艾比湖濕地不同植物群落下土壤全磷空間變異

朱海強, 李艷紅, 張小萌

(1.新疆師范大學 地理科學與旅游學院, 烏魯木齊 830054;2.新疆維吾爾自治區重點實驗室, 新疆干旱區湖泊環境與資源實驗室, 烏魯木齊 830054)

艾比湖濕地不同植物群落下土壤全磷空間變異

朱海強1,2, 李艷紅1,2, 張小萌1,2

(1.新疆師范大學 地理科學與旅游學院, 烏魯木齊 830054;2.新疆維吾爾自治區重點實驗室, 新疆干旱區湖泊環境與資源實驗室, 烏魯木齊 830054)

土壤磷素是植物生長所需的必要元素，研究土壤全磷的含量水平及空間分異規律可為濕地土壤肥力水平的評價和生態修復提供科學的理論基礎。以艾比湖濕地為研究對象，于2015年8月在環湖一周160 km范圍內系統采集土壤樣品296個，采用地統計學方法分析了不同植物群落土壤全磷的空間變異特征。結果表明：(1) 研究區土壤全磷含量變化范圍為0.46～1.64 g/kg，土壤全磷含量為梭梭群落>梭梭檉柳群落>蘆葦群落>胡楊群落，不同區域存在極顯著性差異；除梭梭—檉柳，胡楊群落外，其他群落土壤全磷垂直方向上表現為從表層向下遞減的趨勢，且各層土壤全磷含量差異性顯著；(2) 梭梭和梭梭—檉柳群落土壤全磷擬合模型均為高斯模型，胡楊和蘆葦群落為球狀模型，其空間分布相關性很強且空間變異性主要是由成土母質、地形、氣候等結構性因素引起；(3) 蘆葦群落土壤全磷隨土壤含水量增加呈降低變化，其他區域均呈增加的趨勢；梭梭—檉柳群落土壤全磷與土壤pH值呈線性降低趨勢，其他植物群落與土壤pH值呈線性增加的趨勢。總體而言，艾比湖濕地土壤全磷具有明顯的空間分布差異，與植被差異、pH值和土壤水分密切相關。

艾比湖; 全磷; 空間變異; Kriging插值

磷素是濕地生態系統中主要的限制性生態要素之一，在土壤中存在著多種形態，各形態間的轉換關系也較為復雜。磷素在土壤中移動性較差，是植物生長的主要限制因子[1]。磷含量及存在形態影響著濕地生態系統的生產力和生物地球化學過程[2]。國外學者研究了瑞士不同土地利用方式下土壤全磷的空間變異，發現農田、草地和高山牧場中土壤總磷差異顯著且永久草地土壤P含量最高，其中生物量對土壤總磷的影響較為顯著[3-4]。國內學者研究了太湖、洞庭湖和巢湖等淡水湖泊濕地和濱海濕地土壤碳、氮、磷的時空變化特征，結果表明，不同區域土壤磷素的空間分布具有明顯的斑塊狀特點及空間變異特征，不同的地形條件和土壤質地對全磷含量有很大的影響[5-12]。而對干旱區鹽堿化較重濕地土壤全磷的空間分布特征的研究還不多，發現內陸堿化濕地土壤全磷的異質性隨季節演替呈現不同的變化，而且干旱荒漠區旱生灌木根際土壤磷含量與非根際土壤磷含量差異顯著，同時根際、非根際土壤有效磷和pH值相關性顯著[13-14]。

圖1 研究區土壤采樣點

艾比湖濕地屬于典型的內陸高鹽湖泊濕地，對區域水資源的平衡、生物物種多樣性的保護以及區域經濟發展具有重要的意義。研究艾比湖濕地博河和精河下游小尺度上的堿解氮、速效鉀的空間分布特征，發現其含量水平屬于缺乏或及缺乏水平[15-16]，但對艾比湖大尺度不同植物群落土壤養分的研究相對較少，地統計學在大尺度上開展土壤屬性的空間變異及制圖研究已被廣泛應用[17]。為此，本文以梭梭—檉柳、梭梭、胡楊和蘆葦群落為研究對象，運用地統計學方法分析4種典型植物群落下土壤磷素的差異及空間分布特征，探索干旱區湖泊濕地土壤中養分的輸移、濕地生產力以及生物小循環等研究奠定基礎，以期為濕地生態修復與重建提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

艾比湖濕地位于新疆維吾爾自治區精河縣西北，地理坐標為82°36′—83°50′E，44°30′—45°09′N，其南、西、北三面環山，湖面海拔189 m，是準噶爾盆地西南部最低洼地和水鹽匯集中心。艾比湖濕地屬于典型的溫帶大陸性干旱氣候，年平均降水量約為105.17 mm，蒸發量為1 315 mm，湖水礦化度為124.5 g/L，隨著入湖水量的減少，湖泊面積由1 200 km2到目前500 km2左右，屬于典型的內陸咸水湖泊濕地。由于地處阿拉山口下風向，年平均大風天數為168 d，風沙、鹽塵和浮塵頻發。本文選擇以艾比湖湖心質點[18](44°52′32.77″N，83°2′18.34″E)為中心，在距離湖濱5～15 km范圍內環湖一周160 km，將艾比湖劃分為東北、東南、西南、西北4個區域。西北部為瑪依力山的延伸部分，由古生代和新生代的變質砂巖、礫巖、花崗巖等組成，基本為巖質荒漠；東北部由覆蓋于湖積平原之上的瑪依力山沖洪積物質經風蝕后形成，土壤類型屬于灰棕漠土，主要發育有梭梭、檉柳、胡楊等耐鹽堿植被；東南為河流沖積平原和湖積平原，同時疊加有風成地貌，該區地勢較為平坦，在老湖積平原上多形成鹽池及湖積堤；在西南湖濱區土壤重度鹽漬化和沙化，湖濱植被主要以蘆葦為主，植被覆蓋度為10%～20%，在博河和精河入湖口形成湖濱三角洲平原，土壤主要以粉砂和亞黏土為主，植被覆蓋度在60%以上，西北、東北、東南和西南4個區域的典型植被依次為梭梭—檉柳、梭梭、胡楊和蘆葦群落。

1.2 土壤樣品采集和分析

2015年8月，在艾比湖濕地內梭梭—檉柳、梭梭、胡楊和蘆葦典型植物群落下分別設置7，12，12，25個樣地，自下而上逐層采集土壤樣品，分0—5 cm，5—10 cm，10—20 cm，20—40 cm，40—60 cm五層，同時在一些特殊樣地適當增加60—80 cm，80—100 cm兩層土樣，共采集土壤樣品296個，詳細記錄采樣點的植被類型，經緯度坐標(圖1)。土壤含水量用烘干法，在105℃烘箱中將土樣烘至恒重；樣品經自然風干后，剔除石塊和植物根莖等雜物，經過磨細后，過20目篩，按照水土比5∶1，采用玻璃電極測定土壤pH值；過100目篩，用堿熔—鉬銻抗比色法測定土壤全磷。

1.3 數據統計分析

運用Excel 2003對數據進行整理，用SPSS 17.0進行統計分析，用非參數檢驗中的K-S檢驗分析數據是否符合正態分布，不符合正態分布的經過對數或其他方式變換成正態分布，將數據導入GS+9.0地統計軟件中，進行半方差函數擬合和地統計分析；運用ArcGIS 10.0軟件對數據進行Kriging插值。

2 結果與分析

2.1 不同植物群落下土壤全磷含量的描述性統計特征

對不同植物群落下土壤全磷含量進行描述性統計分析，由表1可知，梭梭—檉柳群落0—5，5—10，10—20，20—40，40—60 cm土壤全磷含量的平均值分別為0.95，0.84，0.94，0.93，0.89 g/kg,梭梭群落為1.11，0.98，1.04，0.99，0.95 g/kg，胡楊群落為0.75，0.65，0.63，0.68，0.62 g/kg，蘆葦群落為0.83，0.93，0.88，0.89，0.88 g/kg，土壤全磷含量變化范圍為0.46～1.64 g/kg，平均值為0.77 g/kg，其中梭梭群落>梭梭—檉柳群落>蘆葦群落>胡楊群落。土壤全磷在垂直剖面上因植物群落的不同而呈現出不同的變化趨勢，其中梭梭和蘆葦群落土壤全磷含量隨土層的增加而波動減少，梭梭—檉柳群落則呈現相反的趨勢，胡楊群落土壤全磷在垂直方向上則無明顯的規律。不同植物群落土壤全磷的變異系數為10.59%～25.83，屬于中等程度變異。其中，梭梭—檉柳群落變異系數隨土層的增加逐漸降低。單因素方差分析顯示，不同區域土壤全磷含量存在極顯著性差異(p=0.00<0.01)，296個土樣全磷含量的頻數統計表明：含量在0.6～0.9 g/kg的樣本頻數最多，按照全國第二次土壤普查標準，研究區土壤全磷含量處于偏高水平。

表1 不植物群落下不同深度土壤全磷含量的統計特征值

2.2 半方差函數分析

半方差函數是區域化變量在分隔距離上各樣本變異的度量，并被證明是研究那些在空間分布上既有隨機性又有結構性自然現象的有效工具[19]。對不同植物群落土壤全磷含量進行半方差函數分析，得到具體的數據參數(表2)。其中塊金值(C0)表示由于試驗誤差和小于取樣尺度引起的變異；基臺值(C0+C)表示總體的變異情況；塊金效應[C0/(C0+C) ]反映變量空間變異的來源，比值越大表明人為隨機性因素(灌溉、施肥、耕作等人為活動)的影響越明顯；反之結構性因素(母質、氣候、生物、地形等自然因素)的影響占主要地位。塊金效應<25%，說明系統具有強烈的空間相關性；塊金效應25%～75%，表明系統具有中等的空間相關性；塊金效應>75%，表明系統空間相關性很弱。由表2看出，梭梭—檉柳群落和梭梭群落土壤全磷含量擬合模型為高斯模型，胡楊群落和蘆葦群落擬合模型為球狀模型，且不同植物群落空間變異塊金值與基臺值之比均小于25%，表明全磷含量具有強烈的空間相關性，說明其空間變異性主要是由成土母質、地形、氣候等結構性因素引起。變程反映土壤性狀的空間相關有效距離，不同植物群落全磷的變程范圍為1.6～4.66 km，梭梭—檉柳群落明顯小于其他植物群落，表明其空間自相關距離最小。

2.3 不同植物群落土壤全磷含量的空間插值特征

通過Kriging插值法得到的不同植物群落下土壤各土層全磷的空間分布圖(圖2)。由圖2可知，0—5 cm和5—10 cm土壤全磷含量高值出現在梭梭群落，并逐漸向湖濱地帶降低，這主要與土壤母質和大面積梭梭林的分布有關，10—20 cm，20—40 cm和40—60 cm高值出現在東北部的梭梭群落和西南部的蘆葦群落，并呈條帶狀向湖濱逐漸遞減，由于在艾比湖精河入湖口實施的引水圍堰工程，使蘆葦濕地得到恢復，土壤養分不斷積累，土壤全磷含量相對較高。低值主要出現在胡楊群落，由于胡楊群落所在的阿奇克蘇河流域土壤鹽漬化較重，植被覆蓋度低，導致該區土壤養分含量較低。

表2 土壤全磷的半方差函數理論模型及相關參數

圖2各層土壤全磷空間分布

2.4 不同植物群落土壤全磷和土壤含水量、pH值之間的關系

土壤pH值是土壤鹽漬化程度的重要指標，通過影響微生物活動來影響土壤中磷的礦化。研究區土壤pH值變化范圍為7.01～9.17，平均值為7.85，變異系數為4.38%，屬于弱變異，表明研究區土壤屬于堿性土壤。土壤含水量變化范圍為0.99～255.19 g/kg，平均值為62.32 g/kg，表明研究區土壤水分較為缺乏，變異系數為93.31%，屬于中等變異，高值主要在河流沿岸、地下水位較高以及泉水外涌處。由圖3可知，蘆葦群落土壤全磷與土壤pH值呈正相關，與土壤含水量呈負相關；胡楊群落和梭梭群落土壤全磷與土壤含水量和pH值均呈正相關；檉柳—梭梭群落土壤全磷與含水量呈正相關，與pH值呈負相關。

3 討 論

通過對艾比湖濕地不同植物群落土壤(0—60 cm)全磷特征進行分析，土壤全磷變異系數變化范圍較大(6.34%～24.89%)，說明不同植物群落下全磷有較大的空間異質性；劉付程[10]、熊漢鋒[20]等對淡水湖泊濕地土壤養分的空間異質性研究得出，全磷的塊金值/基臺值范圍為25%～75%，主要受結構性因素和隨機性因素的共同影響，但在干旱區高鹽湖泊濕地土壤全磷的塊金值/基臺值均小于25%，表明是結構性因素起主導作用，這主要是由土壤類型、植物種類及人為干預程度的差異引起的。濕地類型不同，全磷隨土層深度的變化規律也不相同[6,21]，研究區土壤全磷含量在梭梭群落和蘆葦群落均隨土層深度的增加而減少，主要由于東北部梭梭林面積較大，蘆葦群落所在的西南部有精河、博河的流經，加之引水圍堰恢復工程使得該區域植被長勢良好，發達的根系能夠吸收深層地下的養分，而地表枯落物的腐爛也增加了表層土壤全磷的積累，已有研究表明地表徑流輸入、凋落物分解及濕沉等因素使全磷表聚現象更顯著[5]。梭梭—檉柳群落全磷含量則隨土層深度的增加而增加，一方面是由于該區域植被覆蓋度低，另一方面大風的吹蝕作用和蒸發作用強烈，導致土壤表層養分含量較低；胡楊群落土壤的鹽漬化程度高，對植物生長產生抑制作用[21]，植被覆蓋度較低，地下水礦化度達6.79 g/L，導致該區域全磷含量在垂直方向上無明顯的變化規律。

圖3不同群落土壤全磷與土壤pH值和含水量的相關關系

根據不同植物群落土壤全磷的空間分布圖可知，研究區全磷在0—10 cm和10—60 cm深度上的空間分異特征具有不一致性。兩者的高值區分別出現在低山區的梭梭群落及蘆葦群落，東北部梭梭群落覆蓋面積較大，磷元素輸入較多[22]，土壤中的磷素經雨水淋溶后在該區域聚集，使得全磷含量較高；低值區均出現在胡楊群落，東南部的胡楊群落風成地貌發育典型，植被較為稀疏，土壤鹽漬化較重，黏粒含量相對較低，導致全磷含量相對較低[23]。前期對淡水湖泊土壤的研究認為全磷與pH值存在負相關關系[24]，而艾比湖濕地除梭梭—檉柳群落，其他植物群落全磷與pH值均呈正相關關系，這主要是因為艾比湖濕地土壤均呈堿性，pH值高于淡水湖泊，這種差異導致土壤對磷的釋放與吸附功能不同[5]。有研究認為河口濕地土壤全磷與含水量之間無顯著的相關關系[25]，而在艾比湖濕地除蘆葦群落，其他3種群落土壤全磷與含水量均呈正相關關系，這主要是與濕潤區相比，干旱區土壤含水量較低，土壤水分在一定范圍內對植物的生長和磷元素的轉化作用較為顯著，但當土壤含水量過高時可能會導致其對磷元素的影響減弱[26]，從而使二者呈現出不同的相關關系。艾比湖濕地自然保護區的成立，使得該區域受人為活動影響減弱，自然過程是土壤屬性空間變異的內在驅動力，土壤母質、地形、氣候、土壤類型以及植物群落等自然因素往往在不同方向上加強和提高了土壤屬性的空間變異結構性和相關性，在較大尺度空間上表現更為明顯。

4 結 論

(1) 不同植物群落下土壤全磷含量變化范圍為0.46～1.64 g/kg，其中梭梭群落>梭梭—檉柳群落>蘆葦群落>胡楊群落，屬于中等程度變異。梭梭和蘆葦群落土壤全磷含量隨土層的增加呈遞減的趨勢，梭梭—檉柳群落則相反，胡楊群落在垂直方向上變化不大。且各層土壤全磷含量差異性顯著，屬于中等程度變異。

(2) 檉柳—梭梭群落和梭梭群落土壤全磷含量擬合模型為高斯模型，胡楊和蘆葦群落為球狀模型，全磷含量具有強烈的空間相關性，表明其空間變異性主要是由成土母質、地形、氣候等結構性因素引起。土壤全磷含量高值在東北部的梭梭群落并向湖濱呈條帶狀逐漸降低，低值主要出現在胡楊群落，阿奇克蘇河流域土壤全磷含量最低。引水圍堰生態恢復措施使蘆葦濕地得到恢復，該區土壤全磷含量相對較高。

(3) 艾比湖濕地土壤全磷與土壤含水量和土壤pH值相關性不盡相同，其中梭梭—檉柳群落土壤全磷與pH值呈負相關，與土壤含水量呈正相關；梭梭和胡楊群落全磷與pH值和含水量呈正相關；蘆葦群落土壤全磷與pH值呈正相關，與土壤含水量呈負相關。

[1] 王國平.濕地磷的生物地球化學特性[J].水土保持學報,2004,18(4):193-195,199.

[2] 熊漢鋒,王運華.濕地碳氮磷的生物地球化學循環研究進展[J].土壤通報,2005,36(2):240-243.

[3] Du F, Liang Z S, Xu X X, et al. Community biomass of abandoned farmland and its effects on soil nutrition in the Loess hilly region of Northern Shaanxi, China[J]. Acta Ecologica Sinica, 2007,27(5):1673-1683.

[4] Rogera A,Libohovab Z,Rossier N,et al. Spatial variability of soil phosphorus in the Fribourg canton, Switzerland[J]. Geoderma,2014,217/218:26-36.

[5] 肖蓉,白軍紅,高海峰,等.封閉性和開放性沼澤濕地土壤全磷的季節變化特征[J].草業學報,2010,19(3):88-93.

[6] 羅先香,敦萌,閆琴.黃河口濕地土壤磷素動態分布特征及影響因素[J].水土保持學報,2011,25(5):154-160.

[7] 孫惠民,何江,高興東,等.烏梁素海沉積物中全磷的分布特征[J].沉積學報,2006,24(4):579-584.

[8] 翟金良,何巖,鄧偉.向海洪泛濕地土壤全氮、全磷和有機質含量及相關性分析[J].環境科學研究,2001,14(6):40-43.

[9] 張國耀,程先富,鮑偉佳,等.小流域土壤有機質和全磷空間變異分析:以安徽省舒城縣龍潭小流域為例[J].應用與環境生物學報,2011,17(2):169-173.

[10] 劉付程,史學正,潘賢章,等.太湖流域典型地區土壤磷素含量的空間變異特征[J].地理科學,2003,23(1):77-81.

[11] 路鵬,彭佩欽,宋變蘭,等.洞庭湖平原區土壤全磷含量地統計學和GIS分析[J].中國農業科學,2005,38(6):1204-1212.

[12] 周慧平,高超,孫波,等.巢湖流域土壤全磷含量的空間變異特征和影響因素[J].農業環境科學學報,2007,26(6):2112-2117.

[13] 白軍紅,王慶改,黃來斌,等.內陸堿化濕地土壤有機質和全磷的時空分布特征[J].海洋湖沼通報,2010,(4):34-40.

[14] 薛梓瑜,周志宇,詹媛媛,等.干旱荒漠區旱生灌木根際土壤磷變化特征[J].生態學報,2010,30(2):341-349.

[15] 艾尤爾·亥熱提,王勇輝,海米提·依米提.艾比湖濕地土壤堿解氮的空間變異性分析[J].土壤,2014,46(5):819-824.

[16] 艾尤爾·亥熱提,王勇輝,海米提·依米提.艾比湖濕地土壤速效鉀的空間變異性分析[J].土壤通報,2015,46(2):375-381.

[17] 王紹強,朱松麗,周成虎.中國土壤土層厚度的空間變異性特征[J].地理研究,2001,20(2):161-169.

[18] 李磊,李艷紅,陳成賀日,等.1972—2011年期間艾比湖面積變化研究[J].濕地科學,2014,12(2):263-267.

[19] 王政權.地統計學及其在生態學中的應用[M].北京:科學出版社,1999.

[20] 熊漢鋒,王運華.梁子湖濕地土壤養分的空間異質性[J].植物營養與肥料學報,2005,11(5):584-589.

[21] 閆培鋒,周華榮,劉宏霞,等.白楊河—艾里克湖濕地土壤理化性質的空間分布特征[J].干旱區研究,2008,25(3):406-412.

[22] 劉文杰,陳生云,等.疏勒河上游土壤磷和鉀的分布及其影響因素[J].生態學報,2012,32(17):5429-5437.

[23] 賈振宇,張俊華,丁圣彥,等.基于GIS和地統計學的黃泛區土壤磷空間變異:以周口為例[J].應用生態學報,2016,27(4):1212-1220.

[24] 朱紅霞,陳效民,杜臻杰.太湖地區水稻土磷素空間變異特征的研究[J].土壤通報,2010,41(3):573-576.

[25] 丁秋祎,白軍紅,高海峰,等.黃河三角洲濕地不同植被群落下土壤養分含量特征[J].農業環境科學學報,2009,28(10):2092-2097.

[26] 膠州灣濕地生態系統碳氮磷含量及生態化學計量學特征[D].山東青島:青島大學,2014.

SpatialVariabilityofSoilTotalPhosphorusinDifferentPlantCommunitiesofEbinurLakeWetland

ZHU Haiqiang1,2, LI Yanhong1,2, ZHANG Xiaomeng1,2

(1.CollegeofGeographicScienceandTourism,XinjiangNormalUniversity,Urumqi830054,China; 2.KeyLaboratoryofXinjiangUygurAutonomousRegion，XinjiangLaboratoryofLakeEnvironmentandResourcesinAridArea,Urumqi830054,China)

Soil phosphorus is the necessary element for plant growth. Understanding the content and spatial distribution of total phosphorus in soil can provide a scientific basis for the evaluation of soil fertility and ecological restoration of wetland ecosystem. The wetland in Lake Ebinur was selected as the study area. In August 2015, 296 soil samples were collected in circle of Lake about 160 km. Soil total phosphorus contents were examined by geostatistical analysis method in order to reveal the spatial distributions of different plant communities. Results showed that soil total phosphorus contents ranged from 0.46 to 1.64 g/kg and decreased in the order:Haloxyloncommunities>Haloxylon-Tamarixcommunities>Phragmitescommunities>Euphraticacommunities, soil total phosphorus contents were significantly different in different communities. With the exception ofEuphraticaandHaloxylon-Tamarixcommunities, contents of soil total phosphorus generally decreased with increase of depth in other communities. Significant differences were observed for soil total phosphorus contents in different soil layers. The optimal fitting model of total phosphorus is Gaussian inHaloxyloncommunity andHaloxylon-Tamarixcommunity while spherical model can describe the distribution of soil total phosphorus inEuphraticacommunity andPhragmitescommunity, the spatial variation of total phosphorus is strong and influenced by structural factors such as parent material, terrain and climate. The correlation between total phosphorus and soil moisture inPhragmitescommunity was negative while the correlations were positive in the others. The correlation between total phosphorus and pH value inHaloxylon-Tamarixcommunity was negative while the correlations were positive in the others. Overall, the total phosphorus content in Ebinur Lake wetland presents obvious spatial distribution, which is closely related to vegetation patterns, pH value and soil moisture.

Ebinur Lake; total phosphorus; spatial variability; Kriging

2016-12-21

：2017-02-24

國家自然科學基金項目(41561104);新疆師范大學地理學博士點支撐學科資助(XJNU-DL-201617)

朱海強(1992—),男,甘肅寧縣人,碩士研究生,主要從事干旱區資源開發與規劃研究。E-mail:974467061@qq.com

李艷紅(1977—),女,新疆石河子人,教授,博士,研究方向:干旱區環境演變。E-mail lyh0704@126.com

S153.6+1;X825

：A

：1005-3409(2017)05-0045-06