托木尔峰南坡不同植被类型土壤特性及其与海拔的关系

马国飞，满苏尔·沙比提，张雪琪(新疆师范大学 地理科学与旅游学院，新疆 乌鲁木齐 830054)

托木尔峰南坡不同植被类型土壤特性及其与海拔的关系

马国飞，满苏尔·沙比提，张雪琪
(新疆师范大学 地理科学与旅游学院，新疆 乌鲁木齐 830054)

为了探究托木尔峰自然保护区南坡不同植被类型土壤特性与海拔的关系，对托木尔峰国家级自然保护区台兰河上游河谷不同海拔下草地、灌木地和森林地的表层(0-10 cm)土壤理化性质进行分析。结果表明：1)土壤颗粒度随海拔的增加而趋于细化；不同植被类型间土壤自然含水率差异明显，与其相应的海拔之间均呈正相关关系。2)草地土壤中的变异系数(CV)>1.0，属强变异；森林土壤中全盐的CV≤0.1，为弱变异；其它所有样地的盐分离子的CV均在0.1～1.0，为中等变异。灌木地土壤中NaCl和K++Na+及森林地土壤中Cl-和SO42-与海拔间表现为极显著负相关关系(P<0.01)。3)土壤pH与海拔间呈显著负相关关系(P<0.05)；土壤有机质含量大小顺序为森林地>草地>灌木地，全磷含量表现为为森林地>灌木地>草地，全氮含量表现为草地>森林地>灌木地，碳氮比表现森林地>灌木地>草地；有机质、全氮、碳氮比均属中等变异，全磷属弱变异。除草地的土壤碳氮比以及森林的土壤碳氮比和全磷以外，土壤各养分指标与海拔间均表现出极显著(P<0.01)或显著(P<0.05)相关性。本研究可为根据不同海拔植被类型的土壤理化特征对该保护区采取合理的管护模式，改善保护区的生态环境，促进其健康可持续的发展提供参考依据。

托木尔峰；土壤；海拔；颗粒度；自然含水率；盐分；养分

土壤理化性质是反映土壤质量的主要参数和重要组成部分，也是土壤肥力的重要属性和土壤理论研究的基础[1]。土壤理化性质不仅能反映土壤的结构状况和水源涵养能力，而且也影响着植被的生长发育[2]。研究[3]表明，不同植被类型土壤的养分积累及平衡状况存在差异，其空间变异主要受海拔、地形、植被、根系分布状况等因素的影响。国内外学者对不同时空尺度上土壤理化性质的研究已相对成熟和丰富[4-7]。天山作为对亚洲乃至全球地理格局极具影响力的地理单元，人类对天山的探索与研究从未止步。目前，对天山南北坡土壤的理化性质研究也有一定的进展[2,8-10]，但是对天山托木尔峰自然保护区土壤植被等方面的研究却很少[11]。

天山托木尔峰国家级自然保护区位于新疆阿克苏地区温宿县境内(41°40′-42°04′ N，79°50′-80°54′ E)，总面积3.436×105hm2，是我国少有的高山自然保护区。自然保护区海拔从1 450 m升至7 443 m，垂直高差近6 000 m，共发育了从暖温带荒漠带到冰雪带7个垂直自然带，形成天山南坡最完整的垂直自然带谱。是以保护高山冰川和其下的森林和野生动植物及其生境为主，以水源涵养、生态旅游和科学研究为一体化的综合性国家级自然保护区。自然保护区作为天山最大的冰川作用中心及众多内陆河水系的发源地，是新疆重要的水资源补给区，被誉为“天然水塔”，生态地位十分重要，是新疆重要的生态屏障。而且还是重要的农牧业生产地，其生态环境的优劣，直接关系到新疆2 000多万人口的生态安全[12]。本研究以天山托木尔峰自然保护区南坡台兰河上游河谷区域为研究对象，通过对其不同海拔植被类型的土壤理化性质和规律的分析，为科学保护和利用保护区土壤植被提供基础资料和理论支持。同时，通过对海拔与不同植被类型土壤理化性质间的相关性分析，为解释海拔作为土壤的重要影响因子提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

台兰河流域的地理位置为40°41′44″-42°15′13″ N，80°21′44″-81°10′44″ E，位于新疆阿克苏地区温宿县境内，发源于西南天山最高峰托木尔峰(海拔7 435.3 m)南麓，由大台兰河、小台兰河及塔克拉克河汇流而成。河流自北向南最终注入塔里木盆地，全长90 km，流域总面积为5 824 km2，为一独立水系。台兰河流域属典型干旱大陆性气候，流域内年均温为7.9 ℃，极端最高气温为37.6 ℃，最低气温为-27.4 ℃。多年平均降水量为182.6 mm，降水分布较集中且多出现在夏季，最大月降水量出现在7月，占年降水量的17.0%～22.8%[13]。高山区的水面蒸发量在600 mm左右，中山区在800～1 000 mm。

受北高南低总体地势的影响，流域自然景观垂直地带性明显，以荒漠带为基带(海拔2 100 m或阳坡2 300 m以下)，随着地形和土壤条件的不同，发育着不同的灌木和小半灌木。主要有霸王(Zygophyllumfabago)、琵琶柴(Reaumuriasoongarica)、假木贼(Anabasistruncata)等植被群落，一般盖度不超过20%,土壤类型以山地棕漠土为主。主要分为草地、灌木地和林地3种植被类型地，草地为山地荒漠草原带(海拔2 100～2 400 m或阳坡2 500 m)，其分布较狭窄，主要有戈壁针茅(Stipagobica)、沙生针茅(S.glareosa)和高加索针茅(S.caucasica)群落，总盖度在30%～50%,以山地棕钙土为主。灌木地主要有灌木类植被锦鸡儿(Caraganaturfanensis)广泛分布于此。林地主要为亚高山森林草原带，广泛占据在2 400～3 100 m海拔范围内，阴坡以雪岭云杉(Piceaschrenkiana)建群的山地阴暗针叶林为主，郁闭度0.3～0.7，林下出现藓类植物或灌木,下坡位草类植物多糙苏(Phlomisumbrosa)、车前草(Plantagoasiatica)，另外羊茅(Festucaovina)及天山异燕麦(Helictotrichonhookeri)和银穗草(Leucopoaolgae)等植被有局部分布，群落总盖度40%～60%；阳坡则以山地真草原为主，盖度在30%左右,以山地栗钙土为主。

1.2 研究方法

1.2.1 土样采集 于2016年7月在托木尔峰国家级自然保护区台兰河上游河谷自南向北选择3个海拔梯度(<1 900、1 900-2 200、2 200-2 600 m)设置具有代表性的小型样地30个。采用土钻法分别对各样地内不同植被下的土壤表层(0-10 cm)进行取样(因研究区大部分采样点土壤底层碎岩过多，底层土壤很难采集)，每个样点取3个重复，将3次所采土样混合均匀后用四分法取土约0.5 kg装袋贴标并立即称重，取得草地土样12个(G1-G12)，灌木土样16个(S1-S16)，森林土样18个(F1-F18)，共46个(表1)。同时用GPS进行定位并记录每一采样点的精确地理坐标及高程数据。

1.2.2 土壤理化性质测定 土壤的机械组成在0.02～1 000 μm粒级内的用Malvern激光粒度仪进行测定[14]，重复测量误差小于2%，大于1 000 μm的颗粒用机械筛选法称重获得；土壤粒径划分则参考“土壤粒级划分标准”[15]，其中，粘粒粒径<0.005 mm，粉粒粒径0.005～0.050 mm。

土壤水溶性盐分总量用质量法测定，CO32-和HCO3-采用双指示剂法和盐酸滴定法测定，Cl-采用AgNO3滴定法测定，SO42-采用容量法测定，Ca2+、Mg2+采用EDTA络合滴定法测定，K+、Na+采用差减法测定；土壤pH使用PHS-4型智能酸度计测定土壤浸提液(土水比为1∶5)，土壤有机质测定用重铬酸钾-容量法，全氮测定用重铬酸钾-硫酸消化法，全磷的测定用酸溶-钼锑抗比色法[16]。

土壤自然含水率的计算公式：

土壤自然含水率=(土壤自然湿重-土壤烘干重)/土壤烘干重×100%[16]。

变异系数(CV)=(标准差/均值)×100%。

通常认为，变异系数(CV)≤0.1为弱变异性；0.1

1.3 数据统计

采用统计学软件SPSS 21.0对土壤理化性质相关数据进行统计和相关性分析，利用Excel进行图表的制作。

表1 研究区样地基本概况Table 1 Basic characteristics of sample plots

续表1

样地Sampleplot地理坐标Geographiccoordinates海拔Altitude/m样点SampleH2080°21′47．98″E41°49′43．73″N2360．38F8H2180°21′32．12″E41°50′01．53″N2445．30F9H2280°21′16．42″E41°50′14．57″N2460．43F10H2380°21′02．06″E41°50′29．86″N2478．90F11H2480°20′42．77″E41°50′45．09″N2501．93F12H2580°20′27．46″E41°51′02．85″N2556．20F13H2680°20′18．62″E41°51′16．38″N2551．57F14H2780°20′14．36″E41°51′30．33″N2555．32F15H2880°20′08．73″E41°51′46．89″N2561．72F16H2980°20′00．77″E41°52′00．33″N2566．77F17H3080°19′53．71″E41°52′15．98″N2571．63F18

2 结果与分析

2.1 土壤质地及水分含量与海拔间关系

海拔<1 900 m的土壤质地为山地棕漠土，海拔1 900-2 200 m的土壤质地为山地棕钙土，海拔2 200-2 600 m的土壤质地为山地粟钙土。3个海拔梯度的土样中粉粒(0.005<粒径<0.050 mm)含量分别为22.05%、48.63%和54.42%，粘粒(粒径<0.005 mm)含量分别为10.70%、15.79%和24.29%(图1)。3个海拔梯度下表层土壤中的粉粒含量和粘粒含量均随海拔的增加而增多。说明表层土壤颗粒度随海拔的增加呈细化趋势。

草地土壤表层(0-10 cm)的自然含水率在0.090～0.436，平均自然含水率为0.253；灌木样地表层土壤自然含水率在0.084～0.710，平均自然含水率为0.255；森林样地表层土壤自然含水率介于0.213～0.755，平均自然含水率为0.451(图2)。不同植被类型的土壤平均自然含水率大小表现为森林地>灌木地>草地，存在较明显的差异。草地的土壤自然含水率与其海拔之间呈对数相关关系(R=0.789，P<0.01)，灌木土壤自然含水率与其海拔之间呈显著的多项式相关关系(R=0.849，P<0.01)，森林土壤自然含水率与其海拔之间为乘幂相关关系(R=0.515，P<0.05)。因此，各植被类型的土壤自然含水率与其海拔之间均存在正相关关系，即随研究区海拔的增加，土壤自然含水率也不断上升。

图2 不同植被类型土壤自然含水率与其海拔的相关关系Fig. 2 Changes in soil moisture content with altitude gradient

2.2 不同植被类型土壤盐分与海拔间关系

2.2.1 不同植被类型土壤离子组成 研究区未检测出CO32-，草地土壤中阴离子的平均含量表现为Cl->HCO3->SO42-，灌木地和森林地均表现为HCO3->Cl->SO42-，阴离子以Cl-和HCO3-为主(表2)。草地和灌木地土壤中阳离子的平均含量表现为K++Na+>Ca2+>Mg2+，森林地表现为Ca2+>K++Na+>Mg2+，阳离子以K++Na+和Ca2+为主。NaCl含量的大小顺序为草地>灌木地>森林地。

变异系数(CV)的大小表示土壤特性空间变异的大小，研究区各植被类型土壤盐分离子的空间差异大小不同。草地土壤中Ca2+的CV>1.0，属强变异；森林地的土壤NaCl的CV≤0.1，为弱变异；其它各样地的离子的CV均在0.1～1.0，为中等变异。整体来看，研究区土壤盐分离子的空间差异不大。

2.2.2 不同植被类型土壤盐分与海拔间相关性分析 草地土壤中NaCl及各离子含量与海拔间相关性均不显著(P>0.05)，这可能与草地样地土壤类型同一性及海拔梯度较小有关(表3)。灌木地土壤中NaCl和K++Na+与海拔间表现为极显著负相关关系(P<0.01)，SO42-和Ca2+与海拔间则表现为显著正相关关系，其它的可溶性盐分离子均与海拔之间的相关性不显著(P>0.05)。森林地土壤中Cl-和SO42-与海拔间表现为极显著负相关关系，Mg2+与海拔间则表现为显著正相关关系，NaCl与海拔间呈负相关关系但并不显著，其它的可溶性盐分离子与海拔之间的相关性不显著。

2.3 不同植被类型土壤养分与海拔间的关系

2.3.1 不同植被类型土壤养分含量分析 研究区表层土壤pH在7.58～8.20，呈弱碱性(表4)。3种植被类型的表层土壤有机质含量表现为森林地>草地>灌木地；全磷含量表现为森林地>灌木地>草地，全氮含量表现为草地>森林地>灌木地，C/N表现为森林地>灌木地>草地。由各项土壤养分指标的CV可知，各植被类型的土壤pH的CV≤0.1，为弱变异；有机质、全氮、C/N均属中等变异，灌木地土壤有机质的CV最高，为0.62，这可能与灌木地样地的垂直跨幅较大有关，研究区灌木样地分布范围自海拔1 796.5 m延伸至海拔2 420.7 m，垂直幅度达600 m，占据3个垂直自然地带，随着诸多因素的变化导致其不同海拔灌木样地中土壤有机质分解速率、周转时间及积累量的差异显著。3种植被类型土壤中全磷的CV分别为0.05、0.06、0.03，均属弱变异，表明不同植被类型下土壤全磷含量均较稳定，在土壤中下迁缓慢，成土母质及成土过程中生物风化作用可能是导致其变异的原因，外界环境对土壤全磷含量的影响微小。

表2 土壤盐分特征值Table 2 Statistical featuresof soil salinity

表3 不同植被类型土壤盐分与海拔间的关系Table 3 Relationship between soil salinity in different vegetation types and altitudes

注：**表示极显著相关(P<0.01)；*表示显著相关(P<0.05)。表5同。

Note: ** indicate significant correlation at the 0.01 level; * indicate significant correlation at the 0.05 level. similarly for Table 5.

2.3.2 不同植被类型土壤各养分指标与海拔间相关性分析 草地土壤pH与其海拔间呈多项式相关关系(R=-0.794，P<0.01)，灌木地二者呈多项式相关关系(R=-0.762，P<0.05)，森林地中二者呈极显著的多项式相关关系(R=-0.928，P<0.01)，即随海拔的增加，表层土壤pH呈不断降低趋势(表5)。草地的土壤有机质、全磷、全氮含量与海拔之间呈极显著正相关关系(P<0.01)，土壤有机质与全氮、全磷和C/N均呈极显著正相关关系，全氮与全磷呈极显著正相关关系；灌木地的土壤有机质、全磷、全氮、C/N与海拔均呈极显著正相关关系，而pH与海拔呈显著负相关关系(P<0.05)，有机质与全氮和C/N呈极显著正相关关系，全氮与全磷呈极显著正相关关系；森林土壤中有机质、全氮与海拔均呈极显著正相关关系，而海拔、有机质、全氮与pH均呈极显著负相关关系，有机质与全氮、C/N均呈极显著正相关关系，而全磷、全氮与C/N相关不显著(P>0.05)。

3 讨论

土壤质地又称土壤机械组成，是指土壤粒径的大小及其占比。它不仅影响土壤的理化性质，而且与植物生长所需的生境关系密切。研究区各样地表层土壤粒径大小随海拔的增加呈不断细化趋势。研究区海拔基本处在1 800-2 600 m，从低到高，气温及降水量的变化决定了植被类型的演化，随植被群落的丰富，生物化学风化加强，腐殖质有较多积累，土层发育较好并存在有残积粘化现象，粘化现象反映了就地成土的风化特征与风化方向[11]，这对土壤粒径大小的空间变化产生重大影响。气候、植被等条件通过影响土壤发育过程进而影响土壤粒径的大小分布，这与岷江上游河谷土壤粒径研究结果一致[18]。而与刘淑娟等[15]提出的土壤粒径主要受土壤湿度、区域风力影响的观点却不相同。主要原因是目前诸多关于土壤粒度、质地分布的研究对象多为沙漠绿洲、河流下游平原区域，而这一观点用于推测山地地形的土壤粒径变化成因显然是不合适的。从研究区水热条件和植被群落等因素的变化和演替现象可以看出，这一现象与土壤粒度的地带性分布有密切关系。

表4 土壤养分特征值Table 4 Statistical featuresof soil nutrients

表5 不同植被类型土壤养分与海拔间的关系Table 5 Relationship between soil nutrients in different vegetation types and altitudes

土壤水分是影响水土保持过程的关键因子之一，也是影响植被生长的重要因素[19]。本研究得出，研究区不同海拔、不同植被类型的土壤自然含水率的差异明显，随研究区内海拔的增加，不同植被类型的土壤自然含水率均呈现出不断累积上升的趋势。这与赵成义等[20]关于新疆降水随海拔变化的区域分异特征的研究结果相一致。土壤含水量受海拔、气候条件、植被覆盖度及土壤发育状况等诸多因素的共同作用而表现出一定的梯度变化。

土壤中盐分含量的高低直接影响着土壤养分含量的积累和转化，对土壤肥力大小形成制约作用[17]。结果表明，研究区表层土壤盐分含量偏小，除Ca2+以外，空间差异整体不显著。在研究区山地生境下，人为干扰活动少，自然植被几乎不被破坏，加上降水量的增加，土壤淋溶作用强，表层土壤中的大部分盐分随水分下渗被带入深层。而钙离子最大值出现在草地土壤中，一方面是受母质成分影响，另一方面草地各样地间植被盖度的巨大差异也是造成这一结果的重要因素。托木尔峰国家级自然保护区南坡低山地带存在第三纪含盐地层，其岩层为浅红棕色泥岩、粉砂岩夹有盐岩或与石膏互层，成为山区土壤形成的基础[11]。再加上草地样地分布幅度较大，水热条件的显著差异也对这一结果产生深刻影响。

土壤pH与土壤含水量的空间分布规律相反，研究表明，研究区表层土壤呈弱碱性，不同植被类型的土壤pH与海拔之间均存在显著的负相关关系，土壤pH值随海拔的上升而呈现不断降低趋势，这与不同海拔的降水淋溶作用、有机酸含量及植被覆盖度等环境因子影响存在密切关系[21]，受研究区地形影响，随着海拔的增加，容易导致地形雨形成，降水增加使土壤表层的易溶盐分得到淋溶，土壤表层pH亦随之降低。而另一方面与不同植被形成的生态系统对其下覆土壤的生物风化作用存在着密切关系，主要是由于随海拔的上升，植被组成逐渐丰富，大量的植被凋落物覆盖在土壤表层引起盐基离子的下移，且表层土壤枯落物层有机质的分解过程中产生的中间产物单宁有机酸多，导致土壤pH均有所下降。研究结果也反映出土壤酸碱度在海拔的影响下表现出一定的规律性。

受研究区北高南低的地势影响，降水量随海拔的增加而递增，气温的变化则相反，研究区土壤随海拔增加而温度逐渐下降，土壤有机质层的分解受土壤微生物及各种土壤酶活性被抑制的影响而减缓了土壤成分中有机质的分解速率[22]。另一方面，由于植被群落的更替和随海拔上升其覆盖度不断增加，植被枯落物愈加覆盖及腐化，进一步加快了有机质的积累。研究区不同植被类型土壤养分含量的差异主要受海拔、气候、母质及生物干扰的影响[21]。此外，全氮等的含量还受有机质控制及与土壤中粘粒含量的变化有关[8]。土壤中有机质是各种营养元素的重要来源，其中氮元素一般以有机态形式存在，是土壤有机质的重要组成部分。本研究中各植被类型的表层土壤有机质含量与全氮均呈极显著正相关关系，因此，全氮与有机质的空间分布趋势一致[23]。土壤全磷与有机质在草地样地中表现出极显著的相关性，但随海拔和植被类型的变化，土壤全磷均较稳定，变异性最弱，表明全磷除与其总含量及植被因素相关外，与成土母质也存在一定的关系[3]。C/N作为土壤质量的敏感指标，是衡量土壤碳、氮营养平衡状况的重要参数，其变化对土壤碳氮循环有重要的影响[4]。本研究分析表明不同植被类型表层土壤中C/N与有机质均呈极显著正相关，说明研究区表层土壤中有机质含量对C/N的影响明显。

4 结论

研究区不同海拔梯度下表层土壤中粉粒(0.005<粒径<0.050 mm)的颗粒度含量比例均大于粘粒(粒径<0.005 mm)，且土壤颗粒度含量比例均随着海拔的增加而升高，土壤粒径随海拔上升趋于细化。

不同植被类型的土壤自然含水率表现出显著的差异性，森林地土壤的自然含水率为最高；不同海拔梯度下3种植被类型的土壤自然含水率均表现出随海拔的增加而累积上升的趋势。

草地土壤盐分含量最高，空间差异较弱，其与海拔间相关性不显著，NaCl含量仅在灌木地与海拔间相关性显著。不同海拔梯度下各植被类型土壤pH均为弱变异，但仍表现出随海拔上升整体呈下降趋势的空间变化规律。

森林地土壤养分最为丰富，除森林地全磷外，不同海拔梯度下草地、灌木、森林植被类型表层土壤养分均与海拔间表现出显著的相关性。

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(责任编辑 苟燕妮)

Relationship between soil properties in different vegetation types and altitudes on the south slope of Mt. Tuomuer

Ma Guo-fei, Mansur·Sabit, Zhang Xue-qi
(Xinjiang Normal University, Geography Science and Tourism Collage, Urumqi, 830054, China)

To explore the spatial distribution characteristics of soil physical and chemical properties on the south slope of Mt. Tuomuer,the physio-chemical properties of soil at different altitudes in Tailan River Valley were analyzed. The results showed that: 1)The grain size of the soil tended to be more refined as altitude increased; there was a significant difference in the soil moisture content in different vegetation types, anda positive correlation with altitude. 2)The coefficient of variation of in grassland soil was due to strong variation with the CV>1.0, and the coefficient of variation of the total salt in forest soils showed a weak variation with the CV≤0.1. In addition to, the coefficient of variation of other salt ions showed medium variation with the 0.1≤CV≤1.0.There was a very significant negative correlation between NaCl and K++Na+in shrub land, and Cl-and SO42-in forest land and at altitude (P<0.01). 3)There was a significant negative correlation between soil pH and altitude. The orderofthe content of surface soil organic matter in the study area was forest>grassland>shrub, the content of total P with forest>shrub>grassland, the content of total N with grass>forest>shrub, and the order of C/N with forest>shrub>grassland. Organic matter, total N, and C/N showed medium variation, whereas total P showed weak variation. There were highly significant or significant correlations between soil nutrient indexes and altitude, except for the grassland soilsamples’ C/N, as well as the forest soil’s C/N and total P. Therefore, a reasonable management model should be used to improve the ecological environment based on both vegetation types and soil properties in Tuomuer Nature Reserve at different altitudes.

Tuomuer; soil; altitude; granularity; soil moisture content; soil salinity; soil nutrient

Mansur·Sabit E-mail:mansursa@163.com

2016-08-16 接受日期：2017-02-24

国家自然科学基金项目(41461107)；新疆师范大学地理学博士点支撑学科开放课题基金项目(XJNU-DL-201608)

马国飞(1988-)，男，山西吕梁人，在读硕士生，主要从事干旱区绿洲生态研究。E-mail:1967260290@qq.com

满苏尔·沙比提(1963-)，男(维吾尔族)，新疆阿克苏人，教授，硕士，主要从事干旱区环境演变与灾害防控研究。 E-mail:mansursa@163.com

10.11829/j.issn.1001-0629.2016-0432

S154.4;Q948.2

A

1001-0629(2017)06-1149-10

马国飞，满苏尔·沙比提，张雪琪.托木尔峰南坡不同植被类型土壤特性及其与海拔的关系.草业科学,2017,34(6)：1149-1158.

Ma G F,Mansur·Sabit,Zhang X Q.Relationship between soil properties in different vegetation types and altitudes on the south slope of Mt. Tuomuer.Pratacultural Science，2017,34(6)：1149-1158.