托木尔峰自然保护区喀拉玉尔滚河上游河谷土壤理化性状特征

2018-03-20马国飞满苏尔沙比提

干旱地区农业研究 2018年1期

马国飞，满苏尔·沙比提

(新疆师范大学地理科学与旅游学院，新疆乌鲁木齐 830054)

土壤的理化性质作为土壤肥力的重要属性，集中反映了土壤的水、肥、气、热状况，是土壤肥力和土壤理论研究的基础。土壤的理化性状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[1-2]。土壤是时空连续的变异体，具有高度的空间异质性，不论地理位置、尺度大小，土壤的空间异质性均存在[3]。国内外学者对于在不同时空尺度上土壤的理化性质研究已相当成熟和丰富[4-8]。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，对天山南北坡的土壤理化性质研究也有一定的进展[2,9-11]，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[12]。本文以天山托木尔峰自然保护区喀拉玉尔滚河上游河谷区为研究对象，对土壤理化性质的空间分布进行分析，以期为该地区土壤资源利用、水土保持及生态研究等方面提供新资料和依据。

托木尔峰自然保护区位于南天山的托木尔峰山汇处。西部与吉尔吉斯斯坦，南部与阿克苏以北的低山山麓地带，北部与昭苏盆地的特克斯河，东与木扎尔特河毗连。地理坐标为79°50′～80°54′E，41°40′～42°04′N，保护区东西长105 km，南北宽28 km，总面积23.76×104hm2。自新第三纪以来，由于受到喜马拉雅造山运动影响，天山地区大幅度上升，对来自大西洋和北冰洋水汽的阻挡作用及垂直自然带的形成产生了极其深厚的影响。保护区属于温带大陆性半干旱气候，多年均温为8.7℃，平均降水量300 mm左右，气温和降水的垂直变化显著，主要河流由西向东依次为库马里克河、阿特依纳克河、台兰河、喀拉玉尔滚河和南木札尔特河[12]。受高山冰川作用、流水作用、干燥剥蚀作用等外营力作用强烈，地形地貌条件复杂，水热条件随海拔高度的变化明显，为不同植被类型及土壤类型的形成创造了有利的条件。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

喀拉玉尔滚河位于托木尔峰国家级自然保护区内，源于托木尔峰东侧的琼库孜巴依峰南麓，最高海拔5 300 m左右，山顶终年积雪。由大小库孜巴依河及库尔归鲁克河等三条支流在柯尔克孜民族聚居的博孜墩柯尔克孜民族乡汇流而成。山区积水面积740 km2，主要补给形式为高山冰雪融水，山区降水及泉水。丰水期和枯水期水量随山区气温变化而异，具有流程短，流量小，径流年际变化小的特点，属山溪型河流。河道全长95.5 km，盐山口以上50.5 km范围，四周高山环绕，山高谷深，河谷大部分为V型-U型，谷底纵坡陡，落差大，河谷中冰碛分布广泛，冰碛物保存完好。每年7—8月为丰水期，平均流量16.4 m3·s-1，枯水期在每年冬季至翌年初春，平均流量为2.3 m3·s-1，山口处多年平均径流量2.4亿m3左右[13]。研究区土壤类型以棕漠土(海拔1 900 m以下)、山地棕钙土(1 900～2 200 m)和山地栗钙土(2 200～2 600 m)为主[12]，局部出现红棕色泥壤、黄土及黄土状物质，研究区植被类型主要有旱生丛生禾草类植物戈壁针茅(Stipagobica)、沙生针茅(Stipaglareosa)、短花针茅(Stipabreviflora)、高加索针茅(Stipacaucasica)、克氏针茅(Stipasareptana)、羊茅(Festucaovina)，旱生小半灌木及灌木类植物琵琶柴(Reaumuriasoongorica)、假木贼(Anabasistruncata)、膜果麻黄(Ephedraprzewalskii)、霸王(Sarcozygiumxanthoxylon)、合头草(Sympegmaregelii)、驼绒藜(Ceratoideslatens)、紫苑木(Asterothamnusfruticosus)、蒿属(Artemisiaspp)、天山猪毛菜(Salsolajunatovii)、锦鸡儿(Caraganaspp)及伴生的中生和中旱生的禾草、豆科牧草和杂类草植物，如冰草(Agropyroncristatum)、马先蒿(Pedicularissongarica)、大看麦娘(Alopecuruspratensis)、早熟禾(Poapratensis)、山地糙苏(Phlomisoreophila)、龙胆(Gentiananutans)、唐松草(Thalictrumminus)、鸢尾(Irisruthenica)、野苜蓿(Medicagofalcata)、棘豆(Oxytropismerkensis)、火绒草(Leontopodiumleontopodioides)、野葱(Alliumchrysanthum)和委陵菜(Potentillamultifida)等。

1.2 研究方法

于2015年7月在托木尔峰国家级自然保护区喀拉玉尔滚河上游河谷区域进行了野外调查，土壤采样沿河谷进行，根据坡度、坡向、植被生长状况，选择具有代表性的样点。采用土钻法对土壤表层(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)，每一样点重复取样三次，将三次所采土样混合均匀后用四分法取土0.5 kg装袋贴标签并立即称重，共取得土样30个。同时用GPS进行定位并记录每个采样点的经纬度坐标及高程数据，生成研究区的样点分布图(图1)。

1.3 数据处理

数据处理采用统计学软件SPSS 21.0进行土壤理化性状的相关性分析，利用Excel进行图表的制作。

图1 研究区采样点分布

Fig.1 Distribution of sampling sites in the study area

2 结果与分析

2.1 土壤质地及水分含量

由于天山对西和西北湿润气流的阻挡作用，南、北坡气候的差异甚大，北坡气候较湿润，南坡气候较干旱，这种气候上的差异，深刻地影响托木尔峰南坡自然保区垂直自然带的形成。因此，地形地貌因素是形成托木尔峰自然保护区垂直自然带的基础，受地形地貌因素制约的水、热条件是形成各垂直自然带的最重要的物质和能量来源。水、热条件的垂直变化又深刻地制约着植被、土壤的垂直分布，构成特征明显的垂直自然带。研究区位处天山托木尔峰南坡，因天山的屏障作用，南坡较北坡干旱，南坡前山地受塔里木荒漠气候影响大，因此，南坡在垂直带方向上差异明显，水平位置差异不大[12]。研究区样点水平分布范围较小，且两侧高山与河谷南北向并行延伸，东西向差异微小，受垂直方向影响差异更为凸显，故按照研究区的土壤类型垂直分布规律，将土壤样品进行归类：1～2号土样为棕漠土(海拔1 900 m以下)，3～17号为山地棕钙土(1 900～2 200 m)，18～30号为山地栗钙土(2 200～2 600 m)。研究区各典型土壤类型的表层土壤颗粒大小变化图2所示。根据“土壤粒级划分标准”[15]，研究区土壤粒度分析结果显示，棕漠土、山地棕钙土、山地栗钙土粒径<0.01 mm的土壤含量占比分别为23.75%、49.83%、60.95%，粒径<0.001 mm的土壤含量占比分别为12.50%、18.79%、22.39%。随着海拔高度的增加，研究区各典型土壤类型的表层土壤颗粒度呈细化趋势。气候、植被因素从宏观方向影响土壤颗粒的大小，研究区海拔高度范围在1 800～2 500 m之间，从低到高，气温下降而降水量增加，决定了植被类型的演化，随植被群落的丰富，生物化学风化作用加强，腐殖质积累较厚，土层中微生物增加，土壤有较好的发育并有残积粘化现象存在，这对土壤颗粒大小产生重大影响。研究区受本区总的水热状况和风化程度等的影响，可看出风化过程呈地带性并与土壤地带性分布有密切关系。

图2 不同土壤类型表层土壤颗粒度

Fig.2 Surface soil granularity of different soil type

受研究区无站点资料所限，通过收集近几十年来新疆和托木尔峰地区以及与研究区相邻的台兰河流域的降雨量资料[16-18]作为参考，推测得出研究区降水量整体上随海拔的上升而增加的结论。研究区棕漠土的0～10 cm土壤自然含水率在7.69%～15.38%之间,平均自然含水率为11.54%；山地棕钙土的表层土壤自然含水率在9.76%～40.48%之间，平均自然含水率为22.35%；山地栗钙土表层土壤自然含水率介于17.92%～64.84%之间，平均自然含水率为41.01%；不同类型土壤的含水量存在较明显的差异。土壤含水率与海拔之间存在显著的正相关(图3),二者之间呈现很好的乘幂相关关系(R2=0.7897，R=0.889)，即随研究区内海拔高度的增加，土壤含水率也不断累积提高。

图3 土壤含水量与海拔的关系

Fig.3 Changes of soil water contents with the altitude gradient

2.2 土壤盐分含量和pH值

整个研究区表层土壤(0～10 cm)pH值与海拔高度之间存在显著的负相关性(R2=0.7203，R=-0.849，图4)，二者呈现很好的线性相关关系，即随海拔高度的增加，表层土壤pH值呈不断降低趋势。受研究区地形影响，随着海拔高度的增加，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值亦随之降低但并不明显。也可能是由于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值均有所下降[20]。

表1 土壤盐分含量描述性统计 Table 1 Descriptive statistics of various soil salt ions contents/(g·kg-1)

图4 土壤pH值与海拔的相关关系

Fig.4 The correlation between soil pH values and altitude gradient

图5 研究区土壤值 Fig.5 The soil salinization value in the study area

图6 研究区土壤含盐量

Fig.6 Soil salt content in the study area

2.3 土壤养分含量

2.3.1 土壤养分含量统计分析对喀拉玉尔滚河上游河谷区表层土壤的有机质、全N、全P、C/N等各项养分指标进行统计分析(表2)。结果表明，研究区表层土壤有机质含量为2.30～176.37 g·kg-1，全N指标含量为0.30～4.30 g·kg-1，全P指标含量为1.30～1.80 g·kg-1，C/N指标在9.00～20.70之间；由各项土壤养分指标的变异系数(CV)来看，研究区表层土壤各养分指标中，除全P外，有机质、全N、C/N均属中等变异，有机质的变异系数(CV)最高，为0.54，全P的变异系数(CV)仅为0.09，变异性最低，属弱变异，这与齐鹏等在祁连山中段青海云杉林土壤养分特征中的分析结果相一致[21]。

表2 土壤养分指标统计特征值 Table 2 Statistical feature values of soil nutrient

表3 土壤各养分指标与海拔间的相关性 Table 3 The correlation between altitude and soil nutrient index

注：**, 表示达到极显著相关(P<0.01)。

Note: **, mean significantly correlation at 0.01 level.

2.3.2 土壤各养分指标与海拔间相关性分析土壤各养分指标与海拔间的相关分析结果表明(表3)，有机质、全N、全P、C/N含量与海拔之间呈极显著正相关(P<0.01)，而pH值与海拔之间呈极显著负相关(P<0.01)，土壤pH值与有机质、全N、全P、C/N含量间呈极显著负相关关系(P<0.01)，土壤有机质与全N、全P及C/N含量间存在着极显著正相关性(P<0.01)，而全N也与全P和C/N含量之间存在着极显著正相关关系(P<0.01)，全P和C/N含量之间也表现为极显著正相关关系(P<0.01)。

受研究区北高南低的地势影响，气温随海拔高度的增加而递减，降水量则随高度的增加而递增，而这些都会减缓土壤成分中有机质的分解速率。由于植被枯落物的愈加覆盖及腐化，加快了有机质的积累。研究区不同海拔高度土壤养分含量的差异主要是受气候因子、植被类型和人类活动干扰的影响。此外，全N、全P等的含量、C/N还受有机质控制及与土壤中粘粒含量的变化有关[22]。土壤有机质是各种营养元素特别是N、P的重要来源，土壤中的N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。土壤有机质含量与全N含量呈现极显著正相关，全N含量取决于有机质含量，因此，全N含量与有机质的空间分布趋势一致[23]。本研究分析证明全P与土壤有机质表现出很好的相关关系，说明全P受有机质影响较大，但是值得注意的是，本研究区土样中全P含量的变异性最弱，在不同海拔高度的含量较稳定，表明P素含量除了与其总含量及植被因素有关外，还与成土母质有一定的关系。碳氮比(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[5]。本文分析表明表层土壤C/N与土壤有机质呈极显著正相关，表明研究区表层土壤有机质含量高的区域C/N也较高。

3 结论

研究区不同海拔的典型土壤棕漠土、山地棕钙土、山地栗钙土中粒径<0.01 mm的土壤含量占比分别为23.75%、49.83%、60.95%，粒径<0.001 mm的占比分别为12.50%、18.79%、22.39%，随着海拔的升高，研究区土壤颗粒度趋于细化；不同类型土壤的含水量存在比较明显的差异，土壤含水率与海拔之间呈极显著的正相关。

研究区表层土壤各养分指标中，除全P外，有机质、全N、C/N均属中等变异，有机质的变异系数最高，为0.54，全P的变异系数仅为0.09，变异性最弱，属弱变异；海拔及土壤各养分指标间相关分析结果表明，海拔、有机质、全N、全P、C/N各指标之间皆呈极显著正相关，且都与pH值之间呈极显著负相关。

总之，喀拉玉尔滚河上游河谷土壤的理化性状主要是在海拔梯度的影响下，同时受到多种影响因子的影响，而整体呈现出规律性垂直分带性的变化。

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