黑河下游荒漠河岸地带土壤水盐和养分的空间分布特征

张晓龙 ，周继华，来利明，姜联合，郑元润*，史利江

1. 山西财经大学资源环境学院，山西 太原 030006；2. 中国科学院植物研究所，北京 100093

干旱区内陆河流域荒漠河岸地带作为荒漠生态系统重要的组成部分，在维持生物多样性、绿洲农业生产以及提供关键的生态系统服务等方面起着至关重要的作用（Zhu et al.，2016）。在荒漠河岸地带，土壤不仅通过某些物理性状影响着植物生长，并在一定程度上影响着养分和盐分等物质的循环与转化（韩路等，2010；Fan et al.，2018）。研究表明，土壤理化性质的空间异质性可能是荒漠河岸植物适应策略和植被分布格局形成的重要驱动力（Ding et al.，2017)，尤其是土壤盐渍化，土壤中大量盐分积聚改变了植物生长环境，严重制约着荒漠河岸植物的生长和分布，最终导致生态系统退化（Hao et al.，2010；郄亚栋等，2018）。因此，加强荒漠河岸带土壤理化属性变化特征研究，对区域生态环境改善和退化生态系统恢复与重建具有重要意义。

黑河流域作为中国西北内陆典型的干旱区内陆河流域，其自然环境、人类活动与流域水文的相互影响具有良好的典型性和广泛的代表性（程国栋等，2014）。2000年以来，随着黑河下游生态应急输水工程的实施，下游沿河地带和额济纳绿洲地下水位逐年回升，生态输水工程对荒漠河岸影响可达2000 m（司建华等，2005；Zeng et al.，2016）。受生态输水工程的影响，额济纳绿洲地下水埋深基本保持在3 m左右，且年际变化较小（Fu et al.，2014）。该地区稳定的地下水水位提升，大大缓解了河岸植被和土壤的退化（Zhu et al.，2016；Zhang et al.，2018）。近些年关于黑河下游土壤属性的研究，多集中在土壤盐分特征及分布格局（高进长等，2012；赵玉等，2017）、地下水变化对土壤盐分的影响（贾艳红等，2008）、土壤盐分变化对植被变化的影响（鱼腾飞等，2012）等方面。在当前水文环境条件下，黑河下游荒漠河岸沿河梯度上土壤水盐和养分具有哪些特点？土壤因子之间内在作用规律如何，以及在垂直方向上的变化规律如何？这些问题尚未得到很好阐释。

本文通过对黑河下游额济纳绿洲沿河不同距离的土壤含水量、土壤容重、土壤pH和电导率以及碳、氮、磷、钾等养分的研究，探讨土壤水盐和养分在垂直和水平方向的变化特征，有助于理解当前环境条件下荒漠河岸土壤理化属性的变化规律，也为荒漠生态系统土壤恢复和管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究地点位于黑河下游额济纳绿洲乌兰图格嘎渣，地理坐标范围为42°6′0″－42°7′0″N，100°59′0″－101°3′0″E，地势起伏小，海拔 921－925 m（Zhang et al.，2018）。该地区属于典型温带大陆性气候，年平均气温 8.57 ℃，≥0 ℃的有效积温在 3500－4000 ℃；气候极端干燥，年降水量30－40 mm，降水集中在 7－9月之间，占到全年降水量的 75%以上，地表蒸发旺盛，蒸发量是降水量的100倍以上（Fu et al.，2014；Zhang et al.，2018）。河流补给的地下水是维持该地区生态环境稳定的主要水分来源。受河流补给地下水的影响，植被沿河梯度分布明显，随着沿河距离的增加由河岸森林植被向荒漠灌丛更替（Zhu et al.，2014）。该地区土壤发育受母质影响明显，主要由地带性灰棕漠土和非地带性绿洲土组成，随着沿河距离的增加由壤质砂土向砂土过渡（刘蔚等，2008）。

表1 黑河下游荒漠河岸地带样地基本信息Table 1 Information of sampling sites in the desert riparian zone of the downstream Heihe River

1.2 试验设计和数据收集

野外采样于2015年8月初进行，调查样地设置在黑河下游额济纳乌兰图格嘎渣沿河自然分布的柽柳（Tamarix ramosissima）林内，采样期间未发生有效降水。由于固定生态输水工程，洪水事件主要出现在距河道100 m范围内（Ding et al.，2017）。为减少洪水和人为活动干扰，在海拔、土地利用、坡度等因子基本一致的环境条件下，大致以500 m为间隔，在垂直于河道约300、800、1300、2200、2450、2700、2950、3200、3700、4000和4500 m的的距离上布设采样点11个。在灌-草类型样地，每个样地设置5 m×5 m的灌木样方3个，在灌木样方四角布设1 m×1 m的草本样方；在草本类型样地，布设1 m×1 m的草本样方3个，沿河地带共设置灌木样方30个，草本样方63个，并记录地理坐标、地形、海拔、土地利用状况以及植物群落特征等基本属性（表1）。其中距河1800 m左右受一定程度的人为干扰，故未计算在内。在与植物群落相对应的样地内，采集 0－10、10－20、20－30、30－40、40－50 cm土壤，去除石头和凋落物等地表杂质后，将采集的新鲜土壤样品储存在冰盒中带回实验室，每个样地3个重复。

1.3 土壤理化属性分析

采用烘干法和环刀法测定土壤含水量和土壤容重，其余土壤样品经自然风干后过2 mm筛，测定化学属性。土壤pH采用酸度计法测定，土壤电导率采用电导仪法测定。土壤总碳、土壤总氮使用C/H/N元素分析仪（Vario EL III，Hanau，Germany）测定，土壤速效磷和土壤速效钾分别采用紫外可见分光光度计（UV-2550，Shimadzu，Janpan）和电感耦合等离子体发射光谱仪（iCAP 6300，Thermo Scientific，USA）测定（Zhang et al.，2018）。

1.4 数据统计分析

在数据分析过程中，运用SPSS 18.0（SPSS，Chicago，USA）进行统计分析，采用单因素方差分析对荒漠河岸沿河不同样地土层土壤水盐和养分属性进行差异显著性检验（P＜0.05），通过LSD检验进行多重比较；利用Pearson相关系数分析土壤水盐和土壤养分的关系，显著性水平P＜0.05。

2 结果与分析

2.1 下游河岸地带土壤水分和盐碱的变化

在沿河梯度上，植物群落由河岸多枝柽柳（Tamarix ramosissima）群落向戈壁红砂（Reaumuria songarica）群落过渡，群落物种数和盖度在1300 m处达到最大（表1）。在0－50 cm土层，土壤含水量、土壤容重、土壤pH、土壤电导率、土壤总碳、土壤总氮、土壤速效磷和土壤速效钾在不同样地间均有显著差异（表2和图1），土壤含水量变化范围为0.21%－30.61%，土壤容重变化范围为0.86－1.95 g·cm-3，土壤pH变化范围为7.99－9.72，土壤电导率变化范围为0.14－72.9 ms·cm-1，土壤总碳变化范围为2.71－36.4 mg·g-1，土壤总氮变化范围为0.05－2.19 mg·g-1，土壤速效磷变化范围为 1.62－22.33 mg·kg-1，土壤速效钾变化范围为 42.36－1521.88 mg·kg-1（表 2）。

在沿河梯度上，土壤含水量和土壤容重垂直分异上总体表现为从表层向下逐渐增加趋势（表3）。随着沿河距离的增加，土壤含水量均值（0－50 cm）大体表现为下降的变化趋势，在300 m和2950 m处达到峰值，分别为 26.57%和 8.72%（图 1），0－10、10－20、20－30、30－40、40－50 cm 土壤含水量与土壤含水量均值（0－50 cm）变化趋势相一致（表3）；而土壤容重均值（0－50 cm）大体呈波动上升趋势，在4500 m处达到最大，为1.73 g·cm-3（图1），0－10 cm土壤容重有增加的趋势，且随着土层的加深，增加的趋势越明显（表3）。

随着沿河距离的增加，土壤pH均值（0－50 cm）呈凹型变化趋势，在距河岸300－800 m和4000－4500 m处达到峰值，分别为9.21－9.24和8.73－9.18（图1）；表层（0－10 cm）土壤pH变化差异显著，但波动较大，10－50 cm各层土壤pH与土壤pH均值（0－50 cm）变化趋势相一致（图1和表3）。土壤电导率均值（0－50 cm）呈凸型变化趋势，在2200－3200 m 处达到峰值，为 5.69－14.92 ms·cm-1（图1），0－50 cm各层土壤电导率与土壤电导率均值（0－50 cm）变化趋势大体一致，表层（0－10 cm）变化趋势最为明显，随着土层的加深，趋势趋向平缓，且0－10 cm土层高于10－50 cm各层，盐分表聚现象明显（表3）。

2.2 下游河岸地带土壤养分的变化

在黑河下游沿河梯度（约300－4500 m）上，土壤养分大体表现为0－10 cm土壤养分整体高于10－50 cm各层（表4）。随着沿河距离的增加，土壤总碳均值（0－50 cm）呈显著下降变化趋势，在4000－4500 m处值最小，为5.71 mg·g-1（图1），0－10 cm土壤总碳与土壤总碳均值（0－50 cm）变化趋势相一致，且随着土层的加深，土壤总碳下降的趋势趋于平缓（表 4）。随着沿河距离的增加，土壤总氮均值（0－50 cm）大体呈下降变化趋势，在4000－4500 m处值最小，为0.11 mg·g-1（图1），0－10 cm土壤总氮呈显著下降趋势，而10－50 cm各层土壤总氮则呈先下降后上升又下降的变化趋势（表4）。

在沿河梯度（约300－4500 m）上，土壤速效磷均值（0－50 cm）随着沿河距离的增加呈下降变化趋势，在4500 m处达到最小，为2.81 mg·kg-1（图1），0－50 cm各层土壤速效磷与土壤速效磷均值（0－50 cm）变化趋势大体一致（表4）。随着沿河距离的增加，土壤速效钾均值（0－50 cm）大体呈波动下降趋势，在距河3200－4500 m之间迅速下降，在4500 m处达到最小，为73.76 mg·kg-1（图1）。随着沿河距离的增加，0－10 cm土壤速效磷在2200 m处达到最大值后又波动下降，10－40 cm各层土壤速效磷在800－1300 m处达到最大值后又波动下降（表4）。

表2 黑河下游荒漠河岸地带土壤水盐和养分因子（0－50 cm）的方差分析Table 2 One-Way ANOVA of soil water-salt and nutrient factors (0-50 cm) in the desert riparian zone of the downstream Heihe River

2.3 土壤因子之间的关系

在沿河梯度上，土壤含水量与土壤总碳、土壤总氮、土壤速效磷和土壤速效钾呈显著正相关（P＜0.05），而土壤容重与土壤总碳、土壤总氮、土壤速效磷和土壤速效钾呈显著负相关，且土壤容重与土壤含水量、土壤电导率呈显著负相关（表5）。土壤电导率与土壤pH呈显著负相关，而土壤电导率与土壤速效钾呈显著正相关。土壤总碳与土壤总氮、土壤速效钾呈显著正相关，土壤总氮与土壤速效磷、土壤速效钾呈显著正相关（表5）。

图1 黑河下游沿河土壤水盐和盐分因子（0－50 cm）的变化趋势Fig. 1 Changes of soil water-salt and nutrient factors (0-50 cm) along river in the lower reaches of Heihe River

3 讨论

本研究聚焦于干旱区内陆河流域下游极端干旱荒漠河岸地带土壤水盐和养分的变化特征。有研究表明，在荒漠河岸地带，河水是荒漠河岸景观发生过程的主要驱动力，与地下水相互作用共同决定着河岸生态系统的结构和功能（Tamea et al.，2009；Stromberg et al.，2013）。本研究结果显示在沿河梯度上，土壤含水量水平分异明显，土壤含水量随沿河距离增加呈显著下降趋势（表 3）。由于洪水影响范围有限以及极端干旱气候（年降水30－40 mm）（刘蔚等，2008；Ding et al.，2017），土壤含水量变化可能主要是受土壤性状和地下水作用的影响。在下游近河道绿洲地带1.8 m深度土壤质地以壤质砂土为主（刘蔚等，2008），持水能力相对较好，地下水可能通过土壤毛孔吸力上升约1 m左右，而该区域地下水埋深约为 1.05－2.6 m（周洪华等，2012；Zhang et al.，2018），植被盖度较高，从而导致近河区域表层土壤含水量较大。随着沿河距离的增加，植物群落盖度降低（表1），土壤容重呈波动上升趋势，地下水埋深逐渐增加（Fu et al.，2014；Zhang et al.，2018），土壤质地逐渐转变为以砂土为主，而在砂土中地下水仅能通过土壤毛孔吸力上升73 cm左右（冯起，1998），地下水很难通过土壤毛孔吸力上升到表层土壤，这可能导致土壤含水量显著低于河岸地带（表3和图1）。同时，沿河梯度上近地面水分可能存在水平运动现象（张勃等，2007），进而形成土壤水分沿河逐渐降低的水平变化趋势。另外，本研究结果表明，土壤含水量在距河2950 m处达到相对较大值，这可能与“柽柳-花花柴（Karelinia caspia）”灌草组合有一定关系，多枝柽柳以深层土壤水和地下水为主，多枝柽柳根系通过水力提升作用将深层水分带到中浅层土壤以满足浅根草本植物生长，相对于距河 4 km以外戈壁地区，地下水可能通过土壤毛孔吸力对中浅层土壤有一定的影响，这些因素可能导致该区域土壤含水量有所回升。在沿河梯度上，土壤含水量垂直分异总体表现为从表层向下逐渐升高趋势（表3），与黑河中游荒漠绿洲地区（张勃等，2007）、民勤荒漠绿洲（张凯等，2011）等研究结果相类似，这可能是由于地下水波动引起的（Tamea et al.，2009；Hao et al.，2010）。也有研究表明，荒漠河岸地带随着沿河距离增加，地下水埋深增加，植被发育较差，有机质输入减少，促使土壤容重增加（韩路等，2010），较高的土壤容重往往导致土壤保水能力降低，可能加剧干旱区表层土壤的干旱程度（Stirzaker et al.，1996；Ravi et al.，2010），这些研究结果符合本文中土壤含水量与土壤容重呈显著负相关的分析结果（表 5），在一定程度上说明了干旱区内陆河下游荒漠河岸地带土壤物理属性可能受地下水变化的制约（贾艳红等，2008；Zhou et al.，2010）。

表4 黑河下游沿河样地不同土层的养分因子Table 4 Soil nutrient factors in different soil layers along river in the lower reaches of Heihe River

表5 土壤水盐因子和养分因子之间的关系Table 5 Relationships between soil water-salt factors and soil nutrient factors

在黑河下游，额济纳绿洲成土过程受地下水影响较大，有一定的盐碱化（刘蔚等，2008；鱼腾飞等，2012）。本研究结果表明，该地区土壤pH变化范围为7.99－9.72，随着沿河距离增加，土壤pH值大体呈凹型变化趋势，在距河岸300－800 m和4000－4500 m处达到峰值，而土壤电导率随沿河距离变化趋势与土壤pH变化趋势相反，盐分表聚强烈（表 3），这可能受生物和非生物因素的共同影响。在距河2200－3200 m处，较低的植被盖度和强烈的土壤蒸发加剧了盐分在土壤表层的集聚，这可能是导致该区域土壤电导率较高的主要原因。在靠近河道的样地（300－800 m），如样地S1和S2，植物群落发育良好，植被盖度可达75%以上，地表蒸发的降低减缓了土壤表层盐分的积累，脱盐交换作用和藜科植物的碱化作用可能降低样地土壤电导率，提高土壤pH值（Zhang et al.，2018）。土壤表层高pH值对胡杨（Populus euphratica）、多枝柽柳等深根性植物影响有限，主要限制草本植物生长，这可能是造成物种丰富度和盖度最大值出现在距河约1300 m处而不是离河最近区域的主要原因（表1）。随着沿河距离增加，植被盖度逐渐下降，裸露地表蒸发量未降低，如样地S10和S11（4000－4500 m），土壤电导率急剧下降，而土壤pH值有所升高，这可能是由于该区域土壤主要为砂土，地下水埋深在3 m以上，很难到达表层土壤，减少了盐分在土壤表层的积累，且土壤母质促进了碱化土的形成。

在沿河梯度上，土壤总碳、土壤总氮、土壤速效磷和土壤速效钾随沿河距离增加呈显著下降趋势（图1和表4），这可能是受到与地下水相关的生物和非生物因素共同作用的影响。在近河区域，良好的土壤水分和植被条件利于土壤的发育，土壤水分条件恶化导致植物群落物种丰富度、生物量和盖度等群落属性变差（Hao et al.，2010；Wu et al.，2013），致使以水分调节为主导的植被-土壤生态交互作用减弱，从而引起土壤碳含量和氮含量的下降，符合文中土壤含水量与土壤总碳、土壤总氮、土壤速效磷和土壤速效钾呈显著正相关的分析结果（表 5）。此外，土壤水分的降低会增加有机质的分解，影响土壤净氮矿化，导致土壤中氮含量的损失，降低土壤氮含量（Jones et al.，2008）。土壤碳可以促进氮元素的供应，较好的土壤结构利于植物生长（Fan et al.，2018），较低的土壤碳含量会降低土壤中有效磷的含量（Celentano et al.，2017）。有研究表明，物种多样性能控制磷的流失，土壤磷含量的增加有利于提高群落多样性，这与本文中物种丰富度与土壤有效磷呈相同变化趋势的结果相一致，这意味着植物-土壤的反馈作用能够影响植物群落特征和土壤属性（Kardol et al.，2006）。在垂直剖面上，0－10 cm土壤养分整体高于10－50 cm各层（表 4），这可能是由于土壤表层生态交互作用较为强烈，随着土层深度增加，生态交互作用较差，有机质输入减少，导致土壤养分呈现出空间差异（杜改俊等，2015）。分析认为，土壤水盐和养分空间差异可能是水分、植被、成土母质过程共同作用的结果。这些结果有助于揭示干旱区内陆河流域荒漠河岸地带土壤水盐和养分的变化特征，但多个梯度的长期野外观测更有利于加深对荒漠河岸土壤水盐和养分变化机制的理解。

4 结论

在黑河下游荒漠河岸地带，在0－50 cm土层，土壤含水量、土壤容重、土壤 pH、土壤电导率、土壤总碳、土壤总氮、土壤速效磷和土壤速效钾在不同样地间均有显著差异（P＜0.05）。在沿河梯度水平上，土壤水分和土壤养分随着沿河距离增加呈显著下降趋势，而土壤容重呈相反的变化趋势，即随着水分条件恶化，土壤表层水分含量逐渐降低，持水能力和肥力下降、土壤趋于贫瘠化。土壤 pH值随着沿河距离的增加呈凹型变化趋势，而土壤电导率则大体呈凸型变化趋势，且土壤pH和电导率呈显著负相关，说明该区域土壤pH和电导率有较好的相关性。在土壤剖面水平上，土壤盐碱化程度较高，盐分表聚现象严重，随着土层的加深，土壤含水量和土壤容重呈增加趋势，而土壤盐碱和养分大体呈下降趋势。结合沿河土壤和植物群落变化特征，水分条件对黑河下游的荒漠河岸土壤水盐和养分产生直接或间接的影响，土壤退化可能引起植物群落衰退。