草地在陆地生态系统中发挥着不可替代的作用，其发生和发展受土壤系统的控制[1-2]。地形通过改变光、热、水等气候因素影响植被，进而影响土壤形成过程、土壤演替及其理化性质[3-4]。海拔因子通过改变周围小气候环境要素、影响降水量进而影响土壤含水量指标，致使土壤性状、生物群落组成和植被类型发生改变[5]。土壤理化性状既能反映土壤的机械组成，又能反映该地区土壤的涵水能力[6]。总之，研究不同海拔高度的草地土壤理化性质，有助于了解山区垂直带的土壤形成过程、结构和功能，也有助于研究不同海拔梯度植被和土壤之间的相互作用机制[7-9]。有部分学者认为，海拔因素对土壤理化性质影响显著[10-12]。
夏尔希里自然保护区位于天山北坡西段，是我国与哈萨克斯坦的边界地带，保护区管理严格，进入其内开展研究极其困难。该保护区是一个基因库，具有丰富的遗传多样性，不受人为干扰。草原生态系统是保护区重要的自然生态系统类型之一，主要分布在海拔高度为800~2 200 m之间的山地，是野生动物最主要的栖息场所，该区域的稳定发展不仅对保护区的生物多样性有积极影响，对促进保护区物质循环和能量流动、调节小区域气候、保护水土、防风固沙、美化环境也具有重要作用[13]。目前，对于天山北坡土壤理化性质的研究较多[10, 14-16]，但大部分研究区域都受人为干扰作用影响较大，鲜见关于无人为干扰的自然保护区土壤理化性质的研究[17]。该研究以夏尔希里自然保护区的草地为研究对象，分析不同海拔高度的草地土壤理化性质，以期为同类山地土壤理化性质研究提供模板参考，丰富天山北坡土壤理化性质特征数据库。
1 材料与方法 1.1 研究区概况夏尔希里自然保护区位于新疆博尔塔拉蒙古自治州境内北部阿拉套山南坡山区，地理位置为45°07'43″ ~45°23'15″ N，81°43'09″ ~82°33'18″ E。东西长66 km，南北宽25 km，总面积为314 km2。保护区内主要以大陆性寒温带寒冷气候为主[17]。年平均气温5~6 ℃，极端最高温28.3 ℃，极端最低温-32.1 ℃，年平均降水量为183 mm[18]，降水量主要集中于春、夏两季，随海拔高度上升而逐步增大，低山带为100~250 mm，中山带为>250~450 mm，高山带可达>450~600 mm。保护区由于受山地地势差的影响，自然景观垂直地带性明显，以荒漠带（310~ 1 300 m）为基带，因地形和土壤质地不同，地表植物主要以梭梭、戈壁藜、麻黄等旱生或超旱生植被为主。山地草原带（1 300~1 600 m）分布较广泛，主要建群种为针茅、锦鸡儿等，其中灌木类植被在该带广泛分布，群落植被覆盖度可达40%~60%。山地针叶林带广泛分布在海拔1 600~2 700 m范围内，阴坡和半阴坡主要以雪岭云杉植被为主，阳坡以森林草原为主，在草原类型中，锦鸡儿、针茅群种占主体，蒿属、绣线菊等群种植被局部分布。土壤以山地棕钙土（海拔800~1 100 m）、山地栗钙土（海拔>1 100~ 1 600 m）、山地黑钙土（海拔>1 600~2 200 m）为主[17]。
1.2 研究方法于2014年9月对夏尔希里自然保护区进行野外调查，依据地表植被类型、植物生长状况、坡度、坡向等要素的综合考察结果，在保护区的核心区域选取具有代表性的15个草地样地（表 1）。
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表 1 研究区样地基本情况 Table 1 Basic situation of sample plots in the study area |
用土钻法和环刀法对样地内草地植被下的表层土壤（0~10 cm）进行采样，每个样地大小均为3 m×3 m，每个样地内均按五点法采集5个草地表层土壤样点，共采集75个草地表层土壤样品，每个样点用土钻重复取样3次，将3次采集的土样混合均匀后，用四分法取约0.5 kg土装袋贴标，并立即称重，为了减少后期计算误差，用100 cm3环刀在每个样地内随机采取3份平行样，同时用GPS对各样地进行精确定位，记录样地的经纬度、高程、植被状况等信息。
将土样带回实验室自然风干后重新贴标备用，土壤各理化性质指标均参照《土壤农化分析》[19]进行测定，用PHS-4型智能酸度计测定土壤浸提液（水土质量比为2.5:1）pH值，用酸溶-钼锑抗比色法测定全磷含量，重铬酸钾-外加热法测定土壤有机质含量，高氯酸-硫酸消化法测定全氮含量。用环刀法测定土壤容重、非毛管孔隙度、毛管孔隙度和总孔隙度等土壤物理指标。土壤含水量采用烘干（105 ℃）称重法测定，计算公式为土壤含水量=（自然湿重-烘干重）/烘干重；采用浸泡法测定土壤饱和含水率，计算公式为土壤饱和含水率=（饱和湿重-烘干重）/烘干重×100%；利用Microsoft Excel软件进行数据处理，利用Origin 9.0软件进行理化性质与海拔高度的拟合关系图表制作，利用SPSS 20.0软件进行草地土壤理化性质综合评价。
2 结果与分析 2.1 草地表层土壤物理性质随海拔高度的变化 2.1.1 草地表层土壤物理性质的变化特征夏尔希里自然保护区不同海拔高度草地表层土壤物理性质变化见表 2。由表 2可知，不同海拔高度上土壤含水量、饱和含水率、土壤容重、非毛管孔隙度、毛管孔隙度、总孔隙度平均值均差异显著（P < 0.05）。随着海拔高度的变化，土壤含水量w、饱和含水率、土壤容重、非毛管孔隙度、毛管孔隙度、总孔隙度平均值均发生不同程度变化，变化范围分别为9.68%~20.24%、58.47%~113.2%、0.91~1.35 g·cm-3、2.18%~6.73%、35.42%~42.95%、38.09%~ 49.25%。不同土壤类型比较而言，表层草地土壤的土壤含水量、饱和含水率、非毛管孔隙度、毛管孔隙度、总孔隙度平均值均表现为黑钙土>栗钙土>棕钙土，土壤容重的变化规律则相反，大体为棕钙土>栗钙土>黑钙土。
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表 2 不同海拔高度草地表层土壤物理性质 Table 2 Physical properties of grassland surface soil at different altitudes |
由图 1可见，草地表层不同土壤物理性质指标与海拔高度之间的关系呈现不同程度变化，土壤饱和含水率、容重分别与海拔高度呈显著线性相关性，决定系数分别为0.928、0.804（P < 0.01）。但两者的规律截然不同，饱和含水率随海拔高度增加而逐渐增大，在海拔高度2 142.24 m处达最大值113.2%。土壤容重随海拔高度的增加而逐渐减小，在海拔高度2 142.24 m处出现最小值0.91 g·cm-3。总孔隙度、非毛管孔隙度、自然含水率大致随海拔高度的增加而逐渐增大，最大值均出现在海拔高度2 142.24 m处，决定系数分别为0.867（P < 0.01）、0.623（P < 0.05）、0.752（P < 0.01）。一般学者认为土壤容重与土壤含水量大体呈负相关关系[1, 20-21]，笔者的研究结果与其一致，即土壤容重减小时土壤各含水量指标增大。这可能是由于海拔高度影响所致，随着海拔高度的增加，土壤类型由棕钙土过渡到栗钙土，土壤质量逐渐趋于良好，土壤孔隙度逐渐增大，持水性能逐渐提高，再加上随着海拔高度增加，降水量逐渐增多，导致植被覆盖度逐渐增大，从而使得土壤质量改良，土壤疏松程度提高。
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图 1 草地表层土壤物理性质与海拔高度的关系 Fig. 1 Relationship between surface soil physical properties and altitudes of the grassland |
保护区草地表层土壤化学性质变化见表 3。
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表 3 不同海拔高度草地表层土壤化学性质 Table 3 Chemical properties of grassland surface soil at different altitudes |
由表 3可知，土壤有机质、全N、全P含量和C/N比、pH值在不同海拔高度上大多差异显著（P < 0.05）。土壤w（有机质）、w（全N）、w（全P）、C/N比、pH值的平均值变化范围依次为3.72%~11.98%、1.25%~3.25%、0.121%~0.159%、9.06~13.97、6.95~ 9.25。土壤有机质、全N、全P含量和C/N比的最大值均出现在海拔高度2 142.24 m处，最小值均出现在海拔高度835.23 m处，且最大值与最小值的比值分别为3.22、2.6、1.3。土壤pH值的变化规律与其不同，最大值出现在海拔高度1 075.98 m处，最小值出现在海拔高度2 142.24 m处，最大值是最小值的1.33倍。对不同土壤类型的化学性质分析可知，草地表层土壤有机质、全N、全P含量和C/N比均表现为棕钙土 < 栗钙土 < 黑钙土，而土壤pH值表现为棕钙土>栗钙土>黑钙土。
2.2.2 草地表层土壤化学性质与海拔高度的关系海拔高度可通过影响地表植被类型和植被生产力来限制土壤养分元素含量，还可通过改变土壤温度和水分条件来限制微生物活性[10]。对研究区草地表层土壤化学性质与海拔高度进行相关性分析（图 2），发现土壤有机质含量与海拔高度呈极显著线性正相关关系（R2=0.915，P < 0.01），说明海拔高度对草地土壤有机质影响较大；全N含量与海拔高度之间呈现极显著二次曲线相关关系（R2=0.938，P < 0.01），海拔高度增加时土壤有机质与全N含量也随之增加，这与土壤全N含量主要受土壤有机质含量影响有关[22]。土壤全P含量与海拔高度呈极显著二次曲线相关关系（P < 0.01），从变化趋势来看，随着海拔高度增加，土壤全P含量增幅逐渐放缓。这可能是因为海拔高度升高，岩石风化和土壤养分积累加速，导致土壤全磷含量增加，但同时土壤淋溶作用增强，两者相互作用导致土壤全P含量呈缓慢上升趋势。土壤pH值与海拔高度呈极显著线性负相关关系（R2=0.919，P < 0.01），这主要与不同海拔高度土壤淋溶作用、地表植被类型、有机酸作用等诸要素共同影响有关。
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图 2 草地表层土壤化学性质与海拔高度的关系 Fig. 2 Relationship between surface soil chemical properties and altitudes of the grassland |
采用主成分分析方法对夏尔希里自然保护区草地土壤表层的总孔隙度、容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、自然含水率、有机质含量、全氮含量、全磷含量和pH值这9项理化指标进行综合分析，旨在评价保护区不同海拔高度草地表层土壤综合理化性能的强弱。通过分析方差贡献率（表 4）可知，第1主成分的方差贡献率为81.557%，说明第1主成分能大体上反映所有指标的变化情况。
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表 4 解释总方差 Table 4 Total variance of interpretation |
由理化指标的主成分载荷矩阵（表 5）可知，各指标的系数各不相同，根据分析结果可得到相应的主成分表达式（综合评价函数）如下:F1 = 1.265X1-1.937X2 + 2.735X3 + 4.771X4 + 3.001X5 + 0.355X6 + 1.782X7 + 0.307X8 - 1.556X9，通过此函数对不同海拔高度的草地表层土壤理化性质进行综合评分（表 6），结果显示，不同海拔高度草地表层土壤理化性质综合得分不尽相同，大体表现为随海拔高度升高综合排名逐渐升高，说明随着海拔高度升高，草地表层土壤理化性能逐渐增强。在海拔高度为2 142.24 m时草地土壤理化性能最好，海拔高度为835.23 m处土壤理化性能最差。从不同土壤类型的综合评分可知，草地表层土壤理化性能大体表现为山地黑钙土>山地栗钙土>山地棕钙土。
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表 5 主成分载荷矩阵 Table 5 Principal component load matrix |
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表 6 草地表层土壤持水能力综合评分结果 Table 6 Comprehensive scoring results of water holding capacity of grassland surface soil |
土壤是植物生长的主要载体，其物理性质是衡量土壤肥力的重要指标之一，主要包括土壤质地、结构、孔隙、土壤水分等性质[11]，在空间分布上存在较大差异。海拔高度是重要的地形因子之一，通过改变环境因子如气温、降水与蒸发量、植物群落等因素，导致土壤理化性质发生变化，进而反映生态环境的变化差异[23]。研究区草地表层土壤物理性质受海拔因子的影响较大，随着海拔高度的增加，土壤自然含水率、饱和含水率、总孔隙度、非毛管孔隙度大体呈上升趋势，在海拔高度835.23 m处出现最小值，在2 142.24 m处出现最大值。这主要是因为低海拔区域草地表层土壤温度较高，降水较少，蒸发量较大，导致土壤含水量较低，再加上地表植被覆盖度较低，微生物含量及活跃程度较差，导致土壤结构变差，土壤容重较大，土壤孔隙度较小；随着海拔高度升高，温度逐渐降低，降水量逐渐增大，植被群落趋于丰富，微生物数量及其活跃程度有所提高，土壤质量和结构得到较大幅度改良，土壤疏松程度进一步提升，导致土壤孔隙度逐渐增大，土壤容重逐渐减小。这与马国飞等[23]对托木尔峰国家级自然保护区台兰河上游不同海拔草地土壤持水能力的研究结果一致。
土壤有机质含量可衡量土壤质量的高低，是土壤养分的重要组成物质，主要受土壤母质、植被类型和水热条件等因素的综合影响。海拔高度作为综合环境的重要因子之一，通过改变土壤温度和水分条件，影响植被生产力、微生物及土壤酶活性，从而调节土壤有机物输入量[9-10]。研究区草地表层土壤有机质含量随海拔升高而逐渐增加，在海拔高度2 142.24 m处出现最大值，这主要是由于植物枯落物的累积和分解以及土壤微生物活性造成的。随着海拔高度的增加，水热分配发生变化，高海拔区域温度低，降水多，植物群落增多，地表枯落物以及根系残留的腐烂和分解作用加速，致使土壤有机质含量升高，这与任启文等[24]对小五台山不同海拔土壤理化性质垂直变化规律的研究结果一致。通常认为土壤有机质和全氮含量对环境因子的响应及空间分布等方面存在良好的耦合关系[25]，笔者分析得出土壤有机质、全氮含量均随海拔升高而增加，且变化规律较为一致。该区域全磷含量变化幅度较小，与已有研究认为土壤全磷含量的丰富程度主要受土壤母质和成土作用控制，在土壤中迁移缓慢，空间分布稳定的结论[12]相一致。笔者研究中，土壤pH值随着海拔高度的升高呈现逐渐降低趋势，这与马国飞等[26]的研究结果一致。
对不同理化性质指标的综合评价分析认为，在不同海拔高度上，夏尔希里自然保护区草地表层土壤理化性质的综合性能不尽相同，海拔高度2 142.24 m处综合性能最强，海拔高度835.23 m处综合性能最差。不同土壤类型比较而言，黑钙土>栗钙土>棕钙土。这主要是受夏尔希里自然保护区所处特殊地理位置形成的山地垂直演化规律影响。
4 结论（1）研究区草地表层土壤物理指标含量在不同海拔高度上差异显著（P < 0.05）。土壤饱和含水率、总孔隙度、非毛管孔隙度、自然含水量均与海拔呈极显著正相关（P < 0.01），在海拔高度2 142.24 m处各指标含量均出现最大值。土壤容重与海拔呈极显著负相关（P < 0.01），在海拔高度2 142.24 m处出现最小值0.91 g·cm-3。
（2）研究区草地表层土壤化学指标在不同海拔高度上差异较显著（P < 0.05）。土壤有机质、全N、全P质量分数的变化范围分别为3.72%~11.98%、1.25%~3.25%、0.121%~0.159%，3者均与海拔高度呈极显著正相关（P < 0.01），均在海拔高度2 142.24 m处出现最大值，pH值与海拔高度的关系正好相反。
（3）研究区海拔高度2 142.24 m处草地土壤理化性能最好，海拔高度835.23 m处性能最差。从不同土壤类型的综合评价看，草地表层土壤理化性能大体表现为黑钙土>栗钙土>棕钙土。
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