荒漠土壤水、鹽、有機質(zhì)空間分布及相互關(guān)系

陳 悅，呂光輝，曹 靖，龔雪偉，侯鳳蘭，公延明

(1.新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆烏魯木齊 830046； 2.綠洲生態(tài)教育部重點實驗室，新疆烏魯木齊 830046；3.新疆大學(xué)干旱生態(tài)環(huán)境研究所，新疆烏魯木齊 830046)

土壤是時間和空間上的連續(xù)體，是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)與寶貴資源，也是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。在全球變化的背景下，西北干旱區(qū)由于降水稀少和蒸發(fā)強烈所致的土壤荒漠化(沙化、鹽漬化和生產(chǎn)力下降)問題日益嚴(yán)峻，尤以鹽漬化問題最為突出。鹽漬化不僅導(dǎo)致植物多樣性降低，威脅生態(tài)環(huán)境健康，還制約著區(qū)域農(nóng)牧業(yè)和經(jīng)濟發(fā)展。

影響鹽漬土形成的主要單項因子有水、鹽、植被和遺留的有機質(zhì)[1]，國內(nèi)外學(xué)者也已對土壤水、鹽及有機質(zhì)(soil organic matter，簡稱SOM)多有研究。關(guān)于土壤水、鹽的研究主要集中在利用不同方法分析其空間分布及運移狀況[2]，不同植被、土質(zhì)或利用類型與土壤水、鹽之間的關(guān)系[3]，氣象因子及氣候變化對土壤水、鹽的影響[4]以及水、鹽之間本身存在的耦合關(guān)系研究[5]等。也有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，SOM對自然及風(fēng)干狀態(tài)下的土壤含水量、土壤水分特征曲線均有顯著影響，有利于土壤水分的保持[6]；王若水等通過水分調(diào)控來觀察鹽堿地土壤中鹽分與養(yǎng)分含量的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)通過調(diào)控水分能夠?qū)Ⅺ}分淋洗出植物根系層，有利于提高SOM等養(yǎng)分的積累[7]；更有學(xué)者通過SOM自身性質(zhì)來對鹽堿土進行改良[8]。然而，鮮有學(xué)者對干旱區(qū)土壤水、鹽及SOM三者之間空間含量、運移及相互關(guān)系進行研究，而了解三者在干旱環(huán)境中的存在機理和作用關(guān)系對改善土壤質(zhì)量狀況具有重要意義。

艾比湖流域位于歐亞大陸、新疆天山北坡，是西北干旱區(qū)重要的防沙、滯塵和濕地自然保護功能區(qū)。由于氣候變化和人類活動等因素的影響，該區(qū)域目前土地鹽漬化嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境脆弱，成為了干旱區(qū)典型的生態(tài)環(huán)境退化區(qū)。對該區(qū)域土壤水、鹽、SOM含量和空間分布以及三者之間關(guān)系的研究，有助于了解干旱區(qū)土壤鹽漬化發(fā)生過程，并為土壤鹽漬化改良和生態(tài)修復(fù)工作提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于新疆精河縣西北、準(zhǔn)噶爾盆地西南(44°30′～45°09′N、82°36′～83°50′E)艾比湖濕地國家級自然保護區(qū)，主要補給河流為博爾塔拉河、精河和奎屯河。在遠(yuǎn)離海洋和三面高山環(huán)列的綜合影響下，平原區(qū)為典型大陸性干旱氣候，年均氣溫5 ℃，年均降水量105.17 mm，年均蒸發(fā)量 1 315 mm。特殊的地理位置、地形地貌及氣候特征，使流域內(nèi)形成鹽化林灌草甸土、典型鹽土、草甸鹽土和漠土等土壤類型，植被也依次形成旱生、超旱生、沙生、鹽生、水生等多種類型。

1.2 研究方法

依據(jù)代表性和均勻性原則，在保護區(qū)境內(nèi)沿阿其克蘇河下游方向和垂直河岸方向設(shè)置1個2 km×3 km的大樣地，平均分成400 m×500 m的取樣樣方共30個，在每個樣方中心取樣，并進行GPS定位(圖1)。取樣時用土鉆采集土壤樣品，取樣深度為0～15 cm(表層)、15～30 cm(中層)和30～50 cm(底層)，每層取3個樣品，混合后用四分法取約500 g土樣，部分裝入鋁盒用來測定含水量，另一部分裝入密封袋帶回實驗室，經(jīng)自然風(fēng)干、研磨、過篩，以用來測定土壤鹽分與SOM含量，具體操作步驟參照《土壤農(nóng)化分析》[9]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)方法分析研究區(qū)土壤水、鹽及有機質(zhì)的含量特征，并運用統(tǒng)計學(xué)方法分析其空間上所符合的變異函數(shù)及分布特征。

采用SPSS 17.0和Excel 2010軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，利用GS+7.0軟件進行土壤水、鹽、SOM含量空間插值處理，并用Surfer 11.0軟件繪制空間分布等值線圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水、鹽及有機質(zhì)含量的統(tǒng)計學(xué)特征

由表1可知，隨土層深度增加，土壤平均含水量遞增，平均鹽分與SOM含量遞減；各因子極差、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)(CV)均在土壤表層最大，后隨深度增加而減小。從均值看，各層土壤平均含水量在8.54%～10.40%，普遍較低；各層土壤平均鹽含量在4.30～5.64 g/kg，總體屬于重鹽土[10]；SOM含量介于0.62～19.29 g/kg之間，處于較低水平[11]。0～30 cm 土壤水含量屬強變異、底層為中等變異；表層土壤鹽分為強變異、15～50 cm為中等變異；0～50 cm土層SOM的CV值在0.47～0.63，屬強變異，在垂直方向具有很強的變異程度。

表1 各層土壤水、鹽及有機質(zhì)含量統(tǒng)計特征值

注：N為正態(tài)分布。

2.2 土壤水、鹽及有機質(zhì)的空間變異函數(shù)

將符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)導(dǎo)入GS+7.0軟件進行變異函數(shù)的計算，并根據(jù)最優(yōu)決定系數(shù)選擇出理論模型。除表層SOM符合線性模型外，其余因子在各條件下的半方差理論模型均符合高斯模型(表2)。

表2 土壤水、鹽及有機質(zhì)的理論模型和相應(yīng)參數(shù)

表2中0～50 cm土壤水分的C0為0，C0+C略大于C0，表示土壤水分的變異受結(jié)構(gòu)性因素(土壤、母質(zhì)、地形、氣候等)影響更多[12]；土壤鹽分與SOM的C0和C0+C均較大，但C0+C明顯大于C0，表明該區(qū)域土壤鹽分與SOM的變異同時受采樣誤差、短距離變異等隨機因素和結(jié)構(gòu)性因素的影響，其結(jié)構(gòu)性因素影響更大；土壤水、鹽及SOM在0～50 cm土層中的C0/(C0+C) 均接近0，表明它們都具有較強的空間自相關(guān)性。

各土壤因子變程在0.91～1.94 km(表2)，取樣點平均間距(0.50 km)位于編程區(qū)間，土壤因子具有空間自相關(guān)性，因此進行空間內(nèi)插有效。研究區(qū)各層土壤水分變程在1.77～1.78 km，差異小，說明0～50 cm土壤水分的空間自相關(guān)變化尺度基本一致；土壤鹽分變程在1.64～1.94 km，差異較小，且隨土壤深度增加而逐漸減小；SOM變程在0.91～1.75 km，差異較大，表層土壤有機質(zhì)變程最小。

2.3 土壤水、鹽及有機質(zhì)的空間分布特征

由圖2可知，0～50 cm土壤水分含量整體表現(xiàn)為南高北低；色度來看，總體表現(xiàn)隨土壤深度增加其水分含量越高并且分布越均勻的趨勢；表層土壤中水分含量極差最大，達到 0.21%，其余2層相對較小，分別為0.16%和0.14%，隨深度增加而逐漸減小；從等值線密集程度來看，底層土壤較前2層插值線密集程度大，表層次之，說明土壤水分含量在空間上的變異程度大致為底層>表層>中層。

土壤鹽分較水分高值區(qū)域向北遷移，并且每層均有2個高值區(qū)域，一部分集中在44.64° N，另一部分集中在研究區(qū)最南端，低值區(qū)域在研究區(qū)最北端；色度分布來看，隨土層深度增加其含量分布越均勻；同樣地，表層土壤中鹽分含量極差最大(9.0 g/kg)，后2層分別為4.2、3.6 g/kg，隨土壤深度增加而遞減；從等值線密集程度來看，土壤表層大于后2層，表明隨土層深度增加土壤鹽分變異程度減弱。

3個土層SOM含量等值線圖中呈現(xiàn)的高值區(qū)域明顯集中在研究區(qū)南端，同樣地，其空間分異規(guī)律為南高北低；各層SOM分布狀況除含量差異外，其空間分布狀況基本相似；表層土壤中SOM分布極差最大，達到18 g/kg，后2層分別為 8.0、4.2 g/kg，隨土層深度增加而減小；等值線密集程度與土壤水分含量相似，其變異程度為底層>表層>中層。

2.4 土壤水、鹽及SOM的關(guān)系

0～50 cm土壤中水鹽擬合最優(yōu)曲線均為冪函數(shù)；擬合決定系數(shù)(R2)隨土層深度增加而增大，最大值在底層(R2=0.600)；各層土壤水鹽均表現(xiàn)出極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，且表層土壤水鹽相關(guān)系數(shù)最大(r=0.613)(圖3)。

土壤水分與SOM含量在不同深度土壤中的擬合關(guān)系均符合線性函數(shù)；R2同樣隨土層深度增加而增大，最大值在底層(R2=0.659)；各層土壤水分與SOM含量相關(guān)關(guān)系均表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)(P<0.01)，且隨土壤深度加深而增大，在 30～50 cm土層中相關(guān)性最好(r=0.812，P<0.01)。

鹽分與SOM含量的擬合關(guān)系均符合冪函數(shù)；R2表現(xiàn)為底 層> 表層>中層，底層擬合程度最好(R2=0.338)；各層土壤中鹽分與SOM含量的相關(guān)性分別為表層極顯著相關(guān)(r=0.500，P<0.01)，中層不相關(guān)(r=0.356，P>0.05)，底層顯著相關(guān)(r=0.392，P<0.05)。

3 討論與結(jié)論

對艾比湖濕地自然保護區(qū)典型荒漠退化土壤的水、鹽、有機質(zhì)含量分布特征及相互關(guān)系研究發(fā)現(xiàn)，三者在空間變異和分布上具有一定相似性，土壤中水、鹽相關(guān)性較大。

研究區(qū)南部土壤水、鹽、有機質(zhì)含量均較高，這是因為采樣區(qū)南部毗鄰河流(阿其克蘇河)，對土壤中水分進行補給，同時溶解大量鹽分，而在土壤含水量較豐富的區(qū)域植被發(fā)育良好，多為黏壤土，因此富含有機質(zhì)。3個土壤因子均在表層土壤中表現(xiàn)出較大的變異性，這與地理要素、地面植被種類和生長狀況等因素有關(guān)。徐莉等對艾比湖濕地不同植物群落下土壤水、鹽空間變異性的研究發(fā)現(xiàn)堿蓬群落、鹽節(jié)木群落和梭梭群落土壤含鹽量呈中等變異，而蘆葦群落土壤水、鹽呈現(xiàn)較強的差異性，并且受氣候、距水域距離及土壤類型等因素作用，不同植物群落中土壤水鹽均具有較強的空間自相關(guān)性[13]；王合玲等研究表明，植被稀少時SOM含量較低，并且不同植被群落類型對SOM總體分布水平影響顯著[14]；并且地形通過影響地表物質(zhì)、能量再分配及其所處環(huán)境條件影響土壤形成過程，以不同成土母質(zhì)影響SOM的形成與積累[15]，均能夠解釋本研究結(jié)果。

相關(guān)研究表明，土壤水分作為鹽分的主要載體，在土壤中具有明顯的“鹽隨水來，鹽隨水去”特征，但當(dāng)土壤中水分含量達到能夠發(fā)生地表徑流時，鹽分則會隨水分運移至勢能較低區(qū)域，經(jīng)過降水亦能夠?qū)Ⅺ}分運移至地下土層中；對于鹽土來說，土壤表層鹽殼形成后同樣能夠反過來阻止水分蒸發(fā)[16]。這與本研究中土壤水鹽擬合曲線走勢相似，當(dāng)水分含量增大到一定限度時，鹽隨水增加而增大的趨勢便會減弱。

從土壤發(fā)生學(xué)原理來看，土壤含水量顯著受控于SOM，尤其是在發(fā)育良好的土壤中[17]。這是因為SOM自身結(jié)構(gòu)疏松多孔，能夠有效地促進土壤團聚體結(jié)構(gòu)的形成，影響土壤孔隙及其吸水、持水能力，從而提高土壤含水量，而土壤含水量較少時，會增大土地沙漠化概率，減少植被數(shù)量，導(dǎo)致SOM含量較低[18]。王若水等表示，SOM與土壤水基質(zhì)勢之間呈對數(shù)關(guān)系[7]，但也有研究表明過多降水產(chǎn)生的地表徑流會對土壤表層產(chǎn)生沖刷而導(dǎo)致SOM流失[19]，這在一定程度上與地形有關(guān)。上述論據(jù)同本研究SOM與土壤水分含量的積極相關(guān)結(jié)果類似，而相關(guān)系數(shù)遠(yuǎn)大于趙明松等相關(guān)研究，這可能是因為其研究區(qū)域涵蓋大量耕地，人為耕作大大削弱了自然因子對SOM的影響[20]。

在干旱區(qū)，成土母質(zhì)中巖石風(fēng)化而分解的鹽分溶解于地下水體，隨著強烈的蒸發(fā)，通過地下徑流和毛細(xì)作用運移至地表，也就是說地下水位越高，在強蒸發(fā)的環(huán)境中越易產(chǎn)生鹽分表聚。另一方面來看，當(dāng)土壤中含水量較高時，意味著鹽分濃度也會較高，因此，在水分補給植被生長生理需要時，過高的鹽分會影響土壤酶活性及微生物數(shù)量，并抑制植被的生長與健康，減少生物量積累，降低SOM含量[21]。所以鹽分對SOM的影響作用存在一個借助水分的間接過程。而SOM含量較多時，能夠促進植物生長，提高其根部對土壤中水、鹽的吸收能力，改變土壤中水、鹽含量和分布[22]；同樣，SOM又能通過調(diào)節(jié)土壤結(jié)構(gòu)，運用自身負(fù)電的雙性膠體進行土壤脫Na+，以達到減少土壤鹽含量、改良鹽漬土的作用[23]。

艾比湖濕地自然保護區(qū)土壤中水、鹽及SOM的含量分布和變異程度主要受土壤、母質(zhì)、地形、氣候等結(jié)構(gòu)性因素影響，并通過彼此相互作用進行微調(diào)節(jié)影響各自存在和分布狀況。三者之間關(guān)系較為復(fù)雜，還有待進一步研究它們從宏觀至微觀的具體關(guān)系。