近20 a来嫩江流域土壤退化的初步研究

王凌河，胡东来 ，严登华，王 刚

(1.大连理工大学土木水利学院，辽宁大连116023;2.中国水利水电科学研究院，北京100038;3.东华大学环境科学与工程学院，上海200051)

在全球气候变化和高强度人类活动影响下，世界范围内的土壤质量呈下降趋势，土壤的退化影响到人类生活的基础生产资料[1-2]。土壤退化在亚洲、非洲、南美洲表现较为严重，这些地区的国家不仅要面对发展的问题，还要面对环境恶化的局面[3-4]。土壤的退化表现为土壤侵蚀、土壤贫瘠化、土壤沙化、土壤污染、土壤酸化、土壤盐碱化等，其中又以土壤侵蚀为主。自20世纪70年代提出“土壤退化”概念以来，世界各国对这一命题都展开了积极的研究[5-6]。我国研究学者对南方的红壤做了大量的研究，提出了相应的治理措施[7-8]。同时长江三角洲、东北黑土区、西北科尔沁草原和西南卡斯特等地区的土壤退化也有研究[9-12]。

嫩江是松花江的最大支流，嫩江流域土地肥沃，典型的黑土区域，为我国粮食安全提供有力的保障。但是随着经济的不断发展，人口增长与环境保护之间的矛盾越来越突出，出现了土壤的沙化现象。崔明等[13]研究了黑土区地层地貌的发育历史、地层序列以及古气候变化，重建了黑土、黑钙土的发育历史以及发育所需的地貌、气候条件。杨新等[14]根据1951—2000年的日平均风速、气温和降雨数据以及1980—2000年的沙尘暴数据，分析了东北典型黑土区的风蚀环境。结果表明，典型黑土区土壤风蚀环境在东北地区处于中等状态。这一研究指出了东北黑土当前所处的退化环境状态，但其并未对东北黑土的退化程度进行研究。周江红等[15]对嫩江沙地荒漠化特征的研究，得出了土壤风蚀和荒漠化的风速阈值，并对部分区域提出了生态恢复性的措施。隋跃宇等[16]对黑龙江典型县域的黑土土壤有机质现状进行了分析，李发鹏等[10]对东北黑土区土壤退化及水土流失的现状进行了研究。国内研究者在研究东北以及嫩江流域的土壤特性时，往往是对局部的区域或是特定的土壤类型进行研究，对整个嫩江流域的土壤特性缺乏系统性和整体性的研究。

土壤的机械组成和有机质含量是评价土地生产能力的基本参数，通过对一定时间段内土壤的机械组成和有机质含量变化分析，进而可以判断土壤退化的程度。随着农业开发活动的加强和全球气候的变化，嫩江流域土壤呈退化趋势。本研究通过野外试验的方法，与历史数据比较，对嫩江流域的土壤退化的程度及其成因进行分析，为土壤的保育和生产提供依据。

1 研究区概况

嫩江流域位于我国东北地区中西部，西侧以大兴安岭分水岭为界，北侧以伊勒呼里山为界，南侧以霍林河南部的分水岭为界，东侧大部分以嫩江为界，地理坐标为 119°12′—127°54′，北纬 44°02′—51°42′，流域面积为2.91×105km2。嫩江流域北部、西部和南部三面地势较高，东南部与松花江平原连接，形成广阔的松嫩平原。嫩江流域地处北半球中纬度地带、欧亚大陆东部、大西洋西岸，属于寒温带半湿润大陆性气候，春季多风少雨干旱，夏季短促高温多雨，秋季降温急剧且常有霜冻，冬季漫长严寒干燥。嫩江气象水文要素在年内和年际及地区上的变化差异较大，最大降水量为937.4 mm，最小降水量为152.5 mm。嫩江流域由山区到平原分布着多种类型的土壤，其中以暗棕壤土类及草甸土土类为主，分别为28%和21%，其次分布较多的土壤类型有黑土土类、黑钙土土类、淡黑钙土土类、草甸风沙土土类、棕色针叶林土类、沼泽土土类、草甸黑钙土土类(附图2)。由于气候、地形、土壤及所处海陆位置，该区地带性植被类型为靠近小兴安岭的主要是阔叶林和针叶林，中下游主要是草甸草原和栽培植物(附图3)。在流域区域内部，由于在盐碱土上发育了盐生的耐盐碱植被，在沙丘地带有沙生植被，而天然植被以草原植被类型为主。天然植被破坏后，土地垦为农田，1980年和2000年流域内的土地利用状况祥见表1。

表1 嫩江流域1980和2000年土地利用状况 %

2 材料与方法

2.1 数据来源

本研究采用的历史资料是全国第二次土壤普查数据，采用分层的土壤机械组成以及有机质数据。对于分层的数据，采用加权平均的方法，使得普查数据与试验数据具有相同的深度。

2.2 样点布设

采样的时间为2008年4月25至5月8日，样点布设的基本原则是:保证在各支流上都有样点的存在，并且样点所在土壤区域为该支流区域的主要土壤特征区域，尽可能满足河流的左右岸均有样点。采取土壤剖面的混合样，采集的混合样一般约0.5 kg，装入密封袋送验，分机械组成和有机质两种采样，贴上标签编码。采集的土壤剖面深度一般在0—80 cm，个别达到120 cm，总共采集了33个土壤样品，样点分布图见附图2。

2.3 样品测试

全国第二次土壤普查机械组成的测试方法采用的是沉降法—吸管法，本次样品的粒度采用沉降法测量，粒度测量范围2～0.001 mm，测量结果以百分比含量表示。为了与土种志上的分级统一，对测量的结果进行处理，分成2～0.2 mm，0.2～0.02 mm，0.02～0.002 mm，小于0.002 mm共4个等级。土壤质地分类标准采用国际制:砂粒2～0.02 mm，粉砂粒0.02～0.002 mm，黏粒＜0.002 mm，类别为砂土类、壤土类、黏壤土。

有机质依据 LY/T1238-1999测量，结果以百分比表示。同时在有机质的测试过程中做了4个样点的平行样。对有机质的测量还进行了加标回收实验，以检验方法的准确度。在有机质测量的加标回收试验中，回收率满足85%～110%的要求。对有机质进行的4次平行样的测定，相对标准差的平均值5.6%。

2.4 统计分析

采用ArcGIS 9.0软件空间插值土壤粒度的分布，获取砂粒、粉粒、黏粒在流域内分布的ASCII文件，作为程序的输入文件，Fortaran 90编程计算土壤质地的分布，输出土壤质地分布的ASCII文件，然后在ArcGIS中进行统计和作图。利用Origin 6.0软件对数据进行统计分析。

3 结果与讨论

3.1 土壤总体概况

表2统计结果表明，在嫩江上游区域的土壤中，黏粒的平均含量最高，占46.44%;而在中下游的支流中砂粒平均含量最高，占49.11%，粉粒在整个流域的平均含量比较稳定，占25%左右。整个流域的不同粒度的变异系数在23%～55%，属中等变异，其中上游的砂粒变异系数和中下游的黏粒变异系数比较大，分别为47%和55%。按照国际土壤质地分类标准，嫩江上游流域属黏土类，而中下游属于黏壤土类。利用ArcGIS插值后，嫩江流域内土壤质地的总体分布是壤土类占0.97%，黏壤土类占32.52%，黏土类占66.51%。

3.2 土壤粒度的变化

3.2.1 嫩江流域土壤粒度的变化 与第二次全国普查的结果比较(表3)。砂粒所占百分比有所减小，平均下降22.95%，粉粒百分比中有17个样点呈下降趋势，平均下降12.63%，另外16个样点的粉粒百分比有所增长，平均增长14.82%，黏粒百分比的趋势与砂粒的结果相反，样点的黏粒百分比多数增长，平均增长50.09%。在显著性水平α=0.05下，对砂粒、粉粒和黏粒做差异显著性检验，用F检验方法检验两次粒径的差异。经检验，砂粒和黏粒前后两次的差异显著，粉粒差异不显著。

表2 研究区土壤粒度的均值及变异系数

嫩江流域属松嫩平原，土壤具有东北土壤的特质，以黑土、棕壤土、黑钙土、栗钙土较多。采样大多是处于原始状态的土壤，尽量避免在农田附近。从采样的数据比较来看，嫩江流域未遭到人类影响的区域，土壤的沙化扩大的趋势并没有得到数据支持，反而这些区域的土壤质地朝有利的方向发展。在嫩江干流的西侧的确存在化严重的区域，白城经洮南到向海湿地方向存在大片的沙地。东北的黑土区土壤风蚀环境处于中等状态，嫩江的大风日数自1980年以来比1950—1960年偏多，土壤的风蚀环境趋于严重[14]。农业开发使得部分土壤的利用方式发生改变，人为扰动也加快了土壤的退化。这些因素的综合作用导致部分区域土壤退化严重，而在嫩江整个流域的土壤退化的迹象并不十分明显。

表3 嫩江各支流土壤粒度比较

3.2.2 嫩江流域土壤质地的变化 利用ArcGIS软件对采样点的粒度进行插值，获得历史数据和试验数据在流域内的砂粒、粉粒、黏粒的整体分布。程序计算后分析获得土壤质地的变化(表4)。分析可知，砂土类和壤土类的比例减少，黏壤土和黏土类比例增大，其中壤土类减少17.54%，黏壤土类增加9.34%，黏土类增加8.20%。土壤的中黏土成分增加，砂土类和壤土类减少，并且壤土的下降比例相对较大。

据统计，嫩江流域土壤沙化较严重的城市是白城地区，土壤质地的变化在嫩江流域表现的比较显著。流域内气候条件的恶化也是土壤退化的一个主要因素，1962—2007年，嫩江流域的部分县市平均降雨量386.2～559.7 mm，而蒸发量平均量 1 434.7～1 789.8 mm，而且近10 a的气候变化有恶化的趋势，这无疑加剧了土壤的沙化程度。嫩江流域土壤的黏土类增加意味着土壤的黏化作用的增强，这在嫩江中上游表现显著。这与嫩江上游的植被覆盖度良好有关，大小兴安岭和农业防护林的建设支持这一变化。

3.2.3 嫩江各支流上土壤粒度变化 嫩江流域各支流上土壤粒度的变化在局部上与嫩江流域土壤粒度整体上的变化有一些差异(表3)。比较这7条支流上土壤的粒度变化，各支流上的土壤砂粒百分比下降，黏粒百分比增大，这与嫩江流域整体上土壤粒度的变化是一致的。对粉粒百分比的变化，则是在不同的支流显出不同的结果，嫩江上游、乌裕尔河、绰尔河以及洮儿河上的土壤粉粒百分比有所增大，而其它支流的土壤的粉粒百分比减小。绰尔河流域内的黏粒百分比减小了7.4%，这与其它支流和整个流域的变化趋势不同。

表4 嫩江流域土壤质地的变化 %

3.3 土壤有机质变化

表5给出了流域内的土壤有机质含量普查结果和试验结果的比较。有机质含量的范围0.55%～12.26%，有机质含量最大的是在龙丰三队的样品，土壤未遭人类开发，周围都是约40 cm苔草，形成塔头，导致有机质含量高。有机质含量最小在科尔沁中旗，属草原风沙土，虽然没有太多的人类活动，但在自然力的驱动下，导致了现在的境况。有机质含量在嫩江中上游的明显高于嫩江中下游的有机质含量，试验数据显示中上游的有机质含量平均值为4.71%，而下游的有机质含量平均值为1.74%，这与人类对土地的开发活动有关。

表5 嫩江流域土壤有机质

与第二次全国土壤普查数据的相比，流域中上游有机质含量整体上有所增加，增加百分比为27.14%，嫩江下游的土壤有机质在减少，降低百分比为33.11%。总体而言，经过近20 a的演化，土壤有机质在嫩江流域的变化显示了空间上的差异，下游的变化较之上游要大，中上游的有机质含量在区域上增加，而下游有机质含量减少。中上游的区域主要在大兴安岭和小兴安岭区域，采样点也是位于此区域，人类的活动相较下游要小，草地和山地较多，有机质消耗不是很大。下游的城镇化明显较上游显著，农田较多，山地较少，草地大部分也被开发，剩下的是暂时不太适宜开发的草地，多为盐碱地。部分湿地也通过挖排水沟开发成农田，虽然能增加粮食的增产，但对于区域的生态环境来说，这是一种破坏。

4 结论

(1)嫩江流域未开发的土壤粒度其上游部分的土壤主要以黏粒为主，而中下游以砂粒为主，粉粒在整个流域上的含量差异不大，主成分接近50%，其余的两部分的含量则比较接近。土壤质地主要以黏壤土和黏土为主，面积百分比分别为32.52%和66.51%。

(2)嫩江流域的土壤有机质的含量范围为0.55%～12.26%，在沙地区域的有机质含量较低，在苔草地和湿地的有机质含量较高。

(3)与第二次全国土壤普查的数据比较，嫩江流域和各支流上的土壤粒度表明，整体上嫩江流域土壤是砂粒百分比减小 22.95%，黏粒百分比增大50.09%。支流上的粒度变化与流域整体的变化趋同，粉粒的变化则在不同的子流域变化不同。土壤质地也随之变化，壤土下降17.54%，黏壤土和黏土增长9.34%和8.20%。嫩江上游，中游土壤的黏化作用加重，下游土壤的表层沙化较重。

(4)与第二次全国土壤普查的数据比较，嫩江流域的土壤有机质的变化比较显著。其中，中上游土壤有机质增加了27.14%，下游土壤有机质百分比减小了33.11%。苔草地和湿地区的有机质含量较多，沙地的有机质含量较少，农田扩张也导致了嫩江下游的土壤有机质含量的减少。

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