青土湖水面形成区土壤颗粒组成与化学特性变化

刘淑娟，袁宏波，李发明，刘开琳，万 翔

(甘肃省荒漠化防治重点实验室，甘肃民勤荒漠草地生态系统国家野外科学观测研究站，甘肃 兰州730070)

青土湖地处石羊河尾闾，在20 世纪初期区域水面积大约120 km2。随着流域人口增长和灌溉农业发展，青土湖水面积逐渐萎缩，1959 年完全干涸，仅残留东平湖、野麻湖、叶绿草湖、西硝池和东硝池等以“湖”命名的盐碱滩地，而且大部分已被流沙覆盖或垦殖［1］。至此开始，区域生态环境日趋恶化，风沙危害扩展、地下水位下降、地表植被衰退等成为该区的突出问题。为了促进区域生态系统恢复，自2010 年起以渠道输送的形式分年向青土湖注入生态用水，据统计，于2013 年最终形成了约15 km2的水面。那么，青土湖注水能否起到促进区域生态环境改善，增强区域生态功能，也成为了社会各界所关注的一个热点问题。

特定区域的土壤环境是土壤基质与周边环境共同作用形成的，因此土壤特征的变化可以反映区域环境条件变化。土壤颗粒组成可反映土壤结构、生产力及土壤退化过程特性，是沙漠化导致的生态系统功能改变的一个重要的测度指标［2-3］。土壤的粒径分布变化和差异常被用作分析和预测土壤性质的重要指标［4-6］，可以用来判断土地退化的强弱和发展强度［7］。土壤中的全氮、全磷、全钾直接关系到地表植被的生长及其分布，随着沙化程度的加重，养分呈下降趋势［8］，而土壤盐碱度变化直接影响区域的生态演替方向［9］。土壤颗粒组成和化学性状发生变化综合分析也可反映土壤沙漠化变化过程［10-15］。因此，可以将监测土壤粒度和化学性质变化作为评价“青土湖生态输水”工程实施后生态学效应的重要指标。由于生态逆转过程是一个长期的动态变化过程，研究某一特定区域土壤性状的生态逆转的变化特征，比较准确的方法是进行长期的定位动态监测，但这种方法需要的时间较长，并且代表性有限［16］。因此，本研究采用空间代替时间的方法，选取青土湖水面形成后同一时间距水面不同距离的土壤样品，对其颗粒组成、全氮、全磷、全钾等化学指标等进行比较分析，旨在阐明水面形成区土壤理化特征的空间分布规律，揭示水面形成后对土壤的影响，对于了解青土湖水面形成过程的生态效应具有重要参考意义。

1 研究区概况

青土湖位于腾格里沙漠西北缘，是石羊河尾闾海拔高度1 292 ～1 310 m。该区年平均气温为7．8 ℃，＞10 ℃的有效积温3 248．8 ℃·d;年平均降水量89．8 mm，且降水多集中于7 －9 月，占全年降水总量的73%，蒸发量超过2 644 mm，无霜期168 d［17］。研究区地理坐标为39°07'7．3″ －39°08'3．2″ N，103°37'53．0″－103°38'40．6″ E(图1)。研究区土壤以湖相沉积物为母质的砂土及壤质砂土为主，植被类型为典型的荒漠植被，主要植被类型为白刺群落(Nitraria tangutorum)和芦苇群落(Phragmites communis)，伴生灌木有黑果枸杞(Lycium ruthenicum)和盐爪爪(Kalidium foliatum);草本植物种类相对较丰富，主要有刺沙蓬(Salsola ruthenica)、驼蹄瓣(Zygophyllum fabago)、戟叶鹅绒藤(Cynanchum sibiricum)，猪毛菜(Salsola collina)、沙蓬(Agriophyllum squarrosum)、砂引草(Messerschmidia sibirica)、碟果虫实(Corispermum patelliforme)、砂蓝刺头(Echinops gmelinii)等。

2 研究方法

2．1 样地选择和样品采集

在青土湖输水两个周期后即青土湖水面形成后，对其周边区域环境要素进行实地调查。以水面为中心向水面外围延伸设置宽200 m 的调查样带，以距水面边缘0 m 开始，每隔50 m 分别设置植被调查样地，每个样地各设置2 ～3 个20 m ×20 m 灌木调查样方，相应的植被调查方法采用“S”形五点法进行土壤剖面取样，分0 －20、20 －40、40 －60 cm 共3 层取样，每层取3个重复样，样品分土壤粒度、水分样和养分、盐分样;将同一样地内同土层的土壤粒度、养分样各混成一个土样，充分混合后装入封口袋，密封带回实验室，经自然风干后用四分法取一定量样品，挑出石砾及可见凋落物和根系，用静电法去除植物碎片，过2 mm 筛，备用。调查的同时记录样地背景特征(经纬度、海拔、地貌特征、土壤类型、距水面中心的位置等)信息。

图1 研究区地理位置及观测样地位置图Fig．1 Location and site of studied position

2．2 样品测定

土壤粒度利用英国马尔文MS2000 激光粒度仪测定。土壤粒径划分采用，1978 年《中国土壤》［18］中的土壤质地分类方法，细粘粒(＜0．001 mm)、粗粘粒(0．001 ～0．005 mm)、细粉粒(0．005 ～0．01 mm)、粗粉粒(0．01 ～0．05 mm)、细砂粒(0．05 ～0．25 mm)和粗砂粒(0．25 ～2．0 mm)。土壤化学性质利用传统方法测定，分别采用、全氮(凯氏法消解，AA3 连续流动分析仪测定)、全钾(NaOH 熔融、火焰光度法)、交流测量法等方法进行。

2．3 数据统计分析

对所得试验数据用Excel 记录，求取平均值，进行数据分类和绘图，应用SPSS 18．0 统计分析软件进行观测数据的显著性检验和相关分析，采用Excel 2013制图。

3 结果与分析

3．1 土壤颗粒组成变化

从土壤颗粒组成来看，青土湖水面形成区域距离水面450 m 范围，0 －60 cm 土层土壤颗粒以砂粒为主，所占比例为54．54% ～96．22%，其次为粗粉粒、细粉粒、粗粘粒，而粘粒含量较少(图1)。从各组分的比例变化来看，随距水面距离的增大，呈现较一致的波动变化规律，主要表现为细粒物质(粗粉粒、细粉粒、粘粒)先增加后减少，粗粒物质(砂粒、粗砂粒)先减少后增加;距离水面100 ～200 m 之间为变化转折点，其中150 m 为变化峰值。从各组分变异程度来看，土壤颗粒变化最大为粗粉粒(变异系数达105．25% ～113．91%)，其次为细粉粒和粘粒(变异系数达56．33% ～86．29%)，粗砂粒变化最小(变异系数达40．17% ～77．00%)。距水面150 m 处的0 －20 cm 土层土壤粘粒是0 m 处的3．84 倍，粗砂粒和细砂粒减少了35．05% ～70．63%，而20 －40、40 －60 cm 土壤粘粒依次增加了2．43 倍和6．91 倍，粗砂粒和细砂粒则减少了12．62% ～89．28%。距水面150 m 处的0 －40 cm 土层土壤粗粉粒含量显著高于其他距离水面的粗粉粒含量(P ＜0．05)。在40 －60 cm 土层，距水面150 和300 m 处的土壤粗粉粒含量差异不显著(P ＞0．05)，但二者均显著高于其他距离水面的粗粉粒含量(P ＜0．05)。

土壤组分的变化主要受环境因素影响较大，研究区土壤组分变化主要受土壤湿度、区域风力影响，由于水面的形成使得水面外围一定范围内土壤水分增加，从而使土壤沉积细粒物质能力增加，也使土壤风蚀减弱，因此可能导致土壤细粒物质增加而粗粒物质减少。同时，土壤组分的形成也与成土母质关系密切，本研究水面形成区域土壤以湖积、淤积土和风沙为主，因此，较深层土壤(20 －40、40 －60 cm)的这种变化可能主要受湖积成土过程的影响，而表层(0－20 cm)则主要是人工输水水面形成的影响。

在所观测范围内，土壤全氮含量为0． 04 ～0． 45 g·kg－1，全磷含量范围为0．15 ～0．64 g·kg－1，全钾含量为13．9 ～15．9 g·kg－1，表明区域土壤养分水平低(图3);而电导率范围则为224 ～1 734 μs·cm－1，土壤电导率变化与土壤盐分含量存在正相关，可以用来指示土壤盐分变化［19-20］，说明土壤盐分含量较高，且差异较大。各指标含量随距离增加的变化趋势与土壤粘粉粒等细颗粒的变化趋势相同(图2、图3)。从各 层 次 的 变 化 来 看， 20 － 40 cm 层各指标变化相对较一致，与整体土壤化学特性变化一致，随距水面距离变化呈现增加－减少－增加的趋势，因此，20 －40 cm 层的土壤特性可代表区域土壤特征变化，而区域土壤变异则主要来自表层0 －20 cm 和下层40 －60 cm。从各指标的具体变化来看，在不同距离上各指标含量变化程度不一，土壤电导率变化差异最大，变异系数最大为258．74%，全氮、全磷含量变异值相当，其最大变异系数分别为64．42%、54．11%，全钾含量变异最小。

图2 青土湖距水面不同距离的0 －60 cm 土层土壤颗粒含量变化Fig．2 The distribution of different soil particle properties at 0 －60 cm from the water distance

图3 青土湖距水面不同距离的0 －60 cm 土层的氮、磷、钾和电导率变化Fig．3 The distribution of different soil chemical properties at 0 －60 cm from the water

3．2 土壤化学特征

距离水面450 m 范围内，随离水面距离的增加，0 －60 cm 土层全氮、全磷、全钾和电导率呈波动变化。在距0 －300 m 范围，全氮、全磷、全钾和电导率均呈现增加－减小－增加的一致性规律，且分别在150、300 m 处出现峰值，与此相对应的200 m 降为最低，300 m之后各指标变化不一(图3)。区域土壤养分指标值来看，20 －40 cm 土层土壤全氮、全磷、全钾指标均大于其他两层，但全钾的变化差异不明显;而电导率则表现出由表层到较深层次逐渐减小的特点。

整体来看，虽然研究区域为古湖盆淤积土，但由于长期干旱及风沙环境影响，区域土壤养分贫乏。区域土壤各指标变化可能受成土过程、风沙活动及目前的人工输水三方面的影响。由于原始湖面在变化过程中会产生由于水面扩展和退缩而导致区域土壤淤积形成圈层状变化，这是区域不同距离土壤特征变化的主导力量。输水水面形成对土壤特征的影响表现为两方面，一方面水面形成对近距离土壤产生淋溶作用［21-23］，比如距离水面0 m 电导率明显低于50 －150 m，就是由于盐分受水淋溶作用，而20 －40 cm 层土壤各指标略大于上层，则是由于下层富积;另一方面，水面形成减小了地表阻力，增强了水面外围一定范围的风速，使土壤风蚀程度加强，而风沙活动的影响主要作用在表层(0 －20 cm)。

3．3 土壤理化性质相关性分析

土壤沙漠化及其逆转过程中，土壤颗粒组成与土壤化学性质变化关系密切［24-25］，对青土湖水面形成区水面外围450 m 范围土壤粒度与化学性质各指标进行相关分析结果表明(表1)，区域土壤化学指标与粒度具有明确相关性，且土壤全磷、全钾、盐分(电导率)与土壤细颗粒(土壤粘粒、粗粉粒和细粉粒)含量具有较好的正相关，而与粗颗粒(粗砂粒和细砂粒)含量表现出明显的负相关关系。而这种相关性主要体现在0 －20 和20 －40 cm 两层。

从各层次具体指标之间相关性分析来看，0 －20 cm 土层，全磷和全钾与土壤粘粒、粗粉粒和细粉粒间极显著正相关(P ＜0．01)，与粗砂粒和细砂粒间呈极显著(P ＜0．01)或显著负相关(P ＜0．05)，而电导率与土壤粘粒、粗粉粒和细粉粒间具有一定相关性(P＞0．05)，全氮则相关性较小。20 －40 cm 土层，粗砂粒含量与全氮、全磷和全钾呈负相关(P ＞0．05)，与电导率呈显著负相关(P ＜0．05)。电导率与土壤粘粒、粗粉粒、细粉粒间显著正相关(P ＜0．05);土壤全磷与粗粉粒和细粉粒存在极显著正相关(P ＜0．01)，与粘粒呈显著正相关(P ＜0．05)，与细砂粒呈显著负相关(P ＜0．05);全钾与粗粉粒极显著正相关(P ＜0．01)。40 －60 cm 土层仅电导率与土壤粗砂粒呈显著负相关(P ＜0．05)。土壤化学特征与颗粒组成之间的变化关系说明，区域土壤养分变化受土壤颗粒组成变化影响明显，两者具有相同的变化趋势，在区域环境评价中可相互替代选择或相互验证。

表1 青土湖距水面450 m 范围0 －60 cm 深度土壤粒度与化学特性的相关性Table 1 The correlation among soil particles and soil chemical characteristics in 0 －60 cm depth of profile from 0 －450 m to the water margin of the Qingtu Lake

4 讨论与结论

1)青土湖水面形成区外围450 m 范围，土壤颗粒组成及土壤化学特征均随距水面边缘距离的变化呈现波动变化，且表现出一定的周期性规律，在150 m、300 m 处出现峰值，该结果与石羊河中下游的河流对地下水位的影响范围为130 －200 m 的观测结果相近［21］，而这一变化主要与青土湖区域成土过程相关。湖相沉积以悬移组分为主，以水面为起点呈波状变化［26］，因此湖泊环境沉积物往往会形成纹层;同时，在湖面扩展与退缩过程中，也会产生圈层状土壤沉积过程，而这是区域土壤特征波动变化的主要背景因素。地表形态及植被分布对这一波动变化也具有一定响应，在距离水面300 m 后，波动变化的规律性不再明显，主要与研究区300 m 外围多分布有白刺沙包，地貌形态及地表覆盖均发生明显变化有关。

2)区域土壤颗粒组成以粗颗粒物质为主，土壤细砂粒比例占绝对优势，区域整体土壤养分贫乏，盐分含量高，且差异较大，而这主要受区域干旱气候及风沙环境影响。在湖面形成过程中，水中泥沙携带的氮和磷等养分量可以占到养分总量90%以上［27］，受水的溶解运移作用，土壤养分随着细颗粒的不断在湖区富积，湖区土壤应以细物质为主，且富含养分。但由于区域湖泊干涸，加之干旱多风，原有的富含养分的细颗粒土壤易遭受强烈风蚀，而形成目前的现状。但在人工输水后，这一过程可以得到一定程度的逆转。

3)土壤颗粒组成与土壤养分相关分析表明，两者均可作为评价区域土壤物质或环境变化的指标，尤其是细颗粒含量的变化可作为衡量水面形成后土壤结构、肥力状况及退化土壤恢复程度的指标之一。

综合来看，青土湖水面形成区土壤特征主要受成土过程与区域干旱、多风的环境背景叠加作用造就了区域土壤的基本特性;而通过人工输水形成水面是青土湖退化的逆过程对区域土壤环境改善具有一定作用，且能缩短逆转过程。

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