基于典范對(duì)應(yīng)分析的濱海濕地土壤季節(jié)性鹽漬化特征

張?zhí)炫e,陳永金,劉加珍

聊城大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院, 聊城 252059

土壤是植物生長(zhǎng)發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)[1],植物又對(duì)土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生影響[2]。世界約有1/3的土壤發(fā)生鹽漬化,嚴(yán)重影響了土地資源尤其是耕地資源的有效供給[3-4]。改善土壤質(zhì)量追求具有高效生產(chǎn)力的土地資源成為各國(guó)的首選。受氣候、地貌、水文地質(zhì)等自然因素和耕作、灌溉、田間管理等人類活動(dòng)的共同影響,我國(guó)鹽漬化土壤廣泛分布于干旱、半干旱地區(qū)和濱海灘涂地區(qū)[5-6]。濱海鹽漬化土壤中含有大量的可溶性鹽,容易引起植物的生理水分不足,抑制營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收,影響植物發(fā)育和產(chǎn)量[7-8]。

濱海河口濕地位于陸地和海洋生態(tài)系統(tǒng)的過(guò)渡地帶[9-12],其生態(tài)系統(tǒng)相對(duì)脆弱,受海侵和河流的共同影響,土壤相對(duì)貧瘠,植物群落結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。黃河三角洲河口濕地位于渤海灣與萊州灣之間,是我國(guó)面積最大、增長(zhǎng)最快的新生河口濕地生態(tài)系統(tǒng)[13]。受氣候條件、土壤母質(zhì)、海水以及沉積環(huán)境等影響,鹽漬化土壤廣布,嚴(yán)重影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的安全[14-16]。研究區(qū)域鹽漬化問(wèn)題,對(duì)于更好地預(yù)防和治理土壤鹽漬化及恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)具有十分重要的意義[17]。當(dāng)前許多學(xué)者已經(jīng)對(duì)黃河口濕地土壤鹽漬化特征及其鹽分組成等相關(guān)方面做了大量研究[18-21],這些研究在環(huán)境因子方面,大多是只考慮了單因子(TS、pH、EC)對(duì)土壤性質(zhì)的影響；在時(shí)間維度上,大多是以單一季節(jié)(春季、夏季、秋季等)為主；在分析方法上,大多是采用傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)分析如相關(guān)分析、因子分析、方差分析和回歸分析等,當(dāng)變量數(shù)據(jù)較多時(shí),這些方法無(wú)法直觀地給出多變量間的相互作用關(guān)系,數(shù)量生態(tài)學(xué)中的典范對(duì)應(yīng)分析方法(Canonical correspondence analysis,CCA)[22]能夠直觀地給出多變量間的相互作用關(guān)系,可以較好地反映研究對(duì)象與環(huán)境因子之間的數(shù)量關(guān)系,是判斷主控因子有效的方法,彌補(bǔ)了常規(guī)分析方法的不足。

本文以不同季節(jié)的黃河口濕地土壤為例,基于單因素方差分析方法、典范對(duì)應(yīng)分析方法,探討了不同季節(jié)河口濕地土壤鹽堿化特征與鹽分離子組成及其之間的數(shù)量關(guān)系,旨在研究黃河口濕地土壤的鹽分特征,揭示影響鹽漬化土壤的主控鹽分因子,為黃河口濕地土壤資源的開發(fā)利用和生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供理論支持。

1 研究區(qū)概況和樣品采集

1.1 研究區(qū)概況

黃河口濕地位于我國(guó)山東省東營(yíng)市墾利縣境內(nèi),屬于溫帶季風(fēng)性氣候。四季分明,光照充足,年平均氣溫11.7—12.6℃；無(wú)霜期211 d；年均降水量530—630 mm,70%分布在夏季,具有明顯的季節(jié)性,導(dǎo)致地表徑流和地下水補(bǔ)給量年內(nèi)分配極不均勻；平均蒸發(fā)量為750—2400 mm。蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于降水量,為土壤鹽分向上運(yùn)移提供了有利條件。該區(qū)總體地面平坦,海拔較低,因受黃河尾閭擺動(dòng),其地貌類型發(fā)育較為完整,主要有古河道遺留下來(lái)的自然堤、河漫灘地、背河洼地、緩斜平地和濱海低平地等[22]。土壤以潮土和鹽土為主,土壤鹽漬過(guò)程先于成土過(guò)程,是在鹽漬淤泥的基礎(chǔ)上發(fā)育而成[23]。受水埋深、礦化度及海水經(jīng)常性的淹沒(méi)和側(cè)向侵漬的影響致使土壤含鹽量普遍較高且空間分布不均,導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)的植物群落組成比較簡(jiǎn)單且具有分布集中、成片生長(zhǎng)的特點(diǎn)。自然植被主要以檉柳(Tamarixchinensis)、堿蓬(Suaedasalsa)、蘆葦(Phragmitesaustralis)等為主。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

1.3 數(shù)據(jù)分析

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤鹽分離子的統(tǒng)計(jì)特征

各陽(yáng)離子在不同季節(jié)的分布態(tài)勢(shì)見圖1,Na+含量在各季節(jié)中占陽(yáng)離子總量的比例均在65%以上,是研究區(qū)最為主要的陽(yáng)離子； 其次是Mg2+；再次是Ca2+,K+含量最小。差異顯著性檢驗(yàn)結(jié)果表明,Na+含量春季顯著高于夏季、秋季,而夏季、秋季差異性不顯著(P>0.05)；Mg2+含量的差異性和Na+的一致,說(shuō)明二者在季節(jié)變化上可能具有較好的關(guān)聯(lián)性；Ca2+含量各季節(jié)之間無(wú)顯著差異性(P>0.05),分布較為穩(wěn)定；K+含量雖小,但在不同季節(jié)卻表現(xiàn)出顯著的差異性(P<0.05)。變異系數(shù)是反映變量離散程度的重要指標(biāo),在一定程度上揭示了變量的空間分布特性[25-26]。在不同的季節(jié),Na+、K+、Ca2+的變異系數(shù)均介于10%和100%之間(圖1),表明它們?cè)谘芯繀^(qū)均具有中等強(qiáng)度的變異性[18]。隨著季節(jié)的變化,Na+在夏季出現(xiàn)變異系數(shù)的最大值,為66.15%；K+的變異系數(shù)逐漸減小,春季最大；Ca2+的變異系數(shù)逐漸增大,秋季變異最為強(qiáng)烈,變異系數(shù)達(dá)到90%以上,表現(xiàn)出較強(qiáng)的空間異質(zhì)性；Mg2+在夏季和秋季均表現(xiàn)出極強(qiáng)的變異性,變異系數(shù)分別為108.24%、104.47%,說(shuō)明Mg2+在夏、秋季分布不均勻,春季其空間異質(zhì)性相對(duì)較弱。

圖1 土壤鹽離子含量及其季節(jié)性分布特征Fig.1 Cations and anions and their seasonal distribution

2.2 土壤全鹽特征及鹽堿化特征參數(shù)

土壤全鹽量是反映土壤鹽化程度的基本指標(biāo)[27]。由圖2可知,在不同的季節(jié),土壤TS含量的平均值均在17.9 g/kg以上,春季顯著高于夏季和秋季且以夏季含量最低。差異顯著性檢驗(yàn)結(jié)果表明,夏季和秋季TS含量無(wú)顯著差異性(P>0.05),這和Cl-、Na+、Mg2+在季節(jié)變化上的差異性相一致,說(shuō)明 TS與Cl-、Na+和Mg2+可能有較好的關(guān)聯(lián)性。TS的季節(jié)性變異系數(shù)均介于42%和65%之間(圖2),表明研究區(qū)土壤含鹽量具有中等強(qiáng)度的變異性,說(shuō)明黃河口濕地鹽漬土區(qū)土壤含鹽量分布不均勻,空間異質(zhì)性較強(qiáng)；從變異系數(shù)的季節(jié)性變化特征來(lái)看,變異系數(shù)逐漸增大,說(shuō)明土壤鹽分的空間異質(zhì)性逐漸增強(qiáng)。

圖2 TS、pH、EC、SAR的季節(jié)性分布特征Fig.2 Soil TS,pH,EC,SAR and their seasonal distributionTS:全鹽含量,total salt content; pH:氫離子濃度指數(shù),hydrogen ion concentration; EC:電導(dǎo)率,electrical conductivity; SAR:鈉吸附比,sodium adsorption ratio

2.3 土壤鹽分的典范對(duì)應(yīng)分析

2.3.1土壤鹽分離子組成 CCA 分析

2.3.2鹽分離子與鹽堿化參數(shù)的相關(guān)性CCA 分析

圖3 不同季節(jié)土壤鹽分的CCA二維排序圖Fig.3 Two dimensional ordination diagram of canonical correspondence analysis of salts in different seasons

2.3.3環(huán)境因子與排序軸間的關(guān)聯(lián)性

表1 環(huán)境因子與研究對(duì)象排序軸的相關(guān)系數(shù)

2.3.4典范對(duì)應(yīng)分析的可行性分析

在對(duì)黃河口濕地鹽漬土進(jìn)行研究時(shí),從各鹽分離子與土壤鹽堿化參數(shù)的CCA排序圖可以看出,研究對(duì)象(鹽堿化參數(shù))-環(huán)境變量(鹽分離子)與第一個(gè)排序軸的相關(guān)系數(shù)均大于0.94,與第二個(gè)排序軸的相關(guān)系數(shù)均在0.80以上,具有較高的相關(guān)性。環(huán)境因子前兩個(gè)排序軸的相關(guān)系數(shù)為0,表明前兩個(gè)排序軸是完全垂直的；研究對(duì)象前兩個(gè)排序軸的相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值小于0.03,表明這兩個(gè)排序軸也近乎完全垂直[33],且前兩個(gè)排序軸的累積方差貢獻(xiàn)率均大于80%,說(shuō)明對(duì)土壤鹽堿化參數(shù)和環(huán)境因子進(jìn)行的CCA排序結(jié)果是可信的[34-35]。

3 討論

3.1 鹽堿化參數(shù)與鹽分離子季節(jié)性特征的影響因素及鹽漬化防治對(duì)策

3.2 CCA在土壤-環(huán)境方面的應(yīng)用及鹽堿化參數(shù)與離子之間的關(guān)聯(lián)性

典范對(duì)應(yīng)分析方法(CCA)是基于對(duì)應(yīng)分析發(fā)展而來(lái)的,它將對(duì)應(yīng)分析與多元回歸分析相結(jié)合,在對(duì)應(yīng)分析的迭代過(guò)程中,將每次得到的排序值均與環(huán)境因子進(jìn)行多元線性回歸,使之能夠直觀反映環(huán)境因子對(duì)排序結(jié)果的影響,是研究植物分布與環(huán)境關(guān)系最有效的直接排序方法[56-60]。隨著生態(tài)學(xué)軟件 Canoco for Windows的推廣,近年來(lái),該方法在土壤-環(huán)境領(lǐng)域也逐步得到應(yīng)用,在研究土壤性質(zhì)與環(huán)境因子間定量關(guān)系方面取得了重要進(jìn)展。楊思存等[33]用該方法研究甘肅引黃灌區(qū)耕地土壤全鹽量(TS)、pH 和鹽分離子組成的空間分布特征及數(shù)量關(guān)系,并探討它們之間的相互關(guān)系、影響程度以及對(duì)鹽堿地類型、分布的影響；吳雪梅等[61]用該方法分析于田綠洲2012年春季土壤剖面的含鹽量、電導(dǎo)率、pH值、礦化度、七大鹽分離子的空間分布特征；解雪峰等[7]用該方法探討了江蘇中部如東灘涂圍墾區(qū)不同空間尺度景觀格局對(duì)土壤鹽漬化程度的影響和貢獻(xiàn)度；韓桂紅等[62]用該方法對(duì)渭干河-庫(kù)車河三角綠洲干旱區(qū)鹽漬土土壤TS、鹽分離子組成、堿化度(ESP)、pH、EC的空間分布特征進(jìn)行了分析。本研究應(yīng)用此方法分析了TS、pH、SAR、EC和鹽分離子的數(shù)量關(guān)系以及離子之間的相互關(guān)系。結(jié)果表明,無(wú)論處于何種季節(jié),土壤TS始終與Cl-有較好的關(guān)聯(lián)性,說(shuō)明TS 的空間分布主要受控于Cl-。這與分析環(huán)境因子與排序軸的相關(guān)性所得結(jié)果一致,與分析鹽分離子含量對(duì)全鹽量貢獻(xiàn)大小的結(jié)果也是一致的,與其他學(xué)者對(duì)黃河口濕地鹽漬化土壤鹽分狀況的研究結(jié)果也相一致[40]。在不同的季節(jié),Cl-含量始終高于其他離子含量,對(duì)TS的貢獻(xiàn)率均高于50%,說(shuō)明Cl-是該區(qū)域土壤鹽分的主要有效成分,對(duì)促進(jìn)土壤發(fā)生鹽漬化起著關(guān)鍵性的作用。因此,通過(guò)合適的措施控制或減少Cl-的來(lái)源是一條減輕河口濕地土壤鹽漬化的合適途徑。在不同的季節(jié),pH受環(huán)境因子的影響較小,而SAR和EC則隨著季節(jié)的變化受控因子在變化。不同季節(jié)鹽分離子之間的關(guān)聯(lián)性并不固定,它們之間存在著一定的差異性,這一方面可能和外界環(huán)境[62](溫度、濕度、飽和度、酸堿度)條件有關(guān),另一方面可能和地貌類型、距海遠(yuǎn)近有關(guān)[63]。以關(guān)聯(lián)性較好且含量較高的Na+和Cl-來(lái)看,春季表層土壤受外界環(huán)境影響最大,水分的上下遷移活動(dòng)強(qiáng)烈,相應(yīng)的 Na+和Cl-的同質(zhì)運(yùn)移活動(dòng)也較為頻繁[28],表現(xiàn)出 Na+和 Cl-具有較高的關(guān)聯(lián)性。而夏季和秋季則沒(méi)有表現(xiàn)出很好的關(guān)聯(lián)性,其他離子之間也是類似的情況,它們之間是否存在固定的關(guān)聯(lián)性尚有待于進(jìn)一步深入研究。

3.3 人為因素對(duì)黃河口濕地的影響

近年來(lái),人為因素也成為影響黃河口濕地土壤鹽漬化的重要因子。受季風(fēng)性氣候的影響,該區(qū)域降水量年內(nèi)分配極不均勻,造成淡水資源供給不足,尤其是在枯水季。因此,黃河成為淡水資源開發(fā)利用的供給站[64]。然而,隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,一方面上游用水量不斷增加,導(dǎo)致黃河斷流頻次、天數(shù)增加[65],另一方面下游地區(qū)用于生產(chǎn)、生活的淡水需求量也在增加,從而導(dǎo)致淡水資源短缺,進(jìn)而影響該區(qū)域土壤鹽漬化的發(fā)生。除此之外,不合理的墾荒、灌溉、粗放的經(jīng)營(yíng)以及人口數(shù)量的增加等[50,66-67]都會(huì)給該區(qū)域土壤鹽漬化的發(fā)生帶來(lái)一定的影響。因此,要根據(jù)該區(qū)域的特點(diǎn),合理開發(fā)利用水資源、改變粗放型的經(jīng)營(yíng)方式、禁止盲目墾荒,并可適當(dāng)提高植被覆蓋度以減小土壤鹽漬化的發(fā)生。

3.4 典范對(duì)應(yīng)分析的優(yōu)越性

典范對(duì)應(yīng)分析(CCA)不僅包含的信息量更大,而且結(jié)果更加直觀。常規(guī)分析只能反映出TS、pH、SAR、EC的數(shù)量及鹽分離子的組成,而典范對(duì)應(yīng)分析能夠通過(guò)箭頭連線之間的夾角以及與三角符號(hào)間距離的遠(yuǎn)近等,在CCA二維排序圖上直觀地給出各鹽分離子之間以及TS、pH、SAR、EC與鹽分離子之間的關(guān)系,并通過(guò)各鹽分離子與研究對(duì)象前兩個(gè)排序軸的相關(guān)系數(shù),來(lái)確定影響黃河口濕地土壤鹽堿化的主要因子。因此,典范對(duì)應(yīng)分析是一種更加科學(xué)的分析土壤鹽堿化變化特征的評(píng)價(jià)方法。

4 結(jié)論

(1)研究區(qū)土壤鹽分陽(yáng)離子以Na+為主,陰離子以Cl-為主,二者不因季節(jié)的變化而改變其占離子總量的優(yōu)勢(shì)地位。其中,Na+占陽(yáng)離子總量的比例均在65%以上；Cl-占陰離子總量的比例均高于81%。差異顯著性檢驗(yàn)結(jié)果表明,Cl-、Na+含量均是春季顯著高于夏季和秋季(P<0.05),而夏季和秋季含量無(wú)顯著差異性(P>0.05)。除Mg2+在夏季、秋季及Cl-在秋季表現(xiàn)出強(qiáng)烈的變異性外,其余離子在不同季節(jié)均表現(xiàn)出中等強(qiáng)度的變異性。

(2)研究區(qū)土壤鹽化較為嚴(yán)重,春季、夏季、秋季含鹽量均在17.9 g/kg以上,屬于鹽土類型。其含量變化趨勢(shì)與Cl-、Na+的變化趨勢(shì)一致,呈“V”字形變化,春季、秋季均高于夏季,形成了春、秋季積鹽和夏季脫鹽的特點(diǎn)。pH值均介于7.7—8.1之間；SAR介于3.08—5.29之間；EC 的均值變化范圍為7.16—13.04 mS/cm。