石羊河流域中下游沙漠－河岸過渡帶土壤特征研究

李銀科，劉世增，劉虎俊，魏懷東，楊自輝，張瑩花，劉淑娟

（甘肅省荒漠化與風沙災害防治重點實驗室／省部共建國家重點實驗室培育基地，甘肅省治沙研究所，蘭州730070）

河岸帶是指江河或溪流的河道向外圍的擴展，包括可以被洪水泛濫淹沒的部分以及河水可以進入河岸植被冠層之下的陸地部分［1］。河岸帶具有特殊的生境條件，在涵養水源、蓄洪防旱、維持生物多樣性和生態平衡等方面均有十分重要的作用，是河流天然的保護屏障，是健康河流生態系統的重要組成部分和評價標志［2］。干旱內陸河流域沙漠—河岸過渡帶是具有重要生態學功能和價值的過渡帶，這一狹長區域是阻止沙漠前侵和沙土入河的最后一道屏障［3］。石羊河是西北干旱荒漠區典型的內陸河，隨著人口的劇增、工農業生產和社會經濟的迅速發展，人類對河流進行了多目標、全方位、大規模、高頻次的干預，沙漠—河岸生態系統隨之嚴重退化。退化的生態系統導致了植被破壞、生物多樣性下降、小氣候惡化、河床及河岸遭受侵蝕、風沙災害頻繁等一系列嚴重的生態環境問題［4］。生態系統的土壤要素和植被特征密切相關，不僅關系到整個河流系統的水文生態功能，而且對人工林的營造具有重要的指導價值［5］。摸清土壤理化性質的梯度變化是受損河岸生態系統植被修復和生態重建的基礎和依據。學者們對河岸帶土壤、植被及其相互關系進行了較多的研究［1－11］，對沙漠—河岸過渡帶的研究很少，僅有少量植被空間分布格局和防風效益評估研究［12－14］。本文選取石羊河中游斷流段、泉水溢出段、下游水庫以上豐水段和水庫以下干涸段沙漠—河岸過渡帶典型植被帶進行土壤特征研究，以揭示石羊河中下游沙漠—河岸過渡帶生態系統的健康狀況，為這一具有重要生態學價值和功能的地段保護、退化植被恢復提供理論依據。

1 研究區自然概況

石羊河流域位于河西走廊東部，烏稍嶺以西，祁連山 北 麓，北 緯 36°29′—39°27′，東 經 101°41′—104°16′。流域總面積4.06萬km2，屬大陸性溫帶干旱氣候，太陽輻射強、日照充足、溫差大、降水少、蒸發強烈、空氣干燥、風大沙多。上游山區有8條主要河流，河流出山口以后進入永昌—武威盆地，大部分水量被農業引灌和下滲轉化為地下水，導致一些支流斷流，在洪積扇邊緣地帶又以泉水的形式溢出地表，形成眾多的泉水河道，如洪水河，然后再次匯合成為石羊河，此段為石羊河的中游；此后向北穿越紅崖山進入民勤盆地，水流經引灌而耗于蒸發，逐漸消失。進入下游的地表徑流由20世紀50年代的5.88億m3下降到2008年的1.00億m3左右。自20世紀50年代修建紅崖山水庫以來，水庫以下河段干涸。中下游的涼州區和民勤綠洲海拔為1 400～2 100m，涼州區降水量和蒸發量分別為158mm和l 963mm，民勤分別為115mm和2 637mm；地帶性土壤為灰棕漠土和灰棕漠土型沙土，非地帶性土壤以風沙土為主，其次在地勢低洼處分布有鹽漬化沙土和鹽化草甸土、沼澤土；在農耕區有綠洲灌淤土、鹽化灌淤土、風沙灌淤土等。

本研究以石羊河中下游不同河段河岸水分狀況存在差異為依據，選取4個河段進行比較分析：中游斷流段（dryer section in middle reaches of Shiyang River，記作 DS）、泉水溢出段（springs overflow section，記作SOS）、水庫以上豐水段（wet section above Hong Yashan reservoir，記作WSA）和水庫以下干涸段（dring section in Hong Yashan reservoir below，記作DSB）。中游斷流段為石羊河支流洪水河上游枯水段，已枯水多年，河岸沙棗（Elaeagnus angustifolia）林已枯死，岸邊即為沙地，植被以沙蒿（Artemisia desertorum）群落為主；泉水溢出段為洪水河下游，因有泉水溢出而有水流，岸邊沙地水分狀況較好，以蘆葦（Phragmites australis）群落為主，伴有沙蒿、白刺（Nitraria tangutorum）等；水庫以上豐水段為洪水河與西營河匯合后至紅崖山水庫之間的石羊河主流段，此段地勢平坦，水分豐沛，從河岸到沙地范圍較寬（3～4km），依次生長有旱柳（Salix matsudana）＋檉柳（Tamarix chinensis）、沙棗＋小葉楊（Populus simonii）＋檉柳、油蒿（Artemisia ordosica）＋苦豆子（Sophora alopecuroides）、蘆葦＋駱駝蓬（Peganum harmala）、人工沙棗＋紅砂（Reaumuria songarica）、紅砂、沙拐棗（Caligonum mongolicum）等群落；水庫以下干涸段為紅崖山水庫以下河段，自修建水庫以后，再無流水，原來河道清晰可辨，河道兩側沙地植被主要為白刺、檉柳群落。

2 研究方法

2.1 土樣采集

2009年5月在選定的4個河段，從河岸向岸邊沙地延伸，每個河段選定3～7個（以植被類型的數量為依據）樣地（表1），每個樣地用土鉆按照0—5，5—10，10—20，20—40，40—60，60—80，80—100，100—120，120—140，140—160，160—180和180—200cm 12個層次進行分層采樣，在0—5，5—10，10—20，20—40cm 4個層次取土壤容重樣，在植被類型變化不明顯的樣地只測定土壤水分樣，土壤含水量分別在5月份（雨季前）和10月份（雨季末）測定兩次。

表1 樣地特征

2.2 測定方法

土壤含水量測定采用烘干法，容重測定采用環刀法，其余土樣剔除植物根系及石礫等雜物后，在室內風干并過1mm和0.25mm篩備用。有機質測定采用重鉻酸鉀氧化—外加熱法，全氮測定采用半微量開氏法，速效磷測定采用碳酸氫鈉提取－鉬銻抗比色法，速效鉀測定采用醋酸銨浸提—原子吸收比色法，土壤水溶性鹽分組成測定水土比為5∶1，pH的測定采用電極法，水土比為5∶1。

2.3 數據分析

以不同河段作為固定因素，以容重、pH、有機質、全氮、速效磷、速效鉀和水溶性鹽分組成作為隨機因素，用SPSS 13.0軟件進行單因素方差分析，用LSD（P＜0.05）法進行顯著性差異檢驗；用Excel軟件繪圖。

3 結果與分析

3.1 不同河段土壤含水量的變化

在石羊河中下游不同河段，5月和10月0—200 cm土壤含水量大小順序均為 WSA＞SOS＞DSB＞DS；從月份來看，各河段0—200cm土壤含水量10月比5月均有增加，且增幅各不相同，其大小順序為DS（55.86%）＞SOS（44.94%）＞DSB（28.87%）＞WSA（1.03%）（表2）。WSA 段地勢平坦，土壤含水量受河水影響很大，降水對該段土壤含水量的影響很小；而其他河段土壤含水量則受降水的影響較大。

不同河段0—200cm土壤含水量的垂直變化（圖1）表明，隨土層深度的增加，土壤含水量總體呈增加趨勢；與5月份相比，10月份土壤含水量在每層均有所增加，10—40cm層最為明顯（圖1）。說明研究區雨季降水對土壤10—40cm水分貢獻最大。

將5月和10月不同河段土壤含水量在每個土層內進行比較，方差分析表明，土壤含水量只在DS段10—20cm土層10月份顯著大于5月份，DS段其余土層和其余各河段各土層5月和10月之間差異均不顯著。DS段位于調查河段最上游，降水量相對最大，而且該河段河水斷流，土壤水分得不到河水補給，因此降水對該河段土壤水分貢獻最大，在土壤表下層達到顯著水平。

將月份內不同河段土壤含水量在每個土層內進行比較，只有10月份0—5cm土層DSB顯著大于SOS，10月份其余土層和5月份各土層不同河段之間的差異均不顯著。同一時期不同河段的同一土層土壤水分基本無明顯差異，說明土層間土壤水分變異大。

圖1 不同河段5月和10月土壤含水量的垂直變化

3.2 不同河段土壤容重的變化

0—40cm土層土壤容重大小順序為SOS＞WSA＞DS＞DSB，但方差分析表明不同河段之間土壤容重差異不顯著（表2）。圖2顯示，各河段表層土壤容重較大，表下層明顯減小，下層又略為增大。該區受風蝕影響使得土壤表層砂礫含量高，因此表層容重大。

圖2 不同河段土壤容重和pH值的垂直變化

3.3 不同河段土壤pH值的變化

0—200cm土層土壤pH值大小順序為DS＞SOS＞WSA＞DSB，表現出石羊河中下游河岸土壤pH值從中游到下游依次減小的趨勢，但方差分析顯示不同河段之間的差異不顯著（表2）。各河段土壤pH值總體呈現為表層較小，20cm深度處突然增至最大，下層略為減小的趨勢。SOS和 WSA段表層pH值小，DS和DSB段較大；DS、SOS和 WSA段在10—120cm層變化比較一致，DSB段在20—120cm層較其他河段小（圖2）。相關分析表明，土壤pH值與有機質含量、全鹽量、Ca2＋、Mg2＋、K＋＋Na＋、Cl－和SO2－4均呈極顯著負相關關系（P＜0.01），與CO2－3和HCO－3均呈極顯著正相關關系（P＜0.01）。說明土壤pH變化與有機質含量和鹽分組成及總量有關。有機質對土壤pH的影響主要是其分解產生的有機酸可以降低pH值。

3.4 不同河段土壤養分含量的變化

不同河段之間0—200cm土層土壤的有機質、全氮和速效鉀含量差異均不顯著。其大小順序分別為：有機質 WSA＞DSB＞DS＞SOS，全氮 WSA＞SOS≈DSB＞DS，速效鉀DS＞DSB＞WSA＞SOS。0—200 cm土層土壤的速效磷含量為DS＞SOS＞WSA＞DSB，DS段顯著大于 WSA和DSB段，而與SOS段差異不顯著，SOS、WSA和DSB段相互之間差異也不顯著（表2）。

從養分含量的垂直變化可以看出（圖3），WSA段有機質含量在0—40cm層最大，而DSB段在0—40cm層較小、40—200cm層最大；DS段有機質含量除在5—20cm層較大外，其余土層與SOS段變化較一致，其值均最小。WSA段全氮含量在0—20cm層最大，其它河段除在個別土層內值較大外，各河段其余土層全氮含量變化較一致。

表2 不同河段土壤理化性質

WSA段速效磷含量在表土層最大，其余土層速效磷含量DS段（除SOS段在100—120cm層最大外）明顯大于其它河段；SOS、WSA和DSB段速效磷含量在5—100cm層變化較一致，SOS段在較大。

速效鉀含量在0—120cm層DS段明顯大于其他河段，WSA段也較大，SOS和DSB段最小；在120—200cm層SDB段最大；SOS段在0—200cm整個土壤剖面變化比較均勻，其值也最小。

圖3 不同河段土壤有機質、全氮、速效磷和速效鉀含量的垂直變化

3.5 不同河段土壤水溶性鹽分組成的變化

0—200cm土層土壤全鹽量表現為DSB＞WSA＞SOS＞DS，表明石羊河中下游河岸從中游到下游，土壤全鹽量依次增加，但不同河段相互之間差異不顯著（表3）。根據一般鹽化土壤的劃分，WSA和DSB段土壤已鹽化，鹽化類型分別為氯化物—硫酸鹽鹽化土和硫酸鹽—氯化物鹽化土［15］。WSA段在0—20 cm層Ca2＋，Mg2＋，K＋＋Na＋，Cl－和SO2－4遠大于其它河段，但差異并不顯著（表3）。WSA段在60—200 cm土層Ca2＋，Mg2＋，K＋＋Na＋，Cl－和SO2－4明顯大于其它河段，并且部分差異達到顯著水平：Ca2＋在40—60cm及80—120cm土層、Mg2＋在40—60cm及80—200cm土層、K＋＋Na＋在80—180cm土層、Cl－在60—200cm土層、SO2－4在80—120cm及140—160cm土層（表3）。各河段CO2－3含量很小，DSB段最大，WSA次之，SOS段0—200cm土壤全剖面無CO2－3，并且在任何土層差異均不顯著。各河段HCO－3的垂直變化較一致，只有在120—140cm層WSA顯著小于其他河段、160—180cm層DS段顯著大于SOS段。

DS段曾有水流，河流斷流以后，植被趨于簡單，地下水位降低，土壤含鹽量低。該段土壤中速效磷和速效鉀含量顯著大于其它河段，可能是由于植被少，對磷和鉀的吸收少。SOS段有泉水溢出，土壤水分條件較好，岸邊植被生長也較好。沙漠—河岸過渡帶地勢相對河床較高，土壤含鹽量較低。WSA段水分條件好，植被生長好，枯枝落葉對土壤有機物質的貢獻大，所以該河段河岸土壤有機質含量較高，全氮含量也較高。該河段地勢平坦，沙漠—河岸過渡帶寬闊，地下水位高，水溶性鹽分隨水分蒸發表聚現象明顯，土壤鹽分含量高。DSB斷位于民勤綠洲盆地，在河流干涸以前，這里地下水位淺，生長一些水生植物，土壤發育程度較高，養分含量也較高。由于地處石羊河下游，上游帶來的鹽分聚集于此，再加上鹽分隨水分蒸發的表聚，所以土壤含鹽量高。河流干涸以后，植被退化，生態環境惡化，風沙活動頻繁，土壤表層又覆有一層沙物質，使土壤發育常處于復幼狀態，所以該河段土壤養分和鹽分含量表層低下層高，并且下層鹽分含量顯著高于其他河段。

4 結論

在所調查的石羊河支流紅水河中游斷流河段（DS）、泉水溢出河段（SOS），石羊河干流豐水河段（WAS）和紅崖山水庫下游涸水河段（DSB），由于水文和地形地貌等條件的不同，沙漠—河岸過渡帶土壤性質各異。

（1）0—200cm土壤含水量大小順序為 WSA＞SOS＞DSB＞DS。WSA段地勢平坦，土壤含水量受河水影響很大，降水對該段土壤含水量的影響很小，而其他河段土壤含水量則受降水的影響較大。在土壤垂直方向上，雨季降水對土壤水分的貢獻主要在10—40cm土層。

（2）土壤容重大，表層大下層小，這與表層土壤砂礫含量高有關。pH值7.70～8.55，表層小下層大。pH值從上游至下游依次減小，其變化與有機質含量和鹽分組成及總量有關。

（3）研究區土壤養分貧瘠，有機質、全氮、速效磷含量低，速效鉀含量高。WSA段土壤有機質和全氮含量最大，其含量表層高下層低；DSB段土壤下層有機質和全氮含量相對較大；DS段土壤速效磷和速效鉀含量最大。

（4）土壤含鹽量從上游至下游依次增大。WSA和DSB段土壤已鹽化，鹽化類型分別為氯化物—硫酸鹽鹽化土和硫酸鹽—氯化物鹽化土。

［1］ 李新茂，張東旭.關于美國河岸帶土壤的研究綜述［J］.水土保持應用技術，2007，14（6）：11-13.

［2］ 李冬林，金雅琴，張紀林，等.秦淮河河岸帶典型區域土壤重金屬污染分析與評價［J］.浙江林學院學報，2008，25（2）：228-234.

［3］ 李朝生，慈龍駿，于春堂，等.沙漠—河岸過渡帶土壤養分與鹽分的空間變異［J］.農業環境科學學報，2005，24（4）：643-647.

［4］ 張宇博，楊海軍，王德利，等.受損河岸生態修復工程的土壤生物學評價［J］.應用生態學報，2008，19（6）：1374-1380.

［5］ 李林英，齊實，王棣，等.汾河上游河岸帶植被類型變化對土壤粒級組成及土壤水分的影響［J］.東北林業大學學報，2009，37（6）：23-24，69.

［6］ 蘇建平，仵彥卿，黎志恒，等.黑河下游河岸綠洲區包氣帶土壤水分與植被生長狀況的研究［J］.西北植物學報，2004，24（4）：662-668.

［7］ 崔東海，韓壯行，姚琴，等.帽兒山林場不同河岸帶植被類型土壤水分—物理性質［J］.東北林業大學學報，2007，35（10）：42-44.

［8］ 王慶成，崔東海，王新宇，等.帽兒山地區不同類型河岸帶土壤的反硝化效率［J］.應用生態學報，2007，18（12）：2681-2686.

［9］ 黃湘，李衛紅，陳亞寧，等.塔里木河下游荒漠河岸林群落土壤呼吸及其影響因子［J］.生態學報，2007，27（5）：1951-1959.

［10］ 徐海量，李吉玫，張占江，等.塔里木河下游退化荒漠河岸林地上植被與土壤種子庫關系初探［J］.中國沙漠，2008，28（4）：657-664.

［11］ 石曉東，高潤梅，郭晉平，等.龐泉溝自然保護區河岸林群落的土壤種子庫特征［J］.林業科學研究，2010，23（2）：157-164.

［12］ 梁繼業，王彥閣，楊曉暉.鄂爾多斯高原霧冰藜在沙漠—河岸過渡帶白刺沙堆上的空間分布特征［J］.草業科學，2008，25（5）：42-47.

［13］ 于春堂，楊曉輝，李朝生.沙漠—河岸過渡帶不同天然植被群落類型防風效應評估［J］.水土保持研究，2006，13（1）：118-132.

［14］ 楊曉暉，于春堂，慈龍駿.基于柵格數據的沙漠—河岸過渡帶白刺沙堆空間格局分析［J］.林業科學，2009，45（8）：1-8.

［15］ B.B.葉戈羅夫（蘇）.土壤鹽漬化及其墾殖［M］.水利部專家工作室，譯.北京：科學出版社，1958.