隴中半干旱黃土丘陵區(qū)土壤養(yǎng)分空間分布特征

柴春山,王子婷,張洋東,戚建莉

(甘肅省林業(yè)科學研究院,蘭州 730020)

半干旱黃土高原因受區(qū)域自然條件和人類活動的雙重影響,生態(tài)環(huán)境脆弱、土壤侵蝕嚴重,一直是我國植被恢復和生態(tài)建設(shè)的重點區(qū)域之一[1-2]。要從根本上解決黃土高原的植被恢復和重建問題,就要研究黃土高原的土壤特性,對植被與土壤養(yǎng)分、水分的關(guān)系進行探討[3]。土壤水分是黃土丘陵區(qū)植被生長的唯一有效水分來源[4],是干旱和半干旱地區(qū)植被生長的關(guān)鍵制約因素[5],是制約半干旱黃土丘陵區(qū)植被恢復和生態(tài)建設(shè)的關(guān)鍵因子[6-7]。土壤養(yǎng)分也是半干旱黃土區(qū)植被生長的重要影響因素,土壤養(yǎng)分的不足或養(yǎng)分間不平衡也影響植被的生長[8]。在不同的年份里,起主導作用的因子不相同,在豐水年肥力則是限制因子,在枯水年則水分是限制因子,水肥共同作用影響著植被的生長發(fā)育[9]。土壤有機質(zhì)是植物生長發(fā)育提供養(yǎng)分的倉庫,其含量與土壤肥力水平密切相關(guān),是評價土壤養(yǎng)分的重要指標之一,土壤中的全氮和堿解氮大部分來源于有機質(zhì)[10]。但人類活動特別是土地利用方式的改變(主要是植被的變化)會通過對土壤微生物以及有機質(zhì)數(shù)量與質(zhì)量的影響,間接影響到土壤有機質(zhì)的累積與分解速率,從而引起土壤有機碳庫發(fā)生相應(yīng)的變化[11]。土地利用方式的轉(zhuǎn)換必然引起土壤養(yǎng)分含量的變化,與土壤水分和養(yǎng)分變化存在著密切的聯(lián)系[12]。為了促進該區(qū)域的植被恢復與重建,深入探討不同植被類型(土地利用類型)的土壤水分和土壤養(yǎng)分特征,探析不同植被類型對土壤水分和土壤養(yǎng)分的影響,揭示植被類型與土壤養(yǎng)分間的響應(yīng)關(guān)系,對于黃土高原水土保持和生態(tài)修復具有積極意義。對于半干旱黃土區(qū)不同植被或土地利用類型的土壤水分,前人已做過諸多研究,并從不同方面探討了植被與土壤水分間的關(guān)系[4-8,13-18],但對此區(qū)域的土壤養(yǎng)分研究比較少,現(xiàn)有的研究也主要集中在單一植被或土地利用方式下的土壤養(yǎng)分特征研究[19-23]。本文主要從分析土壤養(yǎng)分的角度,選取半干旱黃土丘陵區(qū)3個代表流域和4種典型土地利用方式,研究其土壤養(yǎng)分的含量和分布特征,旨在為該區(qū)域的生態(tài)植被恢復與重建提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

本研究選取隴中黃土高原半干旱區(qū)的3個典型小流域,其自然狀況分別如下:

龍灘流域位于甘肅省定西市安定區(qū)巉口鎮(zhèn),地理坐標為35°43′～35°46′N,104°32′～104°32′E,流域面積16.69 km2。地貌類型屬于黃土丘陵溝壑區(qū),以梁狀丘陵為主,海拔1 845～2 255m。氣候?qū)侔敫珊禍貛Т箨懶约撅L氣候,年均氣溫6.8 ℃,極端高溫34.9 ℃,極端低溫-27.1 ℃；平均無霜期152d；年均降水量386.3mm,降水主要集中在7—9月,多以暴雨的形式降落；年平均蒸發(fā)量1 438.8mm,年均相對濕度64%,干燥度為1.9；年均日照時數(shù)為2 052.7h。土壤以灰鈣土、黃綿土為主,有機質(zhì)含量低,土壤貧瘠,pH值在7.5～8.5之間,呈弱堿性。植被屬典型草原類型,主要是多年生草本、灌木、半灌木；無天然林,但有檸條(Caraganakorshinskii)、山杏(Armeniacasibirica)、油松(Pinustabuliformis)、側(cè)柏(Platycladusorientalis)等人工林分布。

安家坡流域位于甘肅省定西市安定區(qū)鳳翔鎮(zhèn),地理坐標為104°38′～104°40′E，35°33′～35°35′N,流域面積8km2,海拔1 900～2 250m,屬典型黃土丘陵區(qū),流域溝壑縱橫。氣候?qū)侔敫珊禍貛Т箨懶约撅L氣候,年均氣溫6.3℃,年均降水量427mm,降水主要集中在5—10月,且多以暴雨形式出現(xiàn)；年潛在蒸發(fā)量1 510mm,無霜期141d。土壤類型主要為黃綿土,土質(zhì)疏松,有機質(zhì)含量低,土壤貧瘠,水土流失嚴重。植被屬于典型草原類型,天然植被以多年生草本為主,主要種類有長芒草(Stipabungeana)、賴草(Leymussecalinus)、阿爾泰狗娃花(Asteraltaicus)等,人工植被以紅豆草(Onobrychisviciifolia)、紫花苜蓿(Medicagosativa)、檸條、山杏、油松等為主。

窎溝流域位于甘肅省定西市安定區(qū)魯家溝鎮(zhèn),地理坐標為35°53′～35°57′N,104°25′～104°29′E,流域面積19.84 km2,以梁狀丘陵為主,流域內(nèi)山大溝深,海拔2 055～2 344m。屬典型的黃土高原丘陵溝壑干旱區(qū),年降水量367mm,蒸發(fā)量1 500mm以上,年平均氣溫7.4℃,極端高溫30.5℃,極端低溫-28.3℃,降水主要集中在7—9三個月,多以暴雨的形式降落。土壤以灰鈣土、黃綿土為主,有機質(zhì)含量低,土壤貧瘠。植被屬典型草原類型,流域內(nèi)無天然林分布,人工林以檸條灌木為主,零星分布檉柳(Tamarixspp.)、山杏、山毛桃(Amygdalusdavidiana),偶見楊樹(Populusspp.)、旱柳(Salixmatsudana)等闊葉喬木,未見針葉喬木樹種。

2 研究方法

2.1 樣地選擇

2016年,在研究區(qū)通過實地調(diào)查后,選取了本區(qū)分布比較典型的農(nóng)田(陰、陽坡)、農(nóng)田撂荒地(陰、陽坡)、草地(退耕苜蓿草地、天然荒草地)、林地(檸條灌木林地、山杏喬木林地)4種典型土地利用類型的24個樣地。樣地基本狀況如表1所示。

表1 樣地基本情況

2.2 土樣采集

2016年10月21—23日,分別對安家坡流域、龍灘流域、窎溝流域土壤取樣。取樣土層為0～20cm,每個樣地取3個重復,委托甘肅農(nóng)科院測試中心測定。測定指標為pH值、有機碳、全氮(N)、全磷(P)、全鉀(K)。

2.3 測定方法

pH值采用電位計法測定；有機質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化—油浴加熱法測定；全氮采用半微量開氏法測定；全磷采用NaOH熔融—鉬銻抗比色法測定；全鉀采用NaOH熔融—火焰光度法測定。

2.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel對數(shù)據(jù)進行處理,用SPSS對土壤養(yǎng)分含量進行統(tǒng)計分析。利用單因素方差分析和多重比較判斷不同流域和不同土地利用類型的土壤養(yǎng)分含量差異,利用相關(guān)分析判斷土壤養(yǎng)分間的相關(guān)關(guān)系。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同流域土壤養(yǎng)分分布特征

表2中的數(shù)據(jù)反映了不同流域的土壤養(yǎng)分含量及分布特征?？傮w來看,在3個流域中,安家坡流域土壤養(yǎng)分含量相對較高,龍灘流域次之,窎溝流域相對較低。盡管3個流域的土壤養(yǎng)分含量有一定差異,但除全鉀含量在安家坡和窎溝兩個流域間差異達到顯著水平外(P<0.05),其余養(yǎng)分在3個流域間差異均不顯著(P>0.05)。說明,流域空間位置對土壤養(yǎng)分含量和分布沒有明顯的影響。

表2 不同流域土壤養(yǎng)分含量

從平均養(yǎng)分含量來看,研究區(qū)3個流域的土壤養(yǎng)分含量均較低,有機碳含量6.43～8.99g/kg,平均只有7.82g/kg,全氮、全磷和全鉀平均含量分別為0.89,0.64g/kg和21.23g/kg,土壤養(yǎng)分整體表現(xiàn)為缺氮、少磷、富鉀的現(xiàn)狀。

3.2 不同土地利用類型土壤養(yǎng)分分布特征

從表3可看出,各養(yǎng)分含量在不同土地利用類型間差異明顯,所有養(yǎng)分指標在不同土地利用類型間差異均達到顯著水平(P<0.05),林地和草地土壤養(yǎng)分整體高于農(nóng)田和農(nóng)田撂荒地。但各養(yǎng)分含量在不同土地利用類型間的分布不一,其中,有機碳和全氮在草地和林地中分布較多,其含量約是農(nóng)田和撂荒地含量的2倍；全磷在農(nóng)田和撂荒地中含量相對較高,全鉀在撂荒地和草地中含量較高。由此可見,土地利用類型對土壤養(yǎng)分含量和分布具有較大影響,且對不同養(yǎng)分的影響效果不一樣。

表3 不同土地利用類型土壤養(yǎng)分含量

3.3 不同坡向和不同植被土壤養(yǎng)分分布特征

表4中的數(shù)據(jù)反映了同一土地利用類型下不同坡向和不同植被類型的土壤養(yǎng)分含量及分布特征。總體來看,農(nóng)田和撂荒地的不同坡向間,各養(yǎng)分含量差異均不顯著(P>0.05)；林地的不同植被類型間各養(yǎng)分差異也均不顯著(P>0.05)；但草地的不同植被類型間養(yǎng)分差異顯著(P<0.05)。說明,坡向?qū)ν寥鲤B(yǎng)分含量及分布沒有明顯的影響,但植被類型對土壤養(yǎng)分含量及分布有一定影響。從同一土地利用類型不同坡向的養(yǎng)分分布來看,農(nóng)田中陽坡的有機碳、全氮和全磷整體比陰坡高,而撂荒地中相反,有機碳、全氮卻比陰坡略低。從同一土地利用類型不同植被的養(yǎng)分分布來看,草地中天然荒草的所有養(yǎng)分含量明顯比退耕苜蓿高,林地中山杏喬木林的養(yǎng)分含量比檸條灌木林略高?？梢?在半干旱黃土區(qū),多年生天然荒草促進土壤養(yǎng)分恢復的效果優(yōu)于人工苜蓿,山杏喬木林的效果優(yōu)于檸條灌木林。

表4 同一土地利用類型不同坡向與不同植被類型土壤養(yǎng)分含量

3.4 土壤養(yǎng)分變異特征

從表5可看出,在不同流域間,各養(yǎng)分指標的變異系數(shù)相對接近,養(yǎng)分變異差異不大,尤其是全磷的變異。但在不同土地利用類型間,除了全鉀外其余養(yǎng)分變異差異都較大。說明流域?qū)︷B(yǎng)分分布影響不大而土地利用類型對土壤養(yǎng)分分布影響較大。此外,不管是不同流域還是不同土地利用類型間,各養(yǎng)分的變異差異較大。其中,全鉀在不同流域和不同土地利用類型中的變異均很小,變異系數(shù)不到3%；全磷變異也較小,平均變異系數(shù)約7%；而有機碳和全氮的變異較大,平均變異系數(shù)高達40%以上,各養(yǎng)分平均變異系數(shù)總體上表現(xiàn)為全氮(43.97%)>有機碳(40.92%)>全磷(7.22%)>全鉀(2.36%)。說明,各養(yǎng)分在土壤中的活躍程度不一樣,有機碳和全氮含量在土壤中變化較大,而全鉀變化較小,含量相對穩(wěn)定。

表5 不同流域和不同土地類型的土壤養(yǎng)分含量變異系數(shù)

3.5 土壤養(yǎng)分相關(guān)性特征

表6中的數(shù)據(jù)反映了土壤不同養(yǎng)分間的相關(guān)性特征。從表6可看出,土壤有機碳與全氮呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),與全磷和全鉀不存在顯著相關(guān)關(guān)系(P>0.05),全氮僅與有機碳呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),全磷與全鉀也呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。說明土壤有機碳對土壤全氮有較大影響,對全磷和全鉀影響弱,但全磷和全鉀間互相有影響。

表6 土壤養(yǎng)分相關(guān)性系數(shù)

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

土壤養(yǎng)分的空間分布狀況是土壤、植被和周圍環(huán)境共同作用的結(jié)果[24]。本研究區(qū)3個流域同在隴中黃土高原的同一地貌單元即隴中中部黃土梁狀丘陵溝壑區(qū)內(nèi),成土母質(zhì)同屬黃土母質(zhì),氣候均屬溫帶大陸性半干旱氣候,植被同屬典型草原類型,土壤、氣候和植被類型一致,加之土地利用方式相似。所以,在宏觀尺度上,3個流域間土壤養(yǎng)分含量和分布沒有明顯差異。因為,土壤的物理、化學性質(zhì)基本上以當?shù)攸S土母質(zhì)的性質(zhì)反映出來,不同地形部位的養(yǎng)分狀況是相似的,且更多地表現(xiàn)為母質(zhì)的特點[25]。

在土地利用類型的微觀尺度上,本研究區(qū)土壤養(yǎng)分含量和分布差異非常明顯,尤其是有機碳和全氮的含量,林地和草地顯著高于農(nóng)耕地。在林地和草地中,草地整體優(yōu)于林地；在農(nóng)耕地中,撂荒地優(yōu)于農(nóng)田；在草地中,天然荒草地顯著優(yōu)于人工苜蓿草地。植物群落演替過程是植被與土壤相互影響和相互作用的過程。植被通過凋落物和根系分泌物影響土壤有機質(zhì)的積累和分布,土壤養(yǎng)分含量反過來會制約植被的生長[20]。在本研究區(qū),天然草地的養(yǎng)分明顯高于灌木林地和喬木林地,也顯著高于退耕的人工苜蓿草地,更顯著高于農(nóng)田和撂荒地,林地中山杏喬木林地的養(yǎng)分好于檸條灌木林地的養(yǎng)分,說明不同植被(土地利用類型)對土壤養(yǎng)分的影響作用不同[3,24]。王國梁等[24]研究認為草本對0～40cm土壤養(yǎng)分的提高作用大于喬木和灌木,這與本研究的天然草地養(yǎng)分明顯高于喬木林地和灌木林地的結(jié)果一致,但與鞏杰等[3]的研究結(jié)果即人工喬、灌植被對土壤的培肥作用高于荒草地、人工灌木植被培肥作用高于喬木植被完全不同,這可能與雙方研究的喬、灌植被不盡一致有關(guān)。此外,本研究中人工苜蓿草地的土壤養(yǎng)分尤其是有機質(zhì)和全氮并不高,與灌木林地接近,這可能與苜蓿草地的經(jīng)營管理措施有關(guān)。雖然苜蓿有固氮作用,但每年生長量相對較大,需要大量養(yǎng)分的支持,但退耕苜蓿缺乏相應(yīng)的施肥管護,加之每年1～2次的刈割要帶走大量養(yǎng)分,所以即便能固氮,也并沒有明顯提高土壤養(yǎng)分含量。

土壤生態(tài)系統(tǒng)扮演著碳源和碳匯的雙重角色,其中土地利用類型已成為碳固定與排放的重要影響因素[26]。土地利用方式的轉(zhuǎn)換必然引起土壤養(yǎng)分含量的變化,與土壤水分和養(yǎng)分變化存在著密切的聯(lián)系[12]。黃土高原水土流失嚴重,歷來是我國生態(tài)環(huán)境治理的重要區(qū)域,植樹種草、綠化荒山一直改變著黃土高原的土地利用方式。尤其是近20年來的大規(guī)模退耕還林(草)工程,大大改變了黃土高原原有的農(nóng)耕土地利用方式,形成了大面積人工林地和人工草地。近十年來,由于農(nóng)村勞動力轉(zhuǎn)移和人口老齡化問題,耕地大量閑置撂荒,形成了一定比例的撂荒地?；纳骄G化、退耕還林、耕地撂荒等措施在一定程度上促進了黃土高原林草植被的恢復,同時也改變了黃土區(qū)以農(nóng)田為主的土地利用類型。大量研究表明,植被恢復對土壤養(yǎng)分有一定影響。其中,鞏杰等[3]對黃土丘陵區(qū)荒草地、山杏林地、農(nóng)地、油松林地、灌木林地、棄耕地多種土地利用類型研究認為,不同植被恢復類型下土壤養(yǎng)分含量均比農(nóng)地有所增加(除土壤全磷外),植被恢復有一定的土壤培肥作用；王月玲等[27]對不同年限撂荒梯田土壤碳氮磷化學計量特征研究認為,農(nóng)地棄耕撂荒演替對土壤肥力有一定程度的改善；王國梁等[24]對黃土丘陵區(qū)不同植被恢復的土壤養(yǎng)分效應(yīng)研究表明,植物群落對土壤養(yǎng)分產(chǎn)生明顯影響,在植被作用下土壤有機質(zhì)、全氮、水解氮、全磷、速效磷向土壤上層富集,植被對0～20 cm土壤養(yǎng)分作用大于20～40cm,草本對0～40cm土壤養(yǎng)分的提高作用大于喬木和灌木；李裕元等[11]對黃土高原北部草地恢復與重建對土壤有機碳影響的研究認為,當土地利用方式由農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯げ莸匾院?在草地恢復過程中土壤是一個碳匯,草地的恢復與重建可以顯著增加土壤有機碳庫對大氣CO2的固存量,不同土地利用方式0～100cm土壤有機碳密度(SOCD)的變化順序為灌木林地>次生天然草地>人工草地>棄耕地>農(nóng)田。眾多研究結(jié)果均說明,植被恢復過程中,植物與土壤的關(guān)系十分密切,植被恢復過程有機質(zhì)等含量有所提高,而土壤養(yǎng)分的改善也會促進植被的恢復[19-20],土地利用方式影響了土壤中有機碳的積累[26,28]。

4.2 結(jié)論

半干旱黃土區(qū)土壤養(yǎng)分含量相對較低,土壤較貧瘠,總體呈現(xiàn)出缺氮、少磷、富鉀的現(xiàn)狀,且土壤呈弱堿性。在此區(qū)域,流域空間位置對土壤養(yǎng)分分布沒有明顯影響,各流域間土壤養(yǎng)分含量和分布相近,但土地利用類型對土壤養(yǎng)分含量和分布影響較大,林地和草地的有機碳、全氮含量顯著高于農(nóng)田和撂荒地,尤其是草地。在天然荒草地和人工苜蓿草地間,天然荒草地的養(yǎng)分含量均高于人工苜蓿草地,尤其是有機碳和全氮含量。在此區(qū)域,耕地轉(zhuǎn)化為林草地有助于土壤有機碳、氮的累積,土地利用類型變化中的植被恢復能促進土壤養(yǎng)分的恢復。

總體來說,半干旱黃土區(qū)土壤養(yǎng)分含量較低,該區(qū)域林草植被恢復有一定的土壤培肥作用,且天然草本植被對土壤的培肥作用高于人工喬灌草植被。因此,在今后的植被恢復和生態(tài)建設(shè)中,建議充分考慮采用耕地撂荒的植被恢復方式和人工喬灌草相結(jié)合的植被建植模式,使林草植被在相對較短時間內(nèi)得到恢復,使該區(qū)域生態(tài)環(huán)境建設(shè)得到持續(xù)、健康的發(fā)展。