洛阳市孟津区黄河河岸带土壤速效钾空间分布及其影响因素

张瑞香， 樊子豪， 冯雪琦， 郭二辉

(河南农业大学林学院，河南 郑州 450002)

河岸带是介于河流和高地植被之间的敏感脆弱生态区域，具有地形复杂、生境多样化、生物多样性丰富和明显的边缘效应及独特的生态过程，也是受水环境和人类活动干扰强烈影响的生态交错区，被公认为全球生物地球化学循环和生态恢复的热点区域[1-4]。河岸带所占景观面积较小，但却提供了重要的供应、调节、文化和支持等生态系统服务功能[5]。钾作为植物必需的营养元素，可促进植物新陈代谢及光合作用，还能增加植物的抗逆性[6]。土壤速效钾含量是衡量钾素供应能力的限制指标，标志着可供植物吸收利用钾的数量[7]。速效钾作为植物最易吸收的钾形态，被认为是评价土壤中钾素含量及植物品质的元素[8]。土壤速效钾是影响区域水体生态环境的重要属性，进而可能会影响区域不同植被间的竞争力及其对环境适应能力，导致植被空间异质性发生变化，最终引起河岸带生态系统结构和功能的改变[9]。

不论在什么方向上，养分含量由低到高分布梯度的空间变异特征规律总是存在的[10]。李娟等[11]研究发现，潋水河流域在生态修复过程中，土壤速效钾含量存在区域分布不平衡，不仅受区域土壤类型和土地利用类型影响外，还与坡度、地形和人为生产管理等因素有关。刘文杰等[12]研究疏勒河上游土壤磷和钾的分布发现，母质是影响表层土壤全钾含量的主要因子，气温是区域全钾密切分布的主控因子。宋轩等[13]研究黄水河小流域土壤养分含量变异较大，不同地形因子影响土壤养分分布，影响土壤养分分布的主要因素是海拔。胡江玲等[14]研究新疆精河流域土壤质量空间分异规律发现，速效钾在西北-东南方向上波动较大，受地质、地貌等自然因素和人为土地利用方式的影响较大。土壤速效钾含量主要影响因素均有所差异，但土壤速效钾含量的空间分布差异不是由单一要素决定的，而是多种要素综合作用的结果。

黄河河岸带是中国河流湿地的重要组成部分，也是生物多样性最为丰富和植被结构最为复杂的关键地带。黄河中下游河岸带的植被以禾本科、莎草科、豆科等草本植物优势明显，从高程较低的滩地向高程较高的旱地植物演替过程是从裸露的滩地-莎草(Cyperusrotundus)为代表的群落-假苇拂子茅(Calamagrostispseudophragmites)和芦苇(Phragmitesaustralis)为代表的群落-柽柳(Tama-rixchinensisLour)灌木和其他伴生草本植物为代表的群落。但受黄河下游小浪底工程建设、气候变化以及农业开发等人文干扰[15]，黄河河岸带植被退化严重或被人工植被代替，逐渐由草地转变为农田和林地[16]。本研究旨在分析洛阳市孟津区黄河河岸带土壤速效钾在沿河岸带与垂直河岸带方向上的空间分布及其与带植被的演替、植被盖度(潜势盖度)，以及土壤含水率相关关系，为河岸带植被恢复、恢复措施的选择和决策提供依据，以期为黄河中下游河岸带区域生态修复和生态调控提供科学依据与理论基础。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

采样区位于河南省洛阳市孟津区黄河湿地自然保护区内 (34.821°—34.824°N，112.777°—112.783°E)，平均海拔108.72 m。该流域属大陆性季风气候，年平均降水量660 mm，6—9月的汛期降水可达410 mm上下，在年降水量中的比例约60%。研究区域内土壤黏粒含量2.4%、粉粒含量75.4%、沙粒含量22.2%；主要植被类型有芦苇(Phragmitesaustralis)、拂子茅(Calamagrostispseu-dophragmites)、狗牙根(Cynodondactylon)、菰草(Zizanialatifolia)、荻草(Triarrhenasacchariflora) 和莎草(Cyperusrotundus)等。

1.2 样品的采集与测定

在孟津区黄河湿地自然保护区内选取立地条件相对一致、未被人为破坏的植被区域，利用网格法(400 m×400 m)沿河岸带及垂直河岸带每间隔100 m设置1个采样点，如图1所示，并用GPS定位每个采样点的经纬度。以采样点为中心设置5 m×5 m的样地，再在每个样地内随机设置3个1 m×1 m的小样方，用五点取样法采集样方内0～10 cm表层新鲜土样，带回实验室后挑出碎石和动植物残骸，风干过筛后，放入自封袋中密封并标号保存。土壤含水率采用烘干法，土壤速效钾采用乙酸铵浸提-火焰光度法[9]测定。样方内型主要植被类型有狗牙根(Cynodondactylon)、菰草(Zizanialatifolia)和荻草(Triarrhenasacchariflora)，植被类型的盖度等如表1所示。

图1 研究区河岸带采样布点图Fig.1 Sampling site map of the riparian zone

表1 研究区河岸带样带基本概况Table 1 The basic situation of the riparian transects in the study area

1.3 数据处理

采用Microsoft Office Excel 2016、SPSS 25.0软件进行数据整理、分析，利用单因素方差分析(One-way ANVOA)不同河岸带距离之间土壤速效钾含量的显著性差异，采用Pearson 相关分析土壤速效钾含量与河岸带距离、植被类型及盖度、土壤含水率相关关系；采用Origin 2019绘图，利用Arc GIS 10.3绘制空间分布图。

2 结果与分析

2.1 洛阳市孟津区黄河河岸带土壤速效钾概况

研究区表层土壤速效钾含量范围为39.97～342.13 mg·kg-1，平均含量为184.36 mg·kg-1(图2)。通过Kring插值发现，自东北至西南方向上，河岸带土壤速效钾呈逐渐增加的趋势(图2)，空间变异系数为55.58%。通过全局莫兰指数散点图发现，河岸带土壤速效钾含量具有极显著的空间相关关系(P<0.01)(图3)。

图2 河岸带土壤速效钾空间分布Fig.2 Spatial distribution of available potassium in riparian soil

图3 河岸带土壤速效钾全局莫兰指数散点图Fig.3 Scatter plot of global Moran index of available potassium in riparian soil

2.2 河流距离对洛阳市孟津区黄河河岸带土壤速效钾的影响

2.2.1 沿河流距离对洛阳市孟津区河岸带土壤速效钾的影响 沿河流方向距离的增加，垂直河流方向0 m样带土壤速效钾含量先减小后增加(图4)。沿河流方向0 m土壤速效钾含量为102.34 mg·kg-1，高于沿河流方向其他距离，且显著高于沿河流方向100、200、300 m。垂直河流方向100、200 m样带土壤速效钾含量先增加后减小；沿河流方向100 m土壤速效钾含量分别为107.95、281.50 mg·kg-1，且均显著高于沿河流方向400 m。在垂直河流方向300 m样带土壤速效钾含量先减小再增加再减小，在沿河流方向300 m土壤速效钾含量为342.133 mg·kg-1，高于沿河流方向其他距离。而垂直河流方向400 m样带土壤速效钾含量先增加后减小再增加，沿河流方向300 m土壤速效钾含量为206.60 mg·kg-1，且显著低于沿河流方向其他距离。

图4 河岸带距离对土壤速效钾含量的影响Fig.4 The influence of riparian distance on soil available potassium content

沿河流方向距离对土壤速效钾含量的影响较小，土壤速效钾含量沿河流方向距离增加而减小。沿河流方向0 m样带土壤速效钾含量均值为209.59 mg·kg-1，高于沿河流方向其他样带，且不同样带间均无显著性差异。与沿河流方向0 m样带相比，沿河流方向100、200、300、400 m样带土壤速效钾含量均值分别减少了8.81%、9.68%、20.06%和21.64%。

2.2.2 垂直河流距离对洛阳市孟津区黄河河岸带土壤速效钾的影响 由图4可知，随垂直河流方向距离增加，沿河流方向0、400 m土壤速效钾含量先减小后增加，沿河流方向100 m土壤速效钾含量先增加后减小再增加，沿河流方向200 m土壤速效钾含量逐渐增加；垂直河流方向400 m土壤速效钾含量分别为309.57、311.61、325.97和322.82 mg·kg-1，高于垂直河流方向其他距离，且显著高于垂直河流方向0、100 m。沿河流方向300 m土壤速效钾含量先增加后减小；垂直河流方向300 m土壤速效钾含量为342.13 mg·kg-1，且显著高于垂直河流方向其他距离。

垂直河流方向距离显著影响土壤速效钾含量，土壤速效钾含量随垂直河流方向距离增加而增加。垂直河流方向400 m样带土壤速效钾含量均值为295.31 mg·kg-1，高于垂直河流方向其他样带，且显著高于垂直河流方向0、100、200 m样带；垂直河流方向200 m样带土壤速效钾含量均值显著高于垂直河流方向0、100 m样带。与垂直河流方向0 m样带相比，垂直河流方向100、200、300、400 m样带土壤速效钾含量均值分别增加了8.81%、165.89%、266.77%和298.04%。

2.3 洛阳市孟津区黄河河岸带土壤速效钾含量的影响因素及其相关关系

2.3.1 植被类型与植被盖度对洛阳市孟津区黄河河岸带土壤速效钾含量的影响 研究区典型植被类型有狗牙根、菰草与荻草。如表1所示，沿河流方向上，随距离的增加，植被类型过渡为菰草—荻草—狗牙根；狗牙根盖度随距离增加呈“M”变化，菰草盖度先减小后增加，荻草盖度先增加后减小再增加。而在垂直河流方向上，河岸带植被类型过渡为狗牙根—菰草—荻草；狗牙根盖度随距离增加先减小增加再减小，荻草盖度先增加后减小再增加，菰草盖度先增加后减小。

不同植被类型土壤速效钾含量存在差异：狗牙根+荻草>荻草>狗牙根>狗牙根+菰草(图5)。狗牙根+荻草土壤速效钾含量为322.82 mg·kg-1，显著高于狗牙根、菰草、狗牙根+菰草；荻草土壤速效钾含量为248.66 mg·kg-1，显著高于狗牙根+菰草。

注：不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)。

研究结果表明，土壤速效钾含量与植被盖度相关关系紊乱且不显著(表2)。在沿河流方向上，土壤速效钾与200 m菰草盖度、100与200 m荻草盖度呈显著正相关(P<0.05)、极显著负相关(P<0.01)与显著负相关(P<0.05)；土壤速效钾含量与0、400 m狗牙根盖度呈显著正相关关系(P<0.05)，与300 m狗牙根盖度呈极显著正相关关系(P<0.01)，与300 m菰草盖度、400 m荻草盖度呈极显著负相关关系(P<0.01)。

2.3.2 土壤含水率对洛阳市孟津区黄河河岸带土壤速效钾含量的影响 河岸带土壤含水率变化范围为18.74%～38.66%，均值为28.76%(表1)。沿河流方向400 m土壤含水率含量为30.99%，高于其他沿河流方向距离，但无显著性差异。垂直河流方向400 m样带土壤含水率为32.95%，高于其他垂直河流方向距离样带，且显著高于垂直河流方向0、100 m样带。如表3所示，土壤含水率与沿河流方向距离呈负相关，与垂直河流方向呈显著正相关(P<0.05)；且与植被类型存在显著相关关系(P<0.05)。土壤含水率沿河流方向距离增加先减小后增加，随垂直河流方向距离增加而增加。

相关分析表明，土壤速效钾与沿河流方向土壤含水率无显著相关性；与垂直河流方向0～300、400 m土壤含水率呈显著正相关、极显著正相关(表2)。在不考虑距离前提下，河岸带土壤速效钾含量与土壤含水率呈极显著正相关关系(表3)。

表2 河岸带不同样带土壤速效钾影响因素的相关性Table 2 Correlation of influencing factors of soil available potassium in different zones of riparian zone

2.3.3 洛阳市孟津区黄河河岸带土壤速效钾含量的影响因素的相关性分析 河岸带土壤速效钾含量受植被类型与盖度、微地形、土壤含水率和距离等多元变量的影响，是由多元变量共同作用的结果。土壤速效钾含量与沿河流方向100、200与300 m距离呈极显著负相关(P<0.01)、显著负相关(P<0.05)、极显著负相关(P<0.01)关系；与垂直河流方向0～400 m距离呈极显著正相关关系(P<0.01)。相关分析表明(表3)，河岸带土壤速效钾含量与垂直河流方向距离、土壤含水率和植被类型四者之间均呈极显著正相关关系(P<0.01)。

表3 河岸带土壤速效钾含量与影响因素间的相关性Table 3 Correlation between soil available potassium content of riparian zone and influencing factors

在垂直河流方向上，土壤速效钾含量与河岸带距离、土壤含水率之间存在显著线性回归关系(P<0.05)。土壤速效钾含量随着垂直河岸带距离、土壤含水率的增加而增加，且土壤速效钾含量与垂直河岸带土壤含水率的拟合度(y=52.954+0.64x,R2=0.961)要远大于与垂直距离的拟合度(y=488.89+2 337.578x,R2=0.631)。

3 结论与讨论

研究区典型植被类型为狗牙根群落、菰草群落与荻草群落，土壤速效钾含量变化范围为39.97～342.13 mg·kg-1，低于乌裕尔河滨湿地小叶章、菖蒲与莎草等群落(89.90～236.10 mg·kg-1)[17]。研究区土壤速效钾含量均值为184.36 mg·kg-1，低于新疆艾比湖湿地(246.07 mg·kg-1)[18]，高于艾比湖湿地0～20 cm土壤(131.46 mg·kg-1)[6]、疏勒河上游0～20 cm表层土壤[12]、黄水河0～20 cm土壤(3.21 mg·kg-1)[13]、博尔塔河下游河岸带表层土壤(37.40 mg·kg-1)、精河下游河岸带表层土壤(34.81 mg·kg-1)[19]。这可能是因为研究区土壤粉粒含量75.4%，土壤速效钾可与土壤粉粒结合，减少钾素淋溶，有利于土壤钾素积累[12]。同时河岸带表层土壤水分不易下渗，土壤速效钾含量高。

沿河流方向距离的增加，土壤速效钾含量沿河流方向0～400 m呈不断减小趋势，由209.59 mg·kg-1减小至164.23 mg·kg-1，与ZHANG等[20]研究结果一致。但沿河流方向不同样带间土壤速效钾含量差异不显著，这可能是因为沿河岸带成土母质受径流冲刷[12]，在土壤水分入渗及地下水的淋溶等因素作用下[21]，土壤速效钾淋溶流失较强。垂直河流方向距离显著影响着土壤速效钾含量，且两者之间存在极显著线性正相关关系，土壤速效钾含量随垂直河流方向上距离的增加而增加。这与杜改俊等[22]研究结果一致，但与毛吉旦木·地力夏提等[19]研究结果相反。不同区域土壤速效钾含量空间分布特征随垂直河流方向距离的增加存在差异，这可能是由于地形和环境因素、作物产量及人类活动等土壤养分时空变异性的影响[23]。

土壤速效钾以离子状态存在，是植株易吸收的钾形态；且极易溶于水，易受水文条件的影响[24]。相关研究发现，土壤含水率对土壤速效钾有较强的影响[25]，常年处于湿润的环境条件下的土体养分含量相对较高[26]。湿地土壤通常以饱和或高水分为特征，立地水分和养分相互作用对湿地养分含量有着重要影响[27]。随垂直河流方向距离的增加，土壤含水率逐渐增加，变化范围为23.69%～32.95%。这可能是因为随垂直河流方向距离增加，地势越低。在河岸带微地形的影响下，土壤含水率在垂直河流方向距离越远的样带越高。无论是沿河流方向还是垂直河流方向，土壤速效钾含量与土壤含水率呈正相关关系。沿河流方向不同样带间土壤含水率无显著性差异，以及不同样带间植被类型分布不均匀及其凋落物分解和土壤母质风化等众多因素的消减作用[28]，可能致使沿河流方向土壤含水率与土壤速效钾含量相关性不显著。而垂直河流方向不同样带间土壤含水率差异显著，土壤水分通过改变凋落物、土壤氧化还原条件和微生物活性，影响凋落物和土壤有机质的分离和释放，影响根系对土壤中速效钾养分的周转和吸收和固定[29]，进而显著影响土壤速效钾含量。

河岸带植被格局可以显著影响河岸断面表层土壤养分的分布和迁移特征[30]，速效钾含量的变化也会影响河岸带植被类型的分布。钾是植物生长必需的元素，速效钾易淋溶损失与典型植被类型有较强相关关系[31]。本研究发现，河岸带植被类型显著影响土壤速效钾含量，与王艳萍等[18]、刘淑娟等[32]研究结果一致。不同植被类型下土壤速效钾含量存在差异，可能是因为不同典型植被类型群落地上生物量存在差异[6]。同时，不同植物群落根系微环境的差异导致其凋落物残体量及凋落物分解速率的不同，根系活动深度与范围也不同[33]，湿地植物选择性吸收、归还和滞留土壤营养元素含量也会存在差异[34]，致使不同植被类型下土壤速效钾含量存在差异。

综上所述，河岸带微地貌的水力、水文状态及与植被类型及其耦合关系显著影响河岸带速效钾的空间分布，土壤含水率是影响土壤速效钾空间分布的重要因素。