在青土湖输水两个周期后即青土湖水面形成后, 对其周边区域环境要素进行实地调查。以水面为中心向水面外围延伸设置宽200 m的调查样带, 以距水面边缘0 m开始, 每隔50 m分别设置植被调查样地, 每个样地各设置2~3个20 m× 20 m灌木调查样方, 相应的植被调查方法采用“ S” 形五点法进行土壤剖面取样, 分0-20、20-40、40-60 cm共3层取样, 每层取3个重复样, 样品分土壤粒度、水分样和养分、盐分样; 将同一样地内同土层的土壤粒度、养分样各混成一个土样, 充分混合后装入封口袋, 密封带回实验室, 经自然风干后用四分法取一定量样品, 挑出石砾及可见凋落物和根系, 用静电法去除植物碎片, 过2 mm筛, 备用。调查的同时记录样地背景特征(经纬度、海拔、地貌特征、土壤类型、距水面中心的位置等)信息。

图1

Fig.1

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	图1 研究区地理位置及观测样地位置图Fig.1 Location and site of studied position

土壤粒度利用英国马尔文MS2000激光粒度仪测定。土壤粒径划分采用, 1978年《中国土壤》^[18]中的土壤质地分类方法, 细粘粒(< 0.001 mm)、粗粘粒(0.001~0.005 mm)、细粉粒(0.005~0.01 mm)、粗粉粒(0.01~0.05 mm)、细砂粒(0.05~0.25 mm)和粗砂粒(0.25~2.0 mm)。土壤化学性质利用传统方法测定, 分别采用、全氮(凯氏法消解, AA3连续流动分析仪测定)、全钾(NaOH熔融、火焰光度法)、交流测量法等方法进行。

对所得试验数据用Excel记录, 求取平均值, 进行数据分类和绘图, 应用SPSS 18.0统计分析软件进行观测数据的显著性检验和相关分析, 采用Excel 2013制图。

从土壤颗粒组成来看, 青土湖水面形成区域距离水面450 m范围, 0-60 cm土层土壤颗粒以砂粒为主, 所占比例为54.54%~96.22%, 其次为粗粉粒、细粉粒、粗粘粒, 而粘粒含量较少(图1)。从各组分的比例变化来看, 随距水面距离的增大, 呈现较一致的波动变化规律, 主要表现为细粒物质(粗粉粒、细粉粒、粘粒)先增加后减少, 粗粒物质(砂粒、粗砂粒)先减少后增加; 距离水面100~200 m之间为变化转折点, 其中150 m为变化峰值。从各组分变异程度来看, 土壤颗粒变化最大为粗粉粒(变异系数达105.25%~113.91%), 其次为细粉粒和粘粒(变异系数达56.33%~86.29%), 粗砂粒变化最小(变异系数达40.17%~77.00%)。距水面150 m处的0-20 cm土层土壤粘粒是0 m处的3.84倍, 粗砂粒和细砂粒减少了35.05%~70.63%, 而20-40、40-60 cm土壤粘粒依次增加了2.43倍和6.91倍, 粗砂粒和细砂粒则减少了12.62%~89.28%。距水面150 m处的0-40 cm土层土壤粗粉粒含量显著高于其他距离水面的粗粉粒含量(P< 0.05)。在40-60 cm土层, 距水面150和300 m处的土壤粗粉粒含量差异不显著(P> 0.05), 但二者均显著高于其他距离水面的粗粉粒含量(P< 0.05)。

土壤组分的变化主要受环境因素影响较大, 研究区土壤组分变化主要受土壤湿度、区域风力影响, 由于水面的形成使得水面外围一定范围内土壤水分增加, 从而使土壤沉积细粒物质能力增加, 也使土壤风蚀减弱, 因此可能导致土壤细粒物质增加而粗粒物质减少。同时, 土壤组分的形成也与成土母质关系密切, 本研究水面形成区域土壤以湖积、淤积土和风沙为主, 因此, 较深层土壤(20-40、40-60 cm)的这种变化可能主要受湖积成土过程的影响, 而表层(0-20 cm)则主要是人工输水水面形成的影响。

在所观测范围内, 土壤全氮含量为0.04~0.45 g· kg^-1, 全磷含量范围为0.15~0.64 g· kg^-1, 全钾含量为13.9~15.9 g· kg^-1, 表明区域土壤养分水平低(图3); 而电导率范围则为224~1 734 μ s· cm^-1, 土壤电导率变化与土壤盐分含量存在正相关, 可以用来指示土壤盐分变化^{[19, 20]}, 说明土壤盐分含量较高, 且差异较大。各指标含量随距离增加的变化趋势与土壤粘粉粒等细颗粒的变化趋势相同(图2、图3)。从各层次的变化来看, 20-40 cm层各指标变化相对较一致, 与整体土壤化学特性变化一致, 随距水面距离变化呈现增加-减少-增加的趋势, 因此, 20-40 cm层的土壤特性可代表区域土壤特征变化, 而区域土壤变异则主要来自表层0-20 cm和下层40-60 cm。从各指标的具体变化来看, 在不同距离上各指标含量变化程度不一, 土壤电导率变化差异最大, 变异系数最大为258.74%, 全氮、全磷含量变异值相当, 其最大变异系数分别为64.42%、54.11%, 全钾含量变异最小。

图2

Fig.2

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	图2 青土湖距水面不同距离的0-60 cm土层土壤颗粒含量变化 注:不同小写字母表示同一土层的粗粉粒在不同距离间差异显著(P< 0.05)。Fig.2 The distribution of different soil particle properties at 0-60 cm from the water distance Note: Different lower case letters for the same soil layer indicate signifiant difference of percentage of coarse silt among different distances at 0.05 level.

图3

Fig.3

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	图3 青土湖距水面不同距离的0-60 cm土层的氮、磷、钾和电导率变化Fig.3 The distribution of different soil chemical properties at 0-60 cm from the water

距离水面450 m范围内, 随离水面距离的增加, 0-60 cm土层全氮、全磷、全钾和电导率呈波动变化。在距0-300 m范围, 全氮、全磷、全钾和电导率均呈现增加-减小-增加的一致性规律, 且分别在150、300 m处出现峰值, 与此相对应的200 m降为最低, 300 m之后各指标变化不一(图3)。区域土壤养分指标值来看, 20-40 cm土层土壤全氮、全磷、全钾指标均大于其他两层, 但全钾的变化差异不明显; 而电导率则表现出由表层到较深层次逐渐减小的特点。

整体来看, 虽然研究区域为古湖盆淤积土, 但由于长期干旱及风沙环境影响, 区域土壤养分贫乏。区域土壤各指标变化可能受成土过程、风沙活动及目前的人工输水三方面的影响。由于原始湖面在变化过程中会产生由于水面扩展和退缩而导致区域土壤淤积形成圈层状变化, 这是区域不同距离土壤特征变化的主导力量。输水水面形成对土壤特征的影响表现为两方面, 一方面水面形成对近距离土壤产生淋溶作用^{[21, 22, 23]}, 比如距离水面0 m电导率明显低于50-150 m, 就是由于盐分受水淋溶作用, 而20-40 cm层土壤各指标略大于上层, 则是由于下层富积; 另一方面, 水面形成减小了地表阻力, 增强了水面外围一定范围的风速, 使土壤风蚀程度加强, 而风沙活动的影响主要作用在表层(0-20 cm)。

土壤沙漠化及其逆转过程中, 土壤颗粒组成与土壤化学性质变化关系密切^{[24, 25]}, 对青土湖水面形成区水面外围450 m范围土壤粒度与化学性质各指标进行相关分析结果表明(表1), 区域土壤化学指标与粒度具有明确相关性, 且土壤全磷、全钾、盐分(电导率)与土壤细颗粒(土壤粘粒、粗粉粒和细粉粒)含量具有较好的正相关, 而与粗颗粒(粗砂粒和细砂粒)含量表现出明显的负相关关系。而这种相关性主要体现在0-20和20-40 cm两层。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 青土湖距水面450 m范围0-60 cm深度土壤粒度与化学特性的相关性 Table 1 The correlation among soil particles and soil chemical characteristics in 0-60 cm depth of profile from 0-450 m to the water margin of the Qingtu Lake 土壤层次 Soil layer 参数 Parameters 电导率 Conductivity 全氮 Total nitrogen 全磷 Total phosphorus 全钾 Total potassium 0-20 cm 粘粒Clay 0.704 -0.148 0.833* * 0.707* * 细粉粒Fine powder 0.795 0.002 0.837* * 0.725* * 粗粉粒Coarse silt 0.775 0.063 0.872* * 0.718* * 细砂粒Fine sand -0.772 -0.146 -0.859* * -0.606* 粗砂粒Coarse sand -0.478 0.317 -0.553* -0.737* * 20-40 cm 粘粒Clay 0.664* -0.005 0.746* 0.706 细粉粒Fine powder 0.697* -0.044 0.802* * 0.750* 粗粉粒Coarse silt 0.739* 0.041 0.840* * 0.807* * 细砂粒Fine sand -0.373 0.289 -0.668* -0.475 粗砂粒Coarse sand -0.659* -0.434 -0.408 -0.612 40-60 cm 粘粒Clay 0.629 0.481 0.572 0.299 细粉粒Fine powder 0.572 0.547 0.561 0.287 粗粉粒Coarse silt 0.528 0.547 0.468 0.156 细砂粒Fine sand -0.396 -0.477 -0.515 -0.241 粗砂粒Coarse sand -0.697* -0.429 -0.277 -0.042

表1 青土湖距水面450 m范围0-60 cm深度土壤粒度与化学特性的相关性 Table 1 The correlation among soil particles and soil chemical characteristics in 0-60 cm depth of profile from 0-450 m to the water margin of the Qingtu Lake

从各层次具体指标之间相关性分析来看, 0-20 cm土层, 全磷和全钾与土壤粘粒、粗粉粒和细粉粒间极显著正相关(P< 0.01), 与粗砂粒和细砂粒间呈极显著(P< 0.01)或显著负相关(P< 0.05), 而电导率与土壤粘粒、粗粉粒和细粉粒间具有一定相关性(P> 0.05), 全氮则相关性较小。20-40 cm土层, 粗砂粒含量与全氮、全磷和全钾呈负相关(P> 0.05), 与电导率呈显著负相关(P< 0.05)。电导率与土壤粘粒、粗粉粒、细粉粒间显著正相关(P< 0.05); 土壤全磷与粗粉粒和细粉粒存在极显著正相关 (P< 0.01), 与粘粒呈显著正相关(P< 0.05), 与细砂粒呈显著负相关(P< 0.05); 全钾与粗粉粒极显著正相关(P< 0.01)。40-60 cm土层仅电导率与土壤粗砂粒呈显著负相关(P< 0.05)。土壤化学特征与颗粒组成之间的变化关系说明, 区域土壤养分变化受土壤颗粒组成变化影响明显, 两者具有相同的变化趋势, 在区域环境评价中可相互替代选择或相互验证。