2019, Vol.39
2 中国科学院大学, 北京 100049)
全球气候变暖造成冰川大面积、快速退缩[1~2]，形成裸露的冰川退缩迹地。冰川退缩后遗留下来的冰碛物和沉积物经过风化作用逐渐发育形成土壤。土壤发育是表生地球化学重要的过程之一，其发育状况影响植被生长、生物多样性以及元素的生物地球化学循环等[3~4]。因此，土壤的发育过程对于生态系统的稳定至关重要。
发育于冰川退缩区上的土壤序列较易测定准确的年龄，在岩性、地形和气候等因素方面具有较小的空间异质性[4]，因此常利用土壤时间序列研究长期或短期的风化及土壤发育过程[5]。探寻土壤发育过程中土壤性质的改变规律，是土壤学研究的主题之一。Bernasconi等[6]对瑞士阿尔卑斯山Damma冰川退缩后发育的土壤序列进行的多学科交叉研究表明，随着土壤发育，土壤、植物、微生物指标均存在显著变化，土壤碳、氮呈现指数增长的趋势；Mavirs等[7]研究表明瑞士Morteratsch冰川退缩区土壤发育速率在百余年间下降了6倍多。土壤的发育受到母质、地形、气候、生物、时间5个因子的影响[8]，如植被和微生物对土壤理化性质产生重要影响[9]、低温抑制土壤的发育[7]等等；然而West等[10]认为，由于高寒山地较强的物理风化作用，土壤发育反而会更快。
自小冰期以来，青藏高原东南部的冰川退缩面积相当于现代冰川面积的30 % [11]。海螺沟冰川位于青藏高原东麓贡嘎山的东坡，自小冰期结束后该冰川持续退缩形成了约为120年的土壤时间序列[12~14]；伴随着土壤的发育，退缩区发育了从最初的裸地，到草本、沙棘等先锋植物，最后为顶级云、冷杉群落的原生演替系列[15]。这为研究高寒山地土壤的发育过程及其影响因素提供了理想场所。近年来，针对贡嘎山冰川退缩区，前人已在冰川成因和退缩过程、土壤时间序列定年、沉积物矿物组成、化学风化作用、土壤理化性质等方面开展了大量研究工作[16~21]。这些研究成果对认识海螺沟成土过程与土壤发育提供了重要资料。然而，大多数研究集中于单一理化性质的变化、对影响土壤发育的因素讨论较少，以及由冰碛物发育而来的土壤的质量状况尚不明确。因此，目前对于退缩区土壤风化和土壤发育过程仍待深入研究，选择海螺沟退缩区土壤发育0~120年的样地，以空间代替时间的方法研究土壤中矿物的风化过程、土壤理化性质和元素的变化规律，评估退缩区土壤质量，同时探讨短时序、冷湿环境下土壤发育的影响因素。研究结果为认识退缩区小冰期结束以来土壤发育机制提供新材料。
1 材料与方法 1.1 研究区概况研究区位于贡嘎山东坡海螺沟冰川退缩迹地(图 1)。贡嘎山(29°20′~30°20′N，101°30′~102°15′E)位于青藏高原东南缘，主峰海拔7556 m，处于四川盆地和青藏高原交界处，受到青藏高原干冷气候和亚热带暖湿季风气候的共同影响。该区域多年年均气温为4.2 ℃，年均降水量为1947.4 mm。自小冰期结束以来(1880年)，海螺沟冰川持续退缩，形成了一个长约2000 m、宽约50~200 m、海拔高差约为100 m的退缩区[18]。冰川退缩区岩层以花岗混合岩和变质岩系地层为主，出露的冰碛物逐渐发育成土壤，成土母质具有较高的同质性，主要以硅酸盐矿物，含有少量碳酸盐和磷酸盐矿物[17, 21]。随着土壤的发育，退缩区发育了裸地—草本地被—川滇柳—沙棘—冬瓜杨—云杉—冷杉的原生植被演替[15]。
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图 1 研究区地理位置及样点布设图 Fig. 1 Information of the study area and sampling sites at the Hailuogou chronosequence |
根据钟祥浩等[14]以及李逊和熊尚发[15]通过树木年轮确定的冰川退缩时间，于2010年在冰川退缩区设置6个采样点，冰川退缩时间分别为0年、30年、40年、52年、80年和120年(图 1)。按照野外土壤剖面发育特征，分别采集O层(棕黑色、为半分解的凋落物层)、A层(暗棕色，为腐殖质累积的矿质层)、C层(青灰色，母质层，为颗粒细小的冰水沉积物)土壤。将C层又细分为C1、C2层，根据80年和120年点土层厚度和土壤发育状况，将C层又划分为3层。冰川退缩初期(0年)，由于尚未发育成土壤，采集表层10 cm的冰碛物。所有样品用聚乙烯塑料袋封装带回实验室风干后过2 mm筛。
土壤pH值采用玻璃电极法测定，其中O层水土比为5 ︰ 1，A、C层水土比均为2.5 ︰ 1。参照Maynard和Curran[22]的方法分析土壤容重，将容重样品于105 ℃烘箱烘干至恒重，称重，将重量除以样品体积即得土壤容重。土壤阳离子交换量(CEC)测定采用1 mol/L乙酸铵溶液处理土壤，使用95 %乙醇洗去多余乙酸铵后，使用标准盐酸溶液滴定，根据NH4+的量计算土壤阳离子交换量。土壤样品经过H2O2 (30 %，分析纯)处理去除有机质后烘干，研磨至过400目筛的样品于2013年12月送至西安地质矿产研究所，制作粉晶片，采用X射线衍射仪(日本理学D/max-2500 PC全自动X射线衍射仪)分析粘土矿物成分。用H2O2溶液(3 %)处理风干的土壤后，采用激光粒度仪(Mastersizer 2000，Malvern，UK)测定土壤粒径组成。土壤有机碳(SOC)和总氮(TN)采用元素分析仪(Elementar vario MACRO cube，Germany)测定。利用改进的Hedley土壤磷提取法[23]提取土壤中生物有效磷(Bio-P)。利用矿物连续提取法提取矿物中的离子[24]，具体步骤为0.5 g烘干土，加入NH4Cl震荡20 h，倒出上清液后残渣中加入HNO3震荡20 h，倒出上清液后残渣中加入HNO3微波消解20 min，倒出上清液后残渣中加入HNO3-HCL-HF微波消解15 min。提取液中Ca、K、Mg、Na和P的浓度使用电感耦合等离子体原子发射光谱仪(Inductively Coupled Plasma-Atomic Emission Spectrometer，简称ICP-AES，美国)测定，提取液中Sr、Ti使用电感耦合等离子质谱仪(Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry，简称ICP- MS，美国)测定。
1.3 数据分析Taylor和Blum[25]提出了元素耗损法以估算退缩区不同土壤年龄的长期风化速率。主要阳离子Ca、Mg、K和Na的长期风化速率之和即为该样点的长期风化速率。对于某一阳离子，其长期风化速率(R)计算方法为[25]：
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(1) |
公式(1)中，D为贫化因子，采用Schroth等[26]提出方法计算；C为母质层某阳离子的浓度；ρ为土壤密度，默认为2.65 g/cm3；T为A层土壤厚度；Age为土壤发育年龄。
土壤质量是在生态系统范围内衡量动植物生产力、保护环境质量以及支持人类健康和居住的能力[27~28]，是土壤物理、化学、生物能力的综合体现。随着冰川退缩时间演变，土壤性质发生变化，继而土壤质量也会产生变化。土壤质量评价采用模糊数学法计算，以土壤质量指数(Soil Quality Index，简称SQI)表示，计算公式如下[29]：
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(2) |
公式(2)中，Ni表示第i种参评指标所对应的隶属度值；Wi表示第i种参评指标所对应的权重值；n为参评指标个数。选取的土壤质量参评指标为pH值、粉粒/粘粒比、粘粒含量、有机质、总氮、总钾、总磷(TP)、生物有效磷、CEC(阳离子交换量)、土壤容重、土层厚度。
隶属度值的确定，根据前人研究资料[27~29]及本区土壤的肥力特征，确定了曲线中转折点的相应取值，详见表 1。由公式(3)抛物线型隶属度函数可求出pH值、粘粒、粉/粘比及容重的隶属度值，由公式(4)“S”型隶属度函数可求出其余各项指标的隶属度值。各项参评指标的权重值采用主成分分析法确定，首先计算出公因子方差，进一步求出各公因子方差占公因子方差总和的比例，将其作为单项评价指标的权重值(表 1)。
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(3) |
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(4) |
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表 1 隶属度函数曲线中转折点的取值以及权重值 Table 1 Turning point value of the membership function curve |
采用Spearman(双尾检验)相关分析获取土壤矿物风化速率、土壤质量和理化性质之间的关系，采用单因素方差分析检验不同土壤发育阶段土壤质量的差别，采用主成分分析研究土壤发育的影响因素。数据处理与统计分析采用SPSS 24.0和Canoco 5.0软件完成。文中图件绘制使用Origin 9.0软件完成。
2 结果与分析 2.1 冰川退缩迹地土壤理化性质一般将土壤粒度按照其粒径的不同分为粘粒(＜4 μm)、粉砂粒(4~64 μm)和砂粒(＞64 μm)[30]。土壤粒度研究结果显示(图 2)，随着时间的增加A层细颗粒物质(粉砂粒和粘粒)先增加后减少，40年和52年样点细颗粒物质含量最高，占比达到了约50 %；C层土壤中除30年样点砂粒含量显著高于其他样点，其余样点土壤粒度组成随时间的变化不明显。整体而言，土壤中A、C层粒度组成以砂粒为主，A层土壤细颗粒物质的含量高于C层且土壤粒度组成随时间的变化较C层剧烈。单纯用粘粒表示土壤发育并不全面，粘粒/粉粒值更能表明土壤发育的变化。粘粒/粉粒比值结果表明，粘粒/粉粒随着土壤发育而增加，从0年到120年，粘粒/粉粒从0.16增加0.5。A层粘粒/粉粒均值为0.45，C层均值为0.8，C层比值大于A层的原因可能是土壤成熟度较低以及雨、雪水淋溶带走了表层粘粒。
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图 2 海螺沟冰川退缩区土壤粒度组成 Fig. 2 Particle size composition of soil in the retreated area of Hailuogou Glacier |
土壤理化性质结果显示(表 2)，随着土壤发育时间增加，土层厚度增加且表现出越来越明显的分层现象。土壤容重随成土年龄增加而减少，随土壤深度增加而增大，80年样点增加趋势最明显，从O层0.2 g/cm3增大到C3层1.57 g/cm3。pH的变化趋势表现为随着成土年龄增加逐渐下降，最高在0年为8.54，80年和120年的峨眉冷杉林和麦吊云杉林下土壤pH甚至降到了5以下，所有样点中O层pH均大于A层。CEC随土壤年龄先增加后减少，O层52年和80年样点处CEC含量高于其他点位，A、C层CEC含量最大值均位于40年样点处。
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表 2 海螺沟冰川退缩区土壤理化性质 Table 2 Physicochemical properties of soil in the retreated area of Hailuogou Glacier(mean±SE) |
随着植被群落的演替，土壤中养分元素含量也随之发生变化。退缩区O层的SOC和TN浓度显著高于A、C层，尤其是SOC呈现出快速积累的特征，120年样品O层SOC含量达到了348.04 g/kg；土壤中SOC随着时间的增加而增加，120年麦吊云杉林下土壤中A层SOC含量约相当于30年沙棘林下的2倍。而氮的变化与SOC略有不同，整体上，土壤TN从40年到120年的演替过程中表现为增加的趋势。但30年土壤中TN浓度高于40年和52年，这与30年优势种为固氮植物沙棘，林下还有固氮草本植物黄芪有关，固氮植物对大气中分子态氮的固定为土壤提供更多的氮素。SOC和TN的快速累积，是土壤发育迅速的特征。与SOC和TN的变化趋势不同，TP表现出随着土壤深度增加浓度增大，随成土年龄增加而减少的趋势，除了52年点，C层TP含量在各个年龄点差异较小。土壤中生物有效磷主要储存于土壤表层，表层生物有效磷含量约相当C层含量的10~20倍。植物在土壤演替过程中对养分的竞争策略和归还作用存在差异，因而会影响土壤中C ︰ N ︰ P分布特征。如图 3，不同植被类型下O层C ︰ N的差异较小，整体上表现为随着演替发展缓慢增大，A层除52年样点C ︰ N较高，其余样差异性小，C层30年和40年样点的C ︰ N比显著高于其他样点。冰川退缩区土壤序列上C ︰ P变化剧烈，O层比值显著高于A、C层，80年和120年土壤中C ︰ P显著高于30年和40年，可能是由于植被的演替，植被生物量增加，通过凋落物分解作用归还的SOC越多，而主要来源于矿物风化的P在各个年龄点差异相对较小。A层整体上呈现随着土壤年龄增加C ︰ P逐渐增加，C层C ︰ P值极小，均约为0.2左右。N ︰ P的在各土层间的变化趋势与C ︰ P类似。
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图 3 海螺沟冰川退缩区C ︰ N、C ︰ P和N ︰ P随时间的变化特征 Fig. 3 Variation of C ︰ N, C ︰ P and N ︰ P over time in the retreated area of the Hailuogou Glacier |
虽然粘土矿物在土壤矿物组成中只占很少一部分，但由于其比表面积大、交换性能强，会对土壤理化性质产生显著影响。粘土矿物随着成土年龄的变化，可以很好地反映土壤发育程度和土壤环境的变化[31]。利用XRD对土壤中粘土矿物成分分析结果显示(表 3)，冰川退缩迹地土壤中A层粘土矿物主要以硅酸盐类伊利石和伊利石/蒙皂石混层矿物为主，C层粘土矿物主要为伊利石。退缩区最前缘(0年、30年和40年点)有少量的高岭石存在，30年样点粘土矿物组成最复杂。层状结构硅酸盐矿物绿泥石在土壤中并无明显变化，表明绿泥石来源途径单一，主要来源于成土母质。土壤中伊利石含量高，说明土壤风化较强。粘土矿物组成与变化主要与土壤环境有关。A层微酸性土壤环境促进蒙皂石→伊利石→伊利石/蒙皂石混层矿物的转化过程。随着土壤深度增加，土壤环境由微酸性变为碱性，促进高岭石向伊利石转化。
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表 3 海螺沟冰川退缩区土壤粘土矿物XRD定量分析结果 Table 3 Results of the XRD quantitative analysis of soil clay minerals in the retreated area of the Hailuogou Glacier |
强烈的物理风化作用不仅导致粘土矿物组成发生变化，也导致土壤中的矿物元素发生变化，土壤中主要的矿质元素(如Ca、K、Mg、Na等)的变化一定程度上可以反映出风化过程。如图 4所示，所有矿质元素均显示出A层含量小于C层的趋势。在冰川退缩前52年，土壤中Ca浓度快速降低，52年后减小趋势变缓，且C层30年、40年Ca的含量显著高于52年、80年和120年。土壤中K和Na含量变化趋势相似，初期均随退缩年龄增加缓慢减小，在52年后开始升高。Mg呈现缓慢下降趋势，80年后趋于稳定。Si元素在土壤中含量最高，与其他元素呈数量级的差异。Ca/Sr和Ca/Na是表征元素来源的重要方式。Ca/Na < 1，表明Ca元素主要来自硅酸盐端元[32]；Ca/Na> 1，Ca则主要来源于碳酸盐类的分散性方解石的溶解[33]。一般而言，硅酸盐类(斜长石、白云母等)的Ca/Sr多小于200[24, 34]。本研究中每个样点Ca/Na均大于1，Ca/Sr结果显示除了C层80年和120年样点Ca/Sr值约为200，其余样点中各个土层Ca/Sr值均大于200，这表明退缩区前期土壤中Ca元素主要来源于碳酸盐类分散性方解石的溶解，而80年后土壤中Ca主要来源于硅酸盐风化。
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图 4 海螺沟冰川退缩区主要矿质元素浓度随时间的变化特征 Fig. 4 Variation of main mineral elemental concentration over time in the retreated area of Hailuogou Glacier |
元素耗损法计算的长期风化速率结果显示(图 5)，海螺沟冰川退缩迹地的长期风化速率平均值为89.75 cmol/(m2·a)，整体呈现先增加后减少再增加的变化趋势，52年风化速率最低，为48.06 cmol/(m2·a)；120年最高，为111.38 cmol/(m2·a)。退缩区4种矿质元素(Ca、Mg、K和Na)作为风化速率的主要贡献元素随时间变化显示出明显的变化。主要来源于碳酸盐矿物风化的Ca由于后期碳酸盐含量减少，对于长期风化速率的贡献随着成土年龄增加而减小，从86 %下降到23 %。主要来源于硅酸盐风化释放的Mg、K和Na随着成土年龄的增加，对长期风化速率的贡献逐渐增加，尤其Mg对长期风化速率的贡献值增加最大，从10 %增加到49 %。
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图 5 海螺沟冰川退缩区长期风化速率及主要矿质元素对风化速率的贡献 Fig. 5 Long-term weathering rate and contributions of Ca, Mg, K and Na to the long-term weathering rate in the retreated area of Hailuogou Glacier |
综上所述，退缩区前40年样点主要为碳酸盐风化，80年后主要为硅酸盐风化。52年较低的矿质元素含量和风化速率，一方面可能是由于前两个样点(30年、40年)碳酸盐相对含量较高，碳酸盐矿物较易被风化释放出矿质元素，所以30年、40年样点矿物元素含量和风化速率均大于52年。另一方面随着土壤发育，相应的植被演替过程也在进行，80年和120年植被发育程度高于52年样点，由于植物根系生长的裂解作用，根系分泌酸性物质等作用促进硅酸盐矿物风化，增加土壤矿质元素含量。
2.4 冰川退缩区土壤质量变化通过模糊数学法对土壤质量指数(SQI)研究发现(图 6)退缩区土壤除0年以外，其他样点质量指数均大于0.4，表明着这些样点土壤质量在中等以上。随着土壤发育，土壤质量在0~40年样点快速提升，随后下降并趋于稳定，其中40年后样点之间差异不显著，但均显著高于0年样点，表明冰川退缩40年后土壤已经发育较为稳定。土壤质量指数在前40年迅速增加，可能是由于降水和径流冲刷使得0年样点的细颗粒物质搬运到30年或40年，0年土壤养分随径流损失，搬运而来的细颗粒物质为草本或灌木植物着生提供场所，植物生长又改善了30年和40年土壤质量，这与退缩区植被的演替状况符合。40年的样点C ︰ N、C ︰ P以及N ︰ P较低，而土壤质量指数高于其他样点，表明退缩区C、N和P养分元素富集，已有的C、N和P含量已经满足生态系统的需要。52年样点土壤质量下降的原因可能与矿物风化速率较小有关。相关性分析表明SQI与Bio-P显著正相关(R=0.943，p < 0.01)，SQI与粘粒含量也显著正相关(R=0.829，p < 0.05)，表明影响退缩区土壤质量的主要因素为Bio-P以及粘粒含量。
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图 6 海螺沟冰川退缩区土壤质量随时间的变化特征 图中不同小写字母表示不同年龄样点之间差异显著(p < 0.05) Fig. 6 Variation of Soil quality over time in the retreated area of Hailuogou Glacier. Different small letters in the figure indicate significant difference at 0.05 level |
冰川退缩区土壤发育受到母质、气候、生物和时间的共同影响[8]。退缩区母岩为花岗混合岩和变质岩系，土壤矿物中黑云母、角闪石等铁镁矿物所占比例较高[21]，这些矿物抗风化能力较弱，在此基础上发育的土壤肥沃，植被演替迅速。Wongfun等[34]研究也表明，黑云母和角闪石与植被盖度有显著的相关性。此外，母质中P元素的含量也会影响植被生长和土壤发育。
随着发育时间增加，粘土矿物组成和矿物风化速率发生变化。研究区粘土矿物主要为伊利石和伊利石/蒙皂石混层矿物。伊利石是低温、碱性环境下长石、云母等脱钾形成的，寒冷、淋滤作用较弱的环境有助于伊利石的保存；绿泥石为常见的气候敏感矿物，暖湿条件下极易被氧化，多存在于高山冰川或干旱地区[35]。退缩区气候环境影响粘土矿物组成，矿物组成会影响土壤风化速率。图 5表明海螺沟冰川退缩迹地120年长期风化速率为111.38cmol/(m2 ·a)。Egil等[36]研究发现瑞士Gletsch冰川退缩150年的长期风化速率为38 cmol/(m2 ·a)，Taylor和Blum[25]研究发现Gannett Peak till冰川退缩400年的长期风化速率为37cmol/(m2 ·a)，与这两个地区冰川退缩迹地相比，海螺沟地区120年土壤长期风化速率较强。Gannett Peak till冰川年平均气温- 3.5 ℃，年降水量600 mm[25]；而海螺沟年平均气温4.2 ℃，年降水量1947 mm。这二者的气候条件差异较大，可能是风化速率不同的原因，海螺沟适宜的温度和充足的降水促进矿物风化，加快了土壤发育。Taylor和Blum[25]研究认为，矿物风化速率随成土年龄呈幂指数函数的趋势下降；而海螺沟冰川退缩区处于土壤发育早期，按照该理论，应当具有最快的风化速率，然而研究区52年明显下降的风化速率表明贡嘎山地区矿物风化速率除受到时间的影响，还受到其他因素的影响。蒋浩等[37]的研究认为贡嘎山地区硅酸岩风化速率受到物理剥蚀和气候等多种因素的共同影响；杨子江等[21]关于海螺沟冰川退缩区矿物组分的研究表明52年样点土壤中抗化学风化溶解能力较强的石英含量较高，而抗风化能力弱的方解石、白云石含量较少。表明矿物组成是造成52年风化速率低的原因之一。再者由于两侧山地和阶地土壤滑塌等原因，两侧山地上发育的土壤可能覆盖冰川，这些土壤随冰川融化后与其他沉积物一起混杂沉积，影响土壤成分，进而影响土壤风化速率。另一方面，冰川舌前沉积受到冰川融水的冲刷，冲刷强度变化可能会影响沉积物的粒度和成分。熊尚发等[38]研究表明化学风化强度与粒度强烈相关，然而从图 2可见冰川迹地的粒度变化明显，长期风化结果(图 5)与粒度变化并不完全一致，显示动力作用可能是影响风化速率的重要原因。
生物因素也是影响土壤发育的原因之一，Follmi等[39]研究表明，植物可以通过根系生长破坏矿物颗粒，从而增大风化速率，促进土壤发育。本研究的退缩区土壤年龄、pH和生物量三者之间显著的相关性(p < 0.05)表明随着土壤发育时间的增加，植被降低了土壤中pH，80年和120年的峨眉冷杉林和麦吊云杉林pH甚至降到了5以下。一方面由于植被群落演替的过程中生物量增大，凋落物增多，凋落物分解过程中产生的酸性物质导致pH的降低；另一方面随着矿物盐基离子的流失，表层土壤酸中和能力降低。80年、120年主要为针叶凋落物，而针叶凋落物相对于阔叶凋落物在分解过程中的酸性更强[40]。低pH的土壤环境促进矿物的溶解，增加了土壤矿质元素含量[41]。微生物也会影响土壤矿物风化，众多研究发现丛枝菌根真菌可以溶解矿物，加速矿物风化[42~46]。主成分分析显示(图 7)40年、80年和120年样点土壤发育特征较为相似，植被生物量、净初级生产力以及土壤呼吸速率对这3个样点性质影响较大，这体现了植物和微生物在土壤发育中的重要作用。粘粒含量对52年土壤性质影响较大。图 7显示30年样点土壤微生物群落磷脂脂肪酸(PLFA)的含量[47~48]明显大于0年，30年长期风化速率也大于0年，PLFA与长期风化速率呈现一定的正相关性，表明微生物促进了退缩区的土壤矿物风化。微生物可能主要通过分泌物促进矿物风化，进而改变土壤微环境，改善植物矿质营养元素，影响植物生长和蒸腾作用以及调节土壤团聚过程等几条途径最终影响土壤发育。
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图 7 海螺沟冰川退缩区土壤年龄PCA分析 PLFA：微生物磷脂脂肪酸；ST：土壤年均温；WR：长期风化速率；NPP：净初级生产力；Bio：植物生物量；T：土层厚度；SPR：土壤呼吸速率；Clay：粘粒含量；BD：容重其中，PLFA数据来源于Wang等[47]，土壤年均温、净初级生产力、植物生物量、土壤呼吸速率数据来源于罗辑等[48] Fig. 7 PCA analysis of soil age in the retreated area of Hailuogou Glacier. PLFA:Phospholipid fatty acidin; ST:Soil temperature; WR:Long-term weathering rate; NPP:Net primary productivity; Bio:Biomass; T:Thickness of soil; SPR:Soil respiration rate; Clay:Clay content; BD:Bulk density. Data of PLFA is taken from Wang et al.[47], data of soil annual average temperature, net primary productivity, plant biomass, and soil respiration rate are take from Luo et al.[48] |
本文对贡嘎山海螺沟冰川退缩区6个年龄样点土壤理化性质、粘土矿物组成和长期风化速率进行研究，分析冰川退缩区土壤质量状况，探讨了冰川退缩区土壤发育的影响因素。结果如下：
(1) 小冰期结束以来120年间海螺沟冰川退缩区土壤理化性质变化明显。随着土壤发育年龄增加，粘粒/粉粒值增加(从0到120年，粘粒/粉粒值从0.16增加0.5)；土层厚度、SOC以及TN均迅速增大，SOC呈现出快速积累的特征，120年样点O层SOC含量达到了348.04 g/kg；pH和容重迅速减小，pH在冰川退缩80年后降至5以下。这些理化指标的快速变化说明退缩区土壤展现出快速发育的特征。冰川退缩区快速的土壤发育与适宜的温度、充足的降水量以及快速的植被演替有关。此外，微生物对矿物风化和土壤发育也有一定的促进作用。
(2) 海螺沟冰川退缩区土壤中粘土矿物主要为伊利石和伊利石/蒙皂石混层矿物，土壤pH的变化是粘土矿物组成变化的原因之一。冰川退缩区长期风化速率呈现升高-降低-升高的趋势，52年样点长期风化速率最低，为48.06 cmol/(m2·a)，52年样点较低的风化速率主要与矿物组成有关。退缩区前40年主要为碳酸盐风化，碳酸盐快速溶解是风化速率上升的原因，80年后在植被作用下硅酸盐风化作用增强。与长期风化速率对应，矿质元素Ca、K和Na含量在52年样点也最低，主要来源于碳酸盐的Ca在前期含量最高，主要来源于硅酸盐的Na在80年样点含量最高。
(3) 海螺沟冰川退缩区土壤除0年样点以外，其他样点土壤质量指数均大于0.4，土壤质量整体属于中等水平，土壤肥力状况较好。退缩区土壤质量主要与植被、生物有效磷粘粒含量有关。
致谢: 感谢审稿专家和杨美芳编辑给予的宝贵修改意见，使本文得以完善。
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2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049)
Abstract
As the global warming, glaciers quickly retreat. Since the end of the Little Ice Age, the Hailuogou Glacier on the Gongga Mountain in the eastern edge of Qinghai-Tibet Plateau has been continuously retreated. On the moraine soil was evolved based on the mineral weathering. The Hailuogou Glacier in Gongga Mountain (29°20'~30°20'N, 101°30'~102°15'E) retreated area was selected in this study. Soil samples of O, A, and C layers of glacial retreat ages of 0, 30 a, 40 a, 52 a, 80 a, and 120 a were collected according to the soil horizon, and the mineral composition and physicochemical properties of soil were analyzed. The long-term weathering rate of the samples was estimated by cation depletion method. The soil development process and impact factors were discussed. The fuzzy mathematics was used to evaluate the soil quality at different stages.The results show that the mineral weathering in the first 40 years after glacial retreat is mainly carbonate weathering, and the silicate weathering enhanced after 80 years. The long-term weathering rate of the soil showed a trend of increase-decrease-increase. The long-term weathering rate of 52-year sample was the lowest, which was 48.06cmol/(m2·a). Mineral composition and climate were important factors impacting soil weathering rate. The grain size composition of the soil is dominated by sand, and the proportion of sand in most samples is about 80% to 90%. As the soil age increased, the bulk density and pH decreased, the pH decreased from 8.54 to about 5, and the soil organic matter and total nitrogen content increased. The rapid changes of these physicochemical properties of soil indicated that the soil developed rapidly in the glacier retreating area. Proper temperature, adequate precipitation, and rapid vegetation succession might be responsible for the rapid development of the soil. The results of fuzzy mathematics for calculating soil quality showed that the soil quality index was greater than 0.4 except for the 0-year sample, which indicated that the soil quality status in the retreating area was moderate and the soil fertility was better.