石羊河流域中下游沙漠－河岸过渡带土壤特征研究

2012-12-21李银科刘世增刘虎俊魏怀东杨自辉张莹花刘淑娟

水土保持研究 2012年6期

李银科，刘世增，刘虎俊，魏怀东，杨自辉，张莹花，刘淑娟

（甘肃省荒漠化与风沙灾害防治重点实验室／省部共建国家重点实验室培育基地，甘肃省治沙研究所，兰州730070）

河岸带是指江河或溪流的河道向外围的扩展，包括可以被洪水泛滥淹没的部分以及河水可以进入河岸植被冠层之下的陆地部分［1］。河岸带具有特殊的生境条件，在涵养水源、蓄洪防旱、维持生物多样性和生态平衡等方面均有十分重要的作用，是河流天然的保护屏障，是健康河流生态系统的重要组成部分和评价标志［2］。干旱内陆河流域沙漠—河岸过渡带是具有重要生态学功能和价值的过渡带，这一狭长区域是阻止沙漠前侵和沙土入河的最后一道屏障［3］。石羊河是西北干旱荒漠区典型的内陆河，随着人口的剧增、工农业生产和社会经济的迅速发展，人类对河流进行了多目标、全方位、大规模、高频次的干预，沙漠—河岸生态系统随之严重退化。退化的生态系统导致了植被破坏、生物多样性下降、小气候恶化、河床及河岸遭受侵蚀、风沙灾害频繁等一系列严重的生态环境问题［4］。生态系统的土壤要素和植被特征密切相关，不仅关系到整个河流系统的水文生态功能，而且对人工林的营造具有重要的指导价值［5］。摸清土壤理化性质的梯度变化是受损河岸生态系统植被修复和生态重建的基础和依据。学者们对河岸带土壤、植被及其相互关系进行了较多的研究［1－11］，对沙漠—河岸过渡带的研究很少，仅有少量植被空间分布格局和防风效益评估研究［12－14］。本文选取石羊河中游断流段、泉水溢出段、下游水库以上丰水段和水库以下干涸段沙漠—河岸过渡带典型植被带进行土壤特征研究，以揭示石羊河中下游沙漠—河岸过渡带生态系统的健康状况，为这一具有重要生态学价值和功能的地段保护、退化植被恢复提供理论依据。

1 研究区自然概况

石羊河流域位于河西走廊东部，乌稍岭以西，祁连山北麓，北纬 36°29′—39°27′，东经 101°41′—104°16′。流域总面积4.06万km2，属大陆性温带干旱气候，太阳辐射强、日照充足、温差大、降水少、蒸发强烈、空气干燥、风大沙多。上游山区有8条主要河流，河流出山口以后进入永昌—武威盆地，大部分水量被农业引灌和下渗转化为地下水，导致一些支流断流，在洪积扇边缘地带又以泉水的形式溢出地表，形成众多的泉水河道，如洪水河，然后再次汇合成为石羊河，此段为石羊河的中游；此后向北穿越红崖山进入民勤盆地，水流经引灌而耗于蒸发，逐渐消失。进入下游的地表径流由20世纪50年代的5.88亿m3下降到2008年的1.00亿m3左右。自20世纪50年代修建红崖山水库以来，水库以下河段干涸。中下游的凉州区和民勤绿洲海拔为1 400～2 100m，凉州区降水量和蒸发量分别为158mm和l 963mm，民勤分别为115mm和2 637mm；地带性土壤为灰棕漠土和灰棕漠土型沙土，非地带性土壤以风沙土为主，其次在地势低洼处分布有盐渍化沙土和盐化草甸土、沼泽土；在农耕区有绿洲灌淤土、盐化灌淤土、风沙灌淤土等。

本研究以石羊河中下游不同河段河岸水分状况存在差异为依据，选取4个河段进行比较分析：中游断流段（dryer section in middle reaches of Shiyang River，记作 DS）、泉水溢出段（springs overflow section，记作SOS）、水库以上丰水段（wet section above Hong Yashan reservoir，记作WSA）和水库以下干涸段（dring section in Hong Yashan reservoir below，记作DSB）。中游断流段为石羊河支流洪水河上游枯水段，已枯水多年，河岸沙枣（Elaeagnus angustifolia）林已枯死，岸边即为沙地，植被以沙蒿（Artemisia desertorum）群落为主；泉水溢出段为洪水河下游，因有泉水溢出而有水流，岸边沙地水分状况较好，以芦苇（Phragmites australis）群落为主，伴有沙蒿、白刺（Nitraria tangutorum）等；水库以上丰水段为洪水河与西营河汇合后至红崖山水库之间的石羊河主流段，此段地势平坦，水分丰沛，从河岸到沙地范围较宽（3～4km），依次生长有旱柳（Salix matsudana）＋柽柳（Tamarix chinensis）、沙枣＋小叶杨（Populus simonii）＋柽柳、油蒿（Artemisia ordosica）＋苦豆子（Sophora alopecuroides）、芦苇＋骆驼蓬（Peganum harmala）、人工沙枣＋红砂（Reaumuria songarica）、红砂、沙拐枣（Caligonum mongolicum）等群落；水库以下干涸段为红崖山水库以下河段，自修建水库以后，再无流水，原来河道清晰可辨，河道两侧沙地植被主要为白刺、柽柳群落。

2 研究方法

2.1 土样采集

2009年5月在选定的4个河段，从河岸向岸边沙地延伸，每个河段选定3～7个（以植被类型的数量为依据）样地（表1），每个样地用土钻按照0—5，5—10，10—20，20—40，40—60，60—80，80—100，100—120，120—140，140—160，160—180和180—200cm 12个层次进行分层采样，在0—5，5—10，10—20，20—40cm 4个层次取土壤容重样，在植被类型变化不明显的样地只测定土壤水分样，土壤含水量分别在5月份（雨季前）和10月份（雨季末）测定两次。

表1 样地特征

2.2 测定方法

土壤含水量测定采用烘干法，容重测定采用环刀法，其余土样剔除植物根系及石砾等杂物后，在室内风干并过1mm和0.25mm筛备用。有机质测定采用重铬酸钾氧化—外加热法，全氮测定采用半微量开氏法，速效磷测定采用碳酸氢钠提取－钼锑抗比色法，速效钾测定采用醋酸铵浸提—原子吸收比色法，土壤水溶性盐分组成测定水土比为5∶1，pH的测定采用电极法，水土比为5∶1。

2.3 数据分析

以不同河段作为固定因素，以容重、pH、有机质、全氮、速效磷、速效钾和水溶性盐分组成作为随机因素，用SPSS 13.0软件进行单因素方差分析，用LSD（P＜0.05）法进行显著性差异检验；用Excel软件绘图。

3 结果与分析

3.1 不同河段土壤含水量的变化

在石羊河中下游不同河段，5月和10月0—200 cm土壤含水量大小顺序均为 WSA＞SOS＞DSB＞DS；从月份来看，各河段0—200cm土壤含水量10月比5月均有增加，且增幅各不相同，其大小顺序为DS（55.86%）＞SOS（44.94%）＞DSB（28.87%）＞WSA（1.03%）（表2）。WSA 段地势平坦，土壤含水量受河水影响很大，降水对该段土壤含水量的影响很小；而其他河段土壤含水量则受降水的影响较大。

不同河段0—200cm土壤含水量的垂直变化（图1）表明，随土层深度的增加，土壤含水量总体呈增加趋势；与5月份相比，10月份土壤含水量在每层均有所增加，10—40cm层最为明显（图1）。说明研究区雨季降水对土壤10—40cm水分贡献最大。

将5月和10月不同河段土壤含水量在每个土层内进行比较，方差分析表明，土壤含水量只在DS段10—20cm土层10月份显著大于5月份，DS段其余土层和其余各河段各土层5月和10月之间差异均不显著。DS段位于调查河段最上游，降水量相对最大，而且该河段河水断流，土壤水分得不到河水补给，因此降水对该河段土壤水分贡献最大，在土壤表下层达到显著水平。

将月份内不同河段土壤含水量在每个土层内进行比较，只有10月份0—5cm土层DSB显著大于SOS，10月份其余土层和5月份各土层不同河段之间的差异均不显著。同一时期不同河段的同一土层土壤水分基本无明显差异，说明土层间土壤水分变异大。

图1 不同河段5月和10月土壤含水量的垂直变化

3.2 不同河段土壤容重的变化

0—40cm土层土壤容重大小顺序为SOS＞WSA＞DS＞DSB，但方差分析表明不同河段之间土壤容重差异不显著（表2）。图2显示，各河段表层土壤容重较大，表下层明显减小，下层又略为增大。该区受风蚀影响使得土壤表层砂砾含量高，因此表层容重大。

图2 不同河段土壤容重和pH值的垂直变化

3.3 不同河段土壤pH值的变化

0—200cm土层土壤pH值大小顺序为DS＞SOS＞WSA＞DSB，表现出石羊河中下游河岸土壤pH值从中游到下游依次减小的趋势，但方差分析显示不同河段之间的差异不显著（表2）。各河段土壤pH值总体呈现为表层较小，20cm深度处突然增至最大，下层略为减小的趋势。SOS和 WSA段表层pH值小，DS和DSB段较大；DS、SOS和 WSA段在10—120cm层变化比较一致，DSB段在20—120cm层较其他河段小（图2）。相关分析表明，土壤pH值与有机质含量、全盐量、Ca2＋、Mg2＋、K＋＋Na＋、Cl－和SO2－4均呈极显著负相关关系（P＜0.01），与CO2－3和HCO－3均呈极显著正相关关系（P＜0.01）。说明土壤pH变化与有机质含量和盐分组成及总量有关。有机质对土壤pH的影响主要是其分解产生的有机酸可以降低pH值。

3.4 不同河段土壤养分含量的变化

不同河段之间0—200cm土层土壤的有机质、全氮和速效钾含量差异均不显著。其大小顺序分别为：有机质 WSA＞DSB＞DS＞SOS，全氮 WSA＞SOS≈DSB＞DS，速效钾DS＞DSB＞WSA＞SOS。0—200 cm土层土壤的速效磷含量为DS＞SOS＞WSA＞DSB，DS段显著大于 WSA和DSB段，而与SOS段差异不显著，SOS、WSA和DSB段相互之间差异也不显著（表2）。

从养分含量的垂直变化可以看出（图3），WSA段有机质含量在0—40cm层最大，而DSB段在0—40cm层较小、40—200cm层最大；DS段有机质含量除在5—20cm层较大外，其余土层与SOS段变化较一致，其值均最小。WSA段全氮含量在0—20cm层最大，其它河段除在个别土层内值较大外，各河段其余土层全氮含量变化较一致。

表2 不同河段土壤理化性质

WSA段速效磷含量在表土层最大，其余土层速效磷含量DS段（除SOS段在100—120cm层最大外）明显大于其它河段；SOS、WSA和DSB段速效磷含量在5—100cm层变化较一致，SOS段在较大。

速效钾含量在0—120cm层DS段明显大于其他河段，WSA段也较大，SOS和DSB段最小；在120—200cm层SDB段最大；SOS段在0—200cm整个土壤剖面变化比较均匀，其值也最小。

图3 不同河段土壤有机质、全氮、速效磷和速效钾含量的垂直变化

3.5 不同河段土壤水溶性盐分组成的变化

0—200cm土层土壤全盐量表现为DSB＞WSA＞SOS＞DS，表明石羊河中下游河岸从中游到下游，土壤全盐量依次增加，但不同河段相互之间差异不显著（表3）。根据一般盐化土壤的划分，WSA和DSB段土壤已盐化，盐化类型分别为氯化物—硫酸盐盐化土和硫酸盐—氯化物盐化土［15］。WSA段在0—20 cm层Ca2＋，Mg2＋，K＋＋Na＋，Cl－和SO2－4远大于其它河段，但差异并不显著（表3）。WSA段在60—200 cm土层Ca2＋，Mg2＋，K＋＋Na＋，Cl－和SO2－4明显大于其它河段，并且部分差异达到显著水平：Ca2＋在40—60cm及80—120cm土层、Mg2＋在40—60cm及80—200cm土层、K＋＋Na＋在80—180cm土层、Cl－在60—200cm土层、SO2－4在80—120cm及140—160cm土层（表3）。各河段CO2－3含量很小，DSB段最大，WSA次之，SOS段0—200cm土壤全剖面无CO2－3，并且在任何土层差异均不显著。各河段HCO－3的垂直变化较一致，只有在120—140cm层WSA显著小于其他河段、160—180cm层DS段显著大于SOS段。

DS段曾有水流，河流断流以后，植被趋于简单，地下水位降低，土壤含盐量低。该段土壤中速效磷和速效钾含量显著大于其它河段，可能是由于植被少，对磷和钾的吸收少。SOS段有泉水溢出，土壤水分条件较好，岸边植被生长也较好。沙漠—河岸过渡带地势相对河床较高，土壤含盐量较低。WSA段水分条件好，植被生长好，枯枝落叶对土壤有机物质的贡献大，所以该河段河岸土壤有机质含量较高，全氮含量也较高。该河段地势平坦，沙漠—河岸过渡带宽阔，地下水位高，水溶性盐分随水分蒸发表聚现象明显，土壤盐分含量高。DSB断位于民勤绿洲盆地，在河流干涸以前，这里地下水位浅，生长一些水生植物，土壤发育程度较高，养分含量也较高。由于地处石羊河下游，上游带来的盐分聚集于此，再加上盐分随水分蒸发的表聚，所以土壤含盐量高。河流干涸以后，植被退化，生态环境恶化，风沙活动频繁，土壤表层又覆有一层沙物质，使土壤发育常处于复幼状态，所以该河段土壤养分和盐分含量表层低下层高，并且下层盐分含量显著高于其他河段。