黑河下游荒漠河岸地帶土壤水鹽和養分的空間分布特征

張曉龍 ，周繼華，來利明，姜聯合，鄭元潤*，史利江

1. 山西財經大學資源環境學院，山西 太原 030006；2. 中國科學院植物研究所，北京 100093

干旱區內陸河流域荒漠河岸地帶作為荒漠生態系統重要的組成部分，在維持生物多樣性、綠洲農業生產以及提供關鍵的生態系統服務等方面起著至關重要的作用（Zhu et al.，2016）。在荒漠河岸地帶，土壤不僅通過某些物理性狀影響著植物生長，并在一定程度上影響著養分和鹽分等物質的循環與轉化（韓路等，2010；Fan et al.，2018）。研究表明，土壤理化性質的空間異質性可能是荒漠河岸植物適應策略和植被分布格局形成的重要驅動力（Ding et al.，2017)，尤其是土壤鹽漬化，土壤中大量鹽分積聚改變了植物生長環境，嚴重制約著荒漠河岸植物的生長和分布，最終導致生態系統退化（Hao et al.，2010；郄亞棟等，2018）。因此，加強荒漠河岸帶土壤理化屬性變化特征研究，對區域生態環境改善和退化生態系統恢復與重建具有重要意義。

黑河流域作為中國西北內陸典型的干旱區內陸河流域，其自然環境、人類活動與流域水文的相互影響具有良好的典型性和廣泛的代表性（程國棟等，2014）。2000年以來，隨著黑河下游生態應急輸水工程的實施，下游沿河地帶和額濟納綠洲地下水位逐年回升，生態輸水工程對荒漠河岸影響可達2000 m（司建華等，2005；Zeng et al.，2016）。受生態輸水工程的影響，額濟納綠洲地下水埋深基本保持在3 m左右，且年際變化較小（Fu et al.，2014）。該地區穩定的地下水水位提升，大大緩解了河岸植被和土壤的退化（Zhu et al.，2016；Zhang et al.，2018）。近些年關于黑河下游土壤屬性的研究，多集中在土壤鹽分特征及分布格局（高進長等，2012；趙玉等，2017）、地下水變化對土壤鹽分的影響（賈艷紅等，2008）、土壤鹽分變化對植被變化的影響（魚騰飛等，2012）等方面。在當前水文環境條件下，黑河下游荒漠河岸沿河梯度上土壤水鹽和養分具有哪些特點？土壤因子之間內在作用規律如何，以及在垂直方向上的變化規律如何？這些問題尚未得到很好闡釋。

本文通過對黑河下游額濟納綠洲沿河不同距離的土壤含水量、土壤容重、土壤pH和電導率以及碳、氮、磷、鉀等養分的研究，探討土壤水鹽和養分在垂直和水平方向的變化特征，有助于理解當前環境條件下荒漠河岸土壤理化屬性的變化規律，也為荒漠生態系統土壤恢復和管理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究地點位于黑河下游額濟納綠洲烏蘭圖格嘎渣，地理坐標范圍為42°6′0″－42°7′0″N，100°59′0″－101°3′0″E，地勢起伏小，海拔 921－925 m（Zhang et al.，2018）。該地區屬于典型溫帶大陸性氣候，年平均氣溫 8.57 ℃，≥0 ℃的有效積溫在 3500－4000 ℃；氣候極端干燥，年降水量30－40 mm，降水集中在 7－9月之間，占到全年降水量的 75%以上，地表蒸發旺盛，蒸發量是降水量的100倍以上（Fu et al.，2014；Zhang et al.，2018）。河流補給的地下水是維持該地區生態環境穩定的主要水分來源。受河流補給地下水的影響，植被沿河梯度分布明顯，隨著沿河距離的增加由河岸森林植被向荒漠灌叢更替（Zhu et al.，2014）。該地區土壤發育受母質影響明顯，主要由地帶性灰棕漠土和非地帶性綠洲土組成，隨著沿河距離的增加由壤質砂土向砂土過渡（劉蔚等，2008）。

表1 黑河下游荒漠河岸地帶樣地基本信息Table 1 Information of sampling sites in the desert riparian zone of the downstream Heihe River

1.2 試驗設計和數據收集

野外采樣于2015年8月初進行，調查樣地設置在黑河下游額濟納烏蘭圖格嘎渣沿河自然分布的檉柳（Tamarix ramosissima）林內，采樣期間未發生有效降水。由于固定生態輸水工程，洪水事件主要出現在距河道100 m范圍內（Ding et al.，2017）。為減少洪水和人為活動干擾，在海拔、土地利用、坡度等因子基本一致的環境條件下，大致以500 m為間隔，在垂直于河道約300、800、1300、2200、2450、2700、2950、3200、3700、4000和4500 m的的距離上布設采樣點11個。在灌-草類型樣地，每個樣地設置5 m×5 m的灌木樣方3個，在灌木樣方四角布設1 m×1 m的草本樣方；在草本類型樣地，布設1 m×1 m的草本樣方3個，沿河地帶共設置灌木樣方30個，草本樣方63個，并記錄地理坐標、地形、海拔、土地利用狀況以及植物群落特征等基本屬性（表1）。其中距河1800 m左右受一定程度的人為干擾，故未計算在內。在與植物群落相對應的樣地內，采集 0－10、10－20、20－30、30－40、40－50 cm土壤，去除石頭和凋落物等地表雜質后，將采集的新鮮土壤樣品儲存在冰盒中帶回實驗室，每個樣地3個重復。

1.3 土壤理化屬性分析

采用烘干法和環刀法測定土壤含水量和土壤容重，其余土壤樣品經自然風干后過2 mm篩，測定化學屬性。土壤pH采用酸度計法測定，土壤電導率采用電導儀法測定。土壤總碳、土壤總氮使用C/H/N元素分析儀（Vario EL III，Hanau，Germany）測定，土壤速效磷和土壤速效鉀分別采用紫外可見分光光度計（UV-2550，Shimadzu，Janpan）和電感耦合等離子體發射光譜儀（iCAP 6300，Thermo Scientific，USA）測定（Zhang et al.，2018）。

1.4 數據統計分析

在數據分析過程中，運用SPSS 18.0（SPSS，Chicago，USA）進行統計分析，采用單因素方差分析對荒漠河岸沿河不同樣地土層土壤水鹽和養分屬性進行差異顯著性檢驗（P＜0.05），通過LSD檢驗進行多重比較；利用Pearson相關系數分析土壤水鹽和土壤養分的關系，顯著性水平P＜0.05。

2 結果與分析

2.1 下游河岸地帶土壤水分和鹽堿的變化

在沿河梯度上，植物群落由河岸多枝檉柳（Tamarix ramosissima）群落向戈壁紅砂（Reaumuria songarica）群落過渡，群落物種數和蓋度在1300 m處達到最大（表1）。在0－50 cm土層，土壤含水量、土壤容重、土壤pH、土壤電導率、土壤總碳、土壤總氮、土壤速效磷和土壤速效鉀在不同樣地間均有顯著差異（表2和圖1），土壤含水量變化范圍為0.21%－30.61%，土壤容重變化范圍為0.86－1.95 g·cm-3，土壤pH變化范圍為7.99－9.72，土壤電導率變化范圍為0.14－72.9 ms·cm-1，土壤總碳變化范圍為2.71－36.4 mg·g-1，土壤總氮變化范圍為0.05－2.19 mg·g-1，土壤速效磷變化范圍為 1.62－22.33 mg·kg-1，土壤速效鉀變化范圍為 42.36－1521.88 mg·kg-1（表 2）。

在沿河梯度上，土壤含水量和土壤容重垂直分異上總體表現為從表層向下逐漸增加趨勢（表3）。隨著沿河距離的增加，土壤含水量均值（0－50 cm）大體表現為下降的變化趨勢，在300 m和2950 m處達到峰值，分別為 26.57%和 8.72%（圖 1），0－10、10－20、20－30、30－40、40－50 cm 土壤含水量與土壤含水量均值（0－50 cm）變化趨勢相一致（表3）；而土壤容重均值（0－50 cm）大體呈波動上升趨勢，在4500 m處達到最大，為1.73 g·cm-3（圖1），0－10 cm土壤容重有增加的趨勢，且隨著土層的加深，增加的趨勢越明顯（表3）。

隨著沿河距離的增加，土壤pH均值（0－50 cm）呈凹型變化趨勢，在距河岸300－800 m和4000－4500 m處達到峰值，分別為9.21－9.24和8.73－9.18（圖1）；表層（0－10 cm）土壤pH變化差異顯著，但波動較大，10－50 cm各層土壤pH與土壤pH均值（0－50 cm）變化趨勢相一致（圖1和表3）。土壤電導率均值（0－50 cm）呈凸型變化趨勢，在2200－3200 m 處達到峰值，為 5.69－14.92 ms·cm-1（圖1），0－50 cm各層土壤電導率與土壤電導率均值（0－50 cm）變化趨勢大體一致，表層（0－10 cm）變化趨勢最為明顯，隨著土層的加深，趨勢趨向平緩，且0－10 cm土層高于10－50 cm各層，鹽分表聚現象明顯（表3）。

2.2 下游河岸地帶土壤養分的變化

在黑河下游沿河梯度（約300－4500 m）上，土壤養分大體表現為0－10 cm土壤養分整體高于10－50 cm各層（表4）。隨著沿河距離的增加，土壤總碳均值（0－50 cm）呈顯著下降變化趨勢，在4000－4500 m處值最小，為5.71 mg·g-1（圖1），0－10 cm土壤總碳與土壤總碳均值（0－50 cm）變化趨勢相一致，且隨著土層的加深，土壤總碳下降的趨勢趨于平緩（表 4）。隨著沿河距離的增加，土壤總氮均值（0－50 cm）大體呈下降變化趨勢，在4000－4500 m處值最小，為0.11 mg·g-1（圖1），0－10 cm土壤總氮呈顯著下降趨勢，而10－50 cm各層土壤總氮則呈先下降后上升又下降的變化趨勢（表4）。

在沿河梯度（約300－4500 m）上，土壤速效磷均值（0－50 cm）隨著沿河距離的增加呈下降變化趨勢，在4500 m處達到最小，為2.81 mg·kg-1（圖1），0－50 cm各層土壤速效磷與土壤速效磷均值（0－50 cm）變化趨勢大體一致（表4）。隨著沿河距離的增加，土壤速效鉀均值（0－50 cm）大體呈波動下降趨勢，在距河3200－4500 m之間迅速下降，在4500 m處達到最小，為73.76 mg·kg-1（圖1）。隨著沿河距離的增加，0－10 cm土壤速效磷在2200 m處達到最大值后又波動下降，10－40 cm各層土壤速效磷在800－1300 m處達到最大值后又波動下降（表4）。

表2 黑河下游荒漠河岸地帶土壤水鹽和養分因子（0－50 cm）的方差分析Table 2 One-Way ANOVA of soil water-salt and nutrient factors (0-50 cm) in the desert riparian zone of the downstream Heihe River

2.3 土壤因子之間的關系

在沿河梯度上，土壤含水量與土壤總碳、土壤總氮、土壤速效磷和土壤速效鉀呈顯著正相關（P＜0.05），而土壤容重與土壤總碳、土壤總氮、土壤速效磷和土壤速效鉀呈顯著負相關，且土壤容重與土壤含水量、土壤電導率呈顯著負相關（表5）。土壤電導率與土壤pH呈顯著負相關，而土壤電導率與土壤速效鉀呈顯著正相關。土壤總碳與土壤總氮、土壤速效鉀呈顯著正相關，土壤總氮與土壤速效磷、土壤速效鉀呈顯著正相關（表5）。

圖1 黑河下游沿河土壤水鹽和鹽分因子（0－50 cm）的變化趨勢Fig. 1 Changes of soil water-salt and nutrient factors (0-50 cm) along river in the lower reaches of Heihe River

3 討論

本研究聚焦于干旱區內陸河流域下游極端干旱荒漠河岸地帶土壤水鹽和養分的變化特征。有研究表明，在荒漠河岸地帶，河水是荒漠河岸景觀發生過程的主要驅動力，與地下水相互作用共同決定著河岸生態系統的結構和功能（Tamea et al.，2009；Stromberg et al.，2013）。本研究結果顯示在沿河梯度上，土壤含水量水平分異明顯，土壤含水量隨沿河距離增加呈顯著下降趨勢（表 3）。由于洪水影響范圍有限以及極端干旱氣候（年降水30－40 mm）（劉蔚等，2008；Ding et al.，2017），土壤含水量變化可能主要是受土壤性狀和地下水作用的影響。在下游近河道綠洲地帶1.8 m深度土壤質地以壤質砂土為主（劉蔚等，2008），持水能力相對較好，地下水可能通過土壤毛孔吸力上升約1 m左右，而該區域地下水埋深約為 1.05－2.6 m（周洪華等，2012；Zhang et al.，2018），植被蓋度較高，從而導致近河區域表層土壤含水量較大。隨著沿河距離的增加，植物群落蓋度降低（表1），土壤容重呈波動上升趨勢，地下水埋深逐漸增加（Fu et al.，2014；Zhang et al.，2018），土壤質地逐漸轉變為以砂土為主，而在砂土中地下水僅能通過土壤毛孔吸力上升73 cm左右（馮起，1998），地下水很難通過土壤毛孔吸力上升到表層土壤，這可能導致土壤含水量顯著低于河岸地帶（表3和圖1）。同時，沿河梯度上近地面水分可能存在水平運動現象（張勃等，2007），進而形成土壤水分沿河逐漸降低的水平變化趨勢。另外，本研究結果表明，土壤含水量在距河2950 m處達到相對較大值，這可能與“檉柳-花花柴（Karelinia caspia）”灌草組合有一定關系，多枝檉柳以深層土壤水和地下水為主，多枝檉柳根系通過水力提升作用將深層水分帶到中淺層土壤以滿足淺根草本植物生長，相對于距河 4 km以外戈壁地區，地下水可能通過土壤毛孔吸力對中淺層土壤有一定的影響，這些因素可能導致該區域土壤含水量有所回升。在沿河梯度上，土壤含水量垂直分異總體表現為從表層向下逐漸升高趨勢（表3），與黑河中游荒漠綠洲地區（張勃等，2007）、民勤荒漠綠洲（張凱等，2011）等研究結果相類似，這可能是由于地下水波動引起的（Tamea et al.，2009；Hao et al.，2010）。也有研究表明，荒漠河岸地帶隨著沿河距離增加，地下水埋深增加，植被發育較差，有機質輸入減少，促使土壤容重增加（韓路等，2010），較高的土壤容重往往導致土壤保水能力降低，可能加劇干旱區表層土壤的干旱程度（Stirzaker et al.，1996；Ravi et al.，2010），這些研究結果符合本文中土壤含水量與土壤容重呈顯著負相關的分析結果（表 5），在一定程度上說明了干旱區內陸河下游荒漠河岸地帶土壤物理屬性可能受地下水變化的制約（賈艷紅等，2008；Zhou et al.，2010）。

表4 黑河下游沿河樣地不同土層的養分因子Table 4 Soil nutrient factors in different soil layers along river in the lower reaches of Heihe River

表5 土壤水鹽因子和養分因子之間的關系Table 5 Relationships between soil water-salt factors and soil nutrient factors

在黑河下游，額濟納綠洲成土過程受地下水影響較大，有一定的鹽堿化（劉蔚等，2008；魚騰飛等，2012）。本研究結果表明，該地區土壤pH變化范圍為7.99－9.72，隨著沿河距離增加，土壤pH值大體呈凹型變化趨勢，在距河岸300－800 m和4000－4500 m處達到峰值，而土壤電導率隨沿河距離變化趨勢與土壤pH變化趨勢相反，鹽分表聚強烈（表 3），這可能受生物和非生物因素的共同影響。在距河2200－3200 m處，較低的植被蓋度和強烈的土壤蒸發加劇了鹽分在土壤表層的集聚，這可能是導致該區域土壤電導率較高的主要原因。在靠近河道的樣地（300－800 m），如樣地S1和S2，植物群落發育良好，植被蓋度可達75%以上，地表蒸發的降低減緩了土壤表層鹽分的積累，脫鹽交換作用和藜科植物的堿化作用可能降低樣地土壤電導率，提高土壤pH值（Zhang et al.，2018）。土壤表層高pH值對胡楊（Populus euphratica）、多枝檉柳等深根性植物影響有限，主要限制草本植物生長，這可能是造成物種豐富度和蓋度最大值出現在距河約1300 m處而不是離河最近區域的主要原因（表1）。隨著沿河距離增加，植被蓋度逐漸下降，裸露地表蒸發量未降低，如樣地S10和S11（4000－4500 m），土壤電導率急劇下降，而土壤pH值有所升高，這可能是由于該區域土壤主要為砂土，地下水埋深在3 m以上，很難到達表層土壤，減少了鹽分在土壤表層的積累，且土壤母質促進了堿化土的形成。

在沿河梯度上，土壤總碳、土壤總氮、土壤速效磷和土壤速效鉀隨沿河距離增加呈顯著下降趨勢（圖1和表4），這可能是受到與地下水相關的生物和非生物因素共同作用的影響。在近河區域，良好的土壤水分和植被條件利于土壤的發育，土壤水分條件惡化導致植物群落物種豐富度、生物量和蓋度等群落屬性變差（Hao et al.，2010；Wu et al.，2013），致使以水分調節為主導的植被-土壤生態交互作用減弱，從而引起土壤碳含量和氮含量的下降，符合文中土壤含水量與土壤總碳、土壤總氮、土壤速效磷和土壤速效鉀呈顯著正相關的分析結果（表 5）。此外，土壤水分的降低會增加有機質的分解，影響土壤凈氮礦化，導致土壤中氮含量的損失，降低土壤氮含量（Jones et al.，2008）。土壤碳可以促進氮元素的供應，較好的土壤結構利于植物生長（Fan et al.，2018），較低的土壤碳含量會降低土壤中有效磷的含量（Celentano et al.，2017）。有研究表明，物種多樣性能控制磷的流失，土壤磷含量的增加有利于提高群落多樣性，這與本文中物種豐富度與土壤有效磷呈相同變化趨勢的結果相一致，這意味著植物-土壤的反饋作用能夠影響植物群落特征和土壤屬性（Kardol et al.，2006）。在垂直剖面上，0－10 cm土壤養分整體高于10－50 cm各層（表 4），這可能是由于土壤表層生態交互作用較為強烈，隨著土層深度增加，生態交互作用較差，有機質輸入減少，導致土壤養分呈現出空間差異（杜改俊等，2015）。分析認為，土壤水鹽和養分空間差異可能是水分、植被、成土母質過程共同作用的結果。這些結果有助于揭示干旱區內陸河流域荒漠河岸地帶土壤水鹽和養分的變化特征，但多個梯度的長期野外觀測更有利于加深對荒漠河岸土壤水鹽和養分變化機制的理解。

4 結論

在黑河下游荒漠河岸地帶，在0－50 cm土層，土壤含水量、土壤容重、土壤 pH、土壤電導率、土壤總碳、土壤總氮、土壤速效磷和土壤速效鉀在不同樣地間均有顯著差異（P＜0.05）。在沿河梯度水平上，土壤水分和土壤養分隨著沿河距離增加呈顯著下降趨勢，而土壤容重呈相反的變化趨勢，即隨著水分條件惡化，土壤表層水分含量逐漸降低，持水能力和肥力下降、土壤趨于貧瘠化。土壤 pH值隨著沿河距離的增加呈凹型變化趨勢，而土壤電導率則大體呈凸型變化趨勢，且土壤pH和電導率呈顯著負相關，說明該區域土壤pH和電導率有較好的相關性。在土壤剖面水平上，土壤鹽堿化程度較高，鹽分表聚現象嚴重，隨著土層的加深，土壤含水量和土壤容重呈增加趨勢，而土壤鹽堿和養分大體呈下降趨勢。結合沿河土壤和植物群落變化特征，水分條件對黑河下游的荒漠河岸土壤水鹽和養分產生直接或間接的影響，土壤退化可能引起植物群落衰退。