基于典范对应分析的滨海湿地土壤季节性盐渍化特征

张天举,陈永金,刘加珍

聊城大学环境与规划学院, 聊城 252059

土壤是植物生长发育的物质基础[1],植物又对土壤理化性质产生影响[2]。世界约有1/3的土壤发生盐渍化,严重影响了土地资源尤其是耕地资源的有效供给[3-4]。改善土壤质量追求具有高效生产力的土地资源成为各国的首选。受气候、地貌、水文地质等自然因素和耕作、灌溉、田间管理等人类活动的共同影响,我国盐渍化土壤广泛分布于干旱、半干旱地区和滨海滩涂地区[5-6]。滨海盐渍化土壤中含有大量的可溶性盐,容易引起植物的生理水分不足,抑制营养物质的吸收,影响植物发育和产量[7-8]。

滨海河口湿地位于陆地和海洋生态系统的过渡地带[9-12],其生态系统相对脆弱,受海侵和河流的共同影响,土壤相对贫瘠,植物群落结构相对简单。黄河三角洲河口湿地位于渤海湾与莱州湾之间,是我国面积最大、增长最快的新生河口湿地生态系统[13]。受气候条件、土壤母质、海水以及沉积环境等影响,盐渍化土壤广布,严重影响农业生产和区域生态系统的安全[14-16]。研究区域盐渍化问题,对于更好地预防和治理土壤盐渍化及恢复生态系统具有十分重要的意义[17]。当前许多学者已经对黄河口湿地土壤盐渍化特征及其盐分组成等相关方面做了大量研究[18-21],这些研究在环境因子方面,大多是只考虑了单因子(TS、pH、EC)对土壤性质的影响；在时间维度上,大多是以单一季节(春季、夏季、秋季等)为主；在分析方法上,大多是采用传统的统计分析如相关分析、因子分析、方差分析和回归分析等,当变量数据较多时,这些方法无法直观地给出多变量间的相互作用关系,数量生态学中的典范对应分析方法(Canonical correspondence analysis,CCA)[22]能够直观地给出多变量间的相互作用关系,可以较好地反映研究对象与环境因子之间的数量关系,是判断主控因子有效的方法,弥补了常规分析方法的不足。

本文以不同季节的黄河口湿地土壤为例,基于单因素方差分析方法、典范对应分析方法,探讨了不同季节河口湿地土壤盐碱化特征与盐分离子组成及其之间的数量关系,旨在研究黄河口湿地土壤的盐分特征,揭示影响盐渍化土壤的主控盐分因子,为黄河口湿地土壤资源的开发利用和生态环境建设提供理论支持。

1 研究区概况和样品采集

1.1 研究区概况

黄河口湿地位于我国山东省东营市垦利县境内,属于温带季风性气候。四季分明,光照充足,年平均气温11.7—12.6℃；无霜期211 d；年均降水量530—630 mm,70%分布在夏季,具有明显的季节性,导致地表径流和地下水补给量年内分配极不均匀；平均蒸发量为750—2400 mm。蒸发量远大于降水量,为土壤盐分向上运移提供了有利条件。该区总体地面平坦,海拔较低,因受黄河尾闾摆动,其地貌类型发育较为完整,主要有古河道遗留下来的自然堤、河漫滩地、背河洼地、缓斜平地和滨海低平地等[22]。土壤以潮土和盐土为主,土壤盐渍过程先于成土过程,是在盐渍淤泥的基础上发育而成[23]。受水埋深、矿化度及海水经常性的淹没和侧向侵渍的影响致使土壤含盐量普遍较高且空间分布不均,导致区域内的植物群落组成比较简单且具有分布集中、成片生长的特点。自然植被主要以柽柳(Tamarixchinensis)、碱蓬(Suaedasalsa)、芦苇(Phragmitesaustralis)等为主。

1.2 数据来源

1.3 数据分析

2 结果与分析

2.1 土壤盐分离子的统计特征

各阳离子在不同季节的分布态势见图1,Na+含量在各季节中占阳离子总量的比例均在65%以上,是研究区最为主要的阳离子； 其次是Mg2+；再次是Ca2+,K+含量最小。差异显著性检验结果表明,Na+含量春季显著高于夏季、秋季,而夏季、秋季差异性不显著(P>0.05)；Mg2+含量的差异性和Na+的一致,说明二者在季节变化上可能具有较好的关联性；Ca2+含量各季节之间无显著差异性(P>0.05),分布较为稳定；K+含量虽小,但在不同季节却表现出显著的差异性(P<0.05)。变异系数是反映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性[25-26]。在不同的季节,Na+、K+、Ca2+的变异系数均介于10%和100%之间(图1),表明它们在研究区均具有中等强度的变异性[18]。随着季节的变化,Na+在夏季出现变异系数的最大值,为66.15%；K+的变异系数逐渐减小,春季最大；Ca2+的变异系数逐渐增大,秋季变异最为强烈,变异系数达到90%以上,表现出较强的空间异质性；Mg2+在夏季和秋季均表现出极强的变异性,变异系数分别为108.24%、104.47%,说明Mg2+在夏、秋季分布不均匀,春季其空间异质性相对较弱。

图1 土壤盐离子含量及其季节性分布特征Fig.1 Cations and anions and their seasonal distribution

2.2 土壤全盐特征及盐碱化特征参数

土壤全盐量是反映土壤盐化程度的基本指标[27]。由图2可知,在不同的季节,土壤TS含量的平均值均在17.9 g/kg以上,春季显著高于夏季和秋季且以夏季含量最低。差异显著性检验结果表明,夏季和秋季TS含量无显著差异性(P>0.05),这和Cl-、Na+、Mg2+在季节变化上的差异性相一致,说明 TS与Cl-、Na+和Mg2+可能有较好的关联性。TS的季节性变异系数均介于42%和65%之间(图2),表明研究区土壤含盐量具有中等强度的变异性,说明黄河口湿地盐渍土区土壤含盐量分布不均匀,空间异质性较强；从变异系数的季节性变化特征来看,变异系数逐渐增大,说明土壤盐分的空间异质性逐渐增强。

图2 TS、pH、EC、SAR的季节性分布特征Fig.2 Soil TS,pH,EC,SAR and their seasonal distributionTS:全盐含量,total salt content; pH:氢离子浓度指数,hydrogen ion concentration; EC:电导率,electrical conductivity; SAR:钠吸附比,sodium adsorption ratio

2.3 土壤盐分的典范对应分析

2.3.1土壤盐分离子组成 CCA 分析

2.3.2盐分离子与盐碱化参数的相关性CCA 分析

图3 不同季节土壤盐分的CCA二维排序图Fig.3 Two dimensional ordination diagram of canonical correspondence analysis of salts in different seasons

2.3.3环境因子与排序轴间的关联性

表1 环境因子与研究对象排序轴的相关系数

2.3.4典范对应分析的可行性分析

在对黄河口湿地盐渍土进行研究时,从各盐分离子与土壤盐碱化参数的CCA排序图可以看出,研究对象(盐碱化参数)-环境变量(盐分离子)与第一个排序轴的相关系数均大于0.94,与第二个排序轴的相关系数均在0.80以上,具有较高的相关性。环境因子前两个排序轴的相关系数为0,表明前两个排序轴是完全垂直的；研究对象前两个排序轴的相关系数绝对值小于0.03,表明这两个排序轴也近乎完全垂直[33],且前两个排序轴的累积方差贡献率均大于80%,说明对土壤盐碱化参数和环境因子进行的CCA排序结果是可信的[34-35]。

3 讨论

3.1 盐碱化参数与盐分离子季节性特征的影响因素及盐渍化防治对策

3.2 CCA在土壤-环境方面的应用及盐碱化参数与离子之间的关联性

典范对应分析方法(CCA)是基于对应分析发展而来的,它将对应分析与多元回归分析相结合,在对应分析的迭代过程中,将每次得到的排序值均与环境因子进行多元线性回归,使之能够直观反映环境因子对排序结果的影响,是研究植物分布与环境关系最有效的直接排序方法[56-60]。随着生态学软件 Canoco for Windows的推广,近年来,该方法在土壤-环境领域也逐步得到应用,在研究土壤性质与环境因子间定量关系方面取得了重要进展。杨思存等[33]用该方法研究甘肃引黄灌区耕地土壤全盐量(TS)、pH 和盐分离子组成的空间分布特征及数量关系,并探讨它们之间的相互关系、影响程度以及对盐碱地类型、分布的影响；吴雪梅等[61]用该方法分析于田绿洲2012年春季土壤剖面的含盐量、电导率、pH值、矿化度、七大盐分离子的空间分布特征；解雪峰等[7]用该方法探讨了江苏中部如东滩涂围垦区不同空间尺度景观格局对土壤盐渍化程度的影响和贡献度；韩桂红等[62]用该方法对渭干河-库车河三角绿洲干旱区盐渍土土壤TS、盐分离子组成、碱化度(ESP)、pH、EC的空间分布特征进行了分析。本研究应用此方法分析了TS、pH、SAR、EC和盐分离子的数量关系以及离子之间的相互关系。结果表明,无论处于何种季节,土壤TS始终与Cl-有较好的关联性,说明TS 的空间分布主要受控于Cl-。这与分析环境因子与排序轴的相关性所得结果一致,与分析盐分离子含量对全盐量贡献大小的结果也是一致的,与其他学者对黄河口湿地盐渍化土壤盐分状况的研究结果也相一致[40]。在不同的季节,Cl-含量始终高于其他离子含量,对TS的贡献率均高于50%,说明Cl-是该区域土壤盐分的主要有效成分,对促进土壤发生盐渍化起着关键性的作用。因此,通过合适的措施控制或减少Cl-的来源是一条减轻河口湿地土壤盐渍化的合适途径。在不同的季节,pH受环境因子的影响较小,而SAR和EC则随着季节的变化受控因子在变化。不同季节盐分离子之间的关联性并不固定,它们之间存在着一定的差异性,这一方面可能和外界环境[62](温度、湿度、饱和度、酸碱度)条件有关,另一方面可能和地貌类型、距海远近有关[63]。以关联性较好且含量较高的Na+和Cl-来看,春季表层土壤受外界环境影响最大,水分的上下迁移活动强烈,相应的 Na+和Cl-的同质运移活动也较为频繁[28],表现出 Na+和 Cl-具有较高的关联性。而夏季和秋季则没有表现出很好的关联性,其他离子之间也是类似的情况,它们之间是否存在固定的关联性尚有待于进一步深入研究。

3.3 人为因素对黄河口湿地的影响

近年来,人为因素也成为影响黄河口湿地土壤盐渍化的重要因子。受季风性气候的影响,该区域降水量年内分配极不均匀,造成淡水资源供给不足,尤其是在枯水季。因此,黄河成为淡水资源开发利用的供给站[64]。然而,随着社会经济的发展,一方面上游用水量不断增加,导致黄河断流频次、天数增加[65],另一方面下游地区用于生产、生活的淡水需求量也在增加,从而导致淡水资源短缺,进而影响该区域土壤盐渍化的发生。除此之外,不合理的垦荒、灌溉、粗放的经营以及人口数量的增加等[50,66-67]都会给该区域土壤盐渍化的发生带来一定的影响。因此,要根据该区域的特点,合理开发利用水资源、改变粗放型的经营方式、禁止盲目垦荒,并可适当提高植被覆盖度以减小土壤盐渍化的发生。

3.4 典范对应分析的优越性

典范对应分析(CCA)不仅包含的信息量更大,而且结果更加直观。常规分析只能反映出TS、pH、SAR、EC的数量及盐分离子的组成,而典范对应分析能够通过箭头连线之间的夹角以及与三角符号间距离的远近等,在CCA二维排序图上直观地给出各盐分离子之间以及TS、pH、SAR、EC与盐分离子之间的关系,并通过各盐分离子与研究对象前两个排序轴的相关系数,来确定影响黄河口湿地土壤盐碱化的主要因子。因此,典范对应分析是一种更加科学的分析土壤盐碱化变化特征的评价方法。

4 结论

(1)研究区土壤盐分阳离子以Na+为主,阴离子以Cl-为主,二者不因季节的变化而改变其占离子总量的优势地位。其中,Na+占阳离子总量的比例均在65%以上；Cl-占阴离子总量的比例均高于81%。差异显著性检验结果表明,Cl-、Na+含量均是春季显著高于夏季和秋季(P<0.05),而夏季和秋季含量无显著差异性(P>0.05)。除Mg2+在夏季、秋季及Cl-在秋季表现出强烈的变异性外,其余离子在不同季节均表现出中等强度的变异性。

(2)研究区土壤盐化较为严重,春季、夏季、秋季含盐量均在17.9 g/kg以上,属于盐土类型。其含量变化趋势与Cl-、Na+的变化趋势一致,呈“V”字形变化,春季、秋季均高于夏季,形成了春、秋季积盐和夏季脱盐的特点。pH值均介于7.7—8.1之间；SAR介于3.08—5.29之间；EC 的均值变化范围为7.16—13.04 mS/cm。