半干旱區湖泊濕地土壤養分與鹽堿化特征研究
——以岱海為例

趙茜宇，于會彬，楊芳，王希歡，馮冬霞，張藝,3，王毛蘭，廖海清*

1.鄱陽湖環境與資源利用教育部重點實驗室，南昌大學資源與環境學院

2.中國環境科學研究院流域水環境污染綜合治理研究中心

3.中國地質大學(北京)水資源與環境學院

內陸湖泊作為重要的淡水儲存地，是人類生存發展不可或缺的資源，作為周邊生態環境的重要保護屏障，湖濱帶對湖區的長期演變有著至關重要的影響。在干旱和半干旱地區，降水量遠小于蒸發量，湖泊濕地應對氣候變化更為脆弱敏感[1-3]。在自然因素和人為因素影響下，部分湖泊水位退減，裸露面積增加，鹽分經過在水平和垂向方向遷移，最終在土壤表層匯集[4-5]。鹽堿化土壤會降低其覆蓋植被的吸水能力，減少根系周圍微生物數量、破壞生態穩定性等[6-7]，致使土壤養分流失，從而降低植被覆蓋度，進一步破壞土壤形態，不僅嚴重影響了農業生產[8]，還會使湖濱帶緩沖性能下降，導致持續性的環境惡化[9-10]。因此了解干旱和半干旱區湖泊濕地不同類型土壤各層次的養分及鹽堿化分布特征，對開展湖濱帶濕地修復、促進湖泊生態系統健康發展具有重要意義。

近年來較多學者開展了土壤養分及鹽堿化特征研究，例如竇旭等[11]以改良耕地和荒地作為研究對象，用冗余分析對土壤養分特征與鹽分離子的關系進行討論；劉曉涵等[12]以典型植煙土壤為研究對象，使用常規統計學方法和冗余分析方法，分析土壤鹽分離子分布規律及其與養分含量的關系；查向浩等[13]對綠洲-荒漠過渡帶土壤鹽分、養分特性及空間分布規律進行分析，對肥力綜合指數與總鹽進行相關性分析；王穎等[14]對環渤海地區鹽漬土地資源狀況進行調查，并對表層土壤鹽分與養分進行相關性分析；景宇鵬等[15]從土壤剖面形態特性、鹽分組成分析河套平原不同利用方式對土壤鹽堿化特征的影響，并運用主成分分析了解區域鹽堿化主要因子，為鹽堿土利用模式提供技術參考。土壤電導率（EC）、鈉吸附比（SAR）和可交換鈉含量（ESP）、pH是目前國際上常用的鹽堿化土壤的分類依據[16-19]。目前，有關湖濱帶濕地養分與鹽堿化特征方面的研究較少，而將二者共同研究可更系統地分析土壤狀況，為湖濱帶的生態恢復及濕地建設提供理論依據。

岱海位于內蒙古自治區烏蘭察布市涼城縣，是典型半干旱區內陸湖泊，在人類活動和氣候變化雙重影響下，岱海面臨湖面萎縮、濕地縮減、功能衰退，生態系統失衡等問題[20-21]，目前已有不少關于岱海流域水生態環境及水資源的研究[22-24]。湖濱帶土壤狀況研究是岱海生態保護和修復的重要基礎，筆者以岱海為例，應用統計學、主成分分析以及冗余分析方法，研究湖濱帶不同土地類型的鹽分與養分的分布特征，結合不同土地類型探討其互相影響規律，旨在為合理設計半干旱區湖濱濕地土壤改良方案和生態修復技術提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

岱 海 流 域 （112°30 ′E～ 112°52 ′E， 40°30 ′N～40°45′N）面積為 2 312.75 km2。岱海流域總體地形特征為四面環山、中懷灘川。北部為陰山支脈蠻漢山，山脈狹長而陡峭，南部為馬頭山，山體開闊平緩，內部為內陸凹陷盆地，形成典型的封閉型內陸流域。流域屬溫帶大陸性氣候，冬季嚴寒漫長，夏季炎熱短促，日照率高，無霜期短，年溫差及日溫差較大，降水較少，蒸發旺盛，多風沙天氣。資料顯示[20]，岱海多年來湖區蒸發量大于降水及其他補給，水量減少，裸露區域增加，鹽堿地距離湖區較近，植物較少，大量鹽分匯聚在此處，形成鹽漬化土壤。

1.2 樣品采集

于2021年5月17日對岱海湖泊濕地進行取樣，經過實地調查，岱海湖濱帶離湖不同距離各區域植被類型、土壤形態差異明顯，因此根據離湖距離及其植被覆蓋類型分為3種土地類型，分別為淺灘、草地、鹽堿地，具體特征見表1和圖1。采樣過程中盡量避開受外界因素干擾的區域，選取具有代表性的區域，用平板鐵鍬挖取土壤剖面，用標尺做好記錄，由上至下分別采取0～10、10～20、20～30、30～40、40～50 cm土層進行分層取樣，每種土地類型按照S形路線選取4個樣點，每個樣點隨機采取3個剖面，相同土層混合均勻后用四分法選出1 kg土樣[25]，每種土地類型包含5個土層，4個重復樣品，共60個土樣。樣品經自然風干、去除植物莖根等異物后，用木棒研磨、過篩，以備分析測定用。

表1 岱海湖濱帶各采樣點位海拔及土地類型Table 1 Elevation and land types of sampling points of Daihai Lakeside

圖1 岱海湖濱帶土地類型分布示意Fig.1 Schematic diagram of the distribution of land types in Daihai Lakeside

1.3 測定方法

試驗分析項目包括土壤鈣（Ca2+）、鎂（Mg2+）、交換性鉀（K+）、交換性鈉（Na+）、碳酸根（CO32-）、重碳酸根（HCO3-）、氯離子（Cl-）、硫酸根（SO42-）濃度，土壤pH，土壤有機質（OM）、有效磷（AP）、速效鉀（AK）、堿解氮（AN）濃度。測定方法參考《土壤農化分析》，其中，Ca2+和Mg2+濃度采用乙二胺四乙酸（EDTA）滴定法測定，交換性K+、Na+含量采用火焰光度法測定，CO32-與HCO3-濃度采用雙指示劑——中和滴定法測定，Cl-濃度采用硝酸銀滴定法測定，SO42-濃度采用EDTA間接絡合滴定法測定。pH采用電位法測定。 OM濃度采用重鉻酸鉀容量法測定，AP濃度采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定；AK濃度采用1 mol/L NH4Ac浸提-火焰光度法測定，AN濃度采用堿解-擴散法測定。

1.4 數據處理

采用Canoco 4.5、SPSS statistics軟件分析數據，使用OriginPro 9.1軟件繪圖。

鈉吸附比（SAR）用于反應交換性離子組成[26]，計算公式如下：

式中[Na+]、[Ca2+] 、[Mg2+]分別為單位質量土壤中Na+、Ca2+、Mg2+濃度，mmol/kg。

堿化度（ESP）是指代換性鈉離子占陽離子代換量的比例[26]，傳統算法較為繁瑣，采用目前國內外常用的公式計算：

ESP分類標準以5%～10%、10%～15%、15%～20%和超過20%分別作為輕度、中度、重度土堿化土壤和堿土[27]。pH分級標準為強酸性（0～4.5]、酸性（4.5～5.5]、弱酸性（5.5～6.5]、中性（6.5～7.5]、堿性（7.5～8.5]、強堿性（8.5～9.0]、極強堿性（＞9.0）。

研究區土壤養分〔有機質（OM）、堿解氮（AN）、有效磷（AP）、速效鉀（AK）〕分級依據全國第二次土壤普查分級標準（表2）[28]。

表2 全國第二次土壤普查養分分級標準[28]Table 2 Nutrient classification standard of the second National soil survey

2 結果與分析

2.1 土壤鹽化與堿化特征分析

為了解不同土地類型鹽堿化特征，對其全鹽量及各堿化特征進行特征分析，結果如表3所示。3種土地類型中，鹽堿地的全鹽量最高，其表層均值達16.63 g/kg，淺灘為 15.27 g/kg，草地為 1.99 g/kg。這是由于各土地類型離湖距離有所差異，在氣候季節性變化過程中，受湖泊水位變化影響，離湖最近的鹽堿地積鹽最多，且變異程度最大；草地距離湖區最遠，湖水的動態變化對其影響較小，同時植被覆蓋率較高，對土壤生態系統也具有良好的調節作用[29]，土壤養分破壞程度較弱，鹽漬化現象較不明顯，各點位變異程度較弱。從垂向分布情況來看，與一般鹽漬土具有明顯表聚現象不同[14-15]，鹽堿地全鹽量整體在10～20 cm處最高，達到17.3 g/kg，20～50 cm往下依次減少，這可能是由于取樣前，經過降水大量地表的結晶鹽溶解后滲透到深層所致，而草地和淺灘全鹽量都呈現隨深度的增加而減少的趨勢。

表3 土壤剖面中pH、全鹽、ESP及SAR分布Table 3 Distribution of pH, total salt, ESP and SAR in soil profile

由于Na+的增加會引起土壤顆粒收縮、膠體顆粒的分散和膨脹，致土壤孔隙的減少，影響土壤的滲透性和作物根系的發育生長[30]。因此利用ESP作為可交換鈉含量可表現土壤堿化程度。對各土地類型堿化程度分析結果（表3）表明，鹽堿土和淺灘均符合堿土標準，鹽堿地土壤ESP均超過35%；淺灘中僅0～20 cm土壤ESP均值超過35%，且堿化程度隨深度增加而明顯降低；草地中0～10 cm土壤有75%屬于中度堿化土，25%屬于輕度堿化土，而10～20 cm均屬于輕度堿化土，其余屬于非堿化土。岱海湖濱帶土壤pH在3種土地類型中差異性較小，其中淺灘和鹽堿地pH均呈現深層高的特征，如30～50 cm pH均高于8.5，屬于強堿性土壤，其余均為8.0～8.5，屬于堿性土壤。而草地pH表現為淺層高，0～20 cm pH高于8.5，其余均為8.0～8.5，屬于堿性土壤。

根據不同土地類型中8種離子的分布情況（圖2），各土地類型離子組成差異較為明顯。3種土地類型中，草地土壤陽離子中只有Ca2+隨土壤深度增加而增加，其他離子濃度均隨土壤深度增加而減少，鹽堿地和淺灘各陽離子的分布與全鹽量基本一致，淺灘的各離子濃度呈現由上至下不斷減少的趨勢，鹽堿地各離子濃度在10～20 cm處最高。Na+濃度在陽離子中均占比最高，在鹽堿地、淺灘、草地中占比分別為92.3%、93.7%、61.2%。陰離子分布在不同土地類型中差異較為明顯，岱海作為典型NaCl水體，由于淺灘和鹽堿地靠近湖水，Cl-占總陰離子濃度分別達62.1%和63.4%；而草地中所含陰離子中Cl-僅占 15.6%，HCO3-占比最高，達 76.8%，且在 10～20 cm處分布最多。已有研究[31]顯示，土壤中植物根部和根際微生物可利用根系分泌物呼吸產生CO2，且微生物可利用土壤有機碳呼吸產生CO2，草地土壤HCO3-的高占比可能與此有關。總體來看ESP高的土壤HCO3-占比低，這與馬文超等[32]的研究結果相一致。另外，在測試中大多數土壤的CO32-濃度低于檢出限，這是由于CO32-在pH大于8.5時才可用滴定法檢出[33]，在本研究中同樣符合這一規律。

圖2 不同土地類型土壤剖面鹽分特征Fig.2 Salinity characteristics of soil profiles of different landtypes

2.2 土壤各鹽堿特征主成分分析

由于鹽堿化指標數量較多，以各鹽分離子、全鹽量，以及pH和ESP作為變量進行主成分降維分析，載荷矩陣及得分系數矩陣如表4所示。根據結果顯示3個主成分特征值分別為7.226、1.765、1.077，均大于1，方差貢獻率分別為65.69%、16.05%、9.794%，累計貢獻率達91.53%，即3個主成分能較為全面地解釋大部分土壤鹽堿化特征指標。

表4 主成分因子的載荷矩陣和得分系數矩陣Table 4 Factor load matrix and component score coefficient matrix of salt and alkali index

根據特征值來看，第一主成分包含的信息最多，對土壤質量影響最大。根據主成分荷載，與第一主成分關系密切的是 Cl-、Mg2+、SO42-、Na+、全鹽量，得分分別為 0.136、0.128、0.127、0.136、0.137，故可以通過第一主成分綜合表現土壤鹽化程度；第二主成分中載荷較高的有HCO3-、pH，綜合表現了土壤堿化程度；與第三主成分相緊密關聯的僅有CO32-，CO32-作為土壤堿化特征離子，可作為第二主成分的補充因子說明土壤堿化情況。綜合來看Cl-、Mg2+、SO42-、Na+、全鹽量、HCO3-、pH、CO32-為主要研究區鹽堿化狀況特征因子。

2.3 土壤養分特征分析

湖濱帶土壤養分結果顯示（圖3），岱海湖濱帶土壤AN、OM普遍缺乏，AP、AK含量豐富，其中淺灘區表層各類養分值均為最高，OM濃度均值達到2.6%，AN濃度均值為83.42 mg/kg，AP濃度均值為185.9 mg/kg，AK濃度均值為360.0 mg/kg，分級分別達中等、較缺、豐富、豐富，變異系數分別為25.3%、11.4%、16.6%、13.2%，均為中等變異(變異系數≤10%為弱變異性，10%＜變異系數＜100%為中等變異性，變異系數≥100%為強變異性)。草地和鹽堿地表層土壤養分分級較為一致，OM、AN、AK、AP分級分別為缺、缺、豐富、豐富。值得注意的是，淺灘與草地表層的AP濃度超過豐富標準的4倍，根據相關研究顯示，磷在土壤中擴散系數很小，較難移動，對于吸附性強的黏質土壤，植被吸收范圍僅有1 mm，大量在湖濱帶滯留的AP只有極少數能被植被吸收[34]，利用率低導致AP極為豐富。

圖3 不同土地類型OM、AN、AP、AK濃度隨深度變化Fig.3 Variation of OM, AN, AP, and AK concentrations with depth of different land types

從垂向分布來看，各剖面中養分濃度從上往下呈現逐漸遞減的趨勢。其中AN與OM分布規律基本一致，這是因為土壤AN是由有機態氮經過土壤微生物礦化作用形成的無機態氮與部分結構簡單易被植被直接利用的有機態氮組成的。隨著土壤深度的增加，微生物數量迅速下降，土壤透氣性降低，可供降解的有機物質也在不斷減少，AN濃度也不斷減少[35-36]，此外，植物根系分泌物會通過驅動土壤微生物提高活性對土壤養分含量產生影響[30]，從而使AN與OM分布呈現一致性。在3種土地類型中，養分變異程度隨深度增加均有降低的趨勢，考慮是由于土壤表層更易受外界干擾的原因。

總體來看，湖濱帶土壤4種養分中，AP濃度豐富，為避免造成營養成分單一、土壤貧瘠的狀況，在后續治理中建議可減少施用含磷肥料；淺灘中含有大量的AK，鉀作為提高植被抗逆性能力的重要物質，對植被抗旱、抗寒、抗倒伏、抗病蟲害侵襲有著重要貢獻[12]，有助于各耐鹽植被適應多樣環境條件長；在各土地類型中OM與AN總體缺乏，可通過種植更多耐鹽植被、施加有機肥等其他治理措施，增加土壤滲透性的方法進行改善[37]，從而更加合理地解決生態環境污染的問題。根據研究區土壤養分分析結果，使用有機肥代替化肥將增加OM與AN濃度，有利于改善區域土壤貧瘠，營養成分單一的現象，增加土壤養分利用效率。

2.4 土壤鹽分與養分關系分析

為了解土壤鹽分離子與土壤養分、pH之間的關系，利用CANOCO 5.0軟件對試驗區各指標數據進行降趨對應分析（DCA），在3種土地類型中4個軸中梯度長度最大值分別為0.13、0.14、0.23，均小于3，因此選擇冗余分析（RDA）。將土壤中的Cl-、HCO3-、CO32-、SO42-、Ca2+、Mg2+、K+、Na+、全鹽量作為環境因子，以土壤pH、AP、AK、OM作為研究對象，繪制線性排序圖進行分析，結果如圖4所示。由圖4可知，在3種土地類型中，環境中鹽分濃度對養分影響較大，且各離子間具有很強的正相關性。在鹽漬化較強的鹽堿地和淺灘區域，HCO3-與其他多數鹽離子呈負相關，這與王穎等[14]對環渤海鹽漬土離子相關性分析結果相一致。另外，pH與HCO3-在鹽堿地和淺灘中具有明顯正相關，這與劉曉涵等[12-13]的研究相一致，這是由于HCO3-通過與水解得到的H+結合，從而使pH增加。對環境因子與養分關系進行分析，AP和Mg2+與pH在3種土地類型土壤中都具有負相關性，這是由于pH的增加會更易使Mg2+與 PO43-形成的 Mg3（PO4）2沉淀，致使 AP 的降低[38]。OM、AN及AK在3種土地類型中均呈正相關。在鹽堿地與淺灘中，三者與除HCO3-、CO32-、K+外其他離子呈正相關，在草地區域則呈現負相關。考慮由于淺灘與鹽堿地靠近水域，湖水滯留在岸邊的鹽分與養分濃度具有一致性，因此淺灘和鹽堿地中OM、AN及AK與多數鹽離子呈正相關。

圖4 土壤鹽分與養分的RDA二維排序Fig.4 RDA two-dimensional ordination map of soil salinity and nutrients

3 討論

在岱海湖濱帶3種土地類型中，鹽堿地和淺灘由于靠近湖泊，季節性淹水導致營養物質的沉積和滯留，這2種土地類型的營養物有效來源增加，其養分含量比草地高。馮育青等[34]分析太湖湖濱帶距離水體不同遠近土壤的有效氮濃度，得到結果為近水區＞中水區＞遠水區，與本文研究結果相吻合。較為不同的是本研究區中雖然鹽堿地距離湖區最近，但隨著湖泊鹽度不斷上升，水位退去后留在土壤中的鹽分極高，除了表層高鹽外，鹽堿地中在大部分耐鹽植物根系能夠生根的土壤深層鹽度也很高。與淺灘相比，鹽堿地土壤黏性更強，且缺乏植被覆蓋，這使其土壤缺少有利于OM分解和礦化的有機物堆積，表現為透氣性差，微生物作用弱，難以蓄積更多營養物[39]。因此3種土地類型中，淺灘中養分最豐富。另外，顧夢鶴等[40]對民勤湖清土湖區土壤研究發現，鹽生植物隨著生長時間的增加對土壤鹽漬化有顯著影響。淺灘中具有大量的鹽生植被，其優勢種堿蓬含有較高灰分，可在含鹽量小于2.5%的鹽堿地上正常生長，相關研究顯示種植堿蓬后土壤化學性質均得到一定程度的改善[41]，可考慮將堿蓬作為岱海湖濱帶近湖區修復植被。

本研究使用冗余分析、主成分分析對鹽分與養分特征一同研究，結果表明 Mg2+、Cl-、Na+、SO42-、全鹽量為表征區域鹽漬化的主要因子，pH、CO32-、HCO3-為研究區堿化特征的主要因子。其中鹽堿土最靠近湖泊，海拔低，地下水位埋深較淺，在蒸發量超過降水量的整體氣候環境下，岱海湖水面積不斷縮減，將大量鹽分留在土壤中，使其堿化程度加重。已有的關于濕地鹽堿土的研究中，麥麥提吐爾遜等[42]則采用相關分析法與主成分分析法研究了伊犁河流域土壤鹽分特征，結果表明土壤鹽分垂直分布呈現強烈表聚性，Cl-、SO42-、Mg2+、Ca2+為該區域鹽漬化特征因子；張飛等[43]利用遙感、土壤光譜及土壤鹽分數據相結合的方法進行土壤鹽漬化監測，得到鹽漬土主要分布于綠洲和沙漠之間的交錯帶，主成分分析結果的一二軸分別反映了土壤鹽漬化的綜合狀況和土壤的堿性強度；劉駿等[44]以烏梁素海4種鹽生植被周圍群落的鹽化潮土為研究對象，結果表明，該區域土壤鹽分主要以氯化物和硫酸鹽為主，碳酸鹽以碳酸鈣形式存在，ESP與SAR、全鹽量呈正相關。可見，不同區域濕地土壤特征均具有差異性，且土壤鹽漬化多呈表聚現象，ESP與全鹽量具有正相關性。在未來，更長時間跨度、更系統性的分析仍是濕地鹽堿化土壤重要的研究方向。

4 結論

（1）岱海湖濱帶草地和淺灘的土壤鹽分均呈表聚現象，鹽堿地中鹽分集中在10～20 cm。鹽堿地與淺灘的Cl-與Na+在陰陽離子中占比最高，且這2種土地類型均屬于堿土，pH則隨深度增加而增加；草地HCO3-與Na+在陰陽離子中占比均最高，表層多數為中度堿化土，10～20 cm均為輕度堿化土，其余屬于非堿化土，pH隨深度增加而遞減。在各鹽堿化特征指標中，Mg2+、Cl-、Na+、SO42-、全鹽量為表征區域鹽漬化的主要因子，pH、CO32-、HCO3-為研究區堿化特征的主要因子。

（2）岱海湖濱帶土壤中AN與OM普遍缺乏，AP與AK極為豐富，且基本呈隨深度增加而減少的趨勢。淺灘所處位置既具季節性淹水營養物的補給，又有大量耐鹽植被覆蓋，4種養分濃度最高。

（3）岱海湖濱帶土壤大部分離子間都具有很強的相關性，其中鹽堿地和淺灘土壤中HCO3-與其他七大離子呈負相關，與pH呈正相關，與AN、AP、AK、OM呈負相關。而在鹽堿地與淺灘中，OM、AN及AK 與除 HCO3-、CO32-、K+外其他離子，均呈正相關性，而在草地呈現負相關性。