博斯騰湖西岸湖濱帶不同植被類型土壤剖面鹽分特征分析

李 志,李新國,毛東雷,麥麥提吐爾遜·艾則孜

(1.新疆師范大學 地理科學與旅游學院，烏魯木齊 830054；2. 新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源實驗室，烏魯木齊 830054)

土壤鹽分在剖面中的分布狀況綜合反映了母質(zhì)、氣候、地形、植被、地下水等自然因素以及人類活動作用于鹽分運移的結(jié)果，可以預(yù)測鹽堿土未來發(fā)展的動向[1-2]。植被類型往往與土壤含鹽量及離子種類密切相關(guān)，存在相互影響和制約的關(guān)系，而且鹽分的積聚改變植物生長環(huán)境，促進植物類型向鹽生、荒漠類型轉(zhuǎn)變，導致生態(tài)環(huán)境惡化[3]。湖濱帶是介于湖泊水體和陸地之間的過渡區(qū)域，具有特殊的土壤、植被和水文特征[4]。不同地區(qū)土壤母質(zhì)、地形地貌與鹽漬化成因有所不同，因而土壤剖面的鹽分類型狀況、鹽基離子組成及相關(guān)性不同[5-6]。前人對不同地區(qū)土壤剖面鹽分特征、理化性質(zhì)及其影響因素方面進行大量研究[7-10]。許爾琪等[11]通過經(jīng)典統(tǒng)計和聚類分析等方法，利用歐氏距離對伊犁新墾區(qū)土壤剖面自然發(fā)生層鹽分特征進行定量研究并識別其鹽分剖面類型。李寶富等[12]利用聚類分析和相關(guān)分析對新疆奇臺縣綠洲不同耕種時間下土壤剖面鹽分動態(tài)變化規(guī)律及其影響因素進行研究，認為隨著耕種時間的加長，土壤剖面鹽分變化由表聚型向底聚型過渡。李鵬等[13]通過引入聚集系數(shù)、變異系數(shù)、分形維數(shù)等參數(shù)探討沿海灘涂土壤剖面鹽分分布特征及其與土壤質(zhì)地的關(guān)系。趙蘭坡等[14]通過野外采樣和室內(nèi)分析，探討松嫩平原不同利用方式的蘇打鹽漬剖面形態(tài)特征、可溶鹽質(zhì)量分數(shù)與組成的剖面變化。宋江輝等[15]通過構(gòu)建土壤剖面鹽分與電導率信息精確解譯模型，分析莫索灣灌區(qū)不同土壤質(zhì)地鹽分差異性。但這些研究主要集中在不同地區(qū)土壤鹽分、理化性質(zhì)及其相關(guān)性方面，而從不同植被土壤剖面鹽質(zhì)量分數(shù)及剖面分布、土壤鹽分離子種類及其與土壤電導率之間關(guān)系鮮見報道。

針對湖濱帶不同植物土壤剖面鹽分特征研究是土壤資源可持續(xù)開發(fā)利用的基礎(chǔ)[16]。本研究以博斯騰湖西岸湖濱帶為研究區(qū)，基于該區(qū)的植被類型及分布狀況，結(jié)合野外調(diào)查，選取檉柳地、蘆葦?shù)?、裸地、楊樹地、辣椒?種典型植被類型的土壤，通過聚類分析、主成分分析和相關(guān)分析等方法，以探討其含鹽量、各鹽分離子在剖面上的變化類型和分布特征及其與電導率之間的耦合關(guān)系，為干旱區(qū)綠洲區(qū)域鹽漬化土地的管理、可持續(xù)開發(fā)與利用提供支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

博斯騰湖西岸湖濱帶位于新疆焉耆盆地，行政區(qū)域隸屬于新疆巴音郭楞蒙古自治州博湖縣，地理位置為41°45′～42°10′，86°15′～86°55′，是博斯騰湖水體和陸地之間的過渡區(qū)域，為典型山前湖泊綠洲，具有特殊的土壤、植被和水文特征。氣候特征表現(xiàn)為熱量充足，日照長，降水稀少，蒸發(fā)強烈，年均氣溫達9.03 ℃，多年平均降水量83.5 mm，年蒸發(fā)量高于2 000 mm，其蒸降比高達 40∶1，屬于南北疆過渡的典型大陸荒漠性氣候[17]。研究區(qū)土壤類型主要有棕漠土、草甸土、沼澤土、灌耕潮土、鹽土、風沙土等。植被類型主要有檉柳(Tamarixramosissima)、蘆葦(Phragmitesaustralis)、楊樹(Populus)，農(nóng)作物主要以色素辣椒(Capsicum)等為主。研究區(qū)地下水平均埋深2.0～3.0 m[18]。由于獨特的地理位置，干旱的氣候荒漠條件，活躍的地表水及地下水補給，富含鹽分的母質(zhì)環(huán)境以及人類活動，使得研究區(qū)土壤鹽漬化較為普遍。研究區(qū)地理位置見圖1。

圖1 研究區(qū)示意圖Fig.1 Sketch map of the study area

1.2 土壤樣品采集

在GPS技術(shù)支持下，通過土壤圖、地形圖、土地利用圖輔助進行野外調(diào)查和選點?；谘芯繀^(qū)地形、地貌與植被類型現(xiàn)狀[19]，結(jié)合野外調(diào)查，于2015-07-05至2017-07-10進行采樣。分別選取研究區(qū)地勢平坦區(qū)域的檉柳地、蘆葦?shù)亍顦涞?、辣椒?種不同植被類型土壤剖面樣地為研究對象，以長期未利用的裸地為對照，研究區(qū)樣地基本情況見表1。每種植被類型下設(shè)置6個10 m×10 m 的不同樣區(qū)，每一樣區(qū)采用“S”型線路隨機選取，樣區(qū)間距一般不小于10 m，每個樣區(qū)重復采掘土壤剖面3個。檉柳地、蘆葦?shù)?、裸地、楊樹地、辣椒地的樣地分別編號a～e；不同樣區(qū)分別編號1～6，詳細記錄樣區(qū)的地形地貌和土壤剖面特征。土壤剖面自上而下每隔10 cm逐層采集土樣，將每一樣區(qū)3個剖面同一層次的土樣充分混和去除植物根系和殘渣，利用四分法取約200 g裝袋，共計樣品300份，待帶回實驗室進行理化分析。采集的土樣在實驗室內(nèi)自然風干后磨碎過1 mm 篩待測量相關(guān)指標。

表1 樣地基本信息Table 1 Basic information of sample plots

1.3 測定指標與方法

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用統(tǒng)計分析軟件SPSS 18.0，以歐氏距離系數(shù)作距離標準，對30個樣區(qū)進行Q型聚類分析，劃分土壤鹽分剖面類型。針對樣品土壤化學分析結(jié)果，通過對比分析反映不同植被類型土壤剖面鹽分離子組成特征，并利用主成分分析獲取鹽分狀況特征因子；最后利用相關(guān)分析和回歸分析方法表征鹽分離子相關(guān)性及其與電導率耦合關(guān)系。使用ArcGIS 10.2軟件進行制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤剖面鹽分類型的聚類分析

由圖2可知，當歐式距離為15時，研究區(qū)不同植被類型土壤剖面鹽分類型可以劃分為3類。由圖3可知，按照土壤剖面鹽分特征可以明確劃分為表聚型鹽分剖面(SAP)、震蕩型鹽分剖面(OP)、平均型鹽分剖面(EDP)3類。

檉柳地和裸地土壤剖面鹽分特征為表聚型(SAP)。從圖3-A可知，該類土壤剖面鹽分的主要特征是0～20 cm土層鹽分質(zhì)量分數(shù)較高，土壤含鹽量隨剖面深度增加呈現(xiàn)逐漸降低趨勢。由表2可知，此類剖面平均鹽分質(zhì)量分數(shù)最高，為2.35 g/kg，其變化幅度為6.33 g/kg，變異系數(shù)最大，為61.28%，且剖面表聚系數(shù)最大為32.96%，是底聚系數(shù)的4.45倍，表明檉柳地和裸地土壤剖面鹽分質(zhì)量分數(shù)偏高，表層聚集現(xiàn)象嚴重，且各層分布不均勻。由于研究區(qū)特定氣候水分特征，土壤積鹽方向發(fā)展的可能較大[21-22]。蘆葦?shù)赝寥榔拭纣}分特征屬于震蕩型(OP)。從圖3-B可知，該類剖面鹽分質(zhì)量分數(shù)隨著深度呈現(xiàn)一個或多個“之”字型無規(guī)律波動狀態(tài)，變化較為復雜。剖面平均鹽分質(zhì)量分數(shù)為1.98 g/kg，略低于表聚型，其變化幅度為2.33 g/kg，變異系數(shù)30.05%，遠低于表聚型，略高于平均型，剖面表聚系數(shù)12.09%，與底聚系數(shù)差值為4.04%。楊樹地和辣椒地土壤剖面鹽分特征屬于均勻型(EDP)。由圖3-C知，該類剖面土壤含鹽量隨深度差異變化較??；與前兩剖面類型相比，平均鹽分質(zhì)量分數(shù)最低(1.12 g/kg)，且在垂直方向上分布均勻，變異系數(shù)最低(18.26%)，且剖面表聚系數(shù)(13.07%)，與底聚系數(shù)(11.48%)均不大，表明鹽分表聚和底聚現(xiàn)象并不明顯，土壤積鹽和脫鹽趨勢趨于穩(wěn)定，可能是由于人工造林、耕種、灌溉、施肥等因素影響下形成。

圖2 土壤鹽分剖面類型的聚類分析Fig.2 Cluster analysis of profile typesfor soil salinity

圖3 3種不同類型的土壤剖面的鹽分特征Fig.3 Salt characteristics of three types soil profiles

剖面類型Profiletype最大值/(g/kg)Max最小值/(g/kg)Min極差/(g/kg)Range均值/(g/kg)Average標準差/(g/kg)SD變異系數(shù)/%CV表聚系數(shù)/%Coefficientofsurfaceaccumulation底聚系數(shù)/%Coefficientofbottomaccumulation表聚型SAP6．910．586．332．351．4461．2832．967．40震蕩型OP3．361．042．331．980．5830．0512．098．05均勻型EDP1．620．690．931．120．2118．7513．0711．48

2.2 不同植被類型土壤平均鹽分垂直分布特征

由圖4可知，裸地土壤剖面平均含鹽量隨著深度增加而逐漸減少，由表層(0～10 cm)的5.70 g/kg 逐漸減少至底層(90～100 cm)的1.02 g/kg，變化幅度較大，變異系數(shù)為67.93%(表3)，表現(xiàn)出一定的表聚現(xiàn)象，表層0～20 cm鹽分質(zhì)量分數(shù)為8.37 g/kg，占整個剖面41.19%。這是在研究區(qū)無植被覆蓋下土壤鹽分的典型分布特征。對比不同植被類型土壤剖面平均鹽分特征，檉柳地土壤剖面表層0～10 cm鹽分質(zhì)量分數(shù)最大，為5.95 g/kg，垂直方向上呈現(xiàn)先減少后遞增趨勢，變幅為4.41 g/kg，變異系數(shù)為50.46%，僅次于裸地，其中0～20 cm鹽分質(zhì)量分數(shù)為9.79 g/kg，占整個剖面鹽分質(zhì)量分數(shù)36.64%，具有明顯表聚現(xiàn)象，這與采樣時檉柳地地表結(jié)鹽現(xiàn)象一致，同時剖面底層70～100 cm鹽分質(zhì)量分數(shù)為5.90 g/kg，占整個剖面鹽分質(zhì)量分數(shù)22.10%，表明檉柳地具有底聚現(xiàn)象。蘆葦?shù)赝寥榔拭嫫骄}分質(zhì)量分數(shù)在1.48～2.47 g/kg呈現(xiàn)無規(guī)則波動變化。楊樹地和辣椒地土壤剖面平均鹽分質(zhì)量分數(shù)隨深度變化不明顯，在0.94～1.46 g/kg，變化幅度較小，其中楊樹地土壤剖面鹽分為弱變異性，變 異系數(shù)為6.62%，平均含鹽量明顯低于前三者。

圖4 不同植被類型土壤平均鹽分質(zhì)量分數(shù)垂直剖面分布Fig.4 Vertical profile distribution of average salt mass fraction in soil under different vegetation types

由表3可知，不同植被類型土壤鹽分分布呈現(xiàn)：檉柳地>裸地>蘆葦?shù)?辣椒地>楊樹地，平均鹽分質(zhì)量分數(shù)依次為：2.67、2.03、1.98、1.15、1.09 g/kg，其中檉柳地與楊樹地土壤平均鹽分質(zhì)量分數(shù)比值為2.45。

2.3 不同植被類型土壤鹽分離子組成的剖面分布特征

表3 不同植被類型土壤含鹽量統(tǒng)計特征值及其空間變異系數(shù)Table 3 Statistical characteristics of soil salinity and spatial variability coefficients in different vegetation types

圖5 不同植被類型下土壤剖面的離子組成分布Fig.5 Ion composition distribution of soil profiles under different vegetation types

2.4 土壤剖面鹽分離子的主成分分析

表4 旋轉(zhuǎn)后主成分因子載荷矩陣、特征值及貢獻率Table 4 Rotation principal component factor, load matrix, eigenvalue and contribution ratio

注:提取公因子方法:主成分分析法；轉(zhuǎn)軸方法:方差最大正交旋轉(zhuǎn)法。

Note:Extraction of common factor method:principal component analysis; Rotating shaft method:variance orthogonal rotation method.

2.5 土壤電導率與鹽分特征因子之間的關(guān)系

表5 土壤鹽分離子之間的相關(guān)性分析Table 5 Correlation analysis between soil salinity and ions

注：**相關(guān)性在0.01水平下顯著(雙側(cè))；*相關(guān)性在0.05水平下顯著相關(guān)(雙側(cè))。

Note:* * correlation is significant at 0.01 level(2-tailed); * correlation is significant at 0.05 level(2-tailed).

圖6 電導率與鹽分特征因子回歸分析Fig.6 Regression analysis of conductivity and salinization characteristic factors

3 結(jié) 論

研究區(qū)土壤剖面鹽分類型可以分為表聚型、震蕩型、均勻型3類。檉柳地和裸地土壤剖面鹽分類型為表聚型，其變異系數(shù)為61.28%，表聚系數(shù)為底聚系數(shù)的4.45倍，表層聚集現(xiàn)象嚴重；蘆葦?shù)赝寥榔拭纣}分類型為震蕩型，剖面平均含鹽量為1.98 g/kg,且變異系數(shù)為30.05%；楊樹地和辣椒地土壤剖面鹽分類型屬于均勻型，均勻型含鹽量較低且變異程度最小，其值為18.75%，含鹽量僅為表聚型剖面的47.65%。5種植被類型土壤鹽分分布呈現(xiàn)為檉柳地>裸地>蘆葦?shù)?辣椒地>楊樹地，其中檉柳地平均含鹽量為2.67 g/kg，與楊樹地土壤平均含鹽量之比為2.45。

研究區(qū)土壤鹽分類型以氯化鉀鈉鹽和硫酸鉀鈉鹽為主，氯化鉀鈉鹽表現(xiàn)為表聚特征，硫酸鉀鈉鹽呈現(xiàn)一定底聚特征。土壤主要鹽分狀況特征因子均與電導率成顯著正相關(guān)(P<0.05)，且電導率與Na++K+回歸擬合效果較好，擬合關(guān)系表達式：y=0.039 5x+0.218 6，R2=0.966 7，(P<0.05)。

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