坡向对青藏高原土壤环境及植被生长影响的实验研究_兰爱玉.pdf

第 45 卷 第 1 期2023 年 2 月Vol.45，No.1Feb.，2023冰川冻土JOURNAL OF GLACIOLOGY AND GEOCRYOLOGY坡向对青藏高原土壤环境及植被生长影响的实验研究兰爱玉1，2，林战举1，范星文1，2，姚苗苗1，2（1.中国科学院 西北生态环境资源研究院 冻土工程国家重点实验室，甘肃 兰州 730000；2.中国科学院大学，北京 100049）摘要：坡向差异导致不同坡面近地表水、热及能量平衡过程存在较大差异，进而影响了土壤环境及高寒植物的生长。基于青藏高原花石峡冻土观测基地建设的具有八个坡向的工程实体（简称八棱台），在6年后进行现场测量和实验测试，研究了坡向对青藏高原高寒植被生长环境及特性的影响。结果表明：各坡面近地表（10 cm和30 cm深度）土壤温度由高到低为：南坡东南坡西南坡西坡东坡西北坡东北坡北坡，即相对朝阳坡面（东、东南、南和西南）温度明显高于相对背阳坡面（西、西北、北和东北）温度。而030 cm深度的土壤含水量朝阳坡面与背阳坡面之间差异不明显。地上植被长势（包括株高、覆盖度和地上生物量）朝阳坡面优于背阳坡面；地下植被长势（包括根深和地下生物量）朝阳坡面劣于背阳坡面。010 cm深度土壤有机碳和全氮含量基本是朝阳坡面高于背阳坡面；全磷含量朝阳坡面小于背阳坡面；各坡面之间全钾及速效养分的差异不显著（P0.05）。总体来看，高寒地区温度对植被生长及养分分布的影响更为显著。研究结果为不同坡向植被修复和能量平衡研究提供了参考资料。关键词：青藏高原；坡向；土壤温湿度；高寒植被；土壤养分中图分类号：Q948.113 文献标志码：A 文章编号：1000-0240（2023）01-0042-120 引言 青藏高原作为世界“第三极”，因特殊的地理环境和生态系统，对全球变化十分敏感，是全球生态安全的重要屏障。地形作为青藏高原生态过程形成的基本因素，是造成该地区时空异质性的重要环境因子1-2。在中高尺度上，地形主要通过坡向和海拔来实现水热的时空再分配，导致区域小气候存在较大的差异，进而对植被分布3、土壤理化性质4和微生物环境5等造成了重要的影响。牛钰杰等6在青藏高原东北缘山体的研究显示，阴坡的物种丰富度最高，阶地最低，随海拔的升高，阴坡和山脊的物种丰富度先增加后降低，而阳坡的物种丰富度呈线性增加。付建新等7结合气温、降水、归一化植被指数（NDVI）和 DEM 数据，从海拔、坡度和坡向角度探讨了祁连山南坡NDVI变化及其与气温和降水的关系，结果表明，NDVI值随海拔升高呈先增后降趋势，海拔2 7003 700 m的植被覆盖度较好，4 700 m植被出现退化现象，且阳坡的植被覆盖状况好于阴坡。Sharma等8对喜马拉雅山地区不同坡向的森林组成、群落结构和土壤性质进行了研究，结果显示，北坡土壤含水量、持水量、有机碳、P和K含量均相对较高，且森林生产力也较高。宋雄儒等9对贺兰山西坡不同海拔梯度草地的研究表明，010 cm和1020 cm土壤层中的全磷含量随海拔下降呈显著降低趋势。杨帆等10在祁连山中段阴阳坡地形序列的土壤有机碳和无机碳垂直分布特征的研究结果显示，阴坡平均土壤有机碳含量高于阳坡，但无机碳含量低于阳坡，且阴坡土壤有机碳含量随深度增加的下降速率低于阳坡。DOI：10.7522/j.issn.1000-0240.2022.0005LAN Aiyu，LIN Zhanju，FAN Xingwen，et al.Effects of aspects on soil environment and plant growth on the Qinghai-Tibet Plateau J.Journal of Glaciology and Geocryology，2023，45（1）：42-53.兰爱玉，林战举，范星文，等.坡向对青藏高原土壤环境及植被生长影响的实验研究 J.冰川冻土，2023，45（1）：42-53.收稿日期：2021-03-29；修订日期：2021-08-02基金项目：国家自然科学基金面上项目“高海拔多年冻土区局地坡向效应及水热差异定量化研究”（41971089）；第二次青藏高原综合科学考察研究项目（2019QZKK0905）资助作者简介：兰爱玉，硕士研究生，主要从事寒区环境与工程研究.E-mail：1 期兰爱玉等：坡向对青藏高原土壤环境及植被生长影响的实验研究在局地尺度上，辐射、光照、风速和降水等差异主要受坡向的控制，使得同一海拔高度上不同坡向土壤养分11和植被生长状况12存在较大的差异。Gong等13在锡林河流域丘陵草地的研究显示，土壤可利用水分是限制南北坡植被生产力的首要因素，使得北坡的生产力和物种多样性高于南坡。马瑞等14在东祁连山河谷高寒草地的研究显示，河谷阴坡植被群落的总科数、总属数、总种数和总盖度均高于阳坡，地上生物量分布为：阴坡下部阳坡上部阴坡上部阳坡下部水平阶地，而地下生物量的分布为：阴坡下部阳坡下部阴坡上部水平阶地阳坡上部，同时通过相关分析得到，土壤含水量、容重孔隙度和全氮等指标与植被总盖度、地上生物量、总科数、草地平均高度有显著的相关关系。刘旻霞等15的研究表明，青藏高原高寒草甸区土壤养分含量除了有机碳和全氮为阴坡阳坡半阴半阳坡外，其他养分（全磷、碳氮比、速效磷等）总体呈现出：阴坡半阴半阳坡阳坡的规律，同时阴坡植物群落的物种多样性也高于阳坡。Kong等16在黄土高原坡地的研究显示，东坡的总矿化氮和净矿化氮含量显著高于西坡。赵宁宁17对青藏高原东部不同坡向-群落组合的土壤生物化学特性和碳氮矿化速率进行了研究，结果表明，朝南草甸群落的土壤总氮矿化和净氮矿化速率都显著大于朝北的灌丛群落，但无机氮含量却低于灌丛群落，这主要是由于灌丛植被生长速率低，对土壤氮素吸收也相对较低引起的。综上可得，无论是在中高尺度还是在小尺度上，坡向是导致土壤养分分布和植被生长差异的重要间接环境因子，它主要通过改变温度和湿度来对植被及土壤养分产生影响。因此，探究坡向差异引起的温湿度差异与高寒植被生长特性及土壤养分之间的关系，深入剖析哪一因子的变化是引起青藏高原地区坡面植被和土壤养分差异的主导因素，对深入揭示坡向效应与高寒植被及养分空间分布之间的作用机制具有十分重要的意义。当前的研究大多是侧重于不同坡面的植被结构、丰富度、生产力和土壤温湿度及养分等差异的研究，鲜少对土壤养分、水热条件与植被生长状况间的关系进行系统性的分析，且目前研究都是基于自然坡面条件下，不能有效的排除其他地理因素（如土壤本底结构和性质等）的干扰。此外，由于实际的生态修复工程规模很难实现自然条件下地形差异，对自然条件下的植被和土壤的研究对于生态修复等工程指导意义也相对有限。本研究基于青藏高原花石峡冻土观测基地建设的八棱台试验地，在尽可能保证其他因素相同的条件下，对八个坡面的植被、养分和温湿度分布特征进行了探究，并讨论了它们之间的作用关系，旨在揭示影响高寒植被生长及养分分布的主导因素，为青藏高原不同坡向的植被修复和能量平衡研究提供参考依据。同时，考虑到青藏高原不同走向的线型工程（如路基等）普遍存在坡向效应问题18，从根本上分析不同走向之间的坡向差异状况是十分必要的。因此研究对八棱台两两相对坡面的植被生长及养分分布状况进行了进一步的对比分析，旨在为将来线型工程的设计及维护提供技术支撑。1 材料与方法 1.1试验场地概况试验场地位于青藏高原青海省果洛州玛多县东北部的花石峡多年冻土研究观测基地，地理坐标3457 36 N，9833 36 E（图 1），距离玛多县域45 km，海拔约4 260 m，属于典型的高寒草原气候，太阳辐射强烈，日照充足，昼夜温差大，冬春季节寒冷漫长，夏秋季节温凉短暂，20092019年的年平均气温约为-2.5，降水少且年际变化大，年平均降水量约为303.9 mm19，试验地区植物优势种为垂穗披碱草（Elymus nutans Griseb）。2014年在青海交通科技项目的资助下，在该基地建设了高3.5 m，底边长20 m，顶边长15 m的八棱台观测实体2个（简称：八棱台），坡面朝向分别为北（N）、东北（NE）、东（E）、东南（SE）、南（S）、西南（SW）、西（W）、西北（NW）（图2）。八棱台台体填充材料直接来自场地就近取土，土质类型为砂砾土及碎石土。为了确保每个坡面的温湿度具有较好的对比性，台体填好后在每个坡面和顶面铺设30 cm厚的搅拌均匀的红棕色黏土。2015年在其中一个八棱台坡面及顶面布设了部分水、热、辐射监测系统，另一个八棱台受经费的限制，未安装任何监测设备，之后坡面开始生长垂穗披碱草。1.2样品采集与分析1.2.1植被调查与分析为研究坡向差异对植被生长的影响，2020年9月中旬对八棱台试验场地各坡面的植被种类、高度、盖度、根深、生物量等进行了详细的实地调查，4345 卷冰川冻土调查采用样地法进行。为全面反映各坡面的植被生长差异状况，在八棱台各个坡面的四角（左上、左下、右上和右下）和中心位置分别随机设置了一个50 cm50 cm的正方形样方。调查各样方中的植被种类，测定并记录样方内植株的最大、中等和最小高度，然后计算三者的平均值作为该样方的平均植株高度。利用数码相机对样方进行重复垂直拍照，然后在Photoshop CS4软件中根据样框大小裁剪照片，并记录像素值，使用软件“选择”下拉菜单中的“彩色范围”选项，用“吸管”选择图像的植被部分，然后再根据实际情况用“魔术棒”工具适当调整选区，记录选区的像素。然后，根据公式（1）计算植被覆盖度21-23。覆盖度()P=植被选区像素样方像素 100%（1）植被地上生物量采用刈割法直接获取1，24，然后挖取各样方中植被的地下部分，测量记录其根茎长度，装袋带回实验室，用水洗掉土壤，筛选出各样方的草根。植物样品在105 的烘箱内杀青后，用70 的温度烘至恒重，称得植被地上和地下生物量25。1.2.2土壤湿度在八棱台各坡面中心位置随机选取了一个采样点，垂直挖取一个约30 cm深的土坑，并在未扰动剖面的10 cm、20 cm和30 cm深度处采集适量的土样，现场称重获取各坡面的土壤湿重（m1），然后采用烘干法测得土壤干重（m2），最后，根据公式（2）计算各坡面的土壤质量含水量。=(m1-m2)m2 100%（2）式中：为土壤含水率。图1试验场地位置Fig.1Location of test site：test site（a）；distribution of permafrost in Qinghai-Tibet Plateau20（b）图2八棱台试验场Fig.2Test site of octagon platform：vertical view（a）；entity hyperopia（b）441 期兰爱玉等：坡向对青藏高原土壤环境及植被生长影响的实验研究1.2.3土壤养分特征为获取各坡面表层土壤的养分特征，取010 cm深 度 的 土 样，测 定 有 机 碳（soil organic carbon，SOC）、全氮（total nitrogen，TN）、全磷（total phosphorus，TP）、全钾（total potassium，TK）、碱解氮（alkali hydrolyzed nitrogen，AN）、有 效 磷（available phosphorus，AP）和 速 效 钾（available potassium，AK）等指标。实验在甘肃省农业科学院农业质量标准与检测技术研究所完成。其中，SOC含量采用重铬酸钾硫酸氧化-外加热法进行测定，TN、TP和TK分别采用凯氏定氮法、碱熔-钼锑抗比色法和碱熔-火焰光度法进行测定，AN、AP和AK采用碱解扩散法、碳酸氢钠提取-钼锑抗比色法和乙酸铵浸提-火焰光度法进行测定25-28。1.2.4土壤温度测量八棱台各坡面地温数据通过安装温度传感器（Campbell-109，Salt-Lake-City，UT，USA）和数采仪（CR3000，Campbell，USA）来自动收集数据。温度传感器安装在10 cm和30