王凌河，胡東來 ，嚴(yán)登華，王 剛

(1.大連理工大學(xué)土木水利學(xué)院，遼寧大連116023;2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京100038;3.東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海200051)

在全球氣候變化和高強(qiáng)度人類活動影響下，世界范圍內(nèi)的土壤質(zhì)量呈下降趨勢，土壤的退化影響到人類生活的基礎(chǔ)生產(chǎn)資料[1-2]。土壤退化在亞洲、非洲、南美洲表現(xiàn)較為嚴(yán)重，這些地區(qū)的國家不僅要面對發(fā)展的問題，還要面對環(huán)境惡化的局面[3-4]。土壤的退化表現(xiàn)為土壤侵蝕、土壤貧瘠化、土壤沙化、土壤污染、土壤酸化、土壤鹽堿化等，其中又以土壤侵蝕為主。自20世紀(jì)70年代提出“土壤退化”概念以來，世界各國對這一命題都展開了積極的研究[5-6]。我國研究學(xué)者對南方的紅壤做了大量的研究，提出了相應(yīng)的治理措施[7-8]。同時長江三角洲、東北黑土區(qū)、西北科爾沁草原和西南卡斯特等地區(qū)的土壤退化也有研究[9-12]。

嫩江是松花江的最大支流，嫩江流域土地肥沃，典型的黑土區(qū)域，為我國糧食安全提供有力的保障。但是隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人口增長與環(huán)境保護(hù)之間的矛盾越來越突出，出現(xiàn)了土壤的沙化現(xiàn)象。崔明等[13]研究了黑土區(qū)地層地貌的發(fā)育歷史、地層序列以及古氣候變化，重建了黑土、黑鈣土的發(fā)育歷史以及發(fā)育所需的地貌、氣候條件。楊新等[14]根據(jù)1951—2000年的日平均風(fēng)速、氣溫和降雨數(shù)據(jù)以及1980—2000年的沙塵暴數(shù)據(jù)，分析了東北典型黑土區(qū)的風(fēng)蝕環(huán)境。結(jié)果表明，典型黑土區(qū)土壤風(fēng)蝕環(huán)境在東北地區(qū)處于中等狀態(tài)。這一研究指出了東北黑土當(dāng)前所處的退化環(huán)境狀態(tài)，但其并未對東北黑土的退化程度進(jìn)行研究。周江紅等[15]對嫩江沙地荒漠化特征的研究，得出了土壤風(fēng)蝕和荒漠化的風(fēng)速閾值，并對部分區(qū)域提出了生態(tài)恢復(fù)性的措施。隋躍宇等[16]對黑龍江典型縣域的黑土土壤有機(jī)質(zhì)現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，李發(fā)鵬等[10]對東北黑土區(qū)土壤退化及水土流失的現(xiàn)狀進(jìn)行了研究。國內(nèi)研究者在研究東北以及嫩江流域的土壤特性時，往往是對局部的區(qū)域或是特定的土壤類型進(jìn)行研究，對整個嫩江流域的土壤特性缺乏系統(tǒng)性和整體性的研究。

土壤的機(jī)械組成和有機(jī)質(zhì)含量是評價土地生產(chǎn)能力的基本參數(shù)，通過對一定時間段內(nèi)土壤的機(jī)械組成和有機(jī)質(zhì)含量變化分析，進(jìn)而可以判斷土壤退化的程度。隨著農(nóng)業(yè)開發(fā)活動的加強(qiáng)和全球氣候的變化，嫩江流域土壤呈退化趨勢。本研究通過野外試驗的方法，與歷史數(shù)據(jù)比較，對嫩江流域的土壤退化的程度及其成因進(jìn)行分析，為土壤的保育和生產(chǎn)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

嫩江流域位于我國東北地區(qū)中西部，西側(cè)以大興安嶺分水嶺為界，北側(cè)以伊勒呼里山為界，南側(cè)以霍林河南部的分水嶺為界，東側(cè)大部分以嫩江為界，地理坐標(biāo)為 119°12′—127°54′，北緯 44°02′—51°42′，流域面積為2.91×105km2。嫩江流域北部、西部和南部三面地勢較高，東南部與松花江平原連接，形成廣闊的松嫩平原。嫩江流域地處北半球中緯度地帶、歐亞大陸東部、大西洋西岸，屬于寒溫帶半濕潤大陸性氣候，春季多風(fēng)少雨干旱，夏季短促高溫多雨，秋季降溫急劇且常有霜凍，冬季漫長嚴(yán)寒干燥。嫩江氣象水文要素在年內(nèi)和年際及地區(qū)上的變化差異較大，最大降水量為937.4 mm，最小降水量為152.5 mm。嫩江流域由山區(qū)到平原分布著多種類型的土壤，其中以暗棕壤土類及草甸土土類為主，分別為28%和21%，其次分布較多的土壤類型有黑土土類、黑鈣土土類、淡黑鈣土土類、草甸風(fēng)沙土土類、棕色針葉林土類、沼澤土土類、草甸黑鈣土土類(附圖2)。由于氣候、地形、土壤及所處海陸位置，該區(qū)地帶性植被類型為靠近小興安嶺的主要是闊葉林和針葉林，中下游主要是草甸草原和栽培植物(附圖3)。在流域區(qū)域內(nèi)部，由于在鹽堿土上發(fā)育了鹽生的耐鹽堿植被，在沙丘地帶有沙生植被，而天然植被以草原植被類型為主。天然植被破壞后，土地墾為農(nóng)田，1980年和2000年流域內(nèi)的土地利用狀況祥見表1。

表1 嫩江流域1980和2000年土地利用狀況 %

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究采用的歷史資料是全國第二次土壤普查數(shù)據(jù)，采用分層的土壤機(jī)械組成以及有機(jī)質(zhì)數(shù)據(jù)。對于分層的數(shù)據(jù)，采用加權(quán)平均的方法，使得普查數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)具有相同的深度。

2.2 樣點(diǎn)布設(shè)

采樣的時間為2008年4月25至5月8日，樣點(diǎn)布設(shè)的基本原則是:保證在各支流上都有樣點(diǎn)的存在，并且樣點(diǎn)所在土壤區(qū)域為該支流區(qū)域的主要土壤特征區(qū)域，盡可能滿足河流的左右岸均有樣點(diǎn)。采取土壤剖面的混合樣，采集的混合樣一般約0.5 kg，裝入密封袋送驗，分機(jī)械組成和有機(jī)質(zhì)兩種采樣，貼上標(biāo)簽編碼。采集的土壤剖面深度一般在0—80 cm，個別達(dá)到120 cm，總共采集了33個土壤樣品，樣點(diǎn)分布圖見附圖2。

2.3 樣品測試

全國第二次土壤普查機(jī)械組成的測試方法采用的是沉降法—吸管法，本次樣品的粒度采用沉降法測量，粒度測量范圍2～0.001 mm，測量結(jié)果以百分比含量表示。為了與土種志上的分級統(tǒng)一，對測量的結(jié)果進(jìn)行處理，分成2～0.2 mm，0.2～0.02 mm，0.02～0.002 mm，小于0.002 mm共4個等級。土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)采用國際制:砂粒2～0.02 mm，粉砂粒0.02～0.002 mm，黏粒＜0.002 mm，類別為砂土類、壤土類、黏壤土。

有機(jī)質(zhì)依據(jù) LY/T1238-1999測量，結(jié)果以百分比表示。同時在有機(jī)質(zhì)的測試過程中做了4個樣點(diǎn)的平行樣。對有機(jī)質(zhì)的測量還進(jìn)行了加標(biāo)回收實驗，以檢驗方法的準(zhǔn)確度。在有機(jī)質(zhì)測量的加標(biāo)回收試驗中，回收率滿足85%～110%的要求。對有機(jī)質(zhì)進(jìn)行的4次平行樣的測定，相對標(biāo)準(zhǔn)差的平均值5.6%。

2.4 統(tǒng)計分析

采用ArcGIS 9.0軟件空間插值土壤粒度的分布，獲取砂粒、粉粒、黏粒在流域內(nèi)分布的ASCII文件，作為程序的輸入文件，F(xiàn)ortaran 90編程計算土壤質(zhì)地的分布，輸出土壤質(zhì)地分布的ASCII文件，然后在ArcGIS中進(jìn)行統(tǒng)計和作圖。利用Origin 6.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。

3 結(jié)果與討論

3.1 土壤總體概況

表2統(tǒng)計結(jié)果表明，在嫩江上游區(qū)域的土壤中，黏粒的平均含量最高，占46.44%;而在中下游的支流中砂粒平均含量最高，占49.11%，粉粒在整個流域的平均含量比較穩(wěn)定，占25%左右。整個流域的不同粒度的變異系數(shù)在23%～55%，屬中等變異，其中上游的砂粒變異系數(shù)和中下游的黏粒變異系數(shù)比較大，分別為47%和55%。按照國際土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)，嫩江上游流域?qū)兖ね令悾邢掠螌儆陴と劳令?。利用ArcGIS插值后，嫩江流域內(nèi)土壤質(zhì)地的總體分布是壤土類占0.97%，黏壤土類占32.52%，黏土類占66.51%。

3.2 土壤粒度的變化

3.2.1 嫩江流域土壤粒度的變化 與第二次全國普查的結(jié)果比較(表3)。砂粒所占百分比有所減小，平均下降22.95%，粉粒百分比中有17個樣點(diǎn)呈下降趨勢，平均下降12.63%，另外16個樣點(diǎn)的粉粒百分比有所增長，平均增長14.82%，黏粒百分比的趨勢與砂粒的結(jié)果相反，樣點(diǎn)的黏粒百分比多數(shù)增長，平均增長50.09%。在顯著性水平α=0.05下，對砂粒、粉粒和黏粒做差異顯著性檢驗，用F檢驗方法檢驗兩次粒徑的差異。經(jīng)檢驗，砂粒和黏粒前后兩次的差異顯著，粉粒差異不顯著。

表2 研究區(qū)土壤粒度的均值及變異系數(shù)

嫩江流域?qū)偎赡燮皆?，土壤具有東北土壤的特質(zhì)，以黑土、棕壤土、黑鈣土、栗鈣土較多。采樣大多是處于原始狀態(tài)的土壤，盡量避免在農(nóng)田附近。從采樣的數(shù)據(jù)比較來看，嫩江流域未遭到人類影響的區(qū)域，土壤的沙化擴(kuò)大的趨勢并沒有得到數(shù)據(jù)支持，反而這些區(qū)域的土壤質(zhì)地朝有利的方向發(fā)展。在嫩江干流的西側(cè)的確存在化嚴(yán)重的區(qū)域，白城經(jīng)洮南到向海濕地方向存在大片的沙地。東北的黑土區(qū)土壤風(fēng)蝕環(huán)境處于中等狀態(tài)，嫩江的大風(fēng)日數(shù)自1980年以來比1950—1960年偏多，土壤的風(fēng)蝕環(huán)境趨于嚴(yán)重[14]。農(nóng)業(yè)開發(fā)使得部分土壤的利用方式發(fā)生改變，人為擾動也加快了土壤的退化。這些因素的綜合作用導(dǎo)致部分區(qū)域土壤退化嚴(yán)重，而在嫩江整個流域的土壤退化的跡象并不十分明顯。

表3 嫩江各支流土壤粒度比較

3.2.2 嫩江流域土壤質(zhì)地的變化 利用ArcGIS軟件對采樣點(diǎn)的粒度進(jìn)行插值，獲得歷史數(shù)據(jù)和試驗數(shù)據(jù)在流域內(nèi)的砂粒、粉粒、黏粒的整體分布。程序計算后分析獲得土壤質(zhì)地的變化(表4)。分析可知，砂土類和壤土類的比例減少，黏壤土和黏土類比例增大，其中壤土類減少17.54%，黏壤土類增加9.34%，黏土類增加8.20%。土壤的中黏土成分增加，砂土類和壤土類減少，并且壤土的下降比例相對較大。

據(jù)統(tǒng)計，嫩江流域土壤沙化較嚴(yán)重的城市是白城地區(qū)，土壤質(zhì)地的變化在嫩江流域表現(xiàn)的比較顯著。流域內(nèi)氣候條件的惡化也是土壤退化的一個主要因素，1962—2007年，嫩江流域的部分縣市平均降雨量386.2～559.7 mm，而蒸發(fā)量平均量 1 434.7～1 789.8 mm，而且近10 a的氣候變化有惡化的趨勢，這無疑加劇了土壤的沙化程度。嫩江流域土壤的黏土類增加意味著土壤的黏化作用的增強(qiáng)，這在嫩江中上游表現(xiàn)顯著。這與嫩江上游的植被覆蓋度良好有關(guān)，大小興安嶺和農(nóng)業(yè)防護(hù)林的建設(shè)支持這一變化。

3.2.3 嫩江各支流上土壤粒度變化 嫩江流域各支流上土壤粒度的變化在局部上與嫩江流域土壤粒度整體上的變化有一些差異(表3)。比較這7條支流上土壤的粒度變化，各支流上的土壤砂粒百分比下降，黏粒百分比增大，這與嫩江流域整體上土壤粒度的變化是一致的。對粉粒百分比的變化，則是在不同的支流顯出不同的結(jié)果，嫩江上游、烏裕爾河、綽爾河以及洮兒河上的土壤粉粒百分比有所增大，而其它支流的土壤的粉粒百分比減小。綽爾河流域內(nèi)的黏粒百分比減小了7.4%，這與其它支流和整個流域的變化趨勢不同。

表4 嫩江流域土壤質(zhì)地的變化 %

3.3 土壤有機(jī)質(zhì)變化

表5給出了流域內(nèi)的土壤有機(jī)質(zhì)含量普查結(jié)果和試驗結(jié)果的比較。有機(jī)質(zhì)含量的范圍0.55%～12.26%，有機(jī)質(zhì)含量最大的是在龍豐三隊的樣品，土壤未遭人類開發(fā)，周圍都是約40 cm苔草，形成塔頭，導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)含量高。有機(jī)質(zhì)含量最小在科爾沁中旗，屬草原風(fēng)沙土，雖然沒有太多的人類活動，但在自然力的驅(qū)動下，導(dǎo)致了現(xiàn)在的境況。有機(jī)質(zhì)含量在嫩江中上游的明顯高于嫩江中下游的有機(jī)質(zhì)含量，試驗數(shù)據(jù)顯示中上游的有機(jī)質(zhì)含量平均值為4.71%，而下游的有機(jī)質(zhì)含量平均值為1.74%，這與人類對土地的開發(fā)活動有關(guān)。

表5 嫩江流域土壤有機(jī)質(zhì)

與第二次全國土壤普查數(shù)據(jù)的相比，流域中上游有機(jī)質(zhì)含量整體上有所增加，增加百分比為27.14%，嫩江下游的土壤有機(jī)質(zhì)在減少，降低百分比為33.11%?？傮w而言，經(jīng)過近20 a的演化，土壤有機(jī)質(zhì)在嫩江流域的變化顯示了空間上的差異，下游的變化較之上游要大，中上游的有機(jī)質(zhì)含量在區(qū)域上增加，而下游有機(jī)質(zhì)含量減少。中上游的區(qū)域主要在大興安嶺和小興安嶺區(qū)域，采樣點(diǎn)也是位于此區(qū)域，人類的活動相較下游要小，草地和山地較多，有機(jī)質(zhì)消耗不是很大。下游的城鎮(zhèn)化明顯較上游顯著，農(nóng)田較多，山地較少，草地大部分也被開發(fā)，剩下的是暫時不太適宜開發(fā)的草地，多為鹽堿地。部分濕地也通過挖排水溝開發(fā)成農(nóng)田，雖然能增加糧食的增產(chǎn)，但對于區(qū)域的生態(tài)環(huán)境來說，這是一種破壞。

4 結(jié)論

(1)嫩江流域未開發(fā)的土壤粒度其上游部分的土壤主要以黏粒為主，而中下游以砂粒為主，粉粒在整個流域上的含量差異不大，主成分接近50%，其余的兩部分的含量則比較接近。土壤質(zhì)地主要以黏壤土和黏土為主，面積百分比分別為32.52%和66.51%。

(2)嫩江流域的土壤有機(jī)質(zhì)的含量范圍為0.55%～12.26%，在沙地區(qū)域的有機(jī)質(zhì)含量較低，在苔草地和濕地的有機(jī)質(zhì)含量較高。

(3)與第二次全國土壤普查的數(shù)據(jù)比較，嫩江流域和各支流上的土壤粒度表明，整體上嫩江流域土壤是砂粒百分比減小 22.95%，黏粒百分比增大50.09%。支流上的粒度變化與流域整體的變化趨同，粉粒的變化則在不同的子流域變化不同。土壤質(zhì)地也隨之變化，壤土下降17.54%，黏壤土和黏土增長9.34%和8.20%。嫩江上游，中游土壤的黏化作用加重，下游土壤的表層沙化較重。

(4)與第二次全國土壤普查的數(shù)據(jù)比較，嫩江流域的土壤有機(jī)質(zhì)的變化比較顯著。其中，中上游土壤有機(jī)質(zhì)增加了27.14%，下游土壤有機(jī)質(zhì)百分比減小了33.11%。苔草地和濕地區(qū)的有機(jī)質(zhì)含量較多，沙地的有機(jī)質(zhì)含量較少，農(nóng)田擴(kuò)張也導(dǎo)致了嫩江下游的土壤有機(jī)質(zhì)含量的減少。

[1] Raleigh C，Urdal H.Climate change，environmental degradation and armed conflict[J].Political Geography，2007，26(6):674-694.

[2] Lal R.Managing world soils for food security and environmental quality[J].Advances in Agronomy，2001，74:155-192.

[3] Koning N，Eric S.Environmental crisis or‘lie of the land'?The debate on soil degradation in Africa[J].Land Use Policy，2005，22(1):3-11.

[4] Turkelboom F ，Poesen J，Trébuil G.The multiple land degradation effects caused by land-use intensification in tropical steeplands:A catchment study from northern Thailand[J].Catena，2008，75(1):102-116.

[5] 宮阿都，何毓容.土壤退化研究的進(jìn)展及展望[J].世界科技研究與發(fā)展，2001，23(2):18-20.

[6] 張?zhí)伊?，王興祥.土壤退化研究的進(jìn)展與趨勢[J].自然資源學(xué)報 ，2000 ，15(3):280-284.

[7] 趙其國.中國東部紅壤地區(qū)土壤退化的時空變化、機(jī)理與調(diào)控[M].北京:科學(xué)出版社，2002.

[8] 張?zhí)伊?中國紅壤退化機(jī)制與防治[M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社，1999.

[9] 周紅藝，熊東紅，楊忠，等.長江上游典型地區(qū)的土壤退化評價[J].水土保持通報，2005，25(6):70-73.

[10] 李發(fā)鵬，李景玉，徐宗學(xué).東北黑土區(qū)土壤退化及水土流失研究現(xiàn)狀[J].水土保持研究，2006，13(3):50-54.

[11] 趙中秋，蔡云龍，付梅臣，等.典型卡斯特地區(qū)土壤退化機(jī)理探討:不同土地利用類型土壤水分性能比較[J].生態(tài)環(huán)境，2008，17(1):393-396.

[12] 蘇永中，趙哈林，張銅會，等.科爾沁沙地旱作農(nóng)田土壤退化的過程和特征[J].水土保持學(xué)報，2002，16(1):25-28.

[13] 崔明，張旭東，蔡國強(qiáng)，等.東北典型黑土區(qū)氣候、地貌演化與黑土發(fā)育的關(guān)系[J].地理研究，2008，27(3):527-535.

[14] 楊新，郭江峰，劉鴻鵠，等.東北典型黑土區(qū)土壤風(fēng)蝕環(huán)境研究[J].地理科學(xué)，2006，26(4):443-448.

[15] 周江紅，陳棣，孟令欽，等.嫩江沙地荒漠化特征與生態(tài)修復(fù)對策的研究[J].農(nóng)業(yè)系統(tǒng)科學(xué)與綜合研究，2005，21(4):302-304.

[16] 隋躍宇，張興義，張少良，等.黑龍江典型縣域農(nóng)田黑土土壤有機(jī)質(zhì)現(xiàn)狀分析[J].土壤通報，2008，39(1):186-188.