呼倫貝爾草原輝河濕地表層土壤鹽分分布特征

靳三玲， 鄭志榮， 刁兆巖， 王 旭,2， 馬 普,3， 呂世海*

(1.中國環(huán)境科學(xué)研究院， 北京 100012； 2.蘭州大學(xué)， 甘肅 蘭州 730000； 3.北京林業(yè)大學(xué)， 北京 100083)

濕地是陸地與水體的過渡地帶，兼具豐富的陸生和水生動植物資源，在應(yīng)對氣候變化、應(yīng)對極端天氣、凈化水體環(huán)境、供應(yīng)涵養(yǎng)水源等方面具有重要作用，是世界上最有價值的自然系統(tǒng)[1]，被譽為“地球之腎”。但近年來，在全球氣候變化與人類活動的作用下，濕地鹽漬化在全球范圍內(nèi)廣泛發(fā)生，其速度遠超鹽堿度的自然變化，對濕地生態(tài)系統(tǒng)造成了深遠影響。

濕地鹽漬化機制隨氣候、地貌環(huán)境、人為干擾類型等影響因素的不同存在差異[2]。已有研究表明：湖泊及地下水水位的頻繁升降是決定湖濱濕地土壤鹽漬化范圍及程度的主要誘因[3]；荒漠綠洲濕地的蒸散發(fā)作用是土壤表層積鹽的主要驅(qū)動力，而地下水波動影響著濕地脫鹽、洗鹽過程[4]；濱海濕地土壤鹽分的來源主要為海水，受周期性海水侵蝕的影響，土壤鹽漬化程度較高[5]。濕地土壤鹽漬化分布特征作為土壤鹽漬化研究的重要內(nèi)容[5]，眾多學(xué)者針對濱海濕地[6-8]、湖泊濕地[9-11]、綠洲濕地[4,12]等濕地類型進行了研究，內(nèi)容涉及空間及不同植被覆蓋、季節(jié)、土地利用類型下的分布特征，而對于草原濕地鹽漬化的研究相對較少。

草原濕地具有獨特的水文、土壤、生物特征及功能，是流域中許多重要河流的發(fā)源地，在維系干旱地區(qū)生態(tài)安全方面起著重要作用[13-14]。作為草原濕地的重要類型，河流濕地受河流周期性的影響，其水文特征具有強烈的異質(zhì)性，在年內(nèi)、年際間存在顯著差異[15]，使?jié)竦佧}分分布特征也隨之受到影響。

輝河濕地地處呼倫貝爾草原南部半干旱氣候區(qū)，是內(nèi)蒙古東部草原區(qū)最大的一條帶狀草本濕地[16]，也是東北亞地區(qū)最重要的草原濕地生態(tài)系統(tǒng)。近年來，輝河濕地的生態(tài)環(huán)境呈現(xiàn)逐年惡化的趨勢，濕地土壤與水體鹽漬化現(xiàn)象逐年顯現(xiàn)。目前，關(guān)于輝河濕地的研究報道多集中于土壤養(yǎng)分[15-16]、生物多樣性[17]、生態(tài)系統(tǒng)健康[18]、景觀格局[19]等方面，針對輝河濕地土壤鹽漬化特征及其成因等研究尚未見報道。本研究以輝河濕地為研究區(qū)，通過測定河流上、中、下游不同淹水條件下表層土壤鹽分種類及含量等指標(biāo)，旨在揭示輝河濕地不同淹水狀態(tài)下表層土壤鹽分的分布特征，為草原濕地鹽漬化治理與生態(tài)修復(fù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

輝河發(fā)源于大興安嶺南段霍瑪拉胡爾敦山東北2 km處，沿西北向流至莫達木吉后再折轉(zhuǎn)向北歸入伊敏河，總體呈新月狀，河道形狀曲折，有大小支流61 條[22]；流域植被有森林、草原、濕地多種類型。輝河濕地坐標(biāo)：48°05′10″～49°17′00″ N，118°30′47″～119°45′27″ E，行政區(qū)隸屬內(nèi)蒙古呼倫貝爾市鄂溫克族自治旗，濕地面積約1.167×103km2。中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬季寒冷漫長，夏秋季溫潤短促，降水集中，春季干旱多風(fēng)，氣溫變化劇烈。全年平均降水量300～350 mm，其中約70%集中于6—8月。

1.2 試驗取樣設(shè)計

對輝河濕地實地踏查后，2020年7—8月，沿河流干道設(shè)置5個樣區(qū)，分別為源頭(S1)、上游(S2)、中游(S3)、下游(S4)、匯水口(S5)。在每個樣區(qū)內(nèi)，沿河中心向岸堤設(shè)置3塊樣地，分別為長期淹水樣地(wetted plot，W)、干濕交替樣地(wetting-drying plot，WD)、未淹水樣地(dried plot，D)，如圖1所示。每塊樣地內(nèi)隨機選取3個1 m×1 m的調(diào)查樣方，進行植被學(xué)調(diào)查，并分層(0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm，30～60 cm)采集土壤樣品。本文僅針對表層土壤(0～10 cm)進行分析。

圖1 研究區(qū)位置及采樣點分布

1.3 測定方法

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法

采用Excel 2010，進行數(shù)據(jù)整理。使用R語言進行描述性統(tǒng)計特征分析，包括采樣數(shù)、最大值、最小值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)?？紤]不同淹水狀態(tài)及河流不同區(qū)域間土壤理化性質(zhì)的差異，進行單因素方差分析比較。采用Pearson相關(guān)分析法分析土壤理化性質(zhì)間的相關(guān)性。利用主成分分析法得到土壤鹽漬化的主要特征因子，并使用Origin 2018 Pro進行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 輝河濕地土壤鹽漬化總體特征

2.1.1土壤理化性質(zhì)的描述性統(tǒng)計特征 對輝河濕地表層土壤(0～10 cm)理化性質(zhì)及鹽分進行描述性統(tǒng)計分析，結(jié)果見表1。輝河濕地表層土壤pH值變化范圍為6.21～10.01，平均值為8.38，總體呈堿性。

表1 輝河濕地表層土壤理化性質(zhì)的描述性統(tǒng)計特征

2.1.2土壤鹽漬化程度 參照土壤鹽化分級標(biāo)準(zhǔn)[26]，輝河濕地有62.5%的土壤處于鹽化狀態(tài)，其中鹽化土、強度鹽化土、中度鹽化土、輕度鹽化土所占比例分別為8.33%，8.33%，29.17%，16.67%，且鹽漬化程度由源頭至匯水口不斷加深(圖2a)；而堿化土壤所占比例較低，僅有4.17%為弱堿化土壤，集中分布于匯水口(圖2b)。

參照草甸鹽土的土屬劃分標(biāo)準(zhǔn)[26]，輝河濕地土壤鹽化類型主要為硫酸鹽鹽土，所占比例高達70.83%，其次為氯化物-硫酸鹽鹽土，僅占23.61%(表2)。

圖2 輝河濕地表層土壤鹽土與堿土占比

表2 輝河濕地表層土壤土屬類型

2.2 輝河濕地不同淹水狀態(tài)下理化性質(zhì)分析

2.2.1不同淹水狀態(tài)下土壤理化性質(zhì) 如圖3所示，土壤SBD在上游(S2)最高，達1.6～1.8 g·cm-3；土壤SMC以上游(S2)最低，僅有10%～20%；土壤EC自上而下沿源頭至匯水口呈遞增趨勢，在匯水口(S5)D淹水狀態(tài)下達最高，為16.653 g·kg-1；而土壤pH沿河流區(qū)域呈較大波動。

不同淹水狀態(tài)下土壤SMC在源頭(S1)、上游(S2)區(qū)域表現(xiàn)為WD>W>D，在中游(S3)表現(xiàn)為D>WD>W，在下游(S4)及匯水口(S5)則表現(xiàn)為W>WD>D；土壤SBD由于受多方面因素的影響，在3種淹水狀態(tài)下變化不規(guī)律；土壤pH值除上游(S2)W，WD淹水狀態(tài)與D淹水狀態(tài)兩兩差異顯著(P<0.05)外，在其余區(qū)域3種淹水狀態(tài)下均差異顯著(P<0.05)；各區(qū)域土壤EC在3種淹水狀態(tài)下均差異顯著(P<0.05)；隨淹水狀態(tài)的改變，土壤EC與pH的變化趨勢基本一致，在源頭(S1)、上游(S2)及下游(S4)區(qū)域呈先增大后減小的趨勢，在中游(S3)及匯水口(S5)則表現(xiàn)為急劇增加。

圖3 輝河濕地表層土壤理化性質(zhì)對淹水狀態(tài)的響應(yīng)

2.2.2不同淹水狀態(tài)下土壤鹽分分布特征 由表3可知，土壤TS沿源頭至匯水口呈增加趨勢，可見輝河濕地下游的鹽漬化程度明顯高于上游區(qū)，這與圖2分析結(jié)果一致。差異顯著性檢驗結(jié)果表明，除上游(S2)外，其余區(qū)域土壤TS在不同淹水程度(W，WD)下差異顯著(P<0.05)。淹水土壤TS顯著低于未淹水土壤TS；在鹽化最嚴(yán)重的匯水口(S5)，W，WD淹水狀態(tài)土壤TS較D淹水狀態(tài)分別減少37.28%，69.22%，表明淹水對表層土壤鹽分具有強烈的淋洗作用。

表3 輝河濕地表層土壤鹽分含量對淹水狀態(tài)的響應(yīng)

2.2.3不同淹水狀態(tài)下土壤鹽離子遷移特征 輝河濕地土壤中陽離子濃度由高到低的順序為Na+>Mg2+>K+>Ca2+(表1)，因此分析陽離子占比時將(K++Ca2+)作為整體比較；同時為了更好的研究不同淹水狀態(tài)下離子組成的變化規(guī)律，選取鹽化較為嚴(yán)重的中游(S3)至匯水口(S5)進行分析，如圖4所示。

圖4 土壤鹽離子占比圖

2.3 土壤鹽分離子主成分分析

對土壤總鹽、鹽分離子與理化性質(zhì)進行主成分分析，獲取具有代表性和限制性的土壤鹽漬化因子，分別計算3種淹水狀態(tài)下的主成分，結(jié)果如表4所示。

表4 不同淹水狀態(tài)主成分方差矩陣和載荷矩陣

在W淹水狀態(tài)下，第一主成分中除SBD為負載荷外，其余均為正載荷，表明該成分可綜合反映輝河濕地的土壤鹽漬化狀況；第一主成分與SMC為正載荷，說明鹽分處于不斷積聚狀態(tài)；同時，載荷最大的陽離子分別為Na+，K+，而陰離子為Cl-，反映出該區(qū)域土壤鹽漬化的鹽分主要為氯化物。第二主成分與pH，SAR，ESP因子載荷較大，分別為0.324，0.228，0.141，表明這3個指標(biāo)在一定程度上也影響著該區(qū)域土壤的鹽漬化程度，代表土壤的堿度。

3 討論

受環(huán)境本底(包括河流斷面、地表水與地下水礦化度等)和淹水狀態(tài)的共同影響，輝河濕地62.5%的土壤處于鹽化狀態(tài)，土壤鹽化類型以硫酸鹽鹽土為主，且鹽漬化程度由源頭至匯水口逐漸加深。河流中所攜帶的可溶性鹽受山地母質(zhì)和地形的影響，在河流不同區(qū)域間差異顯著(P<0.05)。而水流對土壤鹽分的聚集以及分布起到了至關(guān)重要的作用。本研究發(fā)現(xiàn)淹水后土壤TS顯著降低；與周斌[28]、徐海量[29]等研究結(jié)果相一致，是因為淹水實質(zhì)為對鹽分的淋溶。但若土壤長期處于淹水狀態(tài)，加之氣候干旱、蒸發(fā)強烈，土壤鹽分雖有淋溶過程，但隨地下水的不斷抬升，伴有返鹽現(xiàn)象，造成部分?jǐn)嗝嫱寥繲S表現(xiàn)為W>WD。淹水狀態(tài)的改變導(dǎo)致土壤中水分的運動方向由水平運動改為上行運動為主，造成“鹽隨水來，水走鹽存”的局面[30]，且淹水程度會對鹽分的積聚作用產(chǎn)生影響，最終不同程度地加劇了輝河濕地土壤的鹽漬化。

4 結(jié)論