新疆艾比湖干涸湖底不同景觀單元蒸發(fā)鹽分布與變化特征*

葛擁曉，吉力力·阿不都外力，馬 龍，張登清

(1:中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所，荒漠與綠洲生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊830011)

(2:中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049)

干涸湖底是干旱區(qū)尾閭湖地區(qū)重要的景觀類型之一，通常指世界干旱半干旱地區(qū)內(nèi)陸盆地中的尾閭鹽湖或集水洼地水面退縮后裸露出來(lái)的部分及其積鹽較嚴(yán)重的濱岸地帶［1-2］，其物質(zhì)組成主要是湖相松散富鹽沉積物.世界范圍內(nèi)，干涸湖底多分布在中西亞、美國(guó)西部、北非、澳大利亞及中國(guó)西北等地的干旱半干旱地區(qū)［3-4］.

艾比湖作為一個(gè)典型的內(nèi)陸干旱區(qū)封閉型湖泊，對(duì)氣候和環(huán)境變化的響應(yīng)非常敏感.晚更新世晚期開始，由于流域氣候逐漸變干，艾比湖不斷萎縮［5-6］.20世紀(jì)下半葉以來(lái)，在區(qū)域氣候波動(dòng)和人類活動(dòng)的雙重影響下，艾比湖湖面持續(xù)縮減，若不調(diào)入水量，則將在2050年完全干涸［7］.目前，艾比湖已經(jīng)形成了大面積歷史時(shí)期干涸湖底(1950s的湖岸線以外，晚更新世的湖岸線以內(nèi))和現(xiàn)代間歇性干涸湖底(1950s的湖岸線以內(nèi))，干涸湖底的地下水位很淺，且地下水礦化度很高，高礦化度地下水蒸發(fā)攜帶的鹽分在毛管效應(yīng)下表聚，形成干旱區(qū)特有的鹽漠景觀［8-9］，成為危害新疆北部最主要的塵源之一［10］.每逢春、冬季大風(fēng)期，裸露湖底的松散沉積物在阿拉山口強(qiáng)風(fēng)驅(qū)動(dòng)下強(qiáng)烈風(fēng)蝕.每年被大風(fēng)吹走的鹽塵高達(dá)4.8×106t，成為下風(fēng)向廣大地區(qū)鹽塵災(zāi)害的源頭，鹽塵中富含密度很高、粒徑很細(xì)的NaCl等物質(zhì)，可以作為氣溶膠長(zhǎng)期懸浮于大氣中，影響土壤鹽漬化，加速冰雪消融，對(duì)天山北坡綠洲生態(tài)安全造成嚴(yán)重威脅［11-12］.

不同景觀類型下植被生理生態(tài)、地下水埋深、蒸發(fā)量等不同造成鹽分含量并不相同.在風(fēng)蝕嚴(yán)重的艾比湖干涸湖底，由于不同的景觀類型對(duì)風(fēng)速的阻截作用不同，致使風(fēng)蝕程度不同，從而進(jìn)一步導(dǎo)致沉積物鹽分含量特征對(duì)風(fēng)蝕具有不同的響應(yīng).因此，沉積物鹽分含量及其變化特征可以反映不同景觀類型的抗風(fēng)蝕能力，對(duì)不同景觀類型下沉積物鹽分含量分布與變化特征進(jìn)行研究，可以明確鹽塵暴發(fā)生過(guò)程中不同景觀類型鹽塵釋放的相對(duì)強(qiáng)度，即對(duì)鹽塵暴的相對(duì)貢獻(xiàn)量.因此，本文選擇艾比湖東南部的歷史時(shí)期干涸湖底為研究區(qū)，選取艾比湖比較典型的6種景觀單元，以不同景觀單元下的沉積物為研究對(duì)象，重點(diǎn)研究:(1)艾比湖干涸湖底不同景觀單元下沉積物的可溶性鹽分組成特征及其差異.(2)不同景觀單元下鹽分含量的分布以及隨時(shí)間的變化特征，旨在了解干涸湖底風(fēng)蝕過(guò)程中沉積物鹽分分布與含量分異特征;不同景觀單元下沉積物風(fēng)蝕過(guò)程中鹽分變化特征，增加干涸湖底不同景觀類型風(fēng)蝕過(guò)程中鹽塵釋放差異的初步認(rèn)識(shí)，同時(shí)為不同景觀類型的風(fēng)蝕控制采取有效的生物和工程措施提供科學(xué)參考，為防治鹽塵暴災(zāi)害提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù).

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

艾比湖(44°54'～45°09'N，82°35'～83°10'E)是新疆第一大咸水湖，屬構(gòu)造帶上的斷陷湖泊，它與哈薩克斯坦境內(nèi)的薩克斯湖、阿拉湖處于同一斷陷帶上，是新疆準(zhǔn)噶爾盆地西南緣的最低匯水中心，目前僅受博爾塔拉河、精河和部分地下水補(bǔ)給，面積變化于500～600 km2之間，湖面海拔189 m，南西北三面環(huán)山，東部與準(zhǔn)噶爾盆地相連.受西風(fēng)環(huán)流以及蒙古高壓和西伯利亞冷空氣的影響，艾比湖地區(qū)表現(xiàn)為典型的中溫帶干旱大陸氣候，以干旱少雨、氣溫變化劇烈為特征［13］，年均氣溫8.3℃，年均降水量90.9 mm，降水稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，常年多風(fēng)，每年風(fēng)速大于8 m/s的天數(shù)多達(dá)165 d，最高瞬時(shí)風(fēng)速可達(dá)55 m/s，多集中在4-6 月份［14］.

1.2 樣品采集與處理

在艾比湖東南部歷史時(shí)期干涸湖底選擇一塊(長(zhǎng)約1500 m，寬約1000 m)植被類型較豐富的采樣帶(圖1).選擇自然狀態(tài)下典型的6種景觀類型，設(shè)置54個(gè)采樣點(diǎn)采集沉積物樣品，采樣深度為0～30 cm和30～60 cm.每種景觀類型下采集8～11個(gè)樣品.每個(gè)采樣點(diǎn)選擇相鄰3個(gè)不同的點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)取樣，混合組成該樣點(diǎn)的待測(cè)樣品，共采集216個(gè)樣品.所有采樣點(diǎn)均用GPS進(jìn)行定位，記錄樣點(diǎn)周圍的富鹽沉積物特征、植被生長(zhǎng)狀況等(表1).在2011年6月初(春季)和2011年10月初(秋季)進(jìn)行2次采樣.

圖1 研究區(qū)位置和采樣點(diǎn)分布Fig.1 Location of study area and distribution of sampling sites

水溶性鹽的測(cè)定:將樣品自然風(fēng)干，研磨并過(guò)1 mm孔徑篩.按照土壤農(nóng)化分析方法，土水比按1∶5進(jìn)行浸提液提?。?5］.浸提液在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行水溶性鹽分析，分析項(xiàng)目包括 Na+、K+、Ca2+、Mg2+、、、Cl－、等主要離子含量以及總鹽含量.Cl－的測(cè)定采用AgNO3滴定法;Na+、K+的測(cè)定采用火焰光度法(火焰光度計(jì)為6410);Ca2+、Mg2+的測(cè)定采用EDTA絡(luò)合滴定法;的測(cè)定采用EDTA間接滴定法;、的測(cè)定采用雙指示劑中和法;沉積物內(nèi)水溶性鹽總量的測(cè)定采用殘?jiān)娓?質(zhì)量法.

1.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

利用單因素方差分析(One-way ANOVA)和雙因素方差分析(Two-way ANOVA)對(duì)不同景觀單元鹽分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，使用Duncan多重檢驗(yàn)方法進(jìn)行多重比較，P＜0.05為差異顯著.統(tǒng)計(jì)分析通過(guò)SPSS 16.0軟件實(shí)現(xiàn)，圖形由 Origin 8.5 繪制.

2 結(jié)果與分析

2.1 干涸湖底不同景觀單元蒸發(fā)鹽組成特征

對(duì)沉積物中 Na+、K+、Ca2+、Mg2+、、、Cl－、主要離子含量差異和主要鹽分類型進(jìn)行分析，明確不同景觀單元蒸發(fā)鹽組成與類型分異特征.

單因素方差分析結(jié)果顯示:6月初不同景觀單元0～30 cm和30～60 cm深度處Na+、K+、Mg2+的含量均存在顯著差異(P＜0.05)，10月初也是如此，2次采樣Na+含量存在極顯著差異(P＜0.001).6月初，不同景觀單元0～30 cm和30～60 cm深度處Ca2+含量存在顯著差異(P＜0.05);10月初，不同景觀單元0～30 cm深度處Ca2+含量差異顯著(P＜0.05)，30～60 cm深度處Ca2+含量無(wú)顯著差異(P＞0.05).

陽(yáng)離子含量隨深度增加均呈降低的趨勢(shì)，6種不同景觀單元中L5不同深度陽(yáng)離子的含量均最高(圖2).6種不同景觀單元的多重比較中，6月初只有L5在0～30 cm和30～60 cm深度處的Na+含量與其它5種景觀單元存在顯著差異(P＜0.05)，隨深度增加Na+含量均降低，差異顯著性降低(P＜0.05)，10月初不同景觀單元的多重比較相對(duì)復(fù)雜(圖2A).不同景觀單元的多重比較顯示，K+含量分析結(jié)果與Na+相同(圖2B).6月初和10月初不同景觀單元不同深度Ca2+含量差別不大(圖2C)，隨深度增加含量均降低，但Ca2+含量季節(jié)變化不大.不同景觀單元6月初和10月初Mg2+含量差別較大(圖2D)，6月初在0～30 cm和30～60 cm深度處L5與其它景觀類型存在顯著差異(P＜0.05)，10月初L5與L6無(wú)顯著差異(P＞0.05)，但與其它4種景觀單元差異顯著(P＜0.05);隨深度增加Mg2+含量均降低，差異顯著性降低.

圖2 不同景觀單元6月初和10月初陽(yáng)離子分布特征Fig.2 Cation distribution characteristics in early June and early October under different landscape units

6月初和10月初，不同景觀單元0～30 cm和 30～60 cm深度處 Cl－、含量存在顯著差異(P＜0.05)，其中不同時(shí)間不同深度Cl－含量均存在極顯著差異(P＜0.001);6月初和10月初，不同景觀單元0～30 cm深度處含量存在顯著差異(P＜0.05)，然而30～60 cm深度處含量差異不顯著(P＞0.05);6月初不同景觀單元0～30 cm和30～60 cm深度處含量差異不顯著(P＞0.05)，10月初不同景觀單元0～30 cm深度處含量差異顯著(P＜0.05)，30～60 cm深度處含量差異不顯著(P＞0.05)，差異性表現(xiàn)較為復(fù)雜.

陰離子含量也隨深度增加呈降低的趨勢(shì)，6不同景觀單元不同深度陰離子含量也是L5最高(圖3).6月初L5景觀單元不同深度Cl－含量與其它5種景觀單元均存在極顯著差異(P＜0.001，圖3A).而其它5種景觀單元之間含量差別不大.不同景觀單元中L5的含量仍然最高，但差異顯著性降低(圖3B);多重比較中，只有10月初0～30 cm深度處含量與其它景觀單元存在顯著差異(P＜0.05).不同景觀類型下含量甚微，多重比較中，只有10月初0～30 cm深度處含量存在顯著差異(P＜0.05，圖3C).含量較稍高，差異顯著性與相同(圖3D).

圖3 不同景觀單元6月初和10月初陰離子含量分布特征Fig.3 Anion distribution characteristics in early June and early October under different landscape units

不同景觀單元的陽(yáng)離子組成中，Na+和Ca2+含量較高，其中 Na+含量最高可達(dá)63.12 g/kg，其次是Mg2+，K+含量最低(圖2).陰離子組成中 Cl－、含量較高，前者含量最高可達(dá)45.26 g/kg，、含量甚微(圖3).可見，艾比湖干涸湖底富鹽沉積物的主要鹽分類型是NaCl，其次是CaSO4，其它鹽分含量較小，風(fēng)蝕過(guò)程中損失較多的鹽分應(yīng)該也是NaCl和CaSO4，這與劉東偉等［16］監(jiān)測(cè)鹽塵遷移過(guò)程中降塵主要成分是氯化物、硫酸鹽的結(jié)果吻合.

鹽分組成成分的分布特征反映了干涸湖底不同景觀單元之間鹽分的變化趨勢(shì).在明確干涸湖底組成特征的前提下，揭示不同景觀單元下鹽分含量的分布與變化特征，可以更好地理解干涸湖底風(fēng)蝕和鹽塵暴形成過(guò)程中鹽分釋放的分異特征.

2.2 干涸湖底不同景觀單元蒸發(fā)鹽的分布與變化特征

干涸湖底不同景觀單元不同深度沉積物鹽分含量存在顯著差異(P＜0.05，圖4)，說(shuō)明不同景觀類型對(duì)鹽分含量有顯著影響.6月初和10月初，不同景觀單元0～30 cm深度處沉積物鹽分含量的分布規(guī)律不同:6月初鹽分含量的大小順序是L5(98.09 g/kg)＞L6(59.38 g/kg)＞L1(44.04 g/kg)＞L4(34.64 g/kg)＞L3(29.13 g/kg)＞L2(22.25 g/kg)，10 月初鹽分含量大小順序是 L5(127.53 g/kg)＞L6(95.10 g/kg)＞L4(51.65 g/kg)＞L3(36.23 g/kg)＞L1(30.37 g/kg)＞L2(22.02 g/kg).L5的鹽分含量最高，忽略蒸發(fā)強(qiáng)度的差異，這在一定程度上說(shuō)明梭梭荒漠帶具有較強(qiáng)的抗風(fēng)蝕效應(yīng).鹽分含量的最低值出現(xiàn)在L2，而不是無(wú)植被覆蓋的L6，說(shuō)明L2風(fēng)蝕較嚴(yán)重，無(wú)植被覆蓋的L6更有利于鹽分的積累.

圖4 不同景觀單元6月初和10月初鹽分含量分布特征Fig.4 Salinity content distribution characteristics in early June and early October under different landscape units

不同景觀單元30～60 cm深度處沉積物的鹽分含量順序?yàn)?6月初為L(zhǎng)5(33.71 g/kg)＞L6(20.15 g/kg)＞L1(15.67 g/kg)＞L3(12.74 g/kg)＞L4(12.41 g/kg)＞ L2(10.93 g/kg);10 月初為 L6(35.60 g/kg)＞ L5(31.40 g/kg)＞L3(16.50 g/kg)＞ L4(16.00 g/kg)＞L1(12.40 g/kg)＞L2(10.70 g/kg).但各30 ～60 cm 深度處景觀單元之間鹽分含量差別較0～30 cm小.

隨著深度的增加，不同景觀單元沉積物中的鹽分含量均呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，表明干涸湖底有強(qiáng)烈的鹽分表聚現(xiàn)象，這種表聚現(xiàn)象的統(tǒng)計(jì)表明不同景觀單元0～30 cm和30～60 cm深度處的鹽分含量均存在顯著差異(P＜0.05)，其中，L5不同深度之間鹽分含量存在極顯著差異(P＜0.01)，其它景觀單元下均存在顯著差異(P ＜0.05)(圖4).

隨著時(shí)間的變化，不同景觀單元鹽分表聚程度的變化不同:L2、L3、L4、L5、L6有不同程度的增強(qiáng)，只有L1表聚程度減弱，即隨著時(shí)間變化，L2、L3、L4、L5、L6表層鹽分含量增加，而L1減少.原因是5月以后，由于大量的農(nóng)業(yè)用水和水面高溫蒸發(fā)，艾比湖水面逐漸萎縮［17］，地下水位下降，風(fēng)蝕在6月達(dá)到最強(qiáng).6-10 月，風(fēng)蝕強(qiáng)度相對(duì)減弱，但蒸發(fā)相對(duì)增強(qiáng)，在毛管效應(yīng)作用下，鹽分隨水分的表聚增強(qiáng)，但因風(fēng)蝕損失減少，鹽分表現(xiàn)出增加的趨勢(shì).L1鹽分含量表現(xiàn)為減少，可能是因?yàn)樵摼坝^單元較低的植被覆蓋度，對(duì)風(fēng)速的減弱作用沒有其它景觀單元明顯，表層疏松的片狀鹽斑(表1)沉積物極易發(fā)生蠕移、躍移碰撞釋放鹽塵，導(dǎo)致鹽分含量減少.

6種景觀單元不同深度鹽分含量的雙因素方差分析見表2.不同景觀單元、不同深度以及景觀和深度的交互作用對(duì)鹽分含量存在極顯著影響(P＜0.01)，表明不同的景觀類型對(duì)鹽分含量有顯著影響，且鹽分含量在垂直方向上有顯著差異的表聚現(xiàn)象.

表2 不同景觀單元不同深度下鹽分含量的雙因素方差分析Tab.2 Two-way ANOVA of salt content of different depths under different landscape units

3 討論

干旱區(qū)獨(dú)特的山地、綠洲及荒漠系統(tǒng)(MODS)塑造了不同特性的尾閭湖泊.作為區(qū)域水循環(huán)的重要組成部分，艾比湖不斷收納著通過(guò)地表水和地下水進(jìn)入湖泊的鹽分和養(yǎng)分，成為特有的“收容站”.隨著湖泊的快速大面積干涸，鹽分含量較高的沉積物裸露于空氣，在強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用下，大量的鹽分隨著水分蒸發(fā)不斷向表面運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而增加了表面鹽分含量.與此同時(shí)，艾比湖干涸湖底強(qiáng)烈的風(fēng)蝕作用可以帶走大量的鹽分.由于干涸湖底不同的植被覆蓋狀況，導(dǎo)致鹽分損失不同，造成干涸湖底不同景觀單元鹽分分布的空間差異.

艾比湖干涸湖底的蒸發(fā)鹽主要是在蒸發(fā)作用下地下水中溶解質(zhì)表聚形成的［18］.因此，蒸發(fā)強(qiáng)度、地下水礦化度、地下水埋深及沉積物性質(zhì)等因素決定了溶解質(zhì)在干涸湖底的表聚程度.但本文選擇小尺度范圍內(nèi)6種不同的景觀類型，其氣候條件相對(duì)均一，地下水礦化度、地下水埋深及沉積物性質(zhì)差別不大，不同的景觀類型以及受其影響的蒸發(fā)強(qiáng)度成為影響鹽分分布的重要因素.

選擇自然狀態(tài)下胡楊林帶(L1)、喬本結(jié)合帶(L2)、草本結(jié)合帶(L3)、蘆葦荒漠帶(L4)、梭梭荒漠帶(L5)、無(wú)植被覆蓋(L6)6種景觀單元作為研究對(duì)象，分析了其沉積物中鹽分組成和總鹽含量的分布和變化特征.總體來(lái)看，不同景觀單元沉積物中 Na+、K+、Ca2+、Mg2+、CO23－、、Cl－和含量和總鹽含量差異明顯.不同景觀單元陽(yáng)離子組成中，Na+和Ca2+含量較高，0～30 cm和30～60 cm深度處Na+、K+含量均存在顯著差異(P＜0.05)，不同景觀單元陰離子組成中Cl－、含量較高，0～30 cm和30～60 cm深度處Cl－、含量存在顯著差異(P＜0.05).可以看出，艾比湖干涸湖底沉積物的主要鹽分類型是NaCl和CaSO4，Reheis等研究指出干涸湖底表面形成的鹽分主要是NaCl、CaSO4·2H2O等蒸發(fā)鹽礦物［19］，但本研究這些鹽分究竟是石膏類型的帶結(jié)晶水硫酸鈣，還是硬石膏類型的無(wú)水硫酸鈣尚不明確，在后續(xù)研究中會(huì)從結(jié)晶礦物學(xué)的角度進(jìn)行分析.

無(wú)論是鹽分組成成分還是總鹽含量，L5均最高，其次是L6，而L2均最低，其它3種景觀單元之間相差不大.這可能是因?yàn)樵趯?shí)際環(huán)境中，L2因其本身高大但稀疏的形態(tài)特征，加之植被覆蓋度較低導(dǎo)致鹽分隨強(qiáng)烈的蒸發(fā)表聚后形成疏松的表層沉積物，成為易發(fā)生侵蝕的部位，表現(xiàn)為侵蝕較嚴(yán)重，鹽分損失嚴(yán)重;而無(wú)植被覆蓋的L6在強(qiáng)烈蒸發(fā)作用下，大量的鹽分表聚，鹽分與沉積物顆粒形成微團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，當(dāng)環(huán)境過(guò)于干燥時(shí)鹽分凝聚板結(jié)，形成了堅(jiān)硬的硬質(zhì)鹽殼(表1).鹽殼本身是一種鹽結(jié)皮，表面堅(jiān)硬，結(jié)構(gòu)緊密，其表層塵粒臨界啟動(dòng)風(fēng)速大，較難風(fēng)蝕，但在凍融交替時(shí)節(jié)有一定程度的風(fēng)蝕.梭梭荒漠帶L5由于植被本身冠幅較大，可以有效減小風(fēng)速，在覆蓋度和蒸發(fā)強(qiáng)度差別不大的情況下，可以有效減少風(fēng)對(duì)該種景觀單元地表的吹蝕，侵蝕量自然會(huì)小一些.研究結(jié)果與很多學(xué)者在干涸湖底人工種植梭梭［7，12，20］，通過(guò)生物工程防止湖底風(fēng)蝕的建議是一致的.

4 結(jié)論

選擇艾比湖干涸湖底自然狀態(tài)下典型的6種景觀單元，采集不同景觀單元下的樣品，通過(guò)數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)可溶性離子和總鹽含量進(jìn)行分析，揭示了艾比湖干涸湖底不同景觀單元蒸發(fā)鹽的分布與變化特征.

1)在沉積物鹽分組成方面，6月初不同景觀單元0～30 cm和30～60 cm深度處Na+、K+、Mg2+的含量均存在顯著差異，10月初也是如此.其中兩次采樣Na+含量存在極顯著差異.6月初和10月初，不同景觀單元0～30 cm和30～60 cm深度處Cl－、含量存在顯著差異，其中不同時(shí)間不同深度Cl－含量均存在極顯著差異;6月初和10月初，不同景觀單元0～30 cm處深度含量存在顯著性差異，然而30～60 cm深度處含量差異不顯著;6月初不同景觀單元0～30 cm和30～60 cm深度處含量差異不顯著，10月初不同景觀單元0～30 cm深度處含量差異顯著，30～60 cm深度處含量差異不顯著，差異性表現(xiàn)較為復(fù)雜.艾比湖干涸湖底的富鹽沉積物的主要鹽分類型是NaCl，其次是CaSO4，其它鹽分含量較小.

2)在沉積物總鹽含量方面，干涸湖底不同景觀單元、不同深度富鹽沉積物鹽分含量存在顯著差異，說(shuō)明不同的景觀類型對(duì)鹽分含量有顯著影響.隨著深度的增加，不同景觀單元沉積物中的鹽分含量均呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，表明干涸湖底有強(qiáng)烈的鹽分表聚現(xiàn)象.隨著時(shí)間變化，不同景觀類型表聚程度變化不同:L2、L3、L4、L5、L6有不同程度的增強(qiáng)，只有L1表聚程度減弱.

3)無(wú)論是鹽分組成成分還是總鹽含量，景觀單元L5的含量均最高，其次是L6，而L2的含量均最低，其它3種景觀單元之間差異不顯著.在無(wú)植被覆蓋和植被覆蓋稀疏的干涸湖底，蒸發(fā)強(qiáng)度、地下水礦化度、地下水埋深及沉積物質(zhì)地等因素決定了鹽分在干涸湖底的表聚程度.研究結(jié)果顯示，在小尺度范圍內(nèi)，局地氣候條件相對(duì)均一，地下水礦化度、地下水埋深及沉積物性質(zhì)差別不大，不同景觀類型是影響鹽分表聚以及分布與變化的主要因素.

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