黑河中游不同景观类型土壤有机质与含水率变化特征

周川，胡广录，邓丽媛，李嘉楠

(1.兰州交通大学环境与市政工程学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃省水土保持科学研究所，甘肃 兰州 730020)

黑河流域是我国西北地区第二大内陆河流域，其中游地区为我国重要的商品粮生产基地.近年来，伴随全球变暖和人类一些不合理的社会经济活动(如水资源匮乏、过渡开垦、放牧等)，使得该区域的水土资源高效利用矛盾日渐突出，黑河流域的生态环境亦出现不同程度的恶化迹象[1-3].事实上从20世纪70年代中期开始，在黑河流域就进行了大量的研究工作，如流域水、土资源的数量和质量以及其开发潜力等问题[4-6].专家学者们对于黑河中游地区的研究多集中在生态环境需水以及水土资源高效利用等方面，如李骞国等[7]基于生境质量为绿洲划定城镇增长边界；罗家顺、胡广录等[8-9]对黑河中游的土壤水分状况以及其与固沙植被的相互关系展开了系统的研究；孔君洽等[10]根据土地利用类型以及植被覆盖变化对土壤碳储量的影响作出了预测.也有部分学者对黑河中游地区生态植被的土壤养分状况开展过研究，如孙特生等[11]针对荒漠绿洲梭梭根系土壤养分的富集情况进行了探讨；马志敏等[12]对黑河荒漠绿洲地区的土地养分变化特征进行了分析.但少有学者对黑河流域中游地区不同景观类型的土壤养分以及土壤含水量情况进行综合分析研究.

土壤有机质是土壤固相部分的重要组成成分，是植物营养的主要来源之一，它能促进植物的生长发育，改善土壤的物理性质，促进微生物和土壤生物的活动，提高土壤肥力和持水性能.土壤有机质含量的高低直接表明了土壤肥力状况，进而反映土壤潜在生产力的大小[13].土壤水分对植物生长发育必不可少，尤其对于干旱区旱生植物来说，土壤含水量的多少显得尤为重要，决定了旱生植物群落的演替动态和方向[14-15].黑河中游地区特殊的气候和环境条件，孕育了特殊的土壤类型及不同的土壤质地，加之特有的内陆河水资源分布格局，形成了依水扩展的绿洲和其外围的荒漠景观，不同景观类型的土壤有机质和含水率条件是农业生产、植物分布及生长发育的限制因子.

本研究系统探究黑河中游地区不同景观类型的土壤有机质及土壤含水率分布特征以及他们之间的相互关系，旨在为黑河中游地区实施农业生产活动和生态修复工程提供参考依据.其创新点在于将各个景观类型综合探讨，直观表现各景观类型土壤有机质、土壤含水率的分布特征以及它们之间的相关关系.

1 研究区域概况与方法

1.1 研究区域概况

研究区位于河西走廊张掖市临泽县北部的河流-绿洲-荒漠过渡区域，地理位置为N 39°20′52″～39°22′01″，E 100°09′12″～100°09′22″.该区域气候类型属于温带大陆性荒漠气候，年平均气温8.9 ℃，≥0 ℃的活动积温3 544.6 ℃，≥10 ℃的活动积温3 092.4 ℃，无霜期平均152 d,年平均降水量约117 mm，降水多集中在6～9月，约占全年降水量的70%～80%，年平均蒸发量2 390 mm以上，空气相对湿度可达46%.在该区域选取4个不同的景观类型，即河岸林、农田、荒漠-绿洲过渡带和荒漠景观.河岸林景观采样点在黑河边上，表层土壤为壤土，深层土壤为砂质土壤，多含砂砾石，该景观的植被主要以人工种植的杨柳树为主；农田景观为人工开发的农业耕作区域，该景观土壤类型为典型的绿洲耕作土壤，主要农作物类型是玉米、小麦等；荒漠-绿洲过渡带景观土壤类型为灰棕漠土，代表植被有泡泡刺、沙拐枣、梭梭等；荒漠景观土壤类型为风砂土，植被多为一年生的草本植物，如沙蓬等.四类不同景观属于同一研究区，可认为区域的日照强度、气候环境等基本相同.

1.2 研究方法

以河岸林、农田、荒漠-绿洲过渡带和荒漠4个景观类型为研究对象，分析探讨各景观类型垂直方向0～100 cm土层范围内土壤有机质与土壤含水量的变化特征.采样时间为2019年5～10月.该时间段内的累计降水量为114 mm，占一年总降雨量的90.47%.5～10月的最高气温为32.60 ℃，最低气温为7.92 ℃，平均气温为18.58 ℃.5～10月的最大日蒸发量为14.4 mm，最小日蒸发量为0 mm，日平均蒸发量为8.46 mm.采样方式为：在河岸林景观选取3个平行的采样点，在农田、荒漠-绿洲过渡带以及荒漠景观选取6个平行的采样点，并用GPS进行定位，利用Φ=5 cm土钻采样，采样土层分别为0～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm.将每个采样点不同土层的土壤样品装入密封袋带回实验室后立即进行测定.用SX-5-12型箱式电阻炉测定土壤有机质含量.测定时，从每个样品袋里称取3份土样，每份土样各1 g，分装在3个坩埚中，称取坩埚和土样的总质量后，放到SX-5-12中灼烧8 h，然后称取灼烧后的坩埚和样品的总质量，灼烧前与灼烧后的质量差即为一个土样的土壤有机质含量.实验结束后取平行样品的平均值即为该采样点的土壤有机质含量.

土壤含水率测定采用烘干法，测定时先称取铝盒的质量m，然后将每个样品袋的土样取出分装在3个土壤盒中，再称取铝盒和土样的总质量m1，将装有土样的铝盒放进烘箱烘12 h后，取出称取烘干后的铝盒和土壤总质量m2，烘干前与烘干后的质量差即为土壤水分质量.将土壤水分质量除以干土壤质量即得该土样的土壤含水率，同一土层所有平行样品土样的平均值即为该土层的土壤含水率.土壤含水率计算如下：

ω=(m1-m2)/(m1-m)

式中：ω为土壤质量含水率，%；m为铝盒质量，g；m1为初始质量，g；m2为烘干后的质量，g.

1.3 数据处理

用Origin 2018绘制土壤有机质与土壤含水率变化图，并分析不同景观类型土壤有机质在垂直方向上的变化，再运用Origin 2018分析土壤有机质随土壤含水量的变化特征.

2 结果与分析

2.1 土壤有机质垂向上的分布特征

黑河中游地区河岸林、农田、荒漠-绿洲过渡带和荒漠4个景观类型的土壤有机质随土层深度的变化趋势，如图1所示.

河岸林景观5、8、9月份土壤有机质含量随土层深度的增加呈现增大-减小-增大的变化趋势，而6、7月份呈现增大-减小的变化趋势，10月呈现增大-减小-增大-减小的变化趋势.5～10月份土壤有机质含量最大值皆出现在10～20 cm土层，分别为0.047、0.051、0.053、0.058、0.064、0.066 g.

农田景观土壤有机质含量随土层深度的增加都呈现增大-减小的变化趋势，最大值皆出现在10～20 cm土层，5～10月土壤有机质含量最大值分别为0.067、0.051、0.043、0.044、0.043、0.062 g.

图1 不同景观类型的土壤有机质随土层深度变化Figure 1 Soil organic matter in different landscape types varies with soil depth

荒漠-绿洲过渡带景观5月份土壤有机质含量随土层深度的增加呈现增大-减小-增大的变化趋势，6月份呈现减小-增大-减小的变化趋势，7、8、9、10月份均呈现增大-减小的变化趋势.5、6、7、8、10月份土壤有机质含量最大值皆出现在40～60 cm土层，分别为0.037、0.034、0.033、0.025、0.022 g，9月份土壤有机质含量最大值出现在20～40 cm土层，为0.028 g.

荒漠景观5、6、9、10月份土壤有机质含量随土层深度的增加呈现增大-减小的变化趋势，7、8月份呈现增大-减小-增大-减小的变化趋势.5、6、9月份土壤有机质含量最大值出现在40～60 cm土层，分别为0.012、0.015、0.015 g，7、8月份土壤有机质含量最大值出现在60～80 cm土层，分别为0.015、0.015 g，10月份土壤有机质含量最大值出现在10～20 cm处，为0.018 g.

由此可见，4个景观类型的土壤有机质含量总体上随土层深度的增加呈现出先增大后减小的趋势，但荒漠-绿洲过渡带和荒漠景观的土壤有机质含量相对于河岸林和农田景观而言整体上偏小，且呈现出最大值土层下移的现象.

2.2 土壤含水率变化特征

黑河中游地区河岸林、农田、荒漠-绿洲过渡带和荒漠4个景观类型的土壤含水率随土层深度的变化趋势，如图2所示.

河岸林景观5、6、7月份土壤含水率随土层深度呈现增大-减小-增大的变化趋势；8月份土壤含水率呈现增大-减小-增大-减小的变化趋势；9、10月份呈现减小-增大-减小-增大的变化趋势.5、6、7、8、9、10月份土壤含水率最大值都出现在20～40 cm土层，分别为28.872%、27.748%、15.785%、24.962%、24.855%、23.317%.

农田景观6、7、8、9、10月份土壤含水率随土层深度呈现减小-增大的变化趋势；5月份呈现增大-减小-增大的变化趋势.5月份土壤含水率最大值出现在10～20 cm土层，为16.826%；6、7、8、10月份土壤含水率最大值都出现在0～10 cm土层，分别为19.037%、15.607%、15.907%、16.600%；9月份土壤含水率最大值出现在80～100 cm土层，为17.643%.

图2 不同景观类型的土壤含水率随土层深度变化Figure 2 The soil moisture content of different landscape types varies with soil depth

荒漠-绿洲过渡带景观5、8、10月份土壤含水率随土层深度呈现增大-减小-增大的变化趋势；7、9月份呈现增大-减小的趋势；6月呈现减小-增大-减小-增大的趋势.5、6、7、8、9月份土壤含水率最大值出现在40～60 cm土层；分别为3.752%、2.789%、3.474%、2.624%、2.841%；10月土壤含水率最大值出现在80～100 cm土层，为2.532%.

荒漠景观5、6、7、8、9、10月份土壤含水率呈现增大-减小-增大的变化趋势.5、9月份土壤含水率最大值都出现在10～20 cm土层，分别为3.368%、3.786%；6、7、8、10月份土壤含水率最大值出现咱80～100 cm土层，分别为3.103%、2.594%、3.998%、1.675%.

由此可见，河岸林景观土壤含水率随土层深度增加总体上呈现增大-减小-增大的变化趋势；农田景观总体上呈现减小-增大的变化趋势；荒漠-绿洲过渡带景观总体上呈现增大-减小-增大的变化趋势；荒漠景观总体上呈现增大-减小-增大的变化趋势.荒漠-绿洲过渡带景观和荒漠景观土壤含水率明显低于河岸林景观和农田景观.

2.3 土壤有机质与土壤水分的相关关系

为了探讨不同景观类型的土壤有机质与土壤水分之间的相关关系，用Origin 2018拟合出土壤有机质含量与土壤含水量的关系曲线.从图3可以看出，河岸林景观和荒漠景观不同土层的土壤有机质含量均随着土壤含水率的增大而减小，而农田景观和荒漠-绿洲过渡带景观不同土层的土壤有机质含量均随着土壤含水率的增大而增大.拟合曲线表明，河岸林景观各土层的土壤有机质与土壤含水率均呈负相关关系，其中0～10 cm土层的负相关程度最高，R2=0.919，除60～80 cm、80～100 cm土层外均呈曲线相关关系.农田景观各土层的土壤有机质与土壤含水率均呈正相关关系，其中10～20 cm土层的正相关程度最高，R2=0.959，除60～80 cm土层外均呈曲线相关关系.荒漠-绿洲过渡带景观各土层的土壤有机质与土壤含水率均呈正相关关系，其中20～40 cm土层的正相关程度最高，R2=0.871，除60～80 cm土层外均呈曲线相关关系.荒漠景观各土层的土壤有机质与土壤含水率均呈负相关关系，其中10～20 cm土层的负相关程度最高，R2=0.767，且各土层土壤有机质与土壤含水率均呈曲线相关关系.

3 讨论

土壤有机质含量是反映土壤肥力高低的主要指标.有机质对土壤肥力影响较大，对于增加土壤团聚体、改善土壤结构都有直接的作用.土壤含水率是农

图3 各景观类型不同土层的土壤有机质含量与土壤含水率关系Figure 3 Relationship between soil organic matter content and soil moisture content in different soil layers of various landscape types

业生产和植物生长分布的主要限制因子之一，土壤含水率的大小直接决定了当地植物类型的选择.研究干旱区不同景观类型的土壤有机质以及土壤含水率的变化特征对干旱区合理的农业种植结构以及防风固沙植物选择具有重要的意义.

3.1 土壤有机质垂向变化特征

图1结果表明，在植被较为丰富的河岸林景观土壤有机质随土层深度的增加基本呈现增大-减小的变化趋势，这可能是由该景观类型的植被类型以及土壤结构造成的.黑河中游地区河岸林的植被类型是以柽柳为主的灌木和夹杂人工种植的杨柳，表层多覆盖草本植物[14-15]，根系密集范围在10～40 cm土层，理论上该区域的土壤有机质含量较高[16]，但随着表层水分下渗作用，表层的土壤有机质容易随水流下渗富集到根系区[17]，这便导致河岸林景观土壤有机质最大值出现在土壤质地相对良好且植被根系相对发达的10～40 cm土层.然而，河岸林景观在40 cm左右土层，土壤类型就从壤土向砂砾石结构转变，砂砾石结构的土层植物根系难以对土壤有机质起到保持作用，土壤有机质容易随着水流下渗而流失，加之河水侧渗，使得富集在20～40 cm土层根系处的土壤有机质流失严重，而10～20 cm土层的土壤类型为壤土，植被根系相对发达，对土壤有机质能够起到很好的保持作用，因此河岸林景观10～20 cm土层的土壤有机质含量最大.

在农田景观，土壤有机质含量随土层深度的增加呈现增大-减小的变化趋势.农田景观的采样点位于临泽县平川镇，属于较早耕垦的农田.土壤为风沙土和灰棕漠土，土壤有机碳和全氮含量较低[18]，该采样区主要农作物为玉米，农田作物生长离不开有机肥[19-20].相关统计数据表明，2004年以后，临泽县农田以种植玉米为主，尤其大力发展制种玉米，对玉米田投入的尿素达363.64 kg/hm2、投入的硫酸复合钾肥达227.27 kg/hm2.玉米田大量使用化肥使得表层土壤的有机质显著提高，加之干旱区玉米根系主要集中在10～20 cm[21]，这就使得10～20 cm耕作层的土壤有机质含量最大，犁底层之下的各层土壤有机质含量逐渐减小.

在荒漠-绿洲过渡带景观，土壤有机质含量随土层深度的增加呈现增大-减小的变化趋势，土壤有机质的最大值出现在40～60 cm土层深度.该景观取样点附近主要灌木植物为梭梭、沙拐枣、泡泡刺，间有一年生的草本植物沙蓬等.该景观土壤质地以粗粒质的砂壤土为主，土壤中有机质含量稀少，植物为了得到更多的养分和水分，生长发育的超旱生植物根系都相对发达[22].根据前人研究，该区域生长的梭梭根系多位于40～60 cm土层深度[23-25].该土层中植物根系的分泌物、腐根以及微生物和动物的排泄物含量相对较高，富集了较多的有机质成分，因此，该土层的土壤有机质含量相对较高.

荒漠景观的土壤有机质含量随土层深度的增加呈现先增大-减小的趋势，最大值基本出现在20～40 cm土层.荒漠区土壤为风沙土，植物类型稀少且大都是一年生草本植物，呈集群分布，生长发育状况与季节及年内降水量关系较大，植物主根系最大延伸深度在20～40 cm土层，土壤有机质受草本植物根系分布的影响，则主要集中在这个土层范围.

3.2 土壤含水率变化特征

图2研究结果表明，河岸林景观土壤含水率随土层深度的增加基本呈现增大-减小-增大的变化趋势，土壤含水率最大值基本出现在20～40 cm土层，这可能是由采样点土壤类型决定的.河岸林景观40 cm以下土壤结构基本为砂砾石结构，持水能力较弱.所以土壤含水率最大值基本位于20～40 cm土层.而且深层土层土壤含水率有明显增大的趋势，一方面可能是受到地下水水位抬升的影响，另一方面可能是来源于河水侧渗的影响[26].由于取样点位于黑河岸边不远处，根据采样时的GPS定位数据，采样点地面高程为1 384.0 m，黑河5～10月份的内水位基本为1 382.5～1 383.2 m.7～9月降水相对集中，黑河水位较高，河水容易侧渗，增加了黑河边河岸林带深层土壤的含水量.

农田景观土壤含水率随土层深度增加基本呈现减小-增大的变化趋势，土壤含水率最大值基本出现在0～10 cm土层.采样区农田景观的农作物类型主要是玉米，属于灌溉农业，灌溉方式主要为漫灌[27].由于作物各个生育期的特点不同，对水分的需求亦有差异，按需灌溉是为了保证作物在全生育期的正常需水要求[28].当地气候干旱，蒸发剧烈，有限的降水不能满足作物生长需要，当地农民会在玉米成长到腊熟期之前进行定期灌水，以确保作物正常生长.因此，表层(0～20 cm)土壤含水率较高.季节间农田的灌溉量不同，各土层的土壤含水量亦不同.但部分月份深层80～100 cm土层的土壤含水量最高，如9月份，这可能与当月农田灌溉和降雨有关.9月份是玉米即将成熟的阶段，由于此月的取样时间是在灌水后不久，水分下渗到深层土壤，由此导致9月份深层土壤含水率抬高.然而当地蒸发强烈，浅层(20～60 cm)和表层(0～20 cm)土壤水分易蒸发，因而导致深层土壤水分含量最大.根据当年的降雨观测数据显示，该地区9月份降雨量在一年中的占比较大，占全年降水量的20.47%，大多数属于短历时的降雨，表层土壤水分能得到一定的补给，导致表层土壤水分含量略大于浅层(10～40 cm)土壤水分含量.降雨的相对集中也可能导致区域地下水位在一段时间内的抬升[29-30]，进而导致底层较深土层的土壤含水率略微升高[31].

荒漠-绿洲过渡带景观土壤含水率随土层深度增加基本呈现增大-减小-增大的趋势，且各土层月际间存在较大差异，但土壤含水率最大值出现在40～60 cm土层，这可能是由当地植被分布特点引起的.荒漠绿洲过渡带多为超旱生植被，梭梭、沙拐枣、泡泡刺等呈混杂的斑块状格局，植物根系多位于40～60 cm土层[23-25]，植物根系通过吸收深层土壤中的水分来满足自身生长需要，因而使得植物根系区水分相对充足，外加植物根系具有固结土壤的作用，使得根系区的土壤持水能力更强[32-34].而深层(80～100 cm土层)土壤含水率出现小幅度的增加，可能是荒漠植物所具有的水力提升作用引起的[31].

荒漠景观土壤含水率基本呈现增大-减小-增大的趋势，土壤含水率最大值基本出现在80～100 cm土层.主要是因为荒漠景观土壤为风沙土，土壤持水能力很弱[35]，土壤水分多为地下水补充，深层(80～100 cm土层)土壤含水量通常较高.部分月份(9月份)表层土壤含水率最高，这可能与前期降水有关，导致该时间段表层土壤含水量较高.

3.3 土壤有机质与土壤水分相关关系

农田和荒漠-绿洲过渡带景观土壤有机质的含量随土壤含水率的增加而增加，这与张宏伟、张克海等[36-37]的研究结果一致.土壤有机质不仅可以改善土壤结构和持水能力，改善土壤的水力性质，还可以有效促进土壤团聚体的形成，并增强土壤团聚体的稳定性.所以，提高土壤有机质含量可以有效提升土壤含水量.且根据相关学者研究发现，适量增加土壤有机质可以改善土壤含水量，促进植物生长[38-39].而在河岸林景观和荒漠景观，土壤有机质随土壤含水率的增加而增加.这是因为在河岸林和荒漠景观，由于特殊的地理位置及受其他因素的影响，土壤含水率对土壤有机质的影响受到限制.如河岸林景观土壤结构相对复杂，表层是壤土，深层土壤则是沙质土壤，有些地方深层土壤由砂砾石构成，所以，在河岸林景观，土层越深，土质越疏松，河水侧渗现象严重，土壤有机质淋溶损失较大[40]，因而深层的土壤有机质含量相对稀少.荒漠景观地表裸露严重，蒸发量巨大，土壤含水量非常稀少，但在深层，受上覆砂层保护，土壤水分不易蒸散损失，且容易得到深层地下水分的补充，土壤含水量相对较大.这可能就是河岸林景观和荒漠景观土壤有机质与土壤含水量呈现负相关关系的主要原因.

4 结论

通过对河西走廊临泽县北部的绿洲-荒漠区域不同景观类型的土壤有机质和土壤水分进行采样分析，探明了该区域不同景观类型的土壤有机质和土壤水分变化特征及其相互关系.河岸林、农田、荒漠-绿洲过渡带和荒漠景观的土壤有机质含量基本上随土层深度增加均呈现增大-减小的变化趋势，但各土层的土壤有机质在季节间存在差异，这可能与降水、植物生长发育以及灌溉等农事活动有关.各景观类型的土壤含水率除农田景观随土层深度增加呈现减小-增大的变化趋势外，其他景观类型则是随土层深度增加呈现出不同程度的增大-减小-增大的变化趋势，且各土层的土壤含水率季节间存在显著差异，这可能与气候变化(降水、蒸发等)、植被覆盖、灌溉、地下水变幅等因素有关.对比分析各景观类型的土壤有机质与土壤水分之间的相关性发现，农田景观和荒漠-绿洲过渡带景观各土层的土壤有机质含量与土壤含水率呈正相关性，其中农田景观10～20 cm土层的正相关程度最高(R2=0.959)，荒漠-绿洲过渡带景观20～40 cm土层的正相关程度最高(R2=0.871)；而河岸林景观和荒漠景观各土层的土壤有机质含量与土壤含水率呈负相关性，其中河岸林景观0～10 cm土层的负相关程度最高(R2=0.919)，荒漠景观10～20 cm土层的负相关程度最高(R2=0.767).

土壤有机质与土壤水分的相互作用及耦合能很好地改善土壤质地和土壤理化性状.因此，根据黑河中游不同景观类型的土壤有机质和土壤水分变化特征及其相互关系，合理利用区域内不同景观类型的水土资源，优化农业产业结构，调配生态植被需水量，提高防风固沙植被的成活率，对于维持绿洲安全稳定和改善区域生态环境具有重要的现实意义.