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《草業科學雜志》2015年第十二期

摘要:

青土湖輸水作為石羊河流域治理的一項關鍵措施，對保護湖區水資源和生態環境具有重要意義。在距青土湖水面邊緣東南方向0－450m的10個樣點中分3層取0－60cm土樣，測定土壤粒徑的質量百分比與全氮、全磷、全鉀和電導率，分析青土湖水面形成后土壤顆粒組成與化學特性變化。結果表明，隨著離水面邊緣距離的增加，土壤顆粒與化學特性呈有規律的增減變化，土壤粘粉粒組成與其全磷、全鉀之間存在正線性相關。青土湖水面形成加劇了距水面邊緣0－150m處的土壤理化性質變化;土壤細粒及養分出現富集，分別在距水面邊緣100－150m和300m處達到最大值。因此，土壤養分與土壤細物質的良好相關性表明，土壤粘粉粒變化可作為反映該區域土壤性狀變化和評價衡量水面形成后土壤恢復程度的定量指標之一。

關鍵詞:

石羊河尾閭;水面形成區;土壤粒度;土壤化學性狀

青土湖地處石羊河尾閭，在20世紀初期區域水面積大約120km2。隨著流域人口增長和灌溉農業發展，青土湖水面積逐漸萎縮，1959年完全干涸，僅殘留東平湖、野麻湖、葉綠草湖、西硝池和東硝池等以“湖”命名的鹽堿灘地，而且大部分已被流沙覆蓋或墾殖［1］。至此開始，區域生態環境日趨惡化，風沙危害擴展、地下水位下降、地表植被衰退等成為該區的突出問題。為了促進區域生態系統恢復，自2010年起以渠道輸送的形式分年向青土湖注入生態用水，據統計，于2013年最終形成了約15km2的水面。那么，青土湖注水能否起到促進區域生態環境改善，增強區域生態功能，也成為了社會各界所關注的一個熱點問題。特定區域的土壤環境是土壤基質與周邊環境共同作用形成的，因此土壤特征的變化可以反映區域環境條件變化。土壤顆粒組成可反映土壤結構、生產力及土壤退化過程特性，是沙漠化導致的生態系統功能改變的一個重要的測度指標［2-3］。土壤的粒徑分布變化和差異常被用作分析和預測土壤性質的重要指標［4-6］，可以用來判斷土地退化的強弱和發展強度［7］。

土壤中的全氮、全磷、全鉀直接關系到地表植被的生長及其分布，隨著沙化程度的加重，養分呈下降趨勢［8］，而土壤鹽堿度變化直接影響區域的生態演替方向［9］。土壤顆粒組成和化學性狀發生變化綜合分析也可反映土壤沙漠化變化過程［10-15］。因此，可以將監測土壤粒度和化學性質變化作為評價“青土湖生態輸水”工程實施后生態學效應的重要指標。由于生態逆轉過程是一個長期的動態變化過程，研究某一特定區域土壤性狀的生態逆轉的變化特征，比較準確的方法是進行長期的定位動態監測，但這種方法需要的時間較長，并且代表性有限［16］。因此，本研究采用空間代替時間的方法，選取青土湖水面形成后同一時間距水面不同距離的土壤樣品，對其顆粒組成、全氮、全磷、全鉀等化學指標等進行比較分析，旨在闡明水面形成區土壤理化特征的空間分布規律，揭示水面形成后對土壤的影響，對于了解青土湖水面形成過程的生態效應具有重要參考意義。

1研究區概況

青土湖位于騰格里沙漠西北緣，是石羊河尾閭海拔高度1292～1310m。該區年平均氣溫為7．8℃，＞10℃的有效積溫3248．8℃•d;年平均降水量89．8mm，且降水多集中于7－9月，占全年降水總量的73%，蒸發量超過2644mm，無霜期168d［17］。研究區地理坐標為39°07'7．3″－39°08'3．2″N，103°37'53．0″－103°38'40．6″E(圖1)。研究區土壤以湖相沉積物為母質的砂土及壤質砂土為主，植被類型為典型的荒漠植被，主要植被類型為白刺群落(Nitrariatanguto-rum)和蘆葦群落(Phragmitescommunis)，伴生灌木有黑果枸杞(Lyciumruthenicum)和鹽爪爪(Kalidiumfolia-tum);草本植物種類相對較豐富，主要有刺沙蓬(Salsolaruthenica)、駝蹄瓣(Zygophyllumfabago)、戟葉鵝絨藤(Cynanchumsibiricum)，豬毛菜(Salsolacollina)、沙蓬(Agriophyllumsquarrosum)、砂引草(Messerschmidiasibir-ica)、碟果蟲實(Corispermumpatelliforme)、砂藍刺頭(Echinopsgmelinii)等。

2研究方法

2．1樣地選擇和樣品采集在青土湖輸水兩個周期后即青土湖水面形成后，對其周邊區域環境要素進行實地調查。以水面為中心向水面外圍延伸設置寬200m的調查樣帶，以距水面邊緣0m開始，每隔50m分別設置植被調查樣地，每個樣地各設置2～3個20m×20m灌木調查樣方，相應的植被調查方法采用“S”形五點法進行土壤剖面取樣，分0－20、20－40、40－60cm共3層取樣，每層取3個重復樣，樣品分土壤粒度、水分樣和養分、鹽分樣;將同一樣地內同土層的土壤粒度、養分樣各混成一個土樣，充分混合后裝入封口袋，密封帶回實驗室，經自然風干后用四分法取一定量樣品，挑出石礫及可見凋落物和根系，用靜電法去除植物碎片，過2mm篩，備用。調查的同時記錄樣地背景特征(經緯度、海拔、地貌特征、土壤類型、距水面中心的位置等)信息。

2．2樣品測定土壤粒度利用英國馬爾文MS2000激光粒度儀測定。土壤粒徑劃分采用，1978年《中國土壤》［18］中的土壤質地分類方法，細粘粒(＜0．001mm)、粗粘粒(0．001～0．005mm)、細粉粒(0．005～0．01mm)、粗粉粒(0．01～0．05mm)、細砂粒(0．05～0．25mm)和粗砂粒(0．25～2．0mm)。土壤化學性質利用傳統方法測定，分別采用、全氮(凱氏法消解，AA3連續流動分析儀測定)、全鉀(NaOH熔融、火焰光度法)、交流測量法等方法進行。

2．3數據統計分析對所得試驗數據用Excel記錄，求取平均值，進行數據分類和繪圖，應用SPSS18．0統計分析軟件進行觀測數據的顯著性檢驗和相關分析，采用Excel2013制圖。

3結果與分析

3．1土壤顆粒組成變化從土壤顆粒組成來看，青土湖水面形成區域距離水面450m范圍，0－60cm土層土壤顆粒以砂粒為主，所占比例為54．54%～96．22%，其次為粗粉粒、細粉粒、粗粘粒，而粘粒含量較少(圖1)。從各組分的比例變化來看，隨距水面距離的增大，呈現較一致的波動變化規律，主要表現為細粒物質(粗粉粒、細粉粒、粘粒)先增加后減少，粗粒物質(砂粒、粗砂粒)先減少后增加;距離水面100～200m之間為變化轉折點，其中150m為變化峰值。從各組分變異程度來看，土壤顆粒變化最大為粗粉粒(變異系數達105．25%～113．91%)，其次為細粉粒和粘粒(變異系數達56．33%～86．29%)，粗砂粒變化最小(變異系數達40．17%～77．00%)。距水面150m處的0－20cm土層土壤粘粒是0m處的3．84倍，粗砂粒和細砂粒減少了35．05%～70．63%，而20－40、40－60cm土壤粘粒依次增加了2．43倍和6．91倍，粗砂粒和細砂粒則減少了12．62%～89．28%。距水面150m處的0－40cm土層土壤粗粉粒含量顯著高于其他距離水面的粗粉粒含量(P＜0．05)。在40－60cm土層，距水面150和300m處的土壤粗粉粒含量差異不顯著(P＞0．05)，但二者均顯著高于其他距離水面的粗粉粒含量(P＜0．05)。土壤組分的變化主要受環境因素影響較大，研究區土壤組分變化主要受土壤濕度、區域風力影響，由于水面的形成使得水面外圍一定范圍內土壤水分增加，從而使土壤沉積細粒物質能力增加，也使土壤風蝕減弱，因此可能導致土壤細粒物質增加而粗粒物質減少。同時，土壤組分的形成也與成土母質關系密切，本研究水面形成區域土壤以湖積、淤積土和風沙為主，因此，較深層土壤(20－40、40－60cm)的這種變化可能主要受湖積成土過程的影響，而表層(0－20cm)則主要是人工輸水水面形成的影響。在所觀測范圍內，土壤全氮含量為0．04～0．45g•kg－1，全磷含量范圍為0．15～0．64g•kg－1，全鉀含量為13．9～15．9g•kg－1，表明區域土壤養分水平低(圖3);而電導率范圍則為224～1734μs•cm－1，土壤電導率變化與土壤鹽分含量存在正相關，可以用來指示土壤鹽分變化［19-20］，說明土壤鹽分含量較高，且差異較大。各指標含量隨距離增加的變化趨勢與土壤粘粉粒等細顆粒的變化趨勢相同(圖2、圖3)。從各層次的變化來看，20－40cm層各指標變化相對較一致，與整體土壤化學特性變化圖2青土湖距水面不同距離的0－60cm土層土壤顆粒含量變化一致，隨距水面距離變化呈現增加－減少－增加的趨勢，因此，20－40cm層的土壤特性可代表區域土壤特征變化，而區域土壤變異則主要來自表層0－20cm和下層40－60cm。從各指標的具體變化來看，在不同距離上各指標含量變化程度不一，土壤電導率變化差異最大，變異系數最大為258．74%，全氮、全磷含量變異值相當，其最大變異系數分別為64．42%、54．11%，全鉀含量變異最小。

3．2土壤化學特征距離水面450m范圍內，隨離水面距離的增加，0－60cm土層全氮、全磷、全鉀和電導率呈波動變化。在距0－300m范圍，全氮、全磷、全鉀和電導率均呈現增加－減小－增加的一致性規律，且分別在150、300m處出現峰值，與此相對應的200m降為最低，300m之后各指標變化不一(圖3)。區域土壤養分指標值來看，20－40cm土層土壤全氮、全磷、全鉀指標均大于其他兩層，但全鉀的變化差異不明顯;而電導率則表現出由表層到較深層次逐漸減小的特點。整體來看，雖然研究區域為古湖盆淤積土，但由于長期干旱及風沙環境影響，區域土壤養分貧乏。區域土壤各指標變化可能受成土過程、風沙活動及目前的人工輸水三方面的影響。由于原始湖面在變化過程中會產生由于水面擴展和退縮而導致區域土壤淤積形成圈層狀變化，這是區域不同距離土壤特征變化的主導力量。輸水水面形成對土壤特征的影響表現為兩方面，一方面水面形成對近距離土壤產生淋溶作用［21-23］，比如距離水面0m電導率明顯低于50－150m，就是由于鹽分受水淋溶作用，而20－40cm層土壤各指標略大于上層，則是由于下層富積;另一方面，水面形成減小了地表阻力，增強了水面外圍一定范圍的風速，使土壤風蝕程度加強，而風沙活動的影響主要作用在表層(0－20cm)。

3．3土壤理化性質相關性分析土壤沙漠化及其逆轉過程中，土壤顆粒組成與土壤化學性質變化關系密切［24-25］，對青土湖水面形成區水面外圍450m范圍土壤粒度與化學性質各指標進行相關分析結果表明(表1)，區域土壤化學指標與粒度具有明確相關性，且土壤全磷、全鉀、鹽分(電導率)與土壤細顆粒(土壤粘粒、粗粉粒和細粉粒)含量具有較好的正相關，而與粗顆粒(粗砂粒和細砂粒)含量表現出明顯的負相關關系。而這種相關性主要體現在0－20和20－40cm兩層。從各層次具體指標之間相關性分析來看，0－20cm土層，全磷和全鉀與土壤粘粒、粗粉粒和細粉粒間極顯著正相關(P＜0．01)，與粗砂粒和細砂粒間呈極顯著(P＜0．01)或顯著負相關(P＜0．05)，而電導率與土壤粘粒、粗粉粒和細粉粒間具有一定相關性(P＞0．05)，全氮則相關性較小。20－40cm土層，粗砂粒含量與全氮、全磷和全鉀呈負相關(P＞0．05)，與電導率呈顯著負相關(P＜0．05)。電導率與土壤粘粒、粗粉粒、細粉粒間顯著正相關(P＜0．05);土壤全磷與粗粉粒和細粉粒存在極顯著正相關(P＜0．01)，與粘粒呈顯著正相關(P＜0．05)，與細砂粒呈顯著負相關(P＜0．05);全鉀與粗粉粒極顯著正相關(P＜0．01)。40－60cm土層僅電導率與土壤粗砂粒呈顯著負相關(P＜0．05)。土壤化學特征與顆粒組成之間的變化關系說明，區域土壤養分變化受土壤顆粒組成變化影響明顯，兩者具有相同的變化趨勢，在區域環境評價中可相互替代選擇或相互驗證。

4討論與結論

1)青土湖水面形成區外圍450m范圍，土壤顆粒組成及土壤化學特征均隨距水面邊緣距離的變化呈現波動變化，且表現出一定的周期性規律，在150m、300m處出現峰值，該結果與石羊河中下游的河流對地下水位的影響范圍為130－200m的觀測結果相近［21］，而這一變化主要與青土湖區域成土過程相關。湖相沉積以懸移組分為主，以水面為起點呈波狀變化［26］，因此湖泊環境沉積物往往會形成紋層;同時，在湖面擴展與退縮過程中，也會產生圈層狀土壤沉積過程，而這是區域土壤特征波動變化的主要背景因素。地表形態及植被分布對這一波動變化也具有一定響應，在距離水面300m后，波動變化的規律性不再明顯，主要與研究區300m外圍多分布有白刺沙包，地貌形態及地表覆蓋均發生明顯變化有關。2)區域土壤顆粒組成以粗顆粒物質為主，土壤細砂粒比例占絕對優勢，區域整體土壤養分貧乏，鹽分含量高，且差異較大，而這主要受區域干旱氣候及風沙環境影響。在湖面形成過程中，水中泥沙攜帶的氮和磷等養分量可以占到養分總量90%以上［27］，受水的溶解運移作用，土壤養分隨著細顆粒的不斷在湖區富積，湖區土壤應以細物質為主，且富含養分。但由于區域湖泊干涸，加之干旱多風，原有的富含養分的細顆粒土壤易遭受強烈風蝕，而形成目前的現狀。但在人工輸水后，這一過程可以得到一定程度的逆轉。3)土壤顆粒組成與土壤養分相關分析表明，兩者均可作為評價區域土壤物質或環境變化的指標，尤其是細顆粒含量的變化可作為衡量水面形成后土壤結構、肥力狀況及退化土壤恢復程度的指標之一。綜合來看，青土湖水面形成區土壤特征主要受成土過程與區域干旱、多風的環境背景疊加作用造就了區域土壤的基本特性;而通過人工輸水形成水面是青土湖退化的逆過程對區域土壤環境改善具有一定作用，且能縮短逆轉過程。

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作者：劉淑娟 袁宏波 李發明 劉開琳 萬翔 單位：甘肅省荒漠化防治重點實驗室，甘肅民勤荒漠草地生態系統國家野外科學觀測研究站