準(zhǔn)格爾盆地不同程度人類干擾下土壤鹽分及離子組成特征

王 寧，熊黑鋼，葉紅云 ，馬利芳，張 芳

（1．新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，綠洲生態(tài)教育部重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830046；2．北京聯(lián)合大學(xué)應(yīng)用文理學(xué)院，北京 100083）

土壤鹽漬化是自然條件和人類干擾共同作用下導(dǎo)致的土壤鹽分含量升高的結(jié)果，是影響干旱地區(qū)綠洲生存與發(fā)展的重要因素。土壤鹽分含量與土壤質(zhì)地、氣候、地形、植被、地下水等自然條件以及人類活動有密切的關(guān)系，而可溶性鹽離子是土壤鹽分的主要組成部分，同時其含量、濃度可反映土壤理化性質(zhì)，是土壤肥力水平、鹽堿程度的重要指標(biāo)之一［1-2］。因此對土壤鹽分及其離子的研究十分重要，國內(nèi)外學(xué)者對此開展了大量研究，在鹽漬化分布狀況［3］、土壤鹽漬化信息提取［4］、鹽漬化土壤改良方法［5-6］、土壤鹽分及其離子空間變異性［7-8］等方面均取得了顯著成果。

近年來人類對土地利用程度逐漸加深，包括放牧、耕種、建造房屋等不同方式，而這些利用方式對土壤產(chǎn)生了不同程度的干擾，也直接或間接地影響著土壤鹽分離子等物質(zhì)和能量的運移過程和變化狀況，對土壤環(huán)境因子有著綜合的影響效應(yīng)［9］。土壤鹽分的累積以及某些離子的相對富集在一定程度上導(dǎo)致了土壤環(huán)境質(zhì)量的惡化，引起土壤次生鹽漬化，這已經(jīng)成為了制約干旱區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要障礙因子［10-11］。

目前對土壤鹽分離子的研究主要集中在不同地區(qū)、不同栽培方式［12］，不同灌溉方式［13］，不同咸度灌溉水［14］或土壤剖面不同層［15］的鹽分離子含量特征［16-17］，而人類不同干擾程度對土壤鹽分離子的影響尚待進(jìn)一步研究。因此本文以新疆準(zhǔn)格爾盆地阜康境內(nèi)人類不同干擾程度下的土壤鹽分和離子含量為研究對象，探討其含量變化與相關(guān)性的影響，以期為不同程度人類干擾下土壤的鹽漬化防治與改良、維持生態(tài)環(huán)境安全及綠洲可持續(xù)發(fā)展提供理論和實踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于新疆維吾爾自治區(qū)天山東段北麓、準(zhǔn)格爾盆地南緣的阜康境內(nèi)（87°44′E，44°45′N，平均海拔為479m）。氣候為中溫帶大陸型干旱氣候，冬季干冷且較長，夏季干熱且短，光照充足，年均溫6.6℃，≥10℃的年積溫3519℃，年、日溫差均較大，分別為42.2、12.7℃，降水稀少，年均145mm，蒸發(fā)強(qiáng)烈，年均蒸發(fā)潛力2292mm。該區(qū)土壤質(zhì)地為砂土，鹽漬化現(xiàn)象嚴(yán)重，在西北干旱區(qū)具有代表性。

1.2 采樣區(qū)特點

研究區(qū)按人類干擾程度的差異分為3 種土壤區(qū)域：①遠(yuǎn)離人類活動影響的無人干擾區(qū)（A 區(qū)），地表基本保持原始風(fēng)貌，植被覆蓋度較高，部分地區(qū)有成片梭梭林，伴生植物種有紅柳、鹽爪爪等。由于較少受到人類干擾，該區(qū)土壤表面常見黑色生物結(jié)皮，且其發(fā)育狀況處于中期［18］。②中度人為干擾區(qū)（B 區(qū)），靠近新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)102 團(tuán)。20 世紀(jì)50～60 年代開荒時，土地被犁出寬2～3m 的壟，壟間距為0.3～0.5m，溝深為0.2～0.3m，后棄耕。該區(qū)植被覆蓋度較低，僅有豬毛菜或琵琶柴等矮灌木存活，土壤表層的生物結(jié)皮發(fā)育較差。③人工育苗林的重度人為干擾區(qū)（C 區(qū)），此區(qū)有兩個被鐵絲網(wǎng)或高約1.5m 的土壟包圍的人工林場，主要樹種為榆樹，林地行間距3.5m，株距1.5m，植株平均高約3m，平均冠幅為0.6m×0.6m，林地內(nèi)采用塑料軟管滴灌方式進(jìn)行灌溉。

由于3 區(qū)距離較近，僅被人工設(shè)施分離，因此3 種人為干擾下土壤的成土母質(zhì)、日照、氣溫、降水等自然條件一致，土壤鹽分及離子的變化主要受人類活動干擾的影響。

1.3 采樣點布設(shè)及土壤樣品采集處理

2017 年10月1～10 日對無、中度、重度人為干擾下的土壤進(jìn)行采樣（圖1）。樣點布設(shè)依照網(wǎng)格法，在A、B 區(qū)各布設(shè)5 條間距約500～800m 的采樣線，其中A 區(qū)每條線上6 個樣點，間距約300～500m，B 區(qū)根據(jù)實際情況在每條線上設(shè)5～7個樣點，間距為300～600m，C 區(qū)面積較小，因此布設(shè)間距200～400m 的采樣線6 條，每條線上有間隔200～300m 的5 個樣點。每個區(qū)域均為30 個采樣點，3 區(qū)共90 個，采樣時用GPS 對各樣點定位。

根據(jù)代表性和典型性原則選取能夠代表周圍環(huán)境平均狀況的樣點，用梅花樁采樣法在樣點周圍1m 范圍內(nèi)選取5 處土壤，采集0～20cm 的土樣，混合均勻后放入密封袋并標(biāo)記編號。在實驗室內(nèi)進(jìn)行自然陰干、除雜、過篩等預(yù)處理后送至中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所進(jìn)行鹽分和離子數(shù)據(jù)（包括土壤鹽分的八大離子：的測定，離子測定采用原子吸收分光光度法［19］。

圖1 樣點示意圖

1.4 土壤分級指標(biāo)

本文按表1、2 的土壤鹽化分級指標(biāo)、土壤酸堿性分類指標(biāo)［20-21］對研究區(qū)土壤鹽漬化程度分類。

表1 土壤鹽化分級參考指標(biāo)

表2 土壤酸堿性分類指標(biāo)

1.5 數(shù)據(jù)處理

利用Excel2016和DPS3.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計、相關(guān)性、聚類分析。使用origin9.0繪制離子濃度圖?？臻g分析通過ArcGIS14.0 完成土壤鹽化等級頻率指某一鹽化水平下的土樣數(shù)占總土樣數(shù)的百分?jǐn)?shù)。土壤某一鹽分離子比例為某一鹽分離子含量/八大離子含量之和×100%［19］。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同干擾程度下土壤鹽漬化特征

2.1.1 不同干擾程度土壤pH 值和鹽分總量狀況

研究區(qū)土壤pH 值介于7.11～8.64，平均值為7.86（表3），根據(jù)土壤酸堿性劃分標(biāo)準(zhǔn)總體屬于堿性土。根據(jù)變異系數(shù)（CV）來看，土壤pH 值呈弱變異性（CV ≤0.1 為弱變異性；0.1＜CV＜1.0 為中等變異性；CV ≥1.0 為強(qiáng)變異性），說明土壤堿度分布相對均勻，空間異質(zhì)性弱，B、C 兩區(qū)的土壤堿度空間異質(zhì)性略高于A 區(qū)。從均值來看土壤pH 值隨著人類干擾程度的加深而逐漸降低，即人類干擾對土壤的影響越大，其堿度越低。

土壤鹽分總量介于1.42～49.17g/kg，平均值為17.70g/kg，總體為強(qiáng)鹽漬化土。變異系數(shù)介于0.1～1.0，為中等變異性，表明土壤鹽分的空間異質(zhì)性中等（表3）。不同干擾程度下的土壤鹽分總量從范圍、變異系數(shù)和方差來看都是隨著干擾的加劇而變大，例如B 區(qū)土壤鹽分值方差比A 區(qū)增加了3 倍，C 區(qū)比A 區(qū)增加了7 倍，這表明中、重度人為干擾區(qū)內(nèi)鹽分值較離散。

表3 不同干擾程度下土壤pH 值和鹽分總量的描述性統(tǒng)計

2.1.2 不同干擾程度下土壤鹽化等級差異

A 區(qū)和B 區(qū)的土壤鹽化等級包括中、強(qiáng)鹽漬土及鹽土，而C 區(qū)則包括了各等級的鹽漬化土（表4），表明重度人為干擾對土壤鹽漬化狀況的影響既有改善也有惡化。這可能是由人類活動對土壤鹽分的影響隨機(jī)性較大造成的。B、C 兩區(qū)的強(qiáng)鹽漬土頻率比A 區(qū)分別下降了39%、61%，而鹽土比例都比A 區(qū)高出33.3%，說明人類活動加劇土壤鹽漬化的現(xiàn)象普遍。

表4 不同干擾程度下土壤鹽化等級頻率分布（%）

2.2 不同干擾程度下土壤鹽分離子統(tǒng)計

對不同干擾程度下土壤各鹽分離子進(jìn)行正態(tài)分布檢驗，得到八大離子中除CO32-（可能與研究區(qū)內(nèi)土壤包含CaCO3、MgCO3等不易溶解的鹽分難以水解為離子而未測出，導(dǎo)致各樣點土壤CO32-含量均較低有關(guān)）以外其余均符合對稱或不完全對稱的單峰分布。通過統(tǒng)計分析得出不同干擾程度下土壤鹽分離子平均含量存在一定差異（表5），Cl-、SO42-和Na+的含量較高（均值均＞1），其中Cl-含量在B、C 兩區(qū)相比A 區(qū)土壤中分別增加67%、234%，Na+含量分別增加34%、86%，SO42-則分別降低6%、32%。Cl-含量的變異系數(shù)在鹽分離子中最高，A、B、C 區(qū)分別為0.92、1.46、0.81，屬中等、強(qiáng)、中等變異性，說明氯化物在土壤表層積聚過程中空間分布相對不均勻、極不均勻。Mg2+的CV 值在A、B 兩區(qū)也較高，而C 區(qū)較低。HCO3-、SO42-、Ca2+、K+、Na+的CV 值在各區(qū)均低于1.0，表明其在土壤中的空間異質(zhì)性中等。

從不同干擾程度下土壤各鹽分離子含量占該區(qū)總離子量的比例餅圖（圖2）可以看出，無論何種人為干擾土壤，HCO3-、CO32-、K+和Mg2+的含量比例都很低，均小于2%，4 種離子比例之和均小于5%。其余含量較高的4 種離子中，隨著人為干擾活動程度的加深，SO42-和Ca2+的比例越來越低，而Cl-和Na+則越來越高。土壤離子在A、B 區(qū)的比例排序為SO42-＞Na+＞Cl-＞Ca2+，C 區(qū) 排 序 為Cl-＞Na+＞SO42-＞Ca2+，表明中度人類干擾活動對土壤鹽分離子比例雖然有所影響但不改變其排序，而重度干擾對各離子占總離子的比例影響明顯，尤其是Cl-、Na+和SO42-3 種離子變化劇烈。

表5 不同干擾程度下土壤鹽分離子含量統(tǒng)計

圖2 不同干擾程度下土壤各鹽分離子含量占總離子量的比例

2.3 不同干擾程度土壤鹽分的相關(guān)性分析

2.3.1 不同干擾程度土壤鹽分總量與離子含量相關(guān)分析

不論何種干擾程度下，土壤鹽分總量與各離子含量相關(guān)系數(shù)均通過0.05 或0.01 顯著性檢驗的離子包括Cl-、SO42-、Ca2+、Mg2+、Na+，包含了大部分的鹽分離子，說明鹽分總量與離子含量的變化存在較強(qiáng)相關(guān)性。鹽分含量與Na+和Cl-含量都呈極顯著正相關(guān)，與Mg2+呈顯著正相關(guān)，且相關(guān)系數(shù)都是隨著人類干擾程度的增加而增大，說明人類干擾越強(qiáng)，鹽分總量與鹽分離子的變化趨勢一致性越高。鹽分與Cl-相關(guān)系數(shù)提高最明顯，B、C 區(qū)相比A 區(qū)分別增加了51%和77%，其次為Na+，相關(guān)系數(shù)分別增加35%和58%，且C 區(qū)的土壤鹽分與Na+和Cl-的相關(guān)系數(shù)最高，分別為0.95 和0.94，可知NaCl 是導(dǎo)致中度和重度人為干擾下土壤鹽分增加的主要鹽分類型。

表6 不同干擾程度下土壤鹽分含量與各離子含量相關(guān)系數(shù)

2.3.2 不同干擾程度下各離子含量間的相關(guān)性分析

若鹽分陰陽離子間的相關(guān)系數(shù)為正且通過了0.05 和0.01 水平的顯著性檢驗，說明陰離子隨著陽離子的增加而增加，兩離子常相伴存在，易結(jié)合為土壤中的鹽分物質(zhì)。對比不同干擾程度下土壤鹽分離子相關(guān)系數(shù)可得（表7），A 區(qū)易形成鹽分的陰陽離子組合有3 對：與Cl-；B 區(qū)有3 對：Na+與Cl-、Mg2+與Cl-、Ca2+與Cl-；C 區(qū)有6 對：Na+與Cl-，Ca2+與SO42-、Na+與與Cl-、Mg2+與與Cl-。表明人為干擾程度越強(qiáng)，土壤中易結(jié)合為鹽分物質(zhì)的離子對越多，且硫酸鹽越少氯化物鹽越多。Na+與Cl-的相關(guān)系數(shù)在B 區(qū)（0.64）和C 區(qū)（0.98）都較大，且隨著人類干擾程度的增強(qiáng)而增大。這與前文中這兩種離子的含量、占總離子量的比例都隨人類干擾程度加大且上升的研究結(jié)果一致。Ca2+與Cl-和與的相關(guān)系數(shù)也為正，且隨著人類干擾程度的增強(qiáng)而增大。這表明NaCl 是該區(qū)的主要鹽分類型，并且其含量與波動情況受人類干擾活動影響最大，其余主要鹽分為CaCl2、MgCl2和Na2SO4、CaSO4、MgSO4。

表7 不同干擾程度下土壤鹽分離子相關(guān)系數(shù)

2.4 不同干擾程度土壤鹽分離子聚類分析

雖然離子間的相關(guān)系數(shù)越高，相關(guān)性就越強(qiáng)，但難以通過相關(guān)性對其進(jìn)行分類，從而找出彼此獨立的有代表性的變量。而系統(tǒng)聚類法可計算出離子間的親疏程度：“距離”。隨后把距離相近的點歸為一類，距離較遠(yuǎn)的點歸為不同的類，再根據(jù)距離大小判斷主要變量［22］。采取“最短距離法”對不同干擾程度土壤鹽分離子分別進(jìn)行聚類分析，從而找出能夠代表某種干擾程度下的鹽分離子。

按照距離系數(shù)閾值3.5 作為分類標(biāo)準(zhǔn)，可將A、B、C 區(qū)的鹽分離子分為3、4、2 類（圖3）。A 區(qū)Ⅰ類：HCO3-、Mg2+、K+、Ca2+、Cl-，Ⅱ類：Na+，Ⅲ類：SO42-。B 區(qū)Ⅰ類：HCO3-、K+、Mg2+、Ca2+，Ⅱ類：Cl-，Ⅲ類：SO42-，Ⅳ類：Na+。C 區(qū)Ⅰ類：HCO3-、K+、Mg2+、Ca2+，Ⅱ類：。相 比 無人干擾區(qū)，中度人為干擾使鹽分離子間的整體性變差，類別增多，而重度人為干擾導(dǎo)致鹽分離子分異明顯，類別減少。A、B、C 3 區(qū)土壤離子間的最短距離值逐漸減小，分別為6.32、5.94、5.70，說明隨著人為干擾的增強(qiáng)，土壤離子間的“距離”變短，重度人為干擾土壤離子間關(guān)系最緊密，這也與前文相關(guān)性分析中該區(qū)離子間相關(guān)系數(shù)通過顯著性檢驗的離子對最多的結(jié)果相符。另外，根據(jù)聚類圖中被歸為最后一類的離子可知，A、B、C3 區(qū)土壤分別可取SO42-、Na+和Cl-反映鹽分離子變化情況，表明不同人為干擾程度下的土壤主要代表離子不同。這可能與人類干擾活動對土壤鹽分總量、土壤pH 值的影響等綜合因素有關(guān)。

圖3 不同干擾程度下土壤鹽分離子聚類分析圖

2.5 不同干擾程度土壤鹽分及主要離子空間分布規(guī)律

通過鹽分離子組成、濃度以及聚類分析可知，Cl-、Na+和SO42-3 種鹽分離子最能反映鹽分含量狀況，因此，將A、B、C 區(qū)土壤鹽分和Cl-、Na+和SO42-三維空間分布圖中所示含量按照插值結(jié)果范圍分為5 個等級，再將其空間分布圖進(jìn)行疊加，可得各區(qū)土壤鹽分與各離子含量同等級重疊的區(qū)域，計算重疊區(qū)域面積占全區(qū)面積的百分?jǐn)?shù)，即為各區(qū)土壤鹽分與離子的空間分布對應(yīng)度（表8）。無論何種干擾下土壤鹽分含量與SO42-含量分布的對應(yīng)度均為最低，與Cl-含量對應(yīng)度最高。不同程度人為干擾下土壤鹽分與離子含量的分布對應(yīng)度隨著干擾程度的加劇而增加，其中C 區(qū)對應(yīng)度增加明顯，相比A 區(qū)鹽分與Cl-、Na+和SO42-含量分布對應(yīng)度分別增加了46%、37%和44%，而B 區(qū)相比A 區(qū)僅增加13%、13%和15%。Cl-與Na+及SO42-與Na+在空間上的對應(yīng)度也是隨著人為干擾的增強(qiáng)而增大，重度干擾區(qū)內(nèi)Cl-與Na+的對應(yīng)度高達(dá)96%。說明重度干擾區(qū)內(nèi)人類的耕作、澆灌等措施對土壤鹽分和各種離子的含量分布影響顯著，使其高低值區(qū)分布在空間上趨向一致。這也進(jìn)一步表明離子與鹽分、離子之間的相關(guān)性不僅存在于統(tǒng)計學(xué)意義上，而且在空間上也十分顯著。

表8 不同程度干擾下土壤鹽分與離子含量空間分布對應(yīng)度（%）

3 討論

土壤鹽分是鹽漬化地區(qū)農(nóng)業(yè)和土壤科學(xué)研究中的重點，以往研究多是圍繞鹽漬化地區(qū)的耕地進(jìn)行，很少涉及到鹽漬土其他管理方式下鹽分含量的變化。不同管理措施下土壤受擾程度不同，對土壤鹽分的影響也有很大差異。例如耕地內(nèi)多種植一年生禾本科作物，每年都需對土壤進(jìn)行翻耕，而林地內(nèi)則為多年生植物，土壤不受翻耕擾動，多受澆灌影響。有研究證實蘋果園內(nèi)比玉米地土表鹽分更高［23］。因此不同干擾程度下土壤鹽分的累積或散失規(guī)律不同，對比研究有利于掌握其鹽分信息的差異，有助于鹽漬化地區(qū)的土壤改良。本文選取同一種類土壤不受干擾、中度干擾和重度干擾下鹽分和離子含量為研究對象進(jìn)行探究。

本研究中中度和重度干擾下土壤鹽分及離子含量均高于無人干擾區(qū)。這是由于無人干擾區(qū)植被生長旺盛，植物種類和數(shù)量均較大，地表植被覆蓋度較高，對土表有良好的水土保持作用，使土壤鹽分及離子含量保持在較低水平。

中度和重度干擾區(qū)對比，重度干擾下土壤鹽分和離子的含量更高、變異系數(shù)更大，各離子含量與鹽分總量、Na+與Cl-、Ca2+與Cl-、Na+與SO42-相關(guān)系數(shù)更大，說明重度干擾下的土壤具有顯著的鹽漬化增強(qiáng)趨勢。這是由于中度干擾區(qū)的干擾方式為種植翻耕，重度干擾區(qū)內(nèi)則是人工滴灌，表明該區(qū)土壤鹽分受水分影響較大。有研究表明土壤受到灌溉淋洗干擾后鹽分含量有所降低［24］，而本研究中人工林場內(nèi)采取滴灌措施，土壤鹽分的淀積或析出與大水漫灌方式不同，表現(xiàn)出部分樣點淋洗作用強(qiáng)烈，土表含鹽量較低，而部分樣點未受灌溉影響，土表積鹽嚴(yán)重，含鹽量較高的情況，從而導(dǎo)致該區(qū)土壤鹽分含量范圍較廣，變異性強(qiáng)，空間異質(zhì)性大。

一般來說，Na+是引起作物鹽害的主要鹽分離子，含量過多會抑制根系對K+、Mg2+等的吸收，使植物營養(yǎng)不良［25］。本研究土壤中Na+含量較多，在對該區(qū)土壤鹽漬化改良過程中可針對其進(jìn)行重點改造。另外，本文中Cl-含量增加比Na+顯著，有研究表明除Na+外，Cl-的積累也是植物發(fā)生鹽害的重要因子，它會抑制植物對HPO42-的吸收使植物營養(yǎng)失調(diào)而壞死［26-27］。因此在鹽漬土改良工作中要提高這方面的重視。

4 結(jié)論

本文以不同程度人類干擾下土壤鹽分和離子含量為研究對象，分析了土壤鹽分和離子在人類干擾影響下的含量及其相關(guān)性變化。具體結(jié)論如下：

（1）研究區(qū)土壤屬弱堿性強(qiáng)鹽漬化土。隨人類干擾的增強(qiáng)，土壤的堿性逐漸降低，鹽分值的空間異質(zhì)性越強(qiáng)，土壤鹽化等級分布也越廣，總體上鹽漬化程度加劇。3 種人為干擾土壤中Cl-、Na+和SO42-的含量較高。隨人為干擾的加劇Cl-和Na+的含量與濃度均逐漸增大，SO42-則是含量先增大再減小、濃度逐漸降低。其中Cl-的含量變化最劇烈，中度和重度人為干擾區(qū)的Cl-含量比無人干擾區(qū)分別高了67%和234%，Na+分別高了34%和86%。

（2）無論何種程度干擾下，鹽分含量與Cl-和Na+含量相關(guān)性都極顯著，與Mg2+顯著，且相關(guān)系數(shù)都隨人為干擾的增強(qiáng)而增大。鹽分與Cl-的相關(guān)系數(shù)變化最大，中度與重度人為干擾區(qū)比無人干擾區(qū)分別增加了51%和77%。所有離子間相關(guān)系數(shù)中，Cl-和Na+的相關(guān)系數(shù)最大，且隨著人類干擾的加劇而增大，重度干擾區(qū)內(nèi)達(dá)到0.98。NaCl 是人為干擾下影響鹽分總量的主要鹽類。

（3）離子與鹽分含量分布的對應(yīng)度隨著人為干擾的增強(qiáng)而升高，最高的為重度干擾區(qū)鹽分與Cl-，達(dá)到了89%。