河北坝上林田湖草土壤水盐氮分布与累积特征_李雅丽.pdf

第 卷第期 年月水土保持通报 ，收稿日期：修回日期：资助项目：国家自然科学基金项目“北方农牧交错带典型集约菜田蒸散及水盐运移过程研究”（）；河北省科技厅外专引智项目；河北省自然科学基金项目（）；河北省高等学校科学技术研究项目（）第一作者：李雅丽（），女（汉族），山西省阳泉市人，硕士研究生，研究方向为环境生态学。：。通信作者：裴宏伟（），男（汉族），河北省张家口市人，博士，副教授，主要从事生态水文和城市生态学研究。：。河北坝上林田湖草土壤水盐氮分布与累积特征李雅丽，裴宏伟，赵莉莉，张红娟，刘孟竹，何延青，（河北建筑工程学院，张家口 河北 ；河北省水质工程与水资源综合利用重点实验室，张家口 河北 ；加拿大麦吉尔大学 生物资源工程系，魁北克 ）摘要：目的探索干旱半干旱区土壤水盐氮的分布规律，为防治地下水面源污染和实现水土资源可持续利用提供依据。方法选取河北坝上地区种典型的土地利用类型（林、田、湖、草），分析土壤水分、盐分以及硝态氮的变化特征，阐明不同土地利用类型土壤剖面的水盐氮分布规律。结果不同土地利用方式中，安固里淖干涸湖底的土壤水盐含量最高，平均含水率达 ，且土壤水盐分布均表现出中等变异性，含水率变异程度更大。林地、旱作农田和安固里淖干涸湖底 土壤水盐分布规律基本一致，分别呈振荡型、均匀型和底聚型，而草地的水盐分布存在差异。盐分离子在种土地利用类型间均具有显著差异（），其构成以 为主，和 普遍缺乏。安固里淖干涸湖底土壤剖面平均硝态氮含量高达 ，在林地和旱作农田分布呈表聚型，在安固里淖干涸湖底呈中间少、上下多的特征。草地硝态氮上层土壤累积明显。林田湖草土壤硝态氮均与存在显著或极显著正相关，是控制区域硝态氮变化的主要因子。结论河北坝上林田湖草土壤水盐氮分布具有明显的差异性，安固里淖干涸湖底土壤水盐氮含量显著高于其他种土地利用类型，对地下水造成严重的潜在污染。关键词：河北坝上；土地利用；水盐特征；硝态氮；地下水污染文献标识码：文章编号：（）中图分类号：文献参数：李雅丽，裴宏伟，等河北坝上林田湖草土壤水盐氮分布与累积特征水土保持通报，（）：；，（）：，（.，；.，；.，）：，（，），（），（），：；土壤作为地球生态系统的核心要素，是联结岩石圈、水圈、大气圈与生物圈的重要纽带，也是人类赖以生存的重要基础资源。由于其形成与演变是五大成土因素和人类生产活动共同影响的结果，因此自然生态环境和人类活动方式的改变必然会引起土壤组成、性质以及结构发生相应的变化。在全球土地利用植被覆盖变化剧烈的背景下，人类在生活与生产过程中对土地资源不合理的利用和管理将会导致土地退化、水土流失和土壤污染等问题时有发生，甚至会造成土壤盐渍化、荒漠化等现象，严重制约了当地社会生产力与经济的可持续发展。尤其在干旱半干旱区，土壤水分已成为影响整个生态系统结构与功能中的关键因子，其细微变化也将间接驱使土壤植物体系发生物质流动与转化。明晰不同土地利用条件下的水分差异以及土壤盐分与硝态氮（）的响应程度，对于防控土壤退化和恢复生态环境具有重要的指导作用。河北坝上地区位于华北平原与内蒙古高原的过渡地段，是典型的生态脆弱区，具有为首都涵养水源的重要生态功能。近年来，伴随着人类高强度的开发活动，区域内的土地利用格局发生了明显变化，土壤沙化、草场退化以及生态功能下降等问题日趋严重。同时，当地水资源供给也面临着巨大压力，出现了以安 固 里 淖 为 代 表 的 部 分 淖 湖 先 后 干 涸 的 现象。水短缺引起的不合理灌溉、地下水超采以及过度施肥等使得土地退化状况愈加严峻，而土壤盐分和硝态氮作为表征土壤退化的重要指标之一，其随水分向下淋溶进入地下水，将会造成地下水水质恶化，威胁人类的身体健康和生命安全。目前，学者们在该地区开展了不同土地利用方式对土壤理化性质、土壤侵蚀状况、土壤养分分布 以及土壤微生物结构 等方面的影响研究，而关于林田湖草等主要土地利用类型下土壤水盐氮特征的研究则不多见。因此，深入分析该地区不同土地利用方式下土壤水盐分布状况和硝态氮累积规律，对于合理规划当地水土资源至关重要。近年来，已有研究表明土壤浸提液电导率可反映一定水分 条 件下 土 壤盐分的实 际 状 态，因 其 操 作简单、成本低等优点，已成为国际上广泛通用以评价土壤盐渍化程度的重要指标。本研究以河北省坝上地区种土地利用类型（林地、农田、干涸湖底、草地）为研究对象，采用显著性检验和相关性分析方法，探讨不同土地利用方式土壤水分、电导率、各盐分离子以及硝态氮的分布与累积特征，厘清该地区土地利用变化对土壤质量的影响，以期为防治河北坝上土壤盐渍化、荒漠化和地下水污染等生态问题提供理论依据，同时为当地山水林田湖草沙系统治理提供科学参考。材料与方法研究区概况河北 坝 上 地 区 位 于 内 蒙 古 高 原 南 缘 接 壤（，），是北方农牧交错带的典型地带。区域内安固里淖流域面积约 ，为华北第一大高原内陆湖，而目前已干涸近。研究区属中温带大陆性季风气候，具有冬季寒冷漫长，夏季凉爽少雨的气候特征，年平均日照时第期李雅丽等：河北坝上林田湖草土壤水盐氮分布与累积特征数为 ，平均气温，无霜期 ，年平均降水量为 且季节分布不均，主要集中在夏季。研究区海拔高度为 ，地貌类型可分为东南高原、西北丘陵和中部平原。主要土地利用类型为耕地（）、林地（）和草地（），土壤类型以栗钙土为主。样品采集与处理本研究于 年月 日在张北县进行样品采集，选取典型林地、旱作农田、安固里淖干涸湖底以及草地为采样点。利用土钻以 间隔分层取样，当土壤质地发生明显变化时，则以 间隔取样。根据样点实际情况分别对林田湖草种土地利用类型选择，剖面深度，共取得 份土样，其中安固里淖干涸湖底和草地于和 处出现地下水。记录各土层剖面形态特征以及样点周围环境状况（表），将新鲜土样用铝盒和自封袋密封后，立即运回河北建筑工程学院实验室进行土壤水分的测定，其余土样经自然风干后，剔除石块、植物根系等杂物，研磨过 筛后送到中国科学院节水农业重点实验室完成土壤盐分与硝态氮的测定。表研究区采样点基本特征 土地利用类型纬度经度采样点情况安固里淖干涸湖底 表层覆有约 厚的结皮，无植被覆盖草 地 安固里淖干湖区内，表层覆有低盖度的盐生草林 地 为杨树林地，表层枯落物约 旱作农田 种植油菜籽、裸燕麦等一年一熟作物测定方法与分析土壤含水率采用 烘干法测定 公式（）。称取风干研磨后的土样，加入 的超纯水，以土水比混合振荡、过滤制得土壤浸提液。采用电导率仪测定滤液中的电导率，接着用 醋酸纤维素滤膜抽滤，使用离子色谱仪（）测定土 壤 可 溶 性 离 子（，）。运用 和 软件对数据进行整理分析，比较不同土地利用方式下土壤盐分离子是否存在显著性差异采用 检验，并使用 相关性分析法判断土壤硝态氮与盐分指标之间的关系，显著性水平均取。作图利用 软件完成。（）式中：为土壤含水率（）；为新鲜土样的初始质量（）；为烘干后的干土质量（）。结果与分析土壤水盐总体特征干旱半干旱区植物生长发育所需的水分补给主要来源于自然降水和人为灌溉，同时，地下水埋深和大气凝结水也是水分的重要来源。盐分易随着水分的下渗而淋失，从而影响电导率在土壤剖面的分布。通过对不同土地利用方式下土壤各剖面的含水率和电导率进行统计分析（表），发现安固里淖干涸湖底的平均土壤含水率最高，为 ，旱作农田（）和 林 地（）次 之，草 地 最 低，仅 为。安固里淖干涸湖底土壤质地黏重，保水性能强，且地下水埋深较浅，使其土壤含水率最高。其余个采样点表层覆盖的植被类型不同，作物生长所消耗的土壤水分存在差异，含水率在 之间。其中草地的土质以砂土为主，持水性能弱，蒸发作用下使其土壤含水率最低。不同土地利用类型的电导率均值特征表现为：安固里淖干涸湖底草地林地旱作农田，其中安固里淖干涸湖底显著高于其他土地利用类型的电导率，平均值达 旁边草地的电导率也处于较高水平，均值为 。这是由于湖面干涸后，湖中大量的富盐沉积物残留在土壤中，导致大面积的土壤盐渍化。而在作物种植区，植物通过吸收其生长所需的营养物质，可降低土壤中的电导率。变异系数（）可以反映变量的离散程度。在整个土壤垂直剖面上，种土地利用类型下土壤含水率和电导率均表现出中等变异性（），且各利用方式含水率的变异程度均强于电导率。安固里淖干涸湖 底 的变 异 程 度 最 强，含水 率和电导率 分 别 在 和 范围内变化，旱作农田的变异程度最弱。水土保持通报第 卷表不同土地利用方式下土壤含水率和电导率统计特征值 土地利用类型含水率最小值最大值平均值标准差变异系数电导率（）最小值最小值平均值标准差变异系数林 地 旱作农田 安固里淖干涸湖底 草 地 土壤水盐垂直分布规律在同一土层深度下（），不同土地利用方式的土壤水盐垂直分布特征具有不同的特点（图）。安固里淖干涸湖底的含水率和电导率均呈现出随着土层深度的增加而升高的趋势，且在 之后土壤分层淤泥，出现了高含水率（），这是由于其表层结皮阻碍了水分的蒸发，盐分不能随之上升到地表，湖底淤泥经过长久的沉积，使深层土壤水盐积聚明显。草地在 土质为细黄沙，含水率达到最低（），随后 分层为砂砾土，出现最高峰值（）；其电导率在 之间波动剧烈，主要由于蒸发强烈，土壤水分在毛管力的作用下向上流动，使盐分随之在上层土壤富集，而表层（）植物根系可吸收部分盐分，因此电导率较低。在旱作农田和林地利用方式下，含水率与电导率变化规律基本一致。受土壤质地变化的影响，林地土壤含水率和电导率呈明显的振荡型波动，而其在旱作农田中分布则较为均匀。图不同土地利用方式下土壤含水率和电导率垂直分布 土壤盐分离子分布特征土地利用方式对 土壤盐分离子分布存在显著差异的影响（表）。经非参数检验结果表明，安固里淖干涸湖底和草地的 含量显著高于林地和旱作农田，最大相差约为 倍。安固里淖干涸湖底中，和 含量与其余土地利用类型均达到显著差异性水平（），而 含量与林地和旱作农田差异性并不显著（）。草地中的 含量显著低于其他种利用类型，最低可达 ，其主要原因为土壤胶体所吸附的 易被高含量的 交换进入土壤溶液中，从而随水分流失。对比研究区种土地利用方式下盐分离子垂直分布规律（图），发现除旱作农田以外，林地、安固里淖干涸湖底和草地的 ，和 在整个土壤剖面上波动较大，和 整体变化则较为平稳，呈均匀型分布，含量介于 之间。林地剖面盐分离子特征表现为：，含量最大值（）出现在土壤表层，随着土层深度的增加，其波动逐渐平缓，处达到最小值（）。旱作农田中 含量均值达 ，高于其他盐分离子的 倍，且分布状态与林地较为相似，但最大峰值出现在 处（）。第期李雅丽等：河北坝上林田湖草土壤水盐氮分布与累积特征林田中 分布具有明显的分层富集特征，呈现出由上而下逐渐降低的趋势。其原因在于林地表层的腐殖质和有机质含量较高，有利于土壤中硫的累积。并且农田长期施用的磷肥中含有一定浓度的硫，而作物对于硫的需求远低于氮、磷和钾等营养元素，在降雨以及植物吸收等因素影响下，大量的硫积聚在土壤中并向下迁移，呈现出规律性的波动态势。安固里淖干涸湖底和草地的，和 含量显著高于其他种离子，且变化趋势与电导率相同，其在干涸湖底土壤分布中呈现出：，而在草地中表现为：。综上所述，为研究区土壤盐分离子中的主要组成成分。表不同土地利用方式在 土壤剖面盐分离子分布特征 土地利用类型 （）（）（）（）（）（）林 地 旱作农田 安固里淖干涸湖底 草 地 注：表中数据为平均值标准差；同列中不同字母代表各离子在不同土地利用方式下间达到了的显著差异。图不同土地利用方式下土壤盐分离子垂直分布 土壤硝态氮累积特征土壤中硝态氮作为速效性氮素，可被植物根系所吸收，而不同土地利用方式会对土壤硝态氮的累积和分布特征产生影响。在浅层土壤（）和中 水土保持通报第 卷层土壤（）中（图），研究区各利用方式土壤硝态氮均值特征表现为：安固里淖干涸湖底草地旱作农田林地，而深层土壤（）林地平均硝态氮含量（）略高于旱作农田（）。图不同土地利用方式在 土壤剖面下硝态氮分布特征 随着土层深度的增加，草地、林地和旱地硝态氮含量均减小，浅层土壤硝态氮累积明显。其中，草地