河西走廊不同类型戈壁土壤理化性质分析

安富博，张德魁，赵锦梅，柴成武，赵艳丽，孙 涛,5

(1.甘肃省治沙研究所，甘肃 兰州 730070；2.甘肃省荒漠化与风沙灾害防治重点实验室-省部共建国家重点实验室培育基地，甘肃 武威 733000；3.甘肃民勤荒漠草地生态系统国家野外科学观测研究站，甘肃 民勤 733300；4.甘肃农业大学，甘肃 兰州 730070； 5.甘肃河西走廊森林生态系统国家定位观测研究站，甘肃 武威 733000)

土地是人类赖以生存的基础性自然资源，土壤质量不仅是自然属性，更是人为因子作用的结果。戈壁，在蒙古语中有“沙漠”“砾石荒漠”“干旱的地方”等意思，在许多时候人们又称其为“瀚海沙漠”“戈壁滩”“戈壁沙漠”。它是中国西北干旱地区的一种主要地表景观类型。由于戈壁所处地带自然条件恶劣，人烟稀少，不便于实地调查开展研究工作，所以目前关于戈壁的研究成果较少，关于戈壁的概况、分布、类型划分及改造利用等问题的论述几近空白[1]。有研究者在详细探究了“戈壁”一词的起源、定义、分类体系及方法的基础上，认为戈壁是指在干旱或极端干旱区，受长期、强烈的风蚀或物理风化作用，广泛分布于地势开阔地带，地表由砾石覆盖的一类荒漠景观[2]。从景观意义上来讲，中国戈壁主要分布在新疆、内蒙古、甘肃、青海及宁夏等省(区)，总面积约66.08万km2[1]，超过了流动沙丘和半固定沙丘的面积之和。王涛[3]认为，新疆东部、内蒙古西部阿拉善高原和河西走廊西北部的戈壁成片分布，是整个欧亚大陆戈壁分布最为集中的地区。戈壁分布区是生态脆弱区、生态灾害源区之一。在戈壁各特征中，地表物质组成特征不仅直接影响其他特征的性质，并且很大程度上决定其改造利用的难易程度。对地表物质组成及成分的研究是开展戈壁研究的基础和前提，它不仅可帮助我们了解各区域戈壁的特征，也可用来评价戈壁风蚀面的空气动力学稳定性，有利于解释沙尘源区，分析戈壁造成自然灾害的原因，认识沙粒迁移、沙漠扩展的规律，以及指导防沙工程[4]，为区域减灾、国家西部经济建设服务。本研究在河西戈壁综合科学考察野外调查的基础上，以河西走廊分布的不同类型戈壁为研究对象，通过采集典型戈壁类型土壤样品，分析其主要理化性质，以期揭示河西地区不同类型戈壁地表特征和土壤理化性质，进而探讨不同类型戈壁土壤质地和形成环境，为河西走廊戈壁区土壤资源的开发与保护提供科学的支撑。

1 研究区概况

河西走廊东起乌鞘岭，西至古玉门关，南北介于南山(祁连山和阿尔金山)和北山(马鬃山、合黎山和龙首山)间，长约1 000 km，宽数公里至百余公里，面积11.1万km2，为西北—东南走向的狭长平地，形如走廊，因在黄河以西而得名。走廊东西的降水差异较大，年平均降水量为60～610 mm，降水主要集中在6—8月；潜在蒸发量为1 400～3 010 mm；年平均气温5.8～9.3 ℃，绝对最高气温42.8 ℃，绝对最低气温-29.3 ℃，二者较差72.1 ℃，昼夜温差平均15 ℃左右；年平均风速为3.1 m/s，年平均大风日数为31.6 d，大风天气主要集中在3—5月，期间大风日数占全年大风日数的51.3%；年平均沙尘暴日数为36 d。

河西的戈壁类型多样，分布范围广。砾质戈壁、砂砾质戈壁、土质戈壁等在东西方向上交错分布，差异性强，在南北方向上呈明显条带状分布。在走廊不同地段戈壁土质不同，西部为棕荒漠土，中部为灰棕荒漠土,东部为灰漠土、淡棕钙土和灰钙土。盐渍土广泛分布于低洼地区，自东向西面积逐渐扩大。草甸土分布面积则自东向西缩小。地带性植被主要由超旱生灌木和半灌木组成，主要植物有红砂(Reaumuriasoongorica)、白刺(Nitrariatangutorum)、珍珠猪毛菜(Salsolapasserina)、膜果麻黄(Ephedraprzewalskii)、盐爪爪(Kalidiumfoliatum)、合头草(Sympegmaregelii)、针茅(Stipacapillata)、紫菀木(Asterothamnusalyssoides)等。分布的动物主要有野马、野驴、野骆驼、滩黄羊、鹅喉羚、藏原羚等。

2 材料与方法

2.1 土样采集

河西戈壁面积分布广，地形迥异，自然环境差别大。为了摸清河西戈壁的自然状况、土壤分布、类型特征、气候水文等基本特征，2011—2015年采取“主横多纵”的考察路线和“点、线、面”结合的方法，对甘肃河西走廊戈壁典型区进行了两次全面、综合的科学考察。考察路线以312国道河西段为主线，东起景泰，西至敦煌，途经武威、金昌、张掖、酒泉、玉门、瓜州，六条纵线分别与主线交织，涵盖了各种戈壁地貌和类型。

根据考察的实际情况和研究目的，共挖取土壤剖面64个，采集土样226份，所选样点涵盖了河西走廊戈壁区主要的石质戈壁、砾质戈壁、砂砾质戈壁、盐化戈壁、土质戈壁、雅丹地貌等类型，土壤样点的位置分布及地貌类型和主要植被情况见表1。土样采集采取实地挖取土壤剖面法，剖面深度为60 cm，按0～2、2～20、20～40、40～60 cm依次分层取样。戈壁区砾石分布较广，砾石层分布较厚，挖好剖面后，首先详细记录剖面的质地构成情况，进行现场拍照，然后实地开展土样采集和过筛等工作。各层土样过筛所用土壤筛的孔径分别为80、50、25、10、5和2.5 mm，过筛后称量记录，粒径小于2.5 mm的土样称量后装入自封袋带回试验室做进一步测试分析。

表1 土壤样点位置分布及地貌、植被情况

2.2 测定方法

在实验室对所采集的土样进一步处理后，分别测定土壤的pH值、有机质含量、电导率、全盐含量等理化性质。测定方法：pH值采用电位法测定[5]；有机质含量采用重铬酸钾氧化法测定；电导率用电导率仪测定[6]；全盐含量和盐离子含量测定时用土壤浸提液(水土比5∶1)提取，全盐的测定用电导法，CO32-、HCO3-用标准H2SO4滴定法，Cl-用标准AgNO3滴定法，SO42-、Ca2+和Mg2+用EDTA络合滴定法，K+和Na+用火焰光度计法[7]。最后采用DPS7.05统计软件和Excel 2007办公软件进行数据处理和作图分析。

3 结果与分析

3.1 土壤pH值

土壤pH值是表示土壤酸碱性强弱的指标，土壤酸碱性是影响土壤生产力的主要因子之一，它直接影响土壤中养分的存在状态、转化和有效性[8]。有研究表明，土壤酸碱性对植物和微生物所需养分元素的有效性具有显著影响[9]。

从图1可知，大部分样地的土壤pH值在7.0～8.0之间，呈微碱性。这是由于大部分戈壁类型的土壤，其成土母岩为石灰岩，成土时间短，加之样点位于干旱和极端干旱区，降雨量少而蒸发量大，土壤盐分基本饱和等所致；同时，土壤中有一定数量的碳酸钙也是其呈弱碱性的原因之一[10]，我们在野外挖取剖面过程中发现多个剖面中含有一定量的钙结层。也有少部分样地的土壤pH值在6.5～7.0之间，呈微酸性。分析表明，这些样点主要分布在戈壁的特殊地段，如s06、s13、s18位于戈壁低洼地，相对水分条件较好，植被生长较为旺盛。除个别样地(如s20、s24)外，各样地不同土层深度土壤pH值总体上较为稳定，差异不大。这表明戈壁土壤在垂直方向上从表层到深层差异不大，土壤性质稳定。

图1 典型戈壁样地不同深度土壤pH值

3.2 土壤有机质含量

土壤有机质是指土壤中所有含碳的有机化合物，其对土壤形成、土壤肥力和环境保护等具有重要意义[11]。土壤有机质是土壤各种养分特别是氮、磷的重要来源，含有植物生长所需要的各种营养元素[12]。因此，土壤有机质含量通常作为土壤肥力水平高低的一个重要指标[13]。

由图2可看出，在河西走廊典型戈壁各样地中，绝大多数样地的土壤有机质含量在1.0%以下，按照我国土壤养分含量标准归于5级(很缺乏)和6级(极缺乏)。其主要原因是，在戈壁形成过程中，地带表面沉积的砂岩、粉砂质泥岩及砂砾岩等比较疏松的岩体，在太阳和风的作用下不断被风化剥蚀，变成大量碎屑物质，这些碎屑物质本身的有机质含量极低，加上戈壁地表基本没有植被或是植被非常稀疏，植物根系及枯枝落叶等土壤有机质来源极少，土壤有机质的积累很少。但个别样地较为特殊，其有机质含量明显高于其他样地，且在垂直方向上由表层到深层有逐渐减小的趋势，如s02样地土壤有机质含量在表层0～2 cm为1.36%、2～20 cm为0.75%、深层60 cm为0.37%，呈快速减小趋势。由于该样点分布于景泰大唐风电场外围，属于典型残积型侵蚀砂砾质戈壁，样地内有较好的植被存在，主要有珍珠猪毛菜、芨芨草等(表1)，地上植物生长良好，植被盖度较大，植物根系及枯枝落叶增加了土壤的有机质来源，因此其有机质含量介于1.0%～1.5%之间，但仍处于4级(缺乏)水平；该样地随着土层深度的增加有机质含量呈减小趋势，原因是该区域以珍珠猪毛菜、芨芨草、小画眉草等浅根性草本植物为主，根系浅且受表层侵蚀的影响，深层土壤积累有机质很困难。s12样地为伏土型侵蚀砾石质戈壁(假戈壁)，其土壤有机质含量在1.5%～2.0%之间，相比其他样地较高，这是由于该样地内有相对较好的植被存在，且生物多样性较好，植被较为丰富；其有机质含量在0～40 cm土层变化基本稳定，在40～60 cm土层最高，这是由于该区域植被以针茅、紫菀木、骆驼蓬、荒漠锦鸡儿等深根型植物为主，深层土壤有机质可以得到补充。s24样地为盐化戈壁，分布于敦煌至柳园公路(G215)附近，植被以骆驼刺、花花柴、黑果枸杞和芦苇等多年生植物为主，根系相对较深，且豆科植物骆驼刺分布较多，该植物有提高土壤肥力的功效，可使土壤较快地积累一定的有机质，因此s24样地土壤有机质含量明显高于其他样地。

图2 典型戈壁样地不同深度土壤有机质含量

3.3 土壤电导率

土壤电导率是测定土壤水溶性盐含量的指标，土壤水溶性盐含量是判定土壤中盐类离子是否限制作物生长的重要因素。不同类型的戈壁土壤电导率不一样，同一戈壁类型不同深度的土壤电导率也不一样(见图3)。由测定结果可知，河西戈壁土壤电导率最低为1.2 μs/cm(样地s24)，最高达到1 933.33 μs/cm(样地s15)，平均电导率在600～800 μs/cm之间，这是由于不同戈壁类型的土质差异性较大。部分戈壁类型同一样地不同深度的土壤电导率也存在较大的差异，总体是随着土壤深度的增加电导率值有逐渐升高的趋势，如s04、s10、s12和s26样地的40～60 cm土层处电导率明显高于表层土壤。初步分析这与该土层土壤含水量突然增大有一定关系，因为在实地调查过程中发现，这些区域地下水埋深较浅，随土层深度增加土壤含水量逐渐增大，而含水量的增加会引发水溶性离子富集，最终导致土壤电导率偏高。

图3 典型戈壁样地不同深度土壤电导率

3.4 土壤全盐量及不同盐离子含量

河西不同戈壁类型样地土壤全盐含量见表2。由表2可知，除盐化戈壁(s24和s25)的土壤全盐含量在2.69%～32.87%之间，平均值为11.15%外，其他各样地的全盐含量在0.05%～4.27%之间，其中：地表0～2 cm在0.06%～1.74%之间，平均值为0.39%；2～20 cm在0.05%～2.31%之间，平均值为0.69%；20～40 cm在0.06%～2.43%之间，平均值为0.75%；40～60 cm在0.05%～4.27%之间，平均值为0.81%。土壤全盐含量整体上随着土壤深度的增加呈增加趋势，所有样地的全盐含量平均值为1.41%。

土壤中的可溶性盐分是指用一定的水土比例在一定时间内浸提出来的土壤中所含有的水溶性盐分。盐分对植物生长的影响，主要决定于土壤可溶性盐分的含量与组成及不同植物的耐盐程度。就盐分组成而言，苏打盐(碳酸钠、碳酸氢钠)对植物的危害最大，氯化钠次之，硫酸钠相对较轻；当土壤中可溶性镁增高时，也能毒害植物。因此，通过测定土壤中可溶性盐分总量及其组成，可了解土壤的盐渍化程度和盐分动态特征，为判定戈壁土壤类型和土壤质地提供科学的数据支撑。

表2 不同戈壁样地不同深度土壤全盐含量

表3 不同戈壁样地中可溶性盐离子含量

土壤钙、镁含量是土壤离子重要的组成成分，含量大小主要取决于母质、矿物风化程度及淋洗作用的强度。有研究表明，在土壤多种形态的钙中，交换态钙和水溶态钙都可以被植物利用，二者常处于一个可逆的动态平衡状态。土壤交换态镁含量与土壤质地相关，在质地较轻的土壤中交换态镁易流失，而在质地黏重的土壤中交换态镁较易累积[14]。本研究中一些土质戈壁、伏土型戈壁、洪积型堆积石质戈壁和冲积型堆积石质戈壁样地钙镁离子含量较高，这与其成土母质和矿化风化程度密切相关。不同戈壁类型土壤中各种盐离子含量是不同的，存在一定的差异，如在s24和s25两个样地中，土壤盐离子含量很高，原因是s24和s25这两个样地均为盐化戈壁。

4 结 论

(1)河西地区不同类型戈壁样地土壤的pH值大部分在7.0～8.0之间，土壤呈微碱性，但少部分样地在6.5～7.0之间，土壤呈微酸性。戈壁土壤的酸碱性与戈壁类型、戈壁的成土过程及自然环境密切相关。成土时间短，样点分布在极端干旱区，降水量少而蒸发量大，盐分容易积累在表层土壤，则土壤呈微碱性；样点分布在戈壁的特殊地段，如河流边或是戈壁低洼地，水分条件好，植被生长好，土壤改性条件相对较好，则土壤呈微酸性。

(2)河西不同戈壁类型样地土壤有机质含量绝大部分在1.0%以下，土壤养分含量归于5级和6级水平，处于很缺乏和极缺乏水平。戈壁区极端干旱，自然环境恶劣，植被非常稀疏，植物根系及枯枝落叶等土壤有机质来源极少，导致土壤有机质的积累少。

(3)不同类型的戈壁土壤电导率值不一样，同一戈壁类型样地不同深度的土壤电导率值也不一样。各类型戈壁样地土壤电导率值介于1.20～1 933.33 μs/cm之间，差异很大。

(4)河西不同类型戈壁样地土壤全盐含量除盐化戈壁的平均值为11.15%外，其他戈壁样地的全盐含量在0.05%～4.27%之间，地表0～2 cm的土壤层全盐含量平均为0.39%。土壤全盐含量整体上随着土壤深度的增加呈现增加的趋势，所有样地的全盐含量平均值是1.41%。

(5)河西不同戈壁类型样地中，土壤大部分属于硫酸盐-氯化物类型和氯化物-硫酸盐类型，少部分属于硫酸盐类型。不同戈壁类型土壤中各种盐离子含量是不同的，存在一定的差异，各样地阴离子平均含量排序为SO42->Cl->HCO3->CO32-，阳离子平均含量排序为K++Na+>Ca2+>Mg2+。