银川平原沟渠边坡土壤理化性状空间分异特征

乔 斌，何彤慧，吴春燕，苏芝屯

(宁夏大学 西北退化生态系统恢复与重建教育部重点实验室，西北土地退化与生态恢复国家重点实验室培育基地， 宁夏 银川 750021)

沟渠是以排水(沟道)和灌溉(渠道)为主要目的的人工水道[1]，具有河流和湿地特征的独特工程化生态系统[2]。作为绿洲区常见的景观要素，在农田水利工程中发挥着核心作用，是农田生态系统重要的廊道[3]。其在区域综合开发中的重要性不仅体现在农田灌溉方面，还体现在维持植物物种多样性[4]和区域生物多样性保护方面[5-6]。近年来宁夏引黄灌区沟渠在维持绿洲生态系统的稳定和保护物种多样性中发挥的生态功能逐渐被人们所认知。已有的报道揭示了沟渠边坡植物多样性显著，在完整的生态序列沟渠断面中，植物群落自下而上形成了水生—湿生—中生—旱生的更替，水分、土壤养分是影响沟渠植物分布的主要因子[1，7-11]。理论上讲，植物群落生态序列的出现是植物与气候、土壤、地形等生态环境综合体长期适应和协同进化的结果。土壤资源的空间异质性是造成植被空间分布差异的主要原因，对植物群落结构有重要影响[12]。植物与土壤之间发生着频繁的物质交换。因此，沟渠边坡土壤理化性状是否也存在“梯度效应”？土壤理化性状的空间分布如何？植物群落的生态序列梯度和土壤理化性状存在何种反馈机制？这些科学问题还没有做出精准回答。本文则基于银川平原沟渠边坡植物群落存在梯度效应的科学研究，通过对沟渠边坡土壤性状的空间分异特征进行探究分析，以期为指导宁夏引黄灌区水利工程建设、认知沟渠湿地生态环境效应、充实生态化学计量学理论等提供科学依据和理论参考。

1 银川平原及沟渠概况

银川平原是在新生代断陷盆地基础上发育的堆积平原[13]，地处温带干旱地区，属典型的中温带大陆性气候，年平均气温在8℃～9℃之间，年降水量在200 mm左右。银川平原深居西北内陆，干旱少雨、蒸发强烈、气候干燥，但便于引黄灌溉，通过沟渠引排的黄河水占到地区总水量的80%以上[9]。自秦汉以来，银川平原就开始了自流灌溉绿洲开发，2000多年来基本上呈连续态势，形成了沟渠纵横交错的独特景观格局。在渠道中，从黄河直接引水的渠道为干渠，从干渠引水的渠道为支渠，从支渠引水的渠道为斗渠，农渠或毛渠为接入农田的渠道。在沟道中，直接排水入黄河的沟道是干沟，排水入干沟的沟道为支沟，排水入支沟的沟道为斗沟。此外，从贺兰山洪积扇向黄河冲积平原导引洪水的沟道为泄洪沟，一般接入干沟。目前，银川平原有干渠及以上等级的渠道18条，总长1 200多km，总引水流量610 m3·s-1，灌溉总面积为33×104hm2；有骨干排水沟道24条，总长660 km，排水控制面积4.2×104hm2，总排水能力达955 m3·s-1[14-15]。完善的灌排网络，加之光、热、水、土等农业自然资源配合较好，农林牧业在银川平原得到了良好发展。

2 研究方法

2.1 样品采集与测定

根据植物群落的生态序列梯度选择银川平原具有代表性的灌渠和排水沟布点。重点沟渠有唐徕渠、汉延渠、惠农渠、第一排水沟、第三排水沟、永二干沟、高家闸泄洪沟、桑园沟等，对这些沟渠从上段、中段和下段分别选取断面。采用断面法采样，具体操作是从沟渠一侧的堤坝顶部沿剖面方向至另一侧的堤坝顶部，按照生态序列在断面上布点，依次选取A区、B区和C区3个样区，A区、B区、C区分别为旱生植物群落、中生植物群落、湿生植物群落(图1)。在各样区用土钻分别取0～10、10～20、20～30、30～40 cm共4个土层的土壤(植物根系大部分分布在30 cm以上的土壤中)。取土样时将同一层土样混匀后装入自封袋中带回实验室，每层3个重复。同时用铝盒盛装土样带回实验室，用烘干法测土壤水分含量。用pH计测土壤pH值，用电导率仪测土壤全盐含量，用K2Cr2O7-H2SO4外加热法测土壤有机碳含量，用NaOH-H3BO3法测土壤碱解氮含量，用NaHCO3浸提—钼锑抗比色法测定土壤有效磷含量[16]。

图1 采样断面样点布置示意

Fig.1 Sectional schematic arrangement of sampling points

2.2 数据处理

利用Excel 2007和SPSS 19.0软件对数据进行分析，其中各土壤指标的空间分布用Excel 2007软件绘图，各土壤指标特征值的差异性检验用单因素方差分析(one-way ANOVA)和最小显著差法(least-significant difference，LSD)分析，土壤指标的相关性用皮尔逊(Pearson)相关系数法来判定。

3 结果与分析

3.1 沟渠边坡土壤理化性状空间特征

由图2(a)所示，A区、B区、C区土壤含水量随土层加深同层含水量差异减小，在30～40 cm土层含水量趋于接近，同土层中含水量均呈现C区>B区>A区；各区土壤含水量均呈现先增加后减少趋势，同区各土层含水量C区差异最大，A区最小，各区含水量均在20～30 cm土层最高。土壤全盐同层基本表现为B区>A区>C区，局部出现波动，随着土层加深同层全盐A区和C区趋于接近；各区土壤全盐均表现为先迅速降低，后基本不变趋势，各区最大全盐均出现在0～10 cm，B区各土层普遍高于A区、C区各土层，在B区形成了明显的“盐带”(图2b)。土壤pH值同层表征不一致，具体来说，在0～10 cm土层pH值表现为C区>A区>B区，在10 cm以下土层pH值为A区>C区>B区；各区土壤pH值表现各异，A区表现出先迅速增大后再减小趋势，最高值出现在20～30 cm土层，B区表现为先增大后基本维持不变，最低值出现在0～10 cm，C区表现出先减小后基本趋于不变，最高值出现在0～10 cm土层(图2c)。土壤SOC和AN空间分布规律表现基本一致。具体来说，各土层土壤SOC和AN均是B区最高，A区和C区次之，且相互交替，A区和C区的SOC在10 cm以下土层差别不大，AN则是各土层差别均不明显；各区SOC和AN均呈现波动下降趋势，各区其含量均在0～10 cm土层表现出最高值，最低值则是A区出现在20～30 cm，B区和C区出现在30～40 cm(图2d、图2e)。土壤AP各层表现各异，在0～10、10～20 cm土层均是A区最大，B区、C区基本一致，20～30 cm土层是C区> B区>A区，30～40 cm土层是B区>C区> A区；AP在各区也呈现明显不同，A区和B区均是先减小后增大，不同的是A区最高值出现在10～20 cm土层，B区最高值出现在20～30 cm土层，C区是0～10 cm和20～30 cm土层土壤AP含量接近，10～20 cm和30～40 cm土层土壤AP含量接近(图2f)。

图2 沟渠边坡土壤理化性状空间分布

Fig.2 The spatial distribution of soil physical and chemical properties on ditch slope

3.2 沟渠边坡土壤理化性状特征值分析

由表1可知，沟渠边坡各区的土壤理化性状明显不同。具体来说，A区、B区、C区土壤含水量呈现逐渐增加趋势，但差异并不显著；全盐B区与A区、C区差异显著，表现为B区>A区>C区；pH值各区之间均差异显著，变现为A区>C区>B区；SOC、AN差异表现一致，均是B区与A区、C区差异显著，A区和C区之间差异不显著；AP表现为B区、C区与A区差异显著。总体来说，在沟渠边坡B区土壤全盐、SOC、AN、AP表现出明显的富集效应，出现了“盐带”和“肥区”。

沟渠边坡各层的土壤理化性状也表现出明显的不同。0～10、10～20、20～30、30～40 cm土层含水量差异不显著，0～10 cm土层含水量最小，后逐渐增大并趋于稳定；全盐0～10 cm土层与20～30、30～40 cm差异显著，与10～20 cm土层差异不显著，全盐最高值出现在0～10 cm土层；pH值各层之间均差异不显著；SOC表现出0～10 cm土层与10 cm以下土层差异均显著，10 cm以下土层之间差异不显著，0～10 cm土层SOC表现出最高值；AN在0～10 cm土层与20～30、30～40 cm差异显著，与10～20 cm土层差异不显著，AN最高值出现在0～10 cm土层；AP各层之间均差异不显著。综上，在沟渠边坡0～10 cm土层土壤全盐、SOC、AN、AP表现出明显富集效应。

表1 沟渠边坡土壤理化性状特征值 Table 1 The eigenvalue of soil physical and chemical properties on ditch slope

注：同行不同小写字母代表差异显著(P<0.05)。

Note: different lowercase letters represent significant differences counterparts (P<0.05).

3.3 沟渠边坡分层分区土壤理化性状特征值分析

由表2可知，同层各区和同区各层土壤理化性质差异各异。其中，土壤含水量在同层各区和同区各层差异均不显著。全盐同层差异不一致，在B区的0～10、10～20 cm土层出现全盐聚集，与A区、C区差异显著，在20～30、30～40 cm土层也是B区全盐最大，但与A区差异不显著，与C区差异显著。B区表层与下层差异显著，A区、C区各土层差异均不显著，B区各土层普遍高于A区、C区各土层，在B区形成了明显的“盐带”；pH值在0～10 cm土层C区与B区差异显著，与A区差异不显著，在10～20 cm土层A区与B区差异显著，与C区差异不显著，在20～30、30～40 cm土层A区与B区、C区差异显著。各区土壤pH值在A区0～10 cm土层与10 cm以下土层差异显著，B区、C区各土层差异均不显著。综上，土壤含水量在同层各区和同区各层差异均不显著，全盐在B区的0～10 cm土层富集效应最显著，pH值表现复杂，A区的0～10 cm土层比其他土层、其他样区更具差异性。

同层的SOC表现为0～10、10～20 cm土层B区与A区差异不显著，与C区差异显著，为B区>A区>C区。在20～30、30～40 cm土层土壤SOC各区差异均不显著。A区、B区、C区的SOC各有差异，A区在0～10、10～20 cm土层富集效应显著，B区在0～10、10～20、20～30 cm土层富集效应显著，C区在0～10 cm土层最大但富集效应不显著；AN在0～20 cm土层各区差异均不显著，在20～40 cm土层B区与A区、C区差异显著。AN表现为A区和C区是0～10 cm土层和10 cm以下土层差异显著，B区则是各土层差异均不显著；AP在0～20 cm土层是A区与B区、C区差异显著，20～30 cm土层是各区差异均不显著，30～40 cm土层则是B区与A差异显著，与C区差异不显著。同区不同土层的差异性均不显著。综上，SOC在B区的0～30 cm土层富集效应最显著，其次是A区0～10 cm土层。AN在A区和C区的0～20 cm土层出现了显著富集，在B区0～30 cm土层富集效应最显著，AP在B区和C区的0～10 cm土层富集效应最显著。

表2 不同土层不同位置土壤理化性状特征值 Table 2 The eigenvalues of soil physical and chemical properties in different positions and soil layers

注：同行不同大写字母表示同层各区土壤理化性质差异显著(P<0.05)，同列不同小写字母表示同区各层土壤理化性质差异显著(P<0.05)。

Note: different capital letters in the same row represents significant difference(P<0.05); different lower case letters in the same column represents significant difference (P<0.05).

3.4 沟渠边坡土壤理化性状相关性分析

宁夏引黄灌区沟渠边坡土壤理化性状间存在不同的相关性。表3的结果表明：SOC与AN、全盐呈现极显著正相关(P<0.01)；AN与全盐呈极显著正相关(P<0.01)，与pH值呈显著负相关(P<0.05)；pH值与全盐呈极显著负相关(P<0.01)；AP与SOC、AN、水分、全盐、pH值均没有相关性；水分与SOC、AN、AP、全盐、pH值也是均没有相关性。对同层和同区存在相关性的指标进一步分析发现(表4)：同区、同层的SOC与AN都存在极显著正相关(P<0.01)，同区中相关性C区>A区>B区，同层中10～20 cm土层相关系数最大；A区、B区的SOC与全盐分别存在显著正相关(P<0.05)，C区的SOC与全盐没有相关性，0～10、10～20 cm土层的SOC与全盐分别存在显著正相关(P<0.05)，20～30、30～40 cm土层的SOC与全盐没有相关性；各区中仅有A区的AN与全盐存在正相关显著(P<0.05)，各层中仅有10～20 cm土层的AN与全盐存在显著正相关(P<0.05)；AN与pH值仅有30～40 cm土层存在显著负相关(P<0.05)；各区中A区、C区的全盐与pH值分别呈显著负相关(P<0.05)。

表3 沟渠边坡土壤理化性状的相关性 Table 3 Correlation of soil physical and chemical properties on ditch slope

注：**相关性在0.01水平(双侧)上显著相关，*相关性在0.05 水平(双侧)上显著相关。下同。

Note: ** correlation is significant at the 0.01 level (2-tailed), * correlation is significant at the 0.05 level (2-tailed). The same below.

表4 不同土层不同位置土壤理化性状的相关性 Table 4 Correlation of soil physical and chemical properties between different positions and soil layers

4 讨 论

4.1 沟渠边坡土壤理化性状空间分异特征及影响因子

银川平原沟渠边坡植物群落分布主要决定因素是水分[8]。本研究进一步表明土壤含水量由沟渠坡底到堤坝顶部呈现递减变化规律，这种梯度变化反映在沟渠边坡的植物群落呈现湿生—中生—旱生的生态序列梯度，造成植物活体、凋落物存在梯度差异，进而影响到物质资源的循环过程，导致了土壤理化性状的空间差异；全盐在土壤表层表现出明显的富集效应，这种表聚现象与干旱区蒸发强烈，全盐随土壤水分的运动而运移有关[17-18]，表现为蒸发—积盐。在B区出现明显的“盐带”，主要是由于其长期处于临界水位，地下水通过毛管蒸发作用把盐分向上输送，加之沟渠微地形的影响[19]，调控了盐分的运移、淋滤和累积，进而增强了B区土壤表层的积盐速率；土壤pH值的空间异质性表现较为复杂，A区、B区、C区的pH值分别介于8.18～10.37、8.29～9.79、8.08～9.75之间，总体来看沟渠边坡的盐碱化程度较高，随边坡高程的增加，pH值也增大；SOC、AN、AP具有明显的表聚效应[20]，宁夏引黄灌区气候条件、成土母质基本一致，因而表层出现养分聚集主要是由于植物凋落物分解后的养分归还所致，这与李瑞利等[21]、刘文龙等[22]的研究结果一致。B区出现了明显的“肥区”，SOC、AN、AP分别在0～30、0～30、0～10 cm土层富集效应最显著，可能与本区为干旱背景下的中生环境，须根系、直根系、深根系草本植物在本区混合生长，植物枯落物易于累积有关。其中AP的富集效应仅限于表层，且在B区表层富集效应最显著，因其主要受土壤风化作用的影响，来源相对固定，且土壤风化相对缓慢[23-24]。SOC、AN首先在土壤表层累积，之后跟随水和植物根系等介质向下层迁移扩散，因而呈现波动下降趋势，这与朱秋莲等[25]的研究结果一致。

此外，沟渠边坡土壤理化性状的空间差异可能与沟渠坡度、人类干扰直接或间接相关。沟渠边坡的坡度可能造成土壤理化性状的差异，Enoki等[26]研究表明坡度和地形因子通过控制土壤水分的平衡来影响土壤资源和植被分布，进而影响养分的迁移及其在坡面上的重新分配。银川平原长期以来在沟渠体系维护中形成的“岁修”制度[1]，影响了植物多样性和群落分布，也间接导致了土壤养分的空间差异。

4.2 沟渠边坡土壤理化性状间的相互作用

本研究中，土壤理化性状间的相互作用直接或间接地导致了土壤理化性状的空间差异。土壤SOC与AN的空间分布表现出高度的一致性，存在极显著正相关，SOC含量高，土壤熟化程度高、AN含量亦高；B区土壤全盐与SOC显著正相关，土壤全盐影响植物的生长，从而可能间接影响土壤养分[22]，在B区出现的“盐带”促进了SOC的富集效应；土壤含水量与全盐、SOC、AN、AP不存在直接相关性，但银川平原沟渠边坡土壤含水量的差异导致了植物群落的生态序列梯度。因此，土壤含水量主要是通过影响群落分布间接影响全盐、养分的机械迁移。Schlesinger等[27]研究认为水分资源是干旱半干旱区土壤养分迁移和重新分配的一个重要因子；植物根系分泌的有机酸可以降低土壤pH值，进而活化了土壤难溶性养分[28]，从而直接或间接导致SOC、AN、AP的空间差异。

4.3 沟渠边坡植被—土壤相互反馈机制

土壤资源的空间异质性和植被的空间分布一直是异质性研究的重要内容。从本研究看，沟渠边坡土壤理化性状的空间分布无不与植物群落的生态序列梯度效应直接或间接相关，二者之间存在联动反馈机制。沟渠边坡土壤含水量的变化是本源，导致植物群落分布呈现生态序列梯度，也影响到水盐循环和水土循环，进一步直接或间接影响土壤理化性状的空间分布格局，土壤理化性状的空间异质性又反馈于植物群落的生态序列梯度的形成和发展。沟渠边坡中部位置形成的“盐带”和“肥区”体现的就是土壤小尺度的空间异质性，其对植物群落分布格局具有重要影响[29]，同时植物群落的生态序列梯度又反作用于盐分、养分的空间分布。白军红等[30]认为小尺度范围内土壤碳、氮含量的变化主要受植被的影响。Zou等[31]研究也指出土壤SOC、全氮、pH值、电导率、坡度、含水量等因素与沙丘植物分布存在联动反馈机制。正是因为沟渠边坡土壤资源空间异质性的存在，从而维持了灌区沟渠走廊高的生物多样性，这也从土壤因子角度解释了沟渠生物多样性高于周边临近农田的现象。沟渠作为银川平原绿洲的典型地段和敏感区域，其边坡的植被特征与土壤属性的反馈机制和空间格局对维持绿洲生态系统的稳定发挥着重要的生态功能。

此外，土壤理化性状的空间异质性可能与植物群落的生态化学计量特征有关。蒋利玲等[32]研究就认为不同植物的生态化学计量与土壤养分有关，是其生理和生化调节对土壤养分的响应。Kitayama等[33]也认为土壤养分空间差异的驱动力有土壤地球化学、植物群落组成变化、植物生理学等。本研究只针对植被与土壤的相互反馈机制作了分析，未就土壤空间异质性与植物活体、凋落物的生态化学计量特征的相互关系进行深入分析，也将是下一步工作的重点。

5 结 论

本文基于银川平原沟渠边坡植物群落存在梯度效应的科学研究，通过应用经典统计学方法，探讨了沟渠边坡土壤性状的空间分异特征。结果表明：宁夏引黄灌区沟渠边坡土壤理化性状具有明显的空间异质性；A区、B区、C区的土壤含水量逐渐增加，即从沟渠堤坝顶部到坡底呈现递增变化规律；土壤pH值的空间异质性较为复杂，A区、B区、C区的pH值分别介于8.18～10.37、8.29～9.79、8.08～9.75之间，沟渠边坡的盐碱化程度较高；土壤全盐在沟渠边坡表层土壤富集显著，其中以B区(沟渠边坡中部位置)0～10 cm土层富集效应最显著，形成了明显的“盐带”；SOC、AN、AP分别在B区的0～30、0～30、0～10 cm土层富集效应显著，形成了明显的“肥区”；土壤理化性状间的相互作用直接或间接地影响了土壤理化性状的空间差异。沟渠边坡土壤资源的空间异质性受植物群落分布、沟渠微地形、人类干扰及土壤理化性状间的相互作用等因素的共同影响。其中，土壤含水量的变化是本源，影响了沟渠边坡植物群落的分布特征和土壤资源的空间特征。植物群落分布的生态序列梯度和土壤资源的空间异质性是相互影响、相互制约。二者均有突出的生态功能，共同维护着宁夏引黄灌区的植物多样性和绿洲生态系统的稳定。沟渠植物的更替效应与土壤全盐、SOC、AN、AP的富集效应是相伴而生，相辅相成，而且作为反馈，全盐、SOC、AN、AP的空间聚集可以进一步促成植物群落梯度效应的形成，推动沟渠生态系统的演化过程。

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