托木尔峰自然保护区喀拉玉尔滚河流域土壤盐分特征分析

马国飞，满苏尔·沙比提，张雪琪

（新疆师范大学 地理科学与旅游学院，新疆 乌鲁木齐 830054）

土壤盐渍化是土壤研究领域的世界性问题。全世界约有1.0×109hm2的土壤发生盐渍化，严重制约着区域农业生产，是干旱、半干旱地区最突出的生态环境问题之一。我国约有0.36×108hm2的各种盐渍土壤，而且还有逐年上升的趋势［1］。盐渍化是我国西北干旱、半干旱地区土壤的一个普遍特征，研究土壤中化学物质的含量与空间分布是了解多孔介质中水盐运移规律并进而因地制宜提出盐渍土改良措施的关键［2］。随着人类对土壤资源尤其是干旱地区土壤的深度开发，土壤次生盐渍化现象越来越严重。在干旱地区，水源是人类聚居地的首虑要素。河流流域理所当然成为土壤次生盐渍化的重灾区，而河流上游流域的土壤盐分含量多少则是影响下游流域土壤次生盐渍化空间变异的重要一环。

近年来，国内外学者对不同尺度土壤盐分空间变异的研究逐渐增多［3-8］。新疆位处我国西北内陆腹地，是我国绿洲农田土壤次生盐渍化最严重的区域之一。不少学者对新疆地区盐渍化土壤盐分特征、盐分运移规律及盐渍土改良治理等方面的研究在不断深入，但多集中于河流下游流域和河流入湖流域的绿洲区［9-14］，而作为影响下游流域次生盐渍化空间变异的重要一环，河流上游河谷土壤盐分特征的研究却并不多见。在新疆，受全球气候大环境的影响而水资源更加短缺，人类对水源的开发进一步加剧，河流上游流域的人类活动进一步频繁，直接对该区域的土壤、水文、生态等多方面产生重大影响。文章以托木尔峰国家级自然保护区南坡喀拉玉尔滚河上游河谷为研究区域，应用经典统计分析方法对该区域土壤的盐分特征进行研究，分析了研究区各盐基离子之间及其与土壤全盐含量之间的关系和该区土壤盐渍化的类型、程度及反映土壤盐渍化状况的主要特征因子。以期为研究区土壤盐渍化防治与土壤资源的可持续利用以及下游流域的土壤次生盐渍化治理提供重要的理论依据，并为类似区域土壤盐渍化问题提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

喀拉玉尔滚河上游河谷位于托木尔峰国家级自然保护区内，喀拉玉尔滚河源于托木尔峰东侧的琼库孜巴依峰南麓，最高海拔5 300 m左右，山顶终年积雪。由大小库孜巴依河及库尔归鲁克河等三条支流在柯尔克孜民族聚居的博孜墩柯尔克孜民族乡汇流而成。山区积水面积740 km2，主要补给形式为高山冰雪融水、山区降水及泉水。河道全长95.5 km，沿山口以上50.5 km范围，四周高山环绕，山高谷深，河谷大部分为V型-U型，谷底纵坡陡，落差大。每年7-8月为丰水期，平均流量16.4 m3/s，枯水期在每年冬季至翌年初春，平均流量为2.3 m3/s，山口处多年平均径流量2.4亿m3左右［15］。研究区土壤类型以荒漠棕漠土（海拔［下同］1 900 m以下）、山地棕钙土（1 900-2 200 m）和山地栗钙土（2 200-2 600m）为主［16］，局部出现红棕色泥壤、黄土及黄土状物质。研究区植被类型主要有旱生丛生禾草类植物戈壁针茅（Stipa gobica）、沙生针茅（Stipa glareosa）、短花针茅（Stipa breviflora）、高加索针茅（Stipa caucasica）、克氏针茅（Stipa sareptana）、羊茅（Festuca ovina），旱生小半灌木及灌木类植物琵琶柴（Reaumuria soongorica）、假木贼（Anabasis truncata）、膜果麻黄（Ephedra przewalskii）、霸王（Sarcozygium xanthoxylon）、合头草（Sympegma regelii）、驼绒藜（Ceratoides latens）、蒿属（Artemisia spp）、锦鸡儿（Caragana spp）及伴生的中生和中旱生的禾草、豆科牧草和杂类草植物等。

1.2 样品采集

野外采样工作于2015年7月开展，选取位处托木尔峰自然保护区南坡的喀拉玉尔滚河上游河谷进行调查采样，土壤采样沿河谷进行，根据坡度、坡向、植被生长状况，选择具有代表性的样点，采用土钻法进行土壤表层（0-10cm）取样，每一样点重复取样三次，将所采土样混合均匀后用四分法取土0.5kg装袋贴标，样点总数30个，用GPS测定采样点的经纬度坐标及高程并做好记录。

1.3 样品处理与分析

土样带回实验室，经自然风干后除去砾石和枯落物，磨碎，过60目筛后贴标备用。测定指标为土壤pH值、全盐及8大离子（Cl-、、、、Ca2+、Mg2+、K++Na+）。测定方法如下：（1）取50g风干土与250ml蒸馏水混合，经过浸泡和振动使土壤盐分充分溶解后用漏斗过滤，取清亮浸出液；（2）土壤pH值使用PHS-4型智能酸度计测定土壤浸提液（土水比为1：5）；（3）进行土壤全盐及8大离子（Cl-、、、、Ca2+、Mg2+、K++Na+）的测定。其中，全盐采用质量法测定，和采用双指示剂法、盐酸滴定法测定，Cl-采用AgNO3滴定法测定采用容量法测定，Ca2+、Mg2+采用EDTA络合滴定法测定，K++Na+采用差减法测定。

1.4 数据处理

数据处理采用了统计学软件SPSS21.0进行土壤盐分描述性统计、主成分分析，利用Excel进行绘图，土壤盐渍化类型和土壤盐化程度测定采用了《新疆土壤盐渍化类型和土壤盐化程度分级标准》［17］。

2 结果与分析

2.1 研究区土壤盐分统计分析

土壤作为时间和空间上的连续体，其自然属性的变异是许多因素相互作用的结果，具有尺度上的相关性。在描述性统计特征值中，变异系数是反映随机变量离散程度的重要指标，在一定程度上揭示了变量的空间分布特征。一般认为CV≤10%为弱变异性；10%＜CV＜100%为中等变异性；CV≥100%为强变异性［18］。由表1可知，研究区表层土壤中阴离子含量：Cl-＞＞＞，Cl-是阴离子的主要成分；阳离子含量：K++Na+＞Ca2+＞ Mg2+，K++Na+是阳离子的主要成分；Cl-、、Mg2+及K++Na+的变异系数CV＞100%，属于强变异性；其中Cl-、Mg2+的变异系数CV甚至超过200%，说明研究区土壤盐分离子的空间差异性巨大。全盐、及Ca2+含量的变异系数CV＜100%，属于中等变异性；pH值的变异系数CV极小，仅为2.18%，说明研究区土壤酸碱度空间变化极小，基本稳定；因在实验中未检出，其变异系数CV为0，无变异。

表1 土壤盐分含量描述性统计/（g/kg）

2.2 研究区土壤盐渍化类型及程度分析

土壤中的盐分一般为多种可溶性盐的组合，不同土壤含不同的主成分盐类。所含主要组成盐类不同，会导致土壤理化性质及对其上覆植被的危害方面产生差异。由图1可知，所测定的大部分样点的盐渍化系数＜1.00，且明显分为两个阶段，从土壤盐渍化类型判断：1、8、18、20、27、29号样本的 Cl-/2比值＜0.20，属于硫酸盐型；2、4、5、6、7、9号样本的 Cl-/2比值＞1.00，显著倾向于氯化物型盐渍化；其它的样本Cl-/2比值＜1.00，属于氯化物-硫酸盐型。研究区土壤盐渍化类型自南往北整体上是从氯化物型盐渍化向硫酸盐型逐渐过渡的。由图2及《新疆土壤盐渍化类型和土壤盐化程度分级标准》判断土壤盐化程度：2、4、5号样本属于轻度盐化土壤，而其它90%的样本均低于0.3%，属于极轻度盐化或无盐化。从样点分布的整体上看，喀拉玉尔滚河上游河谷表层土壤以硫酸盐型或偏硫酸盐型的盐渍化类型为主，占比达80%；研究区表层土壤含盐量不高，土壤盐化程度较轻。

图1 研究区土壤Cl-/2值

图2 研究区土壤含盐百分比值

2.3 研究区表层土壤盐分离子空间变化特征

整个研究区表层土壤（0-10cm）pH值与海拔高度之间存在显著的负相关性（图3），二者呈现很好的线性相关关系（R2=0.7203，n=30），即随海拔高度的增加，土壤表层土壤pH值呈不断降低趋势。通过实测研究区不同海拔表层土壤盐分离子含量（图4），分析表明，研究区较低海拔的表层土壤中，全盐、K++Na+和Cl-含量变化异常，远超过其它盐分离子，且3个测定指标含量变化趋势近似一致，说明所测土样全盐的含量主要受K++Na+和Cl-含量变化的影响。随着海拔高度的增加，土壤中各盐分离子含量变化微小，趋于稳定，这与研究区表层土壤成土母质发育程度、植被覆盖度、气候条件及人类干扰度等因素的影响密不可分。研究区表层土壤盐分含量整体空间差异明显，较低海拔含量高，较高海拔则含量低。

2.4 研究区土壤盐分离子间主成分分析

研究区土壤总盐分及各盐分离子含量多表现出空间上的强变异性，难以精确定量描述土壤盐分及各离子含量的空间分布特征，因此本研究选取土壤pH值、全盐、、Cl-、、Ca2+、Mg2+、K++Na+等测定指标进行主成分分析，通过降维过程，进行多目标的转化代替，从而获取具有代表性和综合反映土壤盐渍化的特征因子，用于合理评价研究区土壤盐渍化状况。

图3 土壤pH值与海拔相关关系

图4 不同海拔表层土壤pH值、全盐与离子含量变化曲线

表2 土壤盐渍化主成分的特征值与方差贡献率

对选取的各测定指标进行主成分分析，获得各主成分特征值及贡献率（表2）。分析结果表明，按照特征值＞1确定的主成分为第一、二。其方差贡献率分别为75.98%、15.72%，其累计贡献率达到91.70%，表明原来8个指标所反映的大部分信息可由前2个主成分表征。其中，第一主成分贡献率最高，包含的信息最多，其对土壤盐渍化影响最大。从主成分载荷来看，各指标系数的大小反映该指标对各主成分的贡献程度。由表3可以看出，全盐、、及K++Na+在第一主成分上的载荷值较大，且均为正向负荷，载荷值分别为0.930、0.972、0.939和0.971，说明全盐、、及K++Na+与第一主成分之间相关性高，即这4个指标与土壤盐渍化关系密切，在实际意义上代表了土壤盐渍化状况。pH值在第二主成分的载荷较大且呈负相关，高达-0.961，说明该主成分在第一主成分的基础上进一步反映出该区土壤盐渍化在一定程度上也受到pH值的影响。

表3 旋转后主成分因子矩阵

3 讨论与结论

3.1 讨论

盐分运移或积盐是各种环境因子（气候、温度、地形、成土母质等）影响行为的综合反应［19］。喀拉玉尔滚河上游河谷土壤呈碱性甚至出现盐渍化现象与上述条件有密切关系。随着海拔高度的不断增加，土壤pH值会由低向高的趋势转变。这是由于海拔升高，温度下降，有机矿化速度较慢，pH值有所提高。受研究区地形影响，随着海拔高度的增加，容易导致地形雨形成，降水增加使土壤表层的易溶盐分得到淋溶，土壤表层pH值亦随之降低但并不明显。也可能是由于大量的植被凋落物覆盖在土壤表层引起盐基离子的下移，且表层土壤枯落物层有机质的分解过程中产生的中间产物单宁有机酸多，导致土壤pH值均有所下降［20］。喀拉玉尔滚河上游河谷土壤出现盐渍化现象值得引起重视和深入研究。通过研究分析其主要成因得出以下几点：（1）研究区所在的托木尔峰自然保护区高山多为古生代变质岩系，大理岩、石灰岩及其它含钙质岩石的广泛存在，为土壤和水富含碳酸钙提供了重要的来源［16］。（2）研究区位处托木尔峰自然保护区的南坡，多阳坡坡向，日照时间长，蒸发量大；喀拉玉尔滚河上游河谷落差较大，水流湍急，河水将大量易溶盐盐分携带至下游，沿河谷两岸河滩阶地土壤累积盐分含量大，这与土壤一般呈碱性也是相关的。（3）加之气候干旱，受我国最大的沙漠——塔克拉玛干沙漠影响显著，夏季气温高，蒸发强烈，较高矿化度的河水及地下水随着水分蒸发沿土壤毛细管上升到地表，盐分也随着水分蒸发而上升到地表，水分到达地表后迅速蒸发散失，盐分却在地表聚积。（4）研究区相对低海拔河谷地区为荒漠棕漠土质地背景下的荒漠带，植被覆盖率极低，降水截留率很低，土壤含水率低，很少受到淋溶，造成土壤表层的盐分含量居高不下。而较高海拔的上游河谷表层土壤因植被覆盖率的增加，一方面降水截留率得到增加，土壤含水率提高；另一方面减弱了地表土壤水分蒸发，盐分不易上升而造成聚积。（5）土壤质地不同，则土壤的孔隙状况不同，因而也直接影响盐分的积累过程。粘质土壤，颗粒细，毛管水上升高度大，临界深度较小，土壤易于盐化；砂质土壤，颗粒粗，地下水在毛管力作用下上升速度快，上升高度低，临界深度较大，不易盐化。而研究区较低海拔的表层土壤为荒漠棕漠土，相比于较高海拔地带，其土壤层粘粒含量高，颗粒细，受蒸发作用强烈，地下水毛细上升高度大，将盐分携带至地表，易产生积盐现象。（6）人为因素的干扰度不同，从研究区较低海拔的高强度干扰向上游逐渐减弱，尤其是2013年托木尔峰国家级自然保护区作为新疆天山的一部分被列入世界自然遗产后，研究区的自然性得到有效保护，大大减弱了人类活动对研究区的干扰度，这在一定程度上有益于研究区生态恢复与自然保护，从而达到降减研究区土壤盐分的效果，为研究区土壤盐渍化防治与土壤资源的可持续利用以及下游流域的土壤次生盐渍化治理提供重要的保障。

3.2 结论

（1）研究区土壤中阴离子含量：Cl-＞＞＞，Cl-是阴离子的主要成分；阳离子含量：K++Na+＞Ca2+＞ Mg2+，K++Na+是阳离子的主要成分；全盐、Cl-、、Mg2+及K++Na+的变异系数CV＞100%，属于强变异性；pH值、及Ca2+含量的变异系数CV＜100%，属于中等变异性。

（2）从土壤盐渍化类型判断：1、8、9、18、20、27、29号样地的 Cl-/2比值小于0.20，属于硫酸盐型；2、4、5、6、7号样地的 Cl-/2比值大于1.00，显著倾向于氯化物型盐渍化；其它的样地Cl-/2比值小于1.00，属于氯化物-硫酸盐型。研究区土壤盐化程度：仅5号样地的全盐量超过2%，属于重度盐化土壤，2、3、4、6号样地属于轻度盐化土壤，而其它5/6的样地均低于0.3%，属于极轻度盐化或无盐化。

（3）研究区表层土壤盐分离子空间变化特征分析表明，土壤呈微碱性，整体上空间差异不大；研究区较低海拔的土壤样本中，全盐、K++Na+和Cl-含量变化异常，远超过其它盐分离子，且3个测定指标含量变化趋势近似一致，随着海拔高度的增加，土壤中各盐分离子含量微小，趋于稳定。

（4）主成分分析结果表明，第一、二主成分的方差贡献率分别为75.98%、15.72%，其累计贡献率达到91.70%，表明原8个指标所反映的大部分信息可由前2个主成分表征。从主成分载荷来看，全盐、、及K++Na+在第一主成分上的载荷值较大，且均为正向负荷，载荷值分别为0.930、0.972、0.939和0.971，说明全盐、、及K++Na+与第一主成分之间相关性高，pH值在第二主成分的载荷较大且呈负相关，高达-0.961。