土壤學(xué)論文土壤顆粒組成與化學(xué)特性

　　青土湖面積萎縮，土囊肥力下降，本篇土壤學(xué)論文分析青土湖水面形成區(qū)土壤特征主要受成土過程與區(qū)域干旱、多風(fēng)的環(huán)境背景疊加作用造就了區(qū)域土壤的基本特性;而通過人工輸水形成水面是青土湖退化的逆過程對區(qū)域土壤環(huán)境改善具有一定作用，且能縮短逆轉(zhuǎn)過程。可以發(fā)表土壤學(xué)論文的期刊有《土壤學(xué)報》是由中國土壤學(xué)會主辦、中國科學(xué)院南京土壤研究所承辦的中文(含英文摘要、圖、表和關(guān)鍵詞)核心科技學(xué)術(shù)期刊(雙月刊)。它反映土壤學(xué)各分支學(xué)科有創(chuàng)新或有新意的、有較高學(xué)術(shù)價值的研究成果，主要刊登土壤科學(xué)及相關(guān)領(lǐng)域，如植物營養(yǎng)科學(xué)、肥料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、國土資源等領(lǐng)域中具有創(chuàng)造性的研究論文、研究簡報、前沿問題評述與進展和問題討論。

　　青土湖輸水作為石羊河流域治理的一項關(guān)鍵措施，對保護湖區(qū)水資源和生態(tài)環(huán)境具有重要意義。在距青土湖水面邊緣東南方向0-450m的10個樣點中分3層取0-60cm土樣，測定土壤粒徑的質(zhì)量百分比與全氮、全磷、全鉀和電導(dǎo)率，分析青土湖水面形成后土壤顆粒組成與化學(xué)特性變化。結(jié)果表明，隨著離水面邊緣距離的增加，土壤顆粒與化學(xué)特性呈有規(guī)律的增減變化，土壤粘粉粒組成與其全磷、全鉀之間存在正線性相關(guān)。青土湖水面形成加劇了距水面邊緣0-150m處的土壤理化性質(zhì)變化;土壤細粒及養(yǎng)分出現(xiàn)富集，分別在距水面邊緣100-150m和300m處達到最大值。因此，土壤養(yǎng)分與土壤細物質(zhì)的良好相關(guān)性表明，土壤粘粉粒變化可作為反映該區(qū)域土壤性狀變化和評價衡量水面形成后土壤恢復(fù)程度的定量指標(biāo)之一。

　　關(guān)鍵詞:

　　石羊河尾閭;水面形成區(qū);土壤粒度;土壤化學(xué)性狀

　　青土湖地處石羊河尾閭，在20世紀(jì)初期區(qū)域水面積大約120km2。隨著流域人口增長和灌溉農(nóng)業(yè)發(fā)展，青土湖水面積逐漸萎縮，1959年完全干涸，僅殘留東平湖、野麻湖、葉綠草湖、西硝池和東硝池等以“湖”命名的鹽堿灘地，而且大部分已被流沙覆蓋或墾殖[1]。至此開始，區(qū)域生態(tài)環(huán)境日趨惡化，風(fēng)沙危害擴展、地下水位下降、地表植被衰退等成為該區(qū)的突出問題。為了促進區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)，自2010年起以渠道輸送的形式分年向青土湖注入生態(tài)用水，據(jù)統(tǒng)計，于2013年最終形成了約15km2的水面。那么，青土湖注水能否起到促進區(qū)域生態(tài)環(huán)境改善，增強區(qū)域生態(tài)功能，也成為了社會各界所關(guān)注的一個熱點問題。特定區(qū)域的土壤環(huán)境是土壤基質(zhì)與周邊環(huán)境共同作用形成的，因此土壤特征的變化可以反映區(qū)域環(huán)境條件變化。土壤顆粒組成可反映土壤結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)力及土壤退化過程特性，是沙漠化導(dǎo)致的生態(tài)系統(tǒng)功能改變的一個重要的測度指標(biāo)[2-3]。土壤的粒徑分布變化和差異常被用作分析和預(yù)測土壤性質(zhì)的重要指標(biāo)[4-6]，可以用來判斷土地退化的強弱和發(fā)展強度[7]。

　　土壤中的全氮、全磷、全鉀直接關(guān)系到地表植被的生長及其分布，隨著沙化程度的加重，養(yǎng)分呈下降趨勢[8]，而土壤鹽堿度變化直接影響區(qū)域的生態(tài)演替方向[9]。土壤顆粒組成和化學(xué)性狀發(fā)生變化綜合分析也可反映土壤沙漠化變化過程[10-15]。因此，可以將監(jiān)測土壤粒度和化學(xué)性質(zhì)變化作為評價“青土湖生態(tài)輸水”工程實施后生態(tài)學(xué)效應(yīng)的重要指標(biāo)。由于生態(tài)逆轉(zhuǎn)過程是一個長期的動態(tài)變化過程，研究某一特定區(qū)域土壤性狀的生態(tài)逆轉(zhuǎn)的變化特征，比較準(zhǔn)確的方法是進行長期的定位動態(tài)監(jiān)測，但這種方法需要的時間較長，并且代表性有限[16]。因此，本研究采用空間代替時間的方法，選取青土湖水面形成后同一時間距水面不同距離的土壤樣品，對其顆粒組成、全氮、全磷、全鉀等化學(xué)指標(biāo)等進行比較分析，旨在闡明水面形成區(qū)土壤理化特征的空間分布規(guī)律，揭示水面形成后對土壤的影響，對于了解青土湖水面形成過程的生態(tài)效應(yīng)具有重要參考意義。

　　1研究區(qū)概況

　　青土湖位于騰格里沙漠西北緣，是石羊河尾閭海拔高度1292～1310m。該區(qū)年平均氣溫為7.8℃，>10℃的有效積溫3248.8℃•d;年平均降水量89.8mm，且降水多集中于7-9月，占全年降水總量的73%，蒸發(fā)量超過2644mm，無霜期168d[17]。研究區(qū)地理坐標(biāo)為39°07'7.3″-39°08'3.2″N，103°37'53.0″-103°38'40.6″E(圖1)。研究區(qū)土壤以湖相沉積物為母質(zhì)的砂土及壤質(zhì)砂土為主，植被類型為典型的荒漠植被，主要植被類型為白刺群落(Nitrariatanguto-rum)和蘆葦群落(Phragmitescommunis)，伴生灌木有黑果枸杞(Lyciumruthenicum)和鹽爪爪(Kalidiumfolia-tum);草本植物種類相對較豐富，主要有刺沙蓬(Salsolaruthenica)、駝蹄瓣(Zygophyllumfabago)、戟葉鵝絨藤(Cynanchumsibiricum)，豬毛菜(Salsolacollina)、沙蓬(Agriophyllumsquarrosum)、砂引草(Messerschmidiasibir-ica)、碟果蟲實(Corispermumpatelliforme)、砂藍刺頭(Echinopsgmelinii)等。

　　2研究方法

　　2.1樣地選擇和樣品采集在青土湖輸水兩個周期后即青土湖水面形成后，對其周邊區(qū)域環(huán)境要素進行實地調(diào)查。以水面為中心向水面外圍延伸設(shè)置寬200m的調(diào)查樣帶，以距水面邊緣0m開始，每隔50m分別設(shè)置植被調(diào)查樣地，每個樣地各設(shè)置2～3個20m×20m灌木調(diào)查樣方，相應(yīng)的植被調(diào)查方法采用“S”形五點法進行土壤剖面取樣，分0-20、20-40、40-60cm共3層取樣，每層取3個重復(fù)樣，樣品分土壤粒度、水分樣和養(yǎng)分、鹽分樣;將同一樣地內(nèi)同土層的土壤粒度、養(yǎng)分樣各混成一個土樣，充分混合后裝入封口袋，密封帶回實驗室，經(jīng)自然風(fēng)干后用四分法取一定量樣品，挑出石礫及可見凋落物和根系，用靜電法去除植物碎片，過2mm篩，備用。調(diào)查的同時記錄樣地背景特征(經(jīng)緯度、海拔、地貌特征、土壤類型、距水面中心的位置等)信息。

　　2.2樣品測定土壤粒度利用英國馬爾文MS2000激光粒度儀測定。土壤粒徑劃分采用，1978年《中國土壤》[18]中的土壤質(zhì)地分類方法，細粘粒(<0.001mm)、粗粘粒(0.001～0.005mm)、細粉粒(0.005～0.01mm)、粗粉粒(0.01～0.05mm)、細砂粒(0.05～0.25mm)和粗砂粒(0.25～2.0mm)。土壤化學(xué)性質(zhì)利用傳統(tǒng)方法測定，分別采用、全氮(凱氏法消解，AA3連續(xù)流動分析儀測定)、全鉀(NaOH熔融、火焰光度法)、交流測量法等方法進行。

　　2.3數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析對所得試驗數(shù)據(jù)用Excel記錄，求取平均值，進行數(shù)據(jù)分類和繪圖，應(yīng)用SPSS18.0統(tǒng)計分析軟件進行觀測數(shù)據(jù)的顯著性檢驗和相關(guān)分析，采用Excel2013制圖。

　　3結(jié)果與分析

　　3.1土壤顆粒組成變化從土壤顆粒組成來看，青土湖水面形成區(qū)域距離水面450m范圍，0-60cm土層土壤顆粒以砂粒為主，所占比例為54.54%～96.22%，其次為粗粉粒、細粉粒、粗粘粒，而粘粒含量較少(圖1)。從各組分的比例變化來看，隨距水面距離的增大，呈現(xiàn)較一致的波動變化規(guī)律，主要表現(xiàn)為細粒物質(zhì)(粗粉粒、細粉粒、粘粒)先增加后減少，粗粒物質(zhì)(砂粒、粗砂粒)先減少后增加;距離水面100～200m之間為變化轉(zhuǎn)折點，其中150m為變化峰值。從各組分變異程度來看，土壤顆粒變化最大為粗粉粒(變異系數(shù)達105.25%～113.91%)，其次為細粉粒和粘粒(變異系數(shù)達56.33%～86.29%)，粗砂粒變化最小(變異系數(shù)達40.17%～77.00%)。距水面150m處的0-20cm土層土壤粘粒是0m處的3.84倍，粗砂粒和細砂粒減少了35.05%～70.63%，而20-40、40-60cm土壤粘粒依次增加了2.43倍和6.91倍，粗砂粒和細砂粒則減少了12.62%～89.28%。距水面150m處的0-40cm土層土壤粗粉粒含量顯著高于其他距離水面的粗粉粒含量(P<0.05)。在40-60cm土層，距水面150和300m處的土壤粗粉粒含量差異不顯著(P>0.05)，但二者均顯著高于其他距離水面的粗粉粒含量(P<0.05)。土壤組分的變化主要受環(huán)境因素影響較大，研究區(qū)土壤組分變化主要受土壤濕度、區(qū)域風(fēng)力影響，由于水面的形成使得水面外圍一定范圍內(nèi)土壤水分增加，從而使土壤沉積細粒物質(zhì)能力增加，也使土壤風(fēng)蝕減弱，因此可能導(dǎo)致土壤細粒物質(zhì)增加而粗粒物質(zhì)減少。同時，土壤組分的形成也與成土母質(zhì)關(guān)系密切，本研究水面形成區(qū)域土壤以湖積、淤積土和風(fēng)沙為主，因此，較深層土壤(20-40、40-60cm)的這種變化可能主要受湖積成土過程的影響，而表層(0-20cm)則主要是人工輸水水面形成的影響。在所觀測范圍內(nèi)，土壤全氮含量為0.04～0.45g•kg-1，全磷含量范圍為0.15～0.64g•kg-1，全鉀含量為13.9～15.9g•kg-1，表明區(qū)域土壤養(yǎng)分水平低(圖3);而電導(dǎo)率范圍則為224～1734μs•cm-1，土壤電導(dǎo)率變化與土壤鹽分含量存在正相關(guān)，可以用來指示土壤鹽分變化[19-20]，說明土壤鹽分含量較高，且差異較大。各指標(biāo)含量隨距離增加的變化趨勢與土壤粘粉粒等細顆粒的變化趨勢相同(圖2、圖3)。從各層次的變化來看，20-40cm層各指標(biāo)變化相對較一致，與整體土壤化學(xué)特性變化圖2青土湖距水面不同距離的0-60cm土層土壤顆粒含量變化一致，隨距水面距離變化呈現(xiàn)增加-減少-增加的趨勢，因此，20-40cm層的土壤特性可代表區(qū)域土壤特征變化，而區(qū)域土壤變異則主要來自表層0-20cm和下層40-60cm。從各指標(biāo)的具體變化來看，在不同距離上各指標(biāo)含量變化程度不一，土壤電導(dǎo)率變化差異最大，變異系數(shù)最大為258.74%，全氮、全磷含量變異值相當(dāng)，其最大變異系數(shù)分別為64.42%、54.11%，全鉀含量變異最小。

　　3.2土壤化學(xué)特征距離水面450m范圍內(nèi)，隨離水面距離的增加，0-60cm土層全氮、全磷、全鉀和電導(dǎo)率呈波動變化。在距0-300m范圍，全氮、全磷、全鉀和電導(dǎo)率均呈現(xiàn)增加-減小-增加的一致性規(guī)律，且分別在150、300m處出現(xiàn)峰值，與此相對應(yīng)的200m降為最低，300m之后各指標(biāo)變化不一(圖3)。區(qū)域土壤養(yǎng)分指標(biāo)值來看，20-40cm土層土壤全氮、全磷、全鉀指標(biāo)均大于其他兩層，但全鉀的變化差異不明顯;而電導(dǎo)率則表現(xiàn)出由表層到較深層次逐漸減小的特點。整體來看，雖然研究區(qū)域為古湖盆淤積土，但由于長期干旱及風(fēng)沙環(huán)境影響，區(qū)域土壤養(yǎng)分貧乏。區(qū)域土壤各指標(biāo)變化可能受成土過程、風(fēng)沙活動及目前的人工輸水三方面的影響。由于原始湖面在變化過程中會產(chǎn)生由于水面擴展和退縮而導(dǎo)致區(qū)域土壤淤積形成圈層狀變化，這是區(qū)域不同距離土壤特征變化的主導(dǎo)力量。輸水水面形成對土壤特征的影響表現(xiàn)為兩方面，一方面水面形成對近距離土壤產(chǎn)生淋溶作用[21-23]，比如距離水面0m電導(dǎo)率明顯低于50-150m，就是由于鹽分受水淋溶作用，而20-40cm層土壤各指標(biāo)略大于上層，則是由于下層富積;另一方面，水面形成減小了地表阻力，增強了水面外圍一定范圍的風(fēng)速，使土壤風(fēng)蝕程度加強，而風(fēng)沙活動的影響主要作用在表層(0-20cm)。

　　3.3土壤理化性質(zhì)相關(guān)性分析土壤沙漠化及其逆轉(zhuǎn)過程中，土壤顆粒組成與土壤化學(xué)性質(zhì)變化關(guān)系密切[24-25]，對青土湖水面形成區(qū)水面外圍450m范圍土壤粒度與化學(xué)性質(zhì)各指標(biāo)進行相關(guān)分析結(jié)果表明(表1)，區(qū)域土壤化學(xué)指標(biāo)與粒度具有明確相關(guān)性，且土壤全磷、全鉀、鹽分(電導(dǎo)率)與土壤細顆粒(土壤粘粒、粗粉粒和細粉粒)含量具有較好的正相關(guān)，而與粗顆粒(粗砂粒和細砂粒)含量表現(xiàn)出明顯的負相關(guān)關(guān)系。而這種相關(guān)性主要體現(xiàn)在0-20和20-40cm兩層。從各層次具體指標(biāo)之間相關(guān)性分析來看，0-20cm土層，全磷和全鉀與土壤粘粒、粗粉粒和細粉粒間極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與粗砂粒和細砂粒間呈極顯著(P<0.01)或顯著負相關(guān)(P<0.05)，而電導(dǎo)率與土壤粘粒、粗粉粒和細粉粒間具有一定相關(guān)性(P>0.05)，全氮則相關(guān)性較小。20-40cm土層，粗砂粒含量與全氮、全磷和全鉀呈負相關(guān)(P>0.05)，與電導(dǎo)率呈顯著負相關(guān)(P<0.05)。電導(dǎo)率與土壤粘粒、粗粉粒、細粉粒間顯著正相關(guān)(P<0.05);土壤全磷與粗粉粒和細粉粒存在極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與粘粒呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，與細砂粒呈顯著負相關(guān)(P<0.05);全鉀與粗粉粒極顯著正相關(guān)(P<0.01)。40-60cm土層僅電導(dǎo)率與土壤粗砂粒呈顯著負相關(guān)(P<0.05)。土壤化學(xué)特征與顆粒組成之間的變化關(guān)系說明，區(qū)域土壤養(yǎng)分變化受土壤顆粒組成變化影響明顯，兩者具有相同的變化趨勢，在區(qū)域環(huán)境評價中可相互替代選擇或相互驗證。

　　4討論與結(jié)論

　　1)青土湖水面形成區(qū)外圍450m范圍，土壤顆粒組成及土壤化學(xué)特征均隨距水面邊緣距離的變化呈現(xiàn)波動變化，且表現(xiàn)出一定的周期性規(guī)律，在150m、300m處出現(xiàn)峰值，該結(jié)果與石羊河中下游的河流對地下水位的影響范圍為130-200m的觀測結(jié)果相近[21]，而這一變化主要與青土湖區(qū)域成土過程相關(guān)。湖相沉積以懸移組分為主，以水面為起點呈波狀變化[26]，因此湖泊環(huán)境沉積物往往會形成紋層;同時，在湖面擴展與退縮過程中，也會產(chǎn)生圈層狀土壤沉積過程，而這是區(qū)域土壤特征波動變化的主要背景因素。地表形態(tài)及植被分布對這一波動變化也具有一定響應(yīng)，在距離水面300m后，波動變化的規(guī)律性不再明顯，主要與研究區(qū)300m外圍多分布有白刺沙包，地貌形態(tài)及地表覆蓋均發(fā)生明顯變化有關(guān)。2)區(qū)域土壤顆粒組成以粗顆粒物質(zhì)為主，土壤細砂粒比例占絕對優(yōu)勢，區(qū)域整體土壤養(yǎng)分貧乏，鹽分含量高，且差異較大，而這主要受區(qū)域干旱氣候及風(fēng)沙環(huán)境影響。在湖面形成過程中，水中泥沙攜帶的氮和磷等養(yǎng)分量可以占到養(yǎng)分總量90%以上[27]，受水的溶解運移作用，土壤養(yǎng)分隨著細顆粒的不斷在湖區(qū)富積，湖區(qū)土壤應(yīng)以細物質(zhì)為主，且富含養(yǎng)分。但由于區(qū)域湖泊干涸，加之干旱多風(fēng)，原有的富含養(yǎng)分的細顆粒土壤易遭受強烈風(fēng)蝕，而形成目前的現(xiàn)狀。但在人工輸水后，這一過程可以得到一定程度的逆轉(zhuǎn)。3)土壤顆粒組成與土壤養(yǎng)分相關(guān)分析表明，兩者均可作為評價區(qū)域土壤物質(zhì)或環(huán)境變化的指標(biāo)，尤其是細顆粒含量的變化可作為衡量水面形成后土壤結(jié)構(gòu)、肥力狀況及退化土壤恢復(fù)程度的指標(biāo)之一。

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