hù)中國(guó)緯度最南的現(xiàn)代海洋性冰川、金沙江流域典型完整的高山垂直帶自然景觀、寒溫性針葉林生態(tài)系統(tǒng)及珍稀動(dòng)植物種質(zhì)資源為目的。保護(hù)區(qū)氣候基帶(2 400～3 000 m)系暖溫帶低緯高原季風(fēng)氣候。區(qū)內(nèi)高差巨大，氣候垂直分異十分顯著，從金沙江河谷至哈巴雪山最高峰，氣溫隨海拔升高而逐漸降低，年平均氣溫從16.5℃左右降至-9.0℃左右。年降水量從580.0 mm左右增加到1 600.0 mm，降水量隨海拔升高而逐漸增多，4 000～4 500 m為最大降水高度，之后隨海拔增加而逐漸減少。受立體氣候的影響和控制，保護(hù)區(qū)內(nèi)植被垂直分帶譜典型、完整，雪線、森林上限和森林下限明顯，特有的水熱條件對(duì)比關(guān)系的垂直變化決定了哈巴雪山特有的土壤垂直帶譜結(jié)構(gòu)與組成。豐富的植被類型使得保護(hù)區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)來源豐富，加之生物的積累和分解，富集了較多的植物所需的養(yǎng)分及腐殖質(zhì)，形成保護(hù)區(qū)特有的森林土壤和高山土壤。

2 土樣采集、制備和分析

2.1 土樣采集

哈巴雪山保護(hù)區(qū)屬于典型極高山、高山峽谷地區(qū)，因此選擇路線調(diào)查方法完成野外土壤調(diào)查任務(wù)。野外調(diào)查線路共4條：(1)哈巴村經(jīng)龍王邊、哈巴河中游至羊房；(2)哈巴村經(jīng)落馬海、大尖山坪子至黑海，棉沙壩經(jīng)老窩子至養(yǎng)馬仔(大巖房河源頭)；(3)永勝村羊杈角經(jīng)鎢礦選礦廠到麻花坪采礦區(qū)，再經(jīng)道國(guó)坪、狗鉆洞、花水至雪海(哈巴雪山主峰東部冰川分布區(qū))；(4)麻花坪礦區(qū)經(jīng)馬鹿塘至老藥山、中村、新藥山、干海子、上長(zhǎng)坪、下長(zhǎng)坪到橋頭。剖面選擇受人為因素影響較小、土壤發(fā)育良好的典型地段。在每個(gè)剖面點(diǎn)上，自下而上分層采樣，每層采集約1 kg土樣裝入土樣袋內(nèi)編號(hào)及標(biāo)簽。主要土壤剖面點(diǎn)的位置及海拔高度見表1。

表1 土壤剖面采樣位置及坡向

2.2 土樣制備

按照《土壤農(nóng)化分析》(第3版)[14]中的要求來風(fēng)干、制備、保存。野外采集的土壤樣品運(yùn)到實(shí)驗(yàn)室后，立即將全部樣品均勻平鋪于硬質(zhì)紙上風(fēng)干。在土樣半干時(shí)，把土塊壓碎，除去石塊和殘根等侵入體后風(fēng)干。風(fēng)干后的土樣，研磨使之全部通過0.25 mm孔徑的土壤篩，以備分析。

2.3 土樣分析

采用重鉻酸鉀容量法—外加熱法[14]。

方法原理：在外加熱的條件下(油浴溫度為180 ℃，沸騰5 min)，用一定濃度的重鉻酸鉀—硫酸溶液氧化土壤有機(jī)質(zhì)(碳)，剩余的重鉻酸鉀用硫酸亞鐵來滴定，從所消耗的重鉻酸鉀量來計(jì)算有機(jī)碳的含量。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤有機(jī)質(zhì)含量垂直分布

如表2所示，保護(hù)區(qū)A層有機(jī)質(zhì)含量變化范圍較大在：18.39～582.90(g·kg-1)，B層有機(jī)質(zhì)含量在7.53～126.95(g·kg-1)，C層有機(jī)質(zhì)含量在7.39～77.66(g·kg-1)。在同一剖面中，有機(jī)質(zhì)含量隨土層深度增加而降低(圖1)。這是因?yàn)楸韺痈?、枯枝落葉及生物殘?bào)w較多，有機(jī)質(zhì)來源較為豐富，土壤腐殖質(zhì)含量較多，故而有機(jī)質(zhì)含量較高；隨著土層加深，植物根系減少，生物殘?bào)w減少，微生物的種類、活性和數(shù)量也逐漸降低，生物累積作用減弱，有機(jī)質(zhì)含量趨于降低。

表2 哈巴雪山自然保護(hù)區(qū)剖面土層土壤有機(jī)質(zhì)含量

其中07號(hào)石灰土及06號(hào)紫色土兩個(gè)土類，為非地帶性土壤，在保護(hù)區(qū)2 500 m海拔以下有交錯(cuò)分布，有機(jī)質(zhì)含量中等，表土層分別為39.85(g·kg-1)、21.24(g·kg-1)，至心土層，07號(hào)石灰土含量減少了將近四分之三，為9.41(g·kg-1)，至底土層，07號(hào)較心土層有一定增加，這與土壤淋溶強(qiáng)度有關(guān)，07號(hào)B層，淋溶強(qiáng)度較大，大量有機(jī)質(zhì)隨著淋溶作用，在BC層淀積，所以有機(jī)質(zhì)含量呈現(xiàn)：表土層>地土層>心土層的現(xiàn)象。按照全國(guó)土壤普查養(yǎng)分含量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[15]，研究區(qū)土壤剖面中有機(jī)質(zhì)含量豐富均屬1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

有學(xué)者論述[16-18]，土壤中有機(jī)質(zhì)的含量是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡過程，其大小取決于有機(jī)質(zhì)的積累和分解速率，即腐殖化過程和礦質(zhì)化過程，而影響有機(jī)質(zhì)積累和分解的因素主要有降水和溫度。溫度升高時(shí)，土壤生物活性增大，會(huì)加速有機(jī)質(zhì)的分解，相反，當(dāng)溫度降低時(shí)，有機(jī)質(zhì)分解相對(duì)緩慢，腐殖化過程大于礦質(zhì)化過程，其結(jié)果是導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)含量增加。而降水是影響有機(jī)質(zhì)含量的另一個(gè)因素。降水豐沛的地段，有利于植被的生長(zhǎng)，生物積累旺盛，有機(jī)質(zhì)來源豐富，使得有機(jī)質(zhì)含量增加。

圖1 哈巴雪山自然保護(hù)區(qū)剖面土壤有機(jī)質(zhì)含量分布圖

3.2 土壤有機(jī)質(zhì)與海拔相關(guān)性分析

根據(jù)不同的海拔高度，有機(jī)質(zhì)含量不同，對(duì)A、B層有機(jī)質(zhì)含量(Y)與其海拔高度(X)進(jìn)行回歸分析，得出以下回歸方程：

A層有機(jī)質(zhì)含量與海拔相關(guān)方程：

Y=0.3771X-942.84R2=0.914

B層有機(jī)質(zhì)含量與海拔相關(guān)方程：

Y=0.1X-272.26R2=0.9209

BC層有機(jī)質(zhì)含量與海拔相關(guān)方程：

Y=0.0573X-151.96R2=0.9349

兩者的回歸分析表明，哈巴雪山土壤表土層、心土層、底土層土壤有機(jī)質(zhì)含量(Y)與海拔高度(X)之間存在著極為顯著的線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)均≥0.910。

圖2～4可看出，土壤A層有機(jī)質(zhì)含量呈現(xiàn)隨海拔高度升高而增加的趨勢(shì)，散點(diǎn)分布范圍在10～600(g·kg-1)；B層有機(jī)質(zhì)含量隨海拔增加，也呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，相對(duì)A層，與海拔變化相關(guān)性更高，只是這一層土壤，本身含量偏低，散點(diǎn)分布較為集中，增加趨勢(shì)稍弱一些；BC層有機(jī)質(zhì)含量相關(guān)性是3個(gè)土層中最高的，只是該層土含量較低，變化范圍不大，散點(diǎn)圖分布較為集中，均在0～100(g·kg-1)。剖面有機(jī)質(zhì)最大值出現(xiàn)在04號(hào)灰化土土樣，而不是海拔4 700 m的高山寒漠土。同一剖面各土層之間有機(jī)質(zhì)含量差異明顯，由表層往下層呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。其中04號(hào)剖面差異最大，土壤有機(jī)質(zhì)表聚性明顯，表層有機(jī)質(zhì)含量高達(dá)582.90(g·kg-1)，心土層為126.95(g·kg-1)，底土層低至77.66(g·kg-1)。

圖2 A層土壤有機(jī)質(zhì)垂直分布圖

圖3 B層土壤有機(jī)質(zhì)垂直分布圖

圖4 BC層土壤有機(jī)質(zhì)垂直分布圖

3.3 氣溫、降水因子對(duì)有機(jī)質(zhì)含量的影響

溫度和降水量?jī)蓚€(gè)外在影響因子對(duì)有機(jī)質(zhì)含量有顯著影響。一般而言，當(dāng)降水量和其他條件保持不變時(shí)，溫度越高，有機(jī)質(zhì)含量越低；反之，當(dāng)溫度保持不變，其他條件類似的情況下，有機(jī)質(zhì)含量隨降水量的增加而增加。溫度、≥10℃積溫隨海拔高度升高而降低，降水量卻正好相反(表3)，隨海拔高度的升高而增多，這種變化規(guī)律對(duì)有機(jī)質(zhì)累積極為有利。

如圖5、6所示，當(dāng)溫度達(dá)到2.83 ℃，降水量達(dá)到1 046.0 mm時(shí)，A層土壤有機(jī)質(zhì)含量最大，為582.9(g·kg-1)。在年均溫10.0 ℃地帶(海拔：2 800 m)時(shí)，土壤有機(jī)質(zhì)含量?jī)H為18.39(g·kg-1)。造成土壤有機(jī)質(zhì)含量如此分布的主要原因是高海拔山地，降水豐富，溫度較低，土壤發(fā)育環(huán)境陰冷潮濕，致使有機(jī)質(zhì)得到了很好的積累。由此可見，溫度和降水量對(duì)于土壤有機(jī)質(zhì)含量的多寡有較大的影響。

3.4 土壤黏粒對(duì)有機(jī)質(zhì)含量的影響

土壤有機(jī)質(zhì)以各種形態(tài)存在于土壤中，有些與礦物土粒機(jī)械相混，有些溶于土壤溶液中，也有些以生命體形式存在于土壤中，但大部分則與土壤中的無機(jī)成分結(jié)合形成有機(jī)—無機(jī)復(fù)合膠體。一般而言，土壤有機(jī)質(zhì)與細(xì)的土壤顆粒易形成有機(jī)—無機(jī)復(fù)合膠體后，較細(xì)的土粒粒徑小，易被腐殖質(zhì)包圍，同時(shí)由于較細(xì)的土粒比表面積大，帶正電荷的土粒與帶負(fù)電荷的腐殖質(zhì)結(jié)合形成穩(wěn)定的物質(zhì)，不易被微生物分解。

表3 剖面土壤有機(jī)質(zhì)含量與氣候要素對(duì)照表

圖5 有機(jī)質(zhì)含量隨溫度變化分布圖

圖6 有機(jī)質(zhì)含量隨降水量變化分布圖

在研究中發(fā)現(xiàn)，土壤有機(jī)質(zhì)含量與黏粒之間存在密切的關(guān)系。一般土壤表層(A層)黏粒(粒徑<0.001 mm)含量較高，如HB-06號(hào)A層，<0.001 mm黏粒其粒級(jí)含量高達(dá)36.87%，其次07號(hào)A層也高達(dá)30.2%。向下，B、C層黏粒含量明顯下降，大約在10%～25%，與之對(duì)應(yīng)的，該土層有機(jī)質(zhì)含量也相應(yīng)減少。這主要是黏粒的表面積較大，易吸附有機(jī)質(zhì)，從而對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)起到物理或化學(xué)的保護(hù)，這種保護(hù)作用會(huì)因?yàn)轲ちＫ急壤牟煌瑢?duì)土壤有機(jī)質(zhì)的含量分布產(chǎn)生影響。

4 結(jié)論與討論

通過對(duì)哈巴雪山自然保護(hù)區(qū)內(nèi)土樣有機(jī)質(zhì)測(cè)定分析，結(jié)果表明：土壤有機(jī)質(zhì)與海拔、溫度、降水呈現(xiàn)一定的規(guī)律性變化。在海拔較高、降水豐富、植被覆蓋率高的地帶，腐殖質(zhì)來源豐富，有機(jī)質(zhì)累積較快，有機(jī)質(zhì)總體含量較為豐富。高山草甸土剖面，表層有機(jī)質(zhì)含量高(180 g/kg以上)，即使是心土層和底土層，有機(jī)質(zhì)含量也很高。尤其是灰化土底土層有機(jī)質(zhì)含量高(77.66 g/kg)。有機(jī)質(zhì)最大值未出現(xiàn)在海拔最高的高山寒漠土剖面，是由于植被類型、生物量和徑流侵蝕等因素共同作用的結(jié)果。雪線附近因氣溫低、土層淺、風(fēng)蝕強(qiáng)烈導(dǎo)致生境惡劣，多生長(zhǎng)發(fā)育高山草甸，生物量累積較小，土壤有機(jī)質(zhì)含量反而不是最高。在棕壤、暗棕壤、灰化土分布區(qū)，森林繁茂，植物殘?bào)w數(shù)量豐富，氣候溫暖濕潤(rùn)，特別有利于腐殖化過程的進(jìn)行，有機(jī)質(zhì)含量普遍較高。溫度較低的地帶，有機(jī)質(zhì)含量普遍較高；降雨量多的地帶，有機(jī)質(zhì)含量分布較高。但是不能只憑溫度高低或降雨量多少來衡量其對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響，有機(jī)質(zhì)的累積與分解是溫度和降雨量共同作用的結(jié)果。

相同海拔高度的陰坡、相對(duì)陰濕的溝谷地段，以及植被保存完好的緩坡地段，土壤有機(jī)質(zhì)含量也較高，表土層顏色偏深，反之，則偏低偏淺。保護(hù)區(qū)2 900 m以下的云南松林、華山松林廣布區(qū)，因其林下針狀的凋落物殘?bào)w比常綠闊葉林下闊葉殘?bào)w難分解轉(zhuǎn)化，因此生物累積過程比闊葉林地區(qū)緩慢得多，表土層有機(jī)質(zhì)含量明顯低于該高度帶的闊葉林地區(qū)。

保護(hù)區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量不僅與溫度、降水有關(guān)，還與植被類型、土壤質(zhì)地、土壤結(jié)構(gòu)有關(guān)。土壤有機(jī)質(zhì)的累積和分解速率的大小也受溫度和降雨量的影響。溫度、降水量都較高，例如干熱河谷地帶，地形陡峻，枯枝落葉層的蓄積量少，有機(jī)質(zhì)的分解速率較大，不利于土壤有機(jī)質(zhì)的累積，因此土壤有機(jī)質(zhì)含量低。山上雪線附近，雨量較多，溫度較低，土壤有機(jī)質(zhì)的累積速率較高，則有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)增加。之所以產(chǎn)生這樣的結(jié)果，其主要原因是溫度和降雨量對(duì)微生物和酶的活性具有較大的影響力。降雨量過大或過少，溫度過高或過低，都會(huì)抑制細(xì)菌、真菌和酶對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的分解和合成性能。