泊江海子流域土壤有機(jī)質(zhì)、全氮空間分布特征

辛展　婁華君　李穎等

摘要：以鄂爾多斯國(guó)家級(jí)遺鷗自然保護(hù)區(qū)所在的泊江海子流域?yàn)檠芯繉?duì)象，根據(jù)采集的土樣中有機(jī)質(zhì)、全氮含量的數(shù)據(jù)，利用ArcGIS進(jìn)行地理信息系統(tǒng)分析和并繪制了含量分布圖，分析了整個(gè)流域土壤中有機(jī)質(zhì)、全氮含量的水平、垂直分布特征及與土壤覆蓋類型、pH值之間的相關(guān)性。結(jié)果表明：泊江海子流域表層土壤有機(jī)質(zhì)含量均值為667 g/kg，全氮含量均值為0.36 g/kg，二者含量均偏低且存在顯著正相關(guān)性（P<0. 01）；在垂直方向上，0～20、40～60、90～100 cm土壤深度下的有機(jī)質(zhì)含量均值依次為10.46、8.86、7.06 g/kg，全氮含量均值依次為0.40、0.29、0.25 g/kg，分布規(guī)律為隨著土壤深度的增加，有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量均逐步降低。在整個(gè)流域，草本植物分布區(qū)的有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量相對(duì)較高，土壤pH值和土壤中有機(jī)質(zhì)、全氮含量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系；相比之下，有機(jī)質(zhì)含量更易受到pH值的影響，而土壤覆蓋類型是全氮含量分布的重要影響因素。

關(guān)鍵詞：泊江海子流域；土壤有機(jī)質(zhì)；土壤全氮；空間分布

中圖分類號(hào)： S153.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2015）03-0323-04

濕地是一種重要的、獨(dú)有的、具有多種功能的生態(tài)系統(tǒng)，在維持生態(tài)平衡中起著不可替代的作用，被人們稱為“自然之腎”“生物基因庫(kù)”[1-3]。有機(jī)質(zhì)作為土壤的重要成分，不但是土壤肥力高低和質(zhì)量?jī)?yōu)劣的重要指標(biāo)，而且是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中的重要角色[4-5]。此外，由于土壤中有機(jī)質(zhì)的變化可以表征土地是否荒漠化、草場(chǎng)退化程度等重要生態(tài)環(huán)境問題而備受關(guān)注[5-7]。氮作為作物生長(zhǎng)的必需元素，是影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的關(guān)鍵因子，它會(huì)形成對(duì)水體造成污染的物質(zhì)，同時(shí)易于形成溫室氣體[8-10]。濕地的氮素既是反映濕地營(yíng)養(yǎng)水平的指標(biāo)，又是導(dǎo)致富營(yíng)養(yǎng)化的重要因素[11]。有機(jī)質(zhì)和氮均是濕地生態(tài)系統(tǒng)中重要的因子，了解兩者的分布狀況及其空間變異規(guī)律的影響因素是掌握土壤質(zhì)量的重要內(nèi)容，也是實(shí)現(xiàn)土壤保護(hù)及可持續(xù)利用的前提[12]。

鄂爾多斯國(guó)家級(jí)遺鷗自然保護(hù)區(qū)位于青藏高原、內(nèi)蒙古高原、黃土高原相交處的泊江海子流域，是典型的高原干旱、半干旱區(qū)內(nèi)陸湖泊濕地[13]。該保護(hù)區(qū)于2001年被批準(zhǔn)為國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，2002年被確定為第1148號(hào)國(guó)際重要濕地，是目前世界上唯一把保護(hù)遺鷗及其生存繁殖的棲息地作為目的的國(guó)際重要濕地[14-15]。目前，人們已經(jīng)對(duì)鄂爾多斯遺鷗保護(hù)區(qū)展開大量的相關(guān)研究。何芬奇等針對(duì)遺鷗的生存、繁殖，從生態(tài)的角度進(jìn)行研究[16-18]；劉文盈等分析了保護(hù)區(qū)濕地的生態(tài)需水量及水量平衡關(guān)系[19]；梁康等研究了水循環(huán)特征；在保護(hù)區(qū)土壤方面，目前資料極其匱乏[13，20]。本研究以鄂爾多斯遺鷗保護(hù)區(qū)濕地所在的泊江海子流域土壤有機(jī)質(zhì)和氮素的空間分布規(guī)律及分布影響因素作為主要的研究?jī)?nèi)容，為土壤保護(hù)及可持續(xù)利用提供科學(xué)參考，同時(shí)也可以對(duì)干旱區(qū)濕地退化做出一定的指示作用，為該地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供理論基礎(chǔ)和決策依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

泊江海子流域?qū)儆跍貛Т箨懶詺夂?，位于鄂爾多斯波狀高原，地理坐?biāo)為109.10°～109.58°E，39.65°～ 39.95°N，面積約744.4 km2，為完整的閉合流域，四周到中間海拔逐漸降低，全區(qū)海拔在1 360～1 590 m之間（圖1）。研究區(qū)內(nèi)主要湖泊包括位于保護(hù)區(qū)中央的桃-阿海子、面積相對(duì)較小的侯家海子和蘇家圪卜海子。主要的季節(jié)性河流包括自西向東流入桃-阿海子的雞溝河和自東向西匯入桃-阿海子的烏爾圖河。

1.2 土樣采集與測(cè)定

為了準(zhǔn)確研究泊江海子流域土壤有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量的空間分布特征及影響因素，采樣綜合考慮了該流域的土地利用、地形特征等。2013年3—9月，在流域內(nèi)0～20 cm表層土壤采集樣品54份；土壤剖面采集樣品14份，每個(gè)樣點(diǎn)從下至上分層采樣，保證沒有相互污染混雜，采樣深度為100 cm，分為A（0～20 cm）、B（40～60 cm）、C（90～100 cm）3層。土樣去雜質(zhì)、風(fēng)干、研磨并過100目篩后備用，采樣點(diǎn)分布見圖2。

有機(jī)質(zhì)測(cè)定采用重鉻酸鉀-硫酸消解法；全氮檢測(cè)利用德國(guó)Elementar vario MAX CN 元素分析儀；pH值采用電極法測(cè)定。每批樣品在處理、消化、測(cè)定過程中，設(shè)有2～3個(gè)空白樣、標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)及平行樣品。試驗(yàn)誤差在允許范圍之內(nèi)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用SPSS 20對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性分析和相關(guān)性分析；利用ArcGIS 10.1進(jìn)行地理信息系統(tǒng)分析和質(zhì)量分?jǐn)?shù)空間分布圖的繪制。

2.1 表層土壤有機(jī)質(zhì)、全氮描述性統(tǒng)計(jì)分析

利用SPSS 對(duì)泊江海子流域內(nèi)54份表層土樣進(jìn)行常規(guī)性統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見表1。該研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量分別為6.67、0.36 g/kg，均偏低。根據(jù)土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量分別屬于五級(jí)、六級(jí)水平。有機(jī)質(zhì)含量最大值為18.32 g/kg，最小值為0.81 g/kg，氮含量最大值為098 g/kg，最小值接近于0。研究采用單個(gè)樣本K-S檢驗(yàn)和Q-Q圖檢驗(yàn)分析有機(jī)質(zhì)含量和氮含量的分布類型，結(jié)果表明二者均為正態(tài)分布。由偏度值和峰度值可得，有機(jī)質(zhì)含量和氮含量均為右偏態(tài)分布，且屬于尖頂峰。變異系數(shù)反映的是1組數(shù)據(jù)的離散程度，有機(jī)質(zhì)含量和氮含量的變異系數(shù)均在0.1～1.0之間，根據(jù)傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，有機(jī)質(zhì)含量和氮含量均屬于中等變異性。根據(jù)SPSS相關(guān)性分析的結(jié)果，表層有機(jī)質(zhì)和全氮含量之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系（P<0.05），相關(guān)系數(shù)為0.550，說明泊江海子流域土壤中的有機(jī)質(zhì)含量和全氮含量在空間分布上有較強(qiáng)的一致性。

本研究利用ArcGIS 10.1地統(tǒng)模塊分析了有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量在整個(gè)流域分布的變化趨勢(shì)特征及意向性分布參數(shù)。圖3中X軸上的曲線反映東西方向上的趨勢(shì)變化，Y軸顯示的是南北方向趨勢(shì)效應(yīng)，Z軸表示采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)元素含量的大小。結(jié)果表明，在南北方向上，有機(jī)質(zhì)含量和全氮含量分布趨勢(shì)均為二階的拋物線形，呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)；在東西方向上，全氮含量呈現(xiàn)一階直線變化，自西向東含量逐漸增加，有機(jī)質(zhì)含量為二階拋物線趨勢(shì)，呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，變化程度較小。endprint

利用克里格插值分析獲得泊江海子流域土壤中有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量空間分布圖（圖4）。從整體上來看，該流域有機(jī)質(zhì)含量均屬于土壤養(yǎng)分分級(jí)的4級(jí)（10～20 g/kg）、5級(jí)（6～9.99 g/kg）、6級(jí)（<6 g/kg），含量相對(duì)較低，其中5級(jí)分布面積最大，約占整體流域面積的2/3。流域東北部及中偏西部有機(jī)質(zhì)含量較低，均低于6 g/kg；流域中部及南部含量主要在 6～10 g/kg 之間；在西北部海拔最高處有機(jī)質(zhì)含量較高，在 6～20 g/kg；在流域中部存在高低相間的孔穴特征。全氮含量在整個(gè)流域變化較小，主要屬于土壤養(yǎng)分分級(jí)的6級(jí)（<0.05%），在流域北部較高地區(qū)及中部的少量斑塊含量處于5級(jí)（0.050%～0.074%），僅在西北部最高區(qū)的小部分區(qū)域全氮含量為0.075%～0.100%，為4級(jí)。因此，泊江海子流域土壤有機(jī)質(zhì)含量和全氮含量均屬于中下水平，分布趨勢(shì)總體一致，以西北角處含量最大。

2.2 土壤有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量剖面分布特征

根據(jù)14份土壤剖面各采樣點(diǎn)的分析結(jié)果得出：土壤中不同深度的有機(jī)質(zhì)、全氮含量存在明顯不同。從均值來看，A層（0～20 cm）、B層（40～60 cm）、C層（90～100 cm）有機(jī)質(zhì)含量均值依次為： 10.46、8.86、7.06 g/kg，全氮的含量均值依次為：0.40、0.29、0.25 g/kg。隨著深度的增加，土壤中有機(jī)質(zhì)和全氮的含量逐漸降低。有機(jī)質(zhì)含量從土壤A層至C層，其最大值、最小值、均值均逐步降低，變化明顯；全氮含量均值依次降低，最大值、最小值與土壤深度變化規(guī)律不明顯。有機(jī)質(zhì)含量在整個(gè)0～100 cm的土層中，0～20 cm含量約占40%，40～60 cm含量約占33%，90～100 cm含量約占27%；全氮含量在整個(gè)0～100 cm的土層中，0～20 cm含量約占43%，40～60 cm含量約占31%，90～100 cm含量約占26%。植物的根系分布、枯枝落葉及微生物的活動(dòng)是土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量的重要影響因素。泊江海子流域植被根系主要分布在0～20 cm，因此該研究區(qū)土壤的有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量隨土壤深度的加深不斷地降低。

2.3 有機(jī)質(zhì)含量與全氮含量分布的影響因素

2.3.1 土地覆蓋類型對(duì)有機(jī)質(zhì)含量與全氮含量分布的影響 土地覆蓋類型與陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳氮貯量有著顯著的相關(guān)性[21]。不同的覆蓋類型不但影響著土壤有機(jī)質(zhì)和全氮的輸入，同時(shí)影響著有機(jī)質(zhì)的分解速率和氮的礦化速率[22]。先前研究表明，相對(duì)于林地、草地，農(nóng)田有機(jī)質(zhì)含量最低[22]；朱霞等研究表明，自然狀態(tài)下土壤被改造為農(nóng)田，土壤全氮含量明顯下降[23]。

為了了解研究區(qū)表層土壤中有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量與地表覆蓋類型的相關(guān)性，本研究收集到該研究區(qū)的土壤覆蓋類型，分辨率為300 m，拍攝時(shí)間為2009年（圖5）。泊江海子流域的土壤覆蓋類型主要包括8種，以植被和農(nóng)田的混合區(qū)為主，占整個(gè)流域的75%以上，所占比例由東南向西北逐漸減少。

由表層土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量空間分布圖與土壤覆蓋類型分布圖相比較，得出覆蓋類型對(duì)兩者的影響。全氮含量分布較高的地區(qū)與整個(gè)泊江海子流域的草本植物分布區(qū)基本一致，即研究區(qū)的草本植物區(qū)的含氮量明顯高于其余土壤覆蓋類型；相對(duì)于全氮含量的分布狀況，有機(jī)質(zhì)的含量分布規(guī)律清晰度較差，除了在草本植物區(qū)含量較高外，在林地含量偏高。

2.3.2 pH值對(duì)有機(jī)質(zhì)含量和全氮含量空間分布的影響 酸堿性作為土壤的一個(gè)重要屬性，是影響土壤中有機(jī)質(zhì)含量和全氮含量的重要因素[24]。因此，弄清土壤pH值與有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量相關(guān)性不僅有重要的理論意義，而且對(duì)土壤肥力的改良有重要的實(shí)際意義。

泊江海子整個(gè)流域表層土壤屬于典型堿性土壤，pH值分布在8.90～9.66之間，均值為9.28（圖6）。由表3可知，pH值與有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量之間呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為-0.572、-0.587，即泊江海子流域表層土壤的有機(jī)質(zhì)含量和全氮含量受到pH值的影響明顯。將有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量分布圖與pH值分布圖相對(duì)比表明，有機(jī)質(zhì)含量與pH值呈現(xiàn)較高的相似性，在pH值較低區(qū)，有機(jī)質(zhì)含量明顯偏高。

在泊江海子流域土壤中，各層土壤的pH值為：0～20 cm，9.23；40～60 cm，9.41；90～100 cm，9.53，總體來說隨著土壤加深，pH值不斷提高。根據(jù)表2結(jié)果，隨著土壤深度加大，有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量逐漸降低，而在垂直方向上，土壤的pH值與有機(jī)質(zhì)、全氮含量也呈負(fù)相關(guān)，與上述結(jié)論一致。

3 結(jié)論

泊江海子流域土壤有機(jī)質(zhì)含量和全氮含量總體偏低，屬于土壤養(yǎng)分分級(jí)中的5級(jí)和6級(jí)；變異系數(shù)均在0.5～0.6之間，屬于中等變異；有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量在南北方向及有機(jī)質(zhì)含量的東西方向上均為二階趨勢(shì)，全氮含量在東西方向上為一階趨勢(shì)；在整個(gè)流域的西北地區(qū)，有機(jī)質(zhì)含量和全氮含量相對(duì)較高，在中部地區(qū)，存在斑塊狀含量較大區(qū)。土壤垂直方向的空間分布變化規(guī)律為：隨著土壤深度加大，有機(jī)質(zhì)含量及全氮含量總體呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。pH值與有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)；草本植物區(qū)的有機(jī)質(zhì)含量和全氮含量明顯高于其余土壤覆蓋類型區(qū)。有機(jī)質(zhì)含量變化與pH值變化規(guī)律一致性較高，而全氮變化受土壤覆蓋類型的影響較大。

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