博斯騰湖西岸湖濱綠洲土壤鹽分特征

牛芳鵬，李新國(guó)，靳萬貴，麥麥提吐爾遜·艾則孜

（新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830054）

土壤鹽分特征研究是土壤開發(fā)利用和土壤鹽漬化防治的基礎(chǔ)，土壤鹽分含量是衡量土壤鹽漬化程度和狀態(tài)的重要指標(biāo)［1-2］。土壤鹽分離子比例分布規(guī)律及其運(yùn)移過程隨地形、母質(zhì)、水文地質(zhì)及生物等因素的不同影響而存在較大差異［3-5］。西北地區(qū)干旱少雨，蒸散強(qiáng)烈，土壤中易溶性鹽分積累在土壤表層，形成大面積鹽漬化區(qū)域，加劇了土壤荒漠化的進(jìn)程，影響著綠洲農(nóng)業(yè)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定性［6-8］。在土壤鹽漬化現(xiàn)象日益突出的情況下，對(duì)土壤鹽分特征的研究尤為重要。Zhang等［9］探討了覆膜滴灌作用下土壤鹽分沿水平方向和垂直方向的分布規(guī)律，分析表明MDI對(duì)土壤表層鹽分分布的影響隨著離地表向下距離的增加而減小。Gao等［10］對(duì)河套灌區(qū)上、中、下游農(nóng)田土壤鹽分和地下水深度變化進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)灌區(qū)土壤鹽分含量波動(dòng)較大，而未開墾地土壤鹽分則表現(xiàn)為地表累積現(xiàn)象。貢璐等［11］結(jié)合經(jīng)典統(tǒng)計(jì)分析和通徑分析方法，定量分析了于田綠洲不同土壤類型的鹽分含量特征及其影響因子，研究顯示綠洲內(nèi)部的撂荒地與外圍的未利用地全鹽含量最高，影響綠洲土壤表層全鹽含量的主要因素是地下水埋深。董環(huán)等［12］利用灰色關(guān)聯(lián)分析法對(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)區(qū)土壤鹽分指標(biāo)進(jìn)行分析，探討了土壤全鹽量和各鹽分指標(biāo)間的灰度關(guān)系及影響全鹽量的主次因素，分析了土壤鹽分的發(fā)展過程與相互關(guān)系。劉遷遷等［13］對(duì)察南灌區(qū)土壤鹽分特征進(jìn)行分析，并運(yùn)用主成分分析法對(duì)土壤鹽分離子的區(qū)域影響因子進(jìn)行了探討。董正武等［14］研究了塔克拉瑪沙漠不同區(qū)域柳沙包的土壤鹽分分布特征及其影響因素，主成分分析可知，土壤鹽分含量變化與檉柳的生物積鹽效應(yīng)、沙漠地區(qū)強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用、地下水埋深及地表風(fēng)蝕強(qiáng)度等因素緊密相關(guān)。

以博斯騰湖西岸湖濱綠洲為研究區(qū)，在野外土壤調(diào)查采樣和室內(nèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用Pearson相關(guān)性分析與主成分分析，探究研究區(qū)土壤鹽分特征以及與主要土壤鹽分離子之間的關(guān)系，為區(qū)域土壤鹽漬化防治、耕地改良、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及土地資源可持續(xù)利用提供重要的理論和實(shí)踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

博斯騰湖西岸湖濱綠洲位于新疆焉耆盆地東南面博湖縣境內(nèi)，介于東經(jīng) 86°15′～ 86°55′，北緯 41°45′～ 42°10′，是典型的人工綠洲和自然綠洲混合的山前湖泊綠洲，地形北高南低，高程在1 048～1 200 m；屬于南北疆過渡的典型大陸性荒漠氣候，表現(xiàn)為干旱少雨，蒸發(fā)強(qiáng)烈，氣溫年差較大，日照時(shí)間長(zhǎng)，光熱資源豐富；年平均氣溫8.2～11.5℃，7月平均氣溫22.9～26.0℃，1月平均氣溫-7.8～-12.3℃，無霜期175.8～211.3 d，年蒸發(fā)量1 880.0～2 785.8 mm，年降水量47.7～68.1 mm，其蒸降比高達(dá)40∶1［15］；研究區(qū)土地利用類型主要為耕地、林地、草地與未利用地，土壤類型主要有綠洲潮土、沼澤土、棕鈣土、棕漠土、鹽土、龜裂土、荒漠林土等，土壤鹽漬化較為普遍［16］。

圖1 研究區(qū)地理位置示意圖

1.2 土壤樣品采集

采用GPS定位技術(shù)，結(jié)合博湖縣土壤類型圖、遙感影像解譯圖和地形圖，同時(shí)考慮研究區(qū)的土壤質(zhì)地、土地利用現(xiàn)狀、植被類型和微地形等因素，按照“S”型線路進(jìn)行設(shè)點(diǎn)取樣，布點(diǎn)時(shí)盡可能遍及研究區(qū)范圍內(nèi)的主要土地利用類型。采樣時(shí)間為2017年8月15日至8月19日，分別對(duì)每一樣區(qū)土壤表層（0～30 cm）分兩層（0～10、10～30 cm）隨機(jī)均勻取樣，去除雜物后采用四分法選取200 g土裝袋，采集樣點(diǎn)50個(gè)，共計(jì)樣品100份；并實(shí)地記錄每一樣點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)與高程數(shù)據(jù)、植被、地形與地貌類型。

1.3 樣品處理與分析

將采集的土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，經(jīng)過自然風(fēng)干后物理研磨，通過1 mm孔徑網(wǎng)篩后裝入新的采樣袋，貼好標(biāo)簽以備用；稱取50 g土樣加入250 mL蒸餾水混合振蕩，過濾后浸提液按常規(guī)實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行主要土壤鹽分離子的測(cè)定［17］。土壤全鹽量采用電導(dǎo)儀法；SO42-用比濁法；Ca2+與Mg2+用EDTA滴定法；HCO3-用標(biāo)準(zhǔn)H2SO4雙指示劑—中和滴定法；Cl-使用AgNO3滴定法；Na++K+使用火焰光度法。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用WPS 2016進(jìn)行初步處理，采用SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行相關(guān)性分析、正態(tài)性檢驗(yàn)與主成分分析等數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤鹽分統(tǒng)計(jì)特征

2.1.1 土壤全鹽量特征

由表1可知，研究區(qū)0～10 cm土層土壤全鹽量變化范圍在0.25～32.09 g·kg-1，平均值為4.92 g·kg-1，10～30 cm土層土壤全鹽量變化范圍在0.54～31.42 g·kg-1，平均值為5.75 g·kg-1，兩層土壤含鹽量平均值均大于其眾數(shù)與中位數(shù)，表現(xiàn)為重鹽土類型（含鹽量大于4.00 g·kg-1），土壤鹽分表聚強(qiáng)烈。0～10 cm 土層土壤全鹽量通過對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)化后，利用K-S（P＜0.05）正態(tài)分布檢驗(yàn)，符合對(duì)數(shù)正態(tài)分布，10～30 cm 土層土壤全鹽量符合正態(tài)分布，兩層土壤全鹽量偏度系數(shù)、峰度系數(shù)均大于0，均呈右偏尖峰態(tài)。變異系數(shù)（CV）反映土壤特性的空間分布離散程度，當(dāng)CV≤10%時(shí)屬于弱變異性，10%＜CV≤100%為中等變異性；CV＞100%則呈強(qiáng)變異性［18］。研究區(qū)0～ 10與10～30 cm土層土壤全鹽量變異系數(shù)分別為137.58%與143.45%，均表現(xiàn)為強(qiáng)變異性。

表1 主要土壤鹽分離子統(tǒng)計(jì)特征參數(shù)

2.1.2 土壤鹽分離子特征

從表1可知，不同土層各主要鹽分離子中位數(shù)基本小于平均值，且偏度系數(shù)與峰度系數(shù)均大于0，這表明主要土壤鹽分離子的分布屬于右偏態(tài)，具有比正態(tài)分布曲線更陡峭的鋒態(tài)，數(shù)據(jù)分布的峰值越高，數(shù)據(jù)的正態(tài)分布越差。通過K-S法檢驗(yàn)可知，0～10 cm土層中主要鹽分離子只有HCO3-服從正態(tài)分布，其它主要鹽分離子符合對(duì)數(shù)正態(tài)分布，10～30 cm土層中Cl-、、Ca2+與Mg2+服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，與Na++K+服從正態(tài)分布。從圖2可知，土壤表層（0～30 cm）土壤鹽分的陽離子主要以Na++K+為主，在0～10與10～30 cm土層中分別占總陽離子含量的95.38%、97.54%，Ca2+與Ma2+普遍缺乏；土壤表層（0～30 cm）土壤鹽分的陰離子以SO42-、Cl-為主，在0～10 cm土層中其含量分別占總陰離子含量的70.54%和21.18%，H含量最小，只占8.27%，在10～30 cm土層中與Cl-含量分別占總陰離子含量的75.16%和15.35%，含量占9.49%。

按照鹽分組成劃分鹽漬土類型，0～10 cm土層土壤類型18.37%屬硫酸鹽型，61.22%屬氯化物-硫酸鹽類型，8.16%屬硫酸鹽-氯化物型，12.24%屬氯化物型；10～30 cm土層土壤類型28.57%屬硫酸鹽型，63.27%屬氯化物-硫酸鹽類型，4.08%屬硫酸鹽-氯化物型，4.08%屬氯化物型。從兩個(gè)不同土層土壤鹽分離子的空間變異性可知，Cl-、、Ca2+和Na++K+均呈強(qiáng)變異性，變異系數(shù)均大于100.00%，表明氯化物、硫酸鹽、鈣鹽以及鉀鈉鹽在區(qū)域土壤鹽分積聚過程中分布極不穩(wěn)定，與土壤全鹽量的空間變異程度具有一致性；HCO3-在0～10與10～30 cm土層中變異系數(shù)分別為91.79%和93.22%，表明重碳酸鹽在表層土壤中含量變化相對(duì)穩(wěn)定，呈中等變異性；Mg2+在0～10 cm土層中變異系數(shù)為132.85%，在10～30 cm土層中變異系數(shù)為93.30%，說明鎂鹽在不同土層中分布相對(duì)不均勻，變異性較強(qiáng)。

圖2 土壤各主要鹽分離子含量百分比與變異系數(shù)

2.2 土壤鹽分離子相關(guān)性分析

土壤主要鹽分離子間的相關(guān)性分析可以反映出鹽分在土體中的存在狀態(tài)以及與各主要鹽分離子間的相關(guān)性，并能在一定程度上揭示土壤鹽分的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)和形成原因［19］。由表2可知，土壤表層（0～30 cm）土壤全鹽量與主要鹽分離子均存在極顯著正相關(guān)（P＜0.01），且主要鹽分離子間存在不同的正相關(guān)性，其中土壤全鹽量與H、顯著性極強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)分別為0.90、0.93、0.99，均大于0.90，說明全鹽量的變化主要受控于HCO3-、Na++K+含量；HCO3-與、Na++K+的相關(guān)系數(shù)均為0.89，存在極顯著正相關(guān)（P＜0.01）；Cl-與其它主要鹽分離子呈極顯著正相關(guān)性（P＜0.01），同Ca2+相關(guān)性最強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)為0.46，與相關(guān)性最弱，相關(guān)系數(shù)為0.37；Ca2+與Mg2+、之間相關(guān)性最強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)均大于0.71，存在極顯著正相關(guān)（P＜0.01）。

表2 主要土壤鹽分離子相關(guān)分析矩陣（n=100）

2.3 不同土地利用類型對(duì)土壤鹽分的影響

選取研究區(qū)的草地、耕地、林地和未利用地4種主要土地利用類型，分析土地利用對(duì)土壤鹽分含量變化的影響。由圖3可知，在4種不同土地利用方式下表層（0～30 cm）土壤全鹽量分布規(guī)律為未利用地（11.82 g·kg-1）＞ 林地（5.98 g·kg-1）＞草地（4.89 g·kg-1）＞耕地（2.50 g·kg-1），且未利用地和草地的表層含鹽量均值遠(yuǎn)高于其它土地利用類型。4種土地利用類型上土壤鹽分含量變異系數(shù)呈耕地＞草地＞林地＞未利用地，耕地、草地和林地全鹽量呈強(qiáng)變異性，變異系數(shù)分別為176.31%、123.71%和121.39%，未利用地土壤鹽分含量呈中等變異性，變異系數(shù)為87.97%。4種土地利用類型中，Na++K+與的含量均大于其它主要土壤鹽分離子，在耕地土壤中，Na++K+與SO42-變異性最強(qiáng)，變異系數(shù)分別為228.37%、133.69%，未利用地中Na++K+與變異性弱于耕地，但未利用地中這兩種離子含量明顯高于其它3種土地利用類型，平均含量分別達(dá)8.14、2.65 g·kg-1。

2.4 土壤鹽分離子主成分分析

將 主 要 土 壤 鹽 分 離 子 Mg2+、Na++K+、Ca2+、Cl-、HCO3-和SO42-作為統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，通過KMO與Bartlett球型檢驗(yàn)得到 KMO=0.64＞0.50，Bartlett球型檢驗(yàn)P＜0.05，且F=281.97，F(xiàn)值顯著，可以進(jìn)行因子分析。以方差累積貢獻(xiàn)率大于85.00%作為依據(jù)來確定因子個(gè)數(shù)，并計(jì)算主成分與各主要鹽分離子的相關(guān)系數(shù)，結(jié)合研究區(qū)西北地區(qū)干旱成因及特點(diǎn)，最終確定本研究區(qū)域中最主要的影響因子，能夠?qū)^(qū)域土壤鹽化防治和土壤改良提供理論依據(jù)［20］。

圖3 不同土地利用類型土壤鹽分及其離子組成

2.4.1 特征值及貢獻(xiàn)率

由表3可知，第一、第二、第三主成分方差累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到93.27%，信息損失量6.73%，表明前3個(gè)主成分對(duì)大多數(shù)指標(biāo)已進(jìn)行了概括。第一主成分的特征值為3.82，代表引入第一主成分后可以反映平均至少3個(gè)指標(biāo)的信息；第二主成分特征值為1.11，可以反映平均至少1個(gè)指標(biāo)的信息。第一主成分解釋了63.70%的方差，遠(yuǎn)大于第二、第三主成分方差貢獻(xiàn)率，說明第一主成分包含的信息最多、最豐富，對(duì)土壤鹽分含量的影響最大。

表3 主要土壤鹽分離子主成分特征值及貢獻(xiàn)率

2.4.2 主成分因子載荷

載荷值反映了各要素在相應(yīng)的主成分中的相對(duì)重要性。在第一主成分中，主成分與所有要素均呈正相關(guān)，Na++K+、與的得分最大，載荷值分別為0.85、0.88、0.94，Cl-、Ca2+與Mg2+次之，說明第一主成分與Na++K+、HCO3-、SO42-的相關(guān)性較高。從圖4可知，研究區(qū)土壤主要鹽分離子存在明顯的聚類現(xiàn)象，Na++K+、HCO3-、SO42-聚成一簇，三者均位于第一主成分正端，根據(jù)鹽分離子之間的離散程度，進(jìn)一步驗(yàn)證可將其作為反映研究區(qū)土壤鹽分狀況的特征因子。在第二主成分中Cl-、Ca2+與Mg2+因子載荷值較大且呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.38、0.40、0.63，均位于第二主成分正端并聚為一簇，說明該主成分代表研究區(qū)土壤堿性特征；Cl-位于第三主成分正端，且表現(xiàn)出較高的相關(guān)性，因子載荷量為0.71，說明第三主成分是土壤氯化物含量的表現(xiàn)。

圖4 主要土壤鹽分離子二維因子圖

2.4.3 主成分綜合得分

建立主成分表達(dá)式，有利于更清楚的表達(dá)各公因子與主成分之間的線性關(guān)系。通過計(jì)算因子得分系數(shù)，提取出3個(gè)主成分表達(dá)式，主要土壤鹽分離子系數(shù)的大小反映了該離子在各主成分中的貢獻(xiàn)程度。

在描述研究區(qū)土壤鹽分特征時(shí)，設(shè)表達(dá)式F1、F2與F3為綜合新變量，以每個(gè)主成分的特征值占總特征值之和的份額為權(quán)重系數(shù)，進(jìn)一步可得出研究區(qū)鹽分離子指標(biāo)綜合得分模型Y，計(jì)算評(píng)價(jià)對(duì)象的綜合得分，對(duì)研究區(qū)土壤鹽分空間分布特征進(jìn)行綜合分析與評(píng)價(jià)。

式中F1、F2與F3分別代表第一、第二、第三主成分量，x1、x2、x3、x4、x5、x6表示標(biāo)準(zhǔn)化后的、Cl-、、Ca2+、Mg2+、Na++K+。 在 綜合得分模型中Cl-、Ca2+與Mg2+的系數(shù)權(quán)重大于平均值0.15，故在得分起關(guān)鍵作用。根據(jù)該模型計(jì)算出每個(gè)樣本點(diǎn)的綜合分值，可對(duì)區(qū)域內(nèi)土壤鹽分特征進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。研究區(qū)綜合分值范圍在0.06～2.34，平均值為0.58，變異系數(shù)為122.00%，整體呈強(qiáng)變異性。

3 討論

博斯騰湖西岸湖濱綠洲土壤鹽分變化已有大量研究，涉及到土壤鹽分動(dòng)態(tài)變化［21］、土壤鹽漬化影響因子［22］、土壤鹽分與不同植被生長(zhǎng)的關(guān)系［15］、不同季節(jié)土壤鹽分特征［16］等方面。本文主要探討土壤表層（0～30 cm）鹽分特征，研究結(jié)果表明土壤表層的土壤全鹽量呈強(qiáng)變異性；土壤鹽分陰離子以與Cl-為主，在0～10 cm土層中分別占總陰離子含量的70.54%和21.18%，在10～30 cm土層中分別占總陰離子含量的75.16%和15.35%，這與王戰(zhàn)等［23］、呂真真等［24］對(duì)區(qū)域鹽漬化土壤相關(guān)研究的結(jié)果基本一致；研究區(qū)土壤鹽分的陽離子主要以Na++K+為主，在0～10與10～30 cm土層中分別占總陽離子含量的95.38%、97.54%，這與王巧煥等［20］對(duì)干旱區(qū)綠洲土壤鹽分特征的研究結(jié)果基本一致；在不同土地利用類型下，研究區(qū)表層土壤鹽分含量從高到低依次為未利用地、林地、草地、耕地，4種土地利用類型中Na++K+、SO42-與Cl-的含量均大于其它主要土壤鹽分離子，研究區(qū)耕地土壤全鹽量相對(duì)較低，這是由于在灌溉時(shí)耕層土壤會(huì)發(fā)生脫鹽現(xiàn)象，土壤鹽分隨水分下滲或流向未利用地，導(dǎo)致未利用地鹽分含量增加；土壤鹽分類型主要為硫酸鹽型和氯化物型，且已受到Na++K+的嚴(yán)重影響。Wang等［25］通過了解農(nóng)業(yè)用地?cái)U(kuò)張過程及其對(duì)土壤性質(zhì)的影響，表明過度開發(fā)利用土地資源對(duì)土壤鹽化有較大而持久的影響，這是干旱區(qū)類似生態(tài)區(qū)土地綜合管理的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。針對(duì)研究區(qū)土壤表層鹽分狀況，不僅要注重降低主要土壤鹽分SO2-的含量，也要加強(qiáng)Na++K+、HCO3-和Cl-等土壤鹽分離子含量的控制。

4 結(jié)論

土壤表層土壤全鹽量表現(xiàn)為強(qiáng)變異性，在0～10與10～30 cm兩個(gè)不同深度的土層變異系數(shù)分別為137.58%與143.45%，主要土壤鹽分離子整體呈強(qiáng)、中變異性，變異系數(shù)在91.79%～170.47%之間。

土壤表層土壤鹽分類型屬氯化物—硫酸鹽類型，在0～10與10～30 cm土壤層占比均大于60.00%；土壤全鹽量與主要土壤鹽分離子均存在極顯著性正相關(guān)（P＜0.01），相關(guān)性最強(qiáng)的為Na++K+，相關(guān)系數(shù)為0.99，與Mg2+相關(guān)性最弱，相關(guān)系數(shù)為0.37。

不同土地利用方式下土壤表層的土壤全鹽量從高到低依次為未利用地＞林地＞草地＞耕地，未利用地的平均土壤鹽分含量為11.82 g·kg-1，耕地的平均土壤鹽分含量為2.50 g·kg-1；4種土地利用類型土壤鹽分含量變異系數(shù)呈耕地＞草地＞林地＞未利用地，變異系數(shù)最大為176.31%，最小為87.97%。

土壤鹽分狀況的特征因子為Na++K+、HCO3-、，主成分綜合得分模型Y=0.09（HCO3-）+0.30（Cl-）+0.10（）+0.17（Ca2+）+0.18（Mg2+）+0.09 （Na++K+），綜合得分的平均值為0.58，變異系數(shù)為122.00%，呈強(qiáng)變異性。