兰州雨养生态试验示范区坡向对土壤养分特征的影响

张瑜，吴永华，张建旗,黄蓉,赵峰

(兰州市园林科学研究所，甘肃 兰州 730070)

地形是影响土壤和环境间物质能量交换的重要因素，在同一地区其他成土条件相近的情况下，地形的差异往往会导致土壤养分的空间变异。土壤的水热分配和物质移动堆积在不同的海拔、坡度和坡向地形条件下存在差异。因此，地形地貌特征影响着表层土壤养分的含量及空间分配特征，地形条件的变化，导致土壤养分状况的改变。所以说，研究坡向与土壤养分空间特征之间的关系，能够为合理进行土地利用规划提供理论依据，并且对土壤养分综合管理以及进行土壤改良和耕作都具有一定的指导作用[1-2]。

黄土丘陵地区干旱缺水，生态环境脆弱，水土流失严重，山区的地形条件复杂多变，土地利用方式与地形因子的交互作用尤为明显。植被恢复重建是治理该区水土流失、改善土壤质量的重要措施之一。兰州市皋兰县水阜镇老虎台地处甘肃中部，位于黄河上游，地形属黄土高原丘陵沟壑区，属北温带半干旱大陆性季风气候，年降水量少，地下水匮乏，蓄水保墒性差，森林覆盖率低、生态环境脆弱，生态系统退化严重[3]，在此区域开展雨养生态系统保育、恢复与重建技术研究对建设以根治旱涝为本的雨养生态试验示范区和改善区域生存环境具有极其重要的作用。近年来，学者对兰州市南北两山的土壤养分和水分动态变化规律进行了较多研究[4]，但对雨养生态区不同坡向的土壤养分和土层与坡向相关性研究少有报道，对于黄土高原丘陵沟壑区土壤养分状况在坡向、坡位尺度上的空间分布特征的研究仍然不够深入。本试验通过对老虎台雨养生态试验示范区不同坡向土壤的有机质、速效P、速效K和速效N含量的测定，分析坡向与土层之间的相关性，评价土壤质量。以期揭示黄土丘陵沟壑区不同坡向土壤全量养分特征，为该区退化生态系统的植被恢复重建提供一定的决策依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

研究区位于兰州市皋兰县水阜镇。地理位置为N 36°06′94″～36°16′36″，E 103°49′51″～103°56′39″，海拔

平均1 833 m。气候干燥，雨量稀少，温差大。年均温7.2℃， 年均降水量200 mm，年蒸发量1 850 mm。全年日照时数2 768 h，无霜期144 d，土壤为淡灰钙土[5]。研究区3个坡向植被类型见表1。

表1 不同坡向植物分布

1.2 研究方法

1.2.1 土样采集与处理 土样采自兰州雨养生态系统试验区皋兰县水阜镇老虎台试验点，分别从阴坡、阳坡和半阳坡3个坡向按照X型取样方法进行分层取样(0～20、20～40、40～60、60～80 cm)，重复3次，并将每层土样进行混合装入自封袋编号，带回实验室备用。共采集60个样品。土样自然风干后碾碎，分别过2.00、0.25 mm筛备用，测定其有机质、速效P、速效K和速效N含量。

1.2.2 土壤测定指标及方法 土壤有机质、速效N、速效P和速效K含量的测定分别依据中华人民共和国行业标准LY/T1237-1999、LY/T1229-1999、LY/T1233-1999和Y/-1236-1999 进行。其中，有机质含量采用重铬酸钾-硫酸氧化外加热法；速效N采用碱解扩散法；速效P采用碳酸氢钠浸提-钼蓝比色法；速效K采用乙酸铵浸提-火焰光度法[6-8]。

1.3 数据分析

数据处理和分析采用Excel 2010和SPSS 22.0软件。采用SPSS 22.0中one-way ANOVA进行不同坡向土壤特性指标数据的显著性差异分析和多重比较；采用Two-way ANOVA，分析土层和坡向间及其互作下土壤理化性质变化；采用Pearson相关分析对不同坡向和不同土层深度的土壤养分进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 不同坡向土壤有机质含量变化

有机质含量在同一坡向不同土层深度整体上表聚现象明显,平均含量为阴坡>半阳坡>阳坡。土层深度0～20 cm时，阴坡的有机质含量最高，达19.624 g/kg，较半阳坡和阳坡分别高出79%、175%；土层深度20～40 cm时，阴坡较半阳坡和阳坡分别高出69%、161%；随着土层深度的继续增加，阳坡的土壤有机质含量下降趋势不明显。土层深度0～80 cm时，阴坡与阳坡和半阳坡间均有显著性差异，但阳坡和半阳坡间差异不显著(P<0.05)；阳坡和阴坡均为土层深度0～20与20～80 cm间差异显著(P<0.05)，半阳坡为0～20与40～80 cm间差异显著(P<0.05)；3个坡向在土层40～80 cm间均没有显著性差异(P>0.05)(图1)。

图1 不同坡向不同土层深度有机质含量Fig.1 Soil organic matter content at different soil layers from the different slope aspects注：不同小写字母表示同一坡向不同土层间差异显著(P<0.05)；不同大写字母表示同一土层不同坡向间的差异显著(P<0.05)，下同

2.2 不同坡向土壤速效P含量变化

不同坡向的土壤速效P含量主要集中在0～20 cm土层，阳坡尤为明显，达15.83 mg/kg，比半阳坡和阴坡分别高出0.47%和1.54%；随着土层深度的增加，阴坡土壤速效P含量逐渐降低；半阳坡和阳坡速效P含量呈U形变化，当土层深度下降到60～80 cm时又有所增加，这是否与植物根系的吸收有关，需进一步深入研究。除了土层深度60～80 cm时阳坡与阴坡间差异显著外(P<0.05)，其余土层深度不同坡向间均无显著差异(P>0.05)；同一坡向下，土壤速效P含量在整体表现出0～20 cm时含量高，且与其他土层之间形成显著性差异，20～80 cm土层间速效P含量均不显著(P>0.05)(图2)。

图2 不同坡向不同土层深度速效P含量Fig.2 Variation in soil available P content at different soil depths from the different slope aspects

2.3 不同坡向土壤速效K含量变化

不同坡向土壤速效K含量均为0～20 cm土层时最高，同样阴坡最为明显，达192.46 mg/kg；土层深度在20～80 cm，不同坡向土壤速效K含量变化趋势不明显。土层深度0～40 cm时，不同坡向速效K含量差异不显著；土层深度40～60 cm时，阳坡与阴坡之间差异性显著，但与半阳坡之间无显著性差异(P>0.05)；土层深度60～80 cm时，阳坡与阴坡和半阳坡之间均差异显著(P<0.05)，但半阳坡与阴坡之间差异不显著(P>0.05)(图3)。

图3 不同坡向不同土层深度速效K含量Fig.3 Variation in soil available K content at different soil depths from the different slope aspects

2.4 不同坡向土壤速效N含量变化

整体上土层深度与土壤速效N含量的高低呈反比，且阴坡>半阳坡>阳坡；40～80 cm土层间，阳坡和半阳坡有2次交集。在0～80 cm土层深度之间，土壤速效N含量表现出阴坡显著高于阳坡和半阳坡，但阳坡和半阳坡之间差异性不显著(P<0.05)。就坡向而言，阳坡和半阳坡的土壤速效N含量为土层深度0～20 cm与土层深度40～60 cm和60～80 cm差异性显著，其余土层深度之间速效N含量均不显著；阴坡土壤速效N含量在40～60 cm和60～80 cm间差异性不显著，其余土层深度速效N含量显著(P<0.05)(图4)。

图4 不同坡向不同土层深度速效N含量Fig.4 Variation in soil available N content at different soil depths from the different slope aspects

2.5 土层深度和坡向对土壤养分的影响

土壤有机质、速效P、速效K和速效N含量均在不同土层之间差异极显著(P=0.000)，但坡向对养分含量的影响和同时受土层与坡向互作的影响不尽相同。土壤有机质含量在坡向之间差异极显著(P=0.000)，同时受土层和坡向互作影响显著(P=0.020)；土壤速效P含量在坡向(P=0.063)以及土层和坡向互作影响(P=0.559)下差异均不显著；土壤速效K含量在土层与坡向互作影响下差异显著(P=0.021)，在坡向之间差异不显著(P=0.057)；土壤速效N含量在坡向之间差异极显著(P=0.000)，同时受土层和坡向互作影响显著(P=0.042)(表2)。由此可见，相对于坡向而言，各项指标整体更易受到土层深度的影响，因此，老虎台雨养生态系统立地选择过程中，若能充分考虑坡向的影响，将有助于改善立地土壤环境，提高植物的生长质量状况。

表2 不同土层深度和坡向对土壤养分的影响

2.6 不同坡向土壤养分间相关性分析

土壤养分的相关性分析结果表明(表3)，坡向与土壤有机质和速效N含量呈显著正相关(P<0.05)；土壤深度与土壤有机质、速效P，速效K和速效N含量呈显著负相关(P<0.05)；土壤有机质、速效P、速效K和速效N含量之间存在显著的正相关关系(P<0.05)。土壤有机质与速效P、速效K和速效N含量的相关程度为：速效N>速效P>速效K，说明土壤有机质含量的积累和分布对土壤速效N、速效P和速效K的分布有着重要影响。

表3 采用Pearson对不同坡向不同土层深度的土壤养分的相关性分析

3 讨论

坡向作为重要的地形因子，对土壤矿化和腐殖化过程以及有机质含量的空间分布有重要的影响[9]。许多研究表明：坡向对土壤养分的剖面分布有着重要影响，且不同坡向土壤养分剖面分布的差异主要是由坡面养分和土壤养分在降水侵蚀过程中的再分配造成的[10]。老虎台雨养生态区土壤养分含量呈现出表聚现象，随着土层深度的增加而下降，这与前人的研究结果一致[11-14]，可能与草本植物的落叶腐熟有关。本研究中，土壤有机质含量在0～80 cm土层间阴坡、阳坡和半阳坡的差异显著，表层土(0～20 cm)阴坡土壤有机质含量最高，这可能是由于阴坡、半阳坡、阳坡坡向不同，导致不同样地间温度和含水量不同。而温度和降水是影响土壤表层养分含量和分布的主要环境因子[15]。不同类型土壤速效养分多集中在表层土中，整体上，土壤有机质含量阴坡>半阳坡>阳坡，是因为从阳坡到阴坡，太阳辐射减少，阴坡温度较低，蒸发较少，土壤有机质降解较低，积累较多，阴坡土壤含水量高于半阳坡和阳坡，因此导致不同坡向的有机质不同,阴坡土壤有机质含量高于阳坡[16-17]。坡向作为重要的地形因子，通过改变光照、温度，间接影响着土壤水分的含量和分布，坡向通过影响植被和土壤水分等微环境产生作用，进而影响造成土壤养分的差异。

速效N、速效P和速效K是对植物生长起重要作用的矿质元素，其中总N和总P含量是反映土壤养分的基础，而速效N、速效P和速效K含量则反映土壤供给植物养分的能力[18]。本研究表明，阴坡的速效N含量明显高于半阳坡和阳坡，土壤速效P和速效K含量偏低，速效钾在阴坡显著高于半阳坡和阳坡。这可能是由于阳坡植被覆盖度较低，土壤中植物根系较少，土壤氮素流失较多[19]。深层土壤速效N和有机质变化趋势一致。以往研究也表明，土壤有机质的积累与分解直接影响N素在土壤中的存贮和转化[20-21]，对土壤氮素含量起主导作用[22-23]。不同土壤深度的速效N、有效P和速效K含量随着土层深度的增加而降低，土壤中速效P的含量，随着土壤类型、气候、施肥水平、灌溉和耕作栽培措施等条件的不同而异，从植物和施肥角度来看，土壤中速效P的含量测定能说明土壤磷肥的供应情况，为施用磷肥及提高磷肥利用率提供依据。与速效N、速效P不同的是，速效K含量在不同坡向深度分布上变化不大，这可能与速效K在土壤中比较稳定，在不同剖面分布中较为均匀有关。不同坡向的速效N、速效P和速效K含量在不同剖面分布的差异，与植被对不同养分的选择性吸收以及吸收强度和深度有密切的关系。

4 结论

通过综合分析各项指标，结合第二次全国土壤普查技术规程[24-25]得出，老虎台试验示范区土壤养分含量整体上非常匮乏，土壤有机质和速效N含量属于极低级别，速效P和速效K含量均属于低级。不同坡向土壤养分之间和土层与坡向交互作用的相关性显著。在今后植被恢复配置时，首先要根据植物的生长习性选择栽植地，其次还要考虑抗性强和耐瘠薄的品种，在种植时施用一些充分腐熟的有机肥料。