祁连山南坡不同土地利用方式下土壤理化性质及空间变异性分析

刁二龙，曹广超，曹生奎，袁 杰，虞 敏，付建新

(1. 青海师范大学 地理科学学院，青海 西宁 810008；2. 青海师范大学 青海省自然地理与环境过程重点实验室，青海 西宁 810008；3. 青藏高原地表过程与生态保育教育部重点实验室，青海 西宁 810008)

【研究意义】祁连山南坡地处青藏高原东北部，是西北地区重要的水源涵养地和生态安全屏障，在涵养水源、保育土壤、固碳释氧、营养物质积累等生态功能方面发挥着重要的作用，生态地位十分重要，引起了国家层面及学术界的广泛关注。国家层面，祁连山不仅设立有国家级自然保护区管理局，而且有中科院西北生态环境资源研究院等国内长期从事祁连山生态研究的科研机构，长期观测和分析研究祁连山生态系统变化状况，学术界，国内学者对祁连山做了大量研究，高永鹏等[1]基于校正后的SRTM数据与ASTER立体像对数据，利用大地测量法，对2000-2010年祁连山地区冰川冰储量变化进行应用研究，结果表明：2000-2010年祁连山冰川厚度平均减薄(5.68±2.76)m，冰川储量变化(-1.59±0.72)Gt，气温升高依然是冰川变化的主要因素；王忠武等[2]选取祁连山地区10个气象站1973-2016年最新气象资料，分析了全球变暖背景下祁连山地区气候变化特征，发现1973-2016年祁连山东、中、西段气候变化有明显的差异，其中祁连山中段气温升高、降水增多暖湿化的趋势最为显著；武正丽等[3]基于2000-2011年250 m分辨率的MODIS NDVI数据并结合气候资料，研究发现近10年来祁连山植被覆盖整体上呈增加趋势，全球气候变暖导致的降水增加是祁连山植被覆盖增加的主要原因。【前人研究进展】但纵观这些研究，主要围绕该区气候变化、冰川储量变化及植被覆盖变化等方面，而对祁连山南坡不同土地利用方式下土壤理化性质的研究较少。土壤含水量、pH值、有机质及电导率是土壤理化性质的基础，是进一步了解土壤理化性质差异的代用指标，在一定程度上可以反映出土壤质量状况，其中土壤水分不仅是植物生长必需的生态因子，也是土壤生态系统中物质和能量的流动介质；土壤酸碱性和有机质直接影响着土壤的物理、化学和生物过程，从而对土壤微生物和植物生长发育产生影响，同时也是植物和微生物生命活动所需养分和能量的源泉；土壤电导率作为土壤盐分状况的指标，是确定土壤盐渍化程度的重要指标[4]，不同土地利用方式[5-6]会影响土壤含水量、pH值、有机质及电导率。【本研究切入点】基于此，本文以祁连山南坡不同土地利用方式为研究对象，对不同土地利用方式下土壤含水量、pH值、有机质及电导率进行分析。【拟解决的关键问题】以期为该区土壤资源可持续利用和生态保护提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区地处青藏、黄土高原交汇处，总面积约为2.4×104km2。地理位置为E 98°08′13″(102°38′16″，N 37°03′17″(39°05′56″，平均海拔3800 m。受地形和气候的影响，土壤和植被垂直分异明显，土壤类型包括山地森林土、灰褐土、栗钙土、黑钙土、高山草原土、草甸土、寒漠土，森林植被以寒温性针叶林为主，主要森林类型有以青海云杉为主要建群种的针叶林、由青海云杉、祁连圆柏组成的针叶混交林、祁连圆柏疏林、山杨、红桦、白桦组成的阔叶林以及针阔混交林；灌丛类型主要有金露梅灌丛、山生柳灌丛及箭叶锦鸡儿等；草本植物主要有禾本科、蒿草、苔草、马先蒿等[7]。

1.2 土壤样品采集

基于研究区地形、地貌、海拔与植被类型现状，结合野外调查，于2017年8月，通过手持GPS定位预采样点，对不同土地利用方式下的土壤进行采集，其中自然生长环境下植被类型选择青海云杉、金露梅灌丛、高寒草地、沼泽湿地，耕地选择青稞地，分别对其土壤进行采集。每种植被类型下设置面积为20 m×20 m的标准样地，在布设好的样地中随机设置1 m×1 m标准样框，用直径为5 cm的土钻自上而下每隔10 cm逐层采集土样，采样深度50 cm，去除土样中的植物根系和残渣后装入自封袋称重，共布设采样点93个，采集土壤样品465件。将土样带回实验室自然风干后磨碎过筛测量相关指标。

1.3 指标测定及数据方法

土壤pH值按5∶1水土体积质量比混合，用pH计(pHs-3C)进行测试；土壤电导率按5∶1水土体积质量比制备待测液，用便携式电导率仪测定；土壤有机质用重铬酸钾氧化-外加热法测定；土壤含水量用烘干法测定，将20 g左右的新鲜土样在105 ℃条件下烘烤12 h，至质量恒定时求出土壤失水重量占烘干重量的百分数，即为土样所含水分质量。以上实验均在青海省自然地理与环境过程重点实验室完成，各指标测定完成后，利用SPSS 20.0进行数据处理分析，采用Duncan进行不同土地利用方式差异性分析，通过Grapher 9.0完成图表制作。

图1 研究区位置及采样概况图Fig.1 Location of the study area and distribution of the sampling sites

表1 研究区5种土地利用方式下土壤含水量变化情况

2 结果与分析

2.1 土壤含水量分布特征

由表1可知，除耕地外，青海云杉、金露梅灌丛、高寒草地、沼泽湿地表层土壤含水量均大于底层土壤含水量。沼泽湿地的土壤含水量最大，平均含水量为48.48 %，其次为金露梅灌丛(30.71 %)、高寒草地(28.93 %)、青海云杉(25.99 %)，耕地土壤含水量最小(12.76 %)。沼泽湿地的土壤含水量最大是因为其表层存在着大量的枯落物和腐殖质，本身具有较强的持水能力，当枯落物混入土壤后会增大土壤孔隙度，降低土壤容重，土壤的持水能力与持水量增加[8]，同时湿地所处的海拔较高，温度较低、蒸发较弱，而降水量较多，故本研究中沼泽湿地的土壤含水量最大。而高寒草地的土壤含水量相对较高主要是草本植被与林木相比具有较浅的根系和较小的冠层，故其蒸腾和耗水较小[9]，此外草地根系主要集中在表层，对降雨具有截留作用，使得草地的土壤含水量相对林地较高。由于采样时间为作物生长季，作物生长对水分的消耗量大，且地表蒸散发强烈，所以耕地表层土壤含水量相对较低，此外0-20 cm土层接近地表，属于耕作层，入渗条件好，持水能力差，所以耕地下层土壤含水量较表层含水量高[10]。

不同土地利用方式下土壤含水量垂直分布特征如图2(a)所示，随土壤深度的增加，青海云杉、金露梅灌丛、高寒草地、沼泽湿地的土壤含水量均呈减少趋势，而耕地的土壤含水量变化趋势与其它4种植被类型的土壤含水量变化趋势相反。土壤含水量垂直变异性如图2(b)所示，除耕地外，其它4种土地利用方式下表层(0～20 cm)和底层(20～50 cm)土壤含水量变异性均较大，变异系数均在30 %以上，10 %

2.2 土壤pH值分布特征

由表2可知，5种不同土地利用方式下表层土壤pH值均小于底层土壤pH值，0～50 cm土层，土壤pH均值大小依次为耕地(7.75)>高寒草地(7.63)>青海云杉(7.62)>沼泽湿地(7.61)>金露梅灌丛(7.60)，供试土样pH值在7.29～7.94，平均值为7.64，表明研究区5种不同土地利用方式下的土壤酸碱度以中性和弱碱性为主，符合我国西北干旱半干旱区土壤大多呈碱性的特征。高寒草地、青海云杉、沼泽湿地、金露梅灌丛表层pH较小这可能是由于土壤动物和微生物活动频繁产生一些代谢物，同时表层的枯落物在分解过程中会产生或释放一些有机酸等酸性物质[12]，释放H+对碱性环境产生一定的中和作用，继而降低了表层土壤的pH值，而耕地表层pH较小可能是由于施肥降低了土壤的碱性。

图2 不同土地利用方式下土壤含水量沿剖面变化及表层和底层变异情况Fig.2 Variation of moisture content along profile and changes in surface and ground layers

表2 研究区5种土地利用方式下土壤pH变化情况

不同土地利用方式下土壤pH值垂直分布特征如图3(a)所示，随土壤深度的增加，5种土地利用方式下的土壤pH值均呈逐渐增大的趋势。土壤pH值垂直变异性如图3(b)所示，

5种不同土地利用方式下土壤pH值垂直空间变异性均较小，表层和底层变异系数均在6 %以下，c.v.<10 %，为弱变异性，即土壤pH值在垂直剖面上保持相对稳定性。土壤pH值垂直变异性大小为，金露梅灌丛最小(2.86 %)，其次为青海云杉(3.49 %)、耕地(3.77 %)、高寒草地(4.26 %)，沼泽湿地最大(5.37 %)。将土壤划分为表层(0～20 cm)和底层(20～50 cm)2个层次进行分析，青海云杉和耕地的土壤pH值垂直变化主要表现在表层，而金露梅灌丛、高寒草地、沼泽湿地则主要表现在下层。这可能是因为耕地受施肥、耕作等的影响增大了表层土壤pH值的变异性。林地下分布着一定数量的枯落物，枯落物经分解和腐殖化，转变成为腐殖质，腐殖质中含有腐殖质酸[13]，导致了表层土壤pH值降低，而对下层土壤的影响较小。沼泽湿地、金露梅灌丛和高寒草地的土壤pH值垂直变化主要表现在下层(20～50 cm)这可能与土壤含水量有关，本文中湿地、灌丛和草地土壤含水量随土层深度增加呈减少趋势，而pH值随土层深度增加而增大，表明土壤含水量会影响土壤pH值，这与高海峰等人[14]的研究结果一致。

2.3 土壤有机质分布特征

由表3可知，0～50 cm土层，土壤有机质均值大小依次为青海云杉(59.64 g/kg)>沼泽湿地(54.51 g/kg)>金露梅灌丛(52.83 g/kg)>耕地(52.07 g/kg)>高寒草地(47.99 g/kg)，根据全国第二次土壤普查及有关标准，将土壤养分含量划分为6个等级，一级(有机质>40 g/kg)，二级(30～40 g/kg)，三级(20～30 g/kg)，四级(10～20 g/kg)，五级(6～10 g/kg)，六级(<6 g/kg)，5种不同土地利用方式下土壤有机质含量均大于40 g/kg，处于有机质含量6个等级中的一级，表明研究区土壤较肥沃。

图3 不同土地利用类型下土壤pH沿剖面变化及表层和底层变异情况 Fig.3 Variation of pH along profile and changes in surface and ground layers

表3 研究区5种土地利用方式下土壤有机质变化情况

青海云杉有机质含量较高，部分原因是林下枯落物较多，经过微生物的分解作用转化成有机质[15]，且林地受人为扰动小，土壤有机质积累多分解少。而耕地土壤有机质含量较高与施肥有关。

不同土地利用方式下土壤有机质垂分布特征如图4(a)所示，随土壤深度的增加，土壤有机质含量均呈减少趋势。不同土地利用方式下土壤有机质在各层次的变异性表现为高寒草地最高，变异系数为63.88%，沼泽湿地最小，为41.51 %，10 %

2.4 土壤电导率分布特征

由表4可知，5种土地利用方式下表层土壤电导率均大于底层土壤电导率，0～50 cm土层，沼泽湿地土壤电导率均值最大，为123.8 μs·cm-1；其次为青海云杉、耕地和高寒草地，分别为118.16、102.6和100.88 μs·cm-1；金露梅灌丛土壤电导率均值最小，为98.48 μs·cm-1。沼泽湿地土壤电导率均值最大是因为湿地生境具有地势低洼、通气不良、排水不畅的特点，地表有常年积水或季节性积水[16]，影响了土壤的渗透性，土壤毛细管的蒸腾将地下水中的盐分带到表面，容易引起盐分在地表的积累。按照《中国盐渍土》对中国滨海盐土、半湿润半干旱区盐渍土壤盐化分级指标，当电导率<243 μs·cm-1为非盐化；243～486 μs·cm-1为轻度盐化，研究区5种土地利用方式下的土壤电导率均小于243 μs·cm-1，未出现盐渍化现象。

不同土地利用方式下土壤电导率垂直分布特征如图5(a)所示，研究区5种土地利用方式下土壤电导率表现出明显的“表聚性”，即0～10 cm土层电导率值最大，随土壤深度的增加电导率值总体上呈减小趋势。0～50 cm土层深度，金露梅灌丛的土壤电导率变异系数最大，为31.51 %，高寒草地的变异系数最小，为23.42 %，10 %

图4 不同土地利用类型下土壤有机质沿剖面变化及表层和底层变异情况Fig.4 Variation of soil organic matter along profile and changes in surface and ground layers

表4 研究区5种土地利用方式下土壤电导率变化情况

图5 不同土地利用类型下土壤电导率沿剖面变化及表层和底层变异情况Fig.5 Variation of soil electrical conductivity along profile and changes in surface and ground layers

表5 不同土地利用类型下土壤性质差异性

注：表中数据为平均值(标准差；采用Duncan法进行差异显著性分析；同一列不同字母表示差异显著(P<0.05)。

Note: The data in the table are averages and standard deviations; The significance of the differences was analyzed using the Duncan method; The same column with different letters indicates that the difference is significant (P<0.05).

表6 不同土层土壤性质的空间变异性

2.5 土壤性质差异显著性分析

由于不同土地利用方式下其地表覆被不同，导致土壤含水量、pH、有机质和电导率等土壤理化性质会产生差异。由表5可知，沼泽湿地含水量与其它4种土地利用类型含水量存在显著性差异，尤其与耕地含水量差异性最明显，而高寒草地、青海云杉与金露梅灌丛间土壤含水量无显著性差异。5种土地利用方式下，耕地土壤pH值与其它4种土地利用类型pH值差异性显著，而高寒草地、青海云杉、金露梅灌丛与沼泽湿地间pH值差异性不显著。金露梅灌丛、沼泽湿地与耕地间土壤有机质含量无显著性差异，而青海云杉和高寒草地土壤有机质含量差异显著。青海云杉和沼泽湿地的土壤电导率无显著性差异，高寒草地、金露梅灌丛和耕地间的土壤电导率差异性也不显著，而青海云杉和沼泽湿地与其它3种土地利用类型土壤电导率差异性显著。

2.6 土壤性质空间变异性分析

土壤是不均匀和变化的连续体，即使在土壤类型相同的区域内，土壤性质在不同空间位置上也具有明显差异。土壤性质的空间变异性既受气候、母质、地形、土壤类型等结构性因素的影响，也受施肥、耕作等随机性因素的影响。研究区内不同土地利用方式下各样点土壤含水量、pH值、有机质及电导率的空间变异性如表6所示，在0～50 cm土层深度，随土壤深度的增加，土壤的含水量、pH值、有机质及电导率变异性呈减小趋势，表明不同土地利用类型对土壤含水量、pH值、有机质及电导率的影响主要体现在表层，而对底层的影响逐渐减弱。含水量的表层变异性最大，其次为有机质和电导率，pH的表层变异性最小。除pH为弱空间变异性外(c.v.<10 %)，含水量、有机质和电导率均为中等程度的空间变异性(10 %

3 讨 论

含水量、pH值、有机质及电导率等土壤理化性质受成土母质、气候、生物和地形等结构性因素及人类活动等随机性因素的综合影响。随海拔增加气温逐渐降低而降水在一定高度范围内增加，超过一定限度后降水逐渐减少，使得不同海拔高度具有不同的生境，其会影响地表化学元素的累积、迁移、分解和代谢等[19]，进而对土壤理化性质产生影响。土壤水分会改变土壤中的空气和热量，影响土壤pH、氧化还原过程和有机质分解过程、溶液离子的迁移速度，进而影响土壤pH、电导率和有机质含量[20]。土壤容重是土壤重要的物理性质之一，土壤容重影响着土壤通气状况、水肥供应进而影响土壤含水量、pH值、有机质及电导率等土壤理化性质。本文对祁连山南坡5种不同土地利用方式下土壤含水量、pH值、有机质及电导率的研究，更多的是考虑土地利用方式不同对土壤理化性质的影响，而气候、海拔、土壤容重等因素对土壤含水量、pH值、有机质及电导率的影响有待进一步探讨研究。

4 结 论

本文对祁连山南坡不同土地利用方式下土壤含水量、pH值、有机质及电导率的垂直变化特征和空间变异性进行了研究，主要结论如下。

(1)研究区不同土地利用方式下，土壤含水量、有机质及电导率垂直变化特征较相似，即由表层到底层整体上表现为由高变低，pH值变化趋势与之相反。5种土地利用方式下土壤有机质含量均较高，土壤较肥沃；土壤pH呈弱碱性，符合我国西北干旱半干旱区土壤大多呈碱性的特征；土壤电导率较低，未出现盐碱化现象。

(2)研究区不同土地利用方式下以沼泽湿地的土壤含水量最大，其次为金露梅灌丛、高寒草地、青海云杉，耕地的土壤含水量最小。土壤pH均值大小依次为耕地>高寒草地>青海云杉>沼泽湿地>金露梅灌丛。土壤有机质均值大小为青海云杉>沼泽湿地>金露梅灌丛>耕地>高寒草地。土壤电导率具有明显的“表聚性”，土壤电导率均值大小为沼泽湿地>青海云杉>耕地>高寒草地>金露梅灌丛。

(3)土壤含水量、pH值、有机质及电导率变异性随土层深度增加呈减小趋势，土壤含水量、有机质及电导率变异性主要表现在表层(0～20 cm)，底层(20～50 cm)变异性较小。表明不同土地利用方式对土壤含水量、pH值、有机质及电导率的影响主要在表层，而对底层的影响逐渐减弱。pH为弱空间变异性，含水量、有机质和电导率为中等程度的空间变异性。