荒漠化地區(qū)土壤理化性質(zhì)及其對胡楊林生長的影響

鐘家驊, 管文軻, 易 秀, 霍艾迪, 秦 媛, 劉德林, 何曉霞

(1.長安大學(xué) 旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西安 710054; 2.新疆林業(yè)科學(xué)院, 烏魯木齊 830002; 3.新疆塔里木胡楊林國家級自然保護(hù)區(qū), 新疆 庫爾勒 841000)

在生態(tài)系統(tǒng)中，土壤作為陸地生態(tài)系統(tǒng)得以維持與正常運(yùn)轉(zhuǎn)的最基本載體，與植被相互依存。一方面，土壤水鹽是荒漠區(qū)植被地下生境的關(guān)鍵因子，直接影響和制約著天然植被的發(fā)育[1]；另一方面，天然植被是抑制荒漠化過程及保護(hù)生物多樣性的重要因素[2]。因此，土壤理化性質(zhì)的空間分布特征及其與植被生長間的關(guān)系是開展恢復(fù)生態(tài)學(xué)研究的重點(diǎn)領(lǐng)域之一[3]。

胡楊(PopuluseuphraticaOliv.)，為楊柳科(Salicacece)楊屬(populus)中的古地中海孑遺樹種，主要分布于北緯30°～50°，亞洲中、西部荒漠區(qū)及地中海、北非和歐洲南部。塔里木盆地是胡楊林分布的主要區(qū)域，其面積約占全國胡楊林面積的比例為89.1%[4]，占世界胡楊林資源的54.3%[5]。近幾十年來，隨著人口增加與水、土資源的不斷開發(fā)利用，塔里木河(簡稱塔河)中下游地區(qū)植被衰敗，大片胡楊林死亡，沙漠化面積擴(kuò)大，生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重惡化，已成為制約流域社會經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的主要因素[6]。調(diào)查結(jié)果顯示，塔里木胡楊自然保護(hù)區(qū)內(nèi)胡楊林面積2007年為6.26萬hm2，相比1973年減少了50%[7]。現(xiàn)有研究表明，土壤性狀方面，在塔河中游，0—20 cm土層pH值在8.3～8.57，有機(jī)質(zhì)在0.62%～1.72%，全鹽量在0.45%～1.27%，受河水漫溢和植物根系的影響，鹽分、pH值、養(yǎng)分等隨土層深度增加而降低的規(guī)律不太明顯，土壤含水量是影響干旱區(qū)植物生長的首要因子，土壤質(zhì)地、全鹽量、pH值是影響荒漠河岸林群落演替的主要因子[8]。中游地區(qū)胡楊林不同的演替階段，胡楊幼齡、中齡、成熟和過熟林下土壤養(yǎng)分集中在0—20 cm土層，近熟林則集中在0—10 cm和地表以下20—40 cm土層；土壤有機(jī)質(zhì)、堿解N、速效P、速效K質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨胡楊林演替過程先增加后降低[9]。而依據(jù)地下水位與植被發(fā)育狀況，可將塔河中游河岸林分為河岸地帶、過渡地帶、荒漠地帶3種生境，河岸地帶與過渡地帶植被蓋度可達(dá)80%以上；在植被發(fā)育較差的荒漠地帶土壤容重下降，鹽分含量增加；水熱組合合理的過渡地帶土壤有機(jī)質(zhì)、全磷、全鉀最高[8]。塔河下游鐵干里克綠洲荒漠過渡帶，0—50 cm土層有機(jī)質(zhì)在0.36%～0.84%，pH值7.79～8.82，土壤均呈堿性，且部分地區(qū)堿性較強(qiáng)，不同的監(jiān)測區(qū)中植被優(yōu)勢種絕大部分為耐鹽堿的灌木與草本植物[3]。類似的研究表明，阿其克蘇河下游河岸帶土壤為堿性，有機(jī)質(zhì)在0.32%～2.77%，堿解氮和速效磷含量遠(yuǎn)低于土壤中有機(jī)質(zhì)的含量；0—10 cm土層全鹽量不高，均值為0.37%，最高可達(dá)0.76%；胡楊生長良好條件下0—10 cm土層有機(jī)質(zhì)在0.8%～2.5%，全鹽量在0.5%～0.7%[10]。在艾比湖濕地，土壤質(zhì)地以粉砂質(zhì)壤土與砂質(zhì)壤土為主，土壤鹽化程度高，多有堿化現(xiàn)象，胡楊疏林采樣點(diǎn)0—20 cm土層含鹽量達(dá)5%，有機(jī)質(zhì)含量低，其空間變化說明河流促進(jìn)沿岸植被生長，而對有機(jī)質(zhì)積累起到積極作用[11]；全鹽量為16.85%的土壤條件下，胡楊無法生長；土壤鹽漬化抑制胡楊對養(yǎng)分的吸收，即使有機(jī)質(zhì)含量較高，胡楊的生長亦會受抑制[12]。疏勒河下游，表層土壤含水量在0.8%～4.49%，全鹽量在2.99%～23.75%，自中游向下游土壤水份減少，鹽分增加，胡楊生長受到土壤水鹽脅迫，是下游胡楊林矮小、空心、朽心的重要原因[1,13]。在渭干河—庫車河三角洲綠洲，檉柳、鹽穗木和蘆葦是綠洲鹽漬土上的優(yōu)勢植物，廣泛分布于各種鹽漬化生境，土壤鹽分是土壤化學(xué)因子中影響植被分布的主要因子[14]。

植被的演替發(fā)育會隨著土壤理化性質(zhì)、水分、養(yǎng)分、地形等因素變化而呈現(xiàn)不同的生長特征。由于嚴(yán)酷的環(huán)境抑制了幼苗的萌發(fā)與存活，目前，研究區(qū)內(nèi)胡楊林資源在種群結(jié)構(gòu)上幼齡期個(gè)體較少，種群維持面臨困難，拯救胡楊林行動迫在眉睫。目前對塔河中游不同植被發(fā)育條件下土壤理化性質(zhì)及其與胡楊生長狀況間對應(yīng)關(guān)系的研究較少，本文以保護(hù)區(qū)為研究區(qū)域，研究胡楊林不同生長環(huán)境下土壤理化性質(zhì)，了解土壤養(yǎng)分與鹽分的動態(tài)變化及與胡楊林退化過程相互聯(lián)系，為科學(xué)利用與保護(hù)塔河流域水土資源與胡楊林更新復(fù)壯提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

塔里木胡楊國家級自然保護(hù)區(qū)位于新疆巴音郭楞蒙古自治州，橫跨尉犁與輪臺縣；地處塔克拉瑪干大沙漠北緣，位于塔河中游英巴扎—喀爾曲尕段，以塔里木盆地內(nèi)陸干旱區(qū)中的胡楊林荒漠生態(tài)系統(tǒng)為保護(hù)對象。保護(hù)區(qū)東西長109.7 km，南北寬47.1 km，總面積39.54萬hm2，位于北緯40°55′—41°15′，東經(jīng)84°15′—85°30′。保護(hù)區(qū)屬溫帶大陸性平原區(qū)荒漠氣候，區(qū)內(nèi)年平均氣溫10.9℃，年日照時(shí)數(shù)為2 442～2 925 h，極端最低氣溫-25.5℃，氣溫年均日較差14.6℃，≥10℃積溫4 125.3℃，無霜期180～224 d，年平均降雨量65.5 mm，年均蒸發(fā)量2 024 mm[8]，年平均風(fēng)速1.8 m/s[9]，全年盛行東北風(fēng)，其次為西南風(fēng)，海拔高度912 m[9]，地面坡降約1/4 000[7]。植物組成以楊柳科、檉柳科、豆科、菊科、禾本科為主，土壤以胡楊林土、荒漠土、鹽堿土和沙土為主[8]。該區(qū)草本植物主要有蘆葦、脹果甘草、駱駝刺等，灌木主要以多枝檉柳、鈴鐺刺為主，胡楊為該區(qū)喬木層主要建群種[9]。

塔河自西向東橫貫保護(hù)區(qū)全境，在區(qū)內(nèi)的河段長度為162.2 km，區(qū)內(nèi)常年性河流總長為310.2 km。塔河汛期在區(qū)內(nèi)由于滲漏、兩岸漫溢等消耗的水量為2.6～3.2億m3，區(qū)內(nèi)地下水的99.2%由地表水垂直入滲轉(zhuǎn)化而來[15]。據(jù)2007年的遙感影像分析，保護(hù)區(qū)內(nèi)胡楊林面積為6.26萬hm2，旱生草地面積為16.61萬hm2，水域面積為3.25萬hm2，農(nóng)田面積為1.1萬hm2，鹽堿地面積為7.55萬hm2，沙漠面積達(dá)7.22萬hm2[15]。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設(shè)置與情況介紹 采用實(shí)地考察、布設(shè)樣地、植被調(diào)查、樣品采集與試驗(yàn)分析等方法，研究在胡楊林不同生境下的土壤理化性質(zhì)。2016年9月，時(shí)值塔河汛期，在塔里木胡楊國家級自然保護(hù)區(qū)內(nèi)進(jìn)行野外調(diào)查，將胡楊林群落的生境分為荒漠化區(qū)、過渡地帶與河岸地帶3種類型，所選5個(gè)樣地呈南北向分布，位于塔河南岸的樣地編號為；S1，S2和S3，編號從S1—S3依次靠近河岸；位于塔河北岸的樣地編號為：N1，N2，N1接近河岸，N2距河岸較遠(yuǎn)。調(diào)查區(qū)內(nèi)胡楊林生長情況，包括植被種類、生境、蓋度等，主要植物種類有胡楊、灰楊、沙棗、枸杞、鹽穗木、鈴鐺刺、駱駝刺、甘草等。不同樣地植被調(diào)查狀況詳見表1。

表1 研究區(qū)不同區(qū)域植被生長狀況

1.2.2 樣品采集與測試方法 依據(jù)胡楊林群落不同的生境類型在河道干流的南北兩岸選取樣地進(jìn)行土壤樣品采集，其中S1，S2，S3樣地在塔河南岸，N1，N2樣地在塔河北岸。樣地規(guī)格為100 m×100 m正方形，每個(gè)樣地內(nèi)設(shè)置3個(gè)30 m×30 m的樣方，每個(gè)樣方內(nèi)隨機(jī)選取3個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)采集0—20 cm厚表層土樣，混合后用四分法取得1 kg左右,每個(gè)樣地采得3個(gè)土壤混合樣。樣品經(jīng)處理后進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)的測定。堿解氮采用堿解—擴(kuò)散法，速效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提鉬銻抗比色法，速效鉀采用NH4OAc浸提—火焰光度法，機(jī)械組成采用比重計(jì)法、pH值采用玻璃電極法、有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法、含鹽量采用殘?jiān)娓煞y定。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理方法 植物數(shù)量調(diào)查以蓋度為主要指標(biāo)，以所設(shè)置的樣方中植被垂直投影面積占樣方面積的比率求得。各項(xiàng)土壤理化指標(biāo)經(jīng)分析測試后，結(jié)果采用Excel 2007軟件取平均值并作圖表，統(tǒng)計(jì)分析采用DPS 7.05軟件，運(yùn)用單因素方差分析和多重比較進(jìn)行各樣地土壤指標(biāo)的差異顯著性檢驗(yàn)，用典型相關(guān)分析提取典型變量分析兩組變量間的關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤理化性質(zhì)

2.1.1 土壤機(jī)械組成 按美國制粒級劃分，將土壤顆粒分為黏粒(≤0.002 mm)、粉粒(0.05～0.002 mm)和砂粒(2.0～0.05 mm)3大類別。研究區(qū)各樣地的土壤中，砂粒含量在4.2%～80.5%，砂粒的徑級組成主要是細(xì)砂(0.25～0.10 mm)和極細(xì)砂(0.10～0.05 mm)；粉粒含量在17.4%～88%，粉粒組成集中在0.05～0.01 mm粒徑范圍內(nèi)；黏粒含量在2.1%～19.4%；從整體上看，研究區(qū)內(nèi)土壤的機(jī)械組成以粉粒與極細(xì)砂為主。不同編號樣地土壤質(zhì)地如下，S1樣地：粉土；S2樣地：粉壤土；S3樣地：粉壤土；N1樣地：砂質(zhì)壤土；N2樣地：壤質(zhì)砂土。土壤顆粒大小分布情況與土壤的質(zhì)地詳見表2。

表2 研究區(qū)不同區(qū)域的土壤顆粒分布

注：同行不同小寫字母代表差異顯著(p<0.05)，下表同。

2.1.2 土壤化學(xué)性質(zhì) 結(jié)果表明，保護(hù)區(qū)土壤的pH值范圍在7.83～8.46，有機(jī)質(zhì)含量范圍在0.33%～0.80%，堿解氮含量范圍在8.8～30.6 mg/kg，速效磷的含量在3.9～21.8 mg/kg，速效鉀的含量在116～758 mg/kg。S3與N1樣地的有機(jī)質(zhì)含量最高，分別為0.8%與0.7%(表3)。

表3 研究區(qū)各樣地土壤養(yǎng)分含量

研究區(qū)內(nèi)地表以下0—20 cm土樣中含鹽量均大于0.4%，所含鹽分以氯化物和硫酸鹽為主，重碳酸根含量較低。編號為S3及N1的樣地土壤鹽漬化程度最高，地表土層含鹽量>1.5%，詳見表4。

2.2 胡楊林發(fā)育狀況

研究區(qū)植被組成以旱生、鹽生植物為優(yōu)勢物種，適宜在砂質(zhì)土壤中生長。常見的林下植被有枸杞、鹽穗木、鈴鐺刺、駱駝刺、甘草、蘆葦、鹽生草。各樣地植被發(fā)育情況詳見表5。

表4 研究區(qū)不同樣地土壤鹽分含量

表5 研究區(qū)不同區(qū)域植被蓋度變化情況

2.3 典型相關(guān)分析

采用對指標(biāo)分組并運(yùn)用典型相關(guān)方法分析土壤性質(zhì)(組1)與胡楊長勢(組2)兩組性狀間的關(guān)系。所選基礎(chǔ)變量包括：pH值(X1),有機(jī)質(zhì)含量(X2,%),全鹽量(X3,%),粉粒含量(X4,%),堿解氮(X5,mg/kg),速效磷(X6,mg/kg),鈣(X7,mg/100 g),硫酸根(X8,mg/100 g),氯化物(X9,mg/100 g);胡楊高度(Y1,m),胡楊蓋度(Y2,%)。從兩組基礎(chǔ)變量中分別提取具有最大相關(guān)系數(shù)的前兩對典型變量U1，V1和U2，V2可較充分地概括樣本信息，依據(jù)分析結(jié)果，前兩對典型變量相關(guān)系數(shù)的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)達(dá)到極顯著水平(p<0.01)。典型變量與基礎(chǔ)變量間的換算系數(shù)詳見表6。

表6 各組的典型變量系數(shù)

2.4 討 論

2.4.1 土壤質(zhì)地與胡楊林發(fā)育狀況 通過對塔河兩岸各樣地土壤樣品顆粒組成的分析，可得出不同立地條件下的胡楊林下土壤質(zhì)地，這是土壤最基本的物理性狀指標(biāo)，直接影響土壤肥力與理化性質(zhì)[15]。塔河水源受季節(jié)影響非常大，夏季冰雪融水大量下泄，整個(gè)流域水量激增，河水漫灌大片沿岸地區(qū)，將上游的泥沙沉積[5]，因此，在塔河流域兩岸沖、洪積平原的分選沉積與河道北移等因素作用下，使塔河兩岸非地帶性分布的土壤質(zhì)地變化較為復(fù)雜。由于洪水漫溢對河岸林土壤結(jié)構(gòu)的影響，塔河中游形成較為黏重的土質(zhì)[16]。在水分條件較好的河岸地帶分布有粉質(zhì)、砂質(zhì)壤土，持水、蓄水和保肥能力較好，胡楊在此條件下生長最為良好；而植物亦可加速土壤形成過程，使粉粒、黏粒物質(zhì)含量增加，根系亦起到固結(jié)沙粒作用[17]。隨著與河岸的距離增加，風(fēng)蝕分選過程使土壤細(xì)粒物質(zhì)不斷損失，粗粒物質(zhì)相對增多[17-,20]，土壤質(zhì)地轉(zhuǎn)變?yōu)楦稍锏姆弁?、砂土，肥力貧瘠且溫度變化劇烈，植被發(fā)育較差。

2.4.2 土壤養(yǎng)分和鹽分與胡楊林發(fā)育狀況 塔河中游地區(qū)土壤養(yǎng)分總體狀況為全氮、全磷含量偏低，全鉀含量較高[5]。土壤水分是影響土壤性狀的重要因素，也是干旱地區(qū)生態(tài)過程的主要驅(qū)動因子[21]。研究區(qū)內(nèi)土壤總體較為貧瘠，土壤有機(jī)質(zhì)與速效鉀在水熱條件較好的河岸地區(qū)含量最高，該區(qū)域內(nèi)土壤質(zhì)地為粉、砂質(zhì)壤土，利于保水保肥；而較多的植物凋落物和較快的分解速度利于有機(jī)物質(zhì)積累，由此為胡楊的生長提供了必需的養(yǎng)分。堿解氮、速效磷的含量較低，并未成為影響胡楊林發(fā)育演替的主要因素。研究表明，pH值與有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、堿解氮、速效磷呈負(fù)相關(guān)[14]，表明土壤pH值大小直接影響土壤有機(jī)質(zhì)的分解速度，進(jìn)而影響土壤養(yǎng)分的有效性。研究區(qū)中植被條件較好的胡楊林地與胡楊—檉柳混交林地土壤pH值較低，為7.83～7.91；而有機(jī)質(zhì)含量高，為0.70%～0.80%，土壤理化性質(zhì)較優(yōu)。當(dāng)土壤表土層(0—20 cm)含鹽量超過0.1%(石膏土壤為0.2%)，即可認(rèn)為其發(fā)生了鹽堿化[22]。研究區(qū)土壤積鹽程度說明其普遍存在鹽化現(xiàn)象，地表鹽殼與鹽霜廣泛分布，考慮到區(qū)內(nèi)有大面積棉花種植等農(nóng)墾活動，這是原生與次生鹽堿化共同作用的結(jié)果。河岸地帶由于受到季節(jié)性洪水淹沒和地下水沿河淡化帶的影響，促使土壤脫鹽過程的發(fā)生，降低了鹽分過量積累對植被萌發(fā)與生長的抑制作用，因此該區(qū)域分布有較多胡楊實(shí)生幼苗和檉柳幼株。

2.4.3 土壤性質(zhì)與胡楊長勢的典型相關(guān)分析 植物多樣性與數(shù)量特征和土壤理化性質(zhì)存在一定相關(guān)性，土壤理化性質(zhì)的空間變異促使區(qū)域植物生長狀況發(fā)生明顯變化并影響群落演替，而植物的空間分布特征對土壤理化性質(zhì)有明顯改良作用[8]。在相關(guān)分析的第一對典型變量中，土壤酸堿度指標(biāo)X1與胡楊高度指標(biāo)Y1的系數(shù)最大，主要說明了土壤堿化程度與胡楊高度的負(fù)相關(guān)關(guān)系。第二對典型變量中，土壤指標(biāo)X1與胡楊蓋度指標(biāo)Y2的系數(shù)最大，說明了土壤堿化程度與胡楊蓋度的負(fù)相關(guān)關(guān)系。在土壤性質(zhì)中，pH值是影響胡楊長勢的主要因子，土壤堿化過程的前提是土壤中含有過多易溶性鹽類，因此，在促進(jìn)胡楊林更新復(fù)壯過程中，排鹽是首要的，可以通過合理灌溉，保持適合的潛水位，防止次生鹽堿化加劇，或通過適時(shí)引水漫灌排鹽。其次，固沙、培肥、種植綠肥等措施逐漸改良土壤性質(zhì)。

3 結(jié) 論

(1) 研究區(qū)內(nèi)土壤質(zhì)地具有粉、砂質(zhì)特征，塔河南岸土壤顆粒以粉粒為主，北岸則砂粒占優(yōu)勢。在粉土及砂土中胡楊發(fā)育不良甚至衰敗，河岸輻射帶分布的粉壤土或砂壤土更適合胡楊生長。

(2) 研究區(qū)內(nèi)土壤養(yǎng)分貧瘠，有機(jī)質(zhì)含量最高為0.8%，隨著與河道距離的增加而迅速降低，肥力不足不利于改善植物根系生長的環(huán)境條件，抑制了胡楊林的更新復(fù)壯。

(3) 研究區(qū)土壤呈堿性(pH值7.5～8.5)，土壤鹽分含量高，易溶鹽組分以硫酸鹽及氯化物為主，不同樣地土壤理化性質(zhì)指標(biāo)存在顯著性差異。區(qū)內(nèi)土壤中鹽分的積聚與較高的pH值是抑制胡楊萌發(fā)與生長的主要因素，土壤pH值低于8的地區(qū)適宜胡楊生長。

致謝：感謝新疆林業(yè)科學(xué)院為項(xiàng)目的野外調(diào)查和土壤樣品采集提供全力支持。

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