穆葉賽爾·吐地，吉力力·阿不都外力，姜逢清

（1.中國科學院 新疆生態(tài)與地理研究所，烏魯木齊830011；2.中國科學院 研究生院，北京100049）

土壤有機質(zhì)是土壤的重要組成部分，是表征土壤質(zhì)量的重要因子，亦是土壤肥力的重要指標。在干旱荒漠地區(qū)，土壤有機質(zhì)含量直接影響著土壤質(zhì)量的高低，并對荒漠化地區(qū)的生態(tài)演化有直接的影響［1－3］。因而，土壤有機質(zhì)已經(jīng)成為土壤學、環(huán)境化學和地球化學的研究熱點之一［4－6］。揭示土壤有機質(zhì)的時空變異規(guī)律是實現(xiàn)土壤可持續(xù)利用和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的前提。國內(nèi)外研究表明，自然環(huán)境條件的改變、土地利用方式的變化等都會影響土壤有機質(zhì)的數(shù)量和構(gòu)成［7－10］，進而影響土壤水鹽運動狀況和 肥力特 性［11］。因此，研究土壤有機質(zhì)的時空動態(tài)變化有助于了解區(qū)域土壤質(zhì)量動態(tài)演化特征。

天山山體在新疆的隆起，將新疆大地分成截然不同的南北兩半。首先是將新疆荒漠地帶分成暖溫帶（南疆）和中溫帶（北疆）；其次是使新疆的垂直地帶性明顯增強，成為影響荒漠、盆地和平原內(nèi)部自然地域分異，促進綠洲形成、發(fā)育的主要因素［12］。由此可見，天山山地的生態(tài)環(huán)境將對整個新疆，乃至對整個亞洲產(chǎn)生極其重大的影響。因地制宜地做好天山山地生態(tài)建設(shè)，科學開展林地管理，深入分析天山區(qū)域的土壤養(yǎng)分的空間分布特征是十分必要而又有所欠缺?；诖?，本研究對天山山地下林沿土壤有機質(zhì)的空間分布特征及其影響因素進行深入分析，以期為天山山地的生態(tài)建設(shè)、林地管理、土壤肥力評價等提供一定的科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

我國境內(nèi)的天山，即東天山橫穿新疆維吾爾自治區(qū)全境，西起中國與吉爾吉斯坦邊界，東至哈密市以東的星星峽戈壁，東西綿延1 700km。占天山山系總長度的2／3以上，山勢雄偉壯觀，山地平均海拔高度4 000m［13］。天山位于不同的生物氣候帶之間，其北—準葛爾盆地南部屬于溫帶荒漠，南—塔里木盆地屬于暖溫帶荒漠。不同地帶的水熱條件明顯地反映在所隸屬的垂直帶系統(tǒng)中。因而，天山不同坡向的土被、植被的垂直結(jié)構(gòu)差異很大。天山北坡的垂直帶譜結(jié)構(gòu)大部分從半荒漠開始，部分山段荒漠上升也較低，而南坡山地荒漠則可升至1 800～2 000m以上。較為濕潤的托木爾峰南坡亦可上升至2 100～2 300 m之間，西南坡則更高，可達2 300～2 500m［12］。天山北坡的土壤垂直帶譜結(jié)構(gòu)相當完整，主要為：山地灰棕漠土（西部和東部）—山地棕鈣土—山地粟鈣土—山地黑鈣土—山地灰褐土—亞高山草甸土—高山草甸土—高山原始土壤帶。天山土壤是中亞荒漠和亞洲中部荒漠兩種類型的生物氣候條件下發(fā)育形成的。所以其特點、分布規(guī)律、垂直帶結(jié)構(gòu)就深刻地打上了這兩種荒漠類型的烙印。

1.2 研究方法

1.2.1 樣本采集 于2011年8月對天山北坡東、中、西段（巴里坤—伊吾區(qū)段、新源—巴音布魯克區(qū)段和昭蘇—特克斯區(qū)段）進行了實地考察，選擇下林沿林地和草地的合適部位分別開挖開口為40cm×40 cm深度為100cm的土壤剖面，分為0—5，5—20，20—40cm以成對（林—草地）的形式進行采樣，共采集133個下林沿土樣。每土層取約1kg混合樣，裝于自封塑料袋內(nèi)并做好標記和編號。樣點位置詳見圖1。采樣的同時記錄采樣日期、樣地經(jīng)緯度、植被類型、植被覆蓋度、坡向、坡度、成土母質(zhì)、顏色、硬度等背景情況以備后續(xù)分析。

圖1 研究區(qū)與采樣點位置示意圖

1.2.2 分析方法 在加熱條件下，用過量的重鉻酸鉀—硫酸（K2Cr2O7—H2SO4）溶液來氧化土壤有機質(zhì)中的碳，中Cr6＋被還原成Cr3＋，剩余的重鉻酸鉀（K2Cr2O7）用硫酸亞鐵（FeSO4）標準溶液滴定，根據(jù)消耗的重鉻酸鉀量計算出有機碳量，再乘以常數(shù)1.724，即為土壤有機質(zhì)量［14－16］。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理 采用經(jīng)典統(tǒng)計學方法在SPSS 19.0中對數(shù)據(jù)進行描述性分析，采用Excel繪圖。分析過程中，對采自同一樣點的林—草地成對樣做平均處理，以代表同一樣點的土壤特征值。

2 結(jié)果與分析

2.1 0－5cm土壤剖面層

昭蘇—特克斯區(qū)段（0—5cm）的土壤有機質(zhì)含量變化于30.4～403.8g／kg之間，平均值為189.3g／kg，變異系數(shù)為55.1%，屬于中等變異。新源—巴音布魯克區(qū)段（0—5cm）土壤有機質(zhì)含量在28.0～309.4 g／kg之 間，平 均 值 為 143.2g／kg，變 異 系 數(shù) 為52.9%。巴里坤—伊吾區(qū)段該層內(nèi)土壤有機質(zhì)含量在2.5～315.8g／kg，平均值為80.6g／kg，變異系數(shù)為102.1%，屬于強變異。

圖2為天山北坡不同區(qū)段下林沿土壤（0—5cm層）有機質(zhì)含量的統(tǒng)計特征比較。由圖2可見，天山北坡西段林線附近0—5cm土層的有機質(zhì)含量明顯高于天山北坡東段。比較各區(qū)段0—5cm土壤層有機質(zhì)含量的平均值可以發(fā)現(xiàn)，巴里坤—伊吾區(qū)段的最小，而昭蘇—特克斯區(qū)段的最大。0—5cm土層的有機質(zhì)含量以昭蘇—特克斯區(qū)段為最大；以巴里坤—伊吾區(qū)段的為最小（2.5g／kg）。比較0—5cm土層內(nèi)有機質(zhì)含量的變異系數(shù)可以發(fā)現(xiàn)：巴里坤—伊吾區(qū)段的土壤有機質(zhì)含量的變異系數(shù)（102.1%）最大，屬于強變異，而新源—巴音布魯克區(qū)段的變異系數(shù)最小，屬于中等變異。研究區(qū)域0—5cm土層內(nèi)有機質(zhì)含量的偏度值都大于零，說明研究區(qū)域土壤有機質(zhì)含量呈正偏分布，即均值在峰值的右邊。研究區(qū)域0—5 cm土壤層有機質(zhì)含量的峰度值大于零，說明其分布的集中程度高于正態(tài)分布。

圖2 不同區(qū)段林沿土壤（0－5cm層）有機質(zhì)含量的統(tǒng)計特征比較

2.2 5－20cm土壤剖面層

就5—20cm土層而言，昭蘇—特克斯區(qū)段土壤有機質(zhì)含量在14.3～190.8g／kg之間，平均值為102.7g／kg，變異系數(shù)為50.3%；新源—巴音布魯克區(qū)段為25.6～275.9g／kg，平均值為110.2g／kg，變異系數(shù)為52.6%；巴里坤—伊吾區(qū)段為4.1～158.5 g／kg，平均值為48.8g／kg，標準方差為44.9，變異系數(shù)為92.1%（圖3）。由從圖3可知，天山北坡西段下林沿5—20cm土層的有機質(zhì)含量明顯高于天山北坡東段。比較其平均值可知，巴里坤—伊吾區(qū)段的平均含量最小，新源—巴音布魯克區(qū)段最大。5—20cm土層內(nèi)有機質(zhì)含量的最大值出現(xiàn)在新源—巴音布魯克區(qū)段（275.9g／kg），最小值出現(xiàn)在巴里坤—伊吾區(qū)段（4.1g／kg）。

比較5—20cm土壤層有機質(zhì)含量的偏度可以看出，研究區(qū)域土壤有機質(zhì)含量的偏度值都大于零，說明研究區(qū)土壤有機質(zhì)含量呈正偏分布，即均值在峰值的右邊。昭蘇—特克斯區(qū)段5—20cm土壤層有機質(zhì)含量的峰度值小于零，說明該地區(qū)的土壤有機質(zhì)含量分布的集中程度低于正態(tài)分布，其他兩個區(qū)段的峰度值都大于零，說明這兩個區(qū)段的土壤有機質(zhì)含量分布的集中程度高于正態(tài)分布。巴里坤—伊吾區(qū)段5—20cm土壤層有機質(zhì)含量的變異系數(shù)最大，昭蘇—特克斯區(qū)段的最小，都屬于中等變異。

圖3 不同區(qū)段林沿土壤（5－20cm層）有機質(zhì)含量的統(tǒng)計特征比較

2.3 20－40cm土壤剖面層

從20—40cm土層來看，昭蘇—特克斯區(qū)段土壤有機質(zhì)含量為8.3～190.7g／kg，平均值為72.7 g／kg，變異系數(shù)為64.5%，屬于中等變異；新源—巴音布魯克區(qū)段為15.6～203.06g／kg，平均值為87.2 g／kg，變異系數(shù)為61.4%，屬于中等變異；巴里坤—伊吾區(qū)段為5.0～129.9g／kg，平均值為38.5／kg，變異系數(shù)為33.2%，屬于中等變異（圖4）。

從圖4可以看出，天山北坡西段下林沿20—40 cm土層的有機質(zhì)含量明顯高于天山北坡東段。東段的巴里坤—伊吾區(qū)段20—40cm土壤層有機質(zhì)含量的最大值最小，而中段的新源—巴音布魯克區(qū)段的最大值最大。巴里坤—伊吾區(qū)段20—40cm土壤層有機質(zhì)含量的最小值（5.0g／kg）最小。偏度分析結(jié)果表明，研究區(qū)域20—40cm土層有機質(zhì)含量的偏度值都大于零，說明研究區(qū)20—40cm土層有機質(zhì)含量的分布屬于正偏，即均值在峰值的右邊。峰度分析結(jié)果顯示，研究區(qū)域20—40cm土壤層有機質(zhì)含量的峰度值都大于零，說明研究區(qū)域土壤有機質(zhì)含量分布的集中程度高于正態(tài)分布。巴里坤—伊吾區(qū)段20—40 cm土壤層有機質(zhì)含量的平均值最小，新源—巴音布魯克區(qū)段的平均值最大。新源—巴音布魯克區(qū)段20—40cm土壤層有機質(zhì)含量的變異系數(shù)（47.1%）最小，巴里坤—伊吾區(qū)段的變異系數(shù)最大。

圖4 不同區(qū)段林沿土壤（20－40cm層）有機質(zhì)含量的統(tǒng)計特征比較

2.4 垂直剖面層土壤有機質(zhì)含量的比較

圖5 顯示了天山北坡不同土層的土壤有機質(zhì)含量的平均值、最大值和最小值。由圖5可見，3個區(qū)段不同深度土層有機質(zhì)含量均存在明顯差異，其中以0—5cm土層的有機質(zhì)含量為高。從天山北坡下林沿不同土層的有機質(zhì)含量的最大值來看，各區(qū)段土壤有機質(zhì)含量的最大值也均出現(xiàn)在0—5cm的土壤剖面層內(nèi)。這符合干旱區(qū)土壤有機質(zhì)含量在表層聚集的一般規(guī)律。

分析天山北坡不同土層的有機質(zhì)含量的最小值可知，昭蘇—特克斯區(qū)段和新源—巴音布魯克區(qū)段土壤有機質(zhì)含量的最小值均出現(xiàn)在20—40cm的土壤剖面層內(nèi)，而巴里坤—伊吾區(qū)段土壤有機質(zhì)含量的最小值則出現(xiàn)在0—5cm的土壤剖面層內(nèi)。造成這種現(xiàn)象的原因可能是因為巴里坤—伊吾區(qū)段土壤受人類活動的影響更顯著。

圖5 不同土壤剖面層的土壤有機質(zhì)含量的平均值、最大值和最小值的比較

3 討論

在相同氣候區(qū)，天山北坡土壤有機質(zhì)含量的空間分布受成土母質(zhì)、地形地貌、土壤類型、土壤質(zhì)地［4，17－20］、植被覆蓋度、海拔、熱量及人為管理措施等因素的影響［1］。

成土母質(zhì)一方面是土壤的骨架，另一方面是植物礦質(zhì)養(yǎng)料元素的最初來源，不僅直接影響著土壤的物理化學性質(zhì)、土壤成土過程，而且還影響著土壤有機質(zhì)的累積和淋失［21］。有關(guān)研究顯示，天山北坡西段土壤質(zhì)地為薄厚不等的黃土狀物質(zhì)，而天山北坡東段的成土母質(zhì)為坡積、沖洪積／湖積物等。由黃土狀成土母質(zhì)發(fā)育的土壤，有機質(zhì)含量極顯著高于坡積、沖洪積／湖積物。黃土狀母質(zhì)黃土層深厚，富含碳酸鹽，黏化層和鈣積層發(fā)育，且多形成碳酸鹽褐土，所以有機質(zhì)的含量很高。洪積母質(zhì)土體中往往有卵礫石層，構(gòu)成了土體中的障礙層，且質(zhì)地為輕壤，多形成褐土性土，因而有機質(zhì)的含量較低。這是本研究中天山北坡西段下林沿土壤有機質(zhì)含量明顯高于天山北坡東段的根本原因。

地形和土壤類型影響土壤有機質(zhì)的空間分布。天山北坡西段主要土壤類型是黑鈣土和粟鈣土。黑鈣土自然肥力水平較高，其分布區(qū)不但是較好的牧場，而且有部分是較好的旱作地。這種土壤的有機質(zhì)含量較高［12］。黑鈣土的主要特點是土壤進行強烈的腐殖質(zhì)積累過程，同時鈣化過程也很明顯。表層的有機質(zhì)含量在7%～13%之間，具有良好的粒狀—團塊狀結(jié)構(gòu)；土壤上部的碳酸鈣受到淋失，有明顯的鈣積層。天山北坡西段（特克斯—昭蘇、新源—巴音布魯克區(qū)段）土壤質(zhì)地較重，主要土壤類型是黏土，利于有機質(zhì)的積累，而天山北坡東段的巴里坤—伊吾區(qū)段土壤質(zhì)地較輕，通氣條件較好，有機質(zhì)流失相對容易，因此有機質(zhì)含量較低［22］。

植被覆蓋度、海拔和熱量也是決定土壤有機質(zhì)含量的主要因素。實地考察發(fā)現(xiàn)，天山北坡西段地區(qū)（昭蘇—特克斯、新源—巴音布魯克區(qū)段）植物以天山云杉、林緣灌叢和禾本科植物為主，植被覆蓋度約為90%，平均海拔高度為2 000m左右，熱量較低有利于有機質(zhì)的積累。天山北坡東段（巴里坤—伊吾區(qū)段）以藜科植物、蒿類為主，并有少量駱駝蓬、榆樹、芨芨草、苦豆子、粉苞菊等出現(xiàn)，植被蓋度在20%～30%之間，平均海拔高度為1 800m左右。隨著海拔的降低，降雨量逐漸減少，植被覆蓋度逐漸降低，有機質(zhì)含量也逐漸降低［1］。巴里坤盆地因氣候干旱，植物稀疏，這些自然條件不利于土壤有機質(zhì)的積累。新源—巴音布魯克區(qū)段采樣點多分布在以野杏、小檗、柳樹、薔薇等為主的山地林地和以禾本科為主的草地中，植被蓋度90%以上，優(yōu)越的植被條件為土壤有機質(zhì)的積累奠定了基礎(chǔ)。這是新源—巴音布魯克區(qū)段土壤有機質(zhì)含量比較高的主要原因。

巴里坤—伊吾區(qū)段具有豐富的自然資源，盆地土壤主要有淡粟鈣土、棕鈣土、草甸土和鹽土4個類型［12］。不同土壤類型上生長的植被，其覆蓋度和土地利用方式有很大的差異，這是導致巴里坤地區(qū)土壤有機質(zhì)含量變異較大的主要原因。此外，該區(qū)段人類活動（包括開墾、造林、旅游等）對土壤也產(chǎn)生了一定的影響。

4 結(jié)論

（1）天山北坡西段下林沿土壤層的有機質(zhì)含量明顯高于天山北坡東段。0—5cm土壤剖面層內(nèi)天山北坡昭蘇—特克斯區(qū)段的土壤有機質(zhì)含量比天山北坡其他區(qū)段的高。0—5，5—20，20—40cm土壤剖面層內(nèi)天山北坡巴里坤—伊吾區(qū)段土壤有機質(zhì)含量比天山北坡其他區(qū)段的土壤有機質(zhì)含量低。5—20，20—40cm土壤剖面層內(nèi)天山北坡新源—巴音布魯克區(qū)段的土壤有機質(zhì)含量比天山北坡其它區(qū)段的高。

（2）天山北坡0—5cm土壤剖面層內(nèi)土壤有機質(zhì)含量的最大值出現(xiàn)在昭蘇—特克斯區(qū)段，5—20，20—40cm土壤剖面層內(nèi)土壤有機質(zhì)含量的最大值出現(xiàn)在新源—巴音布魯克區(qū)段。0—5，5—20cm和20—40cm土壤剖面層內(nèi)土壤有機質(zhì)含量的最小值出現(xiàn)在巴里坤—伊吾區(qū)段。

（3）0—5，5—20，20—40cm 土壤剖面層內(nèi)巴里坤—伊吾區(qū)段的變異系數(shù)最大。0—5cm土壤剖面層內(nèi)巴里坤—伊吾區(qū)段的土壤有機質(zhì)含量的變異系數(shù)屬于強變異，其它區(qū)段屬于中等變異。5—20，20—40cm土壤剖面層內(nèi)研究區(qū)域的有機質(zhì)含量的變異系數(shù)屬于中等變異型。

（4）天山北坡0—5cm土壤剖面層土壤有機質(zhì)含量比5—20，20—40cm土壤剖面層土壤有機質(zhì)含量高。天山北坡下林沿土壤有機質(zhì)含量的最大值出現(xiàn)在0—5cm的土壤剖面層內(nèi)。

（5）昭蘇—特克斯、新源—巴音布魯克區(qū)段土壤有機質(zhì)含量的最小值出現(xiàn)在20—40cm土壤剖面層內(nèi)，而巴里坤—伊吾區(qū)段土壤有機質(zhì)含量的最小值則出現(xiàn)在0—5cm的土壤剖面層內(nèi)。

巴里坤—伊吾區(qū)段受自然和人為影響，土壤有機質(zhì)含量偏低。在今后的林業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)建設(shè)實踐中，應(yīng)注意降低人類活動對土壤層的擾動、加強天然植被的保護，在有條件的地塊增施有機肥，以快速提高土壤的有機質(zhì)含量。

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