生态学报  2018, Vol. 38 Issue (3): 1065-1074

文章信息

万丹, 梁博, 聂晓刚, 喻武, 张博.
WAN Dan, LIANG Bo, NIE Xiaogang, YU Wu, ZHANG Bo.
西藏色季拉山土壤物理性质垂直地带性
Research on vertical zonation of soil physical properties in Sygera Mountain, Tibet
生态学报. 2018, 38(3): 1065-1074
Acta Ecologica Sinica. 2018, 38(3): 1065-1074
http://dx.doi.org/10.5846/stxb201611282429

文章历史

收稿日期: 2016-11-28
网络出版日期: 2017-10-18
西藏色季拉山土壤物理性质垂直地带性
万丹1,2 , 梁博1,2 , 聂晓刚1,2 , 喻武1,2 , 张博1,2     
1. 西藏农牧学院资源与环境学院, 林芝 860000;
2. 西藏农牧学院高寒水土保持研究中心, 林芝 860000
摘要: 以色季拉山为代表的藏东南高原山地的水土流失已成为区域生态环境的重要问题。对色季拉山不同海拔梯度土壤物理性质进行分析,结果表明:(1)除海拔3600、4200m外,土壤容重随土层深度增加而增大;总孔隙度、毛管孔隙度随土层深度增加而减小;非毛管孔隙度随土层变化无明显规律;饱和含水率、毛管含水率、田间持水率均随土层深度增加而减小。(2)不同海拔梯度,土壤容重总均值、总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度变化范围分别为:0.58-1.10g/cm3、57.00%-72.47%、53.33%-67.59%和3.20%-4.87%。饱和含水率、毛管含水率、渗透性具有相同规律,均为3800、3400m处最大,3200m和3600m处最小,4000-4600m居中,田间持水率随海拔梯度变化呈M型波动性趋势。(3)土壤物理性质具有较强的空间异质性,各指标间有明显的空间自相关现象。土壤物理性质各指标在不同土层和海拔间有较明显的差异性,人为干扰也是导致土壤物理性质空间异质性的重要原因。(4)总体上,色季拉山表层土壤(0-10cm)物理结构优于深层次(> 10-30cm)土壤;3200m和3600m处最差,4000-4600m居中,3400-3800m最佳。研究结果提示,以色季拉山为代表的藏东南原始森林地带,土壤结构脆弱,为保持水土,应防止旅游和森林生产经营的过度开发。
关键词: 色季拉山     土壤物理性质     海拔梯度     水土保持    
Research on vertical zonation of soil physical properties in Sygera Mountain, Tibet
WAN Dan 1,2, LIANG Bo 1,2, NIE Xiaogang 1,2, YU Wu 1,2, ZHANG Bo 1,2     
1. Department of Resources and Environment, XiZang Agricultural and Animal Husbandry College, Linzhi 860000, China;
2. Research Center of Soil and Water Conservation in Alpine-cold Region, XiZang Agricultural and Animal Husbandry College, Linzhi 860000, China
Abstract: Soil and water loss in the southeastern plateau of Tibet, particularly in Sygera Mountain has become an important problem in regional ecological environment. The soil physical properties of Sygera Mountain at different altitude gradients were analyzed. The results showed that:(1) soil bulk density increased with the increase in soil depth at different elevations, except for 3600m and 4200m. The total porosity and capillary porosity decreased with soil depth at different elevations. The non-capillary porosity was not significantly related to the soil layer. The saturated soil water content, capillary water content, and field capacity decreased with the increase in soil depth at different elevations. (2) The soil bulk density, total porosity, capillary porosity, and non-capillary porosity at different elevations ranged from 0.58-1.10g/cm3, 57.00%-72.47%, 53.33%-67.59%, and 3.20%-4.87%, respectively. The saturated water content, capillary water content, and permeability followed a similar trend, with the maximum values at an elevation of 3800m and 3400m, minimum values at 3200m and 3600m, and intermediate values in the summit area (4000-4600m). Field capacity plotted against altitude revealed an M-shaped trend. (3) The soil physical properties at different elevation had a strong spatial heterogeneity, and the indices revealed spatial auto-correlation with each other. Significant differences in soil physical properties were present among different soil layers and elevations. Moreover, human disturbance was an important reason underlying the spatial heterogeneity of soil physical properties. (4) In general, physical properties of surface soil (0-10 cm) at Sygera Mountain were better than that of deeper soil layers (10-30cm or more). However, physical properties of surface soil at the foot of the mountain (3200m) and 3600m were the worst, whereas those in the summit area (4000-4600m) were intermediate, and those in the hillside areas (3400, 3800m) were the best. The present study indicated that soil structure was vulnerable in the virgin forest areas of Sygera Mountain, southeast Tibet. Therefore, tourism, and forest industrial production and management, should be better managed in order to maintain the ability of this forest to conserve water and soil.
Key words: Sygera Mountain     soil physical property     altitude gradient     water and soil conservation    

土壤作为生态系统中重要的生态因子, 在水平及垂直地带性上受到外界不同环境的影响, 物理性质空间异质性明显。一般认为, 土壤物理性质受到气候、母岩、地形、植被、动物以及区域差异的影响[1], 这些影响因素使土壤形成各种类型, 并且使其性质存在明显的差异[2-4]。对于山地自然综合体来说, 土壤物理性质在很大程度上受到各种因素的垂直性规律分布影响, 导致山地土壤在海拔梯度上呈现明显的垂直分布特征[5-7], 进而使不同海拔土壤蓄水保水能力及抗侵蚀能力存在差异。诸多的研究结果也表明, 土壤物理性质在垂直地带性上存在明显分异特征。汤萃文等[5]研究了迭部扎尕那地区山地土壤的垂直分带性, 认为扎尕那地区土壤山地特征非常明显, 随海拔升高呈现出规律性垂直分布特征;何方永等[8]研究了岷江冷杉原始林土壤物理性质与海拔梯度的关系, 认为土壤物理性质随海拔梯度变化突出。陈双林等[9]分析了海拔对毛竹林土壤物理性质和水分特性的影响, 也得出不同海拔梯度间土壤物理性质存在一定差异性的结论。然而由于土壤物理性质本身的异质性, 以至环境和人为因素对土壤物理性质影响的规律或变化趋势仍不明确[10]。随着计算机技术的进步, 运算能力增强, 模型的广泛应用, 对土壤空间异质性问题的研究越来越重视。

西藏东南部的色季拉山, 分布着广袤的未经开发的原始森林, 是我国生态系统的天然屏障, 对整个青藏高原的大气环流、水汽输送、气候变化和生态平衡起着巨大的调节作用, 对形成藏东南森林气候起主导作用[11]。区域内高山峡谷交错, 山高坡陡, 地貌错综复杂, 气候多样, 雨量充足, 导致土壤质地状况分布不均且稳定性差, 极易发生水土流失, 严重影响到该区生态系统的稳定性。近年来, 我国学者对色季拉山的生态、植被、水文等进行了大量的研究[12-17], 但对土壤物理性质垂直地带性规律的研究鲜有报道。因此, 本文试图对色季拉山不同海拔梯度和土层深度间的土壤物理性质进行分析, 以期为藏东南高原山地的生态、植被、水文等方面的研究提供基础数据, 特别是为建立高原山地土壤侵蚀预测预报模型研究工作奠定基础, 为该区开展水土保持工作提供科学理论依据。

1 研究区概况

色季拉山位于藏东南林芝县境内, 雅鲁藏布江大拐弯西北侧, 属念青唐古拉山余脉。地理坐标为93°12′—95°35′E, 29°10′—30°15′N, 北高南低, 海拔落差大, 海拔分布为2200—5300m。该区受印度洋暖湿季风气候影响较大, 属亚高山温带半湿润气候。冬温夏凉, 干湿季分明, 年均相对湿度78.8%, 年均降水量1134.1mm, 蒸发量544.0mm, 占年均降水量的48.0%, 雨季(6—9月)降雨充沛, 占全年降水的75.0%—82.0%, 尤以8月降雨最多, 平均294.2mm, 占全年降水的30.0%。年平均气温-0.7℃, 最高月平均气温9.2℃, 最低月平均气温-14.0℃, 极端最低气温-31.6℃, 极端最高气温24.0℃, 年均日照时数1150.6h, 日照百分率26.1%;日照时数最高月为12月的151.7h, 日照百分率为40.0%。色季拉山现有植被属原始森林, 覆盖良好, 种类比较丰富, 主要建群树种为急尖长苞冷杉(Abies georgei var.smithii)、高山松(Pinus densata)、林芝云杉(Picea likiangensis var. linzhiensis)、方枝柏(Sabina saltuaria)、西藏箭竹(Fargesia setosa)等, 林下灌木杜鹃(Rhododendron simsii)、忍冬(Lonicera japonica)繁茂, 苔藓层发达。土壤以酸性棕壤土为主, 土层较厚。

2 研究方法 2.1 采样方案

2015年9月, 在色季拉山西坡沿海拔3200—4600m, 以200m为一个梯度, 共设置8个样地, 每个样地选择3个样点重复。在每个样点分0—10cm、>10—20cm、>20—30cm3个土层深度, 每层取1个铝盒土样和4个环刀土样, 进行编号, 分别用以测定持水量(田间持水率、饱和含水率、毛管含水率)、土壤容重、土壤孔隙度(总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度)以及土壤渗透性等各项物理指标。

图 1 采样路线图 Fig. 1 Sampling roadmap

表 1 样地基本情况 Table 1 Basic information of the research sites
海拔
Altitude/m
经纬度
Longitude and latitude
坡度
Falling gradient/(°)
坡向
Aspect
主要植被类型
Main plant types
植被盖度
Vegetation coverage
人为干扰程度
Human disturbance degree
3200 29°33′58.23″N 94°32′20.26″E 25 东北 人工云杉林等 0.80 强烈
3400 29°34′03.33″N 94°33′38.37″E 32 东南 川滇高山栎、林芝云杉等 0.80 较强
3600 29°33′26.61″N 94°33′31.67″E 37 东北 西藏箭竹、林芝云杉等 0.85 强烈
3800 29°33′45.01″N 94°34′13.03″E 40 西南 急尖长苞冷杉、林芝云杉等 0.70 微弱
4000 29°34′41.61″N 94°35′19.17″E 36 西南 急尖长苞冷杉、林芝云杉等 0.65
4200 29°36′40.66″N 94°37′02.76″E 27 东南 急尖长苞冷杉、雪层杜鹃等 0.80
4400 29°37′39.66″N 94°38′07.55″E 31 西南 雪层杜鹃、散鳞杜鹃灌丛等 0.85
4600 29°36′08.38″N 94°39′00.27″E 30 西南 散鳞杜鹃、扫帚岩须等 0.70
2.2 测试方法与数据处理

土壤容重测定采用环刀法(环刀体积为100cm3)。土壤总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、饱和含水率、毛管含水率的测定采用环刀法和浸水法;田间持水率采用环刀法;土壤渗透性测定采用等水头双环刀法。各物理性质测定与计算参照中华人民共和国林业行业标准《森林土壤分析方法》[18]。数据统计与处理采用经典统计处理方法, 计算土壤物理性质的平均值、最大值、最小值和标准差。显著性分析采用ANOVA完成, 相关性分析通过双变量Pearson相关分析完成, 图表制作采用Excel 2010和SPSS 17.0统计软件完成。

3 结果与分析 3.1 土壤容重

土壤容重是土壤最基本的物理性质之一, 对土壤的通气性、渗透性、持水性、植被生长以及溶质迁移特征和土壤侵蚀能力的影响非常重要[19-20]。由表 2可见, 土壤容重随土层加深有增大趋势, 但在海拔3600m处, 0—10cm土壤容重最大, >10—20cm层次最小, 海拔4200m处与其相反。除人为干扰频繁的3200、3600m和山顶4600m处, 其余海拔不同土层深度土壤容重均有显著差异(P<0.05)。同一层次不同海拔上, 0—10cm土壤容重3200m与3600m差异不显著(P>0.05), 但均显著大于(P<0.05)其他海拔, 4000—4600m显著大于(P<0.05)3800、3400、3800m在同一个水平(P>0.05), 3800m土壤容重最小。>10—20cm层次, 海拔3200、3600、4200、4400m处无显著差异(P>0.05), 但均显著大于(P<0.05)其他海拔, 其余各海拔间无显著差异(P>0.05)。>20—30cm层次, 海拔3200、3600、4400m显著大于(P<0.05)其他海拔, 3400、4000m海拔显著大于(P<0.05)剩下的3个海拔, 4200m和4600m海拔土壤容重显著大于(P<0.05)3800m。

表 2 不同海拔梯度土壤容重、孔隙度变化特征 Table 2 Variations of soil bulk density and porosity at different altitudes
物理指标
Physical index
土层深度
Soil depth/cm
海拔Altitude/m
3200 3400 3600 3800 4000 4200 4400 4600
土壤容重
Soil bulk density/(g/cm3)
0—10 1.06±0.01a 0.50±0.12cdC 1.12±0.02a 0.36±0.02dB 0.58±0.17bcC 0.76±0.01bA 0.68±0.02bcC 0.78±0.05b
>10—20 1.10±0.01a 0.65±0.17bB 0.99±0.11a 0.69±0.06bA 0.78±0.25bB 0.93±0.06aB 0.91±0.01aB 0.79±0.07b
>20—30 1.14±0.01a 0.86±0.03bcA 1.04±0.09a 0.70±0.01eA 0.98±0.04bA 0.78±0.04dA 1.17±0.08aA 0.80±0.02d
总均值 1.10±0.14a 0.67±0.09d 1.05±0.04a 0.58±0.07d 0.84±0.11bc 0.83±0.04bc 0.92±0.09a 0.80±0.02bc
总孔隙度
Total porosity/%
0—10 57.64±0.23b 73.76±1.23a 56.39±0.72b 76.61±1.06a 69.11±3.42aA 66.56±0.45a 72.01±0.03aA 70.24±2.51aA
>10—20 57.45±1.61c 69.85±0.34a 59.35±2.77bc 72.15±0.45a 61.03±7.99abAB 61.20±0.24ab 64.29±0.96abA 64.33±4.08abAB
>20—30 55.91±0.88b 65.80±1.28a 59.40±3.39ab 68.65±3.34a 59.77±0.01abB 66.58±0.69a 52.00±5.01bB 58.54±2.81abB
总均值 57.00±0.59c 69.80±1.88a 58.38±1.31c 72.47±1.42a 63.30±3.28b 64.45±0.86b 62.77±4.10b 64.37±0.19b
毛管孔隙度
Capillary porosity/%
0—10 53.65±0.56c 69.51±0.82ab 53.56±0.19c 70.39±0.55a 64.83±3.25abA 63.30±0.13b 67.81±0.39abA 64.89±2.32ab
>10—20 54.14±1.26c 66.12±0.60a 56.20±1.88bc 67.45±0.50a 58.72±7.98abAB 58.53±0.36ab 60.42±1.59abA 59.91±2.94ab
>20—30 52.21±0.21bc 62.47±0.82a 55.76±3.57ab 64.94±3.82a 54.47±1.50abB 60.54±0.24ab 47.89±5.73cB 56.05±2.25ab
总均值 53.33±0.51c 66.36±1.87a 55.17±1.22c 67.59±1.24a 59.67±3.40b 60.79±0.74b 58.71±4.35b 60.28±1.83b
非毛管孔隙度
Non-capillary porosity/%
0—10 3.99±0.79dc 4.25±0.41cA 2.83±0.53e 6.22±0.51aA 4.28±0.18cA 3.26±0.32dAB 4.21±0.42c 5.35±0.19bA
>10—20 3.32±0.36b 3.15±0.93bB 3.15±0.89b 3.71±0.95abAB 2.31±0.01cB 2.67±0.60cA 3.87±0.63ab 4.42±1.15aA
>20—30 3.70±0.67b 3.33±0.46cAB 3.64±0.19bc 3.72±0.48bA 5.30±1.49aA 5.04±0.45aB 4.11±0.72b 2.49±0.57dB
总均值 3.67±0.31b 3.77±0.30b 3.20±0.29c 4.87±0.61a 3.63±0.44ab 3.66±0.24b 4.40±0.36a 4.09±0.41a
  不同小写字母表示同一土层, 不同海拔间差异性显著(P<0.05), 不同大写字母表示同一海拔, 不同土层间差异显著(P<0.05), 如土层间均不显著未标出

土壤容重总均值, 不同海拔变化明显, 变化范围在0.58—1.10g/cm3之间,其中3200m最大;3400—3800m整体较小(3600m除外), 海拔3800m处最小;4000—4600m居中, 且4个海拔间差异较小, 土壤容重总均值由大到小分别为:3200、3600、4400、4000、4200、4600、3400、3800m。土壤容重总均值,受人为影响较强的3200、3600m和4400m处于同一水平(P>0.05), 但均显著大于(P<0.05)其他海拔, 受人为干扰少的3400、3800m与4000—4600m具有显著性差异(P<0.05)。

3.2 土壤孔隙度

土壤孔隙直接影响土壤通气、水分保持与运移、根系穿插等因素, 反映土壤潜在蓄水和调节降水的能力[21-22]。由表 2可知, 随土层加深, 总孔隙度、毛管孔隙度均有减小趋势, 与容重呈相反规律。非毛管孔隙度除3600m外, 0—10cm土层均大于>10—20cm和>20—30cm层次, 深层次土壤(>10—30cm)中非毛管孔隙度随土层深度增加而加大。总孔隙度和毛管孔隙度, 4000m和4400m处均随土层加深显著减小(P<0.05)。非毛管孔隙度除3200、3600、4400m, 其余各海拔土层间变化显著(P<0.05)。总孔隙度和毛管孔隙度在0—10cm土层中, 除3200m和3600m处均显著小于(P<0.05)其他海拔外, 其余各海拔差异不显著(P>0.05), 总孔隙度变幅为66.56%—76.61%, 毛管孔隙度变幅为63.30%—70.39%。>10—20cm层次中, 土壤总孔隙度、毛管孔隙度随海拔变化规律相似, 即3400m和3800m最大, 显著大于(P<0.05)3200、3600m, 且3200m和3600m最小, 其余各海拔间基本处于同一水平, 差异不显著(P>0.05)。>20—30cm层次中, 土壤总孔隙度3400、3800、4200m最大, 显著大于(P<0.05)3200m和4400m, 且4400m最小, 其余各海拔间差异不显著(P>0.05)。非毛管孔隙度, 0—10cm土层, 海拔3800m显著(P<0.05)大于其余7个海拔, 4600m海拔显著大于(P<0.05)其余6个海拔, 3400、4000、4400m显著大于(P<0.05)3600m和4200m, 3200m显著大于(P<0.05)3600m, 3600m最小。>10—20cm土层, 4600m显著大于(P<0.05)其他各海拔, 4000、4200m显著小于(P<0.05)其他海拔, 其余各海拔处于同一水平(P>0.05)。>20—30cm层次, 4000、4200m最大, 显著大于(P<0.05)其他海拔, 3400m和4600m显著小于(P<0.05)其他6个海拔, 其余各海拔间差异不明显(P>0.05)。>10—30cm深层次土壤中, 除4600m外, 非毛管孔隙度随深度加深呈增加趋势。从总均值来看, 总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度三者变化范围分别为:57.00%—72.47%、53.33%—67.59%和3.20%—4.87%。总孔隙度和毛管孔隙度值由大到小均为:3800、3400、4200、4600、4000、4400、3600、3200m;非毛管孔隙度由大到小依次为3800、4400、4600、3400、3200、4200、4000、3600m。总孔隙度、毛管孔隙度, 3200、3600m均显著小于(P<0.05)其余海拔梯度, 3400、3800m显著大于(P<0.05)4000—4600m。非毛管孔隙度3800、4400、4600m显著大于(P<0.05)除4000m外的其他4个海拔, 3200、3400m和4200m显著大于(P<0.05)3600m, 但与4000m无显著差异(P>0.05)。对不同海拔梯度土壤容重与总孔隙度、毛管孔隙度进行逐步回归分析, 得出Y1(总孔隙度)=0.874-0.265X1(容重)(R2=0.774, P<0.01);Y2(毛管含水率)=0.822-0.250X1(R2=0.724, P<0.01)。分析说明:总孔隙度、毛管孔隙度均与容重呈负相关。

3.3 土壤水分

土壤对各种水分的调节与控制性能(饱和含水率、毛管含水率、田间持水率)能较好地反映林地土壤的保水、供水能力, 也能直接影响土壤抗水蚀能力。

3.3.1 饱和含水率与毛管含水率

表 3可知, 总体上, 各海拔土壤饱和含水率和毛管含水率均随土层深度增加而减小, 除3200m和3600m外, 其余各海拔均显著减小(P<0.05)。0—10cm、>10—20cm土层饱和含水率、毛管含水率最小值分别在海拔3600m和3200m, >20—30cm土层两者最小值出现在海拔4400m处。表层土(0—10cm)中饱和含水率变化范围为50.77%—205.08%, 毛管含水率变化范围为48.21%—187.70%;>10—30cm深层次土壤中饱和含水率变化范围为45.81%—110.75%, 毛管含水率变化范围为41.47%—103.31%。可见表层土壤(0—10cm)在持水性能力上优于深层次土壤(>10—30cm)。受土壤容重和孔隙度的影响, 0—10cm、>10—20cm两个层次土壤饱和含水率、毛管含水率均为3400、3800m显著大于(P<0.05)其他6个海拔, 3200m和3600m显著小于(P<0.05)其余6个海拔。>20—30cm层次土壤饱和含水率、毛管含水率, 均为3800m显著大于(P<0.05)除4200m以外的所有海拔, 3200、3600m除与4000、4400m无显著差异(P>0.05)外, 均显著小于(P<0.05)其他4个海拔。从总均值来看, 饱和含水率、毛管含水率具有相同规律, 即3400m和3800m间不显著(P>0.05), 但显著大于(P<0.05)其余6个海拔, 3200m与3600m差异不显著(P>0.05), 但显著小于(P<0.05)其余6个海拔, 其余各海拔间差异不明显(P>0.05)。由此看出, 在不同海拔梯度上, 饱和含水率与毛管含水率均呈明显垂直分异规律, 两者总均值均为3800m处最大, 3200m处最小, 4000—4600m值居中。饱和含水率和毛管含水率总均值从大到小均依次为:3800、3400、4000、4600、4200、4400、3600、3200m。

表 3 不同海拔土壤水分特征 Table 3 Soil water characteristics at different altitudes
物理指标
Physical index
土层深度
Soil depth/cm
海拔Altitude/m
3200 3400 3600 3800 4000 4200 4400 4600
饱和含水率
Saturated water content/%
0—10 54.38±0.28d 155.14±3.92aA 50.77±1.34d 205.08±13.06aA 141.92±14.59bA 92.62±0.30cA 110.04±2.56bA 90.41±8.46cA
>10—20 55.13±4.45c 110.75±2.87aB 61.21±9.66c 104.45±7.44aB 72.02±12.62bB 71.20±3.87bC 73.32±1.57bB 84.96±10.31bAB
>20—30 49.11±0.62ef 71.83±1.21cdC 58.23±7.99def 96.61±2.89aC 63.04±2.33deC 89.34±5.03abB 45.81±7.54fC 79.37±5.48bcB
总均值 52.87±1.67c 112.57±1.97a 56.73±3.80c 135.38±12.24a 92.33±12.09b 84.39±4.52b 76.39±11.95b 84.92±4.23b
毛管含水率
Capillary water content/%
0—10 50.63±0.99d 145.78±3.61aA 48.21±0.83d 187.70±11.30aA 135.62±14.39bA 87.03±0.67cA 103.81±0.30bA 86.10±7.96cA
>10—20 51.94±3.95c 103.31±2.82aB 57.88±8.39c 99.11±8.41aB 68.42±12.51bB 67.29±4.28bB 69.04±2.24bB 79.39±8.56bA
>20—30 45.86±0.04e 66.81±1.56cC 55.67±7.97de 91.29±3.68aB 58.59±0.66cdB 84.13±4.21abA 41.47±7.84eC 73.75±4.64bcB
总均值 49.48±1.57c 105.30±1.87a 53.92±3.52c 126.04±19.91a 87.54±12.01b 79.48±4.19b 71.44±11.63b 79.75±3.95b
田间持水率
Field capacity/%
0—10 42.15±6.50bA 82.08±3.49aA 86.55±14.53aA 136.72±13.71aA 87.99±12.18aA 103.68±12.68aA 79.44±1.29abA 57.16±6.38b
>10—20 29.51±3.48bB 60.72±19.74abB 61.72±12.41abB 75.37±2.11aB 58.83±9.39abB 39.94±6.61abB 49.04±10.48abB 52.44±3.22ab
>20—30 29.21±1.41bB 49.42±4.74aC 48.36±3.14abC 51.87±6.89aC 62.58±8.16aB 39.30±6.49abB 35.21±19.65abB 49.06±0.36a
总均值 33.63±3.32b 64.07±12.05ab 65.54±15.05ab 87.98±18.73a 54.67±6.64ab 60.97±15.37ab 54.56±10.07ab 52.89±2.37b

经过对不同海拔梯度饱和含水率、毛管含水率进行逐步回归分析, 得到回归方程Y3(饱和含水率)=3.340-1.996X1(容重)-1.279X2(毛管孔隙度)(R2=0.895, P<0.01);Y4(毛管含水率)=2.142-1.567X1(R2=0.890, P<0.01), 表明饱和含水率、毛管含水率受到容重影响最大, 其次为土壤孔隙度。

3.3.2 田间持水率

田间持水率大小与土壤的结构、质地、有机质含量以及土地利用状况有关[23]表 3显示, 田间持水率除海拔4600m外, 均随土层加深显著减小(P<0.05), 土层深度0—10cm至>10—20cm田间持水率的减小程度比>10—20cm至>20—30cm减小程度更为明显。土层深度0—10cm和>10—20cm, 田间持水率均为海拔3800m处最大;>20—30cm层次, 田间持水率在海拔4000m处最大。表层土壤(0—10cm)田间持水率变化范围在42.15%—136.72%, 深层次土壤(>10—30cm)变化范围在29.21%—75.37%。表层土壤变化范围远大于深层次土壤变化范围, 这是因为表层土壤更新速度快, 受地表植物的影响, 土壤结构良好, 容重偏低, 孔隙比率高, 导致土壤通透性和持水能力强。从同一土层不同海拔来说, 0—10cm层次, 除海拔4400m外, 田间持水率海拔3200、4600m处均显著小于(P<0.05)其余5个海拔, 其余各海拔间处于同一水平(P>0.05)。>10—20cm层次, 田间持水率仅3200m处显著小于(P<0.05)3800m, 其余各海拔无明显差异(P>0.05)。>20—30cm层次, 田间持水率3200m处显著小于(P<0.05)3400、3800、4000、4600m, 其余各海拔间无明显差异(P>0.05)。从总均值来看, 田间持水率3800m处显著大于(P<0.05)3200、4600m, 其余各海拔无显著差异(P>0.05), 各海拔间, 3800m最大, 3200m最小。田间持水率随海拔梯度变化呈M型波动性趋势, 在海拔3200m至海拔3800m阶段, 呈增大趋势, 且增加幅度较大, 到海拔4000m处又急剧减小, 随后上升, 再下降。田间持水率由大到小依次为:3800、3600、3400、4200、4000、4400、4600、3200m。

3.4 土壤渗透性

土壤渗透性是土壤重要的水分物理性质之一, 也是对土壤的保水蓄水以及抗水蚀能力反映的重要指标。土壤渗透性的好坏, 与地表产生径流的大小有着直接的关系, 渗透性越好, 地表径流越少, 土壤侵蚀量也会相应减少[24-26]

土壤渗透性是土壤垂直方向上物理结构最直接的描述指标之一, 更注重整体性的比较。因此通过对0—30cm不同土层土壤渗透性指标值进行均化处理, 得出土壤平均渗透性结果值, 如图 2。初始渗透率、稳定渗透率、平均渗透率均随海拔呈明显垂直地带性规律, 除3600m海拔较为特殊外, 三个指标值均为3400—3800m>4000—4600m>3200m。其中3200—3800m变化幅度较大, 在4000—4600m变化幅度最小, 三者最大值均出现在3800m, 最小值出现在3200m, 最大值分别高出最小值95.91%、93.45%、94.34%。初始渗透率, 海拔3800m显著大于(P<0.05)3200、4000、4200、4400、4600m;稳定渗透率, 3200m显著小于(P<0.05)3400m和3800m, 其他海拔间无显著差异(P>0.05);平均渗透率, 3800m海拔显著大于(P<0.05)3200、3600、4200、4400、4600m,而3200、3600、4200、4400、4600m之间无显著差异(P>0.05)。3400—3800m渗透速率总体上高于4000—4600m, 这就使得在高海拔处未能及时入渗的水量在地表形成径流后在山腰处能够得到有效的拦截, 减少水土的流失。

图 2 0—30cm土层土壤渗透性能随海拔变化特征 Fig. 2 Characteristics of soil permeability(0—30cm)at different altitudes
3.5 各土壤物理性质指标间相关性

为研究色季拉山土壤各项物理指标随海拔梯度变化的垂直分异特征及各项指标相互影响程度, 对土壤的各项物理性质指标进行了相关性分析。表 4给出了各项指标间的相关性指数以及显著程度。结果表明:66对相关关系中有35对达到了显著或极显著相关水平, 53%的较高频率与张晓存评价土壤质量指标数据集的相互关联程度一致[27], 表明所研究土壤物理性质指标间具有一定的相关性, 可为进一步选取土壤质量评价指标提供依据。由表 4可知, 总孔隙度、毛管孔隙度与土壤容重呈极显著负相关(P<0.01), 非毛管孔隙度与土壤容重呈显著负相关(P<0.05), 这与以往大多数研究结果[28-29]相同。容重与海拔呈不显著(P>0.05)负相关, 相关系数仅为0.156。土壤总孔隙度和毛管孔隙度与海拔呈显著(P<0.05)正相关。饱和含水率以及毛管含水率与容重呈极显著负相关关系(P<0.01), 说明土壤含水率受到土壤容重影响较大, 容重越小, 证明土壤质地越疏松, 越能够存储大量的水分。

表 4 各项物理指标间及与海拔土层间的相关性分析 Table 4 Correlation analysis between the Physical indexes and soil layer at different altitudes
指标Index 容重
Soil bulk density/(g/cm3)
总孔隙度
Total Porosity/%
毛管孔隙度
Capillary porosity/%
非毛管孔隙度
Non-capillary porosity/%
饱和含水率
Saturated water content/%
毛管含水率
Capillary water Content/%
田间持水率
Field capacity/%
初渗率
Initial infiltration rate/(mm/min)
稳渗率
Stable infiltration rate/(mm/min)
平均渗透率
Average infiltration rate/(mm/min)
总孔隙度Total porosity/% -0.880**
毛管孔隙度Capillary porosity/% -0.851** 0.989**
非毛管孔隙度
Non-capillary porosity/%
-0.328* 0.228 0.082
饱和含水率
Saturated water content/%
-0.94** 0.780** 0.741** 0.375**
毛管含水率
Capillary water content/%
-0.943** 0.789** 0.756** 0.343* 0.999**
田间持水Field capacity/% -0.538** 0.432** 0.428** 0.09 0.613** 0.613**
初渗率Initial infiltration rate/(mm/min) -0.383** 0.245 0.2 0.333* 0.404** 0.393** 0.326**
稳渗率Stable infiltration rate/(mm/min) -0.257** 0.199 0.198 0.033 0.206 0.209 0.234 0.761**
平均渗透率
Average infiltration rate/(mm/min)
-0.279 0.223 0.221 0.047 0.236 0.237 0.209 0.739** 0.852**
海拔Altitude/m -0.156 0.354* 0.341* 0.142 0.057 0.059 0.04 -0.122 -0.08 -0.038
土层深度Soil depth/cm 0.372** -0.420** -0.430** -0.003 -0.442** -0.448** -0.492** 0.129 0.131 0.131
  **在0.01水平(双侧)上极显著相关;*在0.05水平(双侧)上显著相关

饱和含水率、毛管含水率、田间持水率与海拔有一定的正相关关系, 与土层之间呈极显著负相关关系(P<0.01), 这证明此3要素在垂直海拔梯度上有一定的分异规律, 浅层次土壤比深层次土壤的保水蓄水能力更强。初始渗透率、稳定渗透率均与容重呈极显著负相关(P<0.01), 与海拔呈非显著负相关关系(P>0.05)。平均渗透率与土壤容重呈负相关关系, 但不显著(P>0.05)。初始渗透率、稳定渗透率和平均渗透率均与总孔隙度、毛管孔隙度呈正相关关系, 而初始渗透率与非毛管孔隙度呈显著正相关关系(P<0.05), 说明渗透性能受非毛管孔隙度影响较大。由此看出, 在海拔梯度上, 土壤总孔隙度、毛管孔隙度垂直分异规律最强, 在土层深度上, 除非毛管孔隙度、渗透性能外, 其余各项指标均呈现出较强的分异特征。

4 讨论与结论 4.1 讨论

因高原山地海拔垂直变化较大, 导致综合生态环境差异, 使坡面土壤各基本物理指标垂直分布特征明显。研究结果表明:表层(0—10cm)土壤物理基本指标优于深层次(>10—30cm)土壤, 这是因为表层土壤植被根系发达, 微生物活动量大, 枯枝落叶分解较多, 腐殖层厚, 使表层土壤比深层土壤更为疏松, 孔隙度较高, 蓄水保水能力较强, 这与以往大多数研究结果一致[30-32]。但在海拔3600m处, 由于高强度且频繁的人类活动干扰, 表层土壤被反复踩踏, 使土壤变得紧密, 从而使其容重偏大, 孔隙度、饱和含水率、毛管含水率偏小。

山顶地带, 植被稀疏, 林分向单一林种过度, 植被多以灌草结合为主, 腐殖层较薄, 且随海拔的增高, 地表接受的太阳辐射增强, 昼夜温差较大, 物理风化盛行, 土壤表面覆盖大量的砾石, 土壤微生物活动趋弱, 土壤趋于原始发育阶段变化, 从而使山顶地带各项物理指标均弱于山体中部地带。山体中部除3600m海拔处外, 人为干扰强度极低, 分布有大量郁闭度极高的云冷杉林, 林内潮湿, 大量枯落物在微生物作用下, 分解成腐殖质, 土壤疏松, 更新较快。同时, 山顶坡面径流携带大量土壤颗粒及有机质运移至山腰地带, 使区域内土壤黏粒增加, 这些都有效地改善了土壤结构, 很好地拦截和储蓄了水土, 起到保持水土的作用。3200m和3600m位置, 很明显受高强度的人为活动影响, 土壤紧实, 通透性差, 土壤各项物理指标值较差。研究结果较为真实地反映了人与自然环境对土壤结构、性状的影响。植被和气候环境等自然因素是土壤保持良好结构的重要原因, 人类活动也是影响土壤物理性质的重要因素之一。以色季拉山为代表的藏东南森林地带, 土壤结构极为脆弱, 易破坏, 难恢复。因此在旅游开发、森林生产经营过程中, 应特别注意保护好地表覆盖物, 减小扰动强度。

4.2 结论

(1) 随土层加深, 土壤容重有增加趋势, 总孔隙度、毛管孔隙度均有减小趋势。非毛管孔隙度, 除3200、3600、4400m外, 其余各海拔土层间有显著差异(P<0.05)。从海拔上来说, 容重总均值、总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度变化范围分别为0.58—1.10g/cm3、57.00%—72.47%、53.33%—67.59%、3.20%—4.87%。不同海拔土壤容重由大到小依次为:3200、3600、4400、4000、4200、4600、3400、3800m;总孔隙度和毛管孔隙度值由大到小依次为:3800、3400、4200、4600、4000、4400、3600、3200m;非毛管孔隙度由大到小依次为3800、4400、4600、3400、3200、4200、4000、3600m。

(2) 饱和含水率和毛管含水率各海拔均随土层深度增加而减小, 除3200m和3600m外, 其余各海拔随土层深度增加均显著减小(P<0.05)。表层土壤(0—10cm)在持水性能力上优于深层次土壤(>10—30cm)。田间持水率除海拔4600m外, 均随土层加深显著减小(P<0.05), 土层深度0—10cm至>10—20cm田间持水率的减小程度比>10—20cm至>20—30cm减小程度更为明显。从总均值来看, 饱和含水率、毛管含水率具有相同规律, 即3800、3400m处最大, 3200m和3600m处最小, 4000—4600m居中, 田间持水率随海拔梯度变化呈M型波动性趋势。初始渗透率、稳定渗透率、平均渗透率均随海拔呈明显垂直地带性规律, 除3600m海拔值较为特殊外, 3个指标值均为3400、3800m处>4000、4200、4400、4600m>3200m。

(3) 色季拉山在海拔和土层上, 土壤物理性质具有较强的空间异质性。显著性检验和相关性分析结果表明:土壤各项物理指标表层(0—10cm)异质性要大于深层次土壤(>10—30cm)。在海拔梯度上, 山体中部异质性大于山体上部, 人为干扰也明显导致了土壤物理性质空间异质性, 比如:3200m和3600m是干扰强度极高的地带, 土壤物理性质出现了极显著的变异特征。此外, 土壤物理性质各指标间有明显的空间自相关现象。

(4) 综合各海拔土壤物理性质分析结果, 各海拔处土壤物理结构性状表现出较强的规律性, 即3400、3800m优于4000—4600m, 3200m和3600m处结构最差。茂密的植被覆盖是维持良好土壤结构的重要原因, 自然环境自我维护机制得以充分证明, 即使在高寒的山顶, 气候恶劣, 在无人或轻微人为干扰下, 自然环境的修养生息也能使土壤保持较好的结构, 防止更多水土流失的发生;而频繁、高强度的人为干扰是导致土壤结构退化的重要原因, 也容易打破脆弱生态系统平衡。

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