松嫩平原沙丘-草甸復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)土壤水分和鹽堿時(shí)空變化特征

張琦林，胡 娟，高英志，周道瑋

（1東北師范大學(xué)草地研究所植被生態(tài)科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春 130024；2中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，長春 130102）

0 引言

松嫩平原位于中國東北平原的中西部，是世界三大鹽堿區(qū)之一[1]。大約有3.2×106hm2的鹽堿化土地，占總面積的22.62%[2]。更重要的是，鹽堿化區(qū)域仍以每年1.35×104hm2的速度增加[3-5]。土壤鹽堿化的增加不僅導(dǎo)致了嚴(yán)重的環(huán)境和社會(huì)問題，也制約了該地區(qū)畜牧業(yè)和農(nóng)業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展，例如農(nóng)作物減產(chǎn)和草地退化[6-7]。復(fù)雜地形是松嫩平原的典型特征，同時(shí)也給鹽漬土的防治和利用帶來諸多不便和困難。

新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)是松嫩平原鹽堿化地貌格局形成的原因[8]。江湖沖積平原的地形較為平坦，其中地勢(shì)低洼的區(qū)域容易形成鹽漬土，而丘陵和坡地則不易形成[9]。地形決定了土壤鹽分的遷移方向和分布[8,10]。所以鹽堿土經(jīng)常出現(xiàn)在地勢(shì)低平的區(qū)域，如地下水相對(duì)較低的邊際和中部平原區(qū)[1]。目前，在松嫩平原開展的研究工作主要集中在不同微觀地形和微觀地塊的鹽堿變化，特別是對(duì)某一點(diǎn)的觀測(cè)或室內(nèi)控制模擬為主[6,11]。然而，關(guān)于松嫩平原沙丘-草甸復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)垂直剖面的鹽堿時(shí)空分布特征的研究卻鮮有報(bào)道。

土壤水分和鹽分的分布和遷移在探究鹽堿土的形成機(jī)制中起著非常重要的作用。松嫩平原鹽堿化土壤的地下水較淺，所以研究較多的是表層土壤的水鹽變化[12-15]。這對(duì)于了解垂直方向上的水鹽動(dòng)態(tài)變化以及其形成原因是必須的。

本文研究的目的是探究沙丘、草甸、結(jié)合部，5—9月0～300 cm土層土壤垂直剖面土壤水分含量，電導(dǎo)率和pH，并探究不同區(qū)域鹽堿化形成的機(jī)制。研究結(jié)果對(duì)松嫩平原沙丘-草甸復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)中鹽漬化土壤資源的利用和次生鹽漬化土壤的控制具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地點(diǎn)位于中國科學(xué)院長嶺草地農(nóng)牧生態(tài)研究站(44°33′N，123°31′E)，該區(qū)地處松嫩平原南部的農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)，平均海拔為145 m。氣候條件屬于溫帶半濕潤、半干旱的大陸性季風(fēng)氣候。自1980—2013年年平均溫度和降水分別是5.9°C和427 mm?！?0℃的有效積溫2900～3000℃，年蒸發(fā)量約1600 mm，pH 7.5～10.5。該地區(qū)地勢(shì)平坦，以低平原為主，有帶狀沙丘分布。松嫩平原的特征是不同水平的土壤鹽分和堿分的復(fù)雜共存。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

于2016年在中國科學(xué)院長嶺草地農(nóng)牧生態(tài)研究站沿沙丘-草甸復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的橫斷面布置一條具有代表性的水分監(jiān)測(cè)斷面（圖1）。沙丘距離結(jié)合部300 m，結(jié)合部距離草甸380 m。分別于沙丘上部的平地（沙丘）、沙丘和低地草甸的中間地帶（結(jié)合部）和低地草甸中部（草甸）布設(shè)土壤含水量監(jiān)測(cè)點(diǎn)（圖1）。試驗(yàn)地的土壤為沒有耕作和放牧干擾的天然鹽漬化土壤。沙丘主要分布?xì)W洲山楊(Populus tremula)，羊草(Leymus chinensis)和鹽地堿蓬(Suacda salsa)分別是結(jié)合部和草甸的優(yōu)勢(shì)物種。

圖1 土壤檢測(cè)斷面圖

從2018年5月開始，每個(gè)月的中旬，對(duì)每個(gè)土壤水分監(jiān)測(cè)帶點(diǎn)進(jìn)行土壤水分取樣，至2018年10月結(jié)束。在每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)隨機(jī)選取5 個(gè)樣品并充分混合，土壤水分取樣深度為0～300 cm，分為10 層，0～10、10～20、20～30、30～50、50～70、70～100、100～150、150～200、200～250、250～300 cm。土壤含水量采用烘干法(105℃)測(cè)定。分別用pH計(jì)和電導(dǎo)儀測(cè)定土壤pH和電導(dǎo)率(EC)（土壤樣品和H2O的體積比為1:5）[9]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 13.0 對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。采用單因素方差分析(ANOVA)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)誤差，比較均數(shù)。采用LSD 對(duì)沙丘、結(jié)合部和草甸區(qū)土壤水分、pH和EC 值進(jìn)行多重比較。采用SigmaPlot 10.0 繪制圖形。

2 結(jié)果與分析

2.1 平均土壤含水量

5—9月，0～300 cm土層土壤剖面上土壤含水量是深度—時(shí)間變化的，沙丘的土壤含水量為4.01%～11.07%，結(jié)合部為5.00%～15.01%，草甸為7.61%～17.65%（表1）。3 個(gè)不同土壤部位中草甸有最高的平均土壤含水量，草甸區(qū)的平均土壤含水量分別比結(jié)合部和沙丘高20.5%和52.7%，結(jié)合部的平均土壤含水量比沙丘高26.7%(P<0.01)。不同部位土壤含水量在空間上的變異系數(shù)亦存在明顯差異，主要表現(xiàn)為結(jié)合部＞沙丘＞草甸。

表1 沙丘、結(jié)合部和草甸區(qū)土壤水分含量的描述性統(tǒng)計(jì)(n=150)

2.2 土壤含水量的垂直分布

沙丘、結(jié)合部和草甸平均土壤含水量的垂直分布有明顯的分層變化特征（圖2）。沙丘中土壤含水量呈現(xiàn)50 cm和100 cm分層，在0～50 cm土層中，平均土壤含水量迅速增加，然后在50～100 cm 土層中迅速降低至幾乎不變。草甸區(qū)平均土壤含水量以50 cm 和200 cm 分層，首先在0～50 cm 土層中增加，然后在50～200 cm 土層中持續(xù)降低至幾乎不變。結(jié)合部的平均土壤含水量以70 cm和150 cm分層，土壤含水量在0～70 cm土層中下降，在70～150 cm土層中迅速增加至幾乎不變。在0～10 cm 土層中，結(jié)合部的平均土壤含水量分別高于沙丘和草甸84.25%和8.28%。在0～30 cm和70～300 cm 土壤中，結(jié)合部平均土壤含水量明顯高于沙丘。沙丘、結(jié)合部和草甸區(qū)的變異系數(shù)在0～100 cm土層中明顯增加，在100～300 cm土層中隨之降低。

圖2 沙丘、結(jié)合部和草甸區(qū)的平均土壤含水量和變異系數(shù)的垂直分布

結(jié)合部0～10 cm 土層的土壤含水量在8、9 月顯著高于草甸46.17%、37.30%。7 月結(jié)合部100～150 cm，150～200 cm 和200～250 cm 土層的土壤含水量較草甸分別高17.92%、21.63%、10.30%。5、7、8、9 月，結(jié)合部0～10 cm 土層的土壤含水量較沙丘分別高119.14%、162.55%、180.27%、129.84%。然而，8 月結(jié)合部20～30、30～50、50～70 cm土層的土壤含水量較沙丘分別低18.64%、19.76%、18.15%。

2.3 土壤含水量的月分布

各月份的平均土壤含水量草甸最高，然后依次是結(jié)合部、沙丘（表2）。沙丘平均土壤含水量在各月份間的高低順序是：9月＞8月＞5月＞7月＞6月。結(jié)合部5、7、8月的平均土壤含水量顯著高于6月和9月(P<0.01)。草甸5、8、9月的平均土壤含水量顯著高于6月和7月(P<0.01)。

表2 沙丘、結(jié)合部和草甸平均土壤含水量的月分布 %

圖3 5—9月沙丘、結(jié)合部和草甸平均土壤含水量的垂直分布

沙丘7 月和8 月0～10 cm 土層的土壤含水量要顯著低于其他月份（圖4）。沙丘5、6—8、9月最高的土壤含水量出現(xiàn)在20～30、30～50、50～70 cm土層中。8、9月結(jié)合部0～20 cm 土層的土壤含水量相較其他月份高，20～100 cm 土層土壤含水量較低。草甸7—9 月0～10 cm土層的土壤含水量要低于其他月份。草甸最高土壤含水量出現(xiàn)在5 月20～100 cm 土層，8—9 月30～150 cm 土層中。7 月草甸10～150 cm 土層中土壤含水量隨土壤深度增加而逐漸下降。

2.4 電導(dǎo)率和pH的平均值

沙丘7 月和8 月0～10 cm 土層的土壤含水量要顯著低于其他月份（圖4）。沙丘5、6—8、9月最高的土壤含水量出現(xiàn)在20～30、30～50、50～70 cm土層中。8、9月結(jié)合部0～20 cm 土層的土壤含水量相較其他月份高，20～100 cm 土層土壤含水量較低。草甸7—9 月0～10 cm土層的土壤含水量要低于其他月份。草甸最高土壤含水量出現(xiàn)在5 月20～100 cm 土層，8—9 月30～150 cm 土層中。7 月草甸10～150 cm 土層中土壤含水量隨土壤深度增加而逐漸下降。

圖4 沙丘、結(jié)合部和草甸0～300 cm土層的土壤含水量的月動(dòng)態(tài)變化

草甸的EC 值最高，然后依次是結(jié)合部，沙丘（表3）。草甸的EC 值比結(jié)合部高39.8% (P<0.01)。結(jié)合部EC 值高于沙丘131.6%。草甸和結(jié)合部的pH 分別高于沙丘6.2%、5.6% (P<0.01)。然而，草甸和結(jié)合部的pH之間并沒有顯著差異。

表3 沙丘、結(jié)合部和草甸土壤電導(dǎo)率和pH的描述性統(tǒng)計(jì)(n=90)

2.5 電導(dǎo)率和pH的垂直分布

5、7、9 月，沙丘0～300 cm 土層的EC 和pH 只有很小的變化（圖5）。5、7、9月結(jié)合部0～300 cm土層的EC值先升高然后迅速降低至幾乎不變。5 月草甸的EC值在0～70 cm 土層中迅速下降，然后在70～150 cm 土層中略有上升，7 月0～150 cm 土層的EC 值逐漸下降。然而，9月草甸的EC值在0～30 cm土層中增加，然后在30～150 cm 土層中迅速降低。5 月結(jié)合部20～70 cm 土層中EC 值高于草甸，結(jié)合部20～30、30～50、50～70 cm土層的EC 比草甸區(qū)分別高17.20%、38.64%、32.83%。7月和9月草甸不同土層的EC值均高于結(jié)合部。7月草甸0～10 cm 土層的EC 值比結(jié)合部高264.67%，9 月草甸區(qū)70～100 cm 土層的EC 值比結(jié)合部高124.32%。5、7、9月結(jié)合部和草甸區(qū)0～30 cm土層的pH先增加然后迅速降低。5、7月草甸區(qū)0～10 cm土層的pH分別高于結(jié)合部2.48%、3.49%，9 月草甸區(qū)0～10 cm 土層的pH 比結(jié)合部低2.45%。7 月草甸區(qū)30～50 cm 土層的pH高于結(jié)合部，5月份則相反。9月草甸區(qū)50～300 cm土層的pH高于結(jié)合部。

圖5 沙丘、結(jié)合部和草甸5、7、9月電導(dǎo)率和pH的垂直分布

2.6 電導(dǎo)率和pH的月分布

9月結(jié)合部0～10 cm土層的EC值分別高于5、7月13.11%、38.00%，10～20 cm 土層則分別高8.58%、36.25%（圖6）。結(jié)合部不同月份間30～70 cm 土層的EC值存在顯著差異，表現(xiàn)為5月＞9月＞7月。草甸區(qū)0～10 cm 土層的EC 值7 月比5、9 月分別高26.33%、111.20%，而30～100 cm 土層9 月相比較5 月和7 月有較高的EC 值。9 月結(jié)合部0～10 cm 土層的pH 略高于5月和7月，分別高1.24%、2.19%。7月草甸區(qū)0～10 cm土層的pH 略高于5、9 月，分別高2.36%、3.81%。7、9月草甸區(qū)30～100 cm土層的pH顯著高于5月。

圖6 沙丘、結(jié)合部和草甸0～300 cm土層電導(dǎo)率和pH的月分布

2.7 土壤含水量、電導(dǎo)率和pH之間的相關(guān)關(guān)系

7 月沙丘的土壤含水量和EC 值之間存在顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.01，r=0.2167)（表4）。結(jié)合部和草甸區(qū)的EC值和pH顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)的大小為9月＞5月＞7 月。5、7、9 月結(jié)合部EC 和pH 的相關(guān)性與草甸區(qū)相比較高。7 月結(jié)合部土壤含水量與pH (P<0.05，r=0.1606)和EC值(P<0.01，r=0.2022)有相關(guān)關(guān)系。7月和9 月草甸區(qū)土壤含水量與EC 值(P<0.05，r=0.1026)和pH(P<0.01，r=0.1953)有相關(guān)關(guān)系。

表4 不同月份間沙丘、結(jié)合部和草甸土壤含水量、電導(dǎo)率和pH之間的相關(guān)關(guān)系

3 結(jié)論

松嫩平原沙丘-草甸復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)水分和鹽堿的時(shí)空變化差異較大。5—9 月0～300 cm 土層平均土壤含水量表現(xiàn)出草甸＞結(jié)合部＞沙丘的順序。土壤鹽堿化主要出現(xiàn)在結(jié)合部和草甸而非沙丘。草甸區(qū)表層土壤鹽漬化程度較結(jié)合部更為嚴(yán)重。結(jié)合部和草甸表層土的鹽堿化分別出現(xiàn)在9月和7月，草甸區(qū)深層土(30～70 cm)的鹽堿化主要出現(xiàn)在9月。

4 討論

有研究發(fā)現(xiàn)土壤含水量與地形呈負(fù)相關(guān)，而與斜坡坡度呈正相關(guān)[16-17]。雨水沿斜坡從高處流向低平地區(qū)，因此在地勢(shì)較低的區(qū)域匯集了較多的雨水。不同部位由于地形的不同，導(dǎo)致土壤含水量也不相同，草甸的平均土壤含水量最高，然后是結(jié)合部，沙丘最低。結(jié)合部位于沙丘和草甸之間，地勢(shì)低于沙丘并略高于草甸。這與Zhu 等[18]的研究結(jié)果是一致的，他們的結(jié)果表明豐富的土壤水分總是聚集在沙丘低處。在半干旱草原，由于植被根系對(duì)土壤水分的吸收導(dǎo)致土壤水分含量的變化，所以植被是控制土壤含水量的主要因素[19-20]。Biswas 等[21]報(bào)道了由于植被對(duì)水分的需求較高，所以植被覆蓋度與儲(chǔ)水量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。結(jié)合部和草甸的優(yōu)勢(shì)物種分別是羊草和鹽地堿蓬，結(jié)合部羊草的覆蓋度明顯高于鹽地堿蓬，導(dǎo)致結(jié)合部土壤含水量較低，而草甸區(qū)的土壤含水量較高。

研究結(jié)果表明草甸的變異系數(shù)為9.97%，沙丘為11.56%，結(jié)合部為14.10%，這說明不同的地理環(huán)境不僅影響土壤含水量，也影響土壤含水量的空間變異程度[22]。沙丘、結(jié)合部和草甸0～300 cm土層的土壤含水量的垂直分布可能取決于土壤結(jié)構(gòu)垂直異質(zhì)性與植株根系密度的綜合效應(yīng)[23]。沙丘、結(jié)合部和草甸的平均土壤含水量的垂直分布在不同土壤部位差異顯著。沙丘平均土壤含水量在0～50 cm 土層中升高，這表明主要的土壤水分運(yùn)動(dòng)可能是沙丘的粗質(zhì)土引起的滲透作用。盡管沙丘平均土壤含水量顯著低于結(jié)合部，但在30～70 cm土層中有較高的土壤含水量，這說明沙丘在30～70 cm 土層中儲(chǔ)存著豐富的水資源。在結(jié)合部和草甸，土壤表層經(jīng)常形成鹽斑，能夠阻止水分下滲。結(jié)合部和草甸的土壤質(zhì)地基本上是相似的，但是兩者土壤水分含量的垂直分布是截然相反的。結(jié)合部0～70 cm 土層的平均土壤含水量是下降的，而草甸0～50 cm 土層的平均土壤含水量則是升高的，這可能與植被的覆蓋度和地表蒸發(fā)有關(guān)。草甸0～10 cm土層相比較結(jié)合部土壤含水量較低，這可能與草甸區(qū)低的植被覆蓋度以及高的地表蒸發(fā)量有關(guān)。植物生長動(dòng)態(tài)和氣象條件的季節(jié)變化都將導(dǎo)致土壤含水量的時(shí)間變化[24-25]。9月沙丘50～70 cm土層有較高的土壤含水量，這可能與根系吸水量和地表蒸發(fā)量的降低有關(guān)。9月草甸30～150 cm 土層的土壤含水量較高，這可能是由于夏季降水量較多，有較豐富的地下水。這與Wang等[22]的研究結(jié)果是一致的，他們的研究結(jié)果表明9—10月黃土高原棗林土壤水分含量高于5—8 月。然而，9月結(jié)合部20～100 cm 土層有較低的土壤含水量，7 月100～300 cm土層土壤含水量較高，這與地下水的含量有關(guān)。沙丘、結(jié)合部和草甸的變異系數(shù)在0～100 cm土層明顯上升，但在100～300 cm 土層中下降，這說明表層土壤含水量的變異程度高于深層土壤[26]。Yang等[27]研究了0～8 m 土層的土壤含水量的時(shí)空差異，結(jié)果表明坡位和坡向相比較深層土更能影響表層土的土壤含水量。地表土層的土壤含水量變異較大，這是由天然草地的土壤質(zhì)地、降雨量、土壤水分蒸發(fā)蒸騰損失總量和植被蓄水量的綜合效應(yīng)引起的[28-30]。

草甸和結(jié)合部的EC 值和pH 顯著高于沙丘，說明土壤鹽堿化主要出現(xiàn)在結(jié)合部和草甸。不同地理?xiàng)l件下，土壤鹽分隨地下水變化而變化。沙丘由于地勢(shì)較高、坡度較大，自然排水通暢，所以土壤不易形成鹽堿化。在結(jié)合部和草甸，由于地勢(shì)相對(duì)較低，自然排水被阻礙，鹽分很難被淋溶出該區(qū)域，所以容易形成鹽堿化土壤[1]。這與Li 等[31]的研究結(jié)果是一致的，他們通過利用地理信息系統(tǒng)和遙感技術(shù)對(duì)該地區(qū)的地理格局和鹽堿土壤分布進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)土壤鹽堿與地理格局有明顯的相關(guān)性，土壤鹽堿化主要發(fā)生在地勢(shì)較低的區(qū)域，如低洼地邊緣和中部平原地區(qū)。在地勢(shì)較低的地區(qū)，土壤質(zhì)地是黏土狀并且飽和水力傳導(dǎo)率較低[32-33]。因此，可溶性鹽漬化物不能滲透到土壤表面，而是停留在土壤表層或地下。草甸和結(jié)合部的EC值分別高于沙丘131.6%，223.0%，而pH 僅高5.6%，6.2%，這說明土壤鹽漬化程度相對(duì)于土壤堿化更為嚴(yán)重。更重要的是，草甸EC值顯著高于結(jié)合部，但pH并無顯著差異。這說明草甸土壤鹽漬化程度比結(jié)合部更嚴(yán)重。土壤鹽堿普遍存在于上層土壤中，可能與較高的地下水位有關(guān)[34-36]。在干旱或半干旱地區(qū)，地下水排泄的主要方式是低地垂直蒸發(fā)，地下水中的鹽分容易通過較高地下水位的毛細(xì)上升向地表土壤積累[37-40]。在本試驗(yàn)中，草甸地下水的土壤深度為1 m，結(jié)合部為2～3 m，這導(dǎo)致了草甸土壤鹽漬化比結(jié)合部更嚴(yán)重的問題。另外，土壤鹽漬化與植物分布密切相關(guān)，短草覆蓋的土壤鹽漬化程度較高，高草覆蓋的土壤鹽漬化程度較低[41]。因此，草甸區(qū)土壤鹽漬化程度較高可能與優(yōu)勢(shì)植物堿蓬有關(guān)，而結(jié)合部鹽漬化程度較低可能與優(yōu)勢(shì)植物羊草有關(guān)。

土壤鹽堿化的形成可能與季節(jié)變化有關(guān)。5、7、9月結(jié)合部EC值和pH先升高然后迅速下降，土壤的鹽堿化主要出現(xiàn)在20～30 cm 土層中。9 月結(jié)合部0～30 cm土層中EC值和pH較5、7月高，這說明結(jié)合部表層土壤鹽堿化主要出現(xiàn)在9月。如上所述，9月結(jié)合部表層土壤水分大量積累，難以下滲。在草甸區(qū)，7月0～10 cm土層的的EC值和pH比5月和9月高，這說明草甸區(qū)表層土壤主要在7月鹽堿化。綜上，雖然7月降水相對(duì)較多，但由于地表蒸發(fā)不明顯，表層土壤含水量較低。7月草甸土壤表層的可溶性鹽類化合物隨水分蒸發(fā)凝結(jié)而積累，形成土壤鹽堿化。9月草甸30～100 cm土層的EC 值和pH 要高于5 月和7 月。這說明9 月草甸深層土壤鹽堿化的形成可能與深層土較高的土壤含水量有關(guān)。