入滲是指水分從地表進入土壤的過程,是大氣水、地表水、土壤水和地下水轉化過程中的重要環節[1],是降雨和灌溉水轉化為土壤水供植物吸收利用的唯一途徑.土壤水分入滲性能與土壤水源涵養作用、水分最優調控、土壤侵蝕、養分和鹽分隨水分的遷移等問題密切相關.
大多研究者認為土壤水分物理參數中的土壤密度、土壤含水量、土壤質地及土壤結構特性等對土壤水分入滲的影響都比較明顯,也有研究者認為影響土壤水分入滲的因子還與土壤有機碳、氮質量分數有密切的關系[2-15].祁連山區植被類型和土壤類型的垂直變化非常顯著[16,17],而有關祁連山區土壤碳氮變化對土壤水分入滲影響的研究相對比較缺乏.為此,于2011年生長季對祁連山區高山草甸土壤水分入滲對土壤有機碳氮的反饋作用進行了研究,為開展不同環境條件下土壤質量分數變化及其對全球氣候變化和土地利用方式轉化的反饋作用提供基礎數據支持.
1研究區概況及研究方法
1.1研究區概況
試驗地點位于甘肅省肅南縣西水林場的排露溝流域,流域面積2.95km2,其中草地面積約占該流域面積的55%,林地面積約40%.它屬于高寒半干旱、半濕潤山地森林草原氣候類型,年均氣 溫0.5℃,年 均 降 水435 mm,年 可 能 蒸 發 量1 051mm[18-20].試驗區高山草甸主要分布在海拔2 500~3 000m的范圍內,其面積約占祁連山區面積的28.27%[18,19],土壤類型為山地灰褐土,土壤厚度1.0m.植物分布狀況如表1所示.
1.2土樣采集與有機碳氮的測定
按不 同 海 拔 \\(2 500 m、2 600 m、2 700 m、2 800m、2 900m和3000m\\)在排露溝流域內選定植被和土壤相似,在每一海拔選擇3塊具有一定代表性的固定地點作為樣地\\(5m×5m\\),共計18塊樣地\\(見圖1\\).
沿每塊樣地坡面的上部、中部和下部隨機挖取3個土壤剖面,按表層0~20cm、中層20~40cm和下層40~60cm 3個層次,用環刀取原狀土樣,每層4個重復,共采集48個土樣,用于土壤有機碳氮分析[18].采用外加熱重鉻酸鉀氧化法[21]對土鑲有機碳\\(SOC\\)進行分析測定;土壤全氮\\(TN\\)分析測定采用凱氏法.
1.3土壤水分入滲速率測定
2011年5-9月在研究區按不同海拔梯度每個月對祁連山高山草甸的土壤采用雙環法進行入滲試驗,每塊 樣 地 試 驗3次.雙 環 入 滲 儀 外 環 直 徑 為22cm,內環直徑為10.5cm,內、外環高度均為25cm.試驗過程中內、外環打入土壤的深度均為10cm,保持內外環5cm的入滲水頭均勻供水,記錄相應時間內環的水分入滲量,達到穩滲時為止.土壤含水量采用TDR進行測定,與入滲同步觀測.土壤有機碳氮與水分入滲的關系采用SPSS 12.0統計分析軟件進行分析,曲線圖采用origin8.5繪制.
2結果與分析
2.1土壤有機碳、氮分布特征
在研究區海拔2 500~3 000m范圍內,土壤有機碳、全氮含量與海拔顯著正相關\\(見表2\\).土壤有機碳含量在14.22±0.19~78.30±0.54g·kg-1,平均為43.23g·kg-1,土壤全氮含量在0.98±0.09~7.01±0.19g·kg-1,平均為3.29g·kg-1.
土壤有機碳和全氮含量隨土層深度的增加而逐漸減少.20~40cm土層有機碳含量和全氮含量相對0~20cm呈明顯下降趨勢.0~20cm土壤有機碳含量與40~60cm土壤有機碳含量平均相差58.21g·kg-1.0~20cm土壤全氮含量與40~60cm土壤全氮含量最大相差5.23g·kg-1,最小為3.37g·kg-1,平均相差4.37g·kg-1.
2.2土壤水分入滲過程分析
土壤水分入滲過程中,在未達到土壤穩滲速率前,在不同海拔,祁連山高山草甸土壤水分入滲速率隨時間的增加均表現為逐漸減小的趨勢\\(見圖2\\),并且其入滲速率并不均勻,初滲速率表現為2 900~3 000m>2 800~2 900 m>2 700~2 800 m>2 600~2 700m>2 500~2 600m.
在入滲約60min時,海拔2 500~2 600m的高山草甸成為幾塊樣地中入滲速率最大的樣地,達到穩滲速率時,下滲速度為海拔2 500~2 600m的最大,海拔2 600~2 700m次 之 ,2 700~2 800m、2 800~2 900m和2 900~3 000m依次變小\\(見圖2\\(b\\)\\).
2.3入滲速率對有機碳氮的響應
數據分析顯示,祁連山不同海拔土壤有機碳氮含量與高山草甸土壤初滲速率變化趨勢基本一致\\(見表3\\),為2 900~3 000m>2 800~2 900m>2 700~2 800 m>2 600~2 700 m>2 500~2 600m.土壤有機碳氮含量最高的海拔\\(2 900~3 000m\\)地區的初滲速率達到7.36cm·min-1.土壤有機碳氮含量最低的低海拔\\(2 500~2 600m\\)地區土壤水分的初滲速率也最慢,為5.92cm·min-1.而土壤水分的穩滲速率與土壤有機碳氮含量的變化關系不是特別明顯.
3結論
張鵬等[17]研究認為由于海拔的變化其周圍的環境因子也在發生相對變化,而環境因子則通過對植被類型和生產力的制約直接影響土壤有機質的輸入量.祁連山高山草甸土壤有機碳和全氮含量隨海拔升高而顯著增加,這是因為祁連山高山草甸土地表面堆積有一定厚度的枯枝落葉層,為高山草甸表層土壤提供了土壤有機質來源.Boruvka[23]研究指出土壤中礦質態氮的有效性直接控制著土壤有機碳的分解速率,土壤碳氮比是土壤氮素礦化能力的標志,碳氮比低有利于土壤微生物的分解,氮的礦化速率隨之就高[24].
祁連山高山草甸在海拔2 900~3 000m土層的有機碳氮含量比其他海拔的土層的有機碳氮含量要高,并且土層間有機碳質量分數變化量不大,土層間孔隙度相對穩定,從而保證了高山草甸土壤水分的初滲速率相對較高.
而其他海拔土層的有機碳氮含量歲海拔的變化明顯減少,變幅也較大,這樣就在很大程度上減少了土壤團聚體和土壤孔隙的數量.因此,由于外界環境的影響使得土壤含水量迅速提高的條件下,其初滲速率相對降低.黃耀等[25]研究認為在土壤水分的穩滲速率較大的原因是該群落類型的土壤容重較小,總孔隙度高,土體在一定土水勢下吸收水分的空間相對較大.
在對祁連山高山草甸土壤水分入滲的研究中發現,高山草甸土壤水分的穩滲速率與土壤有機碳氮含量的變化關系不是特別明顯.
說明土壤有機碳氮含量的變化不足以揭示海拔梯度上土壤水分的穩滲速率,而植被地上、地下生物量、群落結構和土壤團粒結構等因子也可能是導致土壤水分穩滲速率變化的重要因子,有待于在以后的研究中做進一步的驗證.
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