近10年艾比湖湿地不同植物群落土壤水分-盐分-养分变化特征

朱海强 ，李艳红*，李发东

(1 新疆师范大学 地理科学与旅游学院, 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, 乌鲁木齐 830054；3 中国科学院地理科学与资源研究所,北京 100101; 4 中国科学院大学 资源与环境学院，北京 100190)

土壤是湿地生态系统的重要组成部分，对维持湿地生物多样性、调节水分和盐分等物质起着重要的作用[1-2]。然而，由于人为和自然因素的作用，世界范围内近50%的湿地生态系统已出现不同程度的退化[3]，它对湿地土壤的理化性质有很大的影响，所以学者们对其变化进行了大量研究。国外学者认为土壤水盐及养分的空间变异有一定的规律，其中土壤质地和植被对其的影响较为显著[4]，农田湿地土壤物理性质的空间异质性较弱，这种规律可为研究湿地生态系统的潜在变化过程提供条件[5]。在人工湿地、天然湿地和修复湿地中，土地利用和人类活动的减少对土壤性质空间变异的影响程度有明显的差异[6]。对洞庭湖、鄱阳湖等淡水湖泊湿地土壤理化性质的研究发现，土壤有机质、水分、盐分等理化性质变化和生态恢复具有一致性，水文变化对其的影响程度大于人类干扰[7-8]。关于干旱区土壤水分-盐分-养分变化的研究主要集中在内蒙古草原、黄土丘陵及秦岭山区等生态系统[9-11]。艾比湖作为干旱区典型的高盐湖泊湿地，新疆第一大咸水湖，对维持区域生态平衡具有重要的意义，目前关于湿地不同植被群落、流域、土地利用方式下土壤水分、盐分、养分的特征研究较多[12-14]，认为湿地土壤养分整体偏低，土壤出现不同程度的盐碱化，同时合理的人为影响可以提高土壤的肥力，但对长时间尺度不同植物群落下土壤水分-盐分-养分变化的研究较少。因此，通过探讨近10年艾比湖湿地不同植物群落土壤养分、盐分和水分的时空分布特征及影响因素，有助于了解湿地环境退化现状及趋势，为艾比湖湿地土壤改良和合理利用提供相应的理论基础。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

艾比湖流域位于43°38′～45°52′N、79°53′～85°02′E，博河、精河的尾闾，西、南、北三面环山，是准噶尔盆地南缘的最低洼地及水盐汇集的中心，新疆第一大咸水湖，平原区面积25 762 km2，山地面积24 317 km2。属温带大陆性干旱气候，年均气温5 ℃，年蒸发量是降水量的16倍左右。近50年来，艾比湖湖面共减少160.41 km2[15-16]，干涸湖底已成北疆沙尘暴重要的策源地，土壤沙化盐化加剧。本研究按湖心质点(44°52′32.77″N，83°2′18.34″E)将研究区分西南、东南、东北和西北四部分。西南部为博尔塔拉河(以下简称博河)和精河下游入湖口，主要地貌类型有湖滨湿地、冲-洪积平原，土壤质地主要由粉砂、细砂、黏土等组成，植被以芦苇和碱蓬为主；东南部为河流冲积平原和湖积平原，同时叠加有风成地貌，该区地势较为平坦，在老湖积平原上多形成盐池及湖积堤，土壤类型为灰棕漠土和盐土，沙化严重，发育有胡杨、梭梭和罗布麻等植物；东北部由覆盖于湖积平原之上的玛依力山冲洪积物质经风蚀后形成，土壤类型属于灰棕漠土，主要发育有梭梭、柽柳、胡杨等耐盐碱植被；西北部处于阿拉山口的主风道，大致为岩质荒漠，植被为梭梭、柽柳、芦苇等，覆盖度较低。西南部、东南部、东北部和西北部的典型植被分别为芦苇、胡杨、梭梭和梭梭-柽柳群落。

1.2 样品采集

2006、2015年8 ～10月分别在艾比湖环湖1周160 km区域内(图1)选择梭梭-柽柳、梭梭、胡杨和芦苇4种典型植物群落，按照S形布点法共设置66个采样点，同时记录各样点的经纬度、海拔、地形地貌及植被特征等小环境因素(表1)。在每株植物的冠幅内去除地表凋落物，获取表层(0～20 cm)土壤。将土样带回实验室经自然风干后，剔除石块、植物根茎、人为侵入物等杂物研磨，过2.00 mm筛用于土壤pH和全盐含量的测定，过0.15 mm筛测定土壤有机质含量。

表1 艾比湖湿地4种典型植物群落样地概况

图1 研究区示意图Fig.1 Research area schematic drawing

1.3 数据来源

采用常规方法[17]测定样地土壤有机质、全盐、pH和含水量。气象站数据由新疆维吾尔自治区气候中心提供，农作物播种面积、人口数量、供水量、用水量等数据从新疆统计年鉴获得。

1.4 数据处理

采用SPSS 19.0软件对土壤水分、盐分、有机质以及pH做统计分析和差异显著性检验，运用GS+9.0和Arcgis 10.0软件完成空间变异函数的分析和空间插值。

2 结果与分析

2.1 近10年艾比湖湿地不同植物群落土壤水分-盐分-养分的描述性统计特征

本研究采用K-S(Kolmogorov-Smimov)检验法对土壤各因子数据进行正态检验，将数据对数转换后，Pk-S(双尾渐进概率)均大于给定的显著性水平0.05，均符合正态分布。由表2可知，近10年艾比湖湿地不同群落土壤因子指标的变异系数介于0.015～0.936之间，根据Nielsen[18]对土壤特性的变异系数进行的分类来看，艾比湖湿地土壤有机质、全盐、含水量属中等变异强度，pH属于弱变异强度。表1显示，近10年来艾比湖湿地土壤全盐含量、pH值均有所增加，土壤有机质含量和含水量则明显下降。与2006年相比，2015年各植物群落下土壤有机质含量、含水量分别降低了24.65%～48.00%、5.41%～20.16%，其中以梭梭-柽柳群落的降低幅度最大；各群落下土壤含盐量和pH值的增加幅度分别为81.92%～128.74%和2.99%～4.21%。对近10年艾比湖湿地土壤理化性质变化的差异性分析表明，梭梭-柽柳群落立地土壤除pH值变化不显著外(P>0.05),有机质含量、全盐含量和含水量均变化显著(P<0.05)；梭梭群落和胡杨群落立地土壤除有机质变化不显著外，全盐含量、pH值、含水量均变化显著；芦苇群落立地土壤除pH值、含水量变化不显著外，有机质和全盐含量均有显著变化。

2.2 近10年艾比湖湿地不同植物群落土壤水分-盐分-养分的半方差函数分析

采用半方差函数模型与理论分析土壤指标的空间变异特征[19]可知，艾比湖湿地各植物群落立地土壤有机质、全盐、pH和含水量在不同时期具有明显的空间结构特征，而且其符合不同的半方差模型(表3)。从表3块金系数来看，近10年来艾比湖湿地土壤全盐、pH具有较强的空间相关性，表明其空间差异主要受结构性因素(如微地形变化、湖面积波动、成土母质、气候变化等)影响；有机质和含水量块金效应均介于0.25～0.75之间，属于中等空间相关性，这主要由结构性因素和随机性因素(如地下生物量、植物根系分布、生物活性等)共同引起。变程(A0)可以反映土壤性状的空间相关有效距离[20]，2006年梭梭群落立地土壤有机质的变程最小(3 750)，2015年梭梭-柽柳群落有机质的变程最大(23 270)，说明不同植物群落近10年土壤因子的空间自相关范围发生了明显的变化。

2.3 近10年艾比湖湿地不同植物群落土壤水分-盐分-养分的空间分布特征

采用Kriging对近10年不同植物群落土壤有机质、全盐、含水量和pH值进行插值，绘制出土壤土壤水分-盐分-养分因子的空间分布图(图2)。由图2可知，近10年来，艾比湖湿地各植物群落土壤含水量的空间分布呈破碎斑块状，高值区主要分布在艾比湖的芦苇群落，博河、精河流域附近，低值区主要分布在胡杨群落、梭梭-柽柳群落和梭梭群落区域，且分布范围有明显的变化，土壤含水量整体呈下降趋势。土壤盐分含量的高值区分布在湿地的胡杨群落和梭梭-柽柳群落，低值区主要分布在芦苇群落；与2006年相比，2015年胡杨群落和梭梭群落土壤盐分增加，芦苇群落变化趋势与之相反，三者盐分的分布范围有明显变化，两个时期土壤盐分的增加程度表现为胡杨群落>梭梭群落>梭梭-柽柳群落>芦苇群落。艾比湖湿地土壤pH在近10年的变化与盐分含量具有一定的相似性，胡杨群落和芦苇群落的pH分布范围变化最明显，其中，2015年芦苇群落土壤pH值有所上升，但在7.5～8.5之间；土壤pH低值区出现在梭梭群落南部，由土壤肥力、盐化、酸碱度分级标准[21]可知，两个时期土壤均属碱性；整体来看，湿地土壤pH高值区分布范围有所增加。两个时期湿地土壤有机质含量均位于贫瘠水平且逐年降低，其中，低值区主要分布在艾比湖梭梭-柽柳群落周围，高值区主要分布在艾比湖芦苇群落；胡杨群落和梭梭群落土壤有机质含量值分布范围变化明显；近10年的土壤有机质空间分布的变异性均较大，养分富集和贫瘠区域性分布明显。

表3 艾比湖湿地土壤水分-盐分-养分的半方差函数及其参数

注：E.指数模型；S.球状模型；G.高斯模型

Note: E. Exponential model；S. Spherical model；G. Gaussian model

2.4 近10年艾比湖湿地不同植物群落土壤水分-盐分-养分的退化程度评价

根据近10年不同植物群落土壤水分-盐分-养分空间分布及新疆土壤盐化、酸碱度、肥力分级标准[21]，艾比湖湿地土壤水分-盐分-养分在2006和2015年的变化如表4所示。与2006年相比，2015年梭梭-柽柳群落土壤有机质含量从第5级降低至第6级，梭梭群落、胡杨群落和芦苇群落虽均属第4级，但有机质含量明显下降且梭梭群落下降最明显；各群落土壤含水量整体水平较低，梭梭-柽柳群落和胡杨群落含水量减少最为显著，芦苇群落变化不大；各群落土壤盐分也呈不同的变化趋势，梭梭-柽柳群落土壤从中度盐化向重度盐化演化，其他3个群落盐分均从轻度盐化向中度盐化演变，但芦苇群落变化明显小于其他群落；各群落土壤pH值均在7.5～8.5之间，梭梭-柽柳群落和胡杨群落从碱性演变为强碱性，梭梭群落和芦苇群落属于碱性，湿地的盐碱化程度在逐渐增加。可见，近10年艾比湖湿地不同植物群落土壤养分不断下降、水分含量降低、盐渍化程度加剧，土壤处于退化状态，其中梭梭-柽柳群落土壤退化最严重，其次为胡杨群落和梭梭群落，芦苇群落退化程度最小。

表4 艾比湖湿地各植物群落土壤水分-盐分-养分在两个时期的分级评价

3 讨 论

本研究结果表明，近10年艾比湖湿地植物群落土壤呈现不同程度的退化，表现为土壤有机质含量降低，盐渍化程度加剧，这是自然因素和人为因素相互作用、相互叠加的动态过程[22]。

3.1 土壤质地、气温、降水与艾比湖湿地植物群落土壤水分-盐分-养分空间差异的关系

自然因素是土壤空间变化的基础因素。艾比湖湿地三面环山，成土母质以冲积-洪积物质类型的砂壤土为主，土壤发育程度低且均呈碱性，土壤质量差，同时补给河流中携带的可溶性盐类也成为土壤盐碱的重要来源。梭梭-柽柳群落岩质荒漠广布，植被稀少，受阿拉山口大风肆掠的影响显著，土壤水分蒸发量大，盐分含量较高；胡杨群落有石盐沉积，其位于大风口的径直通道上及干涸湖底周围，盐尘加速其荒漠景观的发育[23]；梭梭群落土壤沙化严重，芦苇群落位于博河与精河的下游，植被分布面积广，土壤水分含量较高。据新疆维吾尔自治区气候中心资料，近10年来新疆阿拉山口、精河、博乐降水量从151.4、100.3、207.7 mm分别下降到30.6、23.4、61.4 mm，分别下降了30.64%、23.42%和61.48%；气温分别从10.2、9.6、7.7 ℃上升到12.4、11.6、8.4 ℃，分别波动上升了21.53%、21.36%和8.83%，气候总体出现暖干化的趋势。这种趋势一方面导致降水量减少而蒸发量增大，土壤中的可溶性盐随水分的蒸发而上移至土壤表层，加剧了土壤盐渍化[24]；另一方面，湿地土壤水分的减少致使以水分调节为主导的生态交互作用减弱，进而引起土壤养分的退化[25]。近10年艾比湖水位从2005年的192.5 m下降至2015年的190.9 m，共下降了0.82%，湖泊面积缩小了45.7%[26]，湖泊面积的萎缩和水位的下降不利于湖滨植物的恢复和土壤表层含水量的增加，大风对盐渍化土壤的侵蚀作用较强，导致湿地复合荒漠化土地出现和土壤质量的退化[27-28]。不同区域土壤盐渍化通过影响土壤结构、植物分布、微生物数量进而导致土壤养分呈现出空间差异[29]，而养分对土壤质量的改善又有促进作用，二者相互影响。由此可知，气候变化、成土母质及水分的差异及变化是土壤退化空间差异的基础。

3.2 人口、耕地及生态恢复与艾比湖湿地植物群落土壤水分-盐分-养分空间差异的关系

人类活动是土壤退化的诱发因素，其通过改变土壤诸因素的对比关系进而决定土壤的演替方向。近10年艾比湖流域博乐市、精河人口分别增加了1.849‰和1.611‰，耕地面积分别增加了65.23%和121.87%，第一、二、三产业和居民生活用水分别增加了1.97×108、0.09×108、0.02×108和0.11×108m3，其中第一产业和居民用水增加最多，第一产业用水量最大且占到用水总量的96.97%[30]。艾比湖流域农业所占比重较大，近10年人口数量和耕地面积的增加导致上游农业灌溉用水不断增大，部分河流出现断流，补给湖泊的河流只剩下博河和精河，入湖水量不断减少，加之湖水蒸发强烈，引起干涸湖底面积的增加及湖周裸地土壤盐碱化的加剧，促使植物种类从湿生、中生向旱生、超旱生演变，近60%的湖滨植物已死亡，而且植被以39.8 km2/a的衰减速度向沙漠演变[31]，植物群落的衰退使得其生物累积和凋落物返还过程减弱，不利于土壤微生物和肥力的改善，加速了土壤质量的恶化，从而影响土壤理化因子的空间分布规律[32]。艾比湖湿地芦苇群落土壤退化程度最小，这是由于在精河入湖口实施引水围堰生态恢复工程后，土壤含水量增加，植被群落呈现正向演替，生物量和有机质含量增加，土壤结构得到改善，含盐量降低，生态环境得到一定程度的修复[33]。在胡杨群落所处沙泉子和东大桥分别通过种植梭梭和罗布麻进行植被恢复，但是土壤退化却未得到改善，这与翁伯琦等认为植被恢复对土壤质量有明显改善的结果不一致[34]，一方面是因为梭梭恢复区土壤以砂砾为主，土壤持水性差；另一方面是由于在植被恢复过程中，土壤发育滞后于植被的演替，因此土壤质量并未发生明显的改善[35]。由此可知，在自然因素差异的基础上，人类活动通过影响湿地植物分布和入湖河流水量使土壤水盐及养分变化的差异性更加显著。

综上所述，近10年艾比湖湿地不同植物群落土壤有机质含量、含水量出现不同程度的下降，二者下降了24.65%～48%和5.41%～20.16%；盐分含量和pH明显增加，分别上升了81.92%～128.74%和2.99%～4.21%，土壤盐碱程度加强，土壤呈现出退化趋势。土壤理化性质空间分布图显示，不同区域土壤退化程度差异显著，并以梭梭-柽柳群落和胡杨群落退化最为严重，芦苇群落土壤退化程度最小；通过对影响土壤理化性质变化因素的分析认为，自然因素的差异是土壤水分、盐分和养分变化的潜在因素，而人为诱导因素则通过改变土壤和植被的相互作用关系，从而对土壤的演变机制和趋势有明显的抑制或促进作用。

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