艾比湖湿地土壤水分-盐分-养分空间异质性分析

方丽章，李艳红*，李发东，3，4，朱海强

（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）

土壤水分、盐分、养分是湿地循环系统内关键的组成部分[1-2]，土壤含水量是土壤重要状态参数[3]。土壤盐分空间分布能反映土壤盐渍化状态和程度[4]，土壤养分反映湿地生态系统土壤肥力，它们都受到土壤理化性质、水文过程等多种因素的影响[5-6]，因此掌握土壤水分、盐分、养分时间变化与空间格局有利于土壤资源的合理利用[7]。国外学者[8-9]认为土壤水盐及养分的空间变异有一定的规律，其中土壤盐分空间变异受结构性因素影响，土壤养分运用球状模型能很好地拟合，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。国内学者对干旱区湿地土壤理化性质研究包括黑河湿地[10]、黄河源湖泊湿地[11]、敦煌西湖荒漠湿地[12]等，研究发现土壤因子时间变化与空间异质性与研究区植被、土壤质地、水文变化及人为干扰有关[13]。艾比湖湿地是干旱区荒漠生态系统的典型代表，受到高盐、大风、沙化和干旱的影响，土壤退化严重，对艾比湖湿地生态环境格局及其脆弱性研究十分有必要。目前关于艾比湖湿地的研究集中在博尔塔拉河（以下简称博河）、精河等河流下游，主要研究了土壤盐分对植物群落的影响[14]，河岸带土壤盐分离子变化特征[15]，不同植物群落下土壤盐分与养分的空间变化[16]，环湖湿地土壤水盐空间变异等[17]，而缺乏对艾比湖湿地土壤水分-盐分-养分三者的区域空间性系统研究。因此本文采用2014—2015年5、8月野外采样数据，以湖心质点为中心，从不同区域分析艾比湖湿地土壤含水量、盐分、pH、养分时间变化及空间异质性，以期为艾比湖国家级自然保护区土壤动态变化提供基础数据，为生态环境管理及土壤盐渍化治理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

艾比湖湿地国家级自然保护区（44°30′～45°09′N，82°33′～83°53′E）位于新疆维吾尔自治区天山西段北麓，准噶尔盆地西南部，属于温带大陆性气候，干燥少雨多风，盐尘暴和浮尘活动繁多。年平均气温在6～8℃，极端最高气温41.7℃，最低-32.2℃，降水量在100 mm左右，潜在蒸发量约1300 mm。西北部处于阿拉山口大风通道上，年均风速6 m·s-1，大风日数为165 d，其中瞬间最大风速高达55 m·s-1。艾比湖是典型的尾闾湖，1998—2013年间艾比湖面积缩小了18.59%[18]，土壤沙化盐化加剧，环湖一周土壤退化存在明显差异，以湖心质点[17]（44°52′33.77″N，83°2′18.34″E）为中心将艾比湖湿地划分为4个区域（图1）：东北部、东南部、西北部、西南部。西北部干涸湖底有大面积盐壳及含盐疏松的裸土，土壤类型主要是盐土，其中西北部科克巴斯陶附近有天然泉水外流；东北部奎屯河和东南部阿奇克苏河已经断流，两河下游地区土壤沙化严重，土壤类型分别是灰棕漠土和盐土，其中东南部风成地貌较明显；西南部博河与精河入湖口主要是湖滨湿地、冲-洪积平原，土壤类型主要是细砂、粉砂、黏土等，其中西南部精河下游2002年实施围堰和土壤改良工程。

1.2 研究方法

1.2.1 样品采集与测定

图1 研究区示意图Figure 1 Research area schematic drawing

在2014年和2015年5、8月环湖一周160 km范围，根据湿地实际情况设置67个样点，采样时均为晴天，记录每一个样点的海拔高程、经/纬度及样地附近的植被类型和土壤质地等环境要素。除去土壤表层杂物，自下而上采集0～20 cm土壤，装入样品袋密封带回实验室，自然风干、磨碎、过筛。土壤全盐含量测定，制备1∶5的土水质量比浸提液，土壤pH值用玻璃电极测定，土壤含水量用烘干法测定，土壤有机质采用重铬酸钾氧化法测定，土壤全磷用碱熔-钼锑抗比色法测定，土壤全氮用凯氏定氮仪测定[19]。

1.2.2 数据处理

使用Excel、SPSS对数据进行统计分析和差异显著性检验，运用GS+进行半方差函数计算和Moran′s I系数分析，Kriging（克里金）插值以及空间分布图使用ArcGIS绘制。

2 结果与分析

2.1 艾比湖湿地土壤水分-盐分-养分季节变化特征

2.1.1 土壤含水量变化特征

本研究对数据进行Kolmogorov-Smirnov法正态检验（P＜0.05），实验数据不符合正态分布，需要对数据进行对数转换，转换后均呈正态分布。土壤含水量受地下水埋深、气候等影响较大，为清楚了解土壤含水量的季节变化，由表1可知，不同区域土壤含水量5月大于8月。对5、8月不同区域土壤含水量差异性分析表明，东北部、东南部土壤含水量均变化显著（P＜0.05），西北部、西南部土壤含水量变化均不显著（P＞0.05），5、8月含水量最大值分别为255.73、230.28 g·kg-1，最小值分别为6.82、2.61 g·kg-1。按照变异系数（CV）划分等级[20]：CV＜10% 为弱变异性；10%＜CV＜100%为中等变异性；CV＞100%为强变异性。土壤含水量变异系数5月小于8月，含水量变异系数在60%～100%之间，属中等变异性。

2.1.2 土壤盐分与pH值变化特征

从表1中可以看出土壤盐分与pH值的季节变化。土壤盐分含量8月高于5月，对5、8月不同区域土壤盐分含量差异性分析表明，土壤盐分变化均表现为不显著（P＞0.05），最大值分别为 37.25、47.61 g·kg-1，最小值分别为1.48、2.17 g·kg-1，按照变异系数划分等级，土壤盐分变异系数5月高于8月，变异系数均在20%～80%，属于中等变异。除东北部外，不同区域土壤pH值8月大于5月，西北部、东南部土壤pH值均变化显著（P＜0.05），按照变异系数划分等级，不同区域土壤pH值变异系数CV＜10%，均属于弱变异。参照新疆土壤盐碱化的分级标准[21]可知，5、8月4个区域土壤盐渍化有所差异，西北部土壤达到盐土化水平，东北部土壤达到中度盐化水平，西南部与东南部土壤达到重度盐化水平。土壤pH值整体呈现出碱性或强碱性。

2.1.3 土壤养分变化特征

对不同区域土壤养分季节变化进行分析（表1），4个区域土壤有机质、全磷、全氮含量均为8月高于5月。对5、8月不同区域土壤养分含量变化差异性分析表明，东北部、东南部土壤有机质均变化显著（P＜0.05），西北部、西南部土壤有机质变化均不显著（P＞0.05）。土壤全磷除东北部外，其他区域土壤全磷含量均变化显著（P＜0.05），土壤全氮含量除东北部变化显著外（P＜0.05），其他区域土壤全氮变化均不显著（P＞0.05）。

表1 5、8月份土壤含水量、盐分与pH、养分的统计特征Table 1 Statistical charactristic values of soil moisture，salinity，pH and nutrient in May and August

有机质、全磷、全氮平均含量变化范围为6.97～12.21、0.31～1.25、0.39～1.17 g·kg-1。从变异程度来看，土壤养分5月变异系数均大于8月，变异系数范围在10%～80%，属于中等强度变异。参照全国土壤养分等级划分标准[22]可知，5、8月土壤有机质、全氮处于4～5级，土壤全磷在2～4级之间，土壤养分总体较为贫瘠。

2.2 艾比湖湿地土壤水分-盐分-养分空间分布的影响因素分析

根据半方差函数理论及计算模型得出不同区域土壤因子变异函数模型及相关参数[23]（表2），表中C0为块金值，C0+C为基台值，C0/（C0+C）表明土壤性质空间相关性的程度高低，C0/（C0+C）小于25%，表现为强空间相关性，主要受结构性因素影响，25%～75%之间是中等空间相关性，受结构性与随机性因素影响，大于75%，空间相关性较弱，主要为随机性因素影响。5、8月西北部土壤盐分符合指数与球状模型，东北、西南、东南部土壤盐分符合高斯模型；4个区域土壤含水量与土壤pH均符合高斯模型，不同区域土壤养分符合高斯、指数、球状模型，其中高斯模型居多。从决定系数来看，在5、8月4个区域不同的理论模型变化范围为31%～96%。从块金系数来看，不同区域土壤含水量块金系数小于34%；除5月西南部外，土壤pH块金系数均小于25%；土壤盐分块金系数均小于25%；除5月东北部外，土壤养分块金系数均小于25%，表现出强烈的空间自相关性。说明影响其空间分布的因素中，土壤盐分、pH、养分主要受结构性因素影响，土壤含水量主要受结构性因素和随机性因素共同影响。从变程来看，除西南部5、8月盐分和5月有机质变程较小之外，西北部土壤含水量、盐分、养分变程均小于其他区域土壤因子变程，这可能是由于西南部进行了引水围堰工程，西北部常年大风以及季节性放牧等使土壤水分、盐分、养分变程较小。

表2 5、8月份土壤含水量、盐分与pH、养分的半方差函数类型及其参数Table 2 Types of semi-variance model and their parameters for soil moisture，salinity，pH and nutrient in May and August

2.3 艾比湖湿地土壤水分-盐分-养分的空间相关尺度分析

Moran′s I系数可定量描述研究变量在空间上的依赖关系，可以看出空间相关性随尺度的变化[24]，I的取值为-1～1，I＞0表示变量在空间上呈现正相关；I＜0表示研究变量在空间上呈现负相关；I=0表示研究变量在空间依赖性小或空间随机变异较大。从图2、图3看出，研究区5月土壤盐分、含水量、pH和全磷的空间距离分别在15 013.07、15 013.07、20 367.99 m和34 085.39 m之前表现出强的正相关性，随着距离增大，负相关性增强。8月土壤盐分、含水量、pH和全磷随距离增加与5月有相似的Moran′s I系数变化趋势。5、8月土壤盐分、pH、养分的Moran′s I系数波动均较大，空间相关性较强，这与地貌、微地形、气候、土壤类型等因素密切相关。

2.4 艾比湖湿地土壤水盐-养分空间分布特征

为了能更直观辨别土壤因子空间分布情况，通过普通克里金插值预测[17]艾比湖湿地环湖土壤含水量、盐分、pH与养分空间格局分布，从图4、图5可知，5、8月土壤含水量空间分布呈现不规则的条带状分布，其高值区出现在西北部科克巴斯陶与西南部引水围堰区，低值区主要在东南部与东北部；土壤盐分有比较明显的空间变化，高值区主要在西北部与东南部，低值区主要在西南部引水围堰区与东北部奎屯河下游；土壤pH整体偏碱性，高值区主要在西北部及湖周围；不同区域土壤养分变化各不相同，土壤有机质、全氮有一定的相似性，高值区出现在西北、西南部，土壤全磷呈无规则斑点状分布，高、低值地区较为分散。对艾比湖湿地土壤盐分与水分、水分与养分及养分之间进行相关性分析，5月份土壤盐分与pH值（0.21，相关性系数，下同）呈正相关；土壤盐分与含水量（0.294），含水量与有机质（0.302）呈显著性相关（P＜0.05）；含水量与全氮（0.355），pH值与有机质（0.396）、全氮（0.445），全氮与有机质（0.896）、全磷（0.326）呈极显著性相关（P＜0.01）。8月份土壤盐分与含水量（0.296）、pH值（0.3），pH值与有机质（0.303）呈显著性相关（P＜0.05），含水量与有机质（0.443）、全氮（0.466），pH 值与全氮（0.381），有机质与全磷（0.349）、全氮（0.885），全磷与全氮（0.458）呈极显著性相关（P＜0.01）。

图2 5月土壤含水量、盐分、pH与养分有机质、全磷、全氮的Moran′s I系数分析Figure 2 Moran′s I analysis of soil moisture，salinity，pH and nutrient organic matter，total phosphorus，total nitrogen in May

3 讨论

3.1 艾比湖湿地土壤水盐-养分时间变化分析

图3 8月土壤含水量、盐分、pH与养分有机质、全磷、全氮的Moran′s I系数分析Figure 3 Moran′s I analysis of soil moisture，salinity，pH and nutrient organic matter，total phosphorus，total nitrogen in August

不同区域土壤盐分、pH值8月高于5月，土壤含水量则相反，其中土壤含水量、盐分属于中等变异，土壤pH值为弱变异；5、8月土壤盐渍化在中度盐化与盐土化水平之间；pH值呈碱性或强碱性；与贡璐等[25]研究的干旱区土壤水盐空间变异中土壤pH值为弱变异结论相同。5、8月土壤盐分与pH值均呈正相关性，不同区域土壤盐分块金系数均小于25%，主要受结构性因素影响，已有研究表明[26]季节性积盐和脱盐交替是土壤碱化和土壤pH值变化的重要原因，说明干旱区湖泊湿地土壤盐分、pH值季节变化主要是结构性因素影响（如地形、土壤类型、母质、水文等）。5、8月土壤含水量块金系数小于34%，说明干旱地区湖泊湿地土壤含水量季节变化受到结构性因素（气候、地形、土壤类型等）和随机性因素（灌溉、土壤改良、耕作措施等人为活动）共同影响，这可能是艾比湖湿地河流上游农业灌溉用水较多，河流径流量季节变化[27]影响了湖泊水位与地下水埋深，2015年5、8月水位计实时监测湖泊水位变化范围分别为0.85～1.17 m和0.60～0.78 m，地下水埋深变化范围分别为0.65～1.02 m和1.69～1.97 m；5、8月土壤含水量与土壤养分之间相关性较显著，而不同区域土壤含水量、养分含量存在差异，研究区土壤养分总体较为贫瘠，5月土壤养分块金系数小于35%，而8月土壤养分块金系数小于25%，说明其空间自相关性较强且主要由结构性因素引起（土壤类型、植被群落、气候等），这可能是艾比湖湿地成土母质以冲击-洪积物质类型的砂壤土为主，发育程度较低且土壤沙化严重，干旱、高温的气候条件下，好气微生物比较活跃，有机质进行好氧分解，不利于累积，而土壤有机质是土壤养分的载体和来源，在维持土壤结构、保持土壤水分、形成土壤肥力方面有重要影响，碱化现象明显破坏土壤结构，植物群落衰退使得生物累积与凋落物返还过程减弱，不利于土壤质量改善，从而使土壤肥力降低[28]。

3.2 艾比湖湿地土壤水盐-养分空间异质性分析

5、8月土壤含水量空间分布呈现不规则的带状分布，其高值区出现在西北部科克巴斯陶与西南部引水围堰区，低值区主要在东南部与东北部，土壤有机质与全氮的高值区与含水量高值区相近似。可能西北部科克巴斯陶有天然泉水流出，西南部有精河、博河注入艾比湖，湖滨湿地土壤主要以细砂、黏土等组成，而东北部奎屯河与东南部阿奇克苏河已断流，土壤为沙地，透水透气性好；西北部科克巴斯陶水源充足有利于植物群落生长，西南部进行土壤改良工程使土壤质地得到改善，土壤盐分较低，植被恢复良好，为土壤养分积累提供有利条件[29]。土壤盐分高值区主要在西北部与东南部，低值区主要在西南部引水围堰区与东北部奎屯河下游，这与金海龙等[30]在2009年研究发现艾比湖土壤盐分高值区在湖东部不同，说明近几年艾比湖湿地土壤盐渍化与沙化日益严重。西北部与东南部干涸湖底面积较大，土壤主要为盐土，强烈的蒸发作用使干涸湖底土壤中可溶性盐分随水分蒸发聚于地表，东南部在阿拉山口的径直通道上，盐尘加剧了荒漠景观的发育；奎屯河下游土壤沙化严重，土壤沙化后土壤肥力降低，土壤颗粒变细，土壤盐分含量减少[31]。不同区域土壤有机质、全氮空间变化有一定的相似性，土壤全磷呈无规则斑点状分布，高、低值地区较为分散，与杜改俊等[16]、朱海强等[32]研究的艾比湖土壤养分相似。从空间相关尺度分析，研究区5、8月土壤水盐-养分在空间距离上均表现出强正相关性，Moran′s I系数波动均较大，空间相关性较强，这与贾晓红等[33]研究的干旱区农田土壤性状均呈较弱的相关关系不同，这可能是艾比湖湿地环湖人为因素影响较小，土壤水盐-养分主要受近湖边土壤含水量及湖面波动，土壤结构、植物群落等影响较为复杂。

图4 5月土壤含水量、盐分、pH、养分空间分布Figure 4 Spatial distribution of soil moisture，salinity，pH and nutrient in May

4 结论

（1）不同区域土壤盐分、养分、pH值8月高于5月，土壤含水量则相反。除土壤盐分外，5、8月不同区域土壤pH值、含水量与养分含量变化差异较显著，土壤含水量、盐分、养分属于中等变异，土壤pH值为弱变异。研究区土壤盐渍化在中度-盐土化水平之间，土壤呈碱性或强碱性，总体较为贫瘠。

图5 8月土壤含水量、盐分、pH、养分空间分布Figure 5 Spatial distribution of soil moisture，salinity，pH and nutrient in August

（2）5、8月不同区域土壤盐分、pH值、含水量、养分符合不同的半方差模型，土壤含水量受结构性因素（气候、地形、土壤类型等）和随机性因素（灌溉、土壤改良、耕作措施等人为活动）共同影响，土壤盐分、pH值与养分主要受结构性因素（土壤类型、母质、植被群落、水文等）影响；5、8月土壤盐分、pH值、养分的Mo⁃ran′s I系数波动均较大，空间相关性较强。

（3）5、8月土壤含水量呈带状分布；土壤盐分高值区主要在西北部与东南部；土壤pH高值区主要在西北部及湖周围；土壤有机质、全氮有一定的相似性且呈极显著的正相关，高值区主要在西北、西南部，土壤全磷呈无规则斑点状分布，高、低值区较为分散。

致谢：感谢师哥赵明亮、刘岩、王金龙、朱海强和师姐马雯在野外采集样品与室内实验分析中所做的指导与帮助。