西藏麥地卡濕地國家級自然保護區土壤肥力評價

庹泊楠， 陳虎林， 楊 洋， 葉浠倩， 黃香

(西藏大學理學院，高原流域環境化學實驗室，拉薩 850000)

土壤是地球陸地表面具有一定肥力的、能夠生長植物的疏松表層，其在形成過程中不僅受到母質、生物、氣候、時間和地形等自然因素的影響，也有利用方式、耕作制度等人為因素的共同作用，且這些因素在空間上影響程度各異。因此，空間變異性是土壤的自然屬性，同時也是土壤形成過程中被賦予的基本屬性之一。對土壤肥力現狀進行調查研究是對土壤質量進行綜合評價的重要組成部分之一，也是土壤資源合理利用與改良的重要依據。

青藏高原是地球上最年輕的高原，相較地球上的其他區域，有關青藏高原，特別是其腹地西藏自治區境內土壤肥力的研究很少。已有研究結果表明，西藏五大主要地市(林芝、昌都、山南、拉薩、日喀則)耕地土壤的綜合肥力系數為0.93～2.41，為一般等級到肥沃等級，在空間分布上從東南-中部河谷—西北土壤肥力系數降低，并且表現出與海拔和降雨量等有較顯著的正相關；而對西藏六大地市(林芝、昌都、山南、拉薩、日喀則、阿里)人工造林作業區的土壤綜合肥力的研究結果表明，六大地市人工造林作業區的綜合土壤肥力系數為0.425～1.972，其中處在肥沃等級的占比為0.2%，一般等級的占比為64.9%，貧瘠等級的占比為34.9%；大部分屬于一般等級。已有的關于西藏自治區土壤肥力研究的區域大部分為人工作業區，而西藏自治區更多的土地為天然區域，據統計，西藏自治區70%的土地面積為天然草場，但目前仍缺少對區內面積占比較大的天然草場土壤肥力的評價。

那曲作為西藏的主要牧區之一，擁有草地面積約42.1萬km，占全區土地總面積的94.4%，而位于高寒高海拔的那曲市嘉黎縣境內的麥地卡濕地國家級自然保護區就是一個重要的天然草場。土壤肥力對于天然草場的生產力是至關重要的，本文首次通過對麥地卡濕地國家級自然保護區的土壤pH、鹽度、容重、水分含量、有機質、TOC、氨氮、有效磷、速效鉀、陽離子交換量等10個肥力指標的分析測定對該濕地土壤肥力進行了調查研究，旨在對該區域的土壤生產力現狀有一個科學且客觀的認識。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

麥地卡濕地國家級自然保護區位于西藏自治區中部偏北的那曲市嘉黎縣北部麥地卡鄉(30°48′11.64″—31°17′57.35″N,92°39′52.9″—93°21′10.22″E)，地處念青唐古拉山中段北麓，總面積895.41 km，平均海拔4 900 m。在地質構造上，位于藏北構造區班公錯-東巧-怒江斷裂帶南部，岡底斯-念青唐古拉褶皺東段；其地貌屬高原湖盆谷地平原，多湖盆、谷地、山地。氣候上，宛如青藏高原東南地面巨大裂口的雅魯藏布江下游河谷構成了印度洋濕暖氣流伸入高原內部的主要通道，而沿布拉馬普特拉河—雅魯藏布江大峽谷“水汽通道運動”的較強水汽可以攀越高峰，到達念青唐古拉山北坡的嘉黎縣。因此，由于該水汽通道的存在，來自印度洋的暖濕氣流影響著麥地卡濕地，使其降水量與氣溫均高于同緯度的藏北其他地區。

麥地卡濕地是藏北地區典型的高原湖泊沼澤草甸濕地，是西藏境內首個于2004年12月被國際濕地公約組織列入《國際重要濕地名錄》的濕地。2016年5月，經國務院審定，麥地卡濕地又被列為國家級自然保護區。該濕地是西藏集國際重要濕地和國家級自然保護區為一體的重要濕地。保護區內土壤類型多樣，主要包括高山草甸土、高山灌叢草甸土、沼澤土、寒漠土以及粗骨土。濕地流域屬雅魯藏布江水系，區內的主要河流麥地藏布及其支流是雅魯藏布江最大的支流-拉薩河的源頭，對削洪補枯、調蓄拉薩河的水量、凈化其水質、保護拉薩河的水生態安全有著極其重要的意義。

1.2 土壤樣品的采集與分析

為了對麥地卡濕地自然保護區內的土壤肥力進行系統研究，根據《土壤環境監測技術規范HJ/T 166—2004》《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準(試行)GB 15618—2018》結合研究區的土壤類型(即沼澤土、高山草甸土、高山灌叢草甸土、寒漠土、粗骨土)情況以及現場情況進行采樣點的確定，本研究在保護區內布設采樣點共計43個(圖1)。于2020年9月采集到表層土壤樣品共計43份，包括14份沼澤土樣品、20份高山草甸土樣品、3份高山灌叢草甸土樣品、3份粗骨土樣品和3份寒漠土樣品。由于土壤中的有機質、氮、磷、鉀營養元素等主要集中在表層土壤中，且植物的根系主要生長于表層土壤。且已有研究發現，在高寒凍土區由于多年凍土季節反復凍融，導致了高寒草甸根系分布淺層化，主要集中于表層土壤中，因此本研究在進行樣品采集時主要采集對象為0—20 cm的表層土壤，采集時采用對角線法多點采樣并等量混合，得到該點的土壤樣品。

圖1 麥地卡濕地國家級自然保護區表層土壤采樣點分布

樣品采集的同時，在現場采用便攜式pH計(哈納HI 98168，精度：±0.01)和便攜式鹽度儀(賽亞斯SYS，精度：±0.2%)分別測定土壤pH和鹽度。土壤容重的分析測定采用環刀法。土壤水分測定的樣品用鋁盒采集后，根據《土壤 干物質和水分的測定 重量法HJ 613-2011》進行分析測定。用于測定氨氮的樣品現場保存于(-20 ℃)冷鏈箱中并于14天內在實驗室根據《土壤 氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮的測定 氯化鉀溶液提取-分光光度法HJ 634—2012》完成分析測定。用于有效磷、速效鉀、有機質、TOC、陽離子交換量等參數的樣品則于實驗室自然風干，剔除石塊、植物殘體后經瑪瑙研缽粉碎研磨，過0.149 mm土壤篩備用。其中，有效磷根據《土壤檢測 第7部分:土壤有效磷的測定 NY/T 1121.7—2014》進行分析測定，速效鉀根據《土壤速效鉀和緩效鉀含量的測定NY/T 889—2004》進行分析測定，有機質根據《森林土壤有機質的測定及碳氮比的計算LY/T 1237—1999》進行分析測定，TOC根據《土壤 有機碳的測定 重鉻酸鉀氧化-分光光度法 HJ 615—2011》進行分析測定，陽離子交換量根據《土壤 陽離子交換量的測定 三氯化六氨合鈷浸提-分光光度法 HJ 889-2017》進行分析測定。

1.3 土壤肥力評價方法

內梅羅指數是一種兼顧極值或突出最大值的計權型多因子環境質量指數。根據“木桶理論”，土壤整體肥力取決于含量最缺的養分指標，即指標最小值對土壤肥力的限制性，當某屬性測定值超過好的標準(即>)時，肥力系數也不再提高，反映植物生長對某屬性的要求并不是越高越好，這與生產實踐相符。結合內梅羅指數兼顧極值、避免權系數主觀影響等特點，本研究采用改進的內梅羅綜合指數法對麥地卡濕地土壤肥力現狀進行評價。在進行內梅羅綜合評價前，需要根據相應分級標準對所選擇的參評指標進行標準化以消除各肥力屬性之間的量綱差別。本研究參照第二次土壤普查中的土壤各屬性分級標準(表1)對所選參評指標進行標準化。

表1 土壤各屬性分級標準

由于第二次土壤普查中的土壤各屬性分級標準僅涉及土壤有機質、有效磷、速效鉀、容重和pH的相關標準(表1)，因此本研究根據表1所列各分級標準(、、)對本研究參評相關肥力指標的標準化具體處理方法為：

當屬性值屬于差一級時，即≤：

當屬性值屬于中等一級時，即<≤：

當屬性值屬于較好一級時，即<≤：

當屬性值屬于好一級時，即>：

=3

式中：為分肥力系數；為屬性測定值。

此外，由于土壤容重在1.14～1.26 g/cm范圍內比較有利于幼苗的出土和根系的正常生長，大于或小于此范圍在標準化后其分肥力系數應該較小。因此對容重的標準化進行特殊處理。標準化方法為：

當容重()≥1.45 g/cm：

當1.35 g/cm≤<1.45 g/cm：

當1.25 g/cm≤<1.35 g/cm：

當1.14 g/cm≤<1.25g/cm：

=3

通過上述標準化方法將本研究各指標進行標準化后，得到的各分肥力系數便于進一步地對比和計算。最后采用修正的內梅羅計算公式進行綜合肥力的計算：

根據值對土壤肥力進行分等級評價的分級標準見表2。采用最小值代替原內梅羅公式中的最大是為了突出土壤肥力的限制性因子。式中用最小代替了原內梅羅綜合指數法中最大突出了土壤中最差屬性對土壤肥力的影響，能夠反映植物生長的最小因子律；另外增加修正項(—1)/提高了評價的可信度，即參與評價的土壤屬性越多(—1)/值越大,可信度越高同時使評價參數不相等時的評價結果具有可比性。

表2 土壤肥力分級標準

1.4 數據處理

本研究采用SPSS 25.0中的Shapiro—Wilk test法(S—W法)對各理化指標分布類型進行檢驗，判斷其是否符合正態分布(顯著性>0.05，符合正態分布；顯著性<0.05，不符合正態分布)。用多獨立樣本的非參數檢驗對研究區內不同土壤類型是否對理化性質的差異性造成影響進行分析(顯著性>0.05，無顯著差異；顯著性<0.05，有顯著差異)。應用ArcGIS 10.6對麥地卡濕地國家級自然保護區土壤肥力各指標空間分布圖的繪制。其中，對于數據服從正態分布的指標，本研究采用克里金插值，對于不服從正態分布的數據，采用反距離權重插值法。采用Excel 2010軟件對各屬性值的標準化以及綜合肥力進行計算。

2 結果與分析

2.1 研究區土壤肥力參數分析

麥地卡濕地國家級自然保護區各土壤理化性質和肥力指標的統計學參數見表3和表4。研究區表層土壤pH分析結果表明，區內不同類型表層土壤pH相差不大，為4.64～6.71，整體偏酸性；與那曲其他地區草地土壤相比，pH從高到低順序為班戈、安多所在的西部地區(8.14)>那曲、巴青、比如以及索縣所在的東部地區(7.54)>麥地卡濕地國家級自然保護區(5.83)。而土壤有機質含量從高到低順序為麥地卡濕地國家級自然保護區(151.1 mg/kg)>那曲、巴青、比如以及索縣所在的東部地區(91.6 mg/kg)>班戈、安多所在的西部地區(43.7 mg/kg)。從上述結果可以看出，那曲地區草地土壤有機質含量有隨土壤pH的升高而降低的趨勢，這一結論與戴萬宏等的研究結果一致。

表3 麥地卡濕地不同土壤類型理化性質統計學參數

表4 麥地卡濕地不同土壤類型肥力指標統計學參數

土壤容重可以反映土壤的孔隙狀況、松緊程度和土壤肥力等狀況，是土壤物理性質的一項重要指標；疏松多孔、富含有機質的土壤容重低，而堅實致密、有機質含量少的土壤容重較高。因此，容重直接影響著土壤疏松度和通氣性，并對植物根系生長和生物量的積累有影響，進而影響土壤的滲透性和保水能力。已有研究發現，適合植物根系生長的容重范圍一般為1.10～1.40 g/cm，大于1.60 g/cm時，已達到植物根系穿插的臨界值，非常不利于植物的生長發育。麥地卡濕地國家級自然保護區內土壤容重研究結果顯示，研究區內高山灌叢草甸土和高山草甸土的容重在比較適合植物根系生長的范圍內，而粗骨土和寒漠土的容重平均值均偏大，且有機質含量較其他幾種土類低，此時土壤的蓄水和通透性較差，不僅不利于植物根系的生長，也不利于土壤水分的儲存，導致土壤水分含量低于其他幾種類型土壤，尤其是沼澤土。

研究區土壤主要養分研究結果表明，根據全國第二次土壤普查中養分的分級指標對研究區各養分含量等級進行劃分，區內5種類型土壤有機質含量均處于一級水平(>40 mg/kg)，總體上土壤有機質含量水平較高，這與青藏高原范圍內氣候條件有關，由于低溫寒冷，土壤中有機質的分解的速度也極緩慢，因此高原內自然植被下土壤有機質的累積貯量高。研究區內有機質含量最高的為沼澤土，其均值是其余4種土類機質含量均值的3～4倍，遠大于其余4種土類，造成這一結果的原因主要是沼澤土發育于低溫、水分含量高的環境，在這樣的條件下，有機質的分解速度尤為緩慢，導致沼澤土中有機質大量積累，遠高于研究區的其余土類；研究區5種土壤類型的速效鉀含量水平分級中，除了寒漠土處于4級水平(50～100 g/kg)外，其余4種類型土壤均處于3級水平(100～150 g/kg)，與班戈、安多所在的那曲西部地區(148.99 g/kg，3級)含量相當，但低于那曲、巴青、比如以及索縣所在的東部地區(182.02 g/kg，2級)，說明研究區土壤中速效鉀的供應較為充足；研究區有效磷含量水平的分級中，除了寒漠土處于3級水平(10～20 g/kg)外，其余4種類型土壤均處于4級水平(5～10 g/kg)，較班戈、安多所在的那曲西部地區(3.50 g/kg，5級)以及那曲、巴青、比如以及索縣所在的東部地區(3.56 g/kg，5級)有效磷含量水平高，說明研究區土壤有效磷雖處于比較缺乏的狀態，但相比于那曲的其他地區較為充足。從上述養分含量水平來看，雖然麥地卡濕地國家級自然保護區處于高寒高海拔的那曲地區，但其土壤的養分含量水平較同緯度的其他那曲地區高，這可能是由于雅魯藏布江大峽谷的“水期通道效應”，使該區域能較多地沐浴來自印度洋的暖濕氣流，降水量與氣溫高于同緯度的其他藏北地區的原因。

變異系數在一定程度上反映著樣本的變異程度，在土壤科學中，變異系數(CV)在0～15%范圍內為弱變異，在16%～35%范圍內為中等強度變異，>36%為強變異。土壤各肥力參數的變異系數顯示，研究區土壤pH為弱變異，土壤容重和陽離子交換量為中等強度變異，而有效磷、速效鉀、氨氮、有機質、TOC、鹽度、土壤水分以及電導率都屬于強變異。研究區大部分的土壤肥力參數都屬于強變異，表明這些參數的含量在研究區內具有較大的空間離散特征，為了探究這些肥力參數的較大空間離散性是否與土壤類型有關，本研究進行了多獨立樣本的非參數檢驗。結果(表5)表明，pH的分布與土壤類型沒有相關性，并且由于該項指標為弱變異，因此可以得出研究區內pH的分布是比較均勻的；土壤容重、有機質、陽離子交換量、TOC、土壤水分以及土壤鹽度的含量分布與土壤類型表現出一定的相關性，因此這幾項指標的變異程度主要是由于不同的土壤類型造成的；而速效鉀、有效磷以及氨氮與土壤類型雖然沒有表現出相關性，但這幾項參數在研究區內都是屬于強變異等級，說明在研究區內這幾項參數含量的主要影響因素不是土壤類型。

表5 多獨立樣本的非參數檢驗結果

S—W法檢驗的結果顯示，陽離子交換量、氨氮以及pH顯著性均>0.05，即符合正態分布；其余指標顯著性均<0.05，即不符合正態分布。因此在進行插值時，陽離子交換量、氨氮以及pH采用克里金插值法，而其余指標采用反距離權重法進行插值，結果見圖2。

上述結論中受土壤類型影響含量的參數在研究區內的含量分布(圖2)中能更直觀地被體現。研究區土壤容重的分布上表現為高山草甸土、寒漠土以及粗骨土較高，而沼澤土較低；陽離子交換量的分布規律與容重相反，為沼澤土較高，高山草甸土較低；而有機質、TOC、土壤水分以及土壤鹽度均為沼澤土含量較高，其余土類含量較低。

圖2 麥地卡濕地國家級自然保護區土壤各肥力參數空間差異分布

土壤的肥力狀況是影響天然草場生產力最重要的因素之一。西藏麥地卡濕地國家級自然保護區土壤肥力研究表明，單項肥力指標中的土壤容重、有機質、陽離子交換量、TOC、土壤水分以及土壤鹽度的含量分布與土壤類型有關；而速效鉀、有效磷以及氨氮的含量不受土壤類型的影響。這一分布規律與各類型土壤的發育環境、水熱條件等因素的差異以及土壤中各肥力參數含量的影響因素不同有一定關系。沼澤土屬于水成土，其形成條件為地面積水或土層中長期處于水分飽和狀態且有濕生植物生長，沼澤土的形成環境一般不受氣候條件限制，但濕冷的氣候條件更利于沼澤土的發育。因此，在高寒高海拔的麥地卡濕地中常年滯水的低洼地帶和臨湖臨河區域均發育有沼澤土，該土類也是麥地卡濕地主要的土壤類型之一。

沼澤土表層主要組成成分為植物殘體，土體孔隙大且大部分體積被水分填滿，因此沼澤土的容重小且水分含量高；由于沼澤土長期處于嫌氣還原狀態，形成大量有機質積累，同時由于低溫寒冷，土壤中有機質分解速度緩慢，因此沼澤土的有機質含量也高。除沼澤土外，高山草甸土也是麥地卡濕地的主要土壤類型，該土類發育在低溫半濕潤的高原地區，由于氣候寒冷，土壤中微生物活動弱，有機質的合成量大于分解量，因此導致該土類中有機質大量累積。但由于高山草甸土中水分含量遠低于沼澤土，土壤中通氣性較好，有機質分解速率較沼澤土快，因此其有機質含量低于沼澤土。而粗骨土和寒漠土發育于干旱寒冷的環境，以物理風化為主，發育程度不高，且由于風蝕作用的影響，土體富含礫石，顆粒較粗，因此這2種土壤保水持水性較差，水分含量低；同時由于這2類土壤表面植被覆蓋率不高，向土壤提供的有機殘體有限，因此有機質含量較沼澤土和高山草甸土低。

土壤中有效磷、速效鉀等可供植物吸收利用的營養元素含量并不是某一種因素影響的結果，往往是多重因素的共同作用。已有研究發現，速效鉀受地質地貌等自然因素以及人為土地利用方式的影響較大，這些因素相互影響且各有差異。在麥地卡濕地自然保護區這樣一個較小的地質單元內受到的地質地貌等自然因素的影響差異性不大，因此這些營養元素的含量沒有表現出與土壤類型的相關性。

2.2 研究區土壤的綜合肥力指數

在上述肥力指標的研究中，僅得到了單項肥力指標的分布特征，不能全面綜合地對麥地卡濕地土壤肥力做出評價。因此，采用改進的內梅羅綜合指數法對麥地卡濕地國家級自然保護區土壤肥力質量進行綜合評價，結果見表6。

表6 麥地卡濕地國家級自然保護區土壤綜合肥力

改進的內梅羅綜合指數法計算結果表明，麥地卡濕地國家級自然保護區土壤綜合肥力系數()大小順序為高山草甸土(1.72)>高山灌叢草甸土(1.66)=寒漠土(1.66)>沼澤土(1.56)>粗骨土(1.43)。除了高山草甸土肥力等級屬于肥沃以外，其余4種土壤均屬于一般等級。由于缺少西藏其他地區天然牧場的土壤綜合肥力研究數據，因此本研究將與少量西藏其他地區已有的土壤肥力評價研究結果進行比較。研究區土壤綜合肥力評價結果與席永士等在西藏5地耕地土壤肥力研究中拉薩和日喀則2地的耕地土壤肥力等級相當，也與羅紅等在西藏人工造林作業區土壤肥力研究中昌都和林芝2地的人工造林作業區土壤肥力等級相當。說明麥地卡濕地國家級自然保護區雖處于高寒高海拔的那曲地區，但其土壤綜合肥力不低于西藏的其他地區。

各類土壤的有機質含量值都是高于分級指標中最高一級的，但該項指標的分肥力并沒有隨著含量值的增加而繼續增加，這也說明在肥力評價中，指標值不是越高越好，而是存在1個閾值。本研究中，就高山灌叢草甸土而言，影響該類土壤肥力綜合指數最大的肥力指標是有效磷；對于寒漠土而言，影響其土壤綜合肥力最大的肥力指標為速效鉀；而對于沼澤土和粗骨土而言，影響這2種土壤綜合肥力最大的肥力指標是容重。

3 結 論

(1)麥地卡濕地國家級自然保護區土壤各肥力參數分析的結果顯示：研究區土壤pH較那曲其他地區草地土壤pH低；研究區內高山灌叢草甸土和高山草甸土的容重在比較適合植物根系生長的范圍內，而粗骨土和寒漠土的容重平均值均偏大，不利于植物根系的生長；研究區5種類型土壤有機質含量均處于一級水平，總體上麥地卡濕地國家級自然保護區的土壤有機質含量水平較高；速效鉀除了寒漠土處于4級水平外，其余4種類型土壤均處于3級水平；而有效磷除了寒漠土處于3級水平外，其余4種類型土壤均處于4級水平，說明研究區土壤有效磷處于比較缺乏的狀況。

(2)多獨立樣本的非參數檢驗結果以及各肥力參數含量的分布顯示，研究區土壤容重、有機質、陽離子交換量、TOC、土壤水分以及土壤鹽度的含量分布與土壤類型有一定相關性，且表現為土壤有機質、TOC、土壤水分以及土壤鹽度有著相似的分布規律，即沼澤土含量較高，其余土類含量較低；而容重和陽離子交換量則有著相反的分布規律，即土壤容重的分布上表現為高山草甸土、寒漠土以及粗骨土較高，而沼澤土較低；陽離子交換量的分布表現為沼澤土較高，而高山草甸土較低。

(3)麥地卡濕地國家級自然保護區土壤綜合肥力評價結果表明，土壤綜合肥力系數()大小順序為高山草甸土>高山灌叢草甸土=寒漠土>沼澤土>粗骨土。其中，除了高山草甸土肥力等級屬于肥沃以外，其余4種土壤均屬于一般等級。盡管麥地卡濕地國家級自然保護區地處高寒高海拔的藏北區域，但其土壤肥力可與西藏其他較低海拔區域的耕地和人工造林作業區土壤肥力相當。