艾比湖濕地不同鹽漬化土壤粒度組成及可蝕性研究①

王敬哲，丁建麗 *，王 飛，梁 靜

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艾比湖濕地不同鹽漬化土壤粒度組成及可蝕性研究①

王敬哲1,2，丁建麗1,2 *，王 飛1,2，梁 靜1,2

(1新疆大學資源與環(huán)境科學學院智慧城市與環(huán)境建模自治區(qū)普通高校重點實驗室，烏魯木齊 830046；2 新疆大學綠洲生態(tài)教育部重點實驗室，烏魯木齊 830046)

為了研究內(nèi)陸干旱區(qū)不同鹽漬化土壤的粒徑組成及其可蝕性的空間分布，在不同鹽漬化程度上探討其與土壤中鹽分含量的相互關(guān)系，本研究以新疆維吾爾自治區(qū)艾比湖濕地為研究靶區(qū)，利用2015年5月獲取的66個表層土壤樣品，對土壤的粒度組成、含鹽量、分形維數(shù)和可蝕性因子值進行了研究。結(jié)果表明：樣品中鹽土占比達到 59.09%，平均含鹽量達 131.59 g/kg，研究區(qū)內(nèi)鹽漬化現(xiàn)象既普遍又嚴重；土壤顆粒以粉粒和砂粒為主，隨著鹽漬化程度的加劇黏粒含量不斷增加，砂粒含量則相反；土壤顆粒的分形維數(shù)值介于2.14 ~ 2.60，平均值為2.45；隨著鹽漬化程度加劇，分形維數(shù)逐漸變大，值也隨之逐漸增大，鹽土的值最大達0.093；土壤可蝕性因子值與含鹽量的相關(guān)性較高(=0.596**)，在一定程度上可以說明，土壤的含鹽量水平越高，值越大，越容易被侵蝕。

鹽漬土；內(nèi)陸干旱區(qū)；分形維數(shù)；粒徑；艾比湖濕地

土壤是由不同顆粒大小的固相物質(zhì)及孔隙組成的分散多孔介質(zhì)，具有一定的分形特征[1-3]。土壤分形維數(shù)不僅可以反映土壤的粒徑分布(soil particle size distribution, PSD)狀況，表征不同粗細土壤顆粒的分布情況，同時與土壤的肥力狀況、水力學性質(zhì)、固碳能力以及抗蝕特性等密切相關(guān)[4-7]。其對植被生長、水土保持以及生態(tài)修復有著極為重要的研究意義[8]。土壤可蝕性指土壤是否易受侵蝕動力破壞的能力，也就是土壤對外界侵蝕、剝蝕和搬運的敏感程度。土壤粒徑分布、分形特征以及可蝕性等研究受到廣大研究人員的關(guān)注并日漸成為土壤學領(lǐng)域的研究熱點。

近幾十年來，國內(nèi)外學者主要針對土壤侵蝕、土壤退化以及持水特性等領(lǐng)域?qū)ν寥懒竭M行了大量研究[9-12]。Arya和Paris[13]通過細化土壤粒徑分布曲線并結(jié)合土壤粒度參數(shù)建立了對應(yīng)的土壤水分特性模型。Gui等[14]以策勒綠洲為研究區(qū)，利用表層土壤的粒徑分布狀況分析了人為及自然因素對其的影響。Chen和Zhou[15]研究了重慶萬州紫土區(qū)的土壤粒徑分布狀況并利用通用土壤流失方程(universal soil loss equation, USLE)對小流域的土壤侵蝕量進行了預測。趙明月等[16]分析了黃土丘陵溝壑區(qū)不同尺度的土壤粒徑，探討了粒徑分布特征與外界環(huán)境因子的關(guān)系。茹豪等[17]就不同土地利用類型對土壤粒徑分布的影響及其與分形參數(shù)之間的關(guān)系開展了研究。朱成剛等[18]探討了伊犁河谷土壤的可蝕性特征及其與土壤特征因子的相關(guān)性。這些研究主要針對不同的母質(zhì)組成、地貌類型、植被群落特征等開展，而對于荒漠區(qū)不同鹽漬化程度土壤的粒級狀況及相關(guān)研究相對較少。

艾比湖是新疆面積最大的咸水湖，自20世紀50年代伊始湖泊逐漸萎縮，近年來湖泊面積已不足400 km2，而且退化程度愈發(fā)嚴重[19]。此外，受強烈的蒸發(fā)作用影響，湖周濕地土壤荒漠化與鹽漬化現(xiàn)象十分嚴重，對天山北坡經(jīng)濟帶的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生了直接影響，并且威脅到新亞歐大陸橋的安全運行[20]?；诖耍狙芯恳詢?nèi)陸干旱區(qū)艾比湖濕地自然保護區(qū)的表層土壤為研究對象，依據(jù)原位工作以及室內(nèi)分析實驗，研究不同鹽漬化程度土壤的粒徑分布及其可蝕性的空間分布，從不同鹽漬化程度上探討其與土壤中鹽分含量的相互關(guān)系，以期為干旱區(qū)濕地土壤的水土保持功能及生態(tài)修復提供科學支持和參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

艾比湖濕地是內(nèi)陸干旱區(qū)典型的高鹽湖泊濕地，地處新疆維吾爾自治區(qū)西北部，準噶爾盆地西南緣，地理坐標為44°30′ ~ 45°10′ N，82°35′ ~ 83°50′ E。艾比湖濕地國家級自然保護區(qū)于2008年成立，保護區(qū)總面積達2 670.85 km2，地跨博爾塔拉蒙古自治州境內(nèi)的博樂市、精河縣及阿拉山口市[21-22]。研究區(qū)南、北、西三面環(huán)山，遠離海洋并受西北部阿拉山口影響，多年平均大風(>17 m/s)天數(shù)可達164 d。該區(qū)域年平均氣溫7.4℃，年平均降水量不足100 mm，且年內(nèi)分布極不均勻；年均潛在蒸發(fā)量高達1 315 mm，屬典型溫帶大陸性干旱氣候[23-25]。土壤成土母質(zhì)主要有湖積、洪積沖積、風積物等幾類。艾比湖濕地典型的地帶性土壤類型為灰漠土、灰棕漠土及風沙土等，土壤的鹽化及石質(zhì)性程度均較為強烈[26]。土地利用方式以灌木林地、荒草地為主，農(nóng)地面積占比不足0.01%，且分布零散。受自然和人為因素影響，艾比湖濕地土壤的荒漠化和鹽漬化現(xiàn)象十分普遍，生態(tài)環(huán)境極為脆弱。

圖1 研究區(qū)示意圖及采樣點分布

1.2 樣品采集及處理

土壤樣品的采樣時間為2015年5月中旬，根據(jù)艾比湖濕地的生態(tài)景觀特征，選取有代表性的綠洲、荒漠及交錯帶等景觀布設(shè)66個樣地，樣地尺寸30 m × 30 m。采集樣品前，利用 GPS 記錄該樣地的位置，采用5點混合法進行土樣采集，采樣深度為0 ~ 10 cm，共計66個土壤樣品。待土壤樣品自然風干后去除草根等雜質(zhì)并過2 mm (10目)孔篩后分為3份，分別用于土壤含鹽量、有機碳含量以及粒徑的測定。其中，土壤含鹽量使用德國Wissenschaftlich Technische Werkst?tten公司生產(chǎn)的Multi 3420 SET B 便攜式多參數(shù)分析儀，在土壤懸濁液 (水土比 5∶1)中進行測定；土壤有機碳 (soil organic carbon, SOC)含量的測定采取重鉻酸鉀容量-稀釋熱法[27]；土樣經(jīng)過去除有機碳、碳酸鈣和顆粒分散等預處理后，使用美國Microtrac公司生產(chǎn)的S3500型激光粒度儀 (量程0.01 ~ 2 000 μm)測定土壤粒徑的體積分數(shù)，每個供試土樣重復測定5次，取算術(shù)平均值，重復測量誤差小于2%。土壤PSD分級依據(jù)國際制土壤質(zhì)地分級標準，即黏粒(粒徑<0.002 mm)，粉粒 (粒徑0.002 ~ 0.02 mm)和砂粒(粒徑0.02 ~ 2 mm)。

1.3 土壤粒徑分形維數(shù)計算

土壤粒徑的分形維數(shù)可以準確表征土壤顆粒的分布特征及質(zhì)地均勻程度[3, 28]。因此，本研究采用土壤顆粒體積分形模型計算研究區(qū)表層土壤的單重分形維數(shù)。其公式為：

式中：為分形維數(shù)，為土壤粒徑，(rR的累計體積；T指土壤顆粒的總體積；max指的是對所有粒級而言的上限值，數(shù)值上即為最大粒徑。計算時先計算lg((r

1.4 土壤可蝕性K值計算

土壤可蝕性因子值采用Williams等[29]在Erosion－Productivity Impact Calculator(EPIC)模型中發(fā)展的估算方法，該方法僅需土樣的有機碳和粒度組成資料即可進行區(qū)域土壤可蝕性因子的估算，計算公式如下：

式中：Sa表示土壤中砂粒體積分數(shù)(%)，Si為粉粒體積分數(shù)(%)；Cl為黏粒體積分數(shù)(%)；為有機碳體積分數(shù)(%)；其中，Sn=1－Sa/100。值越大則表示越容易受到侵蝕，反之亦然。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用統(tǒng)計分析軟件SPSS 19.0對不同鹽漬化程度土壤的粒度組成、分形維數(shù)及值進行相關(guān)性分析，并進行空間可視化表達，采用Origin9.0及ArcGIS 10.1進行繪圖。

2 分析與討論

2.1 土壤鹽漬化分級

根據(jù)土壤含鹽量的不同，可將土壤分為非鹽漬土、輕度鹽漬土、中度鹽漬土、重度鹽漬土以及鹽土5類(表1)。根據(jù)各類鹽漬化土壤的劃分標準，本研究對66個表層土壤樣本進行了鹽漬化程度的分類統(tǒng)計[30-31]。從表1中可知，非鹽漬土樣本10個，占比僅為15.15%；輕、中、重度鹽漬土樣本共計17個，占總樣本數(shù)的25.76%；而占比最多的為鹽土，占比達到59.09%，均值達131.59 g/kg，遠遠大于鹽土含鹽量的最低標準(20 g/kg)。這說明研究區(qū)內(nèi)，鹽漬化現(xiàn)象十分普遍，且程度較為嚴重。

表1 鹽漬化土壤分級標準及土壤樣本分類統(tǒng)計

2.2 土壤粒徑分布及分形維數(shù)

對不同鹽漬化程度土壤的粒徑分布及分形特征進行描述性統(tǒng)計，由表2可知，艾比湖濕地內(nèi)表層土壤顆粒以粉粒和砂粒為主，最大體積分數(shù)可達70.76% 和98.19%，黏粒體積分數(shù)最小為0。非鹽漬土、輕度鹽漬土、中度鹽漬土、重度鹽漬土以及鹽土的黏粒體積分數(shù)分別為1.01%、1.45%、1.52%、1.57% 和1.58%，就平均值而言，黏粒體積分數(shù)隨著鹽漬化程度的加劇而不斷增加；而砂粒體積分數(shù)在上述5種土壤中分別為81.53%、81.27%、76.82%、73.32% 和69.89%，砂粒體積分數(shù)與鹽漬化程度呈一定的負相關(guān)關(guān)系。在5種不同鹽漬化程度的土壤中，各粒徑體積分數(shù)的差異性不強，均屬中等變異程度(10%

根據(jù)粒徑分級情況以及公式(1)，對研究區(qū)表層土壤粒徑的分形維數(shù)進行計算，得到對應(yīng)的分形維數(shù)值(表2)。研究區(qū)非鹽漬土、輕度鹽漬土、中度鹽漬土、重度鹽漬土以及鹽土5類土壤值介于2.14 ~ 2.60，平均值為2.45；隨著鹽漬化程度的加劇，對應(yīng)土壤的值也逐漸增加，總體趨勢是：鹽漬化程度越強，土壤的分形維數(shù)越大。

表2 不同鹽漬化程度的土壤粒徑分布和分形維數(shù)

續(xù)表

注：土壤的粒徑組成 (黏粒、粉粒、砂粒)的計量均為體積分數(shù)(%)。

將全部樣本按照土壤粒徑分布繪制三角分類圖，如圖2所示。根據(jù)國際制土壤質(zhì)地分類三角圖，66個土壤樣本分為粉質(zhì)壤土、壤土、砂質(zhì)壤土、砂土及壤質(zhì)砂土。這幾類土壤的特性為砂粒含量較高，黏、粉粒含量較低，透水性較好而持水性較差。

圖2 鹽漬化土壤質(zhì)地

由表3可知，研究區(qū)砂土及壤質(zhì)砂土、砂質(zhì)壤土及壤土以及粉質(zhì)壤土的樣本數(shù)量分別為22個、35個和9個。砂土及壤質(zhì)砂土在各類鹽漬化程度的土壤之中都有分布；其中砂質(zhì)壤土及壤土的占比最高達到了53.85%，而粉質(zhì)壤土僅出現(xiàn)在鹽土之中，占比最小。就鹽漬化程度而言，除了鹽土在上述5種不同質(zhì)地的土壤中均有分布以外，其他4種不同鹽漬化程度的土壤僅屬于砂土、壤質(zhì)砂土、砂質(zhì)壤土及壤土。其中粉質(zhì)壤土的平均含鹽量最高，達到了171.22 g/kg，平均含鹽量最低的土壤質(zhì)地為砂土及壤質(zhì)砂土，其平均含鹽量也超過了鹽土的標準(47.29 g/kg)。可以看出，隨著土壤顆粒逐漸變細，土壤中鹽分的平均含量逐漸升高。

由表2可知，不同鹽漬化程度土壤的粒徑分布及分形維數(shù)存在一定差異，而現(xiàn)實中土壤類型分布錯綜復雜，判別研究區(qū)土壤顆粒的分布特征及質(zhì)地均勻程度比較困難。因此，基于室內(nèi)測定的PSD結(jié)果，利用ArcGIS中的地統(tǒng)計分析模塊，采用反距離加權(quán)(inverse distance weighted, IDW)法進行空間插值，得到艾比湖濕地土壤的黏粒、粉粒、砂粒和分形維數(shù)值的空間分布 (圖3)。

表3 不同鹽漬化程度土壤的質(zhì)地分類

圖3 艾比湖濕地土壤的PSD及分形維數(shù)的空間分布

由圖 3A 可知，艾比湖濕地黏粒體積分數(shù)整體相對較低，部分樣點的黏粒體積分數(shù)為 0，僅在艾比湖西北部(阿拉山口)以及艾比湖西南側(cè)狹長地帶(精河下游河岸帶)存在一定的高值點，但最高的黏粒體積分數(shù)也僅為 4.51%。粉粒含量的空間分布趨勢與黏粒的類似(圖3B)。從圖 3C 中可以看出，在艾比湖西北側(cè)和東北側(cè)的部分區(qū)域砂粒體積分數(shù)相對較低，就整體而言，研究區(qū)砂粒體積分數(shù)偏高，最值點的含量達到 98.17%，基本上呈現(xiàn)出湖東南側(cè)大于西北側(cè)的空間分布趨勢。分形維數(shù)值分布則顯示出與黏粒和粉粒極高的相似性，高值區(qū)主要分布在研究區(qū)的西北側(cè)和北部等區(qū)域(圖3D)，這與王勇輝等[32]的研究結(jié)果一致。

2.3 土壤可蝕性因子K值

由公式(2)可知，土壤可蝕性因子與土壤中黏粒、粉粒、砂粒及有機碳特征密切相關(guān)。為了建立基于研究區(qū)USLE的土壤侵蝕量估算數(shù)據(jù)庫，需要掌握值特征。本研究通過計算獲取了研究區(qū)66個樣點的土壤可蝕性因子，按照鹽漬化程度進行分類并進行均值。由表4可知，不同鹽漬化程度土壤的土壤可蝕性因子與分形維數(shù)值的變化趨勢一致，即隨著土壤含鹽量的增加，土壤的分形維數(shù)逐漸變大，值也隨之逐漸增大。其中非鹽漬土的值最小為0.078，中度鹽漬土適中為0.081，鹽土的值達到了0.093。圖4為艾比湖濕地土壤含鹽量及土壤可蝕性值的空間分布圖。土壤含鹽量的高值區(qū)域與值分布的高值區(qū)域基本一致，主要在艾比湖湖區(qū)外圍的西北、東南側(cè)零星分布。從空間分布上也可以佐證上文的結(jié)論，即土壤平均鹽分含量越高，值也越大。

土壤作為一種具有分形特征的復雜系統(tǒng)，分形幾何常用于土壤粒徑分形維數(shù)的研究。土壤粒徑的分形維數(shù)可以反映土壤顆粒分布特征及質(zhì)地的均勻程度，還可以反映土壤發(fā)生、土壤肥力、土地利用覆蓋類型對土壤質(zhì)地的影響[11]。對于艾比湖濕地這一典型的干旱區(qū)荒漠生態(tài)系統(tǒng)而言，研究不同鹽漬化程度的土壤的粒徑分布及其可蝕性狀況具有重要意義。本研究以艾比湖濕地獲取的66個土壤樣品為研究對象，依據(jù)土壤含鹽量的不同，對不同鹽漬化程度的土壤PSD和分形維數(shù)等進行分析后發(fā)現(xiàn)，隨著鹽漬化程度的加劇，對應(yīng)土壤的值也逐漸增加，這與趙望龍等[33]的研究結(jié)果類似。砂粒在研究區(qū)土壤中占主要地位，并且在艾比湖東南側(cè)廣泛分布，這可能受到南側(cè)地形偏低以及阿拉山口大風等因素的影響[19]。此外，從圖3和圖4A中可以看出，黏粒、粉粒、土壤含鹽量等指標在艾比湖周西北側(cè)有一些極高值分布。結(jié)合表2中的數(shù)據(jù)可知，這可能是因為研究區(qū)土壤侵蝕類型以風蝕為主，而沙質(zhì)荒漠化過程發(fā)生時，通常伴隨土壤表層細顆粒物質(zhì)的損失[26,34]。黏粒和粉粒的損失致使土壤沙化加劇，而鹽漬化程度嚴重的區(qū)域，土壤中易溶性鹽可以膠結(jié)土壤顆粒從而形成鹽殼(鹽結(jié)皮)，能夠?qū)⑼寥乐屑毩Ｎ镔|(zhì)固定，在一定程度上可以遏制黏粒、粉粒被風吹走，增強土壤抗風蝕能力，減緩該地區(qū)土壤荒漠化的發(fā)生與發(fā)展[35-36]。

表4 不同鹽漬化程度土壤的可蝕性因子K

2.4 各土壤理化指標的相關(guān)性

對研究區(qū)獲得的土壤樣品的土壤粒度、鹽分含量和 SOC 含量等指標進行相關(guān)分析，結(jié)果如表5 所示。土壤SOC含量與各種土壤粒徑不相關(guān)，但與土壤中的含鹽量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(=0.599)。土壤含鹽量與黏粒(=0.400)和粉粒(=0.398)的體積分數(shù)均呈顯著正相關(guān)，與砂粒體積分數(shù)顯著負相關(guān)(= –0.402)，這表明質(zhì)地較細的顆粒對土壤鹽分具有一定程度的吸附作用。土壤分形維數(shù)值與黏粒、粉粒和砂粒體積分數(shù)的相關(guān)系數(shù)分別為0.751、0.855和–0.859，說明值與黏粒、粉粒體積分數(shù)呈現(xiàn)出顯著正相關(guān)關(guān)系，而與砂粒體積分數(shù)的關(guān)系則相反；土壤含鹽量與值的相關(guān)性也較高。土壤可蝕性因子值與不同大小的土壤顆粒相關(guān)性均未達到顯著水平，但與SOC含量顯著負相關(guān)。但值得注意的是，值與含鹽量的相關(guān)性比較高(=0.596)，在一定程度上可以說明，土壤的含鹽量水平越高，值越大，越容易被侵蝕。

圖4 艾比湖濕地土壤含鹽量(A)及土壤可蝕性K值(B)的空間分布

表5 艾比湖濕地表層土壤理化指標間的相關(guān)系數(shù) (n= 64)

注：**表示在＜0.01 水平上顯著相關(guān)。

本研究針對土壤的含鹽量對鹽漬化程度進行分級，分析并計算了不同鹽漬化程度土壤的值。對于艾比湖濕地的水土保持功能和大尺度的遙感監(jiān)測提供了前期數(shù)據(jù)支持。然而當前土壤可蝕性因子的獲取通常是基于原始或修正后 USLE 進行的推算或反算。而這些模型大都屬于經(jīng)驗型統(tǒng)計模型，具有一定的局限性。對于特定研究區(qū)的土壤實際狀況針對性不夠強，缺乏對土壤侵蝕實際狀況的考慮。因此后續(xù)的研究將在探討土壤含鹽量對土壤侵蝕的影響的同時，結(jié)合地形起伏度、植被覆蓋等因素，利用土壤同位素示蹤技術(shù)，進一步完善對研究區(qū)土壤侵蝕狀況的研究。

3 結(jié)論

1) 研究表明，艾比湖濕地66個表層土壤樣品中，鹽土占比達59.09%，含鹽量均值達 131.59 g/kg，研究區(qū)內(nèi)的鹽漬化現(xiàn)象十分普遍，且程度較為嚴重。

2) 艾比湖濕地表層土壤顆粒以粉粒和砂粒為主，隨著鹽漬化程度的加劇黏粒含量不斷增加，砂粒含量則相反。

3) 艾比湖濕地土壤的分形維數(shù)值介于2.14 ~ 2.60，平均值為2.45。隨著鹽漬化程度加劇，分形維數(shù)逐漸變大，值也隨之逐漸增大，其中鹽土的值最大達0.093。

4) 艾比湖濕地土壤的可蝕性因子值與含鹽量的相關(guān)性較高(=0.596**)，在一定程度上可以說明，土壤的含鹽量水平越高，值越大，越容易被侵蝕。

致謝：感謝新疆聯(lián)海創(chuàng)智信息科技有限公司地理信息工程師馬軒凱在本研究圖件繪制及成文過程中提供的幫助。

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Particle Size Distribution (PSD) and Erodibility of Soils Under Different Salinization Degrees in Ebinur Lake Wetland

WANG Jingzhe1,2, DING Jianli1,2 *, WANG Fei1, 2, LIANG Jing1, 2

(1 Key Laboratory of Wisdom City and Environmental Modeling Department of Education, Xinjiang University, Urumqi 830046, China; 2 Key Laboratory of Oasis Ecology, Xinjiang University, Urumqi 830046, China)

This study is aimed to study the spatial distribution of PSDs and erodibility factorof soils in the inland arid area as well as their relations with soil salinity. In total 66 surface soil samples were collected from the Ebinur Lake Wetland in Xinjiang Uygur Autonomous Region of China in May of 2015, PSDs, salinities and organic carbon contents of soil samples were measured, and the fractal dimensionand erodibility factorwere calculated. The results showed that 59.09% of soil samples was salinized with a mean salt content of 131.59 g/kg, indicating salinization is common and serious in the study area. Soil particles were mainly silts and sands, clays increased but sands decreased with the increase of salinization degree. Soil fractal dimensionwas between 2.14 – 2.60 with a mean value of 2.45. In addition, with the increase of salinization degree,andgradually increased, the maximumwas 0.093. The correlation betweenand soil salinity was extremely significant (= 0.596**), thus, to a certain extent, it could be concluded that the higher soil salinity, the highervalue and the more likely to be eroded.

Saline soil; Inland arid area; Fractal dimension; Soil particle size; Ebinur Lake Wetland

國家自然科學基金重點項目(41771470、41661046)資助。

(watarid@xju.edu.cn)

王敬哲(1992—)，男，河南鄭州人，博士研究生，研究方向為陸地遙感與全球變化。E-mail：wjzf-682@163.com

10.13758/j.cnki.tr.2018.03.022

S152.3；S151.9

A