河西走廊不同類型戈壁土壤理化性質(zhì)分析

安富博，張德魁，趙錦梅，柴成武，趙艷麗，孫 濤,5

(1.甘肅省治沙研究所，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省荒漠化與風沙災害防治重點實驗室-省部共建國家重點實驗室培育基地，甘肅 武威 733000；3.甘肅民勤荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站，甘肅 民勤 733300；4.甘肅農(nóng)業(yè)大學，甘肅 蘭州 730070； 5.甘肅河西走廊森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，甘肅 武威 733000)

土地是人類賴以生存的基礎(chǔ)性自然資源，土壤質(zhì)量不僅是自然屬性，更是人為因子作用的結(jié)果。戈壁，在蒙古語中有“沙漠”“礫石荒漠”“干旱的地方”等意思，在許多時候人們又稱其為“瀚海沙漠”“戈壁灘”“戈壁沙漠”。它是中國西北干旱地區(qū)的一種主要地表景觀類型。由于戈壁所處地帶自然條件惡劣，人煙稀少，不便于實地調(diào)查開展研究工作，所以目前關(guān)于戈壁的研究成果較少，關(guān)于戈壁的概況、分布、類型劃分及改造利用等問題的論述幾近空白[1]。有研究者在詳細探究了“戈壁”一詞的起源、定義、分類體系及方法的基礎(chǔ)上，認為戈壁是指在干旱或極端干旱區(qū)，受長期、強烈的風蝕或物理風化作用，廣泛分布于地勢開闊地帶，地表由礫石覆蓋的一類荒漠景觀[2]。從景觀意義上來講，中國戈壁主要分布在新疆、內(nèi)蒙古、甘肅、青海及寧夏等省(區(qū))，總面積約66.08萬km2[1]，超過了流動沙丘和半固定沙丘的面積之和。王濤[3]認為，新疆東部、內(nèi)蒙古西部阿拉善高原和河西走廊西北部的戈壁成片分布，是整個歐亞大陸戈壁分布最為集中的地區(qū)。戈壁分布區(qū)是生態(tài)脆弱區(qū)、生態(tài)災害源區(qū)之一。在戈壁各特征中，地表物質(zhì)組成特征不僅直接影響其他特征的性質(zhì)，并且很大程度上決定其改造利用的難易程度。對地表物質(zhì)組成及成分的研究是開展戈壁研究的基礎(chǔ)和前提，它不僅可幫助我們了解各區(qū)域戈壁的特征，也可用來評價戈壁風蝕面的空氣動力學穩(wěn)定性，有利于解釋沙塵源區(qū)，分析戈壁造成自然災害的原因，認識沙粒遷移、沙漠擴展的規(guī)律，以及指導防沙工程[4]，為區(qū)域減災、國家西部經(jīng)濟建設(shè)服務。本研究在河西戈壁綜合科學考察野外調(diào)查的基礎(chǔ)上，以河西走廊分布的不同類型戈壁為研究對象，通過采集典型戈壁類型土壤樣品，分析其主要理化性質(zhì)，以期揭示河西地區(qū)不同類型戈壁地表特征和土壤理化性質(zhì)，進而探討不同類型戈壁土壤質(zhì)地和形成環(huán)境，為河西走廊戈壁區(qū)土壤資源的開發(fā)與保護提供科學的支撐。

1 研究區(qū)概況

河西走廊東起烏鞘嶺，西至古玉門關(guān)，南北介于南山(祁連山和阿爾金山)和北山(馬鬃山、合黎山和龍首山)間，長約1 000 km，寬數(shù)公里至百余公里，面積11.1萬km2，為西北—東南走向的狹長平地，形如走廊，因在黃河以西而得名。走廊東西的降水差異較大，年平均降水量為60～610 mm，降水主要集中在6—8月；潛在蒸發(fā)量為1 400～3 010 mm；年平均氣溫5.8～9.3 ℃，絕對最高氣溫42.8 ℃，絕對最低氣溫-29.3 ℃，二者較差72.1 ℃，晝夜溫差平均15 ℃左右；年平均風速為3.1 m/s，年平均大風日數(shù)為31.6 d，大風天氣主要集中在3—5月，期間大風日數(shù)占全年大風日數(shù)的51.3%；年平均沙塵暴日數(shù)為36 d。

河西的戈壁類型多樣，分布范圍廣。礫質(zhì)戈壁、砂礫質(zhì)戈壁、土質(zhì)戈壁等在東西方向上交錯分布，差異性強，在南北方向上呈明顯條帶狀分布。在走廊不同地段戈壁土質(zhì)不同，西部為棕荒漠土，中部為灰棕荒漠土,東部為灰漠土、淡棕鈣土和灰鈣土。鹽漬土廣泛分布于低洼地區(qū)，自東向西面積逐漸擴大。草甸土分布面積則自東向西縮小。地帶性植被主要由超旱生灌木和半灌木組成，主要植物有紅砂(Reaumuriasoongorica)、白刺(Nitrariatangutorum)、珍珠豬毛菜(Salsolapasserina)、膜果麻黃(Ephedraprzewalskii)、鹽爪爪(Kalidiumfoliatum)、合頭草(Sympegmaregelii)、針茅(Stipacapillata)、紫菀木(Asterothamnusalyssoides)等。分布的動物主要有野馬、野驢、野駱駝、灘黃羊、鵝喉羚、藏原羚等。

2 材料與方法

2.1 土樣采集

河西戈壁面積分布廣，地形迥異，自然環(huán)境差別大。為了摸清河西戈壁的自然狀況、土壤分布、類型特征、氣候水文等基本特征，2011—2015年采取“主橫多縱”的考察路線和“點、線、面”結(jié)合的方法，對甘肅河西走廊戈壁典型區(qū)進行了兩次全面、綜合的科學考察?？疾炻肪€以312國道河西段為主線，東起景泰，西至敦煌，途經(jīng)武威、金昌、張掖、酒泉、玉門、瓜州，六條縱線分別與主線交織，涵蓋了各種戈壁地貌和類型。

根據(jù)考察的實際情況和研究目的，共挖取土壤剖面64個，采集土樣226份，所選樣點涵蓋了河西走廊戈壁區(qū)主要的石質(zhì)戈壁、礫質(zhì)戈壁、砂礫質(zhì)戈壁、鹽化戈壁、土質(zhì)戈壁、雅丹地貌等類型，土壤樣點的位置分布及地貌類型和主要植被情況見表1。土樣采集采取實地挖取土壤剖面法，剖面深度為60 cm，按0～2、2～20、20～40、40～60 cm依次分層取樣。戈壁區(qū)礫石分布較廣，礫石層分布較厚，挖好剖面后，首先詳細記錄剖面的質(zhì)地構(gòu)成情況，進行現(xiàn)場拍照，然后實地開展土樣采集和過篩等工作。各層土樣過篩所用土壤篩的孔徑分別為80、50、25、10、5和2.5 mm，過篩后稱量記錄，粒徑小于2.5 mm的土樣稱量后裝入自封袋帶回試驗室做進一步測試分析。

表1 土壤樣點位置分布及地貌、植被情況

2.2 測定方法

在實驗室對所采集的土樣進一步處理后，分別測定土壤的pH值、有機質(zhì)含量、電導率、全鹽含量等理化性質(zhì)。測定方法：pH值采用電位法測定[5]；有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀氧化法測定；電導率用電導率儀測定[6]；全鹽含量和鹽離子含量測定時用土壤浸提液(水土比5∶1)提取，全鹽的測定用電導法，CO32-、HCO3-用標準H2SO4滴定法，Cl-用標準AgNO3滴定法，SO42-、Ca2+和Mg2+用EDTA絡合滴定法，K+和Na+用火焰光度計法[7]。最后采用DPS7.05統(tǒng)計軟件和Excel 2007辦公軟件進行數(shù)據(jù)處理和作圖分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤pH值

土壤pH值是表示土壤酸堿性強弱的指標，土壤酸堿性是影響土壤生產(chǎn)力的主要因子之一，它直接影響土壤中養(yǎng)分的存在狀態(tài)、轉(zhuǎn)化和有效性[8]。有研究表明，土壤酸堿性對植物和微生物所需養(yǎng)分元素的有效性具有顯著影響[9]。

從圖1可知，大部分樣地的土壤pH值在7.0～8.0之間，呈微堿性。這是由于大部分戈壁類型的土壤，其成土母巖為石灰?guī)r，成土時間短，加之樣點位于干旱和極端干旱區(qū)，降雨量少而蒸發(fā)量大，土壤鹽分基本飽和等所致；同時，土壤中有一定數(shù)量的碳酸鈣也是其呈弱堿性的原因之一[10]，我們在野外挖取剖面過程中發(fā)現(xiàn)多個剖面中含有一定量的鈣結(jié)層。也有少部分樣地的土壤pH值在6.5～7.0之間，呈微酸性。分析表明，這些樣點主要分布在戈壁的特殊地段，如s06、s13、s18位于戈壁低洼地，相對水分條件較好，植被生長較為旺盛。除個別樣地(如s20、s24)外，各樣地不同土層深度土壤pH值總體上較為穩(wěn)定，差異不大。這表明戈壁土壤在垂直方向上從表層到深層差異不大，土壤性質(zhì)穩(wěn)定。

圖1 典型戈壁樣地不同深度土壤pH值

3.2 土壤有機質(zhì)含量

土壤有機質(zhì)是指土壤中所有含碳的有機化合物，其對土壤形成、土壤肥力和環(huán)境保護等具有重要意義[11]。土壤有機質(zhì)是土壤各種養(yǎng)分特別是氮、磷的重要來源，含有植物生長所需要的各種營養(yǎng)元素[12]。因此，土壤有機質(zhì)含量通常作為土壤肥力水平高低的一個重要指標[13]。

由圖2可看出，在河西走廊典型戈壁各樣地中，絕大多數(shù)樣地的土壤有機質(zhì)含量在1.0%以下，按照我國土壤養(yǎng)分含量標準歸于5級(很缺乏)和6級(極缺乏)。其主要原因是，在戈壁形成過程中，地帶表面沉積的砂巖、粉砂質(zhì)泥巖及砂礫巖等比較疏松的巖體，在太陽和風的作用下不斷被風化剝蝕，變成大量碎屑物質(zhì)，這些碎屑物質(zhì)本身的有機質(zhì)含量極低，加上戈壁地表基本沒有植被或是植被非常稀疏，植物根系及枯枝落葉等土壤有機質(zhì)來源極少，土壤有機質(zhì)的積累很少。但個別樣地較為特殊，其有機質(zhì)含量明顯高于其他樣地，且在垂直方向上由表層到深層有逐漸減小的趨勢，如s02樣地土壤有機質(zhì)含量在表層0～2 cm為1.36%、2～20 cm為0.75%、深層60 cm為0.37%，呈快速減小趨勢。由于該樣點分布于景泰大唐風電場外圍，屬于典型殘積型侵蝕砂礫質(zhì)戈壁，樣地內(nèi)有較好的植被存在，主要有珍珠豬毛菜、芨芨草等(表1)，地上植物生長良好，植被蓋度較大，植物根系及枯枝落葉增加了土壤的有機質(zhì)來源，因此其有機質(zhì)含量介于1.0%～1.5%之間，但仍處于4級(缺乏)水平；該樣地隨著土層深度的增加有機質(zhì)含量呈減小趨勢，原因是該區(qū)域以珍珠豬毛菜、芨芨草、小畫眉草等淺根性草本植物為主，根系淺且受表層侵蝕的影響，深層土壤積累有機質(zhì)很困難。s12樣地為伏土型侵蝕礫石質(zhì)戈壁(假戈壁)，其土壤有機質(zhì)含量在1.5%～2.0%之間，相比其他樣地較高，這是由于該樣地內(nèi)有相對較好的植被存在，且生物多樣性較好，植被較為豐富；其有機質(zhì)含量在0～40 cm土層變化基本穩(wěn)定，在40～60 cm土層最高，這是由于該區(qū)域植被以針茅、紫菀木、駱駝蓬、荒漠錦雞兒等深根型植物為主，深層土壤有機質(zhì)可以得到補充。s24樣地為鹽化戈壁，分布于敦煌至柳園公路(G215)附近，植被以駱駝刺、花花柴、黑果枸杞和蘆葦?shù)榷嗄晟参餅橹?，根系相對較深，且豆科植物駱駝刺分布較多，該植物有提高土壤肥力的功效，可使土壤較快地積累一定的有機質(zhì)，因此s24樣地土壤有機質(zhì)含量明顯高于其他樣地。

圖2 典型戈壁樣地不同深度土壤有機質(zhì)含量

3.3 土壤電導率

土壤電導率是測定土壤水溶性鹽含量的指標，土壤水溶性鹽含量是判定土壤中鹽類離子是否限制作物生長的重要因素。不同類型的戈壁土壤電導率不一樣，同一戈壁類型不同深度的土壤電導率也不一樣(見圖3)。由測定結(jié)果可知，河西戈壁土壤電導率最低為1.2 μs/cm(樣地s24)，最高達到1 933.33 μs/cm(樣地s15)，平均電導率在600～800 μs/cm之間，這是由于不同戈壁類型的土質(zhì)差異性較大。部分戈壁類型同一樣地不同深度的土壤電導率也存在較大的差異，總體是隨著土壤深度的增加電導率值有逐漸升高的趨勢，如s04、s10、s12和s26樣地的40～60 cm土層處電導率明顯高于表層土壤。初步分析這與該土層土壤含水量突然增大有一定關(guān)系，因為在實地調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn)，這些區(qū)域地下水埋深較淺，隨土層深度增加土壤含水量逐漸增大，而含水量的增加會引發(fā)水溶性離子富集，最終導致土壤電導率偏高。

圖3 典型戈壁樣地不同深度土壤電導率

3.4 土壤全鹽量及不同鹽離子含量

河西不同戈壁類型樣地土壤全鹽含量見表2。由表2可知，除鹽化戈壁(s24和s25)的土壤全鹽含量在2.69%～32.87%之間，平均值為11.15%外，其他各樣地的全鹽含量在0.05%～4.27%之間，其中：地表0～2 cm在0.06%～1.74%之間，平均值為0.39%；2～20 cm在0.05%～2.31%之間，平均值為0.69%；20～40 cm在0.06%～2.43%之間，平均值為0.75%；40～60 cm在0.05%～4.27%之間，平均值為0.81%。土壤全鹽含量整體上隨著土壤深度的增加呈增加趨勢，所有樣地的全鹽含量平均值為1.41%。

土壤中的可溶性鹽分是指用一定的水土比例在一定時間內(nèi)浸提出來的土壤中所含有的水溶性鹽分。鹽分對植物生長的影響，主要決定于土壤可溶性鹽分的含量與組成及不同植物的耐鹽程度。就鹽分組成而言，蘇打鹽(碳酸鈉、碳酸氫鈉)對植物的危害最大，氯化鈉次之，硫酸鈉相對較輕；當土壤中可溶性鎂增高時，也能毒害植物。因此，通過測定土壤中可溶性鹽分總量及其組成，可了解土壤的鹽漬化程度和鹽分動態(tài)特征，為判定戈壁土壤類型和土壤質(zhì)地提供科學的數(shù)據(jù)支撐。

表2 不同戈壁樣地不同深度土壤全鹽含量

表3 不同戈壁樣地中可溶性鹽離子含量

土壤鈣、鎂含量是土壤離子重要的組成成分，含量大小主要取決于母質(zhì)、礦物風化程度及淋洗作用的強度。有研究表明，在土壤多種形態(tài)的鈣中，交換態(tài)鈣和水溶態(tài)鈣都可以被植物利用，二者常處于一個可逆的動態(tài)平衡狀態(tài)。土壤交換態(tài)鎂含量與土壤質(zhì)地相關(guān)，在質(zhì)地較輕的土壤中交換態(tài)鎂易流失，而在質(zhì)地黏重的土壤中交換態(tài)鎂較易累積[14]。本研究中一些土質(zhì)戈壁、伏土型戈壁、洪積型堆積石質(zhì)戈壁和沖積型堆積石質(zhì)戈壁樣地鈣鎂離子含量較高，這與其成土母質(zhì)和礦化風化程度密切相關(guān)。不同戈壁類型土壤中各種鹽離子含量是不同的，存在一定的差異，如在s24和s25兩個樣地中，土壤鹽離子含量很高，原因是s24和s25這兩個樣地均為鹽化戈壁。

4 結(jié) 論

(1)河西地區(qū)不同類型戈壁樣地土壤的pH值大部分在7.0～8.0之間，土壤呈微堿性，但少部分樣地在6.5～7.0之間，土壤呈微酸性。戈壁土壤的酸堿性與戈壁類型、戈壁的成土過程及自然環(huán)境密切相關(guān)。成土時間短，樣點分布在極端干旱區(qū)，降水量少而蒸發(fā)量大，鹽分容易積累在表層土壤，則土壤呈微堿性；樣點分布在戈壁的特殊地段，如河流邊或是戈壁低洼地，水分條件好，植被生長好，土壤改性條件相對較好，則土壤呈微酸性。

(2)河西不同戈壁類型樣地土壤有機質(zhì)含量絕大部分在1.0%以下，土壤養(yǎng)分含量歸于5級和6級水平，處于很缺乏和極缺乏水平。戈壁區(qū)極端干旱，自然環(huán)境惡劣，植被非常稀疏，植物根系及枯枝落葉等土壤有機質(zhì)來源極少，導致土壤有機質(zhì)的積累少。

(3)不同類型的戈壁土壤電導率值不一樣，同一戈壁類型樣地不同深度的土壤電導率值也不一樣。各類型戈壁樣地土壤電導率值介于1.20～1 933.33 μs/cm之間，差異很大。

(4)河西不同類型戈壁樣地土壤全鹽含量除鹽化戈壁的平均值為11.15%外，其他戈壁樣地的全鹽含量在0.05%～4.27%之間，地表0～2 cm的土壤層全鹽含量平均為0.39%。土壤全鹽含量整體上隨著土壤深度的增加呈現(xiàn)增加的趨勢，所有樣地的全鹽含量平均值是1.41%。

(5)河西不同戈壁類型樣地中，土壤大部分屬于硫酸鹽-氯化物類型和氯化物-硫酸鹽類型，少部分屬于硫酸鹽類型。不同戈壁類型土壤中各種鹽離子含量是不同的，存在一定的差異，各樣地陰離子平均含量排序為SO42->Cl->HCO3->CO32-，陽離子平均含量排序為K++Na+>Ca2+>Mg2+。