祁连山哈溪林区典型植被土壤阳离子交换量和交换性盐基离子的变化特征

赵维俊，敬文茂，马 剑，季元祖，成彩霞，张治胜

(1.甘肃省祁连山水源涵养林研究院，甘肃 张掖 734000； 2.甘肃省林业科学研究院,甘肃 兰州 730000；3.天祝藏族自治县哈溪林场，甘肃 天祝 733206)

土壤是林木生长的基质，特别是对土层较薄的山地森林来说，土壤条件对林木生长至关重要[1]。土壤养分是土壤肥力的重要标志，阳离子交换量和交换性盐基离子作为土壤养分的重要指标，在一定程度上反映了土壤肥力[2]。近年来，有关研究表明，不同森林对土壤阳离子交换量及交换性盐基离子的影响存在较大的差异，一方面是不同气候影响下的植被生产力不同，另一方面是土壤基质条件决定了生长什么样的植被[3-4]。因此，研究森林植被特别是山地森林植被对土壤阳离子交换量及交换性盐基离子的影响意义重大，有助于了解不同森林的土壤肥力及其影响因子。

祁连山东起黄河谷地与秦岭、六盘山相连，西至当金山口与阿尔金山脉相接，由一系列东南—西北走向的山脉和谷地组成，从东到西绵延长约850 km。受西风带、偏南季风和东亚季风的共同影响，祁连山从东到西气温逐渐升高，降水量逐渐减少；随海拔梯度的增加，气温不断降低，降水先逐渐增加，超过一定高度后又减小[5]。受地理位置和地形、水热条件差异的影响，分布在祁连山的森林具有明显的水平地带性和垂直梯度分布规律。水平地带性植被，从东到西依次发育着温性草原、温带针阔叶林、寒温性针叶林、高寒灌丛、高山草甸、高寒草原和高寒荒漠；垂直梯度植被，从低海拔到高海拔依次分布着牧草、干性灌丛、乔木林、灌丛、寒漠草甸[6]。本研究选择祁连山东段哈溪林区分布的典型森林，对其林下土壤的阳离子交换量和盐基离子剖面分布进行研究，旨在揭示不同森林土壤的阳离子交换量和盐基离子在剖面上的分布规律和影响因素，为区域尺度上的祁连山不同地理位置的土壤发生特性、土壤分类制图、土壤质量评价、土壤数字化管理等研究提供基础资料和参考，也为祁连山森林植被可持续发展和生态环境治理提供理论依据。

1 研究地区与研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于祁连山东段石羊河源头的哈溪林区(102°01′～102°51′E，37°16′～37°16′N)，总面积14.0万hm2，年平均气温1.8 ℃，年降水量350～400 mm，无霜期110 d，属大陆性气候，春季干燥，夏季凉爽多雨，秋季多阴潮湿，冬季干燥寒冷。林区内自然条件复杂，水热条件差异大，形成了多种具有明显垂直梯度的森林和土壤类型。海拔2 700～3 300 m的阳坡、半阳坡，有祁连圆柏(Sabinaprzewalskii)林分布，大面积则发育成山地草原；山地森林草原带主要分布在海拔2 000～3 200 m的山地阴坡、半阴坡，主要生长着青海云杉(Piceacrassifolia)林和由青海云杉逆向演替形成的红桦(Betulaalbosinensis)林、山杨(Populusdavidiana)林等；高山灌丛林主要分布在海拔3 000～3 500 m的山地阴坡、半阴坡。随海拔梯度的增加，由低到高依次分布着山地栗钙土、山地黑钙土、山地灰褐土、亚高山灌丛草甸土、高山草甸土和高山寒漠土，在各类土壤中山地灰褐土和亚高山灌丛草甸土是生长森林的土壤。研究区森林层次结构简单、树种组成单纯，主要乔木树种有青海云杉、祁连圆柏，与阳坡草地犬齿交错分布，在森林草原植被带的下部为西北针茅草原，上部为紫花针茅草原，高海拔主要分布吉拉柳(Salixxgilashanica)灌丛、金露梅(Potentillafruticosa)灌丛、杜鹃(Rhododendronsimsii)灌丛[7]。

1.2 样品采集与处理

于2016年10月份在哈溪林区选择高山灌丛林、祁连圆柏林和青海云杉林3种典型森林为研究对象，根据不同森林的立地条件，顺坡向分别建立了50 m×50 m的样地(样地情况见表1)[8]，然后将样地分割为4个25 m×25 m的样方作为重复。在每个样方内选定5个取样点，用土钻由上至下采集土样，取样深度为100 cm，取样层次分别为0～10、10～20、20～40、40～60、60～100 cm，然后将5个取样点的土壤样品按层混合，用塑料袋密封带回实验室风干。样品风干后，磨细并分别过孔径2.00和0.25 mm的土壤筛，用于土壤化学性质的测定和分析。

表1 不同森林的立地条件和植被组成

1.3 样品分析

土壤化学性质按照森林土壤分析方法[9]测定，其中：阳离子交换量(CEC)采用1 mol/L乙酸铵交换法，交换性钾离子(K+)、钠离子(Na+)、钙离子(Ca2+)和镁离子(Mg2+)含量采用乙酸铵浸提-火焰光度法。另外，交换性盐基总量(TEB)采用加和法得到，即TEB=K++Na++1/2Ca2++1/2Mg2+，盐基饱和度(BSP)用TEB值除以CEC值得到。

1.4 数据处理

采用软件Excel 2010和SPSS 15.0进行数据分析和制图，采用单因素方差分析法(one-way ANOVA)分析数据的差异显著性，采用Pearson相关系数进行相关性分析(α=0.05)。

2 结果与分析

2.1 不同森林土壤阳离子交换量的分布规律

由图1可知，随土层深度增加，高山灌丛林、祁连圆柏林和青海云杉林的土壤CEC值均不断减小，其中：高山灌丛林0～10 cm土层CEC值显著大于其他土层(P<0.05)；祁连圆柏林40～60和60～100 cm土层CEC值显著低于其他土层(P<0.05)；青海云杉林0～10和10～20 cm土层CEC值显著大于其他土层(P<0.05)。将不同森林的0～100 cm土层CEC值分别加权平均得到不同森林土壤平均CEC值，其大小表现为祁连圆柏林>青海云杉林>高山灌丛林，对应的数值分别为37.55、31.72和29.80 cmol/kg。

2.2 不同森林土壤交换性盐基离子的分布规律

由图2可知，3种森林土壤交换性K+含量基本上呈随土层深度增加而减小的趋势，具有明显的表聚性特点。其中：高山灌丛林不同土层交换性K+含量差异性不显著(P>0.05)，交换性K+在土壤剖面呈较均匀分布；祁连圆柏林和青海云杉林0～10 cm土层交换性K+含量显著大于其他土层(P<0.05)。不同森林类型按其0～100 cm土层交换性K+含量加权平均值排序为青海云杉林>祁连圆柏林>高山灌丛林，对应的数值分别为0.46、0.39和0.36 cmol/kg。

图1 不同森林土壤阳离子交换量的剖面分布

注：图中所标小写字母表示同一森林土壤不同深度土层指标值在5%水平上的差异性，字母不同表示相互间差异性显著，有相同字母表示相互间差异性不显著，下同。

随土层深度增加，不同森林土壤交换性Na+含量变化规律各不相同(图2)，其中：高山灌丛林0～10 cm到10～20 cm土层其含量减小，然后随深度增加其含量不断增加，60～100 cm土层土壤交换性Na+含量显著大于其他土层(P<0.05)；祁连圆柏林不同土层交换性Na+含量差异性不显著(P>0.05)；青海云杉林10～20 cm土层交换性Na+含量显著大于其他土层(P<0.05)。不同森林类型按其0～100 cm土层交换性Na+含量加权平均值排序为青海云杉林>祁连圆柏林>高山灌丛林，对应的数值分别为1.47、0.71和0.69 cmol/kg。

图2 不同森林土壤交换性盐基离子的剖面分布

随土层深度增加，不同森林土壤交换性Ca2+含量变化规律各不相同(图2)，其中：高山灌丛林和祁连圆柏林的土壤交换性Ca2+含量不断减小，而且0～10 cm土层土壤交换性Ca2+含量显著大于其他土层(P<0.05)；青海云杉林不同土层土壤交换性Ca2+含量没有明显的变化规律，且差异性不显著(P>0.05)。不同森林类型按其0～100 cm土层交换性Ca2+含量加权平均值排序为青海云杉林>祁连圆柏林>高山灌丛林，对应的数值分别为73.89、46.18和35.39 cmol/kg。

随土层深度增加，不同森林土壤交换性Mg2+含量变化规律各不相同(图2)，其中：高山灌丛林土壤交换性Mg2+含量不断减小，0～10 cm土层交换性Mg2+含量显著大于其他土层(P<0.05)；祁连圆柏林土壤交换性Mg2+含量没有明显的变化规律，20～40 cm土层交换性Mg2+含量显著大于其他土层(P<0.05)；青海云杉林土壤交换性Mg2+含量先增大后减小，0～10和10～20 cm土层交换性Mg2+含量显著大于其他土层(P<0.05)。不同森林类型按其0～100 cm土层交换性Mg2+含量加权平均值排序为青海云杉林>祁连圆柏林>高山灌丛林，对应的数值分别为6.57、5.25和3.58 cmol/kg。

由图3可知，随土层深度增加，不同森林土壤TEB值变化规律各不相同。其中，高山灌丛林和祁连圆柏林的土壤TEB值总体上不断减小，0～10 cm土层TEB值显著大于其他土层(P<0.05)；青海云杉林的土壤TEB值没有明显的变化规律，且不同土层之间差异性不显著(P>0.05)。不同森林类型按其0～100 cm土层TEB加权平均值大小排序为青海云杉林>祁连圆柏林>高山灌丛林，对应的数值分别为82.39、52.53和40.03 cmol/kg。另外，研究区土壤中交换性K+、Na+、Ca2+和Mg2+含量占盐基总量比例为Ca2+>Mg2+>Na+>K+。

图3 不同森林土壤交换性盐基总量分布

由图4可知，随土层深度增加，不同森林土壤BSP值变化规律各不相同，其中，祁连圆柏林和高山灌丛林不同土层的BSP值差异性均不显著(P>0.05)；青海云杉林土壤BSP值呈逐渐增加的变化趋势，而且不同土层间的差异性显著(P<0.05)。不同森林类型按其0～100 cm土层BSP加权平均值排序为青海云杉林>祁连圆柏林>高山灌丛林，对应的数值分别为302.31%、141.32%和135.98%。

图4 不同森林土壤盐基饱和度分布

3 讨论与结论

3.1 3种森林土壤CEC值变化特点

土壤CEC值是土壤的基本特性和重要肥力影响因素之一[10]。研究区3种森林土壤CEC值均表现为乔木林大于灌木林，这与植被的生物生产力具有很大的关系，乔木林和灌木林代谢物质归还土壤有机质的量存在差异。土壤CEC值在土壤剖面的分布为随土层深度增加不断减小，即研究区影响土壤CEC值的主要因素是土壤有机质，而且还具有明显的表聚性分布特点，此结论同之前的大量研究结论一致[11-12]。有关研究结果表明，研究区高山灌丛林、祁连圆柏林和青海云杉林的土壤保肥供肥能力强，其土壤CEC值均大于20 cmol/kg[13]。

3.2 3种森林土壤交换性盐基离子含量变化特点

土壤交换性K+、Na+、Ca2+、Mg2+含量在维持土壤养分与缓冲土壤酸化中起着重要作用[14]。研究区3种森林土壤中交换性K+含量大小为青海云杉林>祁连圆柏林>高山灌丛林，从数值大小而言，3种森林土壤的K+含量较为接近。在土壤剖面上，3种森林土壤交换性K+含量随土层深度增加不断减小，具有明显的表聚性，这可能与枯枝落叶等的生物归还和植物根系吸收致使土壤中K+向剖面上部移动等具有一定的关系。3种森林土壤中交换性Na+、Ca2+、Mg2+含量大小均为青海云杉林>祁连圆柏林>高山灌丛林，原因与成土母质、生物物质循环和淋溶作用等综合因素有关。

3种森林土壤TEB值表现为青海云杉林>祁连圆柏林>高山灌丛林。林地土壤交换性盐基具有较强的生物循环作用，林木较深的根系可以把剖面深层的非交换性盐基转化为交换性盐基，从而提高林地中的土壤交换性盐基含量[15]。随土层深度增加，不同森林土壤TEB值有各自的变化特点。研究还发现，3种森林土壤中交换性K+、Na+、Ca2+和Mg2+含量占盐基总量的比例均为Ca2+>Mg2+>Na+>K+，交换性Ca2+和Mg2+是土壤中主要的盐基离子，这可能与研究区丰富的石灰性碳酸钙有直接的关系。土壤BSP值是反映土壤有效养分含量的重要依据之一[10]，3种森林土壤BSP值呈现青海云杉林>祁连圆柏林>高山灌丛林，即青海云杉林土壤肥力最好。在土壤剖面上，3种森林土壤BSP值均随土层深度的增加而增加。