摘""要：為探究沙地不同生態(tài)系統(tǒng)土壤鉀素的分布特征，采用農(nóng)業(yè)化學(xué)常規(guī)方法與單因素方差分析法，分析科爾沁沙地森林、農(nóng)田、草地和裸地生態(tài)系統(tǒng)土壤的全鉀、速效鉀含量。研究結(jié)果表明：土壤速效鉀含量均隨土層深度的增加逐漸減少，0～10 cm土層土壤速效鉀含量從春季至秋季逐漸減少，森林土壤速效鉀素含量最大；森林幼齡林林分生長可促進(jìn)土壤鉀素的積累，過熟齡林林分生長會(huì)抑制土壤鉀素的積累；與裸地相比，農(nóng)田、草地土壤全鉀含量的最大值分別提高了61.82%、51.71%；隨著植物的生長，森林、農(nóng)田和草地生態(tài)系統(tǒng)土壤的鉀素含量逐漸減少，裸地土壤的鉀素含量隨時(shí)間無明顯變化。研究結(jié)果為沙地退化生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)與治理提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：沙地；土壤；生態(tài)系統(tǒng)；土壤全鉀；土壤速效鉀

中圖分類號(hào)：S365 """"""""""""""""""""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A """"""""""""""文章編號(hào)：1008-0562（2024）06-0719-07

Analysis on soil K distribution characteristics of different ecosystems

in Horqin sandy land

LEI Zeyong，"CHEN Wei^*， WANG Weining

（College of Environmental Science and Engineering，"Liaoning Technical University， Fuxin 123000，"China）

Abstract："In order to explore the distribution characteristics of soil potassium in different ecosystems of sandy land， the total potassium and available potassium contents of forest， farmland， grassland and bare land ecosystems in Horqin sandy land were analyzed by conventional agricultural chemistry method and one-way analysis of variance. The research results show that the soil available potassium content gradually decreases with the increase of soil depth， and the soil available potassium content in the 0-10 cm soil layer gradually decreases from spring to autumn， and the forest soil available potassium contentss the largest. The growth of young forest stands can promote the accumulation of soil potassium， while the growth of overmature forest stands will inhibit the accumulation of soil potassium. Compared with the bare land， the maximum total potassium content of farmland and grassland increase by 61.82% and 51.71%， respectively. With the growth of plants， the potassium content in the soil of forest， farmland and grassland ecosystem gradually decrease， and the potassium content of bare soil do not change significantly with time. The results of this study provide a theoretical basis for the restoration and management of degraded ecosystems in sandy land.

Key words： sandy land; soil; ecosystem; soil total potassium; soil available potassium

0 "引言

沙地廣泛分布于中國北方干旱、半干旱、半濕潤地區(qū)^[1]。由于穩(wěn)定性較差、易受人為活動(dòng)干擾，目前，全球大部分沙地生態(tài)系統(tǒng)已發(fā)生不同程度的退化^[2-3]。沙地綜合治理是改善生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要舉措，抑制沙地土壤養(yǎng)分的流失是修復(fù)退化生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵。

土壤養(yǎng)分在時(shí)間上具有廣泛的變異性^[4]，同時(shí)，植物在生長過程中從土壤中吸收養(yǎng)分^[5]，導(dǎo)致養(yǎng)分在土壤剖面上的分布也具有空間變異性^[6-9]。土壤鉀素是生態(tài)系統(tǒng)的重要營養(yǎng)元素之一^[10]，鉀離子不僅能促進(jìn)植物的光合作用^[11-12]、調(diào)節(jié)細(xì)胞水勢(shì)、改變氣孔開閉狀態(tài)、影響植物生長^[13]，還能增強(qiáng)植物對(duì)氮、磷的吸收、參與細(xì)胞滲透、調(diào)控氣孔、增強(qiáng)有機(jī)酸代謝、提高植物的抗逆性^[14]。自然條件下，植物生長最初需要的鉀素來源于含鉀礦物的風(fēng)化，土壤表層速效鉀含量直接影響植物的生長狀況^[15]。土壤鉀素含量的高低可反映土壤的肥沃程度，因此分析鉀素的表聚和層化特征是恢復(fù)或重建土壤退化生態(tài)系統(tǒng)植被的關(guān)鍵^[16]。

科爾沁沙地位于中國北方半干旱生態(tài)脆弱地區(qū)，包含草地、農(nóng)田、林地等生態(tài)系統(tǒng)?？茽柷呱车氐乇碇脖桓采w率較低、水資源短缺、土壤沙粒含量高^[17]、養(yǎng)分貧瘠。針對(duì)該研究區(qū)土壤碳^[18]、氮^[19]、磷^[20]的變化情況及影響因素的研究較多，但對(duì)鉀素的研究較少。為進(jìn)一步促進(jìn)各生態(tài)系統(tǒng)的健康管理，以該地的森林、農(nóng)田、草地和裸地生態(tài)系統(tǒng)為研究對(duì)象，通過取樣、測定和統(tǒng)計(jì)分析，研究沙地不同生態(tài)系統(tǒng)土壤鉀素的分布特征，為沙地退化生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)與治理提供理論支撐。

1 "研究區(qū)概況與方法

1.1 "研究區(qū)概況

研究區(qū)位于科爾沁沙地東南部的章古臺(tái)鎮(zhèn)（42°39′～42°43′N，122°29′～122°35′E），地形相對(duì)平坦，屬于中溫帶大陸性氣候。年均氣溫4.6 ℃～6.3 ℃，年均風(fēng)速4.5 m/s，春季多大風(fēng)、揚(yáng)沙天氣。年均生長期140"d，年均無霜期154"d，年均降水量約500"mm，年均蒸發(fā)量約1"750"mm，土壤類型主要為風(fēng)沙土和流動(dòng)風(fēng)沙土，pH值約為6.7。代表性植物有中華委陵菜、中華隱子草、山杏、興安胡枝子等^[17]。

1.2 nbsp;樣地布設(shè)及試驗(yàn)材料

選取研究區(qū)生態(tài)環(huán)境條件基本一致的不同林齡的森林（幼齡林、中齡林、成熟林和過熟林），各取5塊標(biāo)準(zhǔn)地，尺寸為20"m×30"m，各標(biāo)準(zhǔn)地的土層挖采深度主要根據(jù)植物細(xì)根集中的層次確定。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)地進(jìn)行林分調(diào)查，根據(jù)平均胸徑、平均高、平均冠幅選定標(biāo)準(zhǔn)木。在距離選定的標(biāo)準(zhǔn)木1"m位置處挖取土壤剖面，長、寬、深均為1"m，在土壤剖面0～10"cm、10～20"cm、20～40"cm、40～60"cm、60～80"cm、80～100"cm深度處分別獲取土樣。在草地、農(nóng)田分別選取3塊標(biāo)準(zhǔn)地，尺寸為5"m×5"m，在標(biāo)準(zhǔn)地附近選取一定面積的裸地作對(duì)照。在草地和農(nóng)田標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)挖取土壤剖面，長、寬均為1"m，深為0.6"m，采用圓形鋼制環(huán)刀分層獲取原狀土樣品，其中，草地分層深度分別為0～10"cm、10～ ""20"cm、20～40"cm、40～60"cm，農(nóng)田分層深度分別為0～10"cm、10～20"cm、20～40"cm，各土層重復(fù)取樣3次。樣品密封后帶回實(shí)驗(yàn)室，去除土壤樣品中的植物根系和石礫，于室溫下風(fēng)干，碾碎過篩，測定土壤全鉀和速效鉀含量。

1.3 "項(xiàng)目測定及數(shù)據(jù)分析方法

參考文獻(xiàn)[21]土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析常規(guī)方法，分別采用NaOH熔融-火焰光度法、乙酸銨提取法測定土壤的全鉀和速效鉀含量。采用Excel2016和SPSS27.0軟件統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)，采用單因素方差分析法比較各指標(biāo)差異。本文全鉀、速效鉀、鉀素含量均用“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”表示。

2 "實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 "沙地不同生態(tài)系統(tǒng)土壤全鉀分布特征

森林生態(tài)系統(tǒng)土壤的全鉀含量見圖1。由圖1可知，森林土壤的全鉀含量為（13.83±1.67）g/kg～（21.72±2.38）g/kg。同一土層不同林齡土壤的全鉀含量存在明顯差異。除40～60"cm土層外，其余各土層土壤的全鉀含量均隨林齡的增長呈先增加后減小的變化趨勢(shì)。0～40"cm土層土壤的全鉀含量從幼林至成熟林逐漸增加，成熟林的土壤全鉀含量最高，過熟林的土壤全鉀含量明顯低于其他各林齡土壤。對(duì)于40～60"cm土層，中林齡土壤的全鉀含量低于幼齡林，從中齡林至成熟林土壤的全鉀含量逐漸增加，過熟林土壤的全鉀含量明顯低于成熟林，中齡林、成熟林、過熟林土壤的全鉀含量隨土層加深無明顯變化。對(duì)于60～100"cm土層，從幼齡林至中齡林土壤的全鉀含量逐漸增加，中齡林土壤的全鉀含量最高，從中齡林至過熟林土壤的全鉀含量逐漸減少，過熟林土壤的全鉀含量明顯低于其他林齡土壤，表明從幼林至成熟林的生長階段，林分生長會(huì)增加土壤的全鉀含量，過熟林的生長會(huì)導(dǎo)致土壤的全鉀含量降低。隨著土層深度的增大，幼齡林土壤的全鉀含量呈先增加后減小的變化趨勢(shì)。

草地生態(tài)系統(tǒng)土壤的全鉀含量見圖2。由圖2可知，草地生態(tài)系統(tǒng)土壤的全鉀含量為（31.20±0.02）g/kg～（34.83±0.09）g/kg，隨著草本植物的生長土壤的全鉀含量顯著降低，表明草本植物的生長會(huì)消耗土壤中的鉀素。其中，0～20"cm土層土壤的全鉀含量在草本植物生長前期和生長期之間無明顯變化，草本植物生長后期土壤的全鉀含量顯著降低；20～60"cm土層土壤的全鉀含量隨草本植物的生長逐漸減少，表明草本植物的生長會(huì)顯著降低土壤的全鉀含量。

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤的全鉀含量見圖3。由圖3可知，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤的全鉀含量為（28.40±0.12）g/kg～（32.73±0.008）g/kg，隨著農(nóng)作物的生長，同一土層土壤的全鉀含量存在明顯差異。農(nóng)田種植前土壤的全鉀含量明顯高于農(nóng)田生長中和農(nóng)田收獲后，隨著農(nóng)作物的成長、收獲，各土層土壤的全鉀含量均呈先減少后增加的變化趨勢(shì)，表明農(nóng)作物的生長會(huì)消耗大量的鉀素，農(nóng)作物收獲后，鉀素有一定程度的恢復(fù)。

裸地生態(tài)系統(tǒng)土壤的全鉀含量見圖4。由圖4可知，裸地生態(tài)系統(tǒng)土壤的全鉀含量為（19.49±0.09）g/kg～（21.21±0.29）g/kg，春季、夏季、秋季土壤的全鉀含量均隨土層深度的增加逐漸減少，0～10"cm土層土壤的全鉀含量明顯高于40～60"cm土層，各季節(jié)深層土壤的全鉀含量無明顯差異。

2.2 "沙地不同生態(tài)系統(tǒng)土壤速效鉀分布特征

森林生態(tài)系統(tǒng)土壤的速效鉀含量見圖5。由圖5可知，各林齡森林土壤的速效鉀含量為（22.19±3.91）mg/kg～（48.29±4.25）mg/kg。相同林齡下，從表層到深層土壤的速效鉀含量逐漸減少。土層深度超過40 cm后，土壤的速效鉀含量變化較小，各林齡土壤的速效鉀含量均在土壤表層0～10"cm深度處取得最大值。

草地生態(tài)系統(tǒng)土壤的速效鉀含量見圖6。由圖6可知，草地生態(tài)系統(tǒng)土壤的速效鉀含量為（31.08±0.32）mg/kg～（19.44±0.14）mg/kg。對(duì)于0～10"cm土層，草本植物生長前期與生長后期土壤的速效鉀含量無明顯差異，草本植物生長期土壤的速效鉀含量最小，表明草本植物的生長會(huì)降低土壤表層的速效鉀含量，草本植物生長結(jié)束后，土壤表層的速效鉀含量得到了恢復(fù)。隨著草本植物的生長，20～40 cm土層土壤的速效鉀含量無明顯差異。40～60 cm土層土壤的速效鉀含量在草本植物生長前期明顯高于生長后期。整體來看，土壤表層速效鉀含量較高，在不同階段，土壤的速效鉀含量均隨土層深度的增加明顯降低。

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤的速效鉀含量見圖7。由圖7可知，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤的速效鉀含量為（23.31±0.09）mg/kg～（32.83±0.32）mg/kg，農(nóng)作物種植前，各土層土壤的速效鉀含量均顯著高于農(nóng)作物種植生長中以及收獲后，10～40 cm土層農(nóng)作物收獲后土壤的速效鉀含量并未恢復(fù)，仍在不斷減少。在農(nóng)作物種植前、生長中以及收獲后，速效鉀的含量均在土壤表層最高，且隨土層深度的增加明顯減少。

裸地生態(tài)系統(tǒng)土壤的速效鉀含量見圖8。由圖8可知，裸地生態(tài)系統(tǒng)土壤的速效鉀含量為（19.11±0.41）mg/kg～（20.14±0.002）mg/kg。0～10"cm土層土壤的速效鉀含量明顯高于20～60 cm土層，土層深度超過20 cm后，土壤的速效鉀含量無明顯差異。對(duì)于0～10"cm土層，春季與夏季土壤的速效鉀含量基本相等，但均顯著高于秋季土壤的速效鉀含量，這是由于夏季降雨沖刷地表，導(dǎo)致0～10 cm土層中的部分速效鉀流失。

3 "分析與討論

3.1 "沙地不同生態(tài)系統(tǒng)土壤全鉀特征分析

研究結(jié)果表明，森林的生長會(huì)顯著影響土壤的全鉀含量，其中，幼林至成熟林期間土壤的全鉀含量逐漸積累，過熟林的生長會(huì)降低土壤的全鉀含量。幼林生長階段，林木生長速度較快，林下土壤表層的枯落物緩慢增多，鉀素消耗較大。隨著年齡的增加，森林生態(tài)系統(tǒng)枯落物量逐漸增大，養(yǎng)分歸還土壤的速率加快^[22]，鉀素逐漸積累。在過熟林時(shí)期，林分逐漸衰退，根系分泌物和地表枯落物減少，有機(jī)質(zhì)分解減緩，導(dǎo)致同一土層深度下過熟林各土層土壤的全鉀含量均顯著低于成熟林^[20]。

由于植物生長需要大量的鉀素參與，草地和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤的全鉀含量顯著降低^[23]。但二者又存在一定的差異：草本植物不僅在生長期需要鉀素，生長后期仍然會(huì)使鉀素含量降低；而農(nóng)作物收獲后，土壤全鉀得到一定程度的恢復(fù)。產(chǎn)生這種差異的原因是草本植物的根系為了第二年的繁殖，需繼續(xù)吸收一定的鉀素保持活力，而農(nóng)作物收獲后，其根系隨即死亡分解，部分養(yǎng)分歸還土壤，導(dǎo)致土壤全鉀得到一定程度的恢復(fù)。

沙地礦物種類、風(fēng)成沉積作用導(dǎo)致裸地表層鉀素含量高于深層^[24-25]。除表層外，由于沒有植物的生長吸收，土壤全鉀移動(dòng)性小且循環(huán)慢^[26]，導(dǎo)致各土層土壤的鉀素含量在各個(gè)季節(jié)差異較小。

3.2 "沙地不同生態(tài)系統(tǒng)土壤速效鉀特征分析

研究區(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)表層土壤的速效鉀含量顯著高于深層土壤。由于林分生長需吸收鉀離子，因此，在植物根系土層需保持一定濃度的速效鉀^[27]。大部分樟子松的根系分布于40 cm土層以上^[28]，土壤表層的速效鉀含量高于深層，可保證樟子松充分吸收鉀離子。鉀的歸還主要來源于地表枯落物的分解，森林生態(tài)系統(tǒng)中土壤鉀素具有表層積聚效應(yīng)^{[10，29-30]}，導(dǎo)致上層土壤養(yǎng)分富集、下層土壤養(yǎng)分貧乏^[31]。

草地和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤的速效鉀含量均隨土層加深而顯著降低，且草本植物在生長期會(huì)導(dǎo)致土壤表層的速效鉀含量降低，生長結(jié)束后土壤的速效鉀含量得到一定程度的恢復(fù)。鉀是植物最重要的營養(yǎng)元素之一^[32]。在生長階段，植物根系吸收鉀素^[33]，且根尖吸收養(yǎng)分的能力較強(qiáng)，導(dǎo)致土壤的鉀素含量發(fā)生變化^[34]。植被草本植物和農(nóng)作物的大量細(xì)根均分布于表層，枯落物的分解歸還也集中于表層土壤^[35-36]，導(dǎo)致速效鉀含量隨土層深度的增加而減少^[37-38]。裸地生態(tài)系統(tǒng)既沒有農(nóng)作物，也沒有草本植物，集中于表層的生物分解歸還和風(fēng)成沉積作用導(dǎo)致土壤表層有效鉀含量高于深層。在生長季節(jié)，由于表層土壤的部分有效鉀隨降雨淋溶下遷，導(dǎo)致表層土壤的速效鉀含量減少，而10～20 cm土層土壤的速效鉀含量略有升高。

3.3 "沙地不同生態(tài)系統(tǒng)土壤鉀素分布差異分析

在森林、農(nóng)田、草地和裸地生態(tài)系統(tǒng)中，植物根系的主要分布層（0～40"cm）內(nèi)，全鉀含量排序?yàn)椴莸兀巨r(nóng)田＞裸地＞林地，速效鉀含量排序?yàn)榱值兀巨r(nóng)田＞草地＞裸地，其中，與裸地相比，草地與農(nóng)田全鉀含量的最大值分別提高了61.82%、51.71%，林地各土層速效鉀含量均顯著高于裸地?？茽柷呱车厣鷳B(tài)系統(tǒng)森林生長周期較長，對(duì)土壤全鉀的消耗較大，其中，過熟林土壤對(duì)全鉀的消耗最大，草地和農(nóng)田的全鉀含量高于裸地，這是由于草本植物和農(nóng)作物的種植對(duì)于土壤的全鉀含量有一定的促進(jìn)作用。研究表明，氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素在植物和土壤中不斷循環(huán)、積累，有利于提高生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性^[39-41]，地表植物初級(jí)生產(chǎn)過程中營養(yǎng)元素逐漸積累^[42]，植物根系吸收環(huán)境中的養(yǎng)分，通過光合作用合成、儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)化和利用有機(jī)物，又通過枯落物、死亡根系和根系分泌物的分解釋放將養(yǎng)分歸還土壤，在此過程中，包括鉀素在內(nèi)的養(yǎng)分缺乏均會(huì)影響生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。森林的長期生長會(huì)導(dǎo)致土壤的鉀素含量減少，由于草地和農(nóng)作物的種植可增加土壤的全鉀含量，因此，在科爾沁沙地進(jìn)行農(nóng)林混作或林草搭配是提高森林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的有效途徑。

4 "結(jié)論

（1）森林生態(tài)系統(tǒng)從幼林到成熟林期間，林分生長可促進(jìn)土壤全鉀積累，過熟林時(shí)期，林分生長會(huì)導(dǎo)致土壤全鉀含量減少。

（2）各生態(tài)系統(tǒng)0～10"cm土層土壤的速效鉀含量均最高，且表層顯著高于深層。降雨會(huì)導(dǎo)致表層的有效鉀含量發(fā)生淋失和向下遷移。

（3）農(nóng)作物和草本植物由于枯落物、死亡根系及根系分泌物的分解與釋放作用，能將全鉀歸還土壤，導(dǎo)致全鉀含量不減反增。在科爾沁沙地進(jìn)行農(nóng)林混作或林草搭配是提高森林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的有效途徑。

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