本研究区域位于陕西省延安市南泥湾(109°32'36″—109°44'52″E,36°19'52″—36°21'53″N),平均海拔为1 230 m。该地区是我国内陆干旱区与东部季风湿润区过渡带,年平均气温为8.2℃,年日照时间在 2 420 h左右,年平均降雨量530～600 mm。区内植被覆盖率达83%,主要以次生林为主,优势种主要有山杨(Populus davidiana)、辽东栋(Quercus wutaishansea)、油松(Pinus tabuliformis)、桦树(Betula)、侧柏(Platycladus orientalis)等。

2019年5月,我们在延安市宝塔区南泥湾选取了4个典型(河滩草地、灌木地、小叶杨林地、旱地草地)样地。在4个典型样地分别选取总面积为20 m×20 m的样方,每个样方按照“品”字形设置3个采样点,在每个采样点内使用土钻对土层0—10 cm,10—20 cm,20—40 cm进行样品采集。土壤样品在实验室自然风干后,捡去石块、残根等杂物过筛,过筛后的土壤用于有机质、pH、速效磷等土壤化学质的测定。土壤养分指标的测定参照《土壤农化分析》^[18]。各样地基本情况见表1。

表1 样地基本概况

对所测的土壤养分指标分别进行算术平均,其结果作为南泥湾湿地土壤养分的平均状况(表2)。结果表明,南泥湾湿地土壤养分差异较大。变异系数(CV)不仅能反映其空间变异性,还是进行土壤养分管理和合理施肥的基础^[21]。南泥湾湿地0—40 cm土层中,土壤有机质、速效磷、全磷为中等变异性,其中土壤有机质、速效磷变异系数较大,这可能与植被残渣、枯落物等有密切关系,因为土壤有机质和速效磷除了与其成土母岩、气候和自然理化性质有密切关系外,植被的作用也不可忽视^[22]。土壤碱解氮含量和pH为弱变异性,其中pH的变异系数为2.20%,空间变异性最小,说明南泥湾湿地的土壤pH变化不大,其原因是南泥湾湿地地处西北干旱地区,降雨量小而蒸发量大,导致该区域水资源短缺,地下水及其盐类成分对其影响较小所致^[23]。

表2 南泥湾湿地土壤肥力统计信息

由表3可知,0—40 cm土层各植被类型样地的5项养分指标存在一定的差异。有机质、速效磷、全磷和碱解氮含量由高到低为草地>林地>灌木地,而pH由高到低为灌木地>草地>林地,4种植被类型土壤呈碱性。在0—40 cm土层,灌木地的有机质、速效磷和全磷含量与其余植被类型存在显著差异(p<0.05),河滩草地的速效磷含量和全磷含量显著大于旱地草地(p<0.05)。然而各植被类型的碱解氮含量和pH无显著差异(p>0.05)。

表3 不同植被类型土壤养分指标特征

不同植被类型下土壤养分在0—40 cm呈现差异较大,见图1。各植被类型中全磷含量变化无规律,表现出波动趋势,整体变化幅度较大。各植被类型的碱解氮、速效磷和有机质含量在土层20 cm处有一个明显的拐点,在土层10—20 cm变幅剧烈,在土层20—40 cm变化幅度减小,而灌木地在20 cm处含量大于其余植被类型,各植被类型在整体趋势上表现出表层含量大于底层含量,具有明显的垂直分布特征。各植被类型的pH波动幅度较小,表现出随土层深度而递增。

由表4可以看出灌木地的土壤肥力与其余植被类型存在显著差异,土壤肥力由高到低为河滩草地>小叶杨林地>旱地草地>灌木地。土壤肥力综合评价值划分为5个等级,>0.8为极高等级,0.6～0.8为高等级,0.4～0.6为中等级,0.2～0.4为低等级和<0.2为极低等级^[19,24]。因此,河滩草地、小叶杨林地和旱地草地土壤肥力属于中等级(0.433,0.387,0.374),而灌木地属于极低等级(0.133)。因而,南泥湾湿地土壤肥力较低。

表4 土壤肥力综合评价

图1 土壤养分指标含量与采样深度的关系

灌木地全磷含量显著低于其余植被类型(p<0.05),可能是因为土层中的植物根系对其产生的影响,也可能与土壤有机质存在一定的关系,一般情况下有机质含量高的土壤具有较强的磷吸附能力^[25]。有机质含量大小主要取决于有机物质的输入和输出,输入量来源于植物枯落物腐化,输出量包括各种环境条件下对土壤碳的分解和侵蚀^[26-27],而水盐条件也决定了土壤有机质的积累^[28]。在0—40 cm土层中,灌木地土壤有机质含量与其余植被类型存在显著差异(p<0.05),可能是与发达的根系和地下生物量有关,草地除根状茎外还有发达的蘖节,林地的枯落物大于灌木地,因而有机质含量高于灌木地。

不同的植被类型改变了土壤理化性质和环境状况,进而影响了许多生态过程,使得土壤养分在垂直深度上发生变化 ^[29-30]。研究结果显示,不同植被类型下土壤养分具有明显的垂直分布特征,南泥湾湿地4种植被类型的土壤有机质含量分布表现为明显的表聚性特征,这可能是由于地面的枯枝落叶和土壤表层的根系较多,所以有机质分解后大多数积聚在土壤浅层^[31],而有机质向下运输较慢。已有研究表明^[32],土壤全磷含量随土层深度的增加而减少,主要是由于湿地土壤全磷和有机质受土壤水分和pH的制约,与本研究结果相一致。艾尤尔·亥热提等^[33]研究结果表明碱解氮含量随土层深度的增加而降低,植被对土壤养分具有表聚作用,可能与植物根系的深浅、水分条件、化学过程有关,而本研究结果与其一致。南泥湾湿地的4种植被类型土壤均呈现弱碱性,并随着土层的增加pH值逐渐增加,影响土壤pH变化的因素可能有地下水盐类的成分和含量、蒸发量、降雨量和植物生长状况等^[34]。

影响土壤肥力的因素主要有土壤养分含量、植物对养分指标的吸收能力以及各环境因子。研究结果表明,南泥湾湿地的河滩草地、小叶杨林地和旱地草地土壤肥力属于中等级,可能是由于河滩草地土壤含水量和养分含量较高高,草本植被的根系较浅,因此河滩草地土壤肥力较高; 旱地草地在一定承载力范围内,牲畜的粪便和凋落物在一定程度上补充有机肥到草地中,改善草地质量; 小叶杨林地土壤肥力属于中等级,主要是由于地表的枯落物和腐殖质较多,而且覆盖度较高。灌木地的覆盖度较低,阳光长时间的照射使得土壤的地表温度较高,从而使土壤水分散失和呼吸过程加剧^[35],因此灌木地属于极低等级。通过施加氮肥、磷肥和种植固氮植物等措施,从而减少南泥湾湿地土壤养分的流失,可以促进植物生长,而植物的凋落物可以促进土壤中有机质的增加,还可以促进土壤熟化和磷含量的提高^[36]。