博斯腾湖西岸湖滨带不同植被类型土壤剖面盐分特征分析

李 志,李新国,毛东雷,麦麦提吐尔逊·艾则孜

(1.新疆师范大学 地理科学与旅游学院，乌鲁木齐 830054；2. 新疆干旱区湖泊环境与资源实验室，乌鲁木齐 830054)

土壤盐分在剖面中的分布状况综合反映了母质、气候、地形、植被、地下水等自然因素以及人类活动作用于盐分运移的结果，可以预测盐碱土未来发展的动向[1-2]。植被类型往往与土壤含盐量及离子种类密切相关，存在相互影响和制约的关系，而且盐分的积聚改变植物生长环境，促进植物类型向盐生、荒漠类型转变，导致生态环境恶化[3]。湖滨带是介于湖泊水体和陆地之间的过渡区域，具有特殊的土壤、植被和水文特征[4]。不同地区土壤母质、地形地貌与盐渍化成因有所不同，因而土壤剖面的盐分类型状况、盐基离子组成及相关性不同[5-6]。前人对不同地区土壤剖面盐分特征、理化性质及其影响因素方面进行大量研究[7-10]。许尔琪等[11]通过经典统计和聚类分析等方法，利用欧氏距离对伊犁新垦区土壤剖面自然发生层盐分特征进行定量研究并识别其盐分剖面类型。李宝富等[12]利用聚类分析和相关分析对新疆奇台县绿洲不同耕种时间下土壤剖面盐分动态变化规律及其影响因素进行研究，认为随着耕种时间的加长，土壤剖面盐分变化由表聚型向底聚型过渡。李鹏等[13]通过引入聚集系数、变异系数、分形维数等参数探讨沿海滩涂土壤剖面盐分分布特征及其与土壤质地的关系。赵兰坡等[14]通过野外采样和室内分析，探讨松嫩平原不同利用方式的苏打盐渍剖面形态特征、可溶盐质量分数与组成的剖面变化。宋江辉等[15]通过构建土壤剖面盐分与电导率信息精确解译模型，分析莫索湾灌区不同土壤质地盐分差异性。但这些研究主要集中在不同地区土壤盐分、理化性质及其相关性方面，而从不同植被土壤剖面盐质量分数及剖面分布、土壤盐分离子种类及其与土壤电导率之间关系鲜见报道。

针对湖滨带不同植物土壤剖面盐分特征研究是土壤资源可持续开发利用的基础[16]。本研究以博斯腾湖西岸湖滨带为研究区，基于该区的植被类型及分布状况，结合野外调查，选取柽柳地、芦苇地、裸地、杨树地、辣椒地5种典型植被类型的土壤，通过聚类分析、主成分分析和相关分析等方法，以探讨其含盐量、各盐分离子在剖面上的变化类型和分布特征及其与电导率之间的耦合关系，为干旱区绿洲区域盐渍化土地的管理、可持续开发与利用提供支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

博斯腾湖西岸湖滨带位于新疆焉耆盆地，行政区域隶属于新疆巴音郭楞蒙古自治州博湖县，地理位置为41°45′～42°10′，86°15′～86°55′，是博斯腾湖水体和陆地之间的过渡区域，为典型山前湖泊绿洲，具有特殊的土壤、植被和水文特征。气候特征表现为热量充足，日照长，降水稀少，蒸发强烈，年均气温达9.03 ℃，多年平均降水量83.5 mm，年蒸发量高于2 000 mm，其蒸降比高达 40∶1，属于南北疆过渡的典型大陆荒漠性气候[17]。研究区土壤类型主要有棕漠土、草甸土、沼泽土、灌耕潮土、盐土、风沙土等。植被类型主要有柽柳(Tamarixramosissima)、芦苇(Phragmitesaustralis)、杨树(Populus)，农作物主要以色素辣椒(Capsicum)等为主。研究区地下水平均埋深2.0～3.0 m[18]。由于独特的地理位置，干旱的气候荒漠条件，活跃的地表水及地下水补给，富含盐分的母质环境以及人类活动，使得研究区土壤盐渍化较为普遍。研究区地理位置见图1。

图1 研究区示意图Fig.1 Sketch map of the study area

1.2 土壤样品采集

在GPS技术支持下，通过土壤图、地形图、土地利用图辅助进行野外调查和选点。基于研究区地形、地貌与植被类型现状[19]，结合野外调查，于2015-07-05至2017-07-10进行采样。分别选取研究区地势平坦区域的柽柳地、芦苇地、杨树地、辣椒地4种不同植被类型土壤剖面样地为研究对象，以长期未利用的裸地为对照，研究区样地基本情况见表1。每种植被类型下设置6个10 m×10 m 的不同样区，每一样区采用“S”型线路随机选取，样区间距一般不小于10 m，每个样区重复采掘土壤剖面3个。柽柳地、芦苇地、裸地、杨树地、辣椒地的样地分别编号a～e；不同样区分别编号1～6，详细记录样区的地形地貌和土壤剖面特征。土壤剖面自上而下每隔10 cm逐层采集土样，将每一样区3个剖面同一层次的土样充分混和去除植物根系和残渣，利用四分法取约200 g装袋，共计样品300份，待带回实验室进行理化分析。采集的土样在实验室内自然风干后磨碎过1 mm 筛待测量相关指标。

表1 样地基本信息Table 1 Basic information of sample plots

1.3 测定指标与方法

1.4 数据处理

采用统计分析软件SPSS 18.0，以欧氏距离系数作距离标准，对30个样区进行Q型聚类分析，划分土壤盐分剖面类型。针对样品土壤化学分析结果，通过对比分析反映不同植被类型土壤剖面盐分离子组成特征，并利用主成分分析获取盐分状况特征因子；最后利用相关分析和回归分析方法表征盐分离子相关性及其与电导率耦合关系。使用ArcGIS 10.2软件进行制图。

2 结果与分析

2.1 土壤剖面盐分类型的聚类分析

由图2可知，当欧式距离为15时，研究区不同植被类型土壤剖面盐分类型可以划分为3类。由图3可知，按照土壤剖面盐分特征可以明确划分为表聚型盐分剖面(SAP)、震荡型盐分剖面(OP)、平均型盐分剖面(EDP)3类。

柽柳地和裸地土壤剖面盐分特征为表聚型(SAP)。从图3-A可知，该类土壤剖面盐分的主要特征是0～20 cm土层盐分质量分数较高，土壤含盐量随剖面深度增加呈现逐渐降低趋势。由表2可知，此类剖面平均盐分质量分数最高，为2.35 g/kg，其变化幅度为6.33 g/kg，变异系数最大，为61.28%，且剖面表聚系数最大为32.96%，是底聚系数的4.45倍，表明柽柳地和裸地土壤剖面盐分质量分数偏高，表层聚集现象严重，且各层分布不均匀。由于研究区特定气候水分特征，土壤积盐方向发展的可能较大[21-22]。芦苇地土壤剖面盐分特征属于震荡型(OP)。从图3-B可知，该类剖面盐分质量分数随着深度呈现一个或多个“之”字型无规律波动状态，变化较为复杂。剖面平均盐分质量分数为1.98 g/kg，略低于表聚型，其变化幅度为2.33 g/kg，变异系数30.05%，远低于表聚型，略高于平均型，剖面表聚系数12.09%，与底聚系数差值为4.04%。杨树地和辣椒地土壤剖面盐分特征属于均匀型(EDP)。由图3-C知，该类剖面土壤含盐量随深度差异变化较小；与前两剖面类型相比，平均盐分质量分数最低(1.12 g/kg)，且在垂直方向上分布均匀，变异系数最低(18.26%)，且剖面表聚系数(13.07%)，与底聚系数(11.48%)均不大，表明盐分表聚和底聚现象并不明显，土壤积盐和脱盐趋势趋于稳定，可能是由于人工造林、耕种、灌溉、施肥等因素影响下形成。

图2 土壤盐分剖面类型的聚类分析Fig.2 Cluster analysis of profile typesfor soil salinity

图3 3种不同类型的土壤剖面的盐分特征Fig.3 Salt characteristics of three types soil profiles

剖面类型Profiletype最大值/(g/kg)Max最小值/(g/kg)Min极差/(g/kg)Range均值/(g/kg)Average标准差/(g/kg)SD变异系数/%CV表聚系数/%Coefficientofsurfaceaccumulation底聚系数/%Coefficientofbottomaccumulation表聚型SAP6．910．586．332．351．4461．2832．967．40震荡型OP3．361．042．331．980．5830．0512．098．05均匀型EDP1．620．690．931．120．2118．7513．0711．48

2.2 不同植被类型土壤平均盐分垂直分布特征

由图4可知，裸地土壤剖面平均含盐量随着深度增加而逐渐减少，由表层(0～10 cm)的5.70 g/kg 逐渐减少至底层(90～100 cm)的1.02 g/kg，变化幅度较大，变异系数为67.93%(表3)，表现出一定的表聚现象，表层0～20 cm盐分质量分数为8.37 g/kg，占整个剖面41.19%。这是在研究区无植被覆盖下土壤盐分的典型分布特征。对比不同植被类型土壤剖面平均盐分特征，柽柳地土壤剖面表层0～10 cm盐分质量分数最大，为5.95 g/kg，垂直方向上呈现先减少后递增趋势，变幅为4.41 g/kg，变异系数为50.46%，仅次于裸地，其中0～20 cm盐分质量分数为9.79 g/kg，占整个剖面盐分质量分数36.64%，具有明显表聚现象，这与采样时柽柳地地表结盐现象一致，同时剖面底层70～100 cm盐分质量分数为5.90 g/kg，占整个剖面盐分质量分数22.10%，表明柽柳地具有底聚现象。芦苇地土壤剖面平均盐分质量分数在1.48～2.47 g/kg呈现无规则波动变化。杨树地和辣椒地土壤剖面平均盐分质量分数随深度变化不明显，在0.94～1.46 g/kg，变化幅度较小，其中杨树地土壤剖面盐分为弱变异性，变 异系数为6.62%，平均含盐量明显低于前三者。

图4 不同植被类型土壤平均盐分质量分数垂直剖面分布Fig.4 Vertical profile distribution of average salt mass fraction in soil under different vegetation types

由表3可知，不同植被类型土壤盐分分布呈现：柽柳地>裸地>芦苇地>辣椒地>杨树地，平均盐分质量分数依次为：2.67、2.03、1.98、1.15、1.09 g/kg，其中柽柳地与杨树地土壤平均盐分质量分数比值为2.45。

2.3 不同植被类型土壤盐分离子组成的剖面分布特征

表3 不同植被类型土壤含盐量统计特征值及其空间变异系数Table 3 Statistical characteristics of soil salinity and spatial variability coefficients in different vegetation types

图5 不同植被类型下土壤剖面的离子组成分布Fig.5 Ion composition distribution of soil profiles under different vegetation types

2.4 土壤剖面盐分离子的主成分分析

表4 旋转后主成分因子载荷矩阵、特征值及贡献率Table 4 Rotation principal component factor, load matrix, eigenvalue and contribution ratio

注:提取公因子方法:主成分分析法；转轴方法:方差最大正交旋转法。

Note:Extraction of common factor method:principal component analysis; Rotating shaft method:variance orthogonal rotation method.

2.5 土壤电导率与盐分特征因子之间的关系

表5 土壤盐分离子之间的相关性分析Table 5 Correlation analysis between soil salinity and ions

注：**相关性在0.01水平下显著(双侧)；*相关性在0.05水平下显著相关(双侧)。

Note:* * correlation is significant at 0.01 level(2-tailed); * correlation is significant at 0.05 level(2-tailed).

图6 电导率与盐分特征因子回归分析Fig.6 Regression analysis of conductivity and salinization characteristic factors

3 结 论

研究区土壤剖面盐分类型可以分为表聚型、震荡型、均匀型3类。柽柳地和裸地土壤剖面盐分类型为表聚型，其变异系数为61.28%，表聚系数为底聚系数的4.45倍，表层聚集现象严重；芦苇地土壤剖面盐分类型为震荡型，剖面平均含盐量为1.98 g/kg,且变异系数为30.05%；杨树地和辣椒地土壤剖面盐分类型属于均匀型，均匀型含盐量较低且变异程度最小，其值为18.75%，含盐量仅为表聚型剖面的47.65%。5种植被类型土壤盐分分布呈现为柽柳地>裸地>芦苇地>辣椒地>杨树地，其中柽柳地平均含盐量为2.67 g/kg，与杨树地土壤平均含盐量之比为2.45。

研究区土壤盐分类型以氯化钾钠盐和硫酸钾钠盐为主，氯化钾钠盐表现为表聚特征，硫酸钾钠盐呈现一定底聚特征。土壤主要盐分状况特征因子均与电导率成显著正相关(P<0.05)，且电导率与Na++K+回归拟合效果较好，拟合关系表达式：y=0.039 5x+0.218 6，R2=0.966 7，(P<0.05)。

Reference：

[1] 周成虎,罗格平,李 策.博斯腾湖环境变化及其与焉耆盆地绿洲开发关系[J].地理研究,2001,18(3):64-72.

ZHOU CH H,LUO G P,LI C.Environmental change in Bosten Lake and its relationwith the oasis reclamation in Yanqi Basin[J].GeographicalResearch,2001,18(3):64-72.

[2] 刘福汉,王遵亲.潜水蒸发条件下不同质地剖面的土壤水盐运动[J].土壤学报,1993,30(2):173-181.

LIU F H,WANG Z Q.Soil-water dynamics in soil profiles of different texture under groundwater evaporation condition[J].ActaPedologicaSinica,1993,30(2):173-181.

[3] 何宝忠,丁建丽,王 飞,等.基于物候特征的盐渍化信息数据挖掘研究[J].生态学报,2017,37(9):3133-3148.

HE B ZH,DING J L,WANG F,etal.Research on data mining of salinization information based on phenological characteristics[J].ActaEcologicaSinica,2017,37(9):3133-3148.

[4] HERRERO J,PEREZ-COVETA O.Soil salinity changes over 24 years in a Mediterranean irrigated district [J].Geoderma,2005,125(3):287-308.

[5] CHEN MO,YANG SHAOBIN.Formation and improvement of salt-affected soil in Yanqi basin,Xinjiang,China[J].Territory&NaturalResourcesStudy,1992(3):46-49.

[6] WANG J J,HUANG Y F,LONG H Y.Water and salt movement in different soil textures under various negative irrigating pressures[J].JournalofIntegrativeAgriculture,2016,15(8):112-125.

[7] 李二焕,胡海波,鲁小珍,等.苏北滨海盐土区土壤盐分剖面特征及其理化特性[J].水土保持研究,2016,23(4):116-119,127.

LI E H,HU H B,LU X ZH,etal.Characteristics of soil salinity profiles and physical and chemical properties of coastal saline soilin the estuary of North Jiangsu[J].ResearchofSoilandWaterConservation,2016,23(4):116-119,127.

[8] 张智顺.崇明岛人工林群落特征及其土壤理化性质研究[D].上海：华东师范大学,2010.

ZHANG ZH SH.Study on community characteristics and soil physical and chemical properties of plantation in Chongming island[D].Shanghai：East China Normal University,2010.

[9] 张美琴.基于成像光谱技术土壤反射特性及剖面有机质分布估计[D].武汉:华中农业大学,2012.

ZHANG M Q.Characterization of soil reflection and modeling SOM distribution along profile using imagine spectroscopy[D].Wuhan:Huazhong Agricultural University,2012.

[10] 闫东锋,杨喜田.豫南山区典型林地土壤入渗特征及影响因素分析[J].中国水土保持科学,2011,9(6):43-50.

YAN D F,YANG X T.Characteristics and influencing factors of soil infiltration of typical forest lands in southern mountains of Henan province[J].ScienceofSoilandWaterConservation,2011,9(6):43-50.

[11] 许尔琪,张红旗,许咏梅.伊犁新垦区土壤盐分垂直分异特征研究[J].干旱区资源与环境,2013,27(7):71-77.

XU E Q,ZHANG H Q,XU Y M.Vertical characteristic of soil salts in newly reclaimed area in Yili[J].JournalofAridLandResourcesandEnvironment,2013,27(7):71-77.

[12] 李宝富,熊黑钢,张建兵,等.不同耕种时间下土壤剖面盐分动态变化规律及其影响因素研究[J].土壤学报,2010,47(3):429-438.

LI B F,XIONG H G,ZHANG J B,etal.Dynamic of soil salt in soil profiles different in cultivation age and its affecting factors[J].ActaPedologicaSinica,2010,47(3):429-438.

[13] 李 鹏,濮励杰,朱 明,等.江苏沿海不同时期滩涂围垦区土壤剖面盐分特征分析-以江苏省如东县为例[J].资源科学,2013,35(4):764-772.

LI P,PU L J,ZHU M,etal.Characteristics of soil profile salt in tidal flats under different reclamation years in Jiangsu province[J].ResourcesScience,2013,35(4):764-772.

[14] 赵兰坡,冯 君,王 宇,等.不同利用方式的苏打盐渍土剖面盐分组成及分布特征[J].土壤学报,2011,48(5):904-911.

ZHAO L P,FENG J,WANG Y,etal.Composition and distribution of soil salts in profiles of saline-sodic soil under different land use patterns [J].ActaPedologicaSinica,2011,48(5):904-911.

[15] 宋江辉,朱永琪,陈建华,等.基于电磁感应仪的土壤盐渍化剖面特征解译研究[J].土壤通报,2017,48(3):552-559.

SONG J H,ZHU Y Q,CHEN J H,etal.Interpretation of soil profile salinization characteristics based on electromagnetic inductor[J].ChineseJournalofSoilScience,2017,48(3):552-559.

[16] 叶 春,李春华,邓婷婷.论湖滨带的结构与生态功能[J].环境科学研究,2015,28(2):171-181.

YE CH,LI CH H,DENG T T.Structures and ecological functions of lake littoral zones [J].ResearchofEnvironmentalSciences,2015,28(2):171-181.

[17] 李新国,樊自立,李会志,等.开都河下游灌区土壤盐渍化特征分析[J].干旱地区农业研究,2011,29(3):147-151.

LI X G,FAN Z L,LI H ZH,etal.Analysis on the characteristics of soil salinization in the downstream of Kaidu River Irrigation Areas,Xinjiang[J].AgriculturalResearchintheAridArea,2011,29(3):147-151.

[18] 夏 军,左其亭,邵民诚.博斯腾湖水资源可持续利用[M].北京:科学出版社,2003.

XIA J,ZUO Q T,SHAO M CH.The sustainable utilization of water resources in Bosten Lake [M].Beijing:Science Press,2003.

[19] 张海燕,刘 彬.博斯腾湖湖滨湿地植被数量分类与排序[J].植物科学学报,2015,33(1):36-43.

ZHANG H Y,LIU B.Quantitative classification and ordination of plant vegetation in the Bosten Lake wetlands[J].PlantScienceJournal,2015,33(1):36-43.

[20] 鲍士旦.土壤农化分析[M].北京:中国农业出版社,2000.

BAO SH D.Soil Agricultural Chemistry Analysis[M].Beijing:Chinese Agricultural Press,2000.

[21] 中国科学院新疆生态与地理研究所,新疆维吾尔自治区水利厅农牧水利处.新疆灌区土壤盐渍化及改良治理模式[M].乌鲁木齐：新疆科学技术出社,2008:28-29.

Xinjiang Institute of Ecology and Geography Chinese Academy of Sciences.the Xinjiang Uygur Autonomous Region Water Conservancy Department.Soil Salinization and Improvement and Control Mode in Xinjiang Irrigation District [M].Urumqi:Xinjiang Science and Technology Society,2008:28-29.

[22] 梁 东,李新国,阿斯耶姆·图尔迪,等.博斯腾湖西岸湖滨带土壤剖面盐分特征分析[J].干旱地区农业研究,2014,32(4):151-158.

LIANG D,LI X G,Asiyemu·Tuerdi,etal.Salinity characteristics of soil profiles in the western lakeside of Bosten Lake，Xinjiang[J].AgriculturalResearchintheAridAreas,2014,32(4):151-158.

[23] 郭全恩,王益权,马忠明,等.植被类型对土壤盐分离子迁移与累积的影像[J].中国农业科学,2011,44(13):2711-2720.

GUO Q E,WANG Y Q,MA ZH M,etal.Effect of vegetation types on soil salt ions transfer and accumulation in soil profile [J].ScientiaAgriculturaSinica,2011,44(13):2711-2720.

[24] 张体彬,康跃虎,胡 伟,等.基于主成分分析的宁夏银北地区龟裂碱土盐分特征研究[J].干旱地区农业研究,2012,30(2):39-46.

ZHANG T B,KANG Y H,HU W,etal.Studies on salinity characteristics of takyric solonetz in Ningxia Yinbei region based on principal component analysis[J].AgriculturalResearchintheAridAreas,2012,30(2):39-46.

[25] DIONYSIS I,FOUSTOUKOS.On the ionic strength and electrical conductivity of crustal brines[J].ChemicalGeology,2016,6(4):256-269.

[26] 乔江飞.基于EM38的盐渍化土壤剖面盐分监测研究[D].新疆石河子：石河子大学,2016.

QIAO J F.Based on EM38 salinization soil profile salt monitoring research[D].Shihezi Xinjiang：Shihezi University,2016.

[27] 杨劲松,姚荣江,邹 平,等.海涂区不同植被类型下土壤盐渍剖面及其电磁感应响应特征[J].应用生态学报,2008,19(10):2117-2124.

YANG J S,YAO R J,ZOU P,etal.Characteristics of soil salinity profiles and their electromagnetic response under various vegetation types in coastal saline area [J].ChineseJournalofAppliedEcology,2008,19(10):2117-2124.