甘肃省榆中盆地不同人工植被类型下的土壤养分时空特征

韦 体，卜 磊，吴登宇，陈宏福，高丹丹，刘红海，徐红伟，蔡 勇，杨具田，郭鹏辉

（1. 西北民族大学生命科学与工程学院，甘肃 兰州 730030；2. 甘肃烟草工业责任有限公司，甘肃 兰州 730050）

土壤是植物赖以生存的基础，直接或间接影响植物的生长，植物也反过来影响土壤的形成和发育[1]。土壤与植物是陆地生态的2个重要组成部分，土壤中含有多种矿物质，为植物生长代谢提供不可或缺的重要条件，而植物通过影响土壤养分、腐殖质形态以及矿物质的矿化速率等，加快土壤碳氮循环过程[2‐3]。因此，充分了解二者之间的关系，对于植被修复具有重要意义。

甘肃省榆中盆地地处西北黄土高原，多山少雨，气候干燥，植被稀疏，生态环境脆弱，土层较为疏松，土壤水分极易流失，且土壤养分差异比较明显[4‐5]。长期以来人们一直希望通过退耕还林、植树造林等方式来修复榆中盆地的生态系统，改良其土壤养分。研究表明，人工植被修复的确能够改良土壤理化性质[6‐7]。但目前人们关注的焦点大多集中在植被类型与土壤理化性质的相互作用关系方面，对于植被类型与土壤养分之间的季节变化动态方面研究报道较少。鉴于此，在前期调查分析的基础上，选取甘肃省榆中盆地草地、落叶林、针叶林、灌木林4 种典型的人工植被类型，以4 种典型人工植被类型下分布较为广泛的8 种植物（苜蓿、梨树、银杏、松树、柏树、牡丹、月季、丁香）样地土壤样品为研究对象，对其空间和时间分布上的养分状况及其变化特征进行分析，旨在阐明榆中盆地不同人工植被类型与土壤养分季节变化动态及其相互关系，以期为西北黄土高原脆弱区域生态系统的恢复重建提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 研究区域概况

甘肃省榆中盆地地处西北黄土高原，介于东经103°49´15″～104°34´20″、北纬35°34´20″～36°26´30″，总面积3 301.6 km2，海拔1 432～3 670 m，地势南高北低，中部呈“凹”状，山多川少，自南至北地形呈“马鞍型”分布。榆中盆地属于典型温带半干旱大陆性气候，冬季严寒，夏季炎热，气温年较差、日较差大，四季分明。年平均降水量350 mm，全年无霜期159 d，年平均气温6.57 ℃。主要植被类型为落叶乔木、落叶灌木、常绿乔木和草地，分布较为密集，土壤主要由亚高山草甸土和灰褐土构成[8‐10]。

1.2 样品采集

分别于2019年4月和11月采集土壤样品，采集时以尽量不破坏采集区为前提，并保证样点选取的均匀性、科学性和可比性，各采集区取样方法、时间、位置和处理方法保持一致。在4 种典型的人工植被类型（草地、落叶林、针叶林、灌木林）下分布较为广泛的8种植物（苜蓿、梨树、银杏、松树、柏树、牡丹、月季、丁香）样地（30 m×30 m）内采用S形采样法选取5 个点进行采样，每个样点自上而下分别采集A（0～10 cm）、B（10～20 cm）、C（20～30 cm）3 个土层深度的土壤样品。将每个土层深度的5个样品组成1 个混合样品，并用四分法分取至1 kg 左右。将采得的土样放入专用样品袋中作好标记，带回实验室。将土壤样品置于阴凉通风处自然风干，利用瓷研钵将其研细，通过孔径为0.15 mm 的尼龙网筛去除样品中的石头、杂草及其他杂质，装入密封袋中备用。

1.3 样品指标测定

采用NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定土壤速效磷含量；采用乙酸铵浸提-火焰光度法测定土壤速效钾含量；采用土壤养分速测仪（OK-Q，郑州欧柯奇仪器制造有限公司）测定土壤铵态氮含量；采用重铬酸钾容量法-外加热法测定土壤有机质含量；采用pH 计[pHBJ-260 型，上海仪电控股（集团）公司]测定土壤pH 值；采用农业环境测定仪（HL-2000，石家庄世亚科技有限公司）连接土壤盐分传感器测定土壤电导率。

1.4 数据处理

采用Excel 2010 软件对数据进行处理，采用SPSS 21.0软件对数据进行单因素方差分析，采用双变量相关分析法分析土壤各养分之间的相关性。

2 结果与分析

2.1 甘肃省榆中盆地土壤养分概况

甘肃省榆中盆地4 种典型的人工植被类型（针叶林、落叶林、灌木林、草地）下分布较为广泛的8种植物（苜蓿、梨树、牡丹、月季、银杏、松树、柏树、丁香）样地土壤主要养分指标变异系数最低为2.15%，最高达44.34%。变异系数的大小反映了指标变异程度，一般认为，变异系数<10%为弱强度变异，10%≤变异系数≤100%为中等强度变异，变异系数>100%为强度变异[11]。由表1 可知，土壤速效磷含量和pH值的变异系数分别为9.83%、2.15%，属于弱强度变异；土壤铵态氮含量、速效钾含量、有机质含量和电导率的变异系数分别为44.34%、30.49%、28.81%、33.33%，介于10%～100%，为中等强度变异。上述结果表明，在不考虑空间分布的前提下，单从土壤养分的随机性上看，各养分含量总体上比较分散。铵态氮、速效磷、速效钾、有机质平均含量分别为50.04 mg/kg、76.16 mg/kg、130.62 mg/kg、18.15 g/kg；pH 值、电导率平均值则分别为8.39、0.36 mS/cm。

2.2 甘肃省榆中盆地不同人工植被类型下的土壤养分含量空间与时间分布特征

由表2 可知，甘肃省榆中盆地4 种典型的人工植被类型（针叶林、落叶林、灌木林、草地）下分布较为广泛的8种植物（苜蓿、梨树、牡丹、月季、银杏、松树、柏树、丁香）样地土壤铵态氮、速效磷、速效钾及有机质含量均随着土层深度增加而减少，且同一植物样地不同土层的土壤铵态氮、速效磷、速效钾及有机质含量均存在显著性差异（P<0.05）。土壤铵态氮含量介于25.79～100.99 mg/kg。其中，丁香样地0～10 cm 土层铵态氮含量最高，达100.99 mg/kg，且其不同土层深度的铵态氮含量均高于其他7种植物样地；银杏样地20～30 cm 土层铵态氮含量最低，为25.79 mg/kg。土壤速效磷含量介于59.42～93.65 mg/kg。其中，月季样地0～10土层速效磷含量最高，达93.65 mg/kg；银杏样地20～30 cm 土层速效磷含量最低，为59.42 mg/kg。土壤速效钾含量介于74.17～218.13 mg/kg。其中，梨树样地0～10 cm 土层速效钾含量最高，达218.13 mg/kg，是柏树样地20～30 cm 土层速效钾含量（74.17 mg/kg）的2.9 倍。土壤有机质含量介于9.33～29.92 g/kg。其中，苜蓿样地0～10 cm土层有机质含量最高，达29.92 g/kg；梨树样地20～30 cm土层有机质含量最低，为9.33 g/kg。

表2 甘肃省榆中盆地不同人工植被类型下土壤养分含量的空间与时间分布特征Tab.2 Spatial and temporal distribution characteristics of soil nutrients content under different artificial vegetation types in Yuzhong Basin，Gansu Province

从季节变化来看，不同人工植被类型下8 种植物样地在同一土层深度中，土壤铵态氮、速效磷、速效钾含量均为春季显著高于冬季（P<0.05）。其中，春季丁香样地土壤铵态氮平均含量最高，达95.81 mg/kg；冬季银杏样地土壤铵态氮平均含量最低，为29.06 mg/kg。春季月季样地土壤速效磷平均含量最高，达86.15 mg/kg；冬季银杏样地土壤速效磷平均含量最低，为65.54 mg/kg。春季梨树样地土壤速效钾平均含量最高，达197.16 mg/kg；冬季银杏样地土壤速效钾平均含量最低，为84.05 mg/kg。土壤有机质含量为冬季显著高于春季（P<0.05）。其中，春季银杏样地土壤有机质平均含量最低，为12.18 g/kg；冬季苜蓿样地土壤有机质含量最高，达26.60 g/kg。

2.3 甘肃省榆中盆地不同人工植被类型下的土壤理化因子空间与时间分布特征

由表3 可知，甘肃省榆中盆地4 种典型的人工植被类型（针叶林、落叶林、灌木林、草地）下分布较为广泛的8种植物（苜蓿、梨树、牡丹、月季、银杏、松树、柏树、丁香）样地土壤pH 值和土壤电导率在不同土层深度存在显著性差异（P<0.05）。土壤pH 值介于7.84～8.68。其中，柏树样地10～20 cm 土层pH值最高，达8.68；月季样地0～10 cm 土层pH 值最低，为7.84。土壤电导率介于0.20～0.70 mS/cm。其中，银杏样地20～30 cm 土层电导率最高，达0.70 mS/cm；丁香样地0～10 cm 土层电导率最低，为0.20 mS/cm。

表3 甘肃省榆中盆地不同人工植被类型下土壤理化因子的空间与时间分布特征Tab.3 Spatial and temporal distribution characteristics of soil physical and chemical factors under different artificial vegetation types in Yuzhong Basin，Gansu Province

从季节变化来看，不同人工植被类型下8 种植物样地在同一土层深度中，土壤pH 值和土壤电导率在不同季节具有显著性差异（P<0.05）。其中，春季柏树样地土壤pH 值平均值最高，达8.63；冬季苜蓿样地土壤pH值平均值最低，为8.17。土壤电导率在同一土层深度表现为春季显著高于冬季（P<0.05）。春季银杏样地土壤电导率平均值最高，达0.67 mS/cm；冬季丁香样地土壤电导率平均值最低，为0.23 mS/cm。

2.4 甘肃省榆中盆地不同人工植被类型下的土壤养分间相关性分析

甘肃省榆中盆地4 种典型的人工植被类型（针叶林、落叶林、灌木林、草地）下分布较为广泛的8种植物（苜蓿、梨树、牡丹、月季、银杏、松树、柏树、丁香）样地土壤各养分间Pearson 相关分析结果（表4）表明，8 种植物样地的土壤铵态氮含量与速效磷含量呈极显著正相关（P<0.01），相关系数为0.42；土壤铵态氮含量与土壤pH 值呈显著正相关（P<0.05）；土壤铵态氮含量与速效钾含量、电导率之间均呈显著负相关（P<0.05）；土壤铵态氮含量与有机质含量无显著相关性（P>0.05）。土壤速效磷含量与土壤有机质含量呈极显著正相关（P<0.01），相关系数为0.44；土壤速效磷含量与土壤电导率呈极显著负相关（P<0.01），相关系数为-0.42；土壤速效磷含量与土壤pH 值呈显著负相关（P<0.05）；土壤速效磷含量与速效钾含量无显著相关性（P>0.05）。土壤速效钾含量与土壤有机质含量呈显著正相关（P<0.05）；土壤速效钾含量与土壤电导率、pH值均呈极显著负相关（P<0.01）。土壤有机质含量与电导率呈极显著负相关（P<0.01），相关系数为-0.54；土壤有机质含量与土壤pH 值无显著相关性（P>0.05）。土壤pH值与电导率无显著相关性（P>0.05）。

表4 甘肃省榆中盆地不同人工植被类型下的土壤养分含量与理化因子间的相关性Tab.4 Correlation between soil nutrients content and physical and chemical factors under different artificial vegetation types in Yuzhong Basin，Gansu Province

本研究利用多元线性逐步回归法对土壤养分与理化因子进行了分析，得到土壤速效钾含量（Y）与铵态氮含量（X1）、有机质含量（X2）、pH 值（X3）及电导率（X4）的最优方程（表5）。表5显示，在苜蓿样地，速效钾含量与铵态氮含量、有机质含量和电导率呈线性数量关系，表明苜蓿对土壤速效钾含量、铵态氮含量、有机质含量和电导率产生了综合性的影响。在梨树样地，土壤速效钾含量与pH 值和电导率存在线性关系，表明梨树对土壤速效钾、pH 值和电导率产生了综合性影响。在银杏样地，表现为土壤速效钾含量仅与铵态氮含量存在线性数量关系，表明银杏对土壤速效钾含量和铵态氮含量产生了综合影响。在松树、柏树、月季及丁香样地，土壤速效钾含量与铵态氮含量和电导率存在线性数量关系，表明松树、柏树、月季及丁香4 种植物对土壤速效钾含量、铵态氮含量和电导率产生了综合影响。在牡丹样地，土壤速效钾含量与有机质含量和电导率存在线性数量关系，表明牡丹对土壤速效钾含量、有机质含量和电导率产生了综合影响。

表5 甘肃省榆中盆地不同人工植被类型下的土壤养分与理化因子间的多元线性回归关系Tab.5 Multiple linear regression relationship between soil nutrients and physical and chemical factors under different artificial vegetation types in Yuzhong Basin，Gansu Province

3 结论与讨论

甘肃省榆中盆地作为西北黄土高原的典型区域，水土流失严重、植被稀少，生态环境脆弱[5]。人工植物种植既是改善该区域脆弱生态环境的有效方法，也是改良土壤品质、适应恶劣环境的综合体现。本研究针对榆中盆地不同人工植被类型下土壤养分的时空特征进行了分析，从土壤的空间垂直分布上看，随着土层深度（0～30 cm）的增加，土壤中铵态氮、速效磷、速效钾及有机质含量逐渐降低。其中，土壤铵态氮含量、速效钾及有机质含量在不同土层深度及季节下变异系数分别为44.34%、30.49%、28.81%，均表现为中等强度变异；速效磷含量变异系数为9.83%，表现为弱强度变异。变异系数值越小，表明不同土层之间土壤养分含量差别越小。本研究中，铵态氮、速效钾及有机质含量，尤其是速效磷含量在不同土层中较稳定。赵鹏等[12]的研究发现，柽柳和黑果枸杞样地土壤养分含量（有机质、全氮、速效氮、速效磷、速效钾）随土层深度的增加而降低，与本研究结果一致，这可能与植物凋落物的分解有关[6]。植物凋落物的分解是土壤养分的主要来源，其含量的高低，在一定程度上直接影响土壤养分分解和循环的速率，故深层土壤中养分含量较低[13]。从季节变化动态来看，除有机质外，不同人工植被类型下8种植物样地，春季土壤铵态氮、速效磷、速效钾含量显著高于冬季（P<0.05）。甘肃省榆中盆地春季温度回升，土壤微生物种类和数量增加，土壤表层的凋落物分解速率加快，加之该季节降雨量增加，土壤表面的养分随水分下渗，经夏秋2个季节植物吸收与利用后，土壤养分逐渐减少。进入冬季后榆中盆地气温急剧下降，降雨量稀少，土壤微生物数量和种类减少，导致冬季土壤养分显著低于春季（P<0.05）。不同人工植被类型下8种植物样地，冬季土壤有机质含量显著高于春季（P<0.05），其原因可能是该研究区域每年冬季有大量的植物凋落物堆积，这些堆积的凋落物逐步转化为腐殖质，使土壤中的有机物含量增加[14‐15]。

土壤pH 值是反映土壤酸碱度的重要指标，pH值过高（过碱）或过低（过酸）均不利于植物生长[16‐17]。本研究结果表明，甘肃省榆中盆地不同人工植被类型下8 种植物样地土壤pH 值在不同季节各土层变化不大，维持在7.84～8.68，表明8种植物对榆中盆地土壤的酸碱性改良作用不明显，土壤整体上呈偏碱性，这也可能与该区域干旱少雨有关。本研究中土壤电导率随着土层深度增加而增加，这可能与该区域地质条件及人工灌溉方式等因素有较大关系，具体原因仍需进一步研究和分析。

本研究通过线性回归分析，发现苜蓿样地土壤铵态氮含量、有机质含量和电导率与速效钾含量存在线性数量关系，而其他植物样地则没有这种关系，由此可推断苜蓿种植对于综合改良土壤理化性质的效果优于其他植物，其原因可能是苜蓿为豆科植物，具有固氮作用。

本研究通过对甘肃省榆中盆地不同人工植被类型下8 种植物样地的土壤养分含量进行分析，揭示了土壤养分含量对其地上植物生长及季节变化的响应，表明土壤养分与人工植被存在一定的同步性，呈现出一定的线性相关关系，亦即土壤养分含量与植物是协同互作的有机整体。