科尔沁沙地不同生态系统土壤钾素分布特征分析

摘""要：为探究沙地不同生态系统土壤钾素的分布特征，采用农业化学常规方法与单因素方差分析法，分析科尔沁沙地森林、农田、草地和裸地生态系统土壤的全钾、速效钾含量。研究结果表明：土壤速效钾含量均随土层深度的增加逐渐减少，0～10 cm土层土壤速效钾含量从春季至秋季逐渐减少，森林土壤速效钾素含量最大；森林幼龄林林分生长可促进土壤钾素的积累，过熟龄林林分生长会抑制土壤钾素的积累；与裸地相比，农田、草地土壤全钾含量的最大值分别提高了61.82%、51.71%；随着植物的生长，森林、农田和草地生态系统土壤的钾素含量逐渐减少，裸地土壤的钾素含量随时间无明显变化。研究结果为沙地退化生态系统的恢复与治理提供理论依据。

关键词：沙地；土壤；生态系统；土壤全钾；土壤速效钾

中图分类号：S365 """"""""""""""""""""文献标志码：A """"""""""""""文章编号：1008-0562（2024）06-0719-07

Analysis on soil K distribution characteristics of different ecosystems

in Horqin sandy land

LEI Zeyong，"CHEN Wei^*， WANG Weining

（College of Environmental Science and Engineering，"Liaoning Technical University， Fuxin 123000，"China）

Abstract："In order to explore the distribution characteristics of soil potassium in different ecosystems of sandy land， the total potassium and available potassium contents of forest， farmland， grassland and bare land ecosystems in Horqin sandy land were analyzed by conventional agricultural chemistry method and one-way analysis of variance. The research results show that the soil available potassium content gradually decreases with the increase of soil depth， and the soil available potassium content in the 0-10 cm soil layer gradually decreases from spring to autumn， and the forest soil available potassium contentss the largest. The growth of young forest stands can promote the accumulation of soil potassium， while the growth of overmature forest stands will inhibit the accumulation of soil potassium. Compared with the bare land， the maximum total potassium content of farmland and grassland increase by 61.82% and 51.71%， respectively. With the growth of plants， the potassium content in the soil of forest， farmland and grassland ecosystem gradually decrease， and the potassium content of bare soil do not change significantly with time. The results of this study provide a theoretical basis for the restoration and management of degraded ecosystems in sandy land.

Key words： sandy land; soil; ecosystem; soil total potassium; soil available potassium

0 "引言

沙地广泛分布于中国北方干旱、半干旱、半湿润地区^[1]。由于稳定性较差、易受人为活动干扰，目前，全球大部分沙地生态系统已发生不同程度的退化^[2-3]。沙地综合治理是改善生态环境、促进社会经济发展的重要举措，抑制沙地土壤养分的流失是修复退化生态系统的关键。

土壤养分在时间上具有广泛的变异性^[4]，同时，植物在生长过程中从土壤中吸收养分^[5]，导致养分在土壤剖面上的分布也具有空间变异性^[6-9]。土壤钾素是生态系统的重要营养元素之一^[10]，钾离子不仅能促进植物的光合作用^[11-12]、调节细胞水势、改变气孔开闭状态、影响植物生长^[13]，还能增强植物对氮、磷的吸收、参与细胞渗透、调控气孔、增强有机酸代谢、提高植物的抗逆性^[14]。自然条件下，植物生长最初需要的钾素来源于含钾矿物的风化，土壤表层速效钾含量直接影响植物的生长状况^[15]。土壤钾素含量的高低可反映土壤的肥沃程度，因此分析钾素的表聚和层化特征是恢复或重建土壤退化生态系统植被的关键^[16]。

科尔沁沙地位于中国北方半干旱生态脆弱地区，包含草地、农田、林地等生态系统。科尔沁沙地地表植被覆盖率较低、水资源短缺、土壤沙粒含量高^[17]、养分贫瘠。针对该研究区土壤碳^[18]、氮^[19]、磷^[20]的变化情况及影响因素的研究较多，但对钾素的研究较少。为进一步促进各生态系统的健康管理，以该地的森林、农田、草地和裸地生态系统为研究对象，通过取样、测定和统计分析，研究沙地不同生态系统土壤钾素的分布特征，为沙地退化生态系统的恢复与治理提供理论支撑。

1 "研究区概况与方法

1.1 "研究区概况

研究区位于科尔沁沙地东南部的章古台镇（42°39′～42°43′N，122°29′～122°35′E），地形相对平坦，属于中温带大陆性气候。年均气温4.6 ℃～6.3 ℃，年均风速4.5 m/s，春季多大风、扬沙天气。年均生长期140"d，年均无霜期154"d，年均降水量约500"mm，年均蒸发量约1"750"mm，土壤类型主要为风沙土和流动风沙土，pH值约为6.7。代表性植物有中华委陵菜、中华隐子草、山杏、兴安胡枝子等^[17]。

1.2 nbsp;样地布设及试验材料

选取研究区生态环境条件基本一致的不同林龄的森林（幼龄林、中龄林、成熟林和过熟林），各取5块标准地，尺寸为20"m×30"m，各标准地的土层挖采深度主要根据植物细根集中的层次确定。对标准地进行林分调查，根据平均胸径、平均高、平均冠幅选定标准木。在距离选定的标准木1"m位置处挖取土壤剖面，长、宽、深均为1"m，在土壤剖面0～10"cm、10～20"cm、20～40"cm、40～60"cm、60～80"cm、80～100"cm深度处分别获取土样。在草地、农田分别选取3块标准地，尺寸为5"m×5"m，在标准地附近选取一定面积的裸地作对照。在草地和农田标准地内挖取土壤剖面，长、宽均为1"m，深为0.6"m，采用圆形钢制环刀分层获取原状土样品，其中，草地分层深度分别为0～10"cm、10～ ""20"cm、20～40"cm、40～60"cm，农田分层深度分别为0～10"cm、10～20"cm、20～40"cm，各土层重复取样3次。样品密封后带回实验室，去除土壤样品中的植物根系和石砾，于室温下风干，碾碎过筛，测定土壤全钾和速效钾含量。

1.3 "项目测定及数据分析方法

参考文献[21]土壤农业化学分析常规方法，分别采用NaOH熔融-火焰光度法、乙酸铵提取法测定土壤的全钾和速效钾含量。采用Excel2016和SPSS27.0软件统计分析数据，采用单因素方差分析法比较各指标差异。本文全钾、速效钾、钾素含量均用“平均值±标准差”表示。

2 "实验结果

2.1 "沙地不同生态系统土壤全钾分布特征

森林生态系统土壤的全钾含量见图1。由图1可知，森林土壤的全钾含量为（13.83±1.67）g/kg～（21.72±2.38）g/kg。同一土层不同林龄土壤的全钾含量存在明显差异。除40～60"cm土层外，其余各土层土壤的全钾含量均随林龄的增长呈先增加后减小的变化趋势。0～40"cm土层土壤的全钾含量从幼林至成熟林逐渐增加，成熟林的土壤全钾含量最高，过熟林的土壤全钾含量明显低于其他各林龄土壤。对于40～60"cm土层，中林龄土壤的全钾含量低于幼龄林，从中龄林至成熟林土壤的全钾含量逐渐增加，过熟林土壤的全钾含量明显低于成熟林，中龄林、成熟林、过熟林土壤的全钾含量随土层加深无明显变化。对于60～100"cm土层，从幼龄林至中龄林土壤的全钾含量逐渐增加，中龄林土壤的全钾含量最高，从中龄林至过熟林土壤的全钾含量逐渐减少，过熟林土壤的全钾含量明显低于其他林龄土壤，表明从幼林至成熟林的生长阶段，林分生长会增加土壤的全钾含量，过熟林的生长会导致土壤的全钾含量降低。随着土层深度的增大，幼龄林土壤的全钾含量呈先增加后减小的变化趋势。

草地生态系统土壤的全钾含量见图2。由图2可知，草地生态系统土壤的全钾含量为（31.20±0.02）g/kg～（34.83±0.09）g/kg，随着草本植物的生长土壤的全钾含量显著降低，表明草本植物的生长会消耗土壤中的钾素。其中，0～20"cm土层土壤的全钾含量在草本植物生长前期和生长期之间无明显变化，草本植物生长后期土壤的全钾含量显著降低；20～60"cm土层土壤的全钾含量随草本植物的生长逐渐减少，表明草本植物的生长会显著降低土壤的全钾含量。

农田生态系统土壤的全钾含量见图3。由图3可知，农田生态系统土壤的全钾含量为（28.40±0.12）g/kg～（32.73±0.008）g/kg，随着农作物的生长，同一土层土壤的全钾含量存在明显差异。农田种植前土壤的全钾含量明显高于农田生长中和农田收获后，随着农作物的成长、收获，各土层土壤的全钾含量均呈先减少后增加的变化趋势，表明农作物的生长会消耗大量的钾素，农作物收获后，钾素有一定程度的恢复。

裸地生态系统土壤的全钾含量见图4。由图4可知，裸地生态系统土壤的全钾含量为（19.49±0.09）g/kg～（21.21±0.29）g/kg，春季、夏季、秋季土壤的全钾含量均随土层深度的增加逐渐减少，0～10"cm土层土壤的全钾含量明显高于40～60"cm土层，各季节深层土壤的全钾含量无明显差异。

2.2 "沙地不同生态系统土壤速效钾分布特征

森林生态系统土壤的速效钾含量见图5。由图5可知，各林龄森林土壤的速效钾含量为（22.19±3.91）mg/kg～（48.29±4.25）mg/kg。相同林龄下，从表层到深层土壤的速效钾含量逐渐减少。土层深度超过40 cm后，土壤的速效钾含量变化较小，各林龄土壤的速效钾含量均在土壤表层0～10"cm深度处取得最大值。

草地生态系统土壤的速效钾含量见图6。由图6可知，草地生态系统土壤的速效钾含量为（31.08±0.32）mg/kg～（19.44±0.14）mg/kg。对于0～10"cm土层，草本植物生长前期与生长后期土壤的速效钾含量无明显差异，草本植物生长期土壤的速效钾含量最小，表明草本植物的生长会降低土壤表层的速效钾含量，草本植物生长结束后，土壤表层的速效钾含量得到了恢复。随着草本植物的生长，20～40 cm土层土壤的速效钾含量无明显差异。40～60 cm土层土壤的速效钾含量在草本植物生长前期明显高于生长后期。整体来看，土壤表层速效钾含量较高，在不同阶段，土壤的速效钾含量均随土层深度的增加明显降低。

农田生态系统土壤的速效钾含量见图7。由图7可知，农田生态系统土壤的速效钾含量为（23.31±0.09）mg/kg～（32.83±0.32）mg/kg，农作物种植前，各土层土壤的速效钾含量均显著高于农作物种植生长中以及收获后，10～40 cm土层农作物收获后土壤的速效钾含量并未恢复，仍在不断减少。在农作物种植前、生长中以及收获后，速效钾的含量均在土壤表层最高，且随土层深度的增加明显减少。

裸地生态系统土壤的速效钾含量见图8。由图8可知，裸地生态系统土壤的速效钾含量为（19.11±0.41）mg/kg～（20.14±0.002）mg/kg。0～10"cm土层土壤的速效钾含量明显高于20～60 cm土层，土层深度超过20 cm后，土壤的速效钾含量无明显差异。对于0～10"cm土层，春季与夏季土壤的速效钾含量基本相等，但均显著高于秋季土壤的速效钾含量，这是由于夏季降雨冲刷地表，导致0～10 cm土层中的部分速效钾流失。

3 "分析与讨论

3.1 "沙地不同生态系统土壤全钾特征分析

研究结果表明，森林的生长会显著影响土壤的全钾含量，其中，幼林至成熟林期间土壤的全钾含量逐渐积累，过熟林的生长会降低土壤的全钾含量。幼林生长阶段，林木生长速度较快，林下土壤表层的枯落物缓慢增多，钾素消耗较大。随着年龄的增加，森林生态系统枯落物量逐渐增大，养分归还土壤的速率加快^[22]，钾素逐渐积累。在过熟林时期，林分逐渐衰退，根系分泌物和地表枯落物减少，有机质分解减缓，导致同一土层深度下过熟林各土层土壤的全钾含量均显著低于成熟林^[20]。

由于植物生长需要大量的钾素参与，草地和农田生态系统土壤的全钾含量显著降低^[23]。但二者又存在一定的差异：草本植物不仅在生长期需要钾素，生长后期仍然会使钾素含量降低；而农作物收获后，土壤全钾得到一定程度的恢复。产生这种差异的原因是草本植物的根系为了第二年的繁殖，需继续吸收一定的钾素保持活力，而农作物收获后，其根系随即死亡分解，部分养分归还土壤，导致土壤全钾得到一定程度的恢复。

沙地矿物种类、风成沉积作用导致裸地表层钾素含量高于深层^[24-25]。除表层外，由于没有植物的生长吸收，土壤全钾移动性小且循环慢^[26]，导致各土层土壤的钾素含量在各个季节差异较小。

3.2 "沙地不同生态系统土壤速效钾特征分析

研究区域森林生态系统表层土壤的速效钾含量显著高于深层土壤。由于林分生长需吸收钾离子，因此，在植物根系土层需保持一定浓度的速效钾^[27]。大部分樟子松的根系分布于40 cm土层以上^[28]，土壤表层的速效钾含量高于深层，可保证樟子松充分吸收钾离子。钾的归还主要来源于地表枯落物的分解，森林生态系统中土壤钾素具有表层积聚效应^[10，29-30]，导致上层土壤养分富集、下层土壤养分贫乏^[31]。

草地和农田生态系统土壤的速效钾含量均随土层加深而显著降低，且草本植物在生长期会导致土壤表层的速效钾含量降低，生长结束后土壤的速效钾含量得到一定程度的恢复。钾是植物最重要的营养元素之一^[32]。在生长阶段，植物根系吸收钾素^[33]，且根尖吸收养分的能力较强，导致土壤的钾素含量发生变化^[34]。植被草本植物和农作物的大量细根均分布于表层，枯落物的分解归还也集中于表层土壤^[35-36]，导致速效钾含量随土层深度的增加而减少^[37-38]。裸地生态系统既没有农作物，也没有草本植物，集中于表层的生物分解归还和风成沉积作用导致土壤表层有效钾含量高于深层。在生长季节，由于表层土壤的部分有效钾随降雨淋溶下迁，导致表层土壤的速效钾含量减少，而10～20 cm土层土壤的速效钾含量略有升高。

3.3 "沙地不同生态系统土壤钾素分布差异分析

在森林、农田、草地和裸地生态系统中，植物根系的主要分布层（0～40"cm）内，全钾含量排序为草地＞农田＞裸地＞林地，速效钾含量排序为林地＞农田＞草地＞裸地，其中，与裸地相比，草地与农田全钾含量的最大值分别提高了61.82%、51.71%，林地各土层速效钾含量均显著高于裸地。科尔沁沙地生态系统森林生长周期较长，对土壤全钾的消耗较大，其中，过熟林土壤对全钾的消耗最大，草地和农田的全钾含量高于裸地，这是由于草本植物和农作物的种植对于土壤的全钾含量有一定的促进作用。研究表明，氮、磷、钾等营养元素在植物和土壤中不断循环、积累，有利于提高生态系统的稳定性^[39-41]，地表植物初级生产过程中营养元素逐渐积累^[42]，植物根系吸收环境中的养分，通过光合作用合成、储存、转化和利用有机物，又通过枯落物、死亡根系和根系分泌物的分解释放将养分归还土壤，在此过程中，包括钾素在内的养分缺乏均会影响生态系统的稳定性。森林的长期生长会导致土壤的钾素含量减少，由于草地和农作物的种植可增加土壤的全钾含量，因此，在科尔沁沙地进行农林混作或林草搭配是提高森林生态系统稳定性的有效途径。

4 "结论

（1）森林生态系统从幼林到成熟林期间，林分生长可促进土壤全钾积累，过熟林时期，林分生长会导致土壤全钾含量减少。

（2）各生态系统0～10"cm土层土壤的速效钾含量均最高，且表层显著高于深层。降雨会导致表层的有效钾含量发生淋失和向下迁移。

（3）农作物和草本植物由于枯落物、死亡根系及根系分泌物的分解与释放作用，能将全钾归还土壤，导致全钾含量不减反增。在科尔沁沙地进行农林混作或林草搭配是提高森林生态系统稳定性的有效途径。

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