乌兰布和沙漠东北部绿洲化进程中土壤性质演变特征及影响因素

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通过绿洲化形成的人工绿洲(农田)是维系干旱区人民生活和经济发展的基础。良好的土壤性质是农田可持续发展的根本,而土壤性质的变化受到人为和自然因素共同作用的影响。因此明确绿洲化进程中土壤性质的演变特征及其影响因素,对评估绿洲化进程中土壤生态安全稳定和指导制定干旱区农田的科学开发和耕作管理方式具有重要意义。为探究绿洲化进程中不同土层深度土壤理化特性和土壤质量的变化特征及其影响因素,本研究采用空间代替时间的方法,通过在乌兰布和沙漠东北部典型绿洲化区域大量采集和测定土壤样品,分析0-3 m土层深度内流动沙丘、固定-半固定沙丘和不同耕作年限农田(由固定-半固定沙丘开垦而来)土壤颗粒组成、质地类型、粉粘比、水力特性(容重、持水性、饱和导水率、孔隙度、水分特征曲线)、水分、盐碱度、有机碳密度、全氮密度、碳氮比和土壤质量的变化特征。并以耕作年限、土地利用类型、海拔高度、植被归一化指数和到水域的距离作为影响因素,分析绿洲化进程中土壤性质变化的主要驱动因素。主要研究结论如下:(1)流动沙丘中土壤粘粒、粉粒含量均为最低,固定-半固定沙丘中在0-2 m土层次之。固定-半固定沙丘开垦为农田后,耕作2-5和12-15年农田较固定-半固定沙丘粘粒、粉粒含量变化较小,耕作25-30和40-50年农田增幅较大。随着农田耕作年限的延长,土壤质地由砂土向壤质砂土、砂质壤土、粉壤土和粉土转化,土壤粉粘比降低。以上结果表明,绿洲化进程中随着农田耕作年限的延长,土壤颗粒组成和质地类型得到优化。(2)流动沙丘中土壤容重、饱和导水率均为最高,持水性(田间持水量、饱和含水量)、孔隙度(毛管孔隙度、非毛管孔隙度、总孔隙度)均为最低。固定-半固定沙丘开垦为农田后,0-0.4 m土层土壤容重、饱和导水率随耕作年限的增加而减小,持水性、孔隙度随耕作年限的增加而增大。同一土壤水吸力下,耕作25-30和40-50年农田土壤体积含水量较高。以上结果表明,绿洲化进程中随着农田耕作年限的延长,土壤水力特性得到优化。(3)流动沙丘中土壤含水量、电导率、p H均为最低,固定-半固定沙丘中土壤含水量次之,而电导率和p H较高。固定-半固定沙丘开垦为农田后,随着耕作年限的延长,0-0.4 m土层土壤电导率、p H呈持续降低趋势;0.4-3 m土层耕作25-30和40-50年农田间土壤电导率、p H差异较小,说明随着耕作年限的延长,土壤盐碱度趋于稳定;对于此耕作年限的农田应当沿用大水漫灌的灌溉方式,防止农田土壤剖面盐分升高。不同土层深度方面,电导率逐渐由“底聚型”转变为“均低型”。以上结果表明,绿洲化进程中随着农田耕作年限的延长,土壤水分、盐碱度环境得以改善。(4)流动沙丘中土壤有机碳、全氮密度均为最低,固定-半固定沙丘中在0-0.4 m土层次之。固定-半固定沙丘开垦为农田后,0-0.4 m土层有机碳、全氮密度和碳氮比随着耕作年限的延长稳定增加;0.4-3 m土层,以上土壤指标在耕作2-5和12-15年农田中变化较小,在耕作25-30和40-50年农田中均有所增大。以上结果表明,绿洲化进程中,随着农田耕作年限的延长,土壤养分条件改善。但不同耕作年限农田土壤有机碳和全氮水平较低,合理的耕作管理措施(例如保护性耕作和增加有机肥、氮肥的施用量等)应在当地农业发展中推广使用。1-3 m土层土壤有机碳和全氮累积量在0-3m土层累积量中占比较大(介于56.1%-70.5%),表明准确计算深层土壤有机碳和全氮储量对评估区域土壤碳、氮储存具有重要意义。(5)流动沙丘中土壤质量指数最低,固定-半固定沙丘中在0-2 m土层次之。固定-半固定沙丘开垦为农田后,0-1 m土层土壤质量指数均随耕作年限的延长而增大,说明绿洲化进程中,随着农田耕作年限的延长,0-1 m土层土壤质量改善效果显著。1-3 m土层中,耕作2-5和12-15年农田土壤质量指数较固定-半固定沙丘变化较小,耕作25-30和40-50年农田则有小幅度增大,说明绿洲化进程中,随着农田耕作年限的延长深层土壤质量也在一定程度上得以改善。研究区固定-半固定沙丘中靠近水域的区域土壤质量较好,适宜农田开发,固定-半固定沙丘中东南部和中西部区域以及流动沙丘区域土壤质量较差不建议对其进行农业开垦活动。(6)耕作年限和土地利用类型对各土壤性质基本均具有显著影响作用,且耕作年限是0-3 m各土层土壤质量变化的最主要驱动因素,其次为土地利用类型;另外,耕作年限对土壤质量的影响作用随着土层深度的增加而降低。海拔高度对各土层土壤性质均无显著影响作用。植被归一化指数与各土层土壤理化特性基本均具有显著相关性,且对各层土壤质量具有显著促进作用,到水域距离对各土层土壤质量具有负影响作用,说明土壤质量随着到水域距离的增加而降低,且其对土壤质量的影响作用随着土层深度的加深而增强。但植被归一化指数对各层土壤质量变化的贡献率均未达到显著性水平,到水域距离对2-3 m土层土壤质量变化具有显著影响作用。本文基于大量土壤样品测定数据,探讨了乌兰布和沙漠东北部典型绿洲化区域流动沙丘、固定-半固定沙丘和不同耕作年限农田土壤性质变化特征及其影响因素,提高了对本地区绿洲化进程中土壤性质变化的科学认识,揭示了绿洲化进程中土壤发育和演变特征及其影响因素,为评估绿洲化进程中土壤生态安全稳定和本地区乃至西北干旱区天然绿洲和农田的合理开发和科学管理提供理论依据和有效指导。
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