荒漠化地区土壤理化性质及其对胡杨林生长的影响

2018-06-15钟家骅管文轲霍艾迪刘德林何晓霞

水土保持研究 2018年4期

钟家骅, 管文轲, 易秀, 霍艾迪, 秦媛, 刘德林, 何晓霞

(1.长安大学旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室, 西安 710054; 2.新疆林业科学院, 乌鲁木齐 830002; 3.新疆塔里木胡杨林国家级自然保护区, 新疆库尔勒 841000)

在生态系统中，土壤作为陆地生态系统得以维持与正常运转的最基本载体，与植被相互依存。一方面，土壤水盐是荒漠区植被地下生境的关键因子，直接影响和制约着天然植被的发育[1]；另一方面，天然植被是抑制荒漠化过程及保护生物多样性的重要因素[2]。因此，土壤理化性质的空间分布特征及其与植被生长间的关系是开展恢复生态学研究的重点领域之一[3]。

胡杨(PopuluseuphraticaOliv.)，为杨柳科(Salicacece)杨属(populus)中的古地中海孑遗树种，主要分布于北纬30°～50°，亚洲中、西部荒漠区及地中海、北非和欧洲南部。塔里木盆地是胡杨林分布的主要区域，其面积约占全国胡杨林面积的比例为89.1%[4]，占世界胡杨林资源的54.3%[5]。近几十年来，随着人口增加与水、土资源的不断开发利用，塔里木河(简称塔河)中下游地区植被衰败，大片胡杨林死亡，沙漠化面积扩大，生态环境严重恶化，已成为制约流域社会经济和生态环境可持续发展的主要因素[6]。调查结果显示，塔里木胡杨自然保护区内胡杨林面积2007年为6.26万hm2，相比1973年减少了50%[7]。现有研究表明，土壤性状方面，在塔河中游，0—20 cm土层pH值在8.3～8.57，有机质在0.62%～1.72%，全盐量在0.45%～1.27%，受河水漫溢和植物根系的影响，盐分、pH值、养分等随土层深度增加而降低的规律不太明显，土壤含水量是影响干旱区植物生长的首要因子，土壤质地、全盐量、pH值是影响荒漠河岸林群落演替的主要因子[8]。中游地区胡杨林不同的演替阶段，胡杨幼龄、中龄、成熟和过熟林下土壤养分集中在0—20 cm土层，近熟林则集中在0—10 cm和地表以下20—40 cm土层；土壤有机质、碱解N、速效P、速效K质量分数随胡杨林演替过程先增加后降低[9]。而依据地下水位与植被发育状况，可将塔河中游河岸林分为河岸地带、过渡地带、荒漠地带3种生境，河岸地带与过渡地带植被盖度可达80%以上；在植被发育较差的荒漠地带土壤容重下降，盐分含量增加；水热组合合理的过渡地带土壤有机质、全磷、全钾最高[8]。塔河下游铁干里克绿洲荒漠过渡带，0—50 cm土层有机质在0.36%～0.84%，pH值7.79～8.82，土壤均呈碱性，且部分地区碱性较强，不同的监测区中植被优势种绝大部分为耐盐碱的灌木与草本植物[3]。类似的研究表明，阿其克苏河下游河岸带土壤为碱性，有机质在0.32%～2.77%，碱解氮和速效磷含量远低于土壤中有机质的含量；0—10 cm土层全盐量不高，均值为0.37%，最高可达0.76%；胡杨生长良好条件下0—10 cm土层有机质在0.8%～2.5%，全盐量在0.5%～0.7%[10]。在艾比湖湿地，土壤质地以粉砂质壤土与砂质壤土为主，土壤盐化程度高，多有碱化现象，胡杨疏林采样点0—20 cm土层含盐量达5%，有机质含量低，其空间变化说明河流促进沿岸植被生长，而对有机质积累起到积极作用[11]；全盐量为16.85%的土壤条件下，胡杨无法生长；土壤盐渍化抑制胡杨对养分的吸收，即使有机质含量较高，胡杨的生长亦会受抑制[12]。疏勒河下游，表层土壤含水量在0.8%～4.49%，全盐量在2.99%～23.75%，自中游向下游土壤水份减少，盐分增加，胡杨生长受到土壤水盐胁迫，是下游胡杨林矮小、空心、朽心的重要原因[1,13]。在渭干河—库车河三角洲绿洲，柽柳、盐穗木和芦苇是绿洲盐渍土上的优势植物，广泛分布于各种盐渍化生境，土壤盐分是土壤化学因子中影响植被分布的主要因子[14]。

植被的演替发育会随着土壤理化性质、水分、养分、地形等因素变化而呈现不同的生长特征。由于严酷的环境抑制了幼苗的萌发与存活，目前，研究区内胡杨林资源在种群结构上幼龄期个体较少，种群维持面临困难，拯救胡杨林行动迫在眉睫。目前对塔河中游不同植被发育条件下土壤理化性质及其与胡杨生长状况间对应关系的研究较少，本文以保护区为研究区域，研究胡杨林不同生长环境下土壤理化性质，了解土壤养分与盐分的动态变化及与胡杨林退化过程相互联系，为科学利用与保护塔河流域水土资源与胡杨林更新复壮提供理论依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

塔里木胡杨国家级自然保护区位于新疆巴音郭楞蒙古自治州，横跨尉犁与轮台县；地处塔克拉玛干大沙漠北缘，位于塔河中游英巴扎—喀尔曲尕段，以塔里木盆地内陆干旱区中的胡杨林荒漠生态系统为保护对象。保护区东西长109.7 km，南北宽47.1 km，总面积39.54万hm2，位于北纬40°55′—41°15′，东经84°15′—85°30′。保护区属温带大陆性平原区荒漠气候，区内年平均气温10.9℃，年日照时数为2 442～2 925 h，极端最低气温-25.5℃，气温年均日较差14.6℃，≥10℃积温4 125.3℃，无霜期180～224 d，年平均降雨量65.5 mm，年均蒸发量2 024 mm[8]，年平均风速1.8 m/s[9]，全年盛行东北风，其次为西南风，海拔高度912 m[9]，地面坡降约1/4 000[7]。植物组成以杨柳科、柽柳科、豆科、菊科、禾本科为主，土壤以胡杨林土、荒漠土、盐碱土和沙土为主[8]。该区草本植物主要有芦苇、胀果甘草、骆驼刺等，灌木主要以多枝柽柳、铃铛刺为主，胡杨为该区乔木层主要建群种[9]。

塔河自西向东横贯保护区全境，在区内的河段长度为162.2 km，区内常年性河流总长为310.2 km。塔河汛期在区内由于渗漏、两岸漫溢等消耗的水量为2.6～3.2亿m3，区内地下水的99.2%由地表水垂直入渗转化而来[15]。据2007年的遥感影像分析，保护区内胡杨林面积为6.26万hm2，旱生草地面积为16.61万hm2，水域面积为3.25万hm2，农田面积为1.1万hm2，盐碱地面积为7.55万hm2，沙漠面积达7.22万hm2[15]。

1.2 研究方法

1.2.1 样地设置与情况介绍采用实地考察、布设样地、植被调查、样品采集与试验分析等方法，研究在胡杨林不同生境下的土壤理化性质。2016年9月，时值塔河汛期，在塔里木胡杨国家级自然保护区内进行野外调查，将胡杨林群落的生境分为荒漠化区、过渡地带与河岸地带3种类型，所选5个样地呈南北向分布，位于塔河南岸的样地编号为；S1，S2和S3，编号从S1—S3依次靠近河岸；位于塔河北岸的样地编号为：N1，N2，N1接近河岸，N2距河岸较远。调查区内胡杨林生长情况，包括植被种类、生境、盖度等，主要植物种类有胡杨、灰杨、沙枣、枸杞、盐穗木、铃铛刺、骆驼刺、甘草等。不同样地植被调查状况详见表1。

表1 研究区不同区域植被生长状况

1.2.2 样品采集与测试方法依据胡杨林群落不同的生境类型在河道干流的南北两岸选取样地进行土壤样品采集，其中S1，S2，S3样地在塔河南岸，N1，N2样地在塔河北岸。样地规格为100 m×100 m正方形，每个样地内设置3个30 m×30 m的样方，每个样方内随机选取3个点，每个点采集0—20 cm厚表层土样，混合后用四分法取得1 kg左右,每个样地采得3个土壤混合样。样品经处理后进行各项指标的测定。碱解氮采用碱解—扩散法，速效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提钼锑抗比色法，速效钾采用NH4OAc浸提—火焰光度法，机械组成采用比重计法、pH值采用玻璃电极法、有机质采用重铬酸钾外加热法、含盐量采用残渣烘干法测定。

1.2.3 数据处理方法植物数量调查以盖度为主要指标，以所设置的样方中植被垂直投影面积占样方面积的比率求得。各项土壤理化指标经分析测试后，结果采用Excel 2007软件取平均值并作图表，统计分析采用DPS 7.05软件，运用单因素方差分析和多重比较进行各样地土壤指标的差异显著性检验，用典型相关分析提取典型变量分析两组变量间的关系。

2 结果与分析

2.1 土壤理化性质

2.1.1 土壤机械组成按美国制粒级划分，将土壤颗粒分为黏粒(≤0.002 mm)、粉粒(0.05～0.002 mm)和砂粒(2.0～0.05 mm)3大类别。研究区各样地的土壤中，砂粒含量在4.2%～80.5%，砂粒的径级组成主要是细砂(0.25～0.10 mm)和极细砂(0.10～0.05 mm)；粉粒含量在17.4%～88%，粉粒组成集中在0.05～0.01 mm粒径范围内；黏粒含量在2.1%～19.4%；从整体上看，研究区内土壤的机械组成以粉粒与极细砂为主。不同编号样地土壤质地如下，S1样地：粉土；S2样地：粉壤土；S3样地：粉壤土；N1样地：砂质壤土；N2样地：壤质砂土。土壤颗粒大小分布情况与土壤的质地详见表2。

表2 研究区不同区域的土壤颗粒分布

注：同行不同小写字母代表差异显著(p<0.05)，下表同。

2.1.2 土壤化学性质结果表明，保护区土壤的pH值范围在7.83～8.46，有机质含量范围在0.33%～0.80%，碱解氮含量范围在8.8～30.6 mg/kg，速效磷的含量在3.9～21.8 mg/kg，速效钾的含量在116～758 mg/kg。S3与N1样地的有机质含量最高，分别为0.8%与0.7%(表3)。

表3 研究区各样地土壤养分含量

研究区内地表以下0—20 cm土样中含盐量均大于0.4%，所含盐分以氯化物和硫酸盐为主，重碳酸根含量较低。编号为S3及N1的样地土壤盐渍化程度最高，地表土层含盐量>1.5%，详见表4。

2.2 胡杨林发育状况

研究区植被组成以旱生、盐生植物为优势物种，适宜在砂质土壤中生长。常见的林下植被有枸杞、盐穗木、铃铛刺、骆驼刺、甘草、芦苇、盐生草。各样地植被发育情况详见表5。

表4 研究区不同样地土壤盐分含量

表5 研究区不同区域植被盖度变化情况

2.3 典型相关分析

采用对指标分组并运用典型相关方法分析土壤性质(组1)与胡杨长势(组2)两组性状间的关系。所选基础变量包括：pH值(X1),有机质含量(X2,%),全盐量(X3,%),粉粒含量(X4,%),碱解氮(X5,mg/kg),速效磷(X6,mg/kg),钙(X7,mg/100 g),硫酸根(X8,mg/100 g),氯化物(X9,mg/100 g);胡杨高度(Y1,m),胡杨盖度(Y2,%)。从两组基础变量中分别提取具有最大相关系数的前两对典型变量U1，V1和U2，V2可较充分地概括样本信息，依据分析结果，前两对典型变量相关系数的统计检验达到极显著水平(p<0.01)。典型变量与基础变量间的换算系数详见表6。

表6 各组的典型变量系数

2.4 讨论

2.4.1 土壤质地与胡杨林发育状况通过对塔河两岸各样地土壤样品颗粒组成的分析，可得出不同立地条件下的胡杨林下土壤质地，这是土壤最基本的物理性状指标，直接影响土壤肥力与理化性质[15]。塔河水源受季节影响非常大，夏季冰雪融水大量下泄，整个流域水量激增，河水漫灌大片沿岸地区，将上游的泥沙沉积[5]，因此，在塔河流域两岸冲、洪积平原的分选沉积与河道北移等因素作用下，使塔河两岸非地带性分布的土壤质地变化较为复杂。由于洪水漫溢对河岸林土壤结构的影响，塔河中游形成较为黏重的土质[16]。在水分条件较好的河岸地带分布有粉质、砂质壤土，持水、蓄水和保肥能力较好，胡杨在此条件下生长最为良好；而植物亦可加速土壤形成过程，使粉粒、黏粒物质含量增加，根系亦起到固结沙粒作用[17]。随着与河岸的距离增加，风蚀分选过程使土壤细粒物质不断损失，粗粒物质相对增多[17-,20]，土壤质地转变为干燥的粉土、砂土，肥力贫瘠且温度变化剧烈，植被发育较差。

2.4.2 土壤养分和盐分与胡杨林发育状况塔河中游地区土壤养分总体状况为全氮、全磷含量偏低，全钾含量较高[5]。土壤水分是影响土壤性状的重要因素，也是干旱地区生态过程的主要驱动因子[21]。研究区内土壤总体较为贫瘠，土壤有机质与速效钾在水热条件较好的河岸地区含量最高，该区域内土壤质地为粉、砂质壤土，利于保水保肥；而较多的植物凋落物和较快的分解速度利于有机物质积累，由此为胡杨的生长提供了必需的养分。碱解氮、速效磷的含量较低，并未成为影响胡杨林发育演替的主要因素。研究表明，pH值与有机质、全氮、全磷、碱解氮、速效磷呈负相关[14]，表明土壤pH值大小直接影响土壤有机质的分解速度，进而影响土壤养分的有效性。研究区中植被条件较好的胡杨林地与胡杨—柽柳混交林地土壤pH值较低，为7.83～7.91；而有机质含量高，为0.70%～0.80%，土壤理化性质较优。当土壤表土层(0—20 cm)含盐量超过0.1%(石膏土壤为0.2%)，即可认为其发生了盐碱化[22]。研究区土壤积盐程度说明其普遍存在盐化现象，地表盐壳与盐霜广泛分布，考虑到区内有大面积棉花种植等农垦活动，这是原生与次生盐碱化共同作用的结果。河岸地带由于受到季节性洪水淹没和地下水沿河淡化带的影响，促使土壤脱盐过程的发生，降低了盐分过量积累对植被萌发与生长的抑制作用，因此该区域分布有较多胡杨实生幼苗和柽柳幼株。

2.4.3 土壤性质与胡杨长势的典型相关分析植物多样性与数量特征和土壤理化性质存在一定相关性，土壤理化性质的空间变异促使区域植物生长状况发生明显变化并影响群落演替，而植物的空间分布特征对土壤理化性质有明显改良作用[8]。在相关分析的第一对典型变量中，土壤酸碱度指标X1与胡杨高度指标Y1的系数最大，主要说明了土壤碱化程度与胡杨高度的负相关关系。第二对典型变量中，土壤指标X1与胡杨盖度指标Y2的系数最大，说明了土壤碱化程度与胡杨盖度的负相关关系。在土壤性质中，pH值是影响胡杨长势的主要因子，土壤碱化过程的前提是土壤中含有过多易溶性盐类，因此，在促进胡杨林更新复壮过程中，排盐是首要的，可以通过合理灌溉，保持适合的潜水位，防止次生盐碱化加剧，或通过适时引水漫灌排盐。其次，固沙、培肥、种植绿肥等措施逐渐改良土壤性质。

3 结论

(1) 研究区内土壤质地具有粉、砂质特征，塔河南岸土壤颗粒以粉粒为主，北岸则砂粒占优势。在粉土及砂土中胡杨发育不良甚至衰败，河岸辐射带分布的粉壤土或砂壤土更适合胡杨生长。

(2) 研究区内土壤养分贫瘠，有机质含量最高为0.8%，随着与河道距离的增加而迅速降低，肥力不足不利于改善植物根系生长的环境条件，抑制了胡杨林的更新复壮。

(3) 研究区土壤呈碱性(pH值7.5～8.5)，土壤盐分含量高，易溶盐组分以硫酸盐及氯化物为主，不同样地土壤理化性质指标存在显著性差异。区内土壤中盐分的积聚与较高的pH值是抑制胡杨萌发与生长的主要因素，土壤pH值低于8的地区适宜胡杨生长。

致谢：感谢新疆林业科学院为项目的野外调查和土壤样品采集提供全力支持。

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