祁連山青海云杉林分布對(duì)土壤交換性鹽基組成及比例的影響

祝建剛，張宏斌，程新平

（甘肅省祁連山水源涵養(yǎng)林研究院，甘肅 張掖 734000）

土壤陽(yáng)離子交換量（Soil cation exchange capacity,CEC）是表征土壤肥力和緩沖能力的主要指標(biāo)，也是土壤特性、土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)、土壤管理和土壤分類研究的主要指標(biāo)[1]，對(duì)提高土壤肥力和土壤質(zhì)量改良具有重要的作用。研究表明，土壤CEC與土壤有機(jī)碳（Organic carbon,OC）二者之間具有極顯著的正相關(guān)性[2-3]。土壤交換性鹽基離子主要包括K+、Na+、Ca2+、Mg2+等陽(yáng)離子，亦是表征土壤肥力和緩沖能力的主要指標(biāo)[4]，其組成亦是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)[5]，主要反映了鹽基類元素的生物有效性和運(yùn)移、循環(huán)情況[6]。近年來(lái)的研究表明，土壤CEC 和交換性鹽基離子的組成及其比例受多種因素的影響，包括植被類型及其生產(chǎn)力[7-8]、氣候特點(diǎn)[9]、地形[10]、土地利用方式等[11]，可能是造成不同研究結(jié)論存在差異的主要原因。在區(qū)域尺度上，對(duì)土壤鹽基離子的研究多關(guān)注酸性土壤的交換性鹽基離子的含量與動(dòng)態(tài)，而對(duì)堿性土壤的交換性鹽基離子研究較少。因此，對(duì)地處西北溫帶地區(qū)的森林土壤CEC 和OC 及交換性鹽基離子組成及比例進(jìn)行研究將有助于了解不同環(huán)境條件下的土壤肥力演變特征。

位于北方溫帶地區(qū)的祁連山森林分布區(qū)發(fā)揮著巨大的生態(tài)服務(wù)功能[12]，因地處青藏高原北麓東北邊緣，地貌特征特殊且十分復(fù)雜，區(qū)內(nèi)發(fā)育著許許多多的高山、盆地、縱谷等，從而組成了一系列沿北西西—南東東方向延伸的褶皺帶。整個(gè)地勢(shì)呈現(xiàn)出自東向西逐漸升高的分布特征，地形也呈現(xiàn)出明顯的分布特征，按地形可分為東段、中段和西段，其中東起的連城到民樂(lè)縣扁都口段屬于祁連山東段，扁都口到北大河谷段屬于祁連山中段，北大河谷至當(dāng)金山口段屬于祁連山西段[13]。因受地理位置的影響，其氣候也呈現(xiàn)明顯的變化特征，即：從東到西呈現(xiàn)出越來(lái)越明顯的大陸性氣候特征[14]，其年均氣溫表現(xiàn)出逐漸升高的變化趨勢(shì)，而降水逐漸減小。而且分布在祁連山東段、中段和西段的青海云杉林群落結(jié)構(gòu)也不相同[15]。水熱分布的不均和群落結(jié)構(gòu)的差異使得青海云杉林下分布的土壤交換性鹽基離子組成及比例受到明顯的影響。目前，尚未有對(duì)地處祁連山東段、中段和西段的青海云杉林分布區(qū)土壤交換性鹽基離子組成及比例進(jìn)行對(duì)比的研究。鑒于此，本研究根據(jù)祁連山的地形特點(diǎn)，選擇典型林區(qū)的青海云杉林為研究對(duì)象，通過(guò)野外調(diào)查和土壤樣品采集及室內(nèi)測(cè)定分析，分析了不同林區(qū)青海云杉林土壤剖面上的CEC 及OC 含量，從提高土壤肥力的角度著重分析不同林區(qū)青海云杉林土壤交換性K+、Na+、Ca2+、Mg2+和SEB 的組成及比例隨剖面深度的變化規(guī)律，以期為祁連山青海云杉林分布帶的土壤特性、土壤質(zhì)量和土壤分類經(jīng)營(yíng)及可持續(xù)管理提供數(shù)據(jù)支撐，同時(shí)為氮沉降背景下的堿性土壤交換性鹽基離子研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[8]。

1 材料方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于祁連山北麓的甘肅祁連山自然保護(hù)區(qū)，屬于西北溫帶地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)類型，目前自然保護(hù)區(qū)下設(shè)22 個(gè)林區(qū)自然保護(hù)站。本研究以3 個(gè)林區(qū)保護(hù)站分布的青海云杉林為研究對(duì)象，其中東段選擇位于天祝藏族自治縣的哈溪林區(qū)，中段選擇位于肅南裕固族族自治縣的西水林區(qū)，西段選擇位于肅南裕固族自治縣的祁豐林區(qū)[13]，各林區(qū)的主要環(huán)境參數(shù)見(jiàn)表1。3 個(gè)林區(qū)均位于祁連山的陰坡、半陰坡，青海云杉林分布在海拔2 700～3 000 m。受地形的影響，不同試驗(yàn)點(diǎn)的年均降水量、年均溫度和年均濕度具有不同的分布特點(diǎn)，青海云杉林林分結(jié)構(gòu)、林下灌木、草本和苔蘚在不同的試驗(yàn)點(diǎn)具有不同的變化特征[15]，土壤類型均為山地森林灰褐土，林地地被物分布較好，無(wú)明顯的水土流失現(xiàn)象。

表1 不同林區(qū)的主要環(huán)境參數(shù)Table 1 Major environmental parameters of different forestry regions

1.2 研究方法

1.2.1 供試土壤

于2017年9—10月分別在林區(qū)的青海云杉林分布帶內(nèi)采集土樣，分別在不同林區(qū)海拔2 700～3 000 m 從低海拔到高海拔選擇典型青海云杉群落隨機(jī)布置10 個(gè)臨時(shí)樣地，其中海拔2 700 m 和3 000 m 海拔分別設(shè)置2 個(gè)臨時(shí)樣地，海拔2 800 m和2 900 m 分別設(shè)置3 個(gè)臨時(shí)樣地。由于祁連山祁豐林區(qū)植被稀疏，一些樣地面積為400 m2（20 m×20 m），部分樣地面積為625 m2（25 m×25 m），樣地選擇要求立地條件相似且能代表青海云杉群落植被特征。樣地調(diào)查包括經(jīng)緯度、坡度、坡向、林齡、郁閉度、胸徑、樹高和冠幅等，同時(shí)記錄地上植被灌木和草本的物種組成、數(shù)量等。樣地調(diào)查完成后，在每個(gè)樣地的中心按“品”字型選擇3 個(gè)點(diǎn)挖土壤剖面，取分層（0～10、10～20、20～40、40～60、60～100 cm）土樣，每個(gè)層次2 個(gè)重復(fù)，將同一樣地同一土層的混合土樣按四分法取新鮮土壤帶回實(shí)驗(yàn)室，挑揀出植物殘?bào)w和大的石塊，取一部分土樣用密封塑料袋帶回實(shí)驗(yàn)室用于土壤CEC、OC 和交換性K+、Na+、Ca2+、Mg2+等的含量測(cè)定分析。

1.2.2 土壤化學(xué)性質(zhì)分析

土壤化學(xué)性質(zhì)分析按照土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法測(cè)定[16]，其中：土壤CEC 的測(cè)定采用乙酸鈉—火焰光度法；土壤OC 的測(cè)定采用低溫外熱重鉻酸鉀氧化－比色法；土壤交換性K+、Na+、Ca2+、Mg2+采用pH 值8.5 的氯化銨+乙醇交換—原子吸收分光光度法；SEB 采用加和法得到，即：SEB=K++Na++1/2 Ca2++1/2 Mg2+。

1.2.3 統(tǒng)計(jì)分析

應(yīng)用Excel 2016 軟件對(duì)測(cè)定的土壤CEC、OC和交換性K+、Na+、Ca2+、Mg2+各指標(biāo)進(jìn)行分類整理和統(tǒng)計(jì)。應(yīng)用SPSS 17.0 軟件對(duì)整理的數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析，利用單因素方差分析法（One-way ANOVA）對(duì)不同林區(qū)同一土層和同一林區(qū)不同土層的測(cè)定指標(biāo)進(jìn)行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林區(qū)青海云杉林土壤CEC 和OC 含量

哈溪林區(qū)、西水林區(qū)和祁豐林區(qū)青海云杉林土壤CEC 和OC 含量在土壤剖面上具有不同的變化規(guī)律，哈溪林區(qū)和西水林區(qū)土壤CEC 和OC 含量隨土壤深度增加均呈逐漸降低的變化趨勢(shì)，且土層間差異顯著（P＜0.05）；而祁豐林區(qū)卻隨土壤深度增加而增加，但不同土層間的差異均不顯著（P＞0.05，表2）。相關(guān)性分析結(jié)果顯示，土壤CEC 與OC 含量間呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.98 以上（P＜0.01）。

表2 不同林區(qū)土壤剖面CEC 和OC 含量?Table 2 Cation exchange capacity and organic carbon content of the soil profiles of different forestry regions

不同林區(qū)同一土層CEC 和OC 含量也具有相似的變化規(guī)律，0～60 cm 的CEC 和OC 含量均表現(xiàn)為哈溪林區(qū)＞西水林區(qū)＞祁豐林區(qū)，哈溪林區(qū)和西水林區(qū)顯著大于祁豐林區(qū)（P＜0.05），60～100 cm 的CEC 和OC 含量表現(xiàn)為祁豐林區(qū)＞西水林區(qū)＞哈溪林區(qū)，但3 個(gè)林區(qū)兩兩間差異均不顯著（P＞0.05，表2）。

2.2 不同林區(qū)青海云杉林土壤交換性鹽基離子含量

3 個(gè)林區(qū)青海云杉林土壤交換性K+、Na+、Ca2+、Mg2+和SEB 含量在土壤剖面上具有不同的變化規(guī)律?？傮w來(lái)講，交換性K+含量隨土壤深度增加均呈逐漸降低的變化趨勢(shì)，0～10 cm 深度交換性K+含量均顯著大于其他土層（P＜0.05）；交換性Na+含量隨土壤深度增加均呈逐漸增加的變化趨勢(shì)，但哈溪林區(qū)不同土層的差異性不顯著（P＞0.05），西水林區(qū)60～100 cm 顯著大于其他土層（P＜0.05），祁豐林區(qū)40～100 cm 顯著小于其他土層（P＜0.05）；交換性Ca2+含量隨土壤深度增加均呈逐漸降低的變化趨勢(shì)，其中哈溪林區(qū)0～40 cm 顯著大于其他土層（P＜0.05），西水林區(qū)則是0～20 cm 顯著大于20～60 cm 和60～100 cm（P＜0.05），祁豐林區(qū)不同土層的差異性不顯著（P＞0.05）；哈溪林區(qū)和西水林區(qū)交換性Mg2+含量隨土壤深度增加均呈逐漸降低的變化趨勢(shì)，0～60 cm 均顯著大于60～100 cm（P＜0.05），而祁豐林區(qū)交換性Mg2+含量隨土壤深度增加呈逐漸增加的變化趨勢(shì)，0～40 cm 顯著小于40～100 cm（P＜0.05）；哈溪林區(qū)和西水林區(qū)SEB 含量隨土壤深度增加均呈逐漸降低的變化趨勢(shì)，在不同土層中均以0～20 cm 含量最高，祁豐林區(qū)SEB 含量隨土層深度增加沒(méi)有明顯的變化，而且不同土層的差異性均不顯著（P＞0.05，表3～5）。

表3 哈溪林區(qū)土壤剖面交換性鹽基離子和SEB 含量Table 3 Exchangeable base ions and SEB content of the soil profiles in Haxi forestry region cmol·kg-1

表4 西水林區(qū)土壤剖面交換性鹽基離子和SEB 含量Table 4 Exchangeable base ions and SEB content of the soil profiles in Xishui forestry region cmol·kg-1

表5 祁豐林區(qū)土壤剖面交換性鹽基離子和SEB 含量Table 5 Exchangeable base ions and SEB content of the soil profiles in Qifeng forestry region cmol·kg-1

3 個(gè)林區(qū)同一土層土壤交換性K+、Na+、Ca2+、Mg2+和SEB 含量也具有不同的變化規(guī)律?？傮w上來(lái)講，0～10 cm 交換性K+含量表現(xiàn)為哈溪林區(qū)＞西水林區(qū)＞祁豐林區(qū)，哈溪林區(qū)和西水林區(qū)顯著大于祁豐林區(qū)（P＜0.05），其他土層交換性K+含量在3 個(gè)林區(qū)兩兩之間差異均不顯著（P＞0.05）；0～20 cm 交換性Na+含量均表現(xiàn)為祁豐林區(qū)＞哈溪林區(qū)＞西水林區(qū)，祁豐林區(qū)和哈溪林區(qū)顯著大于西水林區(qū)（P＜0.05），其他土層則表現(xiàn)為祁豐林區(qū)＞西水林區(qū)＞哈溪林區(qū)，祁豐林區(qū)顯著大于西水林區(qū)和哈溪林區(qū)（P＜0.05）；所有土層交換性Ca2+含量均表現(xiàn)為哈溪林區(qū)＞西水林區(qū)＞祁豐林區(qū)，哈溪林區(qū)和西水林區(qū)顯著大于祁豐林區(qū)（P＜0.05）；0～40 cm 交換性Mg2+含量表現(xiàn)為西水林區(qū)＞哈溪林區(qū)＞祁豐林區(qū)，西水林區(qū)和哈溪林區(qū)顯著大于祁豐林區(qū)（P＜0.05），其他土層交換性Mg2+含量表現(xiàn)為祁豐林區(qū)＞西水林區(qū)＞哈溪林區(qū)，西水林區(qū)和哈溪林區(qū)顯著小于祁豐林區(qū)（P＜0.05）；0～40 cm 的SEB 含量表現(xiàn)為哈溪林區(qū)＞西水林區(qū)＞祁豐林區(qū)，祁豐林區(qū)顯著小于哈溪林區(qū)和西水林區(qū)（P＜0.05），其他土層SEB 含量在3 個(gè)林區(qū)兩兩之間差異均不顯著（P＞0.05）。

2.3 不同林區(qū)青海云杉林土壤鹽基離子比例

3 個(gè)林區(qū)青海云杉林土壤交換性鹽基的比例在土壤剖面上亦具有不同的變化特點(diǎn)?？傮w上來(lái)講，哈溪林區(qū)交換性Ca/K 值表現(xiàn)為60～100 cm 土層顯著小于其他土層（P＜0.05），其他土層間的差異顯著性均不顯著（P＞0.05），西水林區(qū)則表現(xiàn)為0～10 cm 顯著小于10～40 cm 和40～100 cm土層，而祁豐林區(qū)0～10 cm 土層顯著小于其他土層（P＜0.05）；交換性Mg/K 值隨土壤深度增加，在哈溪林區(qū)總體上呈逐漸減小的變化趨勢(shì)，而在西水林和祁豐林區(qū)總體上呈增加的變化趨勢(shì)；哈溪林區(qū)和西水林區(qū)交換性Ca/Mg 值隨土壤深度增加不斷減小，表現(xiàn)為60～100 cm 土層顯著小于其他土層（P＜0.05），而祁豐林區(qū)的交換性Ca/Mg 值大小不變；交換性(Ca+Mg)/SEB 和交換性K/SEB 值在不同土層間的差異顯著性均不顯著（P＞0.05，表6～8）。

表6 哈溪林區(qū)土壤剖面交換性鹽基的比例關(guān)系Table 6 Proportion relationship of exchangeable bases of the soil profiles in Haxi forestry region

表7 西水林區(qū)土壤剖面交換性鹽基的比例關(guān)系Table 7 Proportion relationship of exchangeable bases of the soil profiles in Xishui forestry region

表8 祁豐林區(qū)土壤剖面交換性鹽基的比例關(guān)系Table 8 Proportion relationship of exchangeable bases of the soil profiles in Qifeng forestry region

3 個(gè)林區(qū)同一土層土壤交換性Ca/K、Mg/K、Ca/Mg、(Ca+Mg)/SEB 和K/SEB 值也具有不同的變化規(guī)律。總體上來(lái)講，0～10 cm 的Ca/K 值均表現(xiàn)為西水林區(qū)＞哈溪林區(qū)＞祁豐林區(qū)，祁豐林區(qū)顯著小于哈溪林區(qū)和西水林區(qū)（P＜0.05），其他土層則表現(xiàn)為西水林區(qū)＞哈溪林區(qū)＞祁豐林區(qū)，西水林區(qū)顯著大于哈溪林區(qū)和祁豐林區(qū)（P＜0.05）；0～40 cm 的交換性Mg/K 值表現(xiàn)為西水林區(qū)＞哈溪林區(qū)＞祁豐林區(qū)，祁豐林區(qū)顯著小于哈溪林區(qū)和西水林區(qū)（P＜0.05），40～60 cm土層則表現(xiàn)為祁豐林區(qū)＞西水林區(qū)＞哈溪林區(qū)，西水林區(qū)和哈溪林區(qū)顯著小于祁豐林區(qū)（P＜0.05），而60～100 cm 土層則表現(xiàn)為祁豐林區(qū)＞西水林區(qū)＞哈溪林區(qū)，3 個(gè)林區(qū)兩兩之間差異均顯著（P＜0.05）；不同林區(qū)同一土層的交換性Ca/Mg 值表現(xiàn)為祁豐林區(qū)＞哈溪林區(qū)＞西水林區(qū)，哈溪林區(qū)和西水林區(qū)顯著小于祁豐林區(qū)（P＜0.05）；(Ca+Mg)/SEB 值和K/SEB 值在3 個(gè)林區(qū)兩兩之間差異均不顯著（P＞0.05，表4）。

3 討 論

研究表明，天然林土壤OC 主要來(lái)源于枯落物歸還量，枯落物歸還量的大小在一定程度上決定了林地土壤OC 的含量[17]。本研究中，哈溪林區(qū)和西水林區(qū)的土壤OC 含量隨土壤深度增加而減少，而祁豐林區(qū)隨土壤深度增加而升高，但差異不大，原因可能是由3個(gè)林區(qū)的群落結(jié)構(gòu)決定的[15]。哈溪林區(qū)和西水林區(qū)的林地生物生產(chǎn)力較祁豐林區(qū)的林地生物生產(chǎn)力高，枯落物歸還量大。哈溪林區(qū)和西水林區(qū)的土壤OC 含量在60 cm 以下其含量變化不明顯，原因是青海云杉林是淺根性樹種。不同林區(qū)在0～60 cm 土層深度均表現(xiàn)為哈溪林區(qū)和西水林區(qū)CEC和OC含量顯著大于祁豐林區(qū)?？傊嗪Ｔ粕剂滞寥繡EC 和OC 在剖面上的變化和在不同林區(qū)的分布是枯落物歸還量大小和根系分泌作用的結(jié)果。相關(guān)研究表明，土壤CEC 與OC 存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系，本研究結(jié)果也證明了這一結(jié)論。

交換性K+在土壤剖面上的分布呈明顯的表聚性，與林地生物歸還、林木根系吸收營(yíng)養(yǎng)等生物作用致使土壤深層中的K 上移運(yùn)行有關(guān)。交換性Na+、Ca2+、Mg2+在土壤剖面上的變化規(guī)律可能與生物物質(zhì)循環(huán)、成土母質(zhì)和淋溶作用等綜合因素有關(guān)。由于研究區(qū)0～100 cm 土層深度的土壤交換性鹽基Ca2+占鹽基總量的73.97%以上，其含量隨土壤深度增加而減少，鹽基總量亦隨土壤深度增加其含量不斷減少。不同林區(qū)交換性K+、Na+、Ca2+、Mg2+含量大小表現(xiàn)為Ca2+＞Mg2+＞Na+＞K+，表明土壤中分布的鹽基離子以交換性Ca2+和Mg2+為主，這與研究區(qū)青海云杉林土壤中富含碳酸鈣和土壤形成過(guò)程中對(duì)Ca、Mg 的優(yōu)先固持作用有一定的關(guān)系[1]。不同林區(qū)淺層土壤交換性K+（0～10 cm）和Mg2+（0～40 cm）的分布表明其主要源于枯落物的積累和分解作用，而深層土壤交換性K+和Mg2+分布及其含量變化不明顯。交換性Na+、Ca2+的分布可能與成土母質(zhì)的礦物成分和風(fēng)化程度及氣候條件密切相關(guān)。不同林區(qū)鹽基總量分布可能是哈溪林區(qū)和西水林區(qū)較祁豐林區(qū)降水量多等氣候影響加上較強(qiáng)的植被生物作用，土壤風(fēng)化過(guò)程釋放出大量的Ca2+，Ca2+在交換性鹽基增加過(guò)程中起主導(dǎo)作用，導(dǎo)致哈溪林區(qū)和西水林區(qū)在0～40 cm 土層的SEB 含量大于祁豐林區(qū)。

植物對(duì)養(yǎng)分的吸收，與土壤養(yǎng)分的比例特別是土壤交換性養(yǎng)分的比例有著密切的關(guān)系[17]。交換性K+在土壤中相對(duì)富集，隨土壤深度的增加，交換性Ca/K 不斷增加，交換性K/SEB 不斷減小。交換性Mg2+占鹽基總量的比例較交換性K+比例大，交換性Mg2+的含量決定了交換性Mg/K 值在不同土層的變化規(guī)律。交換性Ca2+、Mg2+在剖面的變化規(guī)律決定了交換性Ca/Mg 值在不同土層的變化規(guī)律。交換性Ca2+、Mg2+是研究區(qū)土壤中的主要鹽基離子，并且在鹽基總量占的比重大，因此(Ca+Mg)/SEB 值變化不明顯。不同林區(qū)的交換性K+、Ca2+含量分布決定了Ca/K 值在哈溪林區(qū)和西水林區(qū)大于祁豐林區(qū)，而K/SEB 在不同林區(qū)的差異性不顯著。交換性K+、Mg2+含量在不同林區(qū)的變化規(guī)律使得Mg/K 值在不同林區(qū)的變化規(guī)律亦不同。交換性Ca/Mg 值表征了土壤Ca 和Mg 的生物有效性及土壤生態(tài)過(guò)程的變化，還對(duì)土壤養(yǎng)分的生物有效性如K 產(chǎn)生影響[18]，不同林區(qū)的交換性Ca/Mg 值可能與Ca 的風(fēng)化有很大的關(guān)系。

本研究?jī)H對(duì)祁連山不同地形條件下分布的青海云杉林土壤CEC、OC 及交換性K+、Na+、Ca2+、Mg2+的含量及比例在剖面上的分布規(guī)律進(jìn)行了研究，要想真正弄清青海云杉林分布對(duì)土壤交換性鹽基及比例的影響及其機(jī)理，需要對(duì)青海云杉林植物的基本特性如林木根系分布、生物量的地上地下分配、生物量的循環(huán)速率等進(jìn)行分析，同時(shí)對(duì)其他相關(guān)影響因素也予以考慮。

4 結(jié) 論

祁連山東段、中段和西段分布的青海云杉林對(duì)其林下分布的土壤CEC、OC、交換性K+、Na+、Ca2+、Mg2+含量及比例產(chǎn)生明顯的影響，其在土壤剖面和不同林區(qū)具有各自的變化特點(diǎn)。祁連山青海云杉林分布帶土壤CEC 與OC 存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系。交換性鹽基含量的大小不同決定了Ca/K、Mg/K、Ca/Mg 值在土壤剖面和不同林區(qū)亦存在較大差異。土壤鹽基組成以交換性Ca2+和Mg2+為主、K+含量最小，決定了(Ca+Mg)/SEB和K/SEB 值在土壤剖面和不同林區(qū)的差異性不明顯。綜上，哈溪林區(qū)和西水林區(qū)土壤有效養(yǎng)分供應(yīng)較好于祁豐林區(qū)。