艾比湖湿地典型植物群落土壤养分和盐分的空间异质性
2015-12-07杜改俊李艳红张小萌赵明亮
杜改俊，李艳红，张小萌，赵明亮
1. 新疆师范大学地理科学与旅游学院，新疆 乌鲁木齐 830054；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”，新疆 乌鲁木齐 830054
艾比湖湿地典型植物群落土壤养分和盐分的空间异质性
杜改俊1,2，李艳红1,2，张小萌1,2，赵明亮1,2
1. 新疆师范大学地理科学与旅游学院，新疆 乌鲁木齐 830054；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”，新疆 乌鲁木齐 830054
荒漠盐生植物作为艾比湖湿地广泛分布的植物类群，其影响下的土壤养分和盐分的变化特征，对于研究盐生植物适应盐渍化环境的机理有着重要意义。基于2012和2013年对艾比湖湿地3种不同生境（灌丛生境、草甸生境、稀疏乔木生境）进行野外调查，采用传统统计学方法与地统计学方法，对土壤养分和盐分特征进行了初步探究。结果表明：（1）灌丛生境-草甸生境-乔木生境，随湖距和海拔高度的增加，土壤有机质、全氮和全盐含量显著升高（P<0.05）；（2）表层0～5 cm土壤聚盐和聚养现象极为显著（P<0.01），且呈上高下底分层结构；（3）灌丛生境-草甸生境-稀疏乔木生境，土壤有机质、全氮和全盐均具有明显的空间结构特征，且空间分布不均，其空间异质性主要由结构性因素如微地形、湖面积波动、成土母质、气候变化等引起，以条带状和斑块状镶嵌分布；（4）通过对3种不同生境土壤养分和盐分的回归分析表明，土壤有机质含量的变异性是影响土壤全氮变异性分布的重要因子，而土壤盐分异质性的存在，在一定程度上又是引起土壤有机质和土壤全氮异质性的重要因素。
土壤养分；土壤盐分；空间异质性；相关性；艾比湖湿地
干旱区湿地主要以咸水类湖泊湿地为主，在调节气候、蓄水、土壤保持和净化环境等方面扮演着重要角色，维持着干旱区“山地-荒漠-绿洲-湖泊（MODELS）”特有生态系统的稳定（李静等，2003）。干旱区土壤资源的空间异质性作为干旱区生态系统的基本特征，对群落结构和生态过程都具有重要的影响（张凤杰等，2009）。土壤有机质作为土壤养分的重要组成物质，是决定土壤肥力最重要的因素之一，对土壤的物理、化学和生物特性都有着深刻的影响。与土壤有机质相比，土壤全氮作为诊断土壤肥力水平和指导作物精确施肥所需的重要信息，在一定范围内，土壤氮素更容易得到迅速补充，因此土壤全氮可以代表土壤的短期肥力（陈开华等，2009）。在干旱、半干旱区，由于自然和人为因素的影响，导致土壤盐分含量过高，土壤盐渍化广布，致使土地退化和土壤肥力下降，也是干旱、半干旱地区最突出的生态与环境问题之一。因此，分析区域土壤养分和盐分的变化特征，对于探讨生态与环境的可持续发展具有重要意义。
艾比湖湿地作为干旱区内陆湖泊湿地的典型代表，是天山北坡地区绿洲与荒漠化共轭演进的中心，荒漠盐生植物作为该区域广泛分布的植物类群，对维持区域复合生态系统的平衡起着积极的作用（李文化等，2000）。不同的荒漠盐生植物，不仅反映了区域生态环境的差别，同时也影响着发育在其周围的土壤性质。近年来，许多学者对荒漠盐生植物的探讨开展了广泛的研究（刘加珍等，2010；杨帆等，2012；弋良朋等，2007；郗金标等，2004；吐尔逊·吐尔洪等，2009；马玉娥等，2012；杨晓东等，2010a；王合玲等，2013；袁月等，2008；杨晓东等，2010b；），一定程度上为了解盐生植物的种类和性状提供了科学依据，但由于艾比湖是内陆封闭盐湖，降水稀少，蒸发旺盛，再加之人为因素的干扰，土壤的次生盐渍化广泛分布，致使植物群落退化，土壤肥力下降，因此了解荒漠盐生植物在适应强盐碱、干燥、贫瘠等不同生长环境下，对土壤特性产生的不同影响至关重要，对植被修复及盐尘沙尘的防治都有积极作用。
精河作为艾比湖主要补给河流之一，其变化牵动着艾比湖流域乃至整个北疆地区的经济和社会的发展，研究不同生境典型植物群落覆盖下的土壤养分和盐分的特征，能够对该流域防风固沙及生态环境的修复提供一定的科学依据。因此，本文综合传统统计学和地统计学方法，分析了精河下游河岸带3种不同生境（灌丛生境、草甸生境、稀疏乔木生境）典型植物群落影响下土壤有机质、全氮、全盐的空间分布特征及其相关关系，可为荒漠生态系统土地资源开发和利用、植物资源管理和保护提供理论依据。
1 研究区概况
新疆艾比湖地处亚欧大陆腹地，博尔塔拉蒙古自治州境内，是准噶尔盆地西南缘最低洼地和水盐汇集中心。自25 ka BP以来，湖面积从3000 km2缩减到21世纪初的468 km2，裸露的干涸湖底面积达1500 km2，成为危害新疆北部的最大沙尘源区，湖水以硫酸钠亚型水为主，矿化度高，是新疆第一大咸水湖（吉力力·阿不都外力等，2007；李磊等，2014）。该流域属典型的温带大陆性干旱气候，年均气温6～8 ℃，降水稀少，蒸发强烈。湿地西部阿拉山口是全国著名的风口，盛行西北风。湿地保护区内典型的地带性土壤有灰漠土、灰棕土和风沙土，隐域性土壤为盐渍土和草甸土。自然条件下，流域植被以荒漠植物为主，并由湿生、中生向旱生、超旱生和盐生、耐沙生种类演替。
本文研究区位于艾比湖湿地自然保护区境内，精河流域下游河岸带，地势南高北低，高差53 m，地貌类型由冲洪积平原、湖岸湿地向盐漠过渡。根据地貌及植被情况，将研究区划分为以下3种生境类型：位于艾比湖湖岸（44°50′N，82°49′E），以盐节木（Halocnemum strobilaceum）、柽柳（Tamarix chinensis Lour.）等盐生灌丛为优势物种，简称“灌丛”生境；位于距艾比湖5 km范围内（44°47′N，82°49′E），以芦苇（Phragmites australis）为优势物种，并伴生有花花柴（Karelinia caspica Less）、狗尾草（Setaria viridis）等多年或一年生草本，简称为“草甸”生境；以距艾比湖约10～15 km左右（44°42′N，82°50′E），以胡杨（Populus euphratica Oliv.）、梭梭（Haloxylon ammodendron）为主的荒漠河岸林，简称“稀疏乔木”生境。
图1 研究区土壤采样点分布Fig. 1 The sampling point of the study area
2 研究方法
2.1 样品采集
2012年10月，对艾比湖湿地自然保护区进行野外调查（如图1），本文采样点主要分布在精河古河道附近，其左支是人工修建的河道，主要用于农业灌溉，人为干扰较强。研究区地势南高北低，加之该区域常年干旱，湖水以硫酸钠亚型水为主，矿化度高，主要以耐盐碱强的植被为主，且植物群落呈地带性分布。因此，综合该流域自然环境、地形地貌及植被分布情况的不同，沿精河流域南北方向布设样地（表1），考虑到植物群落对土壤环境的影响范围，2013年5月和10月分别对样地进行补点，由于研究区坡度较大，为保证立地条件的可比性，分别在相对平坦的样地设置大小为100 m×100 m的大样方，每个大样方中采用五点法布设 5个 10 m×10 m小样方，并在每个样方中分别测量植物的株高、冠幅、基径、高度等指标，并记录当地经纬坐标、海拔高度及地形地貌等小环境因素。土壤样品采集时，根据研究区小生境分布特点，选取具有代表性的样地，先将土体表面凋落物等杂质除去，再分别挖取土壤剖面，按0～5、5～20、20～40和40～60 cm，4个垂直深度分层采集土样，并装入密封袋中标记保存。其中，灌丛生境采集土壤样品 21个，草甸生境采集土壤样品 20个，稀疏乔木生境采集土壤样品18个，采样点间距1～2 km，共236个土壤样品，用于测定土壤理化性质。
表1 样地基本情况Table 1 Basic properties of study plots
2.2 实验方法与数据分析
土壤经自然风干后捡去石块残根等杂物，碾碎过 2和 0.149 mm筛。土壤有机质（soil organic matter，TOM）采用重铬酸钾容量法测定；土壤全氮（soil total nitrogen，STN）采用凯氏定氮法测定；土壤全盐量采用水土比（5∶1）残渣烘干法测定。本文数据处理和分析采用SPSS 17.0、GS+7.0等地统计学软件。
3 结果与分析
3.1 土壤养分、盐分描述性统计特征
经单样本K-S检验方法对研究区土壤有机质、全氮和盐分含量数据进行正态检验，将不服从正态分布的数据，经自然对数转换后使其呈正态分布（郭旭东等，2000）。由表2可知：土壤平均有机质、全氮和全盐含量从高到低依次为：稀疏乔木生境>草甸生境>灌丛生境。根据Nielsen对土壤特性的变异系数进行的分类（Nielsen et al.，1985），若变异系数≤10%，表示具有弱变异性；若10%<变异系数<100%，表示具有中等强度的变异；若变异系数≥100%，则表示具有强变异性。故灌丛生境、草甸生境和稀疏乔木生境土壤有机质、全氮和全盐含量均具有中等强度变异性。
表2 土壤养分和盐分含量的描述性统计分析Table 2 Statistical feature values of soil nutrient and total salt
图2 土壤养分和盐分含量垂直分布特征Fig. 2 Soil nutrient and total salt of different plant communities in different biotopes
3.2 土壤养分和盐分含量的垂直分布特征.
由图2可知，3种不同生境土壤有机质、全氮和全盐含量的垂直分布既存在一定差异又表现出一定的规律性：灌丛生境、草甸生境和稀疏乔木生境垂直剖面土壤有机质、全氮和全盐含量整体呈下降趋势，且上高下低分层结构显著（P<0.01）；3种不同生境在0～60 cm土层中土壤有机质、全氮和盐分含量均呈稀疏乔木生境>草甸生境>灌丛生境，且各生境最大值均出现在0～5 cm土层，20 cm以下土层差异不显著（P>0.05）；土壤垂直剖面有机质、全氮和全盐含量存在局部波动性，灌丛生境土壤有机质、全氮和盐分含量在20～40 cm土层均略有升高，草甸生境土壤有机质、全氮和全盐在垂直剖面上整体呈下降趋势，稀疏乔木生境土壤有机质和全氮含量在40～60 cm土层略有上升，而盐分含量在40～60 cm明显降低。
3.3 不同生境典型植物群落土壤养分、盐分的异质性
运用半方差函数模型分析3种不同生境典型植物群落土壤养分和盐分的空间变异特征（如图3）。结果显示，3种不同生境典型植物群落各土壤参数均具有明显空间结构特征。其中，灌丛生境土壤有机质、全氮和全盐符合球状模型，草甸生境和稀疏乔木生境土壤有机质、全氮和全盐均符合高斯模型。
块金值（C0）表示区域化变量内部随机性因素引起的空间变异的可能程度。基台值(C0+C)表示系统内的总变异。块金系数[C0/(C0+C)]表示由随机部分引起的空间异质性所占的比例，若C0/(C0+C)<0.25，说明具有强的空间相关性；若0.25
图3 土壤特征的变异函数曲线Fig. 3 Semivariograms of vegetation and soil properties
表3 研究区土壤养分和盐分的半方差函数模型及其参数Table 3 Parameters fitted by semi variogram medels for soil nutrient and total salt in study area
变程（A0）是指半方差函数达到基台值所对应的距离，反映土壤性状的空间相关有效距离（李哈滨等，1998；盛建东等，2005）。由表3可知，3种不同生境典型植物群落土壤各参数变程存在明显差异，其中，土壤有机质和全氮含量的变程均在稀疏乔木生境最大，草甸生境次之，灌丛生境最小；土壤全盐含量的变程呈现灌丛生境最大，稀疏乔木生境次之，草甸生境最小。分维数D值是衡量各指标空间异质结构复杂性程度的大小，一般 D值越小，空间异质性程度越强，反之则空间分布趋于同质。当D值等于2时，则说明整个区域化变量空间不相关，表现为纯块金效应（王政权，1999）。由表3可知，3种不同生境典型植物群落土壤养分和盐分均具有较强的空间相关性，模型拟合度较高。
图4 3种不同生境典型植物群落土壤养分和盐分的空间分布Fig. 4 Spatial distribution of soil nutrient and salinity under three kinds of typical plant communities and different habitats
3.4 不同生境典型植物群落土壤养分、盐分的空间分布特征
为了更直观地反映研究区土壤养分和盐分的空间分布状况，根据半方差函数模型，利用克里格（kriging）最优内插法，绘制3种不同生境土壤有机质、全氮和全盐等值线图。由图4可知，3种不同生境典型植物群落土壤有机质、全氮、全盐的空间分布主要呈高值点和低值点镶嵌分布，土壤有机质、全氮、盐分含量空间分布的高值点斑块在灌丛生境、草甸生境和稀疏乔木生境中呈现逐渐增多的趋势，且土壤盐分高值点区域在土壤有机质和全氮含量的空间分布中为低值点区。3种不同生境等值线以草甸生境分布最为密集，表明草甸生境土壤有机质、全氮和全盐的变异性最强，与上述结果一致；其中，有机质和全氮的空间分布在3种不同生境均较为相似，表明3种不同生境土壤有机质和全氮具有明显空间相关性。
3.5 不同生境典型植物群落土壤养分、盐分的相关性
从表4可以看出，通过对研究区3种不同生境典型植物群落土壤全盐和养分（土壤有机质、全氮）回归分析表明，土壤有机质含量与全氮含量呈显著正相关。同时，在整个研究区内土壤有机质与全氮之间也呈极显著正相关，回归方程为：y=1.235x+0.032（R2=0.719，P<0.01）。表明土壤有机质是影响艾比湖湿地3种不同生境土壤全氮分布的重要因子。
表4 不同生境土壤有机质与土壤全氮的关系Table 4 Relationship between soil organic matter and soil total nitrogen at different habitats
由图5可知：通过对3种不同生境土壤盐分与土壤有机质、全氮的进行趋势模拟，结果表明，土壤盐分与有机质和全氮之间显著相关。其中，灌丛生境土壤盐分与有机质和全氮的经验回归方程分别为：Y=2.717x3-4.917x2+2.463x+0.0932（R2=0.513，P=0.02），Y=-1.213x2+1.371x+0.039（R2=0.508，P=0.001）；草甸生境盐分与有机质和全氮的经验回归方程分别为：Y=0.796logx+0.234（R2=0.861，P<0.001），Y=0.366logx+1.129（R2=0.651，P<0.001）；灌丛生境盐分与有机质和全氮的经验回归方程分别为：Y=-0.053x3+0.153x2+0.96x+0.308（R2=0.861，P<0.001），Y=-0.361x3+1.424x2+0.46x+0.591（R2= 0.684，P<0.001）；6个模型均通过了F检验，达到极显著水平，模型具有可靠性。其中，稀疏乔木生境土壤盐分与土壤有机质和全氮呈显著负相关，当盐分含量达到 3%～4%时，土壤有机质和全氮含量随土壤盐分含量的增加而降低，在灌丛生境和草甸生境当土壤盐分增加到一定量时，土壤有机质和土壤全氮含量呈缓慢增加或下降趋势。由此可知，土壤盐渍化过程在一定程度上制约着土壤有机质和全氮含量的积累和转化。
图5 3种不同生境典型植物群落土壤养分和盐分的相关曲线Fig. 5 The correlation curves between soil nutrient and salinity under different habitats of typical plant communities
4 结论
通过对3种不同生境典型植物群落土壤养分和盐分含量的对比分析，由灌丛生境—草甸生境—稀疏乔木生境，水平分布上表现为：随湖距和海拔高度的增加，土壤养分和盐分含量升高。这与王勇辉等（2013）研究指出靠近湖岸的地方盐分含量较高，距离艾比湖较远的地方盐分含量相对偏低的结果不一致。这主要与研究区特殊的地理环境及盐生植被分布状况密切相关。离湖较近的灌丛生境，地下水矿化度高埋深较浅，植被覆盖度不足 5%，主要以耐盐碱的柽柳（Tamarix chinensis Lour.）、盐节木（Halocnemum strobilaceum）为优势物种，由于艾比湖水位年内存在周期性变化，一年中 3─4月份水位最高，7─9月份水位最低，本文主要是在10月初进行采样，艾比湖水位退去，使得离湖较近处盐分含量较低；随着湖距和海拔高度的增加，地下水位降低，植被盖度和植物多样性显著增加，出现以芦苇（Phragmites australis Trin.）为优势物种，并伴生有花花柴（Karelinia caspica Less）、狗尾草（Setaria viridis）等多年或一年生草本，同时出现了胡杨（Populus euphratica）、沙枣树（Calligonum klem entzii）等乔木，而柽柳（Tamarix chinensis Lour.）、盐节木（Halocnemum strobilaceum）等灌木数量明显降低，但在 10月前后，多数草本死亡或干枯，盐分在植物根系及周围大量聚集；离湖最远和海拔较高的乔木生境，地下水位大于4 m，植物多样性显著降低，植被盖度不足10%，主要以深根系植物胡杨（Populus euphratica）为优势物种，相对优势度为 43%，并伴生抗旱耐盐碱的柽柳（Tamarix chinensis Lour.）、黑果枸杞（Lycium ruthenicum）等小灌木，植被盖度较低，地表裸露，在强烈的蒸发及常年盐尘吹蚀下，土壤盐分含量较高。3种不同生境典型植物群落土壤养分和盐分的垂直分布上表现为，表土存在显著的“聚盐”和“聚养”现象，以及上高下低的分层结构（P<0.05），且土壤有机质和全氮的垂直变化趋势相似。其中，土壤盐分的表聚现象主要在0～5 cm土层，与徐莉等（2013）研究结果相同，与金海龙等（2010）提出的土壤盐分主要聚集于0～20 cm土层研究结果不同。这可能与地表形成的盐结皮及植物根系对土壤水盐迁移机理有关。
不同生境典型植物群落土壤养分和盐分的不均匀分布，是分析艾比湖湿地土壤空间异质性形成机制不可忽视的因素。本文通过地统计学方法研究表明，3种不同生境典型植物群落土壤养分和盐分均具有较强的空间自相关性，其空间异质性主要由结构性因素如微地形、湖面积波动、距湖距离、海拔高度等引起，其结构上的差异，也是引起土壤养分和盐分含量在空间分布上显著差异性的原因。另外，3种不同生境灌丛种在植被组成中的存在，又是导致研究区空间异质性的重要原因，由此可知，植物群落根系分布、生长状况、微生物数量、地下生物量、生物活性等随机因素在区域分布的不同，增强了土壤养分和盐分含量在空间分布上差异。同时，也反映了土壤属性对环境因子变化的敏感性。
通过对不同生境下典型植物群落土壤有机质和土壤全氮的相关分析，表明该区域土壤有机质含量是影响土壤全氮波动性分布的重要因子。同时运用趋势分析法探讨土壤养分对土壤盐分变化的响应机制，得出离湖较近的灌丛生境土壤盐分可解释土壤有机质变异性达51.3%，全氮达50.8%，且土壤有机质和土壤全氮随土壤盐分的增加呈现先增大后减小的趋势。表明，灌丛生境土壤盐分在一定程度上限制土壤有机质和全氮含量的增加；距湖10 km左右的草甸生境土壤盐分能够解释土壤有机质变异性达86%，全氮达65.1%，表明草甸生境对盐渍化区域具有较好的适应性；稀疏乔木生境下的土壤盐分和土壤有机质能够解释土壤有机质变异性达86.1%，全氮达68.4%。说明在稀疏乔木生境下该区域土壤盐分和有机质含量与恶劣生态环境表现出相对稳定的适应性。由此可知，土壤盐分含量的异质性存在可作为不同生境下土壤有机质和全氮空间异质性分布的限制性因素，在一定程度上反映出植物群落对生态环境的适应性演替，进而表明胡杨等抗旱耐盐碱型乔木对艾比湖恶劣生态环境具有更好适应性。
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Spatial Heterogeneity of the Soil Nutrient and Salinity of the Typical Plant Communities in Ebinur Lake Wetland
DU Gaijun1,2, LI Yanhong1,2, ZHANG Xiaomeng1,2, ZHAO Mingliang1,2
1. College of Geography and Tourism, Xinjiang Normal University, Urumqi 830054, China; 2. Key Laboratory of lake environment and Resources in arid area of Xinjiang, Urumqi 830054, China
Desert halophytes are the plant groups which are widely distributed in Ebinur Lake Wetland. Under their influence, the change features of soil nutrient and salinity are of important significance to researching the mechanism that halophytes adapt to salinization environment. Based on the field survey on 3 different habitats (shrub habitat, meadow habitat, sparse arbor habitat) in Ebinur Lake Wetland in 2012 and 2013, elementary exploration was carried out on soil nutrient and salinity by using traditional statistical method and geostatistic method. The results showed that: (1) soil nutrient and salinity had significant elevated with increasing of the altitude and the distance from the lake under three different types of habitats. (2) the salt and nutrient accumulation in topsoil at the depth of 0～5cm were extremely significant, and the hierarchy was formed with higher high and lower low. (3)The soil organic matter, total nitrogen and total salt had the significant spatial structure feature and the uneven spatial distribution. The reason mainly lied in the micro topography, Fluctuation in Ebinur Lake Area ,Parent material and climate changes and so on and distribution in the form of Strip and Patch; And (4) the regression analysis of the nutrition and salt in three different environmental soils displayed that, on the one hand, the variability of soil organic carbon was the key factor for the influence of soil total nitrogen, on the other hand, to some degree, the variability of soil salt was the important factor to effect the soil organic matter and soil total nitrogen.
soil nutrient; soil salinity; spatial heterogeneity; correlation analysis; Ebinur Lake Wetland
10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.08.007
X144；S153.6＋1
A
1674-5906（2015）08-1302-08
杜改俊，李艳红，张小萌，赵明亮. 艾比湖湿地典型植物群落土壤养分和盐分的空间异质性[J]. 生态环境学报, 2015, 24(8): 1302-1309.
DU Gaijun, LI Yanhong, ZHANG Xiaomeng, ZHAO Mingliang. Spatial Heterogeneity of the Soil Nutrient and Salinity of the Typical Plant Communities in Ebinur Lake Wetland [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(8): 1302-1309.
国家自然科学地区基金项目（41171036）；自治区科技计划项目（201433115）；新疆师范大学地理学博士点支撑学科开放课题基金项目（XJNU-DL-201411）
杜改俊（1988年生），女，硕士研究生，主要从事生态退化和景观地球化学方面的研究。E-mail: 395637980@qq.com *通信作者：李艳红（1977年生），女，教授，主要从事干旱区湖泊湿地生态水文过程方面的研究。E-mail: lyh0704@126.com
2015-04-29
