黑河流域土壤理化性质分布特征

王建栋， 张志华， 杨喜田， 周子俊， 桑玉强， 石岳峰， 耿晓东

(1.河南农业大学林学院，河南 郑州 450002； 2.北京林业大学林学院，北京 100083；3.黄河水资源保护科学研究院，河南 郑州 450002)

土壤是生态系统中诸多生态过程 (如营养物质循环、水分平衡和凋落物分解等)的载体[1]。土壤理化性质作为控制植物生长发育的关键生态因子，是土壤的基本属性和本质特征，是决定土壤肥力和土壤质量的重要指标[2]。在不同的气候、母岩、地形、植被和人为干扰等诸多自然和人为因素的影响下，土壤理化性质的空间分布呈缀块型或梯度格局，从而使得土壤理化性质具有一定的随机性和相关性[2]。河岸带的生境变化将会引起河流生态系统的一系列变化, 土壤是反映河岸带变化的一个重要因素。因此，研究河流流域土壤理化性质具有重要意义。黑河流域作为中国西北地区仅次于塔里木河的第二大内陆流域，途径青海、甘肃及内蒙古，面积约为14.30万km2，具有复杂的景观类型，流域规模适中，社会生态环境问题突出，近年来一直是中国重点研究的内陆区域之一[3]。当前黑河流域土壤退化问题受到广泛关注[4],已有研究表明，土壤退化与土壤理化性质有很大的关系[5-6]。因此，对黑河流域土壤养分和理化性质分析，可以有助于了解该地区的土壤退化状况并对其进行改良。而且黑河流域的土壤理化性质分析还可以对黑河流域典型生态系统中生态-水文过程的参数数据库建设，建立用于模型发展和比较研究的不同时间和空间尺度的黑河流域特定的生态-水文数据集提供数据支持[7]。因此，研究黑河流域土壤理化性质特征，可以很好地了解该地区土壤形成过程、结构和功能，对土壤与植物关系、植被空间格局以及土壤侵蚀、土地利用变化、生态过程等的研究有借鉴作用。目前针对黑河流域的研究主要集中于土壤盐分分布特征﹑不同土地利用方式下土壤粒径的分布﹑土壤有机碳的分布及其与土壤理化性质的相关分析方面[8-12]。而且研究区域主要集中于黑河上游﹑中游和下游某一区段上，对黑河流域整体没有进行深入研究，具有一定的局限性。此外，关于黑河流域土壤理化性质分布特征的研究仍鲜有报道。因此，为了揭示黑河流域土壤理化性质分布特征及影响因素，本研究以黑河流域整体作为研究区域，深入探讨了黑河流域土壤理化性质特征，为黑河流域土壤退化、植被恢复与重建、土地的可持续利用等提供基础数据和科学理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

黑河为中国第二大内陆水系，位于37°41′～ 42°42′N，96°42′～102°00′E,发源于青海省祁连山区的冰川和积雪带，流经甘肃省进入内蒙古自治区额济纳旗，最终汇入东﹑西居延海，干流全长821 km，流域面积为14.29×104 km2。黑河出山口莺落峡以上的祁连山区为黑河流域的上游，海拔1 700～5 564 m，区域内多年平均气温-3.10～3.60 ℃，年蒸发量700 mm左右，年降水量300～600 mm，降水较充沛，局部地区年降水可达600 mm以上，是黑河流域水资源形成的源区。莺落峡至正义峡之间的区域为黑河流域的中游，主要有张掖盆地和酒泉盆地组成，海拔1 352～1 700 m，区域内多年平均气温5～8 ℃，年降水量100～250 mm，年蒸发量2 000～3 000 mm,中游绿洲光热资源丰富，无霜期短，日照数长，集中了全流域91%的人口﹑83%的用水量和95%的耕地，是黑河流域的精华；上游山区来水是流域内水资源主要来源，中游是黑河流域水资源的主要耗水区。正义峡以北的区域为黑河流域的下游，海拔912～1 249 m，年日照时间长达3 325.60～3 434.40 h，风大沙多。下游大部分地区为荒漠戈壁，年降水量低于50 mm，最少年份仅17 mm，气候极端干旱，是黑河流域严重缺水区和生态环境脆弱区[13-14]。

黑河流域的植被，垂直分布规律性明显，尤其是在上游祁连山区，表现为海拔4 000～4 500 m为高山垫状植被带，3 800～4 000 m为高山草甸植被带，3 200～3 800 m为高山灌丛草甸带，2 000～3 200 m为草原化荒漠带；而中下游广阔的戈壁荒漠区，分布着地带性的温带小灌木﹑半灌木荒漠植被；人工栽培的农作物和林网主要在绿洲地区；在下游三角洲主要荒漠植被是胡杨(Populuseuphratica)、梭梭(Haloxylonammodendron(C.A.Mey.)Bunge)、沙枣(ElaeagnusangustifoliaLinn.)、柽柳(TamarixchinensisLour.)等植物[14]。

1.2 数据来源与处理

1.2.1 数据来源 2018年8月份，沿黑河流域上游﹑中游及下游方向依次采样，在全段布置了27个样点。由于8和10号未调查，24及25号样点被临时军事管制，无法进入，故造成样品缺失。每个采样点布设3个(10×10)m2样方，作为重复。每个样方内沿对角线随机布设3个点，分别采集0～20 cm表层土，混匀后装袋。全流域内共采集到66个混合土样。采样地点如表1、图1所示。

表1 黑河流域样点分布Table 1 Distribution of soil samples in Heihe River basin

将采集的土壤供试样品烘干，并去除植物根系，过2 mm筛，以备机械组成、全碳、全氮和其他理化性质的测定。土壤机械组成测定采用甲种土壤比重计法；土壤pH值采用电位法测定(m(土)∶m(水)=1∶2.5)[2]；土壤电导率采用电导率仪测定；土壤全碳和全氮含量的测定采用vario MACRO cube元素分析仪测定[12]。

1.2.2 数据处理 本研究数据处理，数据相关分析与制图采用Microsoft Excel 2016和IBM statistics SPSS 21.0，数据用ANOVA方差分析，差异显著性采用Duncan多重比较。

2 结果与分析

2.1 黑河流域土壤密度、pH及电导率分布特征

黑河流域上、中、下游土壤密度、pH值及电导率测定结果如表2所示。由表2可知，土壤密度范围为0.98～1.75 g·cm-3，且黑河流域上游﹑中游及下游具有显著性差异，具体表现为下游>中游>上游，黑河下游土壤密度达到了1.66 g·cm-3。黑河流域土壤pH范围为7.51～9.41，平均值为8.52，整体呈碱性。黑河流域土壤pH具有显著差异性，上游pH显著小于中游和下游，中游和下游差异性不显著，土壤pH具体表现为下游>中游>上游。

土壤电导率范围为106.90～4 970.00 μS·cm-1，黑河流域土壤电导率具有显著差异性，具体表现为下游>中游>上游，下游最高达到了3 537.50 μS·cm-1。且研究区土壤电导率具有较大的空间异质性，上游土壤电导率范围为106.90～565.00 μS·cm-1，中游土壤电导率范围为109.20～3 900.00 μS·cm-1，下游土壤电导率为2 000.00～4 970.00 μS·cm-1。3个流域区段中，中游变异系数最大，最大达到了120.14%，属于强变异，上游和下游相对较小，分别为54.08%和35.79%，属于中等变异和低等变异。

Point#1为表1中1号样点，Point#2为表1中2号样点，依次类推。

表2 黑河流域土壤密度﹑pH及电导率Table 2 Statistical results of soil bulk density，pH and electrical conductivity in Heihe River basin

注：不同小写字母表示组间差异显著(P<0.05)。下同。

Notes: Different small letters in the same column indicate significant difference(P<0.05). The same as below.

2.2 黑河流域土壤机械组成分布特征

土壤颗粒组成指土壤中大小不同的各级土粒的比率，是影响土壤松紧度，通透性能以及肥力高低的基本因素，是反映土壤发育程度的标志之一。按照美国制将土壤颗粒粒级分为沙粒(2～0.05 mm)﹑粉粒(0.05～0.002 mm)和黏粒(<0.002 mm)3级。由表3可知，在黑河流域全流域，机械组成为：沙粒含量范围在6.67%～89.33%，粉粒含量范围在0.67%～70.0%，黏粒含量范围在7.33%～24.67%。沙粒含量表现为下游>中游>上游，粉粒含量表现为中游>上游>下游，黏粒含量表现为中游>上游>下游。沙粒含量在黑河流域土壤颗粒含量中占较大优势，为57.40%，其次为粉粒和黏粒，分别为26.13%和14.75%。各流域区段的平均沙粒和粉粒含量具有显著差异性(P<0.05)，黏粒含量在上、中、下游无显著差异性。在表3中，土壤沙粒含量与粉粒含量在中游变异系数较大，分别为42.53%和60.20%，属于中等变异，可能是因为中游属于农耕区，经常长期耕作灌溉的结果。

表3 黑河流域土壤机械组成Table 3 Statistical results of soil mechanical composition in Heihe River basin

表4 黑河流域土壤养分含量Table 4 Statistical results of soil nutrition content in Heihe River basin

2.3 黑河流域土壤全碳量与全氮量分布特征

由表4可知，黑河流域全碳含量在0.10～37.74 g·kg-1，平均含量为19.08 g·kg-1，变异系数为38.84%，属于低等变异。土壤全碳量在黑河流域上、中、下游具有显著差异性，下游含量显著小于上游和中游，且平均含量表现为上游>中游>下游。全氮含量范围在0.07～2.35 g·kg-1,平均含量为0.98 g·kg-1,根据全国第二次土壤普查养分分级标准，属于第四级水平，变异系数为55.10%，属于中等变异。土壤全氮量在黑河流域上、中、下游具有显著差异性，同全碳量一样，全氮平均含量表现为上游>中游>下游。

3 结论与讨论

本研究通过对黑河流域土壤理化性质分析，表明土壤密度在黑河流域上游﹑中游、下游具有显著性差异，具体表现为下游>中游>上游。土壤密度可以表征土壤的松紧程度及孔隙状况，反映土壤的透水性，通气性和植物根系生长的阻力状况，它是表征土壤物理的一个重要因素，土壤密度大即土壤存在着退化趋势，即密度值愈大，土壤退化愈为严重[16]。而且土壤密度越大, 总孔隙度越小[17]，这会引起下渗的水量减少, 地表径流量的增加,增大对土壤的冲刷, 加大径流对土壤的分离搬运能力[18]。通常上游的土壤未经搬运破坏，结构较差，而中、下游的土壤多为上游泥沙的冲积物，土壤结构疏松，孔隙度大，要好于上游的土壤结构。但是本研究发现研究结果与此不一致，可能是因为黑河中、上游相比于下游，植被更为丰富，植被生长状况良好，而植被根系作用对土壤密度会产生很大影响，同时植被凋落物的分解会增大土壤孔隙度，使得土壤密度减小，故中、上游的土壤结构会显著好于下游。土壤pH值表现为下游>中游>上游，且中游、下游与上游差异性显著。这可能是因为黑河流域上游为祁连山区,是干旱-半干旱气候, 降雨量相对最高，而中、下游降雨量较少。土壤电导率是反映土壤水溶性盐的一个重要指标， 土壤溶液含盐量与土壤电导率在一定范围内呈正相关，所以土壤电导率越大，含盐量越高[19]。土壤电导率表现为下游>中游>上游，且下游与上游、中游差异性显著。因此，可以看出黑河流域上游向下游含盐量逐步增高。本研究进一步分析认为，随着黑河流域海拔高度和降雨量的降低，中、上游的可溶性盐随着土壤的搬运逐渐聚集到下游，导致下游土壤含盐量增高。同时黑河中、下游蒸发量较大，地下水中的盐分随地下水的蒸发而源源不断地向地表迁移聚集, 形成地表盐壳[19],使得下游土壤含盐量更为加重。不仅如此，白福等[20]也从气候因素﹑土壤质地及结构因素﹑水文地质因素﹑水资源的不合理利用因素﹑地貌因素及土地弃耕等6个方面解释了下游土壤盐渍化的现象。

土壤机械组成是土壤稳定的自然属性之一, 决定着土壤物理、化学等特性，影响着土壤水分、空气、热量运动、养分的转化及土壤结构类型[21]。本研究发现，在黑河流域土壤沙粒、粉粒含量具有显著差异性 ，沙粒含量表现为下游>中游>上游，粉粒含量表现为上游>中游>下游，黏粒含量在不同梯度下无显著性差异。降雨是改变土壤颗粒组成的主要物理驱动力之一，因此降雨量的多少与机械组成的分布有着密不可分的关系，杨宇琼等[22]发现降雨量与土壤沙粒含量变化之间存在着正相关关系，但本研究研究结果显示，土壤机械组成与降雨量相关性不显著，这可能是受不同土地利用方式和人为活动共同作用的结果导致的。土壤全碳量和全氮量在不同梯度均具有显著性差异，都表现为上游和中游相对较高，下游较低。土壤有机质 (soil organic matter，SOM) 是土壤的重要组成部分, 是植物的养分来源和土壤微生物生命活动的能量来源[23]，而它又主要来源于植物凋落物，因此凋落物性质和数量是影响有机质积累的主要因素[24]。有研究表明土壤全氮量与土壤有机质含量呈极显著正相关[23],这也从侧面说明黑河流域中、上游植被状况较好。

通过在黑河流域土壤理化性质分析，我们可以看出黑河流域在上、中、下游的盐渍化和荒漠化程度及分布范围逐步增大，而且黑河下游土壤荒漠化和盐渍化更严重。具体原因可从以下方面解释：1)土地利用方式的改变。在黑河中、上游实施了一系列生态治理措施，如天然林封育﹑草地围栏封育，人工造林，黑土滩沙化治理等，这些工程的实施增加了上游和中游地区林地面积，而这些植被的土壤保持功能主要体现在防止水土流失方面，并且植被凋落物经过氧化分解会显著增加土壤有机质的含量[25]；2)在黑河下游区域，年降水量出现明显下降，且未来降水仍持续现在的变化趋势[26]，黑河流域年蒸发量远大于降水量，造成了黑河流域土壤盐碱的性质，年降水量降低的改变会进一步加剧这种趋势；3)中、上游过度开发水土资源的人为活动，导致了下游水量减少，并且下游牲畜数量增加，超出了其承载能力。此外，草场灌溉采用大水漫灌，甚至用盐水灌溉，造成了土地退化[27]。齐善忠等[28]认为，黑河流域生态环境的退化主要表现在土地荒漠化﹑水资源的变化﹑土壤盐渍化和植被退化等方面，人类不合理的经济活动是造成流域内环境退化的根本原因,并提出了禁止流域中上游地区过度利用水资源和限制直接汲取黑河干流水资源进行农田灌溉等建议。

本研究发现，土壤密度、pH值、电导率由黑河上游至黑河下游逐渐升高；沙粒含量在下游表现最高，粉粒含量在中游表现最高；全碳量、全氮量则由黑河上游至黑河下游逐渐降低。由于气候差异及人为不合理的利用土地，导致黑河从上游到下游，土壤荒漠化和盐渍化问题逐渐严重。为了更好地保护黑河流域生态环境，建议管理者们应根据不同的土壤及气候条件采取合适的发展及经营方向。首先，进一步在黑河中、上游实施封山育林、草地围栏等措施，减少人为因素干扰；在黑河下游采用轮封轮用方法进行草甸植被的恢复, 力争在水量充足的地段恢复芦苇沼泽草甸, 形成绿洲中的湿地生态系统以利于形成良好的水文生态过程[29]。其次，水资源应合理分配，保证植被在生长季节得到充足的供水。此外还应按照适地适树的原则，多种植一些耐旱耐碱的植被来保证下游绿洲系统的稳定。