荒漠綠洲過渡帶林地開墾對土壤有效態微量元素的影響

馬曉飛，楚新正

(1.新疆師范大學地理科學與旅游學院， 新疆 烏魯木齊 830054；2.新疆維吾爾自治區重點實驗室新疆干旱區湖泊環境與資源實驗室， 新疆 烏魯木齊 830054)

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荒漠綠洲過渡帶林地開墾對土壤有效態微量元素的影響

馬曉飛1，2，楚新正1，2

(1.新疆師范大學地理科學與旅游學院， 新疆 烏魯木齊 830054；2.新疆維吾爾自治區重點實驗室新疆干旱區湖泊環境與資源實驗室， 新疆 烏魯木齊 830054)

選擇荒漠綠洲過渡帶的林地開墾區為研究對象，運用地統計學和ArcGis空間分析工具相結合的方法，研究了林地開墾后土壤中有效態Fe、Cu、Zn和Mn含量的空間變異特征和豐缺狀況。結果表明： 林地開墾后有效態Mn顯著缺乏(P<0.05)，平均值為4.24 mg·kg-1，低于臨界值的土壤占土壤總數的32.25%，有效態Fe和Ze次之，分別有21.82%和29.36%的樣品低于臨界值，4種微量元素空間變異強度均>25%，呈較明顯的空間變異性； 半方差函數分析中，有效態Fe塊金值最大，有效態Mn變程最小，4種有效態微量元素塊金值與基臺值的比值均<25%，表明4種有效態微量元素空間依賴性均較強； 在空間結構中，4種有效態微量元素呈明顯的片狀和斑塊狀分布，有效態Cu主要分布于研究區西南和西北部，有效態Zn和Fe主要分布于中部，有效態Mn呈東西方向對稱分布且東部含量大于西部； 在有效性評價中，單項指數(Ei)以有效態Mn最高，達2.83，綜合指數(Ec)以有效態Fe最高，達1.27，有效態Cu的Ei值和Ec值均較低。

土壤微量元素；荒漠綠洲過渡帶；林地開墾；空間變異性；有效性評價

荒漠綠洲過渡帶指荒漠生態系統和綠洲生態系統之間的生態接觸帶[1]，對阻止沙丘遷移、減緩綠洲風沙危害等具有重要作用，因此也被看作綠洲的重要組成部分。在綠洲演替進程中，荒漠綠洲過渡帶成為綠洲風沙響應[2-4]、水文變化過程[5]、沙堆演化[6]最敏感的區域。林地作為荒漠綠洲過渡區主要的土地利用類型，在干旱、半干旱地區生態環境建設中發揮著重要作用，然而，在我國西北干旱區普遍存在著人工綠洲擴張的問題，荒漠綠洲過渡帶的天然林地，不斷被開墾為農田，導致過渡帶林地面積銳減[7]，從而對荒漠、綠洲的生態安全產生很大威脅。

土壤微量元素是相對大量元素而劃分的，是植物生態環境因子中重要的組成部分[8]。其中，存在于土壤中能被植物吸收利用的部分稱為有效態微量元素[9]。土壤有效態微量元素的供應受土壤性質、土壤環境條件等因素的制約，成為植物生長的限制性因素。目前，全球范圍內有數萬公頃耕地土壤缺乏微量元素[10]，而我國更是比較普遍[11]，尤以干旱區表現最為典型。近年來，土壤微量元素的研究主要集中在森林生態系統、農田生態系統以及植被演替進程[12-18]等方面，對于土地利用類型遭破壞或干擾下的土壤微量元素動態變化的相關研究還較少，尤其是對荒漠綠洲過渡區域林地開墾處的土壤微量元素變化特征的相關研究則更少。本文以荒漠綠洲過渡帶的林地開墾區為研究對象，分析了土地利用類型轉變后土壤有效態微量元素(Fe、Mn、Cu、Zn)的變化特征，以期揭示綠洲擴增進程中人為擾動因素與土壤微量元素間的關系，從而為研究區土地修復與可持續發展提供理論依據。

1　研究區概況

新疆甘家湖梭梭林荒漠綠洲過渡帶地處甘家湖梭梭林國家級自然保護區內，研究區荒漠綠洲過渡帶范圍為：44°30′～44°36′N ，82°44′～82°56′E，面積達122.78 km2，年平均氣溫6.7℃，無霜期18 d左右，年平均降水量達144 mm，年蒸發量為2 000 mm，屬于典型的溫帶大陸性荒漠氣候。

新疆甘家湖梭梭林國家級自然保護區西鄰中國第二大沙漠(古爾班通古特沙漠)且與新疆第一大咸水湖——艾比湖相接。該區域擁有著我國生長狀況最好、分布最集中的梭梭林，其不僅是我國“三北”防護林體系的組成部分，同時也控制著克可喀斯哈2.0×105hm2流沙的移動，抵御著阿拉山口常年肆虐的大風。由于近40年來人類大面積毀林變耕，甘家湖的林地面積不斷銳減，已逐漸成為影響天山北麓生態環境及經濟發展的重要因素。

2　研究方法

2.1樣品采集和分析

2013年5月在甘家湖梭梭林國家級自然保護區內進行土樣采集。其中，在林帶內部以及靠近林帶且為同時段開墾的兩種土地利用類型下分別設立采樣點，利用GPS進行定位取土，樣點間距大于500 m且小于2 km，每個樣地取0～10 cm(表層)，10～20 cm(第二層)，20～40 cm(第三層)，40～60 cm(第四層)的土壤，最終取得584個土樣，每個土樣質量≥2 kg，所有樣品裝入樣品袋帶回實驗室。在實驗室將樣品自然風干，挑出植物根系、石礫等，過2 mm篩進行理化性質分析。土壤樣品采用常規方法進行分析[19]。土壤有效銅、錳、鐵、鋅用二乙三胺乙酸(DTPA)浸提，ZL—5100型原子吸收分光光度計進行測定。

2.2數據分析與處理

采用SPSS 17.0統計軟件對土壤微量元素含量進行描述性統計分析，為避免產生比例效應，采用K-S方法對數據進行正態分布檢驗，最終得出最大值、最小值、平均值等統計信息。

采用GS+9.0軟件進行變異函數計算和分析，其中，變異函數參數塊金值(C0)是空間距離為零時變異函數的值；基臺值(C+C0)是系統最大變異，塊金值與基臺值的比值C0/(C+C0)反映了土壤屬性的空間相關性程度，比值越大，空間自相關性越強；決定系數(R2)或殘差平方和(RSS)用于判斷模型擬合的好壞[20]。

利用ArcGIS10.0軟件對土壤微量元素進行Kriging法和IDW法的最優插值，得到微量元素的空間分布圖。其中，Kriging插值法對獨立誤差進行估值時，具有良好的關聯性和精確性。但易受變異函數、待估樣點幾何性質等影響[21]，當變異函數誤差較大時，精確性則明顯下降。而IDW在空間插值主要受距離影響，所插值可以通過鄰近點的分析從而獲得最優值[22]。

土壤微量元素密度是指單位面積土壤所含微量元素的質量，采用如下計算公式[8]：

STED=1/10∑Di×BDi×STECi×(1-Vi)

式中，STED為土壤微量元素密度(g·m-2)；Di為第i層土壤厚度(cm)；BDi為第i層土壤容重(g·cm-3)；STECi為第i層土壤微量元素的含量(g·kg-1)；Vi為>2mm土壤顆粒質量分數(%)。

土壤微量元素有效性評價采用單項指數(Ei)和綜合指數(Ec)相結合的方法[23]，先計算各種微量元素有效性指數，再采用“均根法”計算綜合有效性指數，計算公式如下：

式中，ci為實際測定的第i種土壤有效態微量元素 密度(g·m-2)；si為第i種土壤有效態微量元素密度的臨界值(g·m-2)，Ei、Ec分別為單項指數和綜合指數。

3　結果與分析

3.1土壤微量元素有效態含量的總體特征

研究區荒漠綠洲過渡帶4種土壤微量元素有效態描述性統計結果見表1。從表1可以看出，4種微量元素有效態含量最大值和最小值變幅的大小依次為：Mn>Fe>Zn>Cu。根據新疆農科院土壤肥料研究所設定的臨界值指標[23]，從中可以看出，有效態Mn的平均值為4.24 mg·kg-1，低于臨界值的土壤數占總土壤數的32.25%。除此之外，有效態Fe和有效態Zn的平均值均大于臨界值，但仍有21.82%和29.36%的樣品處于臨界值以下。有效態Cu均值明顯大于臨界值，且所有樣品均處于臨界值以上。可見，林地開墾后對土壤中微量養分的影響以有效態Mn表現最為顯著，部分采樣點有效態Fe和有效態Zn的缺失也需要引起重視。

變異系數在0～15%之間的為小變異，在16%～35%之間為中等變異，大于36%的為高度變異[17]。從表1可以看出，除有效態Mn表現為中等變異外，其余3種有效態元素均表現為高度變異。說明這4種微量元素有效態含量的分布存在較為明顯的空間變異性。

偏度是表示數據分布偏斜方向和程度的度量，峰度是統計數據分布陡峭程度的度量，偏度和峰度值等于或者接近0，數據服從正態分布[24]。從表1可見，只有有效態Cu的偏度和峰度較接近于0，其余3種有效態微量元素均不接近于0。說明只有有效態Cu呈正態分布。

表1　研究區土壤微量元素有效態含量的統計特征

3.2土壤微量元素有效態含量的空間結構

運用半方差函數模型分析了4種土壤微量元素有效態含量的空間變異特征。結果顯示(表2)，4種有效態微量元素的理論模型能夠較好地符合高斯模型、指數模型和球狀模型，4種有效態微量元素的塊金值(C0)均較小，以有效Zn最為典型，為0.0092。由于塊金值表示隨機部分的異質性，指由實驗誤差和小于實驗取樣尺度引起的變異，變異的大小由塊金值的大小決定，較大的塊金值表明較小尺度上的某種過程不容忽視[25]。因此，在4種有效態微量元素的塊金值比較中有效Fe的塊金值最大，為0.32，表明在小尺度范圍內，土壤中有效態Fe的變異過程仍然相對較強，不容忽視。由于變程的大小反映區域化變量自相關范圍的尺度，在變程范圍內，變量具有空間自相關性，反之則不存在[26]。通過變程的分析結果可以看出，有效Mn的變程最小，表明它的空間變異性較強，空間分布特征差異性或復雜性較明顯。

塊金值與基臺值的比值C0/(C+C0)可以反映系統變量的空間自相關程度[19]。當塊金值與基臺值的比值<25%時，表明變量具有顯著的空間自相關性；當塊金值與基臺值的比值介于25%和75%之間，表明變量具有中等程度的空間自相關性；當塊金值與基臺值的比值>75%時，表明變量具有較弱的空間自相關性[27]。4種有效態土壤微量元素塊金值與基臺值的比值均<25%，表明研究區4種土壤有效態微量元素空間依賴性都較強，其空間分布主要受結構性因子(地貌、土壤類型、氣候等)影響所致。

表2　土壤微量元素有效態含量空間變異的半方差參數

3.3土壤微量元素有效態含量的空間格局

選擇上述最優半方差函數理論模型及相關參數，運用空間插值的方法繪制空間分布圖(見圖1)，并采用交叉驗證法對所用插值方法進行精度檢驗。

圖1土壤有效態微量元素的空間分布

Fig.1Spatial distribution of soil available trace elements

通過對4種土壤微量元素Kriging和反距離權重(IDW)的插值精度檢驗(見表3)，表明有效Cu在兩種插值方法中的精度均較高， RMSE分別為23.5%和25.8%，有效Fe、有效Zn的精度其次， 有效Mn的精度最弱， RMSE分別為58.1%和55.2%。因此， 對有效Cu、有效Fe和有效Zn采用Kiging插值法； 為避免插值過程中隨機性因素對插值的影響[22]，對有效Mn采用反距離權重(IDW)法進行插值， 得出研究區有效態微量元素空間分布圖(見圖1)。

從空間分布圖來看，土壤有效態微量元素的含量空間分布呈典型的條帶狀和斑塊狀格局。其中，有效態Fe較高值主要分布在研究區中部偏東南方向，與此相對應的是中部偏西北方向有效態Fe含量相對較低，且出現一小范圍的土壤有效態Fe“貧瘠點”。有效態Cu的空間分布圖主要以中低值分布，斑點狀的高含量值主要分布在研究區西南、西北方向，且梯度性差異顯著，這主要是因為土壤中的銅主要源自土壤母質，有近70%的有效態Cu存在于黏粒物質中[28]，研究區大面積林地開墾改變了土壤原有的機械組成，造成有效態Cu含量普遍較低。有效態Zn的空間分布大體與有效態Fe相近，只是較低值區域較有效態Fe加大加長。有效態Mn的含量空間分布上東部大于西部，較大值和較小值呈東南、西北對稱分布，最小值分布于中部偏南區域，處于缺乏狀態。

表3　土壤微量元素有效含量插值精度檢驗

3.4土壤微量元素有效態含量變化分析與評價

新疆農業科學研究院土壤肥料研究所根據以往在新疆各地州所做的肥料實驗結果提出了適宜于新疆農田土壤養分含量評價的指標[23]，本文以DTPA提取的土壤微量元素含量(表1)作為評價值，對荒漠綠洲過渡帶土壤有效態微量元素進行豐缺評價(見表4)。由于在實際應用過程中普遍存在以土壤表層微量元素含量代替整體的現象；而在不同土層中微量元素存在著表層土壤與下層土壤豐缺不一致的現象[29-30]。因此，提出STED的概念可以更加系統地計算有效態微量元素的豐缺性。由結果可知，研究區土壤中有效態Fe含量較豐富，有效態含量為8.85 mg·kg-1，處于中等偏上水平，有效性指數<1，相對較低；有效態Mn的含量較低，為4.24 mg·kg-1，處于較低水平，其有效性指數較高，為2.83；有效態Cu含量較為豐富，為1.58 mg·kg-1，處于中等水平，有效性指數較低；有效態Zn含量較低，為0.5 mg·kg-1，處于較低水平，有效性指數較低，為0.12。研究區土壤有效性綜合指數以有效態Fe最高，其次為有效態Zn，有效態Cu最低，僅為0.98。

表4　新疆農田微量元素的分級指標及研究區土壤微量元素密度、有效性指數比較

注：同列不同字母代表0.05水平下差異顯著。

Note： Different letters represents significant difference at 0.05 level.

4　討　論

4.1林地與開墾林地間有效態微量元素含量變化

土壤微量元素的含量是自然和人類活動綜合作用的結果[9]。本研究中土壤有效態Mn的含量變化顯著(圖2)，分別較臨界值和林地降低了17.9%和70.5%。這與李海峰等[23]對綠洲農田土壤微量元素有效態含量的特征變化研究結果不同，其認為綠洲邊緣土壤除Mn外，均缺乏Fe、Cu和Zn，并指出其研究區暫時不會出現缺Mn的威脅。造成這種差異，一方面可能由于本文的研究區為剛開墾不久的農田，耕作周期較短，未見施肥狀況或施肥力度較小；另一方面對剛開墾農田，其翻耕力度和頻率往往較大，而翻耕會增大土壤的通透性，使得氧化還原電位升高，降低了Mn的有效性[31]。因此，在剛開墾不久的荒漠綠洲過渡帶林地中施加Mn肥是有必要的。

圖2林地與開墾林地間有效態微量元素含量變化

Fig.2Changes of available trace elements contents

between woodlands and reclaimed forest lands

草地或林地致使荒漠綠洲過渡帶生態系統發生變化，農作物取代森林植被，致使初級生產固定的Fe、Zn等在土壤中的分配比例下降，從而降低了土壤中有效態微量元素的含量[8]。本研究中，有效態Fe、Zn均減少，這與董國濤等[9]對新疆三工河流域綠洲土壤微量元素的有效態含量的研究結果相一致。然而，在本研究有效態Zn減少幅度相對較小，這可能由于所屬研究區產業結構類型以棉花種植為主導，而Zn肥又對棉花的增產具有顯著的作用[32]。因此，研究區人為耕作中可能施加的少量Zn肥，會降低有效態Zn的減小幅度。

土壤微量元素在促進植物生長代謝、提高產量及品質方面具有重要意義[33]，微量元素Cu在植物生長中具有不可替代的作用。本研究中，開墾林地的有效態Cu含量高于臨界值，甚至高于林地。Kopittke等[34]認為，銅素在土壤中的有效性與植物自身緊密相關，當含量較高時，則抑制植被生長發育，而在長期的生境下植物又會通過自身調節作用，減少對銅素的吸收。因此，在植被演替過程中，土壤有效態Cu含量降低是植物一種積極適應環境的方式。在本研究中，由于林地開墾打破了植物自身的適應機理和進程，對土壤中銅素的整合作用減弱，從而使得林地開墾區土壤有效態Cu含量提高。

4.2荒漠綠洲過渡帶土壤微量元素的空間分析

在土壤中微量元素自然含量高低首先取決于成土母質的來源，其次受到生物聚集和土壤自身聚集作用的影響，從而使得土壤礦質元素、機械組成、理化性質等發生變化[35]。荒漠綠洲過渡帶是一個生態環境脆弱區，由于高幾率的被替代性、弱的抗干擾性和低概率的自我恢復性，致使綠洲荒漠過渡帶成為最脆弱、最不穩定的生態系統類型之一[36]，同時也是干旱區荒漠化進程與綠洲化進程對立斗爭的最敏感部位[37]。甘家湖荒漠綠洲過渡帶，是新疆天山北麓的典型區域。該區域受艾比湖濕地和古爾班通古特沙漠的交匯影響顯著。近年來，一方面在自然因素下(如降水等)，使得艾比湖水域伸縮性頻繁，致使甘家湖荒漠綠洲過渡帶西側土壤理化性質變化顯著；另一方面受人為活動的影響(如開墾、放牧、毀林等)，使得古爾班通古特沙漠擴增力度加強，對研究區土壤表層擾動性增大。

Cu2+適宜在酸性環境中存在[38]，研究區南側整體有效態Cu的含量普遍偏高。這可能由于艾比湖水域范圍的延伸，引起研究區地下水位的上升，從而降低了土壤的鹽堿性，致使pH值降低，而pH值的降低就會導致Cu2+沉淀。有效態Fe和Mn，在研究區范圍的西側和西北側含量降低，這可能由于林地開墾致使地表裸露，加大了相同時間內土壤溫度的提升，從而致使部分土壤微量元素含量較高，這與劉洪來等[8]研究認為，土壤溫度的上升引起鹽分向地表垂直運動加快，提高了表層土壤鹽分含量和pH值，而土壤pH值的升高在一定程度上會促進有效態微量元素在土壤中的積累結果相一致。

5　結　論

1) 研究區林地開墾后土壤微量元素中有效態Mn變幅最大，含量低于臨界值土壤數占總土壤數的32.25%。變異系數變化中，4種有效態微量元素變異系數均較高，說明其有效態含量的分布存在較好的空間異質性。半方差分析中，有效態Fe的塊金值最大，表明在小尺度范圍內，有效態Fe的變異過程仍然相對較強；有效態Mn的變程最小，表明有效態Mn的空間分布特征的差異性或復雜性較其他3種有效態微量元素顯著；4種有效態微量元素的塊金值與基臺值的比值均<25%，從而說明研究區4種有效態微量元素的空間依賴性均較強。

2) 在空間結構分布中，有效態Cu主要集中分布于研究區西南和西北部，有效態Zn和有效態Fe主要分布于中部，有效態Mn在空間結構分布中呈對稱分布且東部大于西部。通過對研究區4種主要土壤微量元素的有效性進行評價，從中看出，有效態Fe和有效態Cu相對較好，處于中等或中等偏上水平，而有效態Mn和有效態Zn則處于較低水平。

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Desert oasis ecotone of forest land tillage effects on soil trace elements

MA Xiao-fei1,2, CHU Xin-zheng1,2

(1.CollegeofGeographyandTourism,XinjiangNormalUniversity,Urumqi,Xinjiang830054,China;2.KeyLaboratoryoflakeenvironmentandResourcesinaridareaofXinjiang,Urumqi,Xinjiang830054,China)

Selection of desert oasis ecotone of forest land reclamation area as the research object, using the method of statistical tools and ArcGis spatial analysis of combining research, spatial variability of woodland effective state in soil after reclamation of Fe, Cu, Zn and Mn content and the condition of abundance or deficiency. The results showed that: After the land reclamation, the available Mn was obviously insufficient (P<0.05). The average content was 4.24 mg·kg-1. Soil with the Mn content which was lower than the critical value occupied 32.25% of all the soil. Insufficiency degrees of available Fe and available Ze ranked the second place. Fe contents in 21.82% of samples and Ze contents in 29.36% of samples were lower than critical values. The spatial variation intensities of 4 microelements exceeded 25%, while these microelements showed obvious spatial variability； Analysis of semi variance function, nugget value maximum available Fe, available Mn variable range minimum, 4 kinds of available trace elements nugget value base table value <25%, showed that 4 kinds of available trace elements spatial dependence are strong; In the space structure, sheet and patchy distribution obviously 4 available trace elements are, available Cu mainly distributed in the study area in southwest and northwest, available Zn and Fe were mainly distributed in the middle available Mn in east-west direction, symmetrically distributed and Eastern content greater than western; According to availability evaluation results, available Mn had the highest single index (Ei), which reached up to 2.83; available Fe had the highest comprehensive index (Ec) which reached up to 1.27; andEiandEcvalues of available Cu were relatively low.

soil trace element; desert oasis ecotone; reclamation of forest land; spatial variability; effectiveness evaluation

1000-7601(2016)04-0125-07

10.7606/j.issn.1000-7601.2016.04.19

2015-04-18

國家自然科學基金(41261046)；新疆師范大學地理學博士點支撐學科開放課題基金項目(XJNU-DL-201501)

馬曉飛(1988—)，男，新疆額敏人，碩士研究生，主要從事生態退化和景觀地球化學方面的研究。 E-mail：364982725@qq.com。

楚新正(1956—)，男，教授，主要從事干旱區景觀生態學研究。E-mail：xzchu@sina.cn。

S153.6+1

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