查向浩，林 寧，王 晶，張文河，李有文*

(1.喀什大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆 喀什 844000；2. 新疆生物類固廢資源化工程技術(shù)研究中心，新疆 喀什 844000)

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南疆綠洲-荒漠過渡帶“肥島”的養(yǎng)分特征分析

查向浩1，2，林 寧1，王 晶1，張文河1，李有文1，2*

(1.喀什大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆 喀什 844000；2. 新疆生物類固廢資源化工程技術(shù)研究中心，新疆 喀什 844000)

【目的】為了分析和檢驗(yàn)塔克拉瑪干沙漠邊緣綠洲-荒漠中灌木“肥島”效應(yīng)對(duì)荒漠土壤肥力的作用強(qiáng)度?！痉椒ā坎捎靡巴馊雍褪覂?nèi)實(shí)驗(yàn)分析相結(jié)合的方法，測(cè)定了胡楊(Populoseuphraticu)灌叢林及周邊過渡帶中不同深度土壤養(yǎng)分含量；通過計(jì)算富集率和構(gòu)建土壤肥力指數(shù)模型評(píng)價(jià)南疆綠洲-荒漠過渡帶的土壤肥力水平。【結(jié)果】過渡帶和灌叢下的土壤pH均呈堿性，且隨土壤深度增加堿性增強(qiáng)；土壤中全N、全P、全K和速效N、速效P、速效K含量都隨著土壤深度的增加而降低。富集率表明，在胡楊灌叢，土壤OM、全N、全P、全K、和速效養(yǎng)分含量都表現(xiàn)為EB>1，且EB在垂直剖面上呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在20～40 cm深度土壤聚集效果最為顯著，其中有機(jī)質(zhì)、全K、速效N、速效K富集率相對(duì)較大。SFI模型標(biāo)明，綠洲-荒漠過渡帶灌叢下的土壤肥力狀況明顯高于灌叢間過渡帶?！窘Y(jié)論】胡楊灌叢下存在典型的灌叢“肥島”現(xiàn)象，灌木的長(zhǎng)期生長(zhǎng)能夠增強(qiáng)土壤空間異質(zhì)性的作用，改善灌叢下土壤養(yǎng)分結(jié)構(gòu)和肥力水平，使土壤沙化程度得以緩解。

綠洲荒漠過渡帶；胡楊；養(yǎng)分；主成分分析；土壤肥力

【研究意義】目前，土壤荒漠化速度呈現(xiàn)加快上升的趨勢(shì)，新疆土地面積166.498km2，其中荒漠化面積占新疆總面積的 66.74 %，成為中國(guó)土地荒漠化面積最大的省區(qū)[1-2]。胡楊(Populoseuphraticu)早在幾百年前就作為典型荒漠樹種，具有耐寒、耐貧瘠的特性，加之有較強(qiáng)的固沙和抗逆性，成為沙地和沙漠的重要組成部分[3-4]。【前人研究進(jìn)展】研究表明，荒漠植被灌叢下土壤養(yǎng)分效應(yīng)會(huì)促使 “肥島”效應(yīng)的形成，使土壤-植被形成的生物循環(huán)系統(tǒng)過程主要集中在荒漠肥島范圍內(nèi)，進(jìn)而改善土壤理化環(huán)境，遏制土壤荒漠化速度，因此，肥島灌木的發(fā)展通常被認(rèn)為是荒漠草原或稀樹生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展的機(jī)制[5]。與此同時(shí)，荒漠中“肥島”效應(yīng)的形成在一定程度上抑制了土壤的物理性狀[6-7]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】本研究以塔克拉瑪干沙漠西緣胡楊林及周邊過渡帶作為研究對(duì)象，測(cè)定不同深度土壤養(yǎng)分含量；通過計(jì)算富集率和構(gòu)建土壤肥力指數(shù)評(píng)價(jià)南疆綠洲-荒漠過渡帶的土壤肥力水平?！緮M解決的關(guān)鍵問題】旨在分析和檢驗(yàn)綠洲-荒漠中灌木“肥島”效應(yīng)對(duì)荒漠土壤中土壤肥力的作用強(qiáng)度，以期為南疆干旱區(qū)荒漠生態(tài)重建與環(huán)境保護(hù)提供可靠數(shù)據(jù)和理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 區(qū)域概況

研究區(qū)域(地理坐標(biāo)：N 35°17′13′′～39°30′09′′，E 80°14′11′′～86°01′07′′)位于新疆塔克拉瑪干沙漠西緣的胡楊灌木林，以胡楊林綠洲-荒漠過渡帶為中心設(shè)置1條環(huán)狀樣帶作為研究區(qū)域。胡楊灌木種植區(qū)域氣候極端干旱且風(fēng)沙極大，年均降水量33.5 mm，年均蒸發(fā)量2595.3 mm，年平均風(fēng)速1.9 m/s，最大可達(dá)12.1 m/s，年平均氣溫11.9 ℃，極端最高氣溫達(dá)到41.9 ℃，無(wú)霜期160～170 d。

1.2 土樣樣品采集

選取胡楊長(zhǎng)勢(shì)一致、樹齡相似的樹體，按照等比例的隨機(jī)抽樣方法選取4個(gè)相對(duì)獨(dú)立的灌叢區(qū)域，在每個(gè)區(qū)域內(nèi)設(shè)置大小相等的100 cm×100 cm典型樣地，進(jìn)行土壤樣品采集。采樣前先將樣地地表的枯枝落葉清掃干凈，用鐵锨垂直于地面挖一個(gè)深度為60 cm的完整剖面，將剖面表層土壤用木鏟清除，自上而下采集1 kg土樣，將采樣點(diǎn)土壤樣品碾碎并混合均勻，裝入干凈的布袋內(nèi)，用標(biāo)簽標(biāo)記，在通風(fēng)、無(wú)污染的環(huán)境下自然風(fēng)干，進(jìn)行碾碎并過篩處理后，存放在干凈的自封袋內(nèi)備用。

1.3 養(yǎng)分測(cè)定[8]

土壤有機(jī)質(zhì)含量測(cè)定采用重鉻酸鉀氧化容量法(油浴外加熱)；全氮含量測(cè)定采用凱氏定氮法(H2SO4-HClO4消煮)；全磷含量測(cè)定采用鉬銻抗比色法(H2SO4-HClO4消煮)；全鉀含量測(cè)定采用火焰光度法(H2SO4-HClO4消煮)；堿解氮含量測(cè)定采用堿解擴(kuò)散法(FeSO4滴定)；有效磷含量測(cè)定采用鉬銻抗比色法(NaHCO3浸提)；速效鉀含量測(cè)定采用火焰光度計(jì)法(NH4Ac浸提)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

式中：SFI為土壤肥力指數(shù)；P為λ>1的特征值或與之對(duì)應(yīng)的特征向量；λi為λ>1的第i個(gè)特征值；Fi為λ>1的第i個(gè)特征值對(duì)應(yīng)的特征向量與土壤養(yǎng)分含量指標(biāo)變量的線性組合(即第i個(gè)主成分)。

統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS 21.0軟件；數(shù)據(jù)整理、計(jì)算采用Microsoft Excel 2003軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤養(yǎng)分分析

表1顯示，灌叢區(qū)域不同層次土壤中的養(yǎng)分含量明顯高于灌叢間過渡帶，特別是0～20 cm土層中土壤養(yǎng)分含量明顯高于下層土壤。經(jīng)過長(zhǎng)期的養(yǎng)分積累，灌叢下土壤養(yǎng)分含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于灌叢間過渡帶含量。過渡帶和灌叢下的土壤pH均呈堿性，且隨深度增加堿性增強(qiáng)，這是干旱地區(qū)普遍存在的問題[11]。無(wú)論是過渡帶還是灌叢下，土壤中全量以及能被植物吸收的速效養(yǎng)分含量都隨著土壤深度的增加而降低。

表1 不同深度土壤養(yǎng)分含量

表2 胡楊灌叢下不同深度土壤養(yǎng)分的富集率(EB=B/C)

注：E代表富集率；B代表灌木下的養(yǎng)分含量；C代表灌木過渡帶的養(yǎng)分含量。

Notes:E=enrichment ratio;B=soil nutrient cotent under shrubs;C=soil nutrient content of the shrub ecotone.

表3 特征向量

2.2 灌叢內(nèi)土壤養(yǎng)分富集率

為了研究胡楊灌木林對(duì)土壤養(yǎng)分的“肥島”作用，對(duì)土壤養(yǎng)分的富集程度進(jìn)行了分析。由表2可以看出，在胡楊灌叢下表現(xiàn)出不同程度的養(yǎng)分含量富集，其中在0～60 cm深度時(shí)，土壤中OM和全N、全P、全K以及能夠被植物生長(zhǎng)所吸收的速效養(yǎng)分N、P、K都出現(xiàn)一定程度的向灌叢下聚集的現(xiàn)象(EB>1)，表現(xiàn)出一種“肥島”特征。

從土壤垂直剖面上看，總體上土壤養(yǎng)分在20～40 cm深度時(shí)，富集程度最為明顯；然而隨著深度的增加富集率反而呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。

2.3 灌叢內(nèi)土壤肥力水平

運(yùn)用主成分分析對(duì)胡楊灌木區(qū)域土樣養(yǎng)分含量進(jìn)行降維分析得知，前4個(gè)主成分的特征值>1，且方差累積貢獻(xiàn)率達(dá)到85.8 %。根據(jù)特征向量可以看出，第一主成分主要反映的是土壤中全P、有效P養(yǎng)分指標(biāo)的信息；第二主成分主要反映的是土壤中全K、速效K養(yǎng)分指標(biāo)的信息；第三主成分主要反映的是土壤中有機(jī)質(zhì)、全N養(yǎng)分指標(biāo)的信息；第四主成分主要反映的是土壤中速效N養(yǎng)分指標(biāo)的信息。

由上述4個(gè)主成分構(gòu)建的SFI評(píng)價(jià)模型為：SFI=0.121OM+0.016TN+0.01TP+0.090TK+0.107AN+0.033AP+0.217AK。根據(jù)綠洲-荒漠過渡帶土壤養(yǎng)分指標(biāo)值所計(jì)算得出的SFI模型可以看出，灌叢下的土壤肥力水平明顯高于灌叢間土壤肥力水平。

3 討 論

在塔克拉瑪干沙漠西緣胡楊灌叢林及周邊過渡帶上，土壤有機(jī)質(zhì)、全量及植物生長(zhǎng)所需的速效養(yǎng)分的含量及肥力狀況均表現(xiàn)出了明顯的差異，這與相關(guān)研究具有一致性[12]。胡楊灌叢富集率在垂直垂直剖面上呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在20～40 cm深度中土壤聚集效果最為顯著。其中有機(jī)質(zhì)、全K、速效K、速效N富集率相對(duì)較大，同時(shí)也是反映土壤肥力水平的重要養(yǎng)分指標(biāo)[13]。胡楊灌叢下存在典型的灌叢“肥島”現(xiàn)象，能夠改善灌叢下土壤養(yǎng)分結(jié)構(gòu)和肥力水平，使土壤沙化程度得以緩解。此外，人類活動(dòng)、氣候等因素同樣會(huì)影響“肥島”現(xiàn)象的形成[14]。

綠洲-荒漠過渡帶灌叢下的土壤肥力狀況明顯高于灌叢間，表現(xiàn)出荒漠地區(qū)典型的“肥島”特征。灌叢下比灌叢間肥力水平高，說(shuō)明動(dòng)、植物的生理活動(dòng)隨著時(shí)間的推移，可以影響土壤結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改善土壤肥力水平[15]，這與前人研究結(jié)果具有一致性。有研究表明，土壤中能被植物吸收的速效養(yǎng)分和微量元素呈上升趨勢(shì)，其關(guān)鍵在于較多的枯落物覆蓋，風(fēng)力作用較小時(shí)，有機(jī)物和養(yǎng)分含量迅速增高[16-17]。灌木的長(zhǎng)期生長(zhǎng)在吸收養(yǎng)分的同時(shí)還會(huì)起到調(diào)整土壤空間異質(zhì)性的作用，對(duì)防止土壤沙化起到預(yù)防作用，而灌叢裸地間的土壤則會(huì)因缺乏水分和微生物的作用而遭到侵蝕，這種環(huán)境和生物的雙重作用導(dǎo)致“肥島”現(xiàn)象的產(chǎn)生，使裸地間土壤退化[18]。其他植物對(duì)改善荒漠地區(qū)土壤的作用還有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

南疆綠洲-荒漠灌叢間過渡帶不同層次土壤養(yǎng)分含量明顯低于灌叢區(qū)域；過渡帶和灌叢下的土壤pH均呈堿性，且隨深度增加堿性增強(qiáng)；土壤中全量和速效養(yǎng)分含量都隨著土壤深度的增加而降低。富集率表明，在胡楊灌叢，土壤中OM和全N、全P、全K以及速效N、P、K含量都表現(xiàn)為EB>1，且EB在垂直剖面上呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在20～40 cm深度中土壤聚集效果最為顯著，其中有機(jī)質(zhì)、全K、速效K、速效N富集率相對(duì)較大。根據(jù)SFI模型，綠洲-荒漠過渡帶灌叢下的土壤肥力狀況明顯高于灌叢間過渡帶。

胡楊灌叢下存在典型的灌叢“肥島”現(xiàn)象，灌木的長(zhǎng)期生長(zhǎng)能夠增強(qiáng)土壤空間異質(zhì)性的作用，改善灌叢下土壤養(yǎng)分結(jié)構(gòu)和肥力水平，使土壤沙化程度得以緩解。

[1]朱震達(dá), 陳廣庭. 中國(guó)土地沙質(zhì)荒漠化[M]. 北京: 中國(guó)科學(xué)出版社, 1994: 23-24．

[2]慈龍駿. 我國(guó)荒漠化防治現(xiàn)狀及防治對(duì)策[J]. 中國(guó)林業(yè), 1999, 5(1): 14-15.

[3]王世績(jī). 全球胡楊林的現(xiàn)狀及保護(hù)和恢復(fù)對(duì)策[J]. 世界林業(yè)研究, 1996, 9(6): 37-44．

[4]Li P X, Wang N, He W M, et al. Fertile islands under artemisia ordosica in inland dunes of northern China: effects of habitats and plants development stages [J]. Journal of Arid Environment, 2008, 72(6): 953-963.

[5]Aguiar M R, Sala O E. Patch structure, dynamics and implications for the functioning of arid ecosystems [J]. Trends in Ecology and Evolution, 1999, 14(7): 273-277.

[6]Bochet E, Rubio J L, Poesen J. Modified topsoil islands within patchy mediterranean vegetation in SE spain[J]. Catena, 1999, 38: 23-44.

[7]Zhang L, Cui G S, Shen W, et al. Cover as a simple predictor of biomass for two shrubs in tibet[J]. Ecological Indicators, 2015, 64(10): 266-271.

[8]鮑士旦, 江榮風(fēng), 楊超光, 等.土壤化學(xué)分析(第三版)[M].北京: 中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社, 2010: 25-250.

[9]張 玲，潘存德，趙善超，等.新疆新疆烏什縣核桃生產(chǎn)園土壤肥力評(píng)價(jià)[J].新疆農(nóng)業(yè)科學(xué), 2015, 52(8):1406-1411.

[10]Sims J T, Edwards A C. Integrating soil phosphorus testing into environmentally based agricultural management practices [J]. Environment Quality, 2000, 29(1): 60-71.

[11]Hu Yue-li, WU Xiao-fu. Discussion on soil microbial biomass as a bio-indicator of soil quality for latosol earth [J].Journal of Central South Forestry University, 2002, 22(3):51-53.

[12]Guo Zhi-chao. Integrated evaluation of soil fertility and leaf nutrient diagnosis ofArmeniacavulgariscv. Luntaibaixing with DRIS[D]. Urumqi: Xinjiang Agricultural University, 2013.

[13]陳廣生，曾德慧，陳伏生，等. 干旱和半干旱地區(qū)灌木下土壤“肥島”研究進(jìn)展[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2003, 14(12): 2295-2300.

[14]Schlesinger W H, Raikes J A, Hartley A E,et al. On the spatial pattern of soil nutrients in desert ecosystems[J]. Ecology, 1996, 77(2): 364-374.

[15]孫麗敏，侯光旭. 干旱、半干旱地區(qū)植被之沙造林技術(shù)措施[J]. 防護(hù)林科技，2005, 14(6): 90-91.

[16]Qong M, Takamura H, Hudaberdi M. Formation and internal structure of tamarix cones in the Taklimakan Desert[J]. Journal of Arid Environments, 2002, 50(1): 81-97.

[17]艾合買提.那由甫, 李衛(wèi)紅, 徐海量.塔里木河中游土壤分布規(guī)律及特征研究[J]. 干旱區(qū)資源與環(huán)境, 2005, 19(1):149-153.

[18]Whitford W G, Anderson T, Rice P M. Stemflow sontribution to the fertile island effect in creaso tebush, Larreat ridentata[J]. Journal of Arid Environments, 1997, 35: 451-458.

(責(zé)任編輯 李 潔)

Analysis on Nutrient Characteristics of ‘Fertile Island’on Shrubs at Oasis-desert Ecotone in South of Xinjiang

ZHA Xiang-hao1，2，LIN Ning1，WANG Jing1, ZHANG Wen-he1, LI You-wen1，2*

(1.College of Chemistry and Environmental Science, Kashgar University，Xinjiang Kashgar 844000，China；2.Xinjiang Biomass Solid Waste Reclamation Technology and Engineering Center，Xinjiang Kashgar 844000，China)

【Objective】IThe study aims to analyze and test the effect of shrub ‘fat island’ on desert soil fertility in the oasis desert in the edge of Taklimakan Desert. 【Method】The method combining field sampling and laboratory analysis was adopted, The soil nutrient contents in different depths of Populus euphratica shrub forest and its transition zone were measured, The soil fertility level of oasis-desert ecotone in South Xinjiang was evaluated by calculating enrichment rate and constructing soil fertility index model. 【Result】The soil pH in the ecotone and shrub were alkaline, which increased with soil depth; The contents of total N, total P, total K and available N, available P, available K in soil decreased with the increase of soil depth. The enrichment rate showed that the contents of OM, total N, total P, total K and available nutrient in soil wereEB> 1 in Populus euphratica shrub, andEBincreased first and then decreased in vertical section, At 20-40 cm depth, soil accumulation was most significant, in which organic matter, total K, available N and available K enrichment were relatively large. The SFI model shows that the soil fertility under shrub was obviously higher than that in the oasis-desert ecotone. 【Conclusion】There was a typical shrub ‘fertile island’ phenomenon under the Populus euphratica shrub, long-term growth of shrubs can enhance the spatial heterogeneity of soil, and improve the nutrient structure and fertility level of soil under the shrubs, The soil desertification can be alleviated.

Osis-desert ecotone; Populus cuphration; Nutrition; Principal component analysis; Soil fertility

1001-4829(2017)7-1625-04

10.16213/j.cnki.scjas.2017.7.027

2016-08-23

新疆維吾爾自治區(qū)高?？蒲杏?jì)劃青年教師科研啟動(dòng)基金(XJEDU2013S37)

查向浩(1981-)，男，河南省長(zhǎng)葛市人，講師，研究方向?yàn)楦珊祬^(qū)生態(tài)過程與可持續(xù)性，E-mail：zhaxianghao@163.com；*為通訊作者：李有文(1987-)，甘肅景泰人，研究方向?yàn)槌鞘猩鷳B(tài)與土壤污染與及修復(fù)，Email：125864826@qq.com。

S156.5

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