新疆南疆绿洲－荒漠过渡带土壤盐分和养分的空间异质性

2018-05-18查向浩莫治新赵欣鑫李有文

江苏农业科学 2018年8期

查向浩，莫治新，林宁，赵欣鑫，李有文

（1.喀什大学化学与环境科学学院，新疆喀什844000；2.新疆生物类固废资源化工程技术中心，新疆喀什844000；3.西北师范大学地理与环境科学学院，甘肃兰州730070）

绿洲边缘到流动沙漠之间存在着一定面积的荒漠植被，这一分布在绿洲外围、把流动沙漠与绿洲分开的荒漠植被带即绿洲－荒漠过渡带［1］，过渡带荒漠植被的覆盖度低、群落结构单一、生态环境脆弱、气候干旱、降水稀少、蒸发量大、土壤贫瘠并容易出现盐碱化［2－3］。土壤盐分和养分是土壤两大重要的特性，不论在大尺度上还是在小尺度上，均存在明显的空间异质性［4－5］，土壤盐分和养分是影响植物群落生存和演替的主要因子。目前国内外学者已开展了许多有关土壤盐分和养分空间异质性的研究［6－8］，针对南疆土壤盐分和养分的空间分布研究集中在农田和果园［9－11］，而对南疆绿洲－荒漠过渡带的土壤属性研究较少。新疆幅员辽阔，土地资源丰富，但是新疆的土地受自然因素和气候条件的影响，普遍存在盐碱化和土壤贫瘠的现象［12］。本研究以南疆典型的生态脆弱带——绿洲－荒漠过渡带为研究对象，分析了过渡带胡杨（Populos euphraticu）土壤盐分和养分含量的变化规律和分布特征，旨在为研究乔灌木等沙漠耐旱、耐碱植物的生长和形成“肥岛”提供依据，对于合理改良绿洲－荒漠过渡带土壤、防风固沙、减缓沙漠化、增加土地的活力和动力也具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 区域概况

选择位于新疆塔克拉玛干沙漠西缘的胡杨林，以胡杨林绿洲－荒漠过渡带为中心设置1条环状样带（地理位置35°17′13″～39°30′09″N，80°14′11″～86°01′07″E）作为研究区域。胡杨种植区域气候极端干旱且风沙极大，年均降水量33.5 mm，年均蒸发量2 595.3 mm，年平均风速 1.9 m／s，最大风速可达 12.1 m／s，年平均气温 11.9℃，极端最高气温达41.9℃，无霜期160～170 d。

1.2 土样样品采集

2014年9月和2015年5月，分别在南疆沙漠－绿洲过渡带设置1条自南向北的采样带，以此过渡带为轴心向周围采样。选取长势一致、树龄相似的树体，按照等比例的随机抽样方法选取4个相对独立的林区，林区间隔约2 km，在每个区域内设置大小相等的50 m×50m典型样地，每个样地按照对角线布点法选取具有代表性、受人为干扰较小的3个剖面，每个采样点按上层（0～20 cm）、中层（20～40 cm）、下层（40～60 cm）3个深度自上而下分别采样，共采集48个样，混匀装入样品袋中，附上标签，在标签上标记采样点地理坐标、采样时间、采样植被类型。样品经自然风干，去沙砾、植物根系等异物，用木棍将样品压碎、研磨、过筛，保存待测定。

1.3 土样样品测试方法

分析项目包括土壤pH值、电导率（EC值）、土壤有机质（SOM）、全氮（TN）、全磷（TP）、全钾（TK）、速效磷（AP）、速效钾（AK）、碱解氮（AN）、土壤钙和镁（Ca2＋＋Mg2＋）、交换性钾和钠、碳酸根和重碳酸根以及土壤氯离子和硫酸根含量。采用电位法测定pH值；采用电导法测定EC值；采用重铬酸钾容量法测定SOM值；采用半微量凯氏定氮法测定TN值，在630 nm波长下比色测定；采用钼酸铵分光光度法测定TP值；采用1 mol／L NaNO3浸提－四苯硼钠比浊法测定TK值；采用0.5 mol／L NaHCO3浸提－钼锑抗比色法测定AP值；采用1 mol／L NH4Ac浸提－火焰光度法测定 AK值；采用碱解－扩散法测定AN值。采用乙二胺四乙酸（EDTA）滴定法测定土壤钙＋镁含量；采用火焰光度法测定土壤交换性钾、钠含量；采用双指示剂－中和滴定法测定土壤碳酸根和重碳酸根含量；采用硝酸银滴定法测定土壤氯离子含量；采用EDTA间接络合滴定法测定土壤硫酸根含量。

1.4 数据处理

采用Excel 2007和SPSS 17.0软件对数据进行统计分析，采用单因素方差分析（one－way ANOVA）和最小显著差异法（LSD）比较各数据间的差异，用Pearson相关系数评价土壤盐分和养分各因子间的相关关系。

1.5 土壤综合肥力指数计算

采用修正的内梅罗公式［13－14］计算土壤综合肥力指数。依据研究区森林土壤的性质，选择土壤pH值、有机质含量、碱解氮含量、速效磷含量、速效钾含量等5个养分因子对土壤肥力进行综合评价。根据相关研究，原始数据的标准化公式如下：

当土壤养分含量为ci≤xa（较差）时，

式中：Pi为土壤某养分的肥力系数；ci为该养分的实测值；x为该养分的分级标准，采用全国第二次土壤普查养分分级标准；xa、xc、xp依次为国家土壤三级、二级、一级标准值（表 1）。

采用修正后的内梅罗公式对土壤肥力状况进行评价，修正的内梅罗公式如下：

式中：P为评价土壤的综合肥力；为土壤各养分肥力系数的平均值；Pimin为土壤各养分肥力系数中的最小值；n为选定的评价土壤肥力的养分指标数量。

根据P值定量分析土壤的肥力。当P≥2.7时，表明土壤很肥沃；当1.8≤P＜2.7时，表明土壤肥沃；当0.9≤P＜18时，表明土壤肥力为中等；当P＜0.9时，表明土壤比较贫瘠。

表1 土壤各养分的分级标准值

2 结果与分析

2.1 土壤基本参数

由表2可以看出：土壤各层pH值均值＞8，盐离子以HCO3－、SO42－、Cl－、Ca2＋＋Mg2＋、K＋、Na＋为主，且 Na＋平均含量最高，根据李述刚等基于钠碱化度（ESP）对新疆土壤的分级方案［15］，测试本研究区土样属于碱土（ESP＞40%）。其中，HCO3－含量在 0.114～0.650 g／kg之间，SO42－含量在0039～1.082 g／kg之间，Cl－含量在 0.005～1.024 g／kg之间，Ca2＋＋Mg2＋含量在 0.073～1.671 g／kg之间，K＋含量在0～2.490 g／kg之间，Na＋含量在0.910～3.413 g／kg之间，土壤全盐量在 1.409～9.359 g／kg之间，电导率在 8.584～5 522.160μS／cm。由图1、表2可见，研究区垂直层面，土壤pH值、HCO3－、SO42－、Cl－含量表现为上层＞下层＞中层；Ca2＋＋Mg2＋、K＋、Na＋、全盐含量及电导率均表现为随采样深度增加而减小，即上层＞中层＞下层。总体而言，土壤pH值、各盐离子含量、全盐量及电导率均有随土壤深度增加而减小的趋势。

变异系数可以反映总体样品中各采样点的平均变异程度［16］。如表2所示，在土壤表层各项指标变异程度为电导率＞Cl－含量＞SO42－含量＞K＋含量＞Ca2＋＋Mg2＋含量＞HCO3－含量＞总盐含量＞Na＋含量＞pH值；中层变异程度为Cl－含量＞电导率＞K＋含量＞Ca2＋＋Mg2＋含量＞SO42－含量＞HCO3－含量＞总盐含量＞Na＋含量＞pH值；下层变异程度为K＋含量＞Cl－含量＞SO42－含量＞电导率＞Ca2＋＋Mg2＋含量＞HCO3－含量＞总盐含量＞Na＋含量＞pH值。总体而言，土壤样品之间HCO3－、总盐、Na＋含量和pH值含量差异较小，说明HCO3－、总盐、Na＋含量和pH值受外界影响比较小，空间分异相对不明显；而电导率、Cl－、SO42－、K＋和Ca2＋＋Mg2＋含量变异系数较大，且表层电导率、Cl－含量、SO42－含量，中层 Cl－含量、电导率、K＋含量和下层 K＋、Cl－含量变异系数均超过1，说明表层电导率、Cl－含量、SO42－含量，中层Cl－含量、电导率、K＋含量和下层 K＋、Cl－含量各指标量差异较大，空间分异相对明显。

2.2 土壤盐渍化程度分析

根据刘国华等的研究成果［17］，对本研究的土壤样品进行分类（表3）。研究地区土壤全盐量为1.409～9.359 g／kg，属于非盐渍化和轻度盐渍化范围。由表3可知，各层土壤均有轻度盐渍化，表层土壤盐渍化较严重，中层土壤次之，下层土壤盐渍化最轻。在任何土层，样品含盐量均不超过10.0 g／kg，未出现中度盐渍化、重度盐渍化和盐土的土样。总体来看，研究地区的土壤盐碱化程度并不严重，且呈现出随土壤深度增加，盐渍化减轻的趋势。

表2 不同层次土壤基本参数

表3 土壤各层各采样点盐渍化程度

表4 各盐分类型所占比例

2.3 土壤盐渍化类型分析

对土壤盐渍化进行划分［18－19］，由表4可知，研究地区的各个土层中（CO32－＋HCO3－）／（Cl－＋SO42－）（毫克当量比值）大于4的土样占16.7% ～76.9%，为纯苏打盐土，（CO2－＋

3HCO－）／（Cl－＋SO2－）（毫克当量比值）介于1～4之间的

34土样占比为23.1%～100.0%，表明上层土样以苏打盐土为主，中层土样全部为苏打盐渍化土，下层土样以纯苏打盐渍化土为主。仅在上层出现8.3%的土样（CO32－＋HCO3－）／（Cl－＋SO42－）（毫克当量比值）＜1，其余样品均出现（CO32－＋HCO－）／（Cl－＋SO2－）（毫克当量比值）＞1，说明盐分中碳

34酸盐和重碳酸盐最多。随着土样深度的增加，碳酸盐和重碳酸盐所占盐分比例先增大后减小。上层土样氯化物－硫酸盐盐渍化土占91.67%，硫酸盐盐渍化土占8.33%；中层土样氯化物－硫酸盐盐渍化土占38.46%，硫酸盐盐渍化土占6154%；下层土样氯化物－硫酸盐盐渍化土占30.77%，硫酸盐盐渍化土占69.23%。上层土样以氯化物－硫酸盐盐渍化土为主，中下层土样以硫酸盐盐渍化土为主，且随着土壤深度增加，氯化物－硫酸盐盐渍化土比例减少，这与Cl－、SO2－

4与土壤深度相关性大小有关。

2.4 土壤养分分析

由表5可见，土壤有机质含量在 0.023～0.654 g／kg之间，全氮含量为 0.045～0.517 g／kg，碱解氮含量在 0.007～0.080 g／kg之间，全磷含量为 0.003～0.008 g／kg，速效磷含量为0～0.006 g／kg，全钾含量为 3.079～20.240 g／kg，速效钾含量为0.051～1.492 g／kg。由图2、表5可见，土壤有机质含量平均值为下层＞中层＞上层；全氮平均含量为中层＞下层＞上层；碱解氮、速效钾和全钾的平均含量均为上层＞中层＞下层；全磷的平均含量为下层＞上层＞中层；速效磷的平均含量均为上层＞下层＞中层。由图1可知，pH值为中层＞下层＞上层；电导率为上层＞中层＞下层。总体而言，土壤垂直剖面上，各养分变化规律不一致。

变异系数可以反映各采样点的平均变异程度。研究区上层土壤各养分含量变异系数为有机质＞速效钾＞速效磷＞碱解氮＞全钾＞全氮＞全磷；中层土壤各养分含量变异系数为速效钾＞速效磷＞碱解氮＞有机质＞全钾＞全磷＞全氮；下层土壤各养分含量变异系数为速效钾＞速效磷＞碱解氮＞有机质＞全钾＞全氮＞全磷。总体而言，土壤全氮和全磷含量变异系数最小，说明土壤全氮和全磷含量在各层的分布相对较均匀；上层土壤有机质、速效钾和速效磷含量变异系数相对最大，均超过了0.5，中层和下层土壤速效钾、速效磷、碱解氮、有机质含量变异系数较大，介于0.5～1.0之间，说明上层土壤有机质、速效钾和速效磷含量及中下层土壤的速效钾、速效磷、碱解氮和有机质含量的空间分异相对明显。

表5 不同层次土壤营养成分统计特征

2.5 不同层次土壤肥力评价

2.5.1 单项指标的评价根据表5数据，参照表6可知，过渡带土壤各层大多数试点土壤有机质和全氮都呈现极缺状态；上层、中层土壤碱解氮缺，下层土壤碱解氮极缺；上层土壤速效磷处于缺水平，中层、下层土壤速效磷为极缺状态；速效钾在各层土壤中都属于丰等级。总体而言，南疆绿洲－荒漠过渡带土壤养分有机质、全氮、碱解氮和速效磷均处于缺或极缺水平。

2.5.2 土壤肥力综合评价由表7可知，上层土壤肥力系数最大，中层土壤肥力系数次之，下层土壤肥力系数最小，由此可见，研究区土壤肥力随土壤深度增加而下降。表层土壤肥力为中等水平，中层、下层土壤肥力处于贫瘠状态。

2.6 土壤盐分和养分之间的相关性分析

由表8可见，土壤肥力综合指数P与土壤总盐量呈极显著正相关；土壤pH值、电导率与土壤肥力综合指数P呈极显著正相关，土壤pH值、电导率分别与土壤总盐量呈显著正相关、极显著正相关；土壤盐分离子碳酸氢根、硫酸根、氯离子、镁合量、钠离子和钾离子含量分别与土壤肥力综合指数P呈极显著或显著正相关；土壤碱解氮、全钾和速效钾含量与土壤总盐含量呈极显著正相关，土壤有机质和有效磷含量分别与土壤总盐含量呈显著负相关和显著正相关，土壤全氮和全磷含量与总盐含量相关性一般。结合土壤肥力综合评价指标P，土壤较贫瘠，说明土壤越贫瘠其盐碱程度越严重，即增加土壤养分的含量有助于降低土壤盐碱化，这与前人基于阜康绿洲盐渍化特征与肥力相关性的研究结果［21］一致。

表6 土壤各养分的分级标准［20］

表7 不同层次土壤肥力综合评价

3 结论

南疆绿洲－荒漠过渡带土壤pH值、各盐离子含量、全盐量及电导率均有随土壤深度增加而减小的趋势。土壤样品之间HCO3－含量、总盐含量、Na＋含量、pH值变异系数较小；而电导率、Cl－含量、SO42－含量、K＋含量和 Ca2＋＋Mg2＋含量变异系数较大；研究地区的土壤盐碱化程度并不严重，且呈现出随土壤深度增加盐渍化减轻的趋势；上层土样以苏打盐土和氯化物－硫酸盐盐渍化土为主，中层土样以苏打盐渍化土和硫酸盐盐渍化土为主，下层土样以纯苏打盐渍化土和硫酸盐盐渍化土为主。土壤垂直剖面上各养分变化规律不一致；土壤全氮和全磷含量变异系数最小，上层土壤有机质、速效钾和速效磷含量的变异系数及中层、下层土壤速效钾、速效磷、碱解氮和有机质含量变异系数较大；南疆绿洲－荒漠过渡带土壤养分有机质、全氮、碱解氮和速效磷均处于缺或极缺水平；表层土壤肥力为中等水平，中层、下层土壤肥力处于贫瘠状态，且土壤肥力随土壤深度增加而减小；土壤肥力综合指数P与pH值、电导率和各盐分含量呈极显著或显著正相关；土壤总盐含量与电导率、碱解氮含量、全钾含量和速效钾含量呈极显著正相关，与pH值、有效磷含量和有机质含量呈显著正相关或显著负相关。