黑河中游不同景觀類型土壤有機質與含水率變化特征

周川，胡廣錄，鄧麗媛，李嘉楠

(1.蘭州交通大學環境與市政工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省水土保持科學研究所，甘肅 蘭州 730020)

黑河流域是我國西北地區第二大內陸河流域，其中游地區為我國重要的商品糧生產基地.近年來，伴隨全球變暖和人類一些不合理的社會經濟活動(如水資源匱乏、過渡開墾、放牧等)，使得該區域的水土資源高效利用矛盾日漸突出，黑河流域的生態環境亦出現不同程度的惡化跡象[1-3].事實上從20世紀70年代中期開始，在黑河流域就進行了大量的研究工作，如流域水、土資源的數量和質量以及其開發潛力等問題[4-6].專家學者們對于黑河中游地區的研究多集中在生態環境需水以及水土資源高效利用等方面，如李騫國等[7]基于生境質量為綠洲劃定城鎮增長邊界；羅家順、胡廣錄等[8-9]對黑河中游的土壤水分狀況以及其與固沙植被的相互關系展開了系統的研究；孔君洽等[10]根據土地利用類型以及植被覆蓋變化對土壤碳儲量的影響作出了預測.也有部分學者對黑河中游地區生態植被的土壤養分狀況開展過研究，如孫特生等[11]針對荒漠綠洲梭梭根系土壤養分的富集情況進行了探討；馬志敏等[12]對黑河荒漠綠洲地區的土地養分變化特征進行了分析.但少有學者對黑河流域中游地區不同景觀類型的土壤養分以及土壤含水量情況進行綜合分析研究.

土壤有機質是土壤固相部分的重要組成成分，是植物營養的主要來源之一，它能促進植物的生長發育，改善土壤的物理性質，促進微生物和土壤生物的活動，提高土壤肥力和持水性能.土壤有機質含量的高低直接表明了土壤肥力狀況，進而反映土壤潛在生產力的大小[13].土壤水分對植物生長發育必不可少，尤其對于干旱區旱生植物來說，土壤含水量的多少顯得尤為重要，決定了旱生植物群落的演替動態和方向[14-15].黑河中游地區特殊的氣候和環境條件，孕育了特殊的土壤類型及不同的土壤質地，加之特有的內陸河水資源分布格局，形成了依水擴展的綠洲和其外圍的荒漠景觀，不同景觀類型的土壤有機質和含水率條件是農業生產、植物分布及生長發育的限制因子.

本研究系統探究黑河中游地區不同景觀類型的土壤有機質及土壤含水率分布特征以及他們之間的相互關系，旨在為黑河中游地區實施農業生產活動和生態修復工程提供參考依據.其創新點在于將各個景觀類型綜合探討，直觀表現各景觀類型土壤有機質、土壤含水率的分布特征以及它們之間的相關關系.

1 研究區域概況與方法

1.1 研究區域概況

研究區位于河西走廊張掖市臨澤縣北部的河流-綠洲-荒漠過渡區域，地理位置為N 39°20′52″～39°22′01″，E 100°09′12″～100°09′22″.該區域氣候類型屬于溫帶大陸性荒漠氣候，年平均氣溫8.9 ℃，≥0 ℃的活動積溫3 544.6 ℃，≥10 ℃的活動積溫3 092.4 ℃，無霜期平均152 d,年平均降水量約117 mm，降水多集中在6～9月，約占全年降水量的70%～80%，年平均蒸發量2 390 mm以上，空氣相對濕度可達46%.在該區域選取4個不同的景觀類型，即河岸林、農田、荒漠-綠洲過渡帶和荒漠景觀.河岸林景觀采樣點在黑河邊上，表層土壤為壤土，深層土壤為砂質土壤，多含砂礫石，該景觀的植被主要以人工種植的楊柳樹為主；農田景觀為人工開發的農業耕作區域，該景觀土壤類型為典型的綠洲耕作土壤，主要農作物類型是玉米、小麥等；荒漠-綠洲過渡帶景觀土壤類型為灰棕漠土，代表植被有泡泡刺、沙拐棗、梭梭等；荒漠景觀土壤類型為風砂土，植被多為一年生的草本植物，如沙蓬等.四類不同景觀屬于同一研究區，可認為區域的日照強度、氣候環境等基本相同.

1.2 研究方法

以河岸林、農田、荒漠-綠洲過渡帶和荒漠4個景觀類型為研究對象，分析探討各景觀類型垂直方向0～100 cm土層范圍內土壤有機質與土壤含水量的變化特征.采樣時間為2019年5～10月.該時間段內的累計降水量為114 mm，占一年總降雨量的90.47%.5～10月的最高氣溫為32.60 ℃，最低氣溫為7.92 ℃，平均氣溫為18.58 ℃.5～10月的最大日蒸發量為14.4 mm，最小日蒸發量為0 mm，日平均蒸發量為8.46 mm.采樣方式為：在河岸林景觀選取3個平行的采樣點，在農田、荒漠-綠洲過渡帶以及荒漠景觀選取6個平行的采樣點，并用GPS進行定位，利用Φ=5 cm土鉆采樣，采樣土層分別為0～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm.將每個采樣點不同土層的土壤樣品裝入密封袋帶回實驗室后立即進行測定.用SX-5-12型箱式電阻爐測定土壤有機質含量.測定時，從每個樣品袋里稱取3份土樣，每份土樣各1 g，分裝在3個坩堝中，稱取坩堝和土樣的總質量后，放到SX-5-12中灼燒8 h，然后稱取灼燒后的坩堝和樣品的總質量，灼燒前與灼燒后的質量差即為一個土樣的土壤有機質含量.實驗結束后取平行樣品的平均值即為該采樣點的土壤有機質含量.

土壤含水率測定采用烘干法，測定時先稱取鋁盒的質量m，然后將每個樣品袋的土樣取出分裝在3個土壤盒中，再稱取鋁盒和土樣的總質量m1，將裝有土樣的鋁盒放進烘箱烘12 h后，取出稱取烘干后的鋁盒和土壤總質量m2，烘干前與烘干后的質量差即為土壤水分質量.將土壤水分質量除以干土壤質量即得該土樣的土壤含水率，同一土層所有平行樣品土樣的平均值即為該土層的土壤含水率.土壤含水率計算如下：

ω=(m1-m2)/(m1-m)

式中：ω為土壤質量含水率，%；m為鋁盒質量，g；m1為初始質量，g；m2為烘干后的質量，g.

1.3 數據處理

用Origin 2018繪制土壤有機質與土壤含水率變化圖，并分析不同景觀類型土壤有機質在垂直方向上的變化，再運用Origin 2018分析土壤有機質隨土壤含水量的變化特征.

2 結果與分析

2.1 土壤有機質垂向上的分布特征

黑河中游地區河岸林、農田、荒漠-綠洲過渡帶和荒漠4個景觀類型的土壤有機質隨土層深度的變化趨勢，如圖1所示.

河岸林景觀5、8、9月份土壤有機質含量隨土層深度的增加呈現增大-減小-增大的變化趨勢，而6、7月份呈現增大-減小的變化趨勢，10月呈現增大-減小-增大-減小的變化趨勢.5～10月份土壤有機質含量最大值皆出現在10～20 cm土層，分別為0.047、0.051、0.053、0.058、0.064、0.066 g.

農田景觀土壤有機質含量隨土層深度的增加都呈現增大-減小的變化趨勢，最大值皆出現在10～20 cm土層，5～10月土壤有機質含量最大值分別為0.067、0.051、0.043、0.044、0.043、0.062 g.

圖1 不同景觀類型的土壤有機質隨土層深度變化Figure 1 Soil organic matter in different landscape types varies with soil depth

荒漠-綠洲過渡帶景觀5月份土壤有機質含量隨土層深度的增加呈現增大-減小-增大的變化趨勢，6月份呈現減小-增大-減小的變化趨勢，7、8、9、10月份均呈現增大-減小的變化趨勢.5、6、7、8、10月份土壤有機質含量最大值皆出現在40～60 cm土層，分別為0.037、0.034、0.033、0.025、0.022 g，9月份土壤有機質含量最大值出現在20～40 cm土層，為0.028 g.

荒漠景觀5、6、9、10月份土壤有機質含量隨土層深度的增加呈現增大-減小的變化趨勢，7、8月份呈現增大-減小-增大-減小的變化趨勢.5、6、9月份土壤有機質含量最大值出現在40～60 cm土層，分別為0.012、0.015、0.015 g，7、8月份土壤有機質含量最大值出現在60～80 cm土層，分別為0.015、0.015 g，10月份土壤有機質含量最大值出現在10～20 cm處，為0.018 g.

由此可見，4個景觀類型的土壤有機質含量總體上隨土層深度的增加呈現出先增大后減小的趨勢，但荒漠-綠洲過渡帶和荒漠景觀的土壤有機質含量相對于河岸林和農田景觀而言整體上偏小，且呈現出最大值土層下移的現象.

2.2 土壤含水率變化特征

黑河中游地區河岸林、農田、荒漠-綠洲過渡帶和荒漠4個景觀類型的土壤含水率隨土層深度的變化趨勢，如圖2所示.

河岸林景觀5、6、7月份土壤含水率隨土層深度呈現增大-減小-增大的變化趨勢；8月份土壤含水率呈現增大-減小-增大-減小的變化趨勢；9、10月份呈現減小-增大-減小-增大的變化趨勢.5、6、7、8、9、10月份土壤含水率最大值都出現在20～40 cm土層，分別為28.872%、27.748%、15.785%、24.962%、24.855%、23.317%.

農田景觀6、7、8、9、10月份土壤含水率隨土層深度呈現減小-增大的變化趨勢；5月份呈現增大-減小-增大的變化趨勢.5月份土壤含水率最大值出現在10～20 cm土層，為16.826%；6、7、8、10月份土壤含水率最大值都出現在0～10 cm土層，分別為19.037%、15.607%、15.907%、16.600%；9月份土壤含水率最大值出現在80～100 cm土層，為17.643%.

圖2 不同景觀類型的土壤含水率隨土層深度變化Figure 2 The soil moisture content of different landscape types varies with soil depth

荒漠-綠洲過渡帶景觀5、8、10月份土壤含水率隨土層深度呈現增大-減小-增大的變化趨勢；7、9月份呈現增大-減小的趨勢；6月呈現減小-增大-減小-增大的趨勢.5、6、7、8、9月份土壤含水率最大值出現在40～60 cm土層；分別為3.752%、2.789%、3.474%、2.624%、2.841%；10月土壤含水率最大值出現在80～100 cm土層，為2.532%.

荒漠景觀5、6、7、8、9、10月份土壤含水率呈現增大-減小-增大的變化趨勢.5、9月份土壤含水率最大值都出現在10～20 cm土層，分別為3.368%、3.786%；6、7、8、10月份土壤含水率最大值出現咱80～100 cm土層，分別為3.103%、2.594%、3.998%、1.675%.

由此可見，河岸林景觀土壤含水率隨土層深度增加總體上呈現增大-減小-增大的變化趨勢；農田景觀總體上呈現減小-增大的變化趨勢；荒漠-綠洲過渡帶景觀總體上呈現增大-減小-增大的變化趨勢；荒漠景觀總體上呈現增大-減小-增大的變化趨勢.荒漠-綠洲過渡帶景觀和荒漠景觀土壤含水率明顯低于河岸林景觀和農田景觀.

2.3 土壤有機質與土壤水分的相關關系

為了探討不同景觀類型的土壤有機質與土壤水分之間的相關關系，用Origin 2018擬合出土壤有機質含量與土壤含水量的關系曲線.從圖3可以看出，河岸林景觀和荒漠景觀不同土層的土壤有機質含量均隨著土壤含水率的增大而減小，而農田景觀和荒漠-綠洲過渡帶景觀不同土層的土壤有機質含量均隨著土壤含水率的增大而增大.擬合曲線表明，河岸林景觀各土層的土壤有機質與土壤含水率均呈負相關關系，其中0～10 cm土層的負相關程度最高，R2=0.919，除60～80 cm、80～100 cm土層外均呈曲線相關關系.農田景觀各土層的土壤有機質與土壤含水率均呈正相關關系，其中10～20 cm土層的正相關程度最高，R2=0.959，除60～80 cm土層外均呈曲線相關關系.荒漠-綠洲過渡帶景觀各土層的土壤有機質與土壤含水率均呈正相關關系，其中20～40 cm土層的正相關程度最高，R2=0.871，除60～80 cm土層外均呈曲線相關關系.荒漠景觀各土層的土壤有機質與土壤含水率均呈負相關關系，其中10～20 cm土層的負相關程度最高，R2=0.767，且各土層土壤有機質與土壤含水率均呈曲線相關關系.

3 討論

土壤有機質含量是反映土壤肥力高低的主要指標.有機質對土壤肥力影響較大，對于增加土壤團聚體、改善土壤結構都有直接的作用.土壤含水率是農

圖3 各景觀類型不同土層的土壤有機質含量與土壤含水率關系Figure 3 Relationship between soil organic matter content and soil moisture content in different soil layers of various landscape types

業生產和植物生長分布的主要限制因子之一，土壤含水率的大小直接決定了當地植物類型的選擇.研究干旱區不同景觀類型的土壤有機質以及土壤含水率的變化特征對干旱區合理的農業種植結構以及防風固沙植物選擇具有重要的意義.

3.1 土壤有機質垂向變化特征

圖1結果表明，在植被較為豐富的河岸林景觀土壤有機質隨土層深度的增加基本呈現增大-減小的變化趨勢，這可能是由該景觀類型的植被類型以及土壤結構造成的.黑河中游地區河岸林的植被類型是以檉柳為主的灌木和夾雜人工種植的楊柳，表層多覆蓋草本植物[14-15]，根系密集范圍在10～40 cm土層，理論上該區域的土壤有機質含量較高[16]，但隨著表層水分下滲作用，表層的土壤有機質容易隨水流下滲富集到根系區[17]，這便導致河岸林景觀土壤有機質最大值出現在土壤質地相對良好且植被根系相對發達的10～40 cm土層.然而，河岸林景觀在40 cm左右土層，土壤類型就從壤土向砂礫石結構轉變，砂礫石結構的土層植物根系難以對土壤有機質起到保持作用，土壤有機質容易隨著水流下滲而流失，加之河水側滲，使得富集在20～40 cm土層根系處的土壤有機質流失嚴重，而10～20 cm土層的土壤類型為壤土，植被根系相對發達，對土壤有機質能夠起到很好的保持作用，因此河岸林景觀10～20 cm土層的土壤有機質含量最大.

在農田景觀，土壤有機質含量隨土層深度的增加呈現增大-減小的變化趨勢.農田景觀的采樣點位于臨澤縣平川鎮，屬于較早耕墾的農田.土壤為風沙土和灰棕漠土，土壤有機碳和全氮含量較低[18]，該采樣區主要農作物為玉米，農田作物生長離不開有機肥[19-20].相關統計數據表明，2004年以后，臨澤縣農田以種植玉米為主，尤其大力發展制種玉米，對玉米田投入的尿素達363.64 kg/hm2、投入的硫酸復合鉀肥達227.27 kg/hm2.玉米田大量使用化肥使得表層土壤的有機質顯著提高，加之干旱區玉米根系主要集中在10～20 cm[21]，這就使得10～20 cm耕作層的土壤有機質含量最大，犁底層之下的各層土壤有機質含量逐漸減小.

在荒漠-綠洲過渡帶景觀，土壤有機質含量隨土層深度的增加呈現增大-減小的變化趨勢，土壤有機質的最大值出現在40～60 cm土層深度.該景觀取樣點附近主要灌木植物為梭梭、沙拐棗、泡泡刺，間有一年生的草本植物沙蓬等.該景觀土壤質地以粗粒質的砂壤土為主，土壤中有機質含量稀少，植物為了得到更多的養分和水分，生長發育的超旱生植物根系都相對發達[22].根據前人研究，該區域生長的梭梭根系多位于40～60 cm土層深度[23-25].該土層中植物根系的分泌物、腐根以及微生物和動物的排泄物含量相對較高，富集了較多的有機質成分，因此，該土層的土壤有機質含量相對較高.

荒漠景觀的土壤有機質含量隨土層深度的增加呈現先增大-減小的趨勢，最大值基本出現在20～40 cm土層.荒漠區土壤為風沙土，植物類型稀少且大都是一年生草本植物，呈集群分布，生長發育狀況與季節及年內降水量關系較大，植物主根系最大延伸深度在20～40 cm土層，土壤有機質受草本植物根系分布的影響，則主要集中在這個土層范圍.

3.2 土壤含水率變化特征

圖2研究結果表明，河岸林景觀土壤含水率隨土層深度的增加基本呈現增大-減小-增大的變化趨勢，土壤含水率最大值基本出現在20～40 cm土層，這可能是由采樣點土壤類型決定的.河岸林景觀40 cm以下土壤結構基本為砂礫石結構，持水能力較弱.所以土壤含水率最大值基本位于20～40 cm土層.而且深層土層土壤含水率有明顯增大的趨勢，一方面可能是受到地下水水位抬升的影響，另一方面可能是來源于河水側滲的影響[26].由于取樣點位于黑河岸邊不遠處，根據采樣時的GPS定位數據，采樣點地面高程為1 384.0 m，黑河5～10月份的內水位基本為1 382.5～1 383.2 m.7～9月降水相對集中，黑河水位較高，河水容易側滲，增加了黑河邊河岸林帶深層土壤的含水量.

農田景觀土壤含水率隨土層深度增加基本呈現減小-增大的變化趨勢，土壤含水率最大值基本出現在0～10 cm土層.采樣區農田景觀的農作物類型主要是玉米，屬于灌溉農業，灌溉方式主要為漫灌[27].由于作物各個生育期的特點不同，對水分的需求亦有差異，按需灌溉是為了保證作物在全生育期的正常需水要求[28].當地氣候干旱，蒸發劇烈，有限的降水不能滿足作物生長需要，當地農民會在玉米成長到臘熟期之前進行定期灌水，以確保作物正常生長.因此，表層(0～20 cm)土壤含水率較高.季節間農田的灌溉量不同，各土層的土壤含水量亦不同.但部分月份深層80～100 cm土層的土壤含水量最高，如9月份，這可能與當月農田灌溉和降雨有關.9月份是玉米即將成熟的階段，由于此月的取樣時間是在灌水后不久，水分下滲到深層土壤，由此導致9月份深層土壤含水率抬高.然而當地蒸發強烈，淺層(20～60 cm)和表層(0～20 cm)土壤水分易蒸發，因而導致深層土壤水分含量最大.根據當年的降雨觀測數據顯示，該地區9月份降雨量在一年中的占比較大，占全年降水量的20.47%，大多數屬于短歷時的降雨，表層土壤水分能得到一定的補給，導致表層土壤水分含量略大于淺層(10～40 cm)土壤水分含量.降雨的相對集中也可能導致區域地下水位在一段時間內的抬升[29-30]，進而導致底層較深土層的土壤含水率略微升高[31].

荒漠-綠洲過渡帶景觀土壤含水率隨土層深度增加基本呈現增大-減小-增大的趨勢，且各土層月際間存在較大差異，但土壤含水率最大值出現在40～60 cm土層，這可能是由當地植被分布特點引起的.荒漠綠洲過渡帶多為超旱生植被，梭梭、沙拐棗、泡泡刺等呈混雜的斑塊狀格局，植物根系多位于40～60 cm土層[23-25]，植物根系通過吸收深層土壤中的水分來滿足自身生長需要，因而使得植物根系區水分相對充足，外加植物根系具有固結土壤的作用，使得根系區的土壤持水能力更強[32-34].而深層(80～100 cm土層)土壤含水率出現小幅度的增加，可能是荒漠植物所具有的水力提升作用引起的[31].

荒漠景觀土壤含水率基本呈現增大-減小-增大的趨勢，土壤含水率最大值基本出現在80～100 cm土層.主要是因為荒漠景觀土壤為風沙土，土壤持水能力很弱[35]，土壤水分多為地下水補充，深層(80～100 cm土層)土壤含水量通常較高.部分月份(9月份)表層土壤含水率最高，這可能與前期降水有關，導致該時間段表層土壤含水量較高.

3.3 土壤有機質與土壤水分相關關系

農田和荒漠-綠洲過渡帶景觀土壤有機質的含量隨土壤含水率的增加而增加，這與張宏偉、張克海等[36-37]的研究結果一致.土壤有機質不僅可以改善土壤結構和持水能力，改善土壤的水力性質，還可以有效促進土壤團聚體的形成，并增強土壤團聚體的穩定性.所以，提高土壤有機質含量可以有效提升土壤含水量.且根據相關學者研究發現，適量增加土壤有機質可以改善土壤含水量，促進植物生長[38-39].而在河岸林景觀和荒漠景觀，土壤有機質隨土壤含水率的增加而增加.這是因為在河岸林和荒漠景觀，由于特殊的地理位置及受其他因素的影響，土壤含水率對土壤有機質的影響受到限制.如河岸林景觀土壤結構相對復雜，表層是壤土，深層土壤則是沙質土壤，有些地方深層土壤由砂礫石構成，所以，在河岸林景觀，土層越深，土質越疏松，河水側滲現象嚴重，土壤有機質淋溶損失較大[40]，因而深層的土壤有機質含量相對稀少.荒漠景觀地表裸露嚴重，蒸發量巨大，土壤含水量非常稀少，但在深層，受上覆砂層保護，土壤水分不易蒸散損失，且容易得到深層地下水分的補充，土壤含水量相對較大.這可能就是河岸林景觀和荒漠景觀土壤有機質與土壤含水量呈現負相關關系的主要原因.

4 結論

通過對河西走廊臨澤縣北部的綠洲-荒漠區域不同景觀類型的土壤有機質和土壤水分進行采樣分析，探明了該區域不同景觀類型的土壤有機質和土壤水分變化特征及其相互關系.河岸林、農田、荒漠-綠洲過渡帶和荒漠景觀的土壤有機質含量基本上隨土層深度增加均呈現增大-減小的變化趨勢，但各土層的土壤有機質在季節間存在差異，這可能與降水、植物生長發育以及灌溉等農事活動有關.各景觀類型的土壤含水率除農田景觀隨土層深度增加呈現減小-增大的變化趨勢外，其他景觀類型則是隨土層深度增加呈現出不同程度的增大-減小-增大的變化趨勢，且各土層的土壤含水率季節間存在顯著差異，這可能與氣候變化(降水、蒸發等)、植被覆蓋、灌溉、地下水變幅等因素有關.對比分析各景觀類型的土壤有機質與土壤水分之間的相關性發現，農田景觀和荒漠-綠洲過渡帶景觀各土層的土壤有機質含量與土壤含水率呈正相關性，其中農田景觀10～20 cm土層的正相關程度最高(R2=0.959)，荒漠-綠洲過渡帶景觀20～40 cm土層的正相關程度最高(R2=0.871)；而河岸林景觀和荒漠景觀各土層的土壤有機質含量與土壤含水率呈負相關性，其中河岸林景觀0～10 cm土層的負相關程度最高(R2=0.919)，荒漠景觀10～20 cm土層的負相關程度最高(R2=0.767).

土壤有機質與土壤水分的相互作用及耦合能很好地改善土壤質地和土壤理化性狀.因此，根據黑河中游不同景觀類型的土壤有機質和土壤水分變化特征及其相互關系，合理利用區域內不同景觀類型的水土資源，優化農業產業結構，調配生態植被需水量，提高防風固沙植被的成活率，對于維持綠洲安全穩定和改善區域生態環境具有重要的現實意義.