黑河流域土壤理化性質(zhì)分布特征

王建棟， 張志華， 楊喜田， 周子俊， 桑玉強(qiáng)， 石岳峰， 耿曉東

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，河南 鄭州 450002； 2.北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，北京 100083；3.黃河水資源保護(hù)科學(xué)研究院，河南 鄭州 450002)

土壤是生態(tài)系統(tǒng)中諸多生態(tài)過(guò)程 (如營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)、水分平衡和凋落物分解等)的載體[1]。土壤理化性質(zhì)作為控制植物生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵生態(tài)因子，是土壤的基本屬性和本質(zhì)特征，是決定土壤肥力和土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)[2]。在不同的氣候、母巖、地形、植被和人為干擾等諸多自然和人為因素的影響下，土壤理化性質(zhì)的空間分布呈綴塊型或梯度格局，從而使得土壤理化性質(zhì)具有一定的隨機(jī)性和相關(guān)性[2]。河岸帶的生境變化將會(huì)引起河流生態(tài)系統(tǒng)的一系列變化, 土壤是反映河岸帶變化的一個(gè)重要因素。因此，研究河流流域土壤理化性質(zhì)具有重要意義。黑河流域作為中國(guó)西北地區(qū)僅次于塔里木河的第二大內(nèi)陸流域，途徑青海、甘肅及內(nèi)蒙古，面積約為14.30萬(wàn)km2，具有復(fù)雜的景觀類型，流域規(guī)模適中，社會(huì)生態(tài)環(huán)境問(wèn)題突出，近年來(lái)一直是中國(guó)重點(diǎn)研究的內(nèi)陸區(qū)域之一[3]。當(dāng)前黑河流域土壤退化問(wèn)題受到廣泛關(guān)注[4],已有研究表明，土壤退化與土壤理化性質(zhì)有很大的關(guān)系[5-6]。因此，對(duì)黑河流域土壤養(yǎng)分和理化性質(zhì)分析，可以有助于了解該地區(qū)的土壤退化狀況并對(duì)其進(jìn)行改良。而且黑河流域的土壤理化性質(zhì)分析還可以對(duì)黑河流域典型生態(tài)系統(tǒng)中生態(tài)-水文過(guò)程的參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)，建立用于模型發(fā)展和比較研究的不同時(shí)間和空間尺度的黑河流域特定的生態(tài)-水文數(shù)據(jù)集提供數(shù)據(jù)支持[7]。因此，研究黑河流域土壤理化性質(zhì)特征，可以很好地了解該地區(qū)土壤形成過(guò)程、結(jié)構(gòu)和功能，對(duì)土壤與植物關(guān)系、植被空間格局以及土壤侵蝕、土地利用變化、生態(tài)過(guò)程等的研究有借鑒作用。目前針對(duì)黑河流域的研究主要集中于土壤鹽分分布特征﹑不同土地利用方式下土壤粒徑的分布﹑土壤有機(jī)碳的分布及其與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)分析方面[8-12]。而且研究區(qū)域主要集中于黑河上游﹑中游和下游某一區(qū)段上，對(duì)黑河流域整體沒(méi)有進(jìn)行深入研究，具有一定的局限性。此外，關(guān)于黑河流域土壤理化性質(zhì)分布特征的研究仍鮮有報(bào)道。因此，為了揭示黑河流域土壤理化性質(zhì)分布特征及影響因素，本研究以黑河流域整體作為研究區(qū)域，深入探討了黑河流域土壤理化性質(zhì)特征，為黑河流域土壤退化、植被恢復(fù)與重建、土地的可持續(xù)利用等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學(xué)理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

黑河為中國(guó)第二大內(nèi)陸水系，位于37°41′～ 42°42′N，96°42′～102°00′E,發(fā)源于青海省祁連山區(qū)的冰川和積雪帶，流經(jīng)甘肅省進(jìn)入內(nèi)蒙古自治區(qū)額濟(jì)納旗，最終匯入東﹑西居延海，干流全長(zhǎng)821 km，流域面積為14.29×104 km2。黑河出山口鶯落峽以上的祁連山區(qū)為黑河流域的上游，海拔1 700～5 564 m，區(qū)域內(nèi)多年平均氣溫-3.10～3.60 ℃，年蒸發(fā)量700 mm左右，年降水量300～600 mm，降水較充沛，局部地區(qū)年降水可達(dá)600 mm以上，是黑河流域水資源形成的源區(qū)。鶯落峽至正義峽之間的區(qū)域?yàn)楹诤恿饔虻闹杏?，主要有張掖盆地和酒泉盆地組成，海拔1 352～1 700 m，區(qū)域內(nèi)多年平均氣溫5～8 ℃，年降水量100～250 mm，年蒸發(fā)量2 000～3 000 mm,中游綠洲光熱資源豐富，無(wú)霜期短，日照數(shù)長(zhǎng)，集中了全流域91%的人口﹑83%的用水量和95%的耕地，是黑河流域的精華；上游山區(qū)來(lái)水是流域內(nèi)水資源主要來(lái)源，中游是黑河流域水資源的主要耗水區(qū)。正義峽以北的區(qū)域?yàn)楹诤恿饔虻南掠?，海?12～1 249 m，年日照時(shí)間長(zhǎng)達(dá)3 325.60～3 434.40 h，風(fēng)大沙多。下游大部分地區(qū)為荒漠戈壁，年降水量低于50 mm，最少年份僅17 mm，氣候極端干旱，是黑河流域嚴(yán)重缺水區(qū)和生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)[13-14]。

黑河流域的植被，垂直分布規(guī)律性明顯，尤其是在上游祁連山區(qū)，表現(xiàn)為海拔4 000～4 500 m為高山墊狀植被帶，3 800～4 000 m為高山草甸植被帶，3 200～3 800 m為高山灌叢草甸帶，2 000～3 200 m為草原化荒漠帶；而中下游廣闊的戈壁荒漠區(qū)，分布著地帶性的溫帶小灌木﹑半灌木荒漠植被；人工栽培的農(nóng)作物和林網(wǎng)主要在綠洲地區(qū)；在下游三角洲主要荒漠植被是胡楊(Populuseuphratica)、梭梭(Haloxylonammodendron(C.A.Mey.)Bunge)、沙棗(ElaeagnusangustifoliaLinn.)、檉柳(TamarixchinensisLour.)等植物[14]。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

1.2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源 2018年8月份，沿黑河流域上游﹑中游及下游方向依次采樣，在全段布置了27個(gè)樣點(diǎn)。由于8和10號(hào)未調(diào)查，24及25號(hào)樣點(diǎn)被臨時(shí)軍事管制，無(wú)法進(jìn)入，故造成樣品缺失。每個(gè)采樣點(diǎn)布設(shè)3個(gè)(10×10)m2樣方，作為重復(fù)。每個(gè)樣方內(nèi)沿對(duì)角線隨機(jī)布設(shè)3個(gè)點(diǎn)，分別采集0～20 cm表層土，混勻后裝袋。全流域內(nèi)共采集到66個(gè)混合土樣。采樣地點(diǎn)如表1、圖1所示。

表1 黑河流域樣點(diǎn)分布Table 1 Distribution of soil samples in Heihe River basin

將采集的土壤供試樣品烘干，并去除植物根系，過(guò)2 mm篩，以備機(jī)械組成、全碳、全氮和其他理化性質(zhì)的測(cè)定。土壤機(jī)械組成測(cè)定采用甲種土壤比重計(jì)法；土壤pH值采用電位法測(cè)定(m(土)∶m(水)=1∶2.5)[2]；土壤電導(dǎo)率采用電導(dǎo)率儀測(cè)定；土壤全碳和全氮含量的測(cè)定采用vario MACRO cube元素分析儀測(cè)定[12]。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理 本研究數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)相關(guān)分析與制圖采用Microsoft Excel 2016和IBM statistics SPSS 21.0，數(shù)據(jù)用ANOVA方差分析，差異顯著性采用Duncan多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 黑河流域土壤密度、pH及電導(dǎo)率分布特征

黑河流域上、中、下游土壤密度、pH值及電導(dǎo)率測(cè)定結(jié)果如表2所示。由表2可知，土壤密度范圍為0.98～1.75 g·cm-3，且黑河流域上游﹑中游及下游具有顯著性差異，具體表現(xiàn)為下游>中游>上游，黑河下游土壤密度達(dá)到了1.66 g·cm-3。黑河流域土壤pH范圍為7.51～9.41，平均值為8.52，整體呈堿性。黑河流域土壤pH具有顯著差異性，上游pH顯著小于中游和下游，中游和下游差異性不顯著，土壤pH具體表現(xiàn)為下游>中游>上游。

土壤電導(dǎo)率范圍為106.90～4 970.00 μS·cm-1，黑河流域土壤電導(dǎo)率具有顯著差異性，具體表現(xiàn)為下游>中游>上游，下游最高達(dá)到了3 537.50 μS·cm-1。且研究區(qū)土壤電導(dǎo)率具有較大的空間異質(zhì)性，上游土壤電導(dǎo)率范圍為106.90～565.00 μS·cm-1，中游土壤電導(dǎo)率范圍為109.20～3 900.00 μS·cm-1，下游土壤電導(dǎo)率為2 000.00～4 970.00 μS·cm-1。3個(gè)流域區(qū)段中，中游變異系數(shù)最大，最大達(dá)到了120.14%，屬于強(qiáng)變異，上游和下游相對(duì)較小，分別為54.08%和35.79%，屬于中等變異和低等變異。

Point#1為表1中1號(hào)樣點(diǎn)，Point#2為表1中2號(hào)樣點(diǎn)，依次類推。

表2 黑河流域土壤密度﹑pH及電導(dǎo)率Table 2 Statistical results of soil bulk density，pH and electrical conductivity in Heihe River basin

注：不同小寫字母表示組間差異顯著(P<0.05)。下同。

Notes: Different small letters in the same column indicate significant difference(P<0.05). The same as below.

2.2 黑河流域土壤機(jī)械組成分布特征

土壤顆粒組成指土壤中大小不同的各級(jí)土粒的比率，是影響土壤松緊度，通透性能以及肥力高低的基本因素，是反映土壤發(fā)育程度的標(biāo)志之一。按照美國(guó)制將土壤顆粒粒級(jí)分為沙粒(2～0.05 mm)﹑粉粒(0.05～0.002 mm)和黏粒(<0.002 mm)3級(jí)。由表3可知，在黑河流域全流域，機(jī)械組成為：沙粒含量范圍在6.67%～89.33%，粉粒含量范圍在0.67%～70.0%，黏粒含量范圍在7.33%～24.67%。沙粒含量表現(xiàn)為下游>中游>上游，粉粒含量表現(xiàn)為中游>上游>下游，黏粒含量表現(xiàn)為中游>上游>下游。沙粒含量在黑河流域土壤顆粒含量中占較大優(yōu)勢(shì)，為57.40%，其次為粉粒和黏粒，分別為26.13%和14.75%。各流域區(qū)段的平均沙粒和粉粒含量具有顯著差異性(P<0.05)，黏粒含量在上、中、下游無(wú)顯著差異性。在表3中，土壤沙粒含量與粉粒含量在中游變異系數(shù)較大，分別為42.53%和60.20%，屬于中等變異，可能是因?yàn)橹杏螌儆谵r(nóng)耕區(qū)，經(jīng)常長(zhǎng)期耕作灌溉的結(jié)果。

表3 黑河流域土壤機(jī)械組成Table 3 Statistical results of soil mechanical composition in Heihe River basin

表4 黑河流域土壤養(yǎng)分含量Table 4 Statistical results of soil nutrition content in Heihe River basin

2.3 黑河流域土壤全碳量與全氮量分布特征

由表4可知，黑河流域全碳含量在0.10～37.74 g·kg-1，平均含量為19.08 g·kg-1，變異系數(shù)為38.84%，屬于低等變異。土壤全碳量在黑河流域上、中、下游具有顯著差異性，下游含量顯著小于上游和中游，且平均含量表現(xiàn)為上游>中游>下游。全氮含量范圍在0.07～2.35 g·kg-1,平均含量為0.98 g·kg-1,根據(jù)全國(guó)第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，屬于第四級(jí)水平，變異系數(shù)為55.10%，屬于中等變異。土壤全氮量在黑河流域上、中、下游具有顯著差異性，同全碳量一樣，全氮平均含量表現(xiàn)為上游>中游>下游。

3 結(jié)論與討論

本研究通過(guò)對(duì)黑河流域土壤理化性質(zhì)分析，表明土壤密度在黑河流域上游﹑中游、下游具有顯著性差異，具體表現(xiàn)為下游>中游>上游。土壤密度可以表征土壤的松緊程度及孔隙狀況，反映土壤的透水性，通氣性和植物根系生長(zhǎng)的阻力狀況，它是表征土壤物理的一個(gè)重要因素，土壤密度大即土壤存在著退化趨勢(shì)，即密度值愈大，土壤退化愈為嚴(yán)重[16]。而且土壤密度越大, 總孔隙度越小[17]，這會(huì)引起下滲的水量減少, 地表徑流量的增加,增大對(duì)土壤的沖刷, 加大徑流對(duì)土壤的分離搬運(yùn)能力[18]。通常上游的土壤未經(jīng)搬運(yùn)破壞，結(jié)構(gòu)較差，而中、下游的土壤多為上游泥沙的沖積物，土壤結(jié)構(gòu)疏松，孔隙度大，要好于上游的土壤結(jié)構(gòu)。但是本研究發(fā)現(xiàn)研究結(jié)果與此不一致，可能是因?yàn)楹诤又?、上游相比于下游，植被更為豐富，植被生長(zhǎng)狀況良好，而植被根系作用對(duì)土壤密度會(huì)產(chǎn)生很大影響，同時(shí)植被凋落物的分解會(huì)增大土壤孔隙度，使得土壤密度減小，故中、上游的土壤結(jié)構(gòu)會(huì)顯著好于下游。土壤pH值表現(xiàn)為下游>中游>上游，且中游、下游與上游差異性顯著。這可能是因?yàn)楹诤恿饔蛏嫌螢槠钸B山區(qū),是干旱-半干旱氣候, 降雨量相對(duì)最高，而中、下游降雨量較少。土壤電導(dǎo)率是反映土壤水溶性鹽的一個(gè)重要指標(biāo)， 土壤溶液含鹽量與土壤電導(dǎo)率在一定范圍內(nèi)呈正相關(guān)，所以土壤電導(dǎo)率越大，含鹽量越高[19]。土壤電導(dǎo)率表現(xiàn)為下游>中游>上游，且下游與上游、中游差異性顯著。因此，可以看出黑河流域上游向下游含鹽量逐步增高。本研究進(jìn)一步分析認(rèn)為，隨著黑河流域海拔高度和降雨量的降低，中、上游的可溶性鹽隨著土壤的搬運(yùn)逐漸聚集到下游，導(dǎo)致下游土壤含鹽量增高。同時(shí)黑河中、下游蒸發(fā)量較大，地下水中的鹽分隨地下水的蒸發(fā)而源源不斷地向地表遷移聚集, 形成地表鹽殼[19],使得下游土壤含鹽量更為加重。不僅如此，白福等[20]也從氣候因素﹑土壤質(zhì)地及結(jié)構(gòu)因素﹑水文地質(zhì)因素﹑水資源的不合理利用因素﹑地貌因素及土地棄耕等6個(gè)方面解釋了下游土壤鹽漬化的現(xiàn)象。

土壤機(jī)械組成是土壤穩(wěn)定的自然屬性之一, 決定著土壤物理、化學(xué)等特性，影響著土壤水分、空氣、熱量運(yùn)動(dòng)、養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化及土壤結(jié)構(gòu)類型[21]。本研究發(fā)現(xiàn)，在黑河流域土壤沙粒、粉粒含量具有顯著差異性 ，沙粒含量表現(xiàn)為下游>中游>上游，粉粒含量表現(xiàn)為上游>中游>下游，黏粒含量在不同梯度下無(wú)顯著性差異。降雨是改變土壤顆粒組成的主要物理驅(qū)動(dòng)力之一，因此降雨量的多少與機(jī)械組成的分布有著密不可分的關(guān)系，楊宇瓊等[22]發(fā)現(xiàn)降雨量與土壤沙粒含量變化之間存在著正相關(guān)關(guān)系，但本研究研究結(jié)果顯示，土壤機(jī)械組成與降雨量相關(guān)性不顯著，這可能是受不同土地利用方式和人為活動(dòng)共同作用的結(jié)果導(dǎo)致的。土壤全碳量和全氮量在不同梯度均具有顯著性差異，都表現(xiàn)為上游和中游相對(duì)較高，下游較低。土壤有機(jī)質(zhì) (soil organic matter，SOM) 是土壤的重要組成部分, 是植物的養(yǎng)分來(lái)源和土壤微生物生命活動(dòng)的能量來(lái)源[23]，而它又主要來(lái)源于植物凋落物，因此凋落物性質(zhì)和數(shù)量是影響有機(jī)質(zhì)積累的主要因素[24]。有研究表明土壤全氮量與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈極顯著正相關(guān)[23],這也從側(cè)面說(shuō)明黑河流域中、上游植被狀況較好。

通過(guò)在黑河流域土壤理化性質(zhì)分析，我們可以看出黑河流域在上、中、下游的鹽漬化和荒漠化程度及分布范圍逐步增大，而且黑河下游土壤荒漠化和鹽漬化更嚴(yán)重。具體原因可從以下方面解釋：1)土地利用方式的改變。在黑河中、上游實(shí)施了一系列生態(tài)治理措施，如天然林封育﹑草地圍欄封育，人工造林，黑土灘沙化治理等，這些工程的實(shí)施增加了上游和中游地區(qū)林地面積，而這些植被的土壤保持功能主要體現(xiàn)在防止水土流失方面，并且植被凋落物經(jīng)過(guò)氧化分解會(huì)顯著增加土壤有機(jī)質(zhì)的含量[25]；2)在黑河下游區(qū)域，年降水量出現(xiàn)明顯下降，且未來(lái)降水仍持續(xù)現(xiàn)在的變化趨勢(shì)[26]，黑河流域年蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于降水量，造成了黑河流域土壤鹽堿的性質(zhì)，年降水量降低的改變會(huì)進(jìn)一步加劇這種趨勢(shì)；3)中、上游過(guò)度開(kāi)發(fā)水土資源的人為活動(dòng)，導(dǎo)致了下游水量減少，并且下游牲畜數(shù)量增加，超出了其承載能力。此外，草場(chǎng)灌溉采用大水漫灌，甚至用鹽水灌溉，造成了土地退化[27]。齊善忠等[28]認(rèn)為，黑河流域生態(tài)環(huán)境的退化主要表現(xiàn)在土地荒漠化﹑水資源的變化﹑土壤鹽漬化和植被退化等方面，人類不合理的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)是造成流域內(nèi)環(huán)境退化的根本原因,并提出了禁止流域中上游地區(qū)過(guò)度利用水資源和限制直接汲取黑河干流水資源進(jìn)行農(nóng)田灌溉等建議。

本研究發(fā)現(xiàn)，土壤密度、pH值、電導(dǎo)率由黑河上游至黑河下游逐漸升高；沙粒含量在下游表現(xiàn)最高，粉粒含量在中游表現(xiàn)最高；全碳量、全氮量則由黑河上游至黑河下游逐漸降低。由于氣候差異及人為不合理的利用土地，導(dǎo)致黑河從上游到下游，土壤荒漠化和鹽漬化問(wèn)題逐漸嚴(yán)重。為了更好地保護(hù)黑河流域生態(tài)環(huán)境，建議管理者們應(yīng)根據(jù)不同的土壤及氣候條件采取合適的發(fā)展及經(jīng)營(yíng)方向。首先，進(jìn)一步在黑河中、上游實(shí)施封山育林、草地圍欄等措施，減少人為因素干擾；在黑河下游采用輪封輪用方法進(jìn)行草甸植被的恢復(fù), 力爭(zhēng)在水量充足的地段恢復(fù)蘆葦沼澤草甸, 形成綠洲中的濕地生態(tài)系統(tǒng)以利于形成良好的水文生態(tài)過(guò)程[29]。其次，水資源應(yīng)合理分配，保證植被在生長(zhǎng)季節(jié)得到充足的供水。此外還應(yīng)按照適地適樹(shù)的原則，多種植一些耐旱耐堿的植被來(lái)保證下游綠洲系統(tǒng)的穩(wěn)定。