南疆綠洲-荒漠過渡帶“肥島”的養分特征分析

查向浩，林 寧，王 晶，張文河，李有文*

(1.喀什大學 化學與環境科學學院，新疆 喀什 844000；2. 新疆生物類固廢資源化工程技術研究中心，新疆 喀什 844000)

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南疆綠洲-荒漠過渡帶“肥島”的養分特征分析

查向浩1，2，林 寧1，王 晶1，張文河1，李有文1，2*

(1.喀什大學 化學與環境科學學院，新疆 喀什 844000；2. 新疆生物類固廢資源化工程技術研究中心，新疆 喀什 844000)

【目的】為了分析和檢驗塔克拉瑪干沙漠邊緣綠洲-荒漠中灌木“肥島”效應對荒漠土壤肥力的作用強度?！痉椒ā坎捎靡巴馊雍褪覂葘嶒灧治鱿嘟Y合的方法，測定了胡楊(Populoseuphraticu)灌叢林及周邊過渡帶中不同深度土壤養分含量；通過計算富集率和構建土壤肥力指數模型評價南疆綠洲-荒漠過渡帶的土壤肥力水平。【結果】過渡帶和灌叢下的土壤pH均呈堿性，且隨土壤深度增加堿性增強；土壤中全N、全P、全K和速效N、速效P、速效K含量都隨著土壤深度的增加而降低。富集率表明，在胡楊灌叢，土壤OM、全N、全P、全K、和速效養分含量都表現為EB>1，且EB在垂直剖面上呈現先增大后減小的趨勢，在20～40 cm深度土壤聚集效果最為顯著，其中有機質、全K、速效N、速效K富集率相對較大。SFI模型標明，綠洲-荒漠過渡帶灌叢下的土壤肥力狀況明顯高于灌叢間過渡帶?！窘Y論】胡楊灌叢下存在典型的灌叢“肥島”現象，灌木的長期生長能夠增強土壤空間異質性的作用，改善灌叢下土壤養分結構和肥力水平，使土壤沙化程度得以緩解。

綠洲荒漠過渡帶；胡楊；養分；主成分分析；土壤肥力

【研究意義】目前，土壤荒漠化速度呈現加快上升的趨勢，新疆土地面積166.498km2，其中荒漠化面積占新疆總面積的 66.74 %，成為中國土地荒漠化面積最大的省區[1-2]。胡楊(Populoseuphraticu)早在幾百年前就作為典型荒漠樹種，具有耐寒、耐貧瘠的特性，加之有較強的固沙和抗逆性，成為沙地和沙漠的重要組成部分[3-4]?！厩叭搜芯窟M展】研究表明，荒漠植被灌叢下土壤養分效應會促使 “肥島”效應的形成，使土壤-植被形成的生物循環系統過程主要集中在荒漠肥島范圍內，進而改善土壤理化環境，遏制土壤荒漠化速度，因此，肥島灌木的發展通常被認為是荒漠草原或稀樹生態系統發展的機制[5]。與此同時，荒漠中“肥島”效應的形成在一定程度上抑制了土壤的物理性狀[6-7]。【本研究切入點】本研究以塔克拉瑪干沙漠西緣胡楊林及周邊過渡帶作為研究對象，測定不同深度土壤養分含量；通過計算富集率和構建土壤肥力指數評價南疆綠洲-荒漠過渡帶的土壤肥力水平。【擬解決的關鍵問題】旨在分析和檢驗綠洲-荒漠中灌木“肥島”效應對荒漠土壤中土壤肥力的作用強度，以期為南疆干旱區荒漠生態重建與環境保護提供可靠數據和理論基礎。

1 材料與方法

1.1 區域概況

研究區域(地理坐標：N 35°17′13′′～39°30′09′′，E 80°14′11′′～86°01′07′′)位于新疆塔克拉瑪干沙漠西緣的胡楊灌木林，以胡楊林綠洲-荒漠過渡帶為中心設置1條環狀樣帶作為研究區域。胡楊灌木種植區域氣候極端干旱且風沙極大，年均降水量33.5 mm，年均蒸發量2595.3 mm，年平均風速1.9 m/s，最大可達12.1 m/s，年平均氣溫11.9 ℃，極端最高氣溫達到41.9 ℃，無霜期160～170 d。

1.2 土樣樣品采集

選取胡楊長勢一致、樹齡相似的樹體，按照等比例的隨機抽樣方法選取4個相對獨立的灌叢區域，在每個區域內設置大小相等的100 cm×100 cm典型樣地，進行土壤樣品采集。采樣前先將樣地地表的枯枝落葉清掃干凈，用鐵锨垂直于地面挖一個深度為60 cm的完整剖面，將剖面表層土壤用木鏟清除，自上而下采集1 kg土樣，將采樣點土壤樣品碾碎并混合均勻，裝入干凈的布袋內，用標簽標記，在通風、無污染的環境下自然風干，進行碾碎并過篩處理后，存放在干凈的自封袋內備用。

1.3 養分測定[8]

土壤有機質含量測定采用重鉻酸鉀氧化容量法(油浴外加熱)；全氮含量測定采用凱氏定氮法(H2SO4-HClO4消煮)；全磷含量測定采用鉬銻抗比色法(H2SO4-HClO4消煮)；全鉀含量測定采用火焰光度法(H2SO4-HClO4消煮)；堿解氮含量測定采用堿解擴散法(FeSO4滴定)；有效磷含量測定采用鉬銻抗比色法(NaHCO3浸提)；速效鉀含量測定采用火焰光度計法(NH4Ac浸提)。

1.4 數據分析

式中：SFI為土壤肥力指數；P為λ>1的特征值或與之對應的特征向量；λi為λ>1的第i個特征值；Fi為λ>1的第i個特征值對應的特征向量與土壤養分含量指標變量的線性組合(即第i個主成分)。

統計分析采用SPSS 21.0軟件；數據整理、計算采用Microsoft Excel 2003軟件。

2 結果與分析

2.1 土壤養分分析

表1顯示，灌叢區域不同層次土壤中的養分含量明顯高于灌叢間過渡帶，特別是0～20 cm土層中土壤養分含量明顯高于下層土壤。經過長期的養分積累，灌叢下土壤養分含量遠遠高于灌叢間過渡帶含量。過渡帶和灌叢下的土壤pH均呈堿性，且隨深度增加堿性增強，這是干旱地區普遍存在的問題[11]。無論是過渡帶還是灌叢下，土壤中全量以及能被植物吸收的速效養分含量都隨著土壤深度的增加而降低。

表1 不同深度土壤養分含量

表2 胡楊灌叢下不同深度土壤養分的富集率(EB=B/C)

注：E代表富集率；B代表灌木下的養分含量；C代表灌木過渡帶的養分含量。

Notes:E=enrichment ratio;B=soil nutrient cotent under shrubs;C=soil nutrient content of the shrub ecotone.

表3 特征向量

2.2 灌叢內土壤養分富集率

為了研究胡楊灌木林對土壤養分的“肥島”作用，對土壤養分的富集程度進行了分析。由表2可以看出，在胡楊灌叢下表現出不同程度的養分含量富集，其中在0～60 cm深度時，土壤中OM和全N、全P、全K以及能夠被植物生長所吸收的速效養分N、P、K都出現一定程度的向灌叢下聚集的現象(EB>1)，表現出一種“肥島”特征。

從土壤垂直剖面上看，總體上土壤養分在20～40 cm深度時，富集程度最為明顯；然而隨著深度的增加富集率反而呈現降低的趨勢。

2.3 灌叢內土壤肥力水平

運用主成分分析對胡楊灌木區域土樣養分含量進行降維分析得知，前4個主成分的特征值>1，且方差累積貢獻率達到85.8 %。根據特征向量可以看出，第一主成分主要反映的是土壤中全P、有效P養分指標的信息；第二主成分主要反映的是土壤中全K、速效K養分指標的信息；第三主成分主要反映的是土壤中有機質、全N養分指標的信息；第四主成分主要反映的是土壤中速效N養分指標的信息。

由上述4個主成分構建的SFI評價模型為：SFI=0.121OM+0.016TN+0.01TP+0.090TK+0.107AN+0.033AP+0.217AK。根據綠洲-荒漠過渡帶土壤養分指標值所計算得出的SFI模型可以看出，灌叢下的土壤肥力水平明顯高于灌叢間土壤肥力水平。

3 討 論

在塔克拉瑪干沙漠西緣胡楊灌叢林及周邊過渡帶上，土壤有機質、全量及植物生長所需的速效養分的含量及肥力狀況均表現出了明顯的差異，這與相關研究具有一致性[12]。胡楊灌叢富集率在垂直垂直剖面上呈現先增大后減小的趨勢，在20～40 cm深度中土壤聚集效果最為顯著。其中有機質、全K、速效K、速效N富集率相對較大，同時也是反映土壤肥力水平的重要養分指標[13]。胡楊灌叢下存在典型的灌叢“肥島”現象，能夠改善灌叢下土壤養分結構和肥力水平，使土壤沙化程度得以緩解。此外，人類活動、氣候等因素同樣會影響“肥島”現象的形成[14]。

綠洲-荒漠過渡帶灌叢下的土壤肥力狀況明顯高于灌叢間，表現出荒漠地區典型的“肥島”特征。灌叢下比灌叢間肥力水平高，說明動、植物的生理活動隨著時間的推移，可以影響土壤結構，進而改善土壤肥力水平[15]，這與前人研究結果具有一致性。有研究表明，土壤中能被植物吸收的速效養分和微量元素呈上升趨勢，其關鍵在于較多的枯落物覆蓋，風力作用較小時，有機物和養分含量迅速增高[16-17]。灌木的長期生長在吸收養分的同時還會起到調整土壤空間異質性的作用，對防止土壤沙化起到預防作用，而灌叢裸地間的土壤則會因缺乏水分和微生物的作用而遭到侵蝕，這種環境和生物的雙重作用導致“肥島”現象的產生，使裸地間土壤退化[18]。其他植物對改善荒漠地區土壤的作用還有待進一步研究。

4 結 論

南疆綠洲-荒漠灌叢間過渡帶不同層次土壤養分含量明顯低于灌叢區域；過渡帶和灌叢下的土壤pH均呈堿性，且隨深度增加堿性增強；土壤中全量和速效養分含量都隨著土壤深度的增加而降低。富集率表明，在胡楊灌叢，土壤中OM和全N、全P、全K以及速效N、P、K含量都表現為EB>1，且EB在垂直剖面上呈現先增大后減小的趨勢，在20～40 cm深度中土壤聚集效果最為顯著，其中有機質、全K、速效K、速效N富集率相對較大。根據SFI模型，綠洲-荒漠過渡帶灌叢下的土壤肥力狀況明顯高于灌叢間過渡帶。

胡楊灌叢下存在典型的灌叢“肥島”現象，灌木的長期生長能夠增強土壤空間異質性的作用，改善灌叢下土壤養分結構和肥力水平，使土壤沙化程度得以緩解。

[1]朱震達, 陳廣庭. 中國土地沙質荒漠化[M]. 北京: 中國科學出版社, 1994: 23-24．

[2]慈龍駿. 我國荒漠化防治現狀及防治對策[J]. 中國林業, 1999, 5(1): 14-15.

[3]王世績. 全球胡楊林的現狀及保護和恢復對策[J]. 世界林業研究, 1996, 9(6): 37-44．

[4]Li P X, Wang N, He W M, et al. Fertile islands under artemisia ordosica in inland dunes of northern China: effects of habitats and plants development stages [J]. Journal of Arid Environment, 2008, 72(6): 953-963.

[5]Aguiar M R, Sala O E. Patch structure, dynamics and implications for the functioning of arid ecosystems [J]. Trends in Ecology and Evolution, 1999, 14(7): 273-277.

[6]Bochet E, Rubio J L, Poesen J. Modified topsoil islands within patchy mediterranean vegetation in SE spain[J]. Catena, 1999, 38: 23-44.

[7]Zhang L, Cui G S, Shen W, et al. Cover as a simple predictor of biomass for two shrubs in tibet[J]. Ecological Indicators, 2015, 64(10): 266-271.

[8]鮑士旦, 江榮風, 楊超光, 等.土壤化學分析(第三版)[M].北京: 中國農業出版社, 2010: 25-250.

[9]張 玲，潘存德，趙善超，等.新疆新疆烏什縣核桃生產園土壤肥力評價[J].新疆農業科學, 2015, 52(8):1406-1411.

[10]Sims J T, Edwards A C. Integrating soil phosphorus testing into environmentally based agricultural management practices [J]. Environment Quality, 2000, 29(1): 60-71.

[11]Hu Yue-li, WU Xiao-fu. Discussion on soil microbial biomass as a bio-indicator of soil quality for latosol earth [J].Journal of Central South Forestry University, 2002, 22(3):51-53.

[12]Guo Zhi-chao. Integrated evaluation of soil fertility and leaf nutrient diagnosis ofArmeniacavulgariscv. Luntaibaixing with DRIS[D]. Urumqi: Xinjiang Agricultural University, 2013.

[13]陳廣生，曾德慧，陳伏生，等. 干旱和半干旱地區灌木下土壤“肥島”研究進展[J]. 應用生態學報，2003, 14(12): 2295-2300.

[14]Schlesinger W H, Raikes J A, Hartley A E,et al. On the spatial pattern of soil nutrients in desert ecosystems[J]. Ecology, 1996, 77(2): 364-374.

[15]孫麗敏，侯光旭. 干旱、半干旱地區植被之沙造林技術措施[J]. 防護林科技，2005, 14(6): 90-91.

[16]Qong M, Takamura H, Hudaberdi M. Formation and internal structure of tamarix cones in the Taklimakan Desert[J]. Journal of Arid Environments, 2002, 50(1): 81-97.

[17]艾合買提.那由甫, 李衛紅, 徐海量.塔里木河中游土壤分布規律及特征研究[J]. 干旱區資源與環境, 2005, 19(1):149-153.

[18]Whitford W G, Anderson T, Rice P M. Stemflow sontribution to the fertile island effect in creaso tebush, Larreat ridentata[J]. Journal of Arid Environments, 1997, 35: 451-458.

(責任編輯 李 潔)

Analysis on Nutrient Characteristics of ‘Fertile Island’on Shrubs at Oasis-desert Ecotone in South of Xinjiang

ZHA Xiang-hao1，2，LIN Ning1，WANG Jing1, ZHANG Wen-he1, LI You-wen1，2*

(1.College of Chemistry and Environmental Science, Kashgar University，Xinjiang Kashgar 844000，China；2.Xinjiang Biomass Solid Waste Reclamation Technology and Engineering Center，Xinjiang Kashgar 844000，China)

【Objective】IThe study aims to analyze and test the effect of shrub ‘fat island’ on desert soil fertility in the oasis desert in the edge of Taklimakan Desert. 【Method】The method combining field sampling and laboratory analysis was adopted, The soil nutrient contents in different depths of Populus euphratica shrub forest and its transition zone were measured, The soil fertility level of oasis-desert ecotone in South Xinjiang was evaluated by calculating enrichment rate and constructing soil fertility index model. 【Result】The soil pH in the ecotone and shrub were alkaline, which increased with soil depth; The contents of total N, total P, total K and available N, available P, available K in soil decreased with the increase of soil depth. The enrichment rate showed that the contents of OM, total N, total P, total K and available nutrient in soil wereEB> 1 in Populus euphratica shrub, andEBincreased first and then decreased in vertical section, At 20-40 cm depth, soil accumulation was most significant, in which organic matter, total K, available N and available K enrichment were relatively large. The SFI model shows that the soil fertility under shrub was obviously higher than that in the oasis-desert ecotone. 【Conclusion】There was a typical shrub ‘fertile island’ phenomenon under the Populus euphratica shrub, long-term growth of shrubs can enhance the spatial heterogeneity of soil, and improve the nutrient structure and fertility level of soil under the shrubs, The soil desertification can be alleviated.

Osis-desert ecotone; Populus cuphration; Nutrition; Principal component analysis; Soil fertility

1001-4829(2017)7-1625-04

10.16213/j.cnki.scjas.2017.7.027

2016-08-23

新疆維吾爾自治區高校科研計劃青年教師科研啟動基金(XJEDU2013S37)

查向浩(1981-)，男，河南省長葛市人，講師，研究方向為干旱區生態過程與可持續性，E-mail：zhaxianghao@163.com；*為通訊作者：李有文(1987-)，甘肅景泰人，研究方向為城市生態與土壤污染與及修復，Email：125864826@qq.com。

S156.5

A