荒漠化地區土壤理化性質及其對胡楊林生長的影響

鐘家驊, 管文軻, 易 秀, 霍艾迪, 秦 媛, 劉德林, 何曉霞

(1.長安大學 旱區地下水文與生態效應教育部重點實驗室, 西安 710054; 2.新疆林業科學院, 烏魯木齊 830002; 3.新疆塔里木胡楊林國家級自然保護區, 新疆 庫爾勒 841000)

在生態系統中，土壤作為陸地生態系統得以維持與正常運轉的最基本載體，與植被相互依存。一方面，土壤水鹽是荒漠區植被地下生境的關鍵因子，直接影響和制約著天然植被的發育[1]；另一方面，天然植被是抑制荒漠化過程及保護生物多樣性的重要因素[2]。因此，土壤理化性質的空間分布特征及其與植被生長間的關系是開展恢復生態學研究的重點領域之一[3]。

胡楊(PopuluseuphraticaOliv.)，為楊柳科(Salicacece)楊屬(populus)中的古地中海孑遺樹種，主要分布于北緯30°～50°，亞洲中、西部荒漠區及地中海、北非和歐洲南部。塔里木盆地是胡楊林分布的主要區域，其面積約占全國胡楊林面積的比例為89.1%[4]，占世界胡楊林資源的54.3%[5]。近幾十年來，隨著人口增加與水、土資源的不斷開發利用，塔里木河(簡稱塔河)中下游地區植被衰敗，大片胡楊林死亡，沙漠化面積擴大，生態環境嚴重惡化，已成為制約流域社會經濟和生態環境可持續發展的主要因素[6]。調查結果顯示，塔里木胡楊自然保護區內胡楊林面積2007年為6.26萬hm2，相比1973年減少了50%[7]?，F有研究表明，土壤性狀方面，在塔河中游，0—20 cm土層pH值在8.3～8.57，有機質在0.62%～1.72%，全鹽量在0.45%～1.27%，受河水漫溢和植物根系的影響，鹽分、pH值、養分等隨土層深度增加而降低的規律不太明顯，土壤含水量是影響干旱區植物生長的首要因子，土壤質地、全鹽量、pH值是影響荒漠河岸林群落演替的主要因子[8]。中游地區胡楊林不同的演替階段，胡楊幼齡、中齡、成熟和過熟林下土壤養分集中在0—20 cm土層，近熟林則集中在0—10 cm和地表以下20—40 cm土層；土壤有機質、堿解N、速效P、速效K質量分數隨胡楊林演替過程先增加后降低[9]。而依據地下水位與植被發育狀況，可將塔河中游河岸林分為河岸地帶、過渡地帶、荒漠地帶3種生境，河岸地帶與過渡地帶植被蓋度可達80%以上；在植被發育較差的荒漠地帶土壤容重下降，鹽分含量增加；水熱組合合理的過渡地帶土壤有機質、全磷、全鉀最高[8]。塔河下游鐵干里克綠洲荒漠過渡帶，0—50 cm土層有機質在0.36%～0.84%，pH值7.79～8.82，土壤均呈堿性，且部分地區堿性較強，不同的監測區中植被優勢種絕大部分為耐鹽堿的灌木與草本植物[3]。類似的研究表明，阿其克蘇河下游河岸帶土壤為堿性，有機質在0.32%～2.77%，堿解氮和速效磷含量遠低于土壤中有機質的含量；0—10 cm土層全鹽量不高，均值為0.37%，最高可達0.76%；胡楊生長良好條件下0—10 cm土層有機質在0.8%～2.5%，全鹽量在0.5%～0.7%[10]。在艾比湖濕地，土壤質地以粉砂質壤土與砂質壤土為主，土壤鹽化程度高，多有堿化現象，胡楊疏林采樣點0—20 cm土層含鹽量達5%，有機質含量低，其空間變化說明河流促進沿岸植被生長，而對有機質積累起到積極作用[11]；全鹽量為16.85%的土壤條件下，胡楊無法生長；土壤鹽漬化抑制胡楊對養分的吸收，即使有機質含量較高，胡楊的生長亦會受抑制[12]。疏勒河下游，表層土壤含水量在0.8%～4.49%，全鹽量在2.99%～23.75%，自中游向下游土壤水份減少，鹽分增加，胡楊生長受到土壤水鹽脅迫，是下游胡楊林矮小、空心、朽心的重要原因[1,13]。在渭干河—庫車河三角洲綠洲，檉柳、鹽穗木和蘆葦是綠洲鹽漬土上的優勢植物，廣泛分布于各種鹽漬化生境，土壤鹽分是土壤化學因子中影響植被分布的主要因子[14]。

植被的演替發育會隨著土壤理化性質、水分、養分、地形等因素變化而呈現不同的生長特征。由于嚴酷的環境抑制了幼苗的萌發與存活，目前，研究區內胡楊林資源在種群結構上幼齡期個體較少，種群維持面臨困難，拯救胡楊林行動迫在眉睫。目前對塔河中游不同植被發育條件下土壤理化性質及其與胡楊生長狀況間對應關系的研究較少，本文以保護區為研究區域，研究胡楊林不同生長環境下土壤理化性質，了解土壤養分與鹽分的動態變化及與胡楊林退化過程相互聯系，為科學利用與保護塔河流域水土資源與胡楊林更新復壯提供理論依據。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

塔里木胡楊國家級自然保護區位于新疆巴音郭楞蒙古自治州，橫跨尉犁與輪臺縣；地處塔克拉瑪干大沙漠北緣，位于塔河中游英巴扎—喀爾曲尕段，以塔里木盆地內陸干旱區中的胡楊林荒漠生態系統為保護對象。保護區東西長109.7 km，南北寬47.1 km，總面積39.54萬hm2，位于北緯40°55′—41°15′，東經84°15′—85°30′。保護區屬溫帶大陸性平原區荒漠氣候，區內年平均氣溫10.9℃，年日照時數為2 442～2 925 h，極端最低氣溫-25.5℃，氣溫年均日較差14.6℃，≥10℃積溫4 125.3℃，無霜期180～224 d，年平均降雨量65.5 mm，年均蒸發量2 024 mm[8]，年平均風速1.8 m/s[9]，全年盛行東北風，其次為西南風，海拔高度912 m[9]，地面坡降約1/4 000[7]。植物組成以楊柳科、檉柳科、豆科、菊科、禾本科為主，土壤以胡楊林土、荒漠土、鹽堿土和沙土為主[8]。該區草本植物主要有蘆葦、脹果甘草、駱駝刺等，灌木主要以多枝檉柳、鈴鐺刺為主，胡楊為該區喬木層主要建群種[9]。

塔河自西向東橫貫保護區全境，在區內的河段長度為162.2 km，區內常年性河流總長為310.2 km。塔河汛期在區內由于滲漏、兩岸漫溢等消耗的水量為2.6～3.2億m3，區內地下水的99.2%由地表水垂直入滲轉化而來[15]。據2007年的遙感影像分析，保護區內胡楊林面積為6.26萬hm2，旱生草地面積為16.61萬hm2，水域面積為3.25萬hm2，農田面積為1.1萬hm2，鹽堿地面積為7.55萬hm2，沙漠面積達7.22萬hm2[15]。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設置與情況介紹 采用實地考察、布設樣地、植被調查、樣品采集與試驗分析等方法，研究在胡楊林不同生境下的土壤理化性質。2016年9月，時值塔河汛期，在塔里木胡楊國家級自然保護區內進行野外調查，將胡楊林群落的生境分為荒漠化區、過渡地帶與河岸地帶3種類型，所選5個樣地呈南北向分布，位于塔河南岸的樣地編號為；S1，S2和S3，編號從S1—S3依次靠近河岸；位于塔河北岸的樣地編號為：N1，N2，N1接近河岸，N2距河岸較遠。調查區內胡楊林生長情況，包括植被種類、生境、蓋度等，主要植物種類有胡楊、灰楊、沙棗、枸杞、鹽穗木、鈴鐺刺、駱駝刺、甘草等。不同樣地植被調查狀況詳見表1。

表1 研究區不同區域植被生長狀況

1.2.2 樣品采集與測試方法 依據胡楊林群落不同的生境類型在河道干流的南北兩岸選取樣地進行土壤樣品采集，其中S1，S2，S3樣地在塔河南岸，N1，N2樣地在塔河北岸。樣地規格為100 m×100 m正方形，每個樣地內設置3個30 m×30 m的樣方，每個樣方內隨機選取3個點，每個點采集0—20 cm厚表層土樣，混合后用四分法取得1 kg左右,每個樣地采得3個土壤混合樣。樣品經處理后進行各項指標的測定。堿解氮采用堿解—擴散法，速效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提鉬銻抗比色法，速效鉀采用NH4OAc浸提—火焰光度法，機械組成采用比重計法、pH值采用玻璃電極法、有機質采用重鉻酸鉀外加熱法、含鹽量采用殘渣烘干法測定。

1.2.3 數據處理方法 植物數量調查以蓋度為主要指標，以所設置的樣方中植被垂直投影面積占樣方面積的比率求得。各項土壤理化指標經分析測試后，結果采用Excel 2007軟件取平均值并作圖表，統計分析采用DPS 7.05軟件，運用單因素方差分析和多重比較進行各樣地土壤指標的差異顯著性檢驗，用典型相關分析提取典型變量分析兩組變量間的關系。

2 結果與分析

2.1 土壤理化性質

2.1.1 土壤機械組成 按美國制粒級劃分，將土壤顆粒分為黏粒(≤0.002 mm)、粉粒(0.05～0.002 mm)和砂粒(2.0～0.05 mm)3大類別。研究區各樣地的土壤中，砂粒含量在4.2%～80.5%，砂粒的徑級組成主要是細砂(0.25～0.10 mm)和極細砂(0.10～0.05 mm)；粉粒含量在17.4%～88%，粉粒組成集中在0.05～0.01 mm粒徑范圍內；黏粒含量在2.1%～19.4%；從整體上看，研究區內土壤的機械組成以粉粒與極細砂為主。不同編號樣地土壤質地如下，S1樣地：粉土；S2樣地：粉壤土；S3樣地：粉壤土；N1樣地：砂質壤土；N2樣地：壤質砂土。土壤顆粒大小分布情況與土壤的質地詳見表2。

表2 研究區不同區域的土壤顆粒分布

注：同行不同小寫字母代表差異顯著(p<0.05)，下表同。

2.1.2 土壤化學性質 結果表明，保護區土壤的pH值范圍在7.83～8.46，有機質含量范圍在0.33%～0.80%，堿解氮含量范圍在8.8～30.6 mg/kg，速效磷的含量在3.9～21.8 mg/kg，速效鉀的含量在116～758 mg/kg。S3與N1樣地的有機質含量最高，分別為0.8%與0.7%(表3)。

表3 研究區各樣地土壤養分含量

研究區內地表以下0—20 cm土樣中含鹽量均大于0.4%，所含鹽分以氯化物和硫酸鹽為主，重碳酸根含量較低。編號為S3及N1的樣地土壤鹽漬化程度最高，地表土層含鹽量>1.5%，詳見表4。

2.2 胡楊林發育狀況

研究區植被組成以旱生、鹽生植物為優勢物種，適宜在砂質土壤中生長。常見的林下植被有枸杞、鹽穗木、鈴鐺刺、駱駝刺、甘草、蘆葦、鹽生草。各樣地植被發育情況詳見表5。

表4 研究區不同樣地土壤鹽分含量

表5 研究區不同區域植被蓋度變化情況

2.3 典型相關分析

采用對指標分組并運用典型相關方法分析土壤性質(組1)與胡楊長勢(組2)兩組性狀間的關系。所選基礎變量包括：pH值(X1),有機質含量(X2,%),全鹽量(X3,%),粉粒含量(X4,%),堿解氮(X5,mg/kg),速效磷(X6,mg/kg),鈣(X7,mg/100 g),硫酸根(X8,mg/100 g),氯化物(X9,mg/100 g);胡楊高度(Y1,m),胡楊蓋度(Y2,%)。從兩組基礎變量中分別提取具有最大相關系數的前兩對典型變量U1，V1和U2，V2可較充分地概括樣本信息，依據分析結果，前兩對典型變量相關系數的統計檢驗達到極顯著水平(p<0.01)。典型變量與基礎變量間的換算系數詳見表6。

表6 各組的典型變量系數

2.4 討 論

2.4.1 土壤質地與胡楊林發育狀況 通過對塔河兩岸各樣地土壤樣品顆粒組成的分析，可得出不同立地條件下的胡楊林下土壤質地，這是土壤最基本的物理性狀指標，直接影響土壤肥力與理化性質[15]。塔河水源受季節影響非常大，夏季冰雪融水大量下泄，整個流域水量激增，河水漫灌大片沿岸地區，將上游的泥沙沉積[5]，因此，在塔河流域兩岸沖、洪積平原的分選沉積與河道北移等因素作用下，使塔河兩岸非地帶性分布的土壤質地變化較為復雜。由于洪水漫溢對河岸林土壤結構的影響，塔河中游形成較為黏重的土質[16]。在水分條件較好的河岸地帶分布有粉質、砂質壤土，持水、蓄水和保肥能力較好，胡楊在此條件下生長最為良好；而植物亦可加速土壤形成過程，使粉粒、黏粒物質含量增加，根系亦起到固結沙粒作用[17]。隨著與河岸的距離增加，風蝕分選過程使土壤細粒物質不斷損失，粗粒物質相對增多[17-,20]，土壤質地轉變為干燥的粉土、砂土，肥力貧瘠且溫度變化劇烈，植被發育較差。

2.4.2 土壤養分和鹽分與胡楊林發育狀況 塔河中游地區土壤養分總體狀況為全氮、全磷含量偏低，全鉀含量較高[5]。土壤水分是影響土壤性狀的重要因素，也是干旱地區生態過程的主要驅動因子[21]。研究區內土壤總體較為貧瘠，土壤有機質與速效鉀在水熱條件較好的河岸地區含量最高，該區域內土壤質地為粉、砂質壤土，利于保水保肥；而較多的植物凋落物和較快的分解速度利于有機物質積累，由此為胡楊的生長提供了必需的養分。堿解氮、速效磷的含量較低，并未成為影響胡楊林發育演替的主要因素。研究表明，pH值與有機質、全氮、全磷、堿解氮、速效磷呈負相關[14]，表明土壤pH值大小直接影響土壤有機質的分解速度，進而影響土壤養分的有效性。研究區中植被條件較好的胡楊林地與胡楊—檉柳混交林地土壤pH值較低，為7.83～7.91；而有機質含量高，為0.70%～0.80%，土壤理化性質較優。當土壤表土層(0—20 cm)含鹽量超過0.1%(石膏土壤為0.2%)，即可認為其發生了鹽堿化[22]。研究區土壤積鹽程度說明其普遍存在鹽化現象，地表鹽殼與鹽霜廣泛分布，考慮到區內有大面積棉花種植等農墾活動，這是原生與次生鹽堿化共同作用的結果。河岸地帶由于受到季節性洪水淹沒和地下水沿河淡化帶的影響，促使土壤脫鹽過程的發生，降低了鹽分過量積累對植被萌發與生長的抑制作用，因此該區域分布有較多胡楊實生幼苗和檉柳幼株。

2.4.3 土壤性質與胡楊長勢的典型相關分析 植物多樣性與數量特征和土壤理化性質存在一定相關性，土壤理化性質的空間變異促使區域植物生長狀況發生明顯變化并影響群落演替，而植物的空間分布特征對土壤理化性質有明顯改良作用[8]。在相關分析的第一對典型變量中，土壤酸堿度指標X1與胡楊高度指標Y1的系數最大，主要說明了土壤堿化程度與胡楊高度的負相關關系。第二對典型變量中，土壤指標X1與胡楊蓋度指標Y2的系數最大，說明了土壤堿化程度與胡楊蓋度的負相關關系。在土壤性質中，pH值是影響胡楊長勢的主要因子，土壤堿化過程的前提是土壤中含有過多易溶性鹽類，因此，在促進胡楊林更新復壯過程中，排鹽是首要的，可以通過合理灌溉，保持適合的潛水位，防止次生鹽堿化加劇，或通過適時引水漫灌排鹽。其次，固沙、培肥、種植綠肥等措施逐漸改良土壤性質。

3 結 論

(1) 研究區內土壤質地具有粉、砂質特征，塔河南岸土壤顆粒以粉粒為主，北岸則砂粒占優勢。在粉土及砂土中胡楊發育不良甚至衰敗，河岸輻射帶分布的粉壤土或砂壤土更適合胡楊生長。

(2) 研究區內土壤養分貧瘠，有機質含量最高為0.8%，隨著與河道距離的增加而迅速降低，肥力不足不利于改善植物根系生長的環境條件，抑制了胡楊林的更新復壯。

(3) 研究區土壤呈堿性(pH值7.5～8.5)，土壤鹽分含量高，易溶鹽組分以硫酸鹽及氯化物為主，不同樣地土壤理化性質指標存在顯著性差異。區內土壤中鹽分的積聚與較高的pH值是抑制胡楊萌發與生長的主要因素，土壤pH值低于8的地區適宜胡楊生長。

致謝：感謝新疆林業科學院為項目的野外調查和土壤樣品采集提供全力支持。

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