天山北坡東西段林沿土壤有機質含量特征對比分析

穆葉賽爾·吐地，吉力力·阿不都外力，姜逢清

（1.中國科學院 新疆生態(tài)與地理研究所，烏魯木齊830011；2.中國科學院 研究生院，北京100049）

土壤有機質是土壤的重要組成部分，是表征土壤質量的重要因子，亦是土壤肥力的重要指標。在干旱荒漠地區(qū)，土壤有機質含量直接影響著土壤質量的高低，并對荒漠化地區(qū)的生態(tài)演化有直接的影響［1－3］。因而，土壤有機質已經成為土壤學、環(huán)境化學和地球化學的研究熱點之一［4－6］。揭示土壤有機質的時空變異規(guī)律是實現(xiàn)土壤可持續(xù)利用和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的前提。國內外研究表明，自然環(huán)境條件的改變、土地利用方式的變化等都會影響土壤有機質的數(shù)量和構成［7－10］，進而影響土壤水鹽運動狀況和 肥力特 性［11］。因此，研究土壤有機質的時空動態(tài)變化有助于了解區(qū)域土壤質量動態(tài)演化特征。

天山山體在新疆的隆起，將新疆大地分成截然不同的南北兩半。首先是將新疆荒漠地帶分成暖溫帶（南疆）和中溫帶（北疆）；其次是使新疆的垂直地帶性明顯增強，成為影響荒漠、盆地和平原內部自然地域分異，促進綠洲形成、發(fā)育的主要因素［12］。由此可見，天山山地的生態(tài)環(huán)境將對整個新疆，乃至對整個亞洲產生極其重大的影響。因地制宜地做好天山山地生態(tài)建設，科學開展林地管理，深入分析天山區(qū)域的土壤養(yǎng)分的空間分布特征是十分必要而又有所欠缺?；诖耍狙芯繉μ焐缴降叵铝盅赝寥烙袡C質的空間分布特征及其影響因素進行深入分析，以期為天山山地的生態(tài)建設、林地管理、土壤肥力評價等提供一定的科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

我國境內的天山，即東天山橫穿新疆維吾爾自治區(qū)全境，西起中國與吉爾吉斯坦邊界，東至哈密市以東的星星峽戈壁，東西綿延1 700km。占天山山系總長度的2／3以上，山勢雄偉壯觀，山地平均海拔高度4 000m［13］。天山位于不同的生物氣候帶之間，其北—準葛爾盆地南部屬于溫帶荒漠，南—塔里木盆地屬于暖溫帶荒漠。不同地帶的水熱條件明顯地反映在所隸屬的垂直帶系統(tǒng)中。因而，天山不同坡向的土被、植被的垂直結構差異很大。天山北坡的垂直帶譜結構大部分從半荒漠開始，部分山段荒漠上升也較低，而南坡山地荒漠則可升至1 800～2 000m以上。較為濕潤的托木爾峰南坡亦可上升至2 100～2 300 m之間，西南坡則更高，可達2 300～2 500m［12］。天山北坡的土壤垂直帶譜結構相當完整，主要為：山地灰棕漠土（西部和東部）—山地棕鈣土—山地粟鈣土—山地黑鈣土—山地灰褐土—亞高山草甸土—高山草甸土—高山原始土壤帶。天山土壤是中亞荒漠和亞洲中部荒漠兩種類型的生物氣候條件下發(fā)育形成的。所以其特點、分布規(guī)律、垂直帶結構就深刻地打上了這兩種荒漠類型的烙印。

1.2 研究方法

1.2.1 樣本采集 于2011年8月對天山北坡東、中、西段（巴里坤—伊吾區(qū)段、新源—巴音布魯克區(qū)段和昭蘇—特克斯區(qū)段）進行了實地考察，選擇下林沿林地和草地的合適部位分別開挖開口為40cm×40 cm深度為100cm的土壤剖面，分為0—5，5—20，20—40cm以成對（林—草地）的形式進行采樣，共采集133個下林沿土樣。每土層取約1kg混合樣，裝于自封塑料袋內并做好標記和編號。樣點位置詳見圖1。采樣的同時記錄采樣日期、樣地經緯度、植被類型、植被覆蓋度、坡向、坡度、成土母質、顏色、硬度等背景情況以備后續(xù)分析。

圖1 研究區(qū)與采樣點位置示意圖

1.2.2 分析方法 在加熱條件下，用過量的重鉻酸鉀—硫酸（K2Cr2O7—H2SO4）溶液來氧化土壤有機質中的碳，中Cr6＋被還原成Cr3＋，剩余的重鉻酸鉀（K2Cr2O7）用硫酸亞鐵（FeSO4）標準溶液滴定，根據(jù)消耗的重鉻酸鉀量計算出有機碳量，再乘以常數(shù)1.724，即為土壤有機質量［14－16］。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理 采用經典統(tǒng)計學方法在SPSS 19.0中對數(shù)據(jù)進行描述性分析，采用Excel繪圖。分析過程中，對采自同一樣點的林—草地成對樣做平均處理，以代表同一樣點的土壤特征值。

2 結果與分析

2.1 0－5cm土壤剖面層

昭蘇—特克斯區(qū)段（0—5cm）的土壤有機質含量變化于30.4～403.8g／kg之間，平均值為189.3g／kg，變異系數(shù)為55.1%，屬于中等變異。新源—巴音布魯克區(qū)段（0—5cm）土壤有機質含量在28.0～309.4 g／kg之 間，平 均 值 為 143.2g／kg，變 異 系 數(shù) 為52.9%。巴里坤—伊吾區(qū)段該層內土壤有機質含量在2.5～315.8g／kg，平均值為80.6g／kg，變異系數(shù)為102.1%，屬于強變異。

圖2為天山北坡不同區(qū)段下林沿土壤（0—5cm層）有機質含量的統(tǒng)計特征比較。由圖2可見，天山北坡西段林線附近0—5cm土層的有機質含量明顯高于天山北坡東段。比較各區(qū)段0—5cm土壤層有機質含量的平均值可以發(fā)現(xiàn)，巴里坤—伊吾區(qū)段的最小，而昭蘇—特克斯區(qū)段的最大。0—5cm土層的有機質含量以昭蘇—特克斯區(qū)段為最大；以巴里坤—伊吾區(qū)段的為最?。?.5g／kg）。比較0—5cm土層內有機質含量的變異系數(shù)可以發(fā)現(xiàn)：巴里坤—伊吾區(qū)段的土壤有機質含量的變異系數(shù)（102.1%）最大，屬于強變異，而新源—巴音布魯克區(qū)段的變異系數(shù)最小，屬于中等變異。研究區(qū)域0—5cm土層內有機質含量的偏度值都大于零，說明研究區(qū)域土壤有機質含量呈正偏分布，即均值在峰值的右邊。研究區(qū)域0—5 cm土壤層有機質含量的峰度值大于零，說明其分布的集中程度高于正態(tài)分布。

圖2 不同區(qū)段林沿土壤（0－5cm層）有機質含量的統(tǒng)計特征比較

2.2 5－20cm土壤剖面層

就5—20cm土層而言，昭蘇—特克斯區(qū)段土壤有機質含量在14.3～190.8g／kg之間，平均值為102.7g／kg，變異系數(shù)為50.3%；新源—巴音布魯克區(qū)段為25.6～275.9g／kg，平均值為110.2g／kg，變異系數(shù)為52.6%；巴里坤—伊吾區(qū)段為4.1～158.5 g／kg，平均值為48.8g／kg，標準方差為44.9，變異系數(shù)為92.1%（圖3）。由從圖3可知，天山北坡西段下林沿5—20cm土層的有機質含量明顯高于天山北坡東段。比較其平均值可知，巴里坤—伊吾區(qū)段的平均含量最小，新源—巴音布魯克區(qū)段最大。5—20cm土層內有機質含量的最大值出現(xiàn)在新源—巴音布魯克區(qū)段（275.9g／kg），最小值出現(xiàn)在巴里坤—伊吾區(qū)段（4.1g／kg）。

比較5—20cm土壤層有機質含量的偏度可以看出，研究區(qū)域土壤有機質含量的偏度值都大于零，說明研究區(qū)土壤有機質含量呈正偏分布，即均值在峰值的右邊。昭蘇—特克斯區(qū)段5—20cm土壤層有機質含量的峰度值小于零，說明該地區(qū)的土壤有機質含量分布的集中程度低于正態(tài)分布，其他兩個區(qū)段的峰度值都大于零，說明這兩個區(qū)段的土壤有機質含量分布的集中程度高于正態(tài)分布。巴里坤—伊吾區(qū)段5—20cm土壤層有機質含量的變異系數(shù)最大，昭蘇—特克斯區(qū)段的最小，都屬于中等變異。

圖3 不同區(qū)段林沿土壤（5－20cm層）有機質含量的統(tǒng)計特征比較

2.3 20－40cm土壤剖面層

從20—40cm土層來看，昭蘇—特克斯區(qū)段土壤有機質含量為8.3～190.7g／kg，平均值為72.7 g／kg，變異系數(shù)為64.5%，屬于中等變異；新源—巴音布魯克區(qū)段為15.6～203.06g／kg，平均值為87.2 g／kg，變異系數(shù)為61.4%，屬于中等變異；巴里坤—伊吾區(qū)段為5.0～129.9g／kg，平均值為38.5／kg，變異系數(shù)為33.2%，屬于中等變異（圖4）。

從圖4可以看出，天山北坡西段下林沿20—40 cm土層的有機質含量明顯高于天山北坡東段。東段的巴里坤—伊吾區(qū)段20—40cm土壤層有機質含量的最大值最小，而中段的新源—巴音布魯克區(qū)段的最大值最大。巴里坤—伊吾區(qū)段20—40cm土壤層有機質含量的最小值（5.0g／kg）最小。偏度分析結果表明，研究區(qū)域20—40cm土層有機質含量的偏度值都大于零，說明研究區(qū)20—40cm土層有機質含量的分布屬于正偏，即均值在峰值的右邊。峰度分析結果顯示，研究區(qū)域20—40cm土壤層有機質含量的峰度值都大于零，說明研究區(qū)域土壤有機質含量分布的集中程度高于正態(tài)分布。巴里坤—伊吾區(qū)段20—40 cm土壤層有機質含量的平均值最小，新源—巴音布魯克區(qū)段的平均值最大。新源—巴音布魯克區(qū)段20—40cm土壤層有機質含量的變異系數(shù)（47.1%）最小，巴里坤—伊吾區(qū)段的變異系數(shù)最大。

圖4 不同區(qū)段林沿土壤（20－40cm層）有機質含量的統(tǒng)計特征比較

2.4 垂直剖面層土壤有機質含量的比較

圖5 顯示了天山北坡不同土層的土壤有機質含量的平均值、最大值和最小值。由圖5可見，3個區(qū)段不同深度土層有機質含量均存在明顯差異，其中以0—5cm土層的有機質含量為高。從天山北坡下林沿不同土層的有機質含量的最大值來看，各區(qū)段土壤有機質含量的最大值也均出現(xiàn)在0—5cm的土壤剖面層內。這符合干旱區(qū)土壤有機質含量在表層聚集的一般規(guī)律。

分析天山北坡不同土層的有機質含量的最小值可知，昭蘇—特克斯區(qū)段和新源—巴音布魯克區(qū)段土壤有機質含量的最小值均出現(xiàn)在20—40cm的土壤剖面層內，而巴里坤—伊吾區(qū)段土壤有機質含量的最小值則出現(xiàn)在0—5cm的土壤剖面層內。造成這種現(xiàn)象的原因可能是因為巴里坤—伊吾區(qū)段土壤受人類活動的影響更顯著。

圖5 不同土壤剖面層的土壤有機質含量的平均值、最大值和最小值的比較

3 討論

在相同氣候區(qū)，天山北坡土壤有機質含量的空間分布受成土母質、地形地貌、土壤類型、土壤質地［4，17－20］、植被覆蓋度、海拔、熱量及人為管理措施等因素的影響［1］。

成土母質一方面是土壤的骨架，另一方面是植物礦質養(yǎng)料元素的最初來源，不僅直接影響著土壤的物理化學性質、土壤成土過程，而且還影響著土壤有機質的累積和淋失［21］。有關研究顯示，天山北坡西段土壤質地為薄厚不等的黃土狀物質，而天山北坡東段的成土母質為坡積、沖洪積／湖積物等。由黃土狀成土母質發(fā)育的土壤，有機質含量極顯著高于坡積、沖洪積／湖積物。黃土狀母質黃土層深厚，富含碳酸鹽，黏化層和鈣積層發(fā)育，且多形成碳酸鹽褐土，所以有機質的含量很高。洪積母質土體中往往有卵礫石層，構成了土體中的障礙層，且質地為輕壤，多形成褐土性土，因而有機質的含量較低。這是本研究中天山北坡西段下林沿土壤有機質含量明顯高于天山北坡東段的根本原因。

地形和土壤類型影響土壤有機質的空間分布。天山北坡西段主要土壤類型是黑鈣土和粟鈣土。黑鈣土自然肥力水平較高，其分布區(qū)不但是較好的牧場，而且有部分是較好的旱作地。這種土壤的有機質含量較高［12］。黑鈣土的主要特點是土壤進行強烈的腐殖質積累過程，同時鈣化過程也很明顯。表層的有機質含量在7%～13%之間，具有良好的粒狀—團塊狀結構；土壤上部的碳酸鈣受到淋失，有明顯的鈣積層。天山北坡西段（特克斯—昭蘇、新源—巴音布魯克區(qū)段）土壤質地較重，主要土壤類型是黏土，利于有機質的積累，而天山北坡東段的巴里坤—伊吾區(qū)段土壤質地較輕，通氣條件較好，有機質流失相對容易，因此有機質含量較低［22］。

植被覆蓋度、海拔和熱量也是決定土壤有機質含量的主要因素。實地考察發(fā)現(xiàn)，天山北坡西段地區(qū)（昭蘇—特克斯、新源—巴音布魯克區(qū)段）植物以天山云杉、林緣灌叢和禾本科植物為主，植被覆蓋度約為90%，平均海拔高度為2 000m左右，熱量較低有利于有機質的積累。天山北坡東段（巴里坤—伊吾區(qū)段）以藜科植物、蒿類為主，并有少量駱駝蓬、榆樹、芨芨草、苦豆子、粉苞菊等出現(xiàn)，植被蓋度在20%～30%之間，平均海拔高度為1 800m左右。隨著海拔的降低，降雨量逐漸減少，植被覆蓋度逐漸降低，有機質含量也逐漸降低［1］。巴里坤盆地因氣候干旱，植物稀疏，這些自然條件不利于土壤有機質的積累。新源—巴音布魯克區(qū)段采樣點多分布在以野杏、小檗、柳樹、薔薇等為主的山地林地和以禾本科為主的草地中，植被蓋度90%以上，優(yōu)越的植被條件為土壤有機質的積累奠定了基礎。這是新源—巴音布魯克區(qū)段土壤有機質含量比較高的主要原因。

巴里坤—伊吾區(qū)段具有豐富的自然資源，盆地土壤主要有淡粟鈣土、棕鈣土、草甸土和鹽土4個類型［12］。不同土壤類型上生長的植被，其覆蓋度和土地利用方式有很大的差異，這是導致巴里坤地區(qū)土壤有機質含量變異較大的主要原因。此外，該區(qū)段人類活動（包括開墾、造林、旅游等）對土壤也產生了一定的影響。

4 結論

（1）天山北坡西段下林沿土壤層的有機質含量明顯高于天山北坡東段。0—5cm土壤剖面層內天山北坡昭蘇—特克斯區(qū)段的土壤有機質含量比天山北坡其他區(qū)段的高。0—5，5—20，20—40cm土壤剖面層內天山北坡巴里坤—伊吾區(qū)段土壤有機質含量比天山北坡其他區(qū)段的土壤有機質含量低。5—20，20—40cm土壤剖面層內天山北坡新源—巴音布魯克區(qū)段的土壤有機質含量比天山北坡其它區(qū)段的高。

（2）天山北坡0—5cm土壤剖面層內土壤有機質含量的最大值出現(xiàn)在昭蘇—特克斯區(qū)段，5—20，20—40cm土壤剖面層內土壤有機質含量的最大值出現(xiàn)在新源—巴音布魯克區(qū)段。0—5，5—20cm和20—40cm土壤剖面層內土壤有機質含量的最小值出現(xiàn)在巴里坤—伊吾區(qū)段。

（3）0—5，5—20，20—40cm 土壤剖面層內巴里坤—伊吾區(qū)段的變異系數(shù)最大。0—5cm土壤剖面層內巴里坤—伊吾區(qū)段的土壤有機質含量的變異系數(shù)屬于強變異，其它區(qū)段屬于中等變異。5—20，20—40cm土壤剖面層內研究區(qū)域的有機質含量的變異系數(shù)屬于中等變異型。

（4）天山北坡0—5cm土壤剖面層土壤有機質含量比5—20，20—40cm土壤剖面層土壤有機質含量高。天山北坡下林沿土壤有機質含量的最大值出現(xiàn)在0—5cm的土壤剖面層內。

（5）昭蘇—特克斯、新源—巴音布魯克區(qū)段土壤有機質含量的最小值出現(xiàn)在20—40cm土壤剖面層內，而巴里坤—伊吾區(qū)段土壤有機質含量的最小值則出現(xiàn)在0—5cm的土壤剖面層內。

巴里坤—伊吾區(qū)段受自然和人為影響，土壤有機質含量偏低。在今后的林業(yè)生產和生態(tài)建設實踐中，應注意降低人類活動對土壤層的擾動、加強天然植被的保護，在有條件的地塊增施有機肥，以快速提高土壤的有機質含量。

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