艾比湖濕地土壤水分-鹽分-養(yǎng)分空間異質(zhì)性分析

方麗章，李艷紅*，李發(fā)東，3，4，朱海強

（1.新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，烏魯木齊 830054；2.新疆維吾爾自治區(qū)重點實驗室，新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源實驗室，烏魯木齊 830054；3.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101；4.中國科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100190）

土壤水分、鹽分、養(yǎng)分是濕地循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)關(guān)鍵的組成部分[1-2]，土壤含水量是土壤重要狀態(tài)參數(shù)[3]。土壤鹽分空間分布能反映土壤鹽漬化狀態(tài)和程度[4]，土壤養(yǎng)分反映濕地生態(tài)系統(tǒng)土壤肥力，它們都受到土壤理化性質(zhì)、水文過程等多種因素的影響[5-6]，因此掌握土壤水分、鹽分、養(yǎng)分時間變化與空間格局有利于土壤資源的合理利用[7]。國外學(xué)者[8-9]認為土壤水鹽及養(yǎng)分的空間變異有一定的規(guī)律，其中土壤鹽分空間變異受結(jié)構(gòu)性因素影響，土壤養(yǎng)分運用球狀模型能很好地擬合，這種規(guī)律可為研究濕地生態(tài)系統(tǒng)的潛在變化過程提供條件。國內(nèi)學(xué)者對干旱區(qū)濕地土壤理化性質(zhì)研究包括黑河濕地[10]、黃河源湖泊濕地[11]、敦煌西湖荒漠濕地[12]等，研究發(fā)現(xiàn)土壤因子時間變化與空間異質(zhì)性與研究區(qū)植被、土壤質(zhì)地、水文變化及人為干擾有關(guān)[13]。艾比湖濕地是干旱區(qū)荒漠生態(tài)系統(tǒng)的典型代表，受到高鹽、大風(fēng)、沙化和干旱的影響，土壤退化嚴重，對艾比湖濕地生態(tài)環(huán)境格局及其脆弱性研究十分有必要。目前關(guān)于艾比湖濕地的研究集中在博爾塔拉河（以下簡稱博河）、精河等河流下游，主要研究了土壤鹽分對植物群落的影響[14]，河岸帶土壤鹽分離子變化特征[15]，不同植物群落下土壤鹽分與養(yǎng)分的空間變化[16]，環(huán)湖濕地土壤水鹽空間變異等[17]，而缺乏對艾比湖濕地土壤水分-鹽分-養(yǎng)分三者的區(qū)域空間性系統(tǒng)研究。因此本文采用2014—2015年5、8月野外采樣數(shù)據(jù)，以湖心質(zhì)點為中心，從不同區(qū)域分析艾比湖濕地土壤含水量、鹽分、pH、養(yǎng)分時間變化及空間異質(zhì)性，以期為艾比湖國家級自然保護區(qū)土壤動態(tài)變化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為生態(tài)環(huán)境管理及土壤鹽漬化治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

艾比湖濕地國家級自然保護區(qū)（44°30′～45°09′N，82°33′～83°53′E）位于新疆維吾爾自治區(qū)天山西段北麓，準(zhǔn)噶爾盆地西南部，屬于溫帶大陸性氣候，干燥少雨多風(fēng)，鹽塵暴和浮塵活動繁多。年平均氣溫在6～8℃，極端最高氣溫41.7℃，最低-32.2℃，降水量在100 mm左右，潛在蒸發(fā)量約1300 mm。西北部處于阿拉山口大風(fēng)通道上，年均風(fēng)速6 m·s-1，大風(fēng)日數(shù)為165 d，其中瞬間最大風(fēng)速高達55 m·s-1。艾比湖是典型的尾閭湖，1998—2013年間艾比湖面積縮小了18.59%[18]，土壤沙化鹽化加劇，環(huán)湖一周土壤退化存在明顯差異，以湖心質(zhì)點[17]（44°52′33.77″N，83°2′18.34″E）為中心將艾比湖濕地劃分為4個區(qū)域（圖1）：東北部、東南部、西北部、西南部。西北部干涸湖底有大面積鹽殼及含鹽疏松的裸土，土壤類型主要是鹽土，其中西北部科克巴斯陶附近有天然泉水外流；東北部奎屯河和東南部阿奇克蘇河已經(jīng)斷流，兩河下游地區(qū)土壤沙化嚴重，土壤類型分別是灰棕漠土和鹽土，其中東南部風(fēng)成地貌較明顯；西南部博河與精河入湖口主要是湖濱濕地、沖-洪積平原，土壤類型主要是細砂、粉砂、黏土等，其中西南部精河下游2002年實施圍堰和土壤改良工程。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集與測定

圖1 研究區(qū)示意圖Figure 1 Research area schematic drawing

在2014年和2015年5、8月環(huán)湖一周160 km范圍，根據(jù)濕地實際情況設(shè)置67個樣點，采樣時均為晴天，記錄每一個樣點的海拔高程、經(jīng)/緯度及樣地附近的植被類型和土壤質(zhì)地等環(huán)境要素。除去土壤表層雜物，自下而上采集0～20 cm土壤，裝入樣品袋密封帶回實驗室，自然風(fēng)干、磨碎、過篩。土壤全鹽含量測定，制備1∶5的土水質(zhì)量比浸提液，土壤pH值用玻璃電極測定，土壤含水量用烘干法測定，土壤有機質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化法測定，土壤全磷用堿熔-鉬銻抗比色法測定，土壤全氮用凱氏定氮儀測定[19]。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理

使用Excel、SPSS對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析和差異顯著性檢驗，運用GS+進行半方差函數(shù)計算和Moran′s I系數(shù)分析，Kriging（克里金）插值以及空間分布圖使用ArcGIS繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 艾比湖濕地土壤水分-鹽分-養(yǎng)分季節(jié)變化特征

2.1.1 土壤含水量變化特征

本研究對數(shù)據(jù)進行Kolmogorov-Smirnov法正態(tài)檢驗（P＜0.05），實驗數(shù)據(jù)不符合正態(tài)分布，需要對數(shù)據(jù)進行對數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后均呈正態(tài)分布。土壤含水量受地下水埋深、氣候等影響較大，為清楚了解土壤含水量的季節(jié)變化，由表1可知，不同區(qū)域土壤含水量5月大于8月。對5、8月不同區(qū)域土壤含水量差異性分析表明，東北部、東南部土壤含水量均變化顯著（P＜0.05），西北部、西南部土壤含水量變化均不顯著（P＞0.05），5、8月含水量最大值分別為255.73、230.28 g·kg-1，最小值分別為6.82、2.61 g·kg-1。按照變異系數(shù)（CV）劃分等級[20]：CV＜10% 為弱變異性；10%＜CV＜100%為中等變異性；CV＞100%為強變異性。土壤含水量變異系數(shù)5月小于8月，含水量變異系數(shù)在60%～100%之間，屬中等變異性。

2.1.2 土壤鹽分與pH值變化特征

從表1中可以看出土壤鹽分與pH值的季節(jié)變化。土壤鹽分含量8月高于5月，對5、8月不同區(qū)域土壤鹽分含量差異性分析表明，土壤鹽分變化均表現(xiàn)為不顯著（P＞0.05），最大值分別為 37.25、47.61 g·kg-1，最小值分別為1.48、2.17 g·kg-1，按照變異系數(shù)劃分等級，土壤鹽分變異系數(shù)5月高于8月，變異系數(shù)均在20%～80%，屬于中等變異。除東北部外，不同區(qū)域土壤pH值8月大于5月，西北部、東南部土壤pH值均變化顯著（P＜0.05），按照變異系數(shù)劃分等級，不同區(qū)域土壤pH值變異系數(shù)CV＜10%，均屬于弱變異。參照新疆土壤鹽堿化的分級標(biāo)準(zhǔn)[21]可知，5、8月4個區(qū)域土壤鹽漬化有所差異，西北部土壤達到鹽土化水平，東北部土壤達到中度鹽化水平，西南部與東南部土壤達到重度鹽化水平。土壤pH值整體呈現(xiàn)出堿性或強堿性。

2.1.3 土壤養(yǎng)分變化特征

對不同區(qū)域土壤養(yǎng)分季節(jié)變化進行分析（表1），4個區(qū)域土壤有機質(zhì)、全磷、全氮含量均為8月高于5月。對5、8月不同區(qū)域土壤養(yǎng)分含量變化差異性分析表明，東北部、東南部土壤有機質(zhì)均變化顯著（P＜0.05），西北部、西南部土壤有機質(zhì)變化均不顯著（P＞0.05）。土壤全磷除東北部外，其他區(qū)域土壤全磷含量均變化顯著（P＜0.05），土壤全氮含量除東北部變化顯著外（P＜0.05），其他區(qū)域土壤全氮變化均不顯著（P＞0.05）。

表1 5、8月份土壤含水量、鹽分與pH、養(yǎng)分的統(tǒng)計特征Table 1 Statistical charactristic values of soil moisture，salinity，pH and nutrient in May and August

有機質(zhì)、全磷、全氮平均含量變化范圍為6.97～12.21、0.31～1.25、0.39～1.17 g·kg-1。從變異程度來看，土壤養(yǎng)分5月變異系數(shù)均大于8月，變異系數(shù)范圍在10%～80%，屬于中等強度變異。參照全國土壤養(yǎng)分等級劃分標(biāo)準(zhǔn)[22]可知，5、8月土壤有機質(zhì)、全氮處于4～5級，土壤全磷在2～4級之間，土壤養(yǎng)分總體較為貧瘠。

2.2 艾比湖濕地土壤水分-鹽分-養(yǎng)分空間分布的影響因素分析

根據(jù)半方差函數(shù)理論及計算模型得出不同區(qū)域土壤因子變異函數(shù)模型及相關(guān)參數(shù)[23]（表2），表中C0為塊金值，C0+C為基臺值，C0/（C0+C）表明土壤性質(zhì)空間相關(guān)性的程度高低，C0/（C0+C）小于25%，表現(xiàn)為強空間相關(guān)性，主要受結(jié)構(gòu)性因素影響，25%～75%之間是中等空間相關(guān)性，受結(jié)構(gòu)性與隨機性因素影響，大于75%，空間相關(guān)性較弱，主要為隨機性因素影響。5、8月西北部土壤鹽分符合指數(shù)與球狀模型，東北、西南、東南部土壤鹽分符合高斯模型；4個區(qū)域土壤含水量與土壤pH均符合高斯模型，不同區(qū)域土壤養(yǎng)分符合高斯、指數(shù)、球狀模型，其中高斯模型居多。從決定系數(shù)來看，在5、8月4個區(qū)域不同的理論模型變化范圍為31%～96%。從塊金系數(shù)來看，不同區(qū)域土壤含水量塊金系數(shù)小于34%；除5月西南部外，土壤pH塊金系數(shù)均小于25%；土壤鹽分塊金系數(shù)均小于25%；除5月東北部外，土壤養(yǎng)分塊金系數(shù)均小于25%，表現(xiàn)出強烈的空間自相關(guān)性。說明影響其空間分布的因素中，土壤鹽分、pH、養(yǎng)分主要受結(jié)構(gòu)性因素影響，土壤含水量主要受結(jié)構(gòu)性因素和隨機性因素共同影響。從變程來看，除西南部5、8月鹽分和5月有機質(zhì)變程較小之外，西北部土壤含水量、鹽分、養(yǎng)分變程均小于其他區(qū)域土壤因子變程，這可能是由于西南部進行了引水圍堰工程，西北部常年大風(fēng)以及季節(jié)性放牧等使土壤水分、鹽分、養(yǎng)分變程較小。

表2 5、8月份土壤含水量、鹽分與pH、養(yǎng)分的半方差函數(shù)類型及其參數(shù)Table 2 Types of semi-variance model and their parameters for soil moisture，salinity，pH and nutrient in May and August

2.3 艾比湖濕地土壤水分-鹽分-養(yǎng)分的空間相關(guān)尺度分析

Moran′s I系數(shù)可定量描述研究變量在空間上的依賴關(guān)系，可以看出空間相關(guān)性隨尺度的變化[24]，I的取值為-1～1，I＞0表示變量在空間上呈現(xiàn)正相關(guān)；I＜0表示研究變量在空間上呈現(xiàn)負相關(guān)；I=0表示研究變量在空間依賴性小或空間隨機變異較大。從圖2、圖3看出，研究區(qū)5月土壤鹽分、含水量、pH和全磷的空間距離分別在15 013.07、15 013.07、20 367.99 m和34 085.39 m之前表現(xiàn)出強的正相關(guān)性，隨著距離增大，負相關(guān)性增強。8月土壤鹽分、含水量、pH和全磷隨距離增加與5月有相似的Moran′s I系數(shù)變化趨勢。5、8月土壤鹽分、pH、養(yǎng)分的Moran′s I系數(shù)波動均較大，空間相關(guān)性較強，這與地貌、微地形、氣候、土壤類型等因素密切相關(guān)。

2.4 艾比湖濕地土壤水鹽-養(yǎng)分空間分布特征

為了能更直觀辨別土壤因子空間分布情況，通過普通克里金插值預(yù)測[17]艾比湖濕地環(huán)湖土壤含水量、鹽分、pH與養(yǎng)分空間格局分布，從圖4、圖5可知，5、8月土壤含水量空間分布呈現(xiàn)不規(guī)則的條帶狀分布，其高值區(qū)出現(xiàn)在西北部科克巴斯陶與西南部引水圍堰區(qū)，低值區(qū)主要在東南部與東北部；土壤鹽分有比較明顯的空間變化，高值區(qū)主要在西北部與東南部，低值區(qū)主要在西南部引水圍堰區(qū)與東北部奎屯河下游；土壤pH整體偏堿性，高值區(qū)主要在西北部及湖周圍；不同區(qū)域土壤養(yǎng)分變化各不相同，土壤有機質(zhì)、全氮有一定的相似性，高值區(qū)出現(xiàn)在西北、西南部，土壤全磷呈無規(guī)則斑點狀分布，高、低值地區(qū)較為分散。對艾比湖濕地土壤鹽分與水分、水分與養(yǎng)分及養(yǎng)分之間進行相關(guān)性分析，5月份土壤鹽分與pH值（0.21，相關(guān)性系數(shù)，下同）呈正相關(guān)；土壤鹽分與含水量（0.294），含水量與有機質(zhì)（0.302）呈顯著性相關(guān)（P＜0.05）；含水量與全氮（0.355），pH值與有機質(zhì)（0.396）、全氮（0.445），全氮與有機質(zhì)（0.896）、全磷（0.326）呈極顯著性相關(guān)（P＜0.01）。8月份土壤鹽分與含水量（0.296）、pH值（0.3），pH值與有機質(zhì)（0.303）呈顯著性相關(guān)（P＜0.05），含水量與有機質(zhì)（0.443）、全氮（0.466），pH 值與全氮（0.381），有機質(zhì)與全磷（0.349）、全氮（0.885），全磷與全氮（0.458）呈極顯著性相關(guān)（P＜0.01）。

圖2 5月土壤含水量、鹽分、pH與養(yǎng)分有機質(zhì)、全磷、全氮的Moran′s I系數(shù)分析Figure 2 Moran′s I analysis of soil moisture，salinity，pH and nutrient organic matter，total phosphorus，total nitrogen in May

3 討論

3.1 艾比湖濕地土壤水鹽-養(yǎng)分時間變化分析

圖3 8月土壤含水量、鹽分、pH與養(yǎng)分有機質(zhì)、全磷、全氮的Moran′s I系數(shù)分析Figure 3 Moran′s I analysis of soil moisture，salinity，pH and nutrient organic matter，total phosphorus，total nitrogen in August

不同區(qū)域土壤鹽分、pH值8月高于5月，土壤含水量則相反，其中土壤含水量、鹽分屬于中等變異，土壤pH值為弱變異；5、8月土壤鹽漬化在中度鹽化與鹽土化水平之間；pH值呈堿性或強堿性；與貢璐等[25]研究的干旱區(qū)土壤水鹽空間變異中土壤pH值為弱變異結(jié)論相同。5、8月土壤鹽分與pH值均呈正相關(guān)性，不同區(qū)域土壤鹽分塊金系數(shù)均小于25%，主要受結(jié)構(gòu)性因素影響，已有研究表明[26]季節(jié)性積鹽和脫鹽交替是土壤堿化和土壤pH值變化的重要原因，說明干旱區(qū)湖泊濕地土壤鹽分、pH值季節(jié)變化主要是結(jié)構(gòu)性因素影響（如地形、土壤類型、母質(zhì)、水文等）。5、8月土壤含水量塊金系數(shù)小于34%，說明干旱地區(qū)湖泊濕地土壤含水量季節(jié)變化受到結(jié)構(gòu)性因素（氣候、地形、土壤類型等）和隨機性因素（灌溉、土壤改良、耕作措施等人為活動）共同影響，這可能是艾比湖濕地河流上游農(nóng)業(yè)灌溉用水較多，河流徑流量季節(jié)變化[27]影響了湖泊水位與地下水埋深，2015年5、8月水位計實時監(jiān)測湖泊水位變化范圍分別為0.85～1.17 m和0.60～0.78 m，地下水埋深變化范圍分別為0.65～1.02 m和1.69～1.97 m；5、8月土壤含水量與土壤養(yǎng)分之間相關(guān)性較顯著，而不同區(qū)域土壤含水量、養(yǎng)分含量存在差異，研究區(qū)土壤養(yǎng)分總體較為貧瘠，5月土壤養(yǎng)分塊金系數(shù)小于35%，而8月土壤養(yǎng)分塊金系數(shù)小于25%，說明其空間自相關(guān)性較強且主要由結(jié)構(gòu)性因素引起（土壤類型、植被群落、氣候等），這可能是艾比湖濕地成土母質(zhì)以沖擊-洪積物質(zhì)類型的砂壤土為主，發(fā)育程度較低且土壤沙化嚴重，干旱、高溫的氣候條件下，好氣微生物比較活躍，有機質(zhì)進行好氧分解，不利于累積，而土壤有機質(zhì)是土壤養(yǎng)分的載體和來源，在維持土壤結(jié)構(gòu)、保持土壤水分、形成土壤肥力方面有重要影響，堿化現(xiàn)象明顯破壞土壤結(jié)構(gòu)，植物群落衰退使得生物累積與凋落物返還過程減弱，不利于土壤質(zhì)量改善，從而使土壤肥力降低[28]。

3.2 艾比湖濕地土壤水鹽-養(yǎng)分空間異質(zhì)性分析

5、8月土壤含水量空間分布呈現(xiàn)不規(guī)則的帶狀分布，其高值區(qū)出現(xiàn)在西北部科克巴斯陶與西南部引水圍堰區(qū)，低值區(qū)主要在東南部與東北部，土壤有機質(zhì)與全氮的高值區(qū)與含水量高值區(qū)相近似?？赡芪鞅辈靠瓶税退固沼刑烊蝗鞒觯髂喜坑芯?、博河注入艾比湖，湖濱濕地土壤主要以細砂、黏土等組成，而東北部奎屯河與東南部阿奇克蘇河已斷流，土壤為沙地，透水透氣性好；西北部科克巴斯陶水源充足有利于植物群落生長，西南部進行土壤改良工程使土壤質(zhì)地得到改善，土壤鹽分較低，植被恢復(fù)良好，為土壤養(yǎng)分積累提供有利條件[29]。土壤鹽分高值區(qū)主要在西北部與東南部，低值區(qū)主要在西南部引水圍堰區(qū)與東北部奎屯河下游，這與金海龍等[30]在2009年研究發(fā)現(xiàn)艾比湖土壤鹽分高值區(qū)在湖東部不同，說明近幾年艾比湖濕地土壤鹽漬化與沙化日益嚴重。西北部與東南部干涸湖底面積較大，土壤主要為鹽土，強烈的蒸發(fā)作用使干涸湖底土壤中可溶性鹽分隨水分蒸發(fā)聚于地表，東南部在阿拉山口的徑直通道上，鹽塵加劇了荒漠景觀的發(fā)育；奎屯河下游土壤沙化嚴重，土壤沙化后土壤肥力降低，土壤顆粒變細，土壤鹽分含量減少[31]。不同區(qū)域土壤有機質(zhì)、全氮空間變化有一定的相似性，土壤全磷呈無規(guī)則斑點狀分布，高、低值地區(qū)較為分散，與杜改俊等[16]、朱海強等[32]研究的艾比湖土壤養(yǎng)分相似。從空間相關(guān)尺度分析，研究區(qū)5、8月土壤水鹽-養(yǎng)分在空間距離上均表現(xiàn)出強正相關(guān)性，Moran′s I系數(shù)波動均較大，空間相關(guān)性較強，這與賈曉紅等[33]研究的干旱區(qū)農(nóng)田土壤性狀均呈較弱的相關(guān)關(guān)系不同，這可能是艾比湖濕地環(huán)湖人為因素影響較小，土壤水鹽-養(yǎng)分主要受近湖邊土壤含水量及湖面波動，土壤結(jié)構(gòu)、植物群落等影響較為復(fù)雜。

圖4 5月土壤含水量、鹽分、pH、養(yǎng)分空間分布Figure 4 Spatial distribution of soil moisture，salinity，pH and nutrient in May

4 結(jié)論

（1）不同區(qū)域土壤鹽分、養(yǎng)分、pH值8月高于5月，土壤含水量則相反。除土壤鹽分外，5、8月不同區(qū)域土壤pH值、含水量與養(yǎng)分含量變化差異較顯著，土壤含水量、鹽分、養(yǎng)分屬于中等變異，土壤pH值為弱變異。研究區(qū)土壤鹽漬化在中度-鹽土化水平之間，土壤呈堿性或強堿性，總體較為貧瘠。

圖5 8月土壤含水量、鹽分、pH、養(yǎng)分空間分布Figure 5 Spatial distribution of soil moisture，salinity，pH and nutrient in August

（2）5、8月不同區(qū)域土壤鹽分、pH值、含水量、養(yǎng)分符合不同的半方差模型，土壤含水量受結(jié)構(gòu)性因素（氣候、地形、土壤類型等）和隨機性因素（灌溉、土壤改良、耕作措施等人為活動）共同影響，土壤鹽分、pH值與養(yǎng)分主要受結(jié)構(gòu)性因素（土壤類型、母質(zhì)、植被群落、水文等）影響；5、8月土壤鹽分、pH值、養(yǎng)分的Mo?ran′s I系數(shù)波動均較大，空間相關(guān)性較強。

（3）5、8月土壤含水量呈帶狀分布；土壤鹽分高值區(qū)主要在西北部與東南部；土壤pH高值區(qū)主要在西北部及湖周圍；土壤有機質(zhì)、全氮有一定的相似性且呈極顯著的正相關(guān)，高值區(qū)主要在西北、西南部，土壤全磷呈無規(guī)則斑點狀分布，高、低值區(qū)較為分散。

致謝：感謝師哥趙明亮、劉巖、王金龍、朱海強和師姐馬雯在野外采集樣品與室內(nèi)實驗分析中所做的指導(dǎo)與幫助。