入渗是指水分从地表进入土壤的过程,是大气水、地表水、土壤水和地下水转化过程中的重要环节[1],是降雨和灌溉水转化为土壤水供植物吸收利用的唯一途径.土壤水分入渗性能与土壤水源涵养作用、水分最优调控、土壤侵蚀、养分和盐分随水分的迁移等问题密切相关.
大多研究者认为土壤水分物理参数中的土壤密度、土壤含水量、土壤质地及土壤结构特性等对土壤水分入渗的影响都比较明显,也有研究者认为影响土壤水分入渗的因子还与土壤有机碳、氮质量分数有密切的关系[2-15].祁连山区植被类型和土壤类型的垂直变化非常显着[16,17],而有关祁连山区土壤碳氮变化对土壤水分入渗影响的研究相对比较缺乏.为此,于2011年生长季对祁连山区高山草甸土壤水分入渗对土壤有机碳氮的反馈作用进行了研究,为开展不同环境条件下土壤质量分数变化及其对全球气候变化和土地利用方式转化的反馈作用提供基础数据支持.
1研究区概况及研究方法
1.1研究区概况
试验地点位于甘肃省肃南县西水林场的排露沟流域,流域面积2.95km2,其中草地面积约占该流域面积的55%,林地面积约40%.它属于高寒半干旱、半湿润山地森林草原气候类型,年均气 温0.5℃,年 均 降 水435 mm,年 可 能 蒸 发 量1 051mm[18-20].试验区高山草甸主要分布在海拔2 500~3 000m的范围内,其面积约占祁连山区面积的28.27%[18,19],土壤类型为山地灰褐土,土壤厚度1.0m.植物分布状况如表1所示.
1.2土样采集与有机碳氮的测定
按不 同 海 拔 (2 500 m、2 600 m、2 700 m、2 800m、2 900m和3000m)在排露沟流域内选定植被和土壤相似,在每一海拔选择3块具有一定代表性的固定地点作为样地(5m×5m),共计18块样地(见图1).
沿每块样地坡面的上部、中部和下部随机挖取3个土壤剖面,按表层0~20cm、中层20~40cm和下层40~60cm 3个层次,用环刀取原状土样,每层4个重复,共采集48个土样,用于土壤有机碳氮分析[18].采用外加热重铬酸钾氧化法[21]对土镶有机碳(SOC)进行分析测定;土壤全氮(TN)分析测定采用凯氏法.
1.3土壤水分入渗速率测定
2011年5-9月在研究区按不同海拔梯度每个月对祁连山高山草甸的土壤采用双环法进行入渗试验,每块 样 地 试 验3次.双 环 入 渗 仪 外 环 直 径 为22cm,内环直径为10.5cm,内、外环高度均为25cm.试验过程中内、外环打入土壤的深度均为10cm,保持内外环5cm的入渗水头均匀供水,记录相应时间内环的水分入渗量,达到稳渗时为止.土壤含水量采用TDR进行测定,与入渗同步观测.土壤有机碳氮与水分入渗的关系采用SPSS 12.0统计分析软件进行分析,曲线图采用origin8.5绘制.
2结果与分析
2.1土壤有机碳、氮分布特征
在研究区海拔2 500~3 000m范围内,土壤有机碳、全氮含量与海拔显着正相关(见表2).土壤有机碳含量在14.22±0.19~78.30±0.54g·kg-1,平均为43.23g·kg-1,土壤全氮含量在0.98±0.09~7.01±0.19g·kg-1,平均为3.29g·kg-1.
土壤有机碳和全氮含量随土层深度的增加而逐渐减少.20~40cm土层有机碳含量和全氮含量相对0~20cm呈明显下降趋势.0~20cm土壤有机碳含量与40~60cm土壤有机碳含量平均相差58.21g·kg-1.0~20cm土壤全氮含量与40~60cm土壤全氮含量最大相差5.23g·kg-1,最小为3.37g·kg-1,平均相差4.37g·kg-1.
2.2土壤水分入渗过程分析
土壤水分入渗过程中,在未达到土壤稳渗速率前,在不同海拔,祁连山高山草甸土壤水分入渗速率随时间的增加均表现为逐渐减小的趋势(见图2),并且其入渗速率并不均匀,初渗速率表现为2 900~3 000m>2 800~2 900 m>2 700~2 800 m>2 600~2 700m>2 500~2 600m.
在入渗约60min时,海拔2 500~2 600m的高山草甸成为几块样地中入渗速率最大的样地,达到稳渗速率时,下渗速度为海拔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依次变小(见图2(b)).
2.3入渗速率对有机碳氮的响应
数据分析显示,祁连山不同海拔土壤有机碳氮含量与高山草甸土壤初渗速率变化趋势基本一致(见表3),为2 900~3 000m>2 800~2 900m>2 700~2 800 m>2 600~2 700 m>2 500~2 600m.土壤有机碳氮含量最高的海拔(2 900~3 000m)地区的初渗速率达到7.36cm·min-1.土壤有机碳氮含量最低的低海拔(2 500~2 600m)地区土壤水分的初渗速率也最慢,为5.92cm·min-1.而土壤水分的稳渗速率与土壤有机碳氮含量的变化关系不是特别明显.
3结论
张鹏等[17]研究认为由于海拔的变化其周围的环境因子也在发生相对变化,而环境因子则通过对植被类型和生产力的制约直接影响土壤有机质的输入量.祁连山高山草甸土壤有机碳和全氮含量随海拔升高而显着增加,这是因为祁连山高山草甸土地表面堆积有一定厚度的枯枝落叶层,为高山草甸表层土壤提供了土壤有机质来源.Boruvka[23]研究指出土壤中矿质态氮的有效性直接控制着土壤有机碳的分解速率,土壤碳氮比是土壤氮素矿化能力的标志,碳氮比低有利于土壤微生物的分解,氮的矿化速率随之就高[24].
祁连山高山草甸在海拔2 900~3 000m土层的有机碳氮含量比其他海拔的土层的有机碳氮含量要高,并且土层间有机碳质量分数变化量不大,土层间孔隙度相对稳定,从而保证了高山草甸土壤水分的初渗速率相对较高.
而其他海拔土层的有机碳氮含量岁海拔的变化明显减少,变幅也较大,这样就在很大程度上减少了土壤团聚体和土壤孔隙的数量.因此,由于外界环境的影响使得土壤含水量迅速提高的条件下,其初渗速率相对降低.黄耀等[25]研究认为在土壤水分的稳渗速率较大的原因是该群落类型的土壤容重较小,总孔隙度高,土体在一定土水势下吸收水分的空间相对较大.
在对祁连山高山草甸土壤水分入渗的研究中发现,高山草甸土壤水分的稳渗速率与土壤有机碳氮含量的变化关系不是特别明显.
说明土壤有机碳氮含量的变化不足以揭示海拔梯度上土壤水分的稳渗速率,而植被地上、地下生物量、群落结构和土壤团粒结构等因子也可能是导致土壤水分稳渗速率变化的重要因子,有待于在以后的研究中做进一步的验证.
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