天山北坡东西段林沿土壤有机质含量特征对比分析

穆叶赛尔·吐地，吉力力·阿不都外力，姜逢清

（1.中国科学院 新疆生态与地理研究所，乌鲁木齐830011；2.中国科学院 研究生院，北京100049）

土壤有机质是土壤的重要组成部分，是表征土壤质量的重要因子，亦是土壤肥力的重要指标。在干旱荒漠地区，土壤有机质含量直接影响着土壤质量的高低，并对荒漠化地区的生态演化有直接的影响［1－3］。因而，土壤有机质已经成为土壤学、环境化学和地球化学的研究热点之一［4－6］。揭示土壤有机质的时空变异规律是实现土壤可持续利用和区域可持续发展的前提。国内外研究表明，自然环境条件的改变、土地利用方式的变化等都会影响土壤有机质的数量和构成［7－10］，进而影响土壤水盐运动状况和 肥力特 性［11］。因此，研究土壤有机质的时空动态变化有助于了解区域土壤质量动态演化特征。

天山山体在新疆的隆起，将新疆大地分成截然不同的南北两半。首先是将新疆荒漠地带分成暖温带（南疆）和中温带（北疆）；其次是使新疆的垂直地带性明显增强，成为影响荒漠、盆地和平原内部自然地域分异，促进绿洲形成、发育的主要因素［12］。由此可见，天山山地的生态环境将对整个新疆，乃至对整个亚洲产生极其重大的影响。因地制宜地做好天山山地生态建设，科学开展林地管理，深入分析天山区域的土壤养分的空间分布特征是十分必要而又有所欠缺。基于此，本研究对天山山地下林沿土壤有机质的空间分布特征及其影响因素进行深入分析，以期为天山山地的生态建设、林地管理、土壤肥力评价等提供一定的科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

我国境内的天山，即东天山横穿新疆维吾尔自治区全境，西起中国与吉尔吉斯坦边界，东至哈密市以东的星星峡戈壁，东西绵延1 700km。占天山山系总长度的2／3以上，山势雄伟壮观，山地平均海拔高度4 000m［13］。天山位于不同的生物气候带之间，其北—准葛尔盆地南部属于温带荒漠，南—塔里木盆地属于暖温带荒漠。不同地带的水热条件明显地反映在所隶属的垂直带系统中。因而，天山不同坡向的土被、植被的垂直结构差异很大。天山北坡的垂直带谱结构大部分从半荒漠开始，部分山段荒漠上升也较低，而南坡山地荒漠则可升至1 800～2 000m以上。较为湿润的托木尔峰南坡亦可上升至2 100～2 300 m之间，西南坡则更高，可达2 300～2 500m［12］。天山北坡的土壤垂直带谱结构相当完整，主要为：山地灰棕漠土（西部和东部）—山地棕钙土—山地粟钙土—山地黑钙土—山地灰褐土—亚高山草甸土—高山草甸土—高山原始土壤带。天山土壤是中亚荒漠和亚洲中部荒漠两种类型的生物气候条件下发育形成的。所以其特点、分布规律、垂直带结构就深刻地打上了这两种荒漠类型的烙印。

1.2 研究方法

1.2.1 样本采集 于2011年8月对天山北坡东、中、西段（巴里坤—伊吾区段、新源—巴音布鲁克区段和昭苏—特克斯区段）进行了实地考察，选择下林沿林地和草地的合适部位分别开挖开口为40cm×40 cm深度为100cm的土壤剖面，分为0—5，5—20，20—40cm以成对（林—草地）的形式进行采样，共采集133个下林沿土样。每土层取约1kg混合样，装于自封塑料袋内并做好标记和编号。样点位置详见图1。采样的同时记录采样日期、样地经纬度、植被类型、植被覆盖度、坡向、坡度、成土母质、颜色、硬度等背景情况以备后续分析。

图1 研究区与采样点位置示意图

1.2.2 分析方法 在加热条件下，用过量的重铬酸钾—硫酸（K2Cr2O7—H2SO4）溶液来氧化土壤有机质中的碳，中Cr6＋被还原成Cr3＋，剩余的重铬酸钾（K2Cr2O7）用硫酸亚铁（FeSO4）标准溶液滴定，根据消耗的重铬酸钾量计算出有机碳量，再乘以常数1.724，即为土壤有机质量［14－16］。

1.2.3 数据处理 采用经典统计学方法在SPSS 19.0中对数据进行描述性分析，采用Excel绘图。分析过程中，对采自同一样点的林—草地成对样做平均处理，以代表同一样点的土壤特征值。

2 结果与分析

2.1 0－5cm土壤剖面层

昭苏—特克斯区段（0—5cm）的土壤有机质含量变化于30.4～403.8g／kg之间，平均值为189.3g／kg，变异系数为55.1%，属于中等变异。新源—巴音布鲁克区段（0—5cm）土壤有机质含量在28.0～309.4 g／kg之 间，平 均 值 为 143.2g／kg，变 异 系 数 为52.9%。巴里坤—伊吾区段该层内土壤有机质含量在2.5～315.8g／kg，平均值为80.6g／kg，变异系数为102.1%，属于强变异。

图2为天山北坡不同区段下林沿土壤（0—5cm层）有机质含量的统计特征比较。由图2可见，天山北坡西段林线附近0—5cm土层的有机质含量明显高于天山北坡东段。比较各区段0—5cm土壤层有机质含量的平均值可以发现，巴里坤—伊吾区段的最小，而昭苏—特克斯区段的最大。0—5cm土层的有机质含量以昭苏—特克斯区段为最大；以巴里坤—伊吾区段的为最小（2.5g／kg）。比较0—5cm土层内有机质含量的变异系数可以发现：巴里坤—伊吾区段的土壤有机质含量的变异系数（102.1%）最大，属于强变异，而新源—巴音布鲁克区段的变异系数最小，属于中等变异。研究区域0—5cm土层内有机质含量的偏度值都大于零，说明研究区域土壤有机质含量呈正偏分布，即均值在峰值的右边。研究区域0—5 cm土壤层有机质含量的峰度值大于零，说明其分布的集中程度高于正态分布。

图2 不同区段林沿土壤（0－5cm层）有机质含量的统计特征比较

2.2 5－20cm土壤剖面层

就5—20cm土层而言，昭苏—特克斯区段土壤有机质含量在14.3～190.8g／kg之间，平均值为102.7g／kg，变异系数为50.3%；新源—巴音布鲁克区段为25.6～275.9g／kg，平均值为110.2g／kg，变异系数为52.6%；巴里坤—伊吾区段为4.1～158.5 g／kg，平均值为48.8g／kg，标准方差为44.9，变异系数为92.1%（图3）。由从图3可知，天山北坡西段下林沿5—20cm土层的有机质含量明显高于天山北坡东段。比较其平均值可知，巴里坤—伊吾区段的平均含量最小，新源—巴音布鲁克区段最大。5—20cm土层内有机质含量的最大值出现在新源—巴音布鲁克区段（275.9g／kg），最小值出现在巴里坤—伊吾区段（4.1g／kg）。

比较5—20cm土壤层有机质含量的偏度可以看出，研究区域土壤有机质含量的偏度值都大于零，说明研究区土壤有机质含量呈正偏分布，即均值在峰值的右边。昭苏—特克斯区段5—20cm土壤层有机质含量的峰度值小于零，说明该地区的土壤有机质含量分布的集中程度低于正态分布，其他两个区段的峰度值都大于零，说明这两个区段的土壤有机质含量分布的集中程度高于正态分布。巴里坤—伊吾区段5—20cm土壤层有机质含量的变异系数最大，昭苏—特克斯区段的最小，都属于中等变异。

图3 不同区段林沿土壤（5－20cm层）有机质含量的统计特征比较

2.3 20－40cm土壤剖面层

从20—40cm土层来看，昭苏—特克斯区段土壤有机质含量为8.3～190.7g／kg，平均值为72.7 g／kg，变异系数为64.5%，属于中等变异；新源—巴音布鲁克区段为15.6～203.06g／kg，平均值为87.2 g／kg，变异系数为61.4%，属于中等变异；巴里坤—伊吾区段为5.0～129.9g／kg，平均值为38.5／kg，变异系数为33.2%，属于中等变异（图4）。

从图4可以看出，天山北坡西段下林沿20—40 cm土层的有机质含量明显高于天山北坡东段。东段的巴里坤—伊吾区段20—40cm土壤层有机质含量的最大值最小，而中段的新源—巴音布鲁克区段的最大值最大。巴里坤—伊吾区段20—40cm土壤层有机质含量的最小值（5.0g／kg）最小。偏度分析结果表明，研究区域20—40cm土层有机质含量的偏度值都大于零，说明研究区20—40cm土层有机质含量的分布属于正偏，即均值在峰值的右边。峰度分析结果显示，研究区域20—40cm土壤层有机质含量的峰度值都大于零，说明研究区域土壤有机质含量分布的集中程度高于正态分布。巴里坤—伊吾区段20—40 cm土壤层有机质含量的平均值最小，新源—巴音布鲁克区段的平均值最大。新源—巴音布鲁克区段20—40cm土壤层有机质含量的变异系数（47.1%）最小，巴里坤—伊吾区段的变异系数最大。

图4 不同区段林沿土壤（20－40cm层）有机质含量的统计特征比较

2.4 垂直剖面层土壤有机质含量的比较

图5 显示了天山北坡不同土层的土壤有机质含量的平均值、最大值和最小值。由图5可见，3个区段不同深度土层有机质含量均存在明显差异，其中以0—5cm土层的有机质含量为高。从天山北坡下林沿不同土层的有机质含量的最大值来看，各区段土壤有机质含量的最大值也均出现在0—5cm的土壤剖面层内。这符合干旱区土壤有机质含量在表层聚集的一般规律。

分析天山北坡不同土层的有机质含量的最小值可知，昭苏—特克斯区段和新源—巴音布鲁克区段土壤有机质含量的最小值均出现在20—40cm的土壤剖面层内，而巴里坤—伊吾区段土壤有机质含量的最小值则出现在0—5cm的土壤剖面层内。造成这种现象的原因可能是因为巴里坤—伊吾区段土壤受人类活动的影响更显著。

图5 不同土壤剖面层的土壤有机质含量的平均值、最大值和最小值的比较

3 讨论

在相同气候区，天山北坡土壤有机质含量的空间分布受成土母质、地形地貌、土壤类型、土壤质地［4，17－20］、植被覆盖度、海拔、热量及人为管理措施等因素的影响［1］。

成土母质一方面是土壤的骨架，另一方面是植物矿质养料元素的最初来源，不仅直接影响着土壤的物理化学性质、土壤成土过程，而且还影响着土壤有机质的累积和淋失［21］。有关研究显示，天山北坡西段土壤质地为薄厚不等的黄土状物质，而天山北坡东段的成土母质为坡积、冲洪积／湖积物等。由黄土状成土母质发育的土壤，有机质含量极显著高于坡积、冲洪积／湖积物。黄土状母质黄土层深厚，富含碳酸盐，黏化层和钙积层发育，且多形成碳酸盐褐土，所以有机质的含量很高。洪积母质土体中往往有卵砾石层，构成了土体中的障碍层，且质地为轻壤，多形成褐土性土，因而有机质的含量较低。这是本研究中天山北坡西段下林沿土壤有机质含量明显高于天山北坡东段的根本原因。

地形和土壤类型影响土壤有机质的空间分布。天山北坡西段主要土壤类型是黑钙土和粟钙土。黑钙土自然肥力水平较高，其分布区不但是较好的牧场，而且有部分是较好的旱作地。这种土壤的有机质含量较高［12］。黑钙土的主要特点是土壤进行强烈的腐殖质积累过程，同时钙化过程也很明显。表层的有机质含量在7%～13%之间，具有良好的粒状—团块状结构；土壤上部的碳酸钙受到淋失，有明显的钙积层。天山北坡西段（特克斯—昭苏、新源—巴音布鲁克区段）土壤质地较重，主要土壤类型是黏土，利于有机质的积累，而天山北坡东段的巴里坤—伊吾区段土壤质地较轻，通气条件较好，有机质流失相对容易，因此有机质含量较低［22］。

植被覆盖度、海拔和热量也是决定土壤有机质含量的主要因素。实地考察发现，天山北坡西段地区（昭苏—特克斯、新源—巴音布鲁克区段）植物以天山云杉、林缘灌丛和禾本科植物为主，植被覆盖度约为90%，平均海拔高度为2 000m左右，热量较低有利于有机质的积累。天山北坡东段（巴里坤—伊吾区段）以藜科植物、蒿类为主，并有少量骆驼蓬、榆树、芨芨草、苦豆子、粉苞菊等出现，植被盖度在20%～30%之间，平均海拔高度为1 800m左右。随着海拔的降低，降雨量逐渐减少，植被覆盖度逐渐降低，有机质含量也逐渐降低［1］。巴里坤盆地因气候干旱，植物稀疏，这些自然条件不利于土壤有机质的积累。新源—巴音布鲁克区段采样点多分布在以野杏、小檗、柳树、蔷薇等为主的山地林地和以禾本科为主的草地中，植被盖度90%以上，优越的植被条件为土壤有机质的积累奠定了基础。这是新源—巴音布鲁克区段土壤有机质含量比较高的主要原因。

巴里坤—伊吾区段具有丰富的自然资源，盆地土壤主要有淡粟钙土、棕钙土、草甸土和盐土4个类型［12］。不同土壤类型上生长的植被，其覆盖度和土地利用方式有很大的差异，这是导致巴里坤地区土壤有机质含量变异较大的主要原因。此外，该区段人类活动（包括开垦、造林、旅游等）对土壤也产生了一定的影响。

4 结论

（1）天山北坡西段下林沿土壤层的有机质含量明显高于天山北坡东段。0—5cm土壤剖面层内天山北坡昭苏—特克斯区段的土壤有机质含量比天山北坡其他区段的高。0—5，5—20，20—40cm土壤剖面层内天山北坡巴里坤—伊吾区段土壤有机质含量比天山北坡其他区段的土壤有机质含量低。5—20，20—40cm土壤剖面层内天山北坡新源—巴音布鲁克区段的土壤有机质含量比天山北坡其它区段的高。

（2）天山北坡0—5cm土壤剖面层内土壤有机质含量的最大值出现在昭苏—特克斯区段，5—20，20—40cm土壤剖面层内土壤有机质含量的最大值出现在新源—巴音布鲁克区段。0—5，5—20cm和20—40cm土壤剖面层内土壤有机质含量的最小值出现在巴里坤—伊吾区段。

（3）0—5，5—20，20—40cm 土壤剖面层内巴里坤—伊吾区段的变异系数最大。0—5cm土壤剖面层内巴里坤—伊吾区段的土壤有机质含量的变异系数属于强变异，其它区段属于中等变异。5—20，20—40cm土壤剖面层内研究区域的有机质含量的变异系数属于中等变异型。

（4）天山北坡0—5cm土壤剖面层土壤有机质含量比5—20，20—40cm土壤剖面层土壤有机质含量高。天山北坡下林沿土壤有机质含量的最大值出现在0—5cm的土壤剖面层内。

（5）昭苏—特克斯、新源—巴音布鲁克区段土壤有机质含量的最小值出现在20—40cm土壤剖面层内，而巴里坤—伊吾区段土壤有机质含量的最小值则出现在0—5cm的土壤剖面层内。

巴里坤—伊吾区段受自然和人为影响，土壤有机质含量偏低。在今后的林业生产和生态建设实践中，应注意降低人类活动对土壤层的扰动、加强天然植被的保护，在有条件的地块增施有机肥，以快速提高土壤的有机质含量。

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