博斯騰湖西岸湖濱綠洲土壤剖面鹽分含量隨季節(jié)的變化特征

趙慧，李新國,毛東雷，麥麥提吐爾遜·艾則孜

(新疆師范大學地理科學與旅游學院，新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源實驗室，新疆 烏魯木齊 830054)

土壤鹽分變化特征是氣候變化、地形變化以及人為因素作用于鹽分運移的綜合反映，在一定程度上反映了土壤剖面的鹽漬化程度和狀態(tài)[1-2].土壤鹽分在土壤中含量、分布規(guī)律以及聚集特征決定了土壤鹽漬化等級[3-4].土壤鹽分含量是衡量土壤鹽漬化程度和狀態(tài)的重要指標,土壤鹽分含量過高，會危害農作物減產(chǎn)或絕收、影響植被生長并間接造成生態(tài)環(huán)境惡化[5-7].因此對土壤鹽分和遷移規(guī)律、空間分布及其環(huán)境影響因子關系分析是進而因地制宜提出鹽漬土分區(qū)、改良等措施的前提基礎，具有重要的意義[8-10].李濤等[11]分析土壤肥料的種類對土壤鹽分的影響；張蛟[12]通過分析鹽分動態(tài)及土壤因子變化，提出在灘涂圍墾區(qū)農業(yè)利用時，應在雨季前或秋季前采用人為措施，加速土壤降鹽或控鹽；王巧煥[13]利用等值線分析了阿拉善腰壩綠洲的土壤全鹽量的分布特征.研究土壤鹽分特征方面，在研究方法上，大多學者采用地統(tǒng)計學、經(jīng)典統(tǒng)計學方法等進行分析[14-16]，但這些方法無法直接給出土壤鹽分與土壤鹽分離子的關系，而冗余分析(RDA)是以排序軸的方式展示其空間分布特征及與環(huán)境因子之間的關系，包含信息量大，結果明確直觀，已有學者將此方法運用到研究土壤與環(huán)境因子方面，并且該方法也已經(jīng)在其他領域得到驗證[17-18].從時間維度上，大多以單一季節(jié)為主，而對于土壤鹽分季節(jié)性特征分析的比較少，而在不同的季節(jié)土壤鹽分受自然因素和人類活動的影響因素會有很大不同，只從單一季節(jié)進行研究對認識土壤鹽分會有一定局限性.以博斯騰湖西岸湖濱帶綠洲為研究區(qū),采用Person相關性、冗余分析方法、半方差函數(shù)和空間插值方法相結合的方式分析研究區(qū)土壤鹽分含量、電導率和土壤鹽分離子隨季節(jié)變化的特征.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

博斯騰湖西岸湖濱帶綠洲位于新疆焉耆盆地西北部，湖濱綠洲受到博斯騰湖水域的調節(jié)，形成春季氣候多變，夏季干旱炎熱，秋季降溫迅速，冬季嚴寒的典型大陸性荒漠氣候.年平均氣溫8.2～11.5 ℃，7月平均氣溫22.9～26.0 ℃，1月平均氣溫-12.3～-7.8 ℃，無霜期175.8～211.3 d，年蒸發(fā)量1 880.0～2 785.8 mm，年降水量47.7～68.1 mm，蒸降比高達40∶1.研究區(qū)內土壤類型主要有草甸土、沼澤地、灌耕潮土、鹽土、風沙土、棕漠土等，地下水埋深1.0～2.5 m，礦化度為土樣樣品采集0.1～10 g/L[19-20].湖濱植物有蘆葦、檉柳等.由于獨特的地理位置，干旱的氣候荒漠條件，活躍的地表水以及地下水補給，富含鹽分的母質環(huán)境以及人類活動，研究區(qū)平均土壤鹽分含量為2.84 g/kg[21].

1.2 土壤樣品采集及測定

根據(jù)研究區(qū)土壤類型的現(xiàn)狀，結合研究區(qū)的土壤鹽分狀況，采用GPS定位技術，使采樣點盡可能遍及研究區(qū)范圍內的主要土地利用類型，考慮采樣點的水文地貌條件、植被覆蓋類型以及土壤鹽漬化程度等因素，隨機選取12個樣點進行土壤采集，每個樣點3次重復.采樣時間分別于夏季(2017年7月21日～24日)、秋季(2017年10月2日～5日)、春季(2018年4月13日～16日)各采樣1次，3次采樣點位置保持一致，采用分層隨機取樣的方法，每個樣本點范圍分0～20、20～50 cm 2個采樣剖面深度進行.春季、夏季、秋季分別采集樣品72份，共計216份.將土壤樣品帶回實驗室經(jīng)過前期處理自然風干后除去枯枝、殘葉等雜質，磨碎過2 mm網(wǎng)篩后備用，按照5∶1的水土浸提液比例進行配置,并用電導儀測定浸提液25 ℃時的電導率(EC，ms/cm).

Cl-用AgNO3滴定法測定，CO32-和HCO3-采用標準H2SO4雙指示劑法中和滴定法測定，Na+和K+采用差減法；Ca2+、Mg2+采用EDTA絡合滴定法測定，SO42-采用EDTA間接滴定法測定[22].

圖1 研究區(qū)位置 Figure 1 Map of the study area

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 冗余分析方法 對春季、夏季、秋季的土壤鹽分含量、電導率及土壤鹽分離子進行降趨勢對應分析(DCA)，根據(jù)排序軸梯度長度(LGA)的適用范圍選擇合適的模型，當LGA<3.00適合線性模型(RDA)，LGA>4.00適合非線性模型(CCA)，介于3.00～4.00之間，兩種模型均適合[23].春季、夏季、秋季的LGA最大值分別為1.34、1.32、1.28，均小于3.00，適合于冗余分析.

1.3.2 顯著差異性檢驗 單因素方差分析是用來研究1個控制變量的不同水平是否對觀測變量產(chǎn)生顯著影響[24].利用單因素方差分析春季、夏季、秋季的土壤鹽分含量(TS)、電導率(EC)及主要土壤鹽分離子的顯著差異性變化特征，單因素方差分析在SPSS 22.0統(tǒng)計軟件中實現(xiàn).

2 結果與分析

2.1 主要土壤鹽分離子的統(tǒng)計特征

由表1可知，夏季土壤鹽分含量為3.02 g/kg，分別比春季、秋季的土壤鹽分含量高199.01%、143.55%，春季與秋季的土壤鹽分含量相差0.23 g/kg.隨著土壤剖面深度的增加土壤鹽分含量逐漸減少，表現(xiàn)為表聚型，從0～20 cm到0～50 cm變化幅度最大的是夏季，減少了1.43 g/kg，是春季、秋季的土壤鹽分含量減少的3倍.春季、夏季的土壤鹽分含量的變異系數(shù)隨著剖面增加，變異系數(shù)分別增加3.11%、5.91%，而秋季則相反，變異系數(shù)減少21.77%.變異系數(shù)CV反映土壤特性的空間分布離散程度，當CV≤10.00%時屬于弱變異性，10.00%100.00%則呈強變異性[13].在0～50 cm剖面土壤鹽分的變異系數(shù)春季、秋季的分別為87.67%、85.46%，比夏季高29.42%、27.21%，均表現(xiàn)為中等變異性.

由圖2可知，春季、夏季、秋季的土壤鹽分含量與Na++K+都呈現(xiàn)極顯著正相關(P<0.01)，相關系數(shù)達到0.99.Cl-與TS在春季、夏季、秋季均呈現(xiàn)極顯著正相關(P<0.01)，相關系數(shù)分別為0.71、0.90、0.96.Cl-與Na++K+也均呈現(xiàn)極顯著正相關(P<0.01)，相關系數(shù)最大的是秋季為0.95，相關性較小的是春季為0.64.秋季的Na++K與 Mg2+、Cl-的相關系數(shù)分別為0.73、0.95，TS與Mg2+、Cl-的相關系數(shù)分別為0.75、0，96，Cl-與Mg2+、EC的相關系數(shù)分別為0.76、0.81都呈極顯著正相關(P<0.01).

表1 土壤剖面鹽分含量在不同季節(jié)的描述性統(tǒng)計

圖2 土壤鹽分主要組分間的季節(jié)性相關性分析 Figure 2 Correlation analysis among the main components of soil salt in spring，summer and autumn

由圖3可知，春季、夏季、秋季的主要土壤鹽分離子含量表現(xiàn)為Na++K+最高，其次為Cl-、SO42，隨著剖面增加土壤鹽分含量都減少.利用差異性檢驗對0～20、20～50 cm土層分析表明，Na++K+、Cl-、Ca2+夏季顯著高于春季和秋季(P<0.01),而春季和秋季差異性不顯著；在0～20 cm土層，SO42-在夏季和秋季差異性極顯著(P<0.01)；在20～50 cm土層，Mg2+在春季和夏季差異性極顯著(P<0.01).

A：0～20 cm土層；B：20～50 cm土層.A：0～20 cm soil layer；B：20～50 cm soil layer.圖3 土壤剖面鹽分離子季節(jié)性分布特征 Figure 3 Seasonal distribution characteristics of soil profile salt separators

在0～20 cm土層，隨著季節(jié)的變化，HCO3-的變異系數(shù)逐漸增加，秋季最大；SO42-的變異系數(shù)逐漸減少，春季最大；其他離子變化呈現(xiàn)“V”型，春季最大.春季的Ca2+、Cl-、Mg2+、SO42-變異較為強烈，介于100.00%～227.00%之間，其中Mg2+變異系數(shù)最大為227.00%.秋季的Ca2+、Cl-、Mg2+的變異系數(shù)分別為136.00%、131.00%、104.00%，均屬于強度變異.在20～50 cm土層，隨著季節(jié)的變化，Mg2+的變異系數(shù)逐漸增加，秋季的變異性較強；Na++K+、Cl-、HCO3-、SO42-的變異系數(shù)表現(xiàn)為“V”型，夏季的變異性相對小；Ca2+的變異系數(shù)表現(xiàn)為“∧”型，夏季最大；除了秋季的Cl-、Mg2+的變異系數(shù)是133.00%、173.00%，春季的SO42-的變異系數(shù)是118.00%為強變異性.

2.2 土壤鹽分含量與主要土壤鹽分離子的冗余分析

采用冗余分析，以主要土壤鹽分離子為環(huán)境變量，以TS和EC為物種變量，分析土壤鹽分含量與主要土壤鹽分離子的數(shù)量關系.由表2可知，春季、夏季、秋季的物種在排序軸1、排序軸2的解釋變量分別為85.30%、3.30%；36.90%、2.10%；79.00%、1.10%.春季、秋季的前2個排序軸總共解釋88.60%、80.10%的物種和100.00%、100.00%的物種-環(huán)境關系.夏季的前2個排序軸的解釋變量比較低，大部分集中在排序軸3，但是物種-環(huán)境關系達到了100.00%，所以軸1和軸2也較好的反映了物種與環(huán)境的關系.從3個不同季節(jié)來分析物種與環(huán)境相關性，春季的相關性較高，排序軸1、排序軸2的相關系數(shù)分別為0.94、0.98；秋季次之.蒙特卡洛檢驗(Monte Carlo test) 表現(xiàn)為春季排序軸1(F=411.00，P=0.002)，全軸(F=91.80，P=0.002)；夏季排序軸1(F=40.90，P=0.002)，全軸(F=7.40，P=0.002)；秋季排序軸1(F=188.00，P=0.002)，全軸(F=33.50，P=0.002)，呈極顯著相關關系(P<0.01)，說明對不同季節(jié)的土壤鹽分含量與主要土壤鹽分離子進行的冗余分析排序結果是可信的.

由圖4可知，在春季的土壤鹽分含量中，軸1主要受Ca2+的影響，其次是Cl-，軸2分別與SO42-、Mg2+呈正相關；夏季，軸1主要受Mg2+，其次是Cl-、Ca2+的影響，軸2主要受SO42-，其次是HCO3-影響；秋季，軸1主要受Cl-、Ca2+的影響，軸2主要受SO42-，其次是HCO3-影響.春季、夏季、秋季的土壤鹽分含量主要受Cl-、Ca2+、SO42-的影響.土壤鹽分含量與主要土壤鹽分離子線越接近，表明土壤鹽分含量受其影響越大.春季的土壤鹽分含量主要受Na++K+的影響，電導率主要受Ca2+影響，都呈正相關(P<0.01)；夏季的土壤鹽分含量主要受Na++K+影響、其次是Ca2+，電導率主要受Mg2+影響；秋季的土壤鹽分含量主要受Na++K+、Ca2+、Cl-影響，電導率主要受Cl-影響.春季、夏季、秋季的土壤鹽分含量主要受Na++K+影響，呈極顯著正相關(P<0.01)；夏季、秋季的土壤鹽分含量主要受Na++K+、Ca2+的影響，呈現(xiàn)極顯著正相關(P<0.01).

表2 土壤鹽分含量與主要土壤鹽分離子的冗余分析

圖4 物種和環(huán)境關系在春季、夏季、秋季的RDA排序圖Figure 4 Biplots of the redundancy analysis (RDA) on the relationship between the species-environmental in spring，summer and autumn

2.3 不同季節(jié)土壤鹽分指標的半方差函數(shù)分析

采用高斯模型，分析春季、夏季、秋季的土壤鹽分的空間變異性.由表3可知，3個不同季節(jié)的土壤鹽分均符合高斯模型，該模型的決定系數(shù)分別為0.55、0.80、0.51，表明擬合程度良好.結構性因子(C/C0+C)表示空間的異質性程度，比值小于25.00%、25.00%～75.00%、大于75.00%分別表示弱、中等、強空間相關性[25].3個不同季節(jié)的土壤鹽分含量結構性因子分別為99.97%、98.39%、77.37%，均大于75.00%，表現(xiàn)為強空間相關性.

表3 不同季節(jié)鹽分含量指標的半方差函數(shù)模型及其參數(shù)

2.4 不同季節(jié)土壤鹽分指標的空間分布格局

由圖5可知，春季土壤鹽分含量表現(xiàn)為從研究區(qū)東北部向西南遞減，鹽分含量最高值為2.69 g/kg，比最小值高出2.29 g/kg；夏季土壤鹽分含量高值區(qū)在東北部和西南部，分別為3.97 g/kg、3.91 g/kg；秋季土壤鹽分含量高值區(qū)在中部東部，并且由東向西遞減，鹽分含量最高值為2.99 g/kg，比最小值高出2.11 g/kg.土壤鹽分含量主要集中在中部東北方向，并且呈現(xiàn)出從東部向西部遞減的趨勢.

3 討論

博斯騰湖西岸湖濱綠洲土壤鹽分變化已有大量研究，涉及到不同植被類型與土壤鹽分的特征分析[20]、土壤剖面鹽分動態(tài)變化[21]、土壤鹽漬化動態(tài)變化等方面[19].但是關于土壤剖面鹽分含量隨季節(jié)的變化特征的研究鮮有報道.研究區(qū)的土壤鹽分與Na++K+的相關性較高，呈極顯著正相關(P<0.01)，且利用冗余分析更加客觀的展現(xiàn)出土壤鹽分含量與Na++K+的高關聯(lián)性，說明鹽分含量的空間分布主要受控于Na++K+，這與李志等[23]研究結果基本一致；春季、秋季的土壤鹽分空間變異性高于夏季的土壤鹽分空間變異性，這與馬成霞等[26]研究基本一致；從土壤鹽分剖面深度的含鹽量分析得到，在不同季節(jié)的土壤鹽分均呈表聚性，這與梁東等[21]對博斯騰湖西岸湖濱土壤剖面鹽分特征分析基本一致.研究區(qū)的土壤鹽分含量夏季高于春季和秋季的土壤鹽分含量，與張?zhí)炫e等[24]、支歡歡等[27]對濱海地區(qū)的研究結果有差異.研究區(qū)土壤母質富含鹽分、蒸發(fā)量遠大于降水量、地下水位的季節(jié)變化等因素，形成夏季土壤積鹽，春季與秋季土壤脫鹽的季節(jié)性動態(tài)特征.博斯騰湖西岸湖濱綠洲土壤鹽分含量的季節(jié)變化的趨勢，有待于進一步研究.

圖5 春季、夏季、秋季的土壤鹽分含量空間分布Figure 5 Spatial distribution of soil salinity content in spring，summer and autumn

4 結論

1) 夏季土壤鹽分含量為3.02 g/kg，分別比春季、秋季土壤鹽分含量高199.01%、143.55%.春季、夏季、秋季的土壤鹽分均呈表聚型，隨剖面深度增加變化幅度最大的是夏季，減少了1.43 g/kg.春季、夏季隨著土壤剖面深度增加，變異系數(shù)分別增加3.11%、5.91%，而秋季則相反，變化幅度較大，減少21.77%.

2) 春季、夏季、秋季的土壤鹽分含量與主要土壤鹽分離子Na++K+、Cl-、Mg2+呈極顯著正相關(P<0.01)，與Na++K+相關性較高，均達到0.99.Na++K+是研究區(qū)的主要鹽分離子,在春季、夏季、秋季的Na++K+分別占土壤鹽分離子總量的45.10%、44.80%、44.70%.春季的土壤鹽分含量主要受Na++K+影響；夏季、秋季的土壤鹽分含量主要受Na++K+、Ca2+含量的影響，均呈現(xiàn)極顯著正相關(P<0.01).

3) 春季、夏季、秋季的土壤鹽分結構性因子分別為99.97%、98.39%、77.37%，均大于75.00%，表現(xiàn)為強空間相關性.春季、夏季、秋季的土壤鹽分含量高值區(qū)主要集中在研究區(qū)中部東北部，夏季的土壤鹽分含量最高為3.97 g/kg，比春季、秋季的土壤鹽分含量高1.28、0.98 g/kg.