2016, Vol. 28 
(2: 新疆维吾尔自治区重点实验室; 新疆干旱区湖泊环境与资源实验室, 乌鲁木齐 830054)
(3: 中国科学院地理科学与资源研究所, 北京 100101)
(2: Key Laboratory of Xinjiang Uygur Autonomous Region; Xinjiang Laboratory of Lake Environment and Resources in Arid Area, Urumqi 830054, P. R. China)
(3: Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Beijing 100101, P. R. China)
土壤水盐状况及其空间变异性研究是土壤科学研究的热点之一，是土壤盐渍化防控和盐碱土地资源利用的重要基础[1].国外Jordán等对干旱与半干旱地区土壤盐分在地质和环境因素影响下的空间变化进行研究[2]；Herbst等用地统计学模拟和实测模拟对小尺度集水区的土壤水分空间变异进行了研究[3]；Cemek等对土耳其北部的冲积平原农田土壤盐分空间变异的研究得出，土壤盐分的空间变异性主要由地下水位、排水、灌溉系统以及微地形等外因控制[4].在国内一些学者对黄河三角洲地区[5]、张掖绿洲[6]、辽河三角洲不同植被类型[7]、塔里木河上游典型绿洲[8]等地的土壤水盐状况及空间异质性进行了研究，认为盐分、含水量的空间变异性与自然环境和人为因素有关.
艾比湖湿地国家自然保护区是干旱区荒漠生态系统的典型代表，1950s，艾比湖面积有1200 km2，如今湖面已经萎缩至500 km2左右，已成为困扰新疆的第二大生态问题[9]，湖滨地区荒漠化程度加剧，成为中国西部沙尘暴主要策源地之一，直接威胁到天山北坡经济带的可持续发展和新亚欧大陆桥的安全运行.近10年关于艾比湖湿地的盐分、水分、养分等土壤理化性质[10]、土壤酶活性[11]、土壤呼吸[12]、植物群落[13]以及其之间的相关分析的研究主要集中在艾比湖湖周到绿洲农田、博河下游、精河下游和精河围堰区以及阿其克苏河下游等地，缺乏对艾比湖绕湖一周土壤水盐的系统研究，因此本文选择离艾比湖湖滨5~15 km，绕湖一周160 km范围内为研究区，对艾比湖湿地不同区域的土壤水盐特征及土壤退化程度进行分析，旨在为保护艾比湖地区生态环境安全提供可靠的理论依据.
1 材料与方法 1.1 研究区概况艾比湖湿地国家级自然保护区(44°30′~45°09′N，82°36′~82°50′E)位于新疆维吾尔自治区精河县境内，是新疆第一大咸水湖.年平均气温5℃，年平均降水量100 mm左右，年蒸发量1600 mm，属于典型温带大陆性干旱气候. 1972-2011年期间，艾比湖的面积在不断缩小，共缩小115.03 km2[14]. 2012-2015年期间，本课题组通过对艾比湖湿地采样调研，发现艾比湖湿地盐化沙化加剧，土壤平均粒径在2.63~6.51 μm之间，土壤有机质含量在0.0003 % ~2.3401 %之间，土壤盐分呈现表聚性，高达85.32 g/kg，pH值在7.52~9.29之间.本文选择在离艾比湖湖滨5~15 km，绕湖一周160 km范围内，以湖心质点(44°52′32.77″N，83°2′18.34″E)为中心，将艾比湖划分为东北、东南、西南、西北4个区域(图 1).其中北部的科克巴斯陶管护站区域海拔低(189 m)，有天然泉水外流；东北部桑德库木管护站和奎屯河下游地区土壤质地多为沙土，土壤沙化严重，主要植被类型为梭梭；东南部鸵鸟管护站、鸭子湾管护站主要植被分布类型有胡杨、盐角草等耐盐碱植物，其中沙泉子从2013年起采用滴管方式实施梭梭林人工种植恢复，梭梭林恢复面积为7.3×106 m2；西南部在2002年引精河水，实施围堰和土壤改良工程，现芦苇湿地恢复面积约2.6×106m2，博河下游采样区土壤质地多为石砾，优势种为碱蓬；西北部受阿拉山口大风影响，全年8级以上大风165 d，最大风速可达55 m/s，植物覆盖度极低，盐分含量高；在研究区北部地区有牧民进行季节性放牧.
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图 1 研究区示意图 Fig.1 Research area schematic drawing |
课题组分别在2013、2014和2015年的8月沿着艾比湖湿地国家自然保护区管护站、博尔塔拉河、精河、阿奇克苏河、奎屯河等绕湖一周160 km范围内，设置73个样地，记录各样地的海拔、经纬度、植被类型和土壤质地等要素.共获取73个剖面，每个剖面取表层(0~20 cm)土样，并用GPS定位(图 1).将土壤样品带回实验室，进行自然风干、磨碎，过2 mm筛，制备1:5的土水质量比浸提液，测定土壤全盐含量[15]；浸提液pH值采用HANNA公司pH电极(pH 211 Microprocessor pH Meter)进行测定；土壤含水量采用烘干法测定.根据新疆土壤盐碱化的分级标准[16]，将土壤分为非盐化土(土壤盐分＜3 g/kg)、轻盐化土(土壤盐分3~6 g/kg)、中度盐化土(土壤盐分6~10 g/kg)、重度盐化土(土壤盐分10~20 g/kg)和盐土(土壤盐分＞20 g/kg)，根据此分级标准确定含盐量级别.采用Excel对数据进行经典统计，运用GS+9.0进行半方差函数计算，Moran's Ⅰ系数分析，Kriging插值以及空间分布图利用ArcGIS 10.0软件绘制，相关性分析采用SPSS 19.0软件.
2 结果与分析 2.1 土壤盐分、含水量与pH描述性统计对不同区域表层(0~20 cm)土壤盐分、含水量和pH进行描述性统计分析(表 1)可知，盐分平均含量由大到小表现为西北部>东南部>西南部>东北部；由于采样期正值旱季，水分蒸发量强，土壤含水量低，其中东南部含水量最小(26.454 g/kg)，东北部含水量最大(68.625 g/kg)；土壤pH平均值从大到小表现为西北部>西南部>东南部>东北部，且不同区域pH最大值均超过9.0，这说明该采样区在不同区域上土壤呈现出一定程度的碱化趋势.
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表 1 土壤盐分、含水率和pH的统计特征值* Tab.1 Statistical charactristic values of soil salinity, moisture and pH |
按照变异系数划分等级，当CV＜10 %为弱变异性；10 %＜CV＜100 %时为中等变异性；CV＞100 %时为强变异性[17].不同区域土壤盐分均属于中等变异强度；东北部、东南部、西南部的土壤含水量属于中等变异强度，而西北部变异系数达到1.087，属于强变异性；不同区域土壤pH均属于弱变异强度；且同一区域上的土壤含水量变异系数均大于盐分和pH值(表 1).一般变异函数的计算要求数据符合正态分布，否则可能存在比例效应[18]，对数据进行Komlogorow-Smirnow法进行正态检验(P＜0.05)，发现西南部土壤盐分与西北部土壤含水量不符合正态分布，经对数转化后呈正态分布，变异函数计算采用的数据为对数转化后的数据.
2.2 土壤盐分、含水量与pH值的半方差函数分析根据半方差函数理论及计算模型[19-20]获得了研究区的土壤盐分、含水量与pH的半方差函数模型及其相关参数(表 2)，可以发现除了西北部土壤盐分符合球状模型外，其它不同区域土壤盐分、含水量和pH半方差理论模型都符合高斯模型，且不同区域土壤盐分、含水量与pH的块金值/基台值变化范围小于0.25，均表现为较强的空间相关性，这表明不同区域上的土壤盐分、含水量与pH的空间分布主要是受结构性因素(如地形、土壤类型、母质、气候等)影响，其中盐分变异程度表现为西南部>东南部>东北部>西北部，含水量变异程度表现为东北部>东南部>西南部>西北部，pH变异程度表现为西南部>东南部>东北部>西北部.分维数D表示变异函数曲线的曲率大小，可确定空间结构复杂程度.不同区域上的土壤盐分、含水量与pH的分维数范围在1.033~1.881之间，其中东北部、东南部和西南部土壤盐分、含水量和pH的分维数均高于西北部，且相差较大，这说明前三者的空间结构要比西北部较为复杂，这可能是由地形、母质、气候、土壤类型等导致的.从自相关距看，变程反应区域化变量空间相关范围的大小，与观测尺度以及取样尺度上影响土壤水盐的各种生态过程的相互作用有关.不同区域上的土壤盐分的自相关距变化范围在7320~28450 m之间，含水量自相关距变化范围在3560~21940 m之间，pH自相关距变化范围在4420~27220 m之间，且西南部土壤盐分空间自相关距要明显小于其它3个区域，含水量和pH表现出西北部明显小于其它3个区域，这是由于西南部进行了引水围堰工程，西北部大风盛行以及放牧等导致土壤盐分、含水量和pH的变程较小.
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表 2 土壤盐分、含水量与pH的半方差函数类型及其参数* Tab.2 Types of semi-variance model and their parameters for soil salinity, moisture and pH |
Moran's Ⅰ系数可定量描述研究变量在空间上的依赖关系. Ⅰ的取值为-1~1, Ⅰ>0表示变量在空间上呈现正相关；Ⅰ < 0表示研究变量在空间上呈现负相关；Ⅰ=0表示研究变量在空间依赖性小或空间随机变异较大.将Moran's Ⅰ系数与滞后距离尺度相结合，便可得到不同尺度下空间相关关系变化，从而可以看出空间相关性随尺度的变化[21-22].东北部土壤盐分、含水量和pH的空间距离分别在3487.782、7847.509和3487.782 m表现出强的正相关性，随着距离增大，正相关性减弱负相关性增强，空间距离均增加到12207.238 m时负相关性达最大，分别为-0.456、-0.385、-0.273，此后随着空间距离增大负相关性也逐渐减弱(图 2).东南部和西北部土壤盐分、含水量和pH随距离增加与东北部有相似的Moran's Ⅰ系数变化趋势，但也有不同，其中西北部的含水量随着距离的增加均没有达到负相关性.西南部土壤盐分、含水量和pH相关性相对较强(Ⅰ介于-0.921~1.300之间)，Moran's Ⅰ系数波动均较大，空间相关性较强，这与气候、地貌、微地形、土壤类型和人为活动等因素密切相关.
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图 2 土壤盐分、含水量和pH的Moran's Ⅰ系数 Fig.2 Moran's Ⅰ analysis of soil salinity, moisture and pH |
地统计学可根据半方差分析所确定的理论模型和已有的观测数据，对未采样点进行空间插值，其结果平滑了采样点的数据，使得大值降低、小值增高，以图形的形式展示性状的空间异质性，并且能够有助于辨别空间分布格局[23].通过普通克里金插值预测得到对离湖滨5~15 km绕湖一周160 km范围内表层土壤盐分、含水量与pH的空间分布可以看出(图 3)，艾比湖湿地表层土壤盐分、含水量和pH的空间分布多呈现不规则条带状格局.采样区土壤盐分与pH具有一定程度的同步性，即西北部高于东北部，东南部高于西南部，盐分高值区出现在西北部的石头房子管护站以及西南部阿奇克苏河下游，低值区出现在东北部的大部分、南部和西南部的精河和博河入湖河口处；pH高值区出现在西北部石头房子管护站和东南部鸵鸟管护站区域，低值区出现在东部奎屯河下游区域；采样区土壤含水量北部和西南部明显要高于东部和西部，高值区出现在北部的科克巴斯陶管护站区域以及西南部引水围堰区；对艾比湖湿地土壤盐分和pH进行相关性分析，可得土壤盐分与含水量和pH呈正相关，相关性系数分别为0.114和0.270，即在研究区内土壤盐分含量随土壤含水量升高而增多，土壤盐分含量高会导致土壤pH相应升高，但是，相关系数均较低，并未呈现较好的线性关系，这也说明了土壤盐分与含水量和pH关系的复杂性.
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图 3 土壤盐分、含水量和pH空间分布 Fig.3 Spatial distributions of soil salinity, moisture and pH |
参照新疆土壤盐碱化分级标准，分析研究区土壤盐渍化程度(图 4)，结果表明艾比湖湿地东南部阿奇克苏河下游和西北部石头房子管护站区域盐渍化程度最高，已达到盐土程度；东北部的奎屯河下游、南部沙泉子区域以及精河入湖河口盐渍化程度较低，属于非盐渍化土.盐渍化分级盐土、重度盐化土、中度盐化土、轻度盐化土和非盐化土在研究区所占面积分别为568.394、537.848、319.026、473.306和269.588 km2，可见艾比湖湿地土壤盐渍化盐土面积最大，重度盐化土次之.
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图 4 研究区土壤盐渍化分级空间分布 Fig.4 Spatial distribution of classification of soil salinization in the study area |
以艾比湖湖心质点为中心，对离湖滨5~15 km绕湖一周160 km范围内表层土壤水盐特征进行分析，不同区域上的土壤盐分、含水量和pH具有一定的空间变异性，其中不同区域的土壤盐分属于中等变异强度；东北部、东南部、西南部的含水量属于中等变异强度，而西北部属于强变异性；不同区域的土壤pH均属于弱变异强度，这与贡璐等[8]对干旱区土壤水盐空间变异的研究结论相似；不同区域上土壤盐分、含水量与pH的块金值/基台值小于0.25，与孔德庸等[24]对新疆焉耆盆地土壤盐分(0~30 cm)空间变异特征研究结论相同，均表现为强的空间相关性，这说明土壤盐分是结构性因素(如地形、母质、土壤类型和气候等)起主导作用；而与刘广明等[25]对新疆准噶尔盆地南缘典型绿洲区盐分空间变异研究不同，后者得出土壤盐分的块金值/基台值范围在0.25~0.75，表现为中等空间相关性，盐分是由随机性因素(如灌溉、耕作措施和土壤改良等各种人为活动)和结构性因素(如气候、地形、土壤类型等)共同主导引起的；艾比湖湿地不同区域上的土壤盐分、含水量与pH的分维数D范围在1.033~1.881之间，这比赵锐锋等[26]对塔里木河源流区绿洲土壤0~30 cm含盐量分维数D要小，当随机因素差、结构性好，则分维数低，说明艾比湖湿地不同区域上的土壤盐分、含水量与pH空间分异主要是由结构性因素引起的.
通过普通克里金插值得到艾比湖湿地土壤水盐空间分布特征，其中土壤盐分高值区出现在西北部的石头房子管护站以及西南部阿奇克苏河下游区域，与土壤pH呈现出一定程度的同步性，西北部临近阿拉山大风口，常年风沙肆掠，在持续的强烈蒸发作用下，下层土壤以及地下水中的可溶性盐分积聚于表层，导致盐分升高；东南部处于阿拉山口径直通道上，盐尘使得艾比湖东南部原来的湿地景观演变形成为盐漠景观，位于干涸湖底及其周围，整个剖面的盐分含量很高[27]，已有研究表明地下水矿化度与土壤表层含盐量之间存在正相关关系，地下水埋深与土壤表层含盐量之间存在负相关关系[28]，而东南部阿奇克苏河和盐场(6.79 g/L)地下水矿化度较高[29]，在强烈的蒸发下，土壤表层盐渍化严重，黄昌勇[30]也指出季节性积盐和脱盐交替是土壤碱化和土壤pH变化的重要原因；其次，通过对艾比湖湿地土壤盐分和pH进行相关性分析，可知土壤盐分与含水量和pH呈正相关，这与沈浩等[31]对玛纳斯河流域农田土壤水盐空间分布特征及影响因素的研究中表层土壤水盐含量呈正相关性相同，即土壤盐分含量随土壤含水量升高而增多；此外，土壤盐分含量的升高是导致土壤pH升高的原因之一，这与杨劲松等[5]对黄河三角洲地区土壤水盐空间变异特征研究中土壤pH与盐分含量呈极显著负相关不同，这可能是由于艾比湖湿地的地理位置和极端干旱的气候所致.土壤盐分低值区出现在东北部的大部分、南部和西南部的精河和博河入湖河口处，东北部以及奎屯河下游，主要植物群落为梭梭，沙化较为严重，土壤沙化的后果是土壤肥力降低、土壤颗粒变细、土壤盐分含量减少[32]，土壤含水量低，南部人工种植梭梭的沙泉子，土壤质地以砂砾为主，持水能力差，西南部有季节性河流精河和博河，且精河下游入湖河口进行的人工引水围堰工程和养殖水产工程不仅对土壤质地起到了良好的改善作用，使得土壤保水能力加强，盐分含量相对降低；博河下游含水量较低是由土壤质地差异引起的；土壤含水量高值区出现在北部的科克巴斯陶管护站区域以及西南部引水围堰区，北部的科克巴斯陶管护站区域海拔地势条件较东部地区要低，有天然泉水外流，含水量较东部高，采样期8月正值旱季，所以研究区大部分地区含水量都比较低.
通过对艾比湖湿地土壤盐渍化分析可知, 研究区土壤盐渍化以盐土面积最大，重度盐化土次之，这与金海龙等[10]在2009年研究发现以重度盐化土为主的艾比湖湿地不同，说明艾比湖湿地近几年土壤已由重度盐化土转向盐土，土壤盐渍化日益严重.通过研究艾比湖湿地土壤水盐空间分布特征，可为绿洲土地的合理开发利用和土壤盐渍化的防治改良提供理论参考.
4 结论1) 绕湖一周不同区域的土壤盐分均属中等变异强度；土壤含水量在西北部属强变异性，而东北、东南和西南部均属中等变异强度；土壤pH在不同区域内均属弱变异强度.
2) 通过半方差函数分析，除了西北部土壤盐分比较符合球状模型外，其它不同区域土壤盐分、含水量和pH半方差理论模型都比较符合高斯模型；不同区域上的土壤盐分、含水量与pH的空间分布都是由结构性因素(如地形、母质、气候和土壤类型等)起主导作用；Moran's Ⅰ系数分析表明西南部土壤盐分、含水量和pH的Moran's Ⅰ系数比其它方位的波动较大，空间相关性较强，这与气候、地貌、微地形、土壤类型等因素密切相关.
3) 研究区表层土壤盐分、含水量和pH的空间分布多呈现不规则条带状格局.土壤盐渍化程度以盐土面积最大，重度盐化土次之.
致谢: 感谢张小萌师兄、王盼盼师姐、杜改俊师姐、马雯在野外采集样品与室内实验分析所做的指导与帮助.| [1] |
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