古爾班通古特沙漠土壤水分與化學性質的空間分布

李從娟，雷加強，徐新文，高 培，邱永志，許 波，鐘顯彬，王永東，閆 健，王桂芬

(1. 中國科學院新疆生態與地理研究所，國家荒漠-綠洲生態建設工程技術研究中心，烏魯木齊 830011; 2. 新疆信息工程學校，烏魯木齊 830013; 3. 中國石油天然氣股份有限公司塔里木油田分公司，庫爾勒 841000)

土壤性質是一系列土壤水分、物理和化學性質等的綜合反映，體現了土壤環境的基本狀況，其性質具有時間和空間尺度上的變異性[1]。近年來，土壤性質的空間分布格局已成為異質性研究的一個重要領域[2-6]。研究沙漠地區風沙土水分和化學性質的空間變異是了解沙漠地區土壤與植被關系以及植被空間格局的基礎，對恢復沙漠植被和防治沙漠化具有重要意義。Delcourt和Delcourt[7]的研究表明：氣象和水文狀況在大尺度上影響土壤的空間異質性, 進而影響植被分布格局。當然，局部的地貌特征對土壤空間異質性的影響也是不能忽視的，Enoki等[8]和 Itoh等[9]的研究表明坡度和地形因子通過控制土壤水分的平衡來影響土壤資源和植被分布，它將導致土壤資源沿著丘坡呈梯度分布，進而影響養分的遷移及其在坡面上的重新分配。土壤水分是氣候、植被、地形及土壤因素等自然條件的綜合反映，對整個生態系統的水熱平衡起決定作用。尤其是干旱和半干旱地區，土壤水分狀況更是決定植被格局和土壤狀況的關鍵因素[10-12]。

古爾班通古特沙漠沙丘多呈南北延伸，長度達幾到幾十公里，所以南北方向地貌形態變化不大，但地下水位從沙漠南緣到腹地逐漸增深，邊緣地下水位5 m左右，內部達16 m左右[13]，同樣植被蓋度從沙漠南緣至腹地也發生了顯著變化，尤其是建群種梭梭，在距邊緣10 km以后，成年梭梭大部分死亡，只有不到3%的幼青年梭梭存在。然而，東西方向上沙漠地貌變異強烈，沙丘呈∩狀分布[13-14]。因此，弄清楚沙漠南緣至腹地土壤水分和化學性質的分布狀況對探明植被的空間分布格局及其形成因素有重要意義。本文以古爾班通古特沙漠土壤為研究對象，分別研究土壤水分和化學性質的空間分布及其相互關系，目的在于探明風沙土性質的空間變異及其影響因子，進而為植被的空間分布格局以及植被恢復提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

古爾班通古特沙漠(44°15′—46°50′ N, 84°50′—91°20′ E)是中國第二大沙漠，也是中國最大的固定與半固定沙漠[13]。年蒸發量2 000 mm，為典型的大陸性干旱氣候，年降水量不超過150 mm，沙漠腹地僅70 mm左右。主要集中在早春到初夏時節，冬季一般積雪深度為20—30 cm，個別年份甚至達30 cm以上[13-14]。融雪水加春季降水占全年降水的65%以上，這是土壤水分最為豐富的時期。也是維持古爾班通古特沙漠地區植被生存的主要水分來源。地表植被蓋度壟間和丘底最大，丘坡次之，丘頂最小，總植被覆蓋度在15%—50%之間，主要建群種有白梭梭(Haloxylonpersicum)、梭梭(H.ammodendron)等，其中梭梭和白梭梭等灌木植物群落的蓋度不足30%。受氣流、盆地地形、水文和植被等因素的影響[13]，沙漠地貌形態出現明顯的東西和南北方向上的分異。南北方向地貌形態變化不大，但地下水位和降水從邊緣到腹地分別呈降低和減小趨勢(表1)[3 14]。相應地，植被種類和蓋度也發生了明顯變化，尤其是梭梭種群，其蓋度從沙漠南緣的20%—30%下降到腹地的3%左右(表1)。東西方向沙漠地貌變異強烈，成明顯的∩狀沙丘[13]。可見，受生物及非生物因子的影響，沙漠土壤性狀呈顯著的空間異質性。

表1 沙漠南緣與腹地年降雨量，地下水位及植被蓋度的對比

1.2 樣品采集與分析

1.2.1 土樣采集

本研究土樣的采集包括水平和垂直兩個方向。水平方向上，土壤化學性質以表層土壤(0—10 cm)為研究對象，于2008年9月從沙漠南緣至腹地大約25 km分別選取3個完整沙丘樣帶，沙丘的剖面如圖1所示。在所選擇的樣帶上每1 km左右設置一個樣地，共24個樣地，每個樣地分別在沙丘底部(丘底)，丘坡中部(丘坡)和丘頂3個樣點采取土樣(圖 1)，并利用GPS記錄每個采樣點的空間位置，每個樣點取3個重復，每個土樣約100 g放入采集袋中帶回實驗室，這些土樣主要用于分析沙漠南緣至腹地土壤的空間分布狀況及沙丘不同部位土壤的空間分布狀況。土壤含水量的測量以2008年9月GPS定位的樣點為研究對象，分別于2010年4月，5月，6月和8月進行。用直徑4 cm的土鉆在每個樣點以3個重復分別取深度為0—10 cm，10—20 cm，20—40 cm層的土樣各約100 g，用烘干法測其土壤含水量。垂直方向上，土樣的采集以丘底為研究對象，在沙漠南緣至腹地大約25 km，以大約5 km為間隔隨機選取5個樣點，每個樣點均設置3個重復，分別取0—10 cm，10—20 cm，20—40 cm，40—60 cm，60—100 cm 5層土樣各約100 g帶回實驗室，用于后期的化學性質分析。

圖1 沙丘不同部位取樣點示意圖

1.2.2 土樣化學分析

每個土樣3個重復，將采集好的土樣在自然狀態下風干后，過2 mm篩，土壤pH值和電導率用土水比1∶5測定；有機質含量用重鉻酸鉀外熱法；全氮含量用凱氏法；全磷含量用HCl-HF消化鉬銻抗比色法；有效氮含量用堿解擴散法；有效磷含量用Bray法[15]。

2 數據分析處理

所有數據分析使用SPSS13.0和Origin7.5軟件進行，單因素方差分析ANOVA Tukey′s HSD (Honestly significant difference)用來檢驗沙丘不同部位表層土壤(0—10 cm)以及不同土層深度(0—100 cm)土壤水分及化學性質是否存在顯著差異(P<0.05)。利用Pearson相關分析來檢驗不同月份土壤含水量及年平均土壤含水量與表層土壤(0—10 cm)化學性質的相關性，同時結合Origin7.5進行制圖。

3 結果與分析

3.1 沙丘不同部位土壤水分和化學性質的對比

沙丘不同部位表層土壤(0—10 cm)的水分和化學性質的空間分布狀況如(圖2)所示，除了pH和電導率在不同部位無顯著差異外(P>0.05)，其他土壤性質在沙丘不同部位均存在顯著差異(P<0.05)，從丘底到丘頂均呈減小趨勢，其中土壤含水量在丘底顯著高于丘頂(P<0.05)，而丘坡則與兩者均不存在顯著差異(P>0.05)。土壤有機碳，全氮，全磷和有效磷含量在丘底，丘坡和丘頂之間均存在顯著差異(P<0.05)，其中土壤養分在丘底含量均達到丘頂含量的2倍左右。有效氮在丘底的含量顯著高于丘坡和丘頂(P<0.05)，而丘坡和丘頂之間沒有顯著差異(P>0.05)。這說明地貌特征對土壤水分和化學性質的空間分布有顯著影響。

圖2 沙丘不同部位(丘底，丘坡和丘頂)土壤(0—10 cm)水分和化學性質的差異

3.2 丘底不同土層深度土壤水分和化學性質的對比

從圖3中可以看出，垂直方向上，丘底土壤含水量在0—100 cm的變化由表層(水分含量0.45%)至深層逐漸增加(水分含量2.46%)，且土壤含水量在0—10 cm與20—100 cm層達到顯著差異(P<0.05)。同樣，pH值也隨著土層深度的增加而逐漸增加，從9.09增加到9.4，屬堿性土壤，且0—10 cm與60—100 cm層達到顯著差異(P<0.05)，土壤電導率在垂直方向上的變化與土壤含水量的變化相似，從淺層的85.26 μS/cm增加到深層的921.35 μS/cm(P<0.05)，這說明隨著土壤水分的下滲土壤鹽分也逐漸向下層轉移。

圖3 丘底不同土層深度土壤水分和化學性質的差異

據《新疆土地資源》提出的劃分標準，古爾班通古特沙漠風沙土有機質、全氮 和全磷含量屬很低水平。本研究中土壤有機碳，全氮，有效氮，全磷和有效磷的含量均較低，且他們在垂直方向上的分布與土壤含水量，pH值和電導率的變化趨勢相反，隨著土層深度的增加，均呈逐漸減小趨勢。有機碳和有效氮在0—10 cm土層的含量顯著高于10—100 cm層(P<0.05)，全氮和有效磷含量在不同土層之間呈逐漸減小趨勢。

3.3 土壤含水量在沙漠南緣至腹地的空間分布

在4，5，6月和8月份，沙漠南緣至腹地丘底土壤含水量的空間變化最大，無論是不同土層之間，還是不同采樣點之間，4，5，6月份土壤含水量總體表現出從邊緣至腹地的減小趨勢，而在8月份，土壤含水量的空間異質性主要發生在第一點和其它點之間，即與綠洲相連的沙漠第一點的土壤含水量顯著高于其它采樣點的土壤含水量(P<0.05)。丘坡土壤含水量呈波動分布，其中4，5，6月份的土壤含水量在不同土層0—10 cm，10—20 cm和20—40 cm之間差異顯著(P<0.05)(圖4)。丘頂土壤含水量的空間分布與丘坡的空間分布相似，也呈波動分布。這表明在區域尺度上，氣候和水文狀況僅對丘底土壤含水量的分布格局有顯著影響，當然也與植被分布和植被蓋度密切相關。而丘坡和丘頂土壤水分則與氣候和水文狀況關系不大，這種波動分布可能與植被對土壤水分的影響有關。

圖4 沙漠南緣至腹地沙丘不同部位(丘底，丘坡和丘頂)在4, 5, 6和8月份的土壤含水量

3.4 土壤pH和電導率從沙漠南緣至腹地的空間分布

沙漠南緣至腹地丘底表層土壤pH值和電導率均呈減小趨勢(圖5)，而在距邊緣6—7 km處同樣出現了一個峰值，這與年平均土壤含水量在丘底的分布狀況相似。丘坡pH值和電導率均呈波動分布。丘頂pH值在距邊緣10 km后表現出顯著的下降趨勢(P<0.05)，而電導率呈波動分布。以上結果表明：從沙漠南緣至腹地，土壤pH值和電導率在丘底表現出隨著地下水位的逐漸增深以及土壤水分的減少，而呈逐漸下降的趨勢。

3.5 土壤養分從沙漠南緣至腹地的空間分布

從沙漠南緣至腹地，丘底表層土壤(0—10 cm)各養分均表現出總體的減小趨勢，尤其是在距沙漠南緣10 km以后，土壤養分含量顯著減小(P<0.05)(圖6)。在丘坡和丘頂，土壤養分的分布趨勢與pH值和電導率的分布趨勢相似，均呈波動分布(圖5)。此外，丘底土壤養分含量顯著高于丘坡和丘頂(P<0.05)，這與土壤含水量在沙丘不同部位的分布狀況一致，這種現象表明沙漠中由于地貌類型的差異，導致了土壤水分和養分資源在沙丘底部的聚集，而在丘坡和丘頂土壤水分和養分資源相對匱乏。

圖5 沙丘不同部位(丘底，丘坡和丘頂)土壤pH和電導率的空間分布

圖6 區域尺度沙丘不同部位(丘底，丘坡和丘頂)土壤有機碳，全氮，有效氮，全磷和有效磷的空間分布

3.6 沙漠南緣至腹地土壤含水量與土壤化學性質的相關分析

相關分析(表2)結果顯示：土壤絕大多數化學性質與水分條件相對較好的4、5月份土壤含水量和年平均土壤含水量呈顯著或極顯著正相關，尤其是與土壤電導率，有機碳，全氮，有效氮和全磷，而6、8月份土壤含水量與土壤化學性質相關性較小，說明4、5月份及年平均土壤含水量對土壤化學性質有顯著影響。

表2 土壤含水量與土壤化學性質的相關分析

EC: 電導率SOC: 土壤有機碳，TN: 全氮，AN: 有效氮，TP: 全磷，AP: 有效磷; **表示在P<0.01水平相關性顯著，*表示在P<0.05水平相關性顯著

4 結論與討論

4.1 區域尺度土壤水分和化學性質的空間變化

區域尺度上，氣候和水文狀況是影響土壤空間異質性的主要因子[11]。本研究結果表明，氣候和水文狀況對古爾班通古特沙漠土壤含水量和土壤化學性質有一定影響，主要表現在從沙漠南緣至腹地土壤含水量和土壤化學性質在丘底部位呈逐漸減小趨勢，這種減小的趨勢正是由地下水位的加深以及降水的減少所引起(表2)。而在丘坡和丘頂，土壤含水量和土壤化學性質呈波動分布，這表明了在古爾班通古特沙漠南緣到腹地，氣候和水文狀況對丘底土壤性狀有顯著影響，而對丘坡和丘頂土壤性質的影響并不顯著。在距沙漠南緣大約6—7 km左右出現了一個相對較高的峰值，這可能因為在距南緣6—7 km左右，人為破壞以及放牧等因素對植被和土壤的干擾相對較小，也可能因為地下水位的急劇變化，這方面有待深入研究。此外，土壤含水量和土壤化學性質在10 km以后的顯著減小趨勢可能因為地下水位和降雨的顯著降低[14]。地下水位的顯著降低以及降雨的減少將會對土壤性質和植被分布產生顯著影響，尤其是對沙漠的建群種梭梭影響顯著，事實上，梭梭種群的植被覆蓋度從南緣的20%左右降到腹地的3%左右(表1)。因此，本研究結果可為古爾班通古特沙漠區域尺度上梭梭種群的空間分布格局提供理論依據。當然，這需要我們結合植物-土壤相互關系作進一步研究。

4.2 地貌特征對土壤含水量和土壤化學性質的影響

地貌特征是控制土壤過程的一個主要因子，在景觀尺度上決定著土壤養分的分布狀況[8-9, 16]。以往研究表明：土壤有機碳及其他養分在坡底或丘底顯著聚集[17-19]。本研究與以往研究結果一致，在植被茂盛的丘底，土壤含水量和各化學性質均顯著高于丘坡和丘頂，這一方面可能因為地貌的形成導致了物質資源的重新分配，使土壤水分和養分資源在丘底顯著聚集[8]。另一方面可能由于荒漠植物，尤其是春季短命和類短命植物以及一年生植物的繁衍生長的循環過程增加了這些微地形上風沙土的肥力[3]。當然，風蝕和水蝕作用對土壤養分在丘底的聚集是不能忽視的[20]。

4.3 土壤含水量與土壤化學性質的相關性

水分資源被認為是干旱半干旱區土壤養分流失和重新分配的一個重要因子[21-22]。雖然古爾班通古特沙漠地表不存在顯著的地表徑流[23]，然而在冬季，沙漠中卻有平均20—30 cm厚的積雪，有些年份甚至超過30 cm[13,24]。因此，積雪融化是古爾班通古特沙漠生態系統中土壤水分的一個主要來源，它對土壤資源的流失，流走，地下水的補充，以及土壤資源的分布格局和重新分配有重要意義[25]。本研究結果顯示：僅4、5月份的土壤含水量以及年平均土壤含水量與丘底土壤化學性質呈顯著正相關(表2)，這因為冬季積雪的融化使水分在丘底聚集，因而對土壤資源的分布格局和重新分配產生影響[26]。事實上，在古爾班通古特沙漠，3—5月份的融雪水加上春季降水占全年降水量65%以上，這是土壤水分最為豐富的時期，也是維持古爾班通古特沙漠地區植被生存的主要水分來源。因此在4、5月份的土壤含水量與丘底土壤化學性質表現出顯著的相關性，而在6、8月份，由于沙漠的極端干旱環境，強烈的蒸發加上植物的耗水，土壤水分被耗盡，因而，在此時土壤水分不會對土壤性狀產生顯著影響[25]。

從古爾班通古特沙漠南緣至腹地，土壤性狀表現出了隨氣候和水文狀況變化而變化的空間分布格局，即表現出逐漸減小的空間分布格局，尤其是在距沙漠南緣10 km以后，這種減小趨勢更為顯著。此外，在距沙漠南緣6—7 km出現了土壤水分和化學性質的峰值。沙丘不同部位土壤水分和養分含量呈丘底顯著高于丘坡和丘頂。總之，古爾班通古特沙漠風沙土的上述性狀及空間變異，除受局地氣候氣象水文條件的制約外，還受沙壟微地貌和植物發育狀況的影響。

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