准格尔盆地不同程度人类干扰下土壤盐分及离子组成特征

王 宁，熊黑钢，叶红云 ，马利芳，张 芳

（1．新疆大学资源与环境科学学院，绿洲生态教育部重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830046；2．北京联合大学应用文理学院，北京 100083）

土壤盐渍化是自然条件和人类干扰共同作用下导致的土壤盐分含量升高的结果，是影响干旱地区绿洲生存与发展的重要因素。土壤盐分含量与土壤质地、气候、地形、植被、地下水等自然条件以及人类活动有密切的关系，而可溶性盐离子是土壤盐分的主要组成部分，同时其含量、浓度可反映土壤理化性质，是土壤肥力水平、盐碱程度的重要指标之一［1-2］。因此对土壤盐分及其离子的研究十分重要，国内外学者对此开展了大量研究，在盐渍化分布状况［3］、土壤盐渍化信息提取［4］、盐渍化土壤改良方法［5-6］、土壤盐分及其离子空间变异性［7-8］等方面均取得了显著成果。

近年来人类对土地利用程度逐渐加深，包括放牧、耕种、建造房屋等不同方式，而这些利用方式对土壤产生了不同程度的干扰，也直接或间接地影响着土壤盐分离子等物质和能量的运移过程和变化状况，对土壤环境因子有着综合的影响效应［9］。土壤盐分的累积以及某些离子的相对富集在一定程度上导致了土壤环境质量的恶化，引起土壤次生盐渍化，这已经成为了制约干旱区农业经济发展的主要障碍因子［10-11］。

目前对土壤盐分离子的研究主要集中在不同地区、不同栽培方式［12］，不同灌溉方式［13］，不同咸度灌溉水［14］或土壤剖面不同层［15］的盐分离子含量特征［16-17］，而人类不同干扰程度对土壤盐分离子的影响尚待进一步研究。因此本文以新疆准格尔盆地阜康境内人类不同干扰程度下的土壤盐分和离子含量为研究对象，探讨其含量变化与相关性的影响，以期为不同程度人类干扰下土壤的盐渍化防治与改良、维持生态环境安全及绿洲可持续发展提供理论和实践依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于新疆维吾尔自治区天山东段北麓、准格尔盆地南缘的阜康境内（87°44′E，44°45′N，平均海拔为479m）。气候为中温带大陆型干旱气候，冬季干冷且较长，夏季干热且短，光照充足，年均温6.6℃，≥10℃的年积温3519℃，年、日温差均较大，分别为42.2、12.7℃，降水稀少，年均145mm，蒸发强烈，年均蒸发潜力2292mm。该区土壤质地为砂土，盐渍化现象严重，在西北干旱区具有代表性。

1.2 采样区特点

研究区按人类干扰程度的差异分为3 种土壤区域：①远离人类活动影响的无人干扰区（A 区），地表基本保持原始风貌，植被覆盖度较高，部分地区有成片梭梭林，伴生植物种有红柳、盐爪爪等。由于较少受到人类干扰，该区土壤表面常见黑色生物结皮，且其发育状况处于中期［18］。②中度人为干扰区（B 区），靠近新疆生产建设兵团102 团。20 世纪50～60 年代开荒时，土地被犁出宽2～3m 的垄，垄间距为0.3～0.5m，沟深为0.2～0.3m，后弃耕。该区植被覆盖度较低，仅有猪毛菜或琵琶柴等矮灌木存活，土壤表层的生物结皮发育较差。③人工育苗林的重度人为干扰区（C 区），此区有两个被铁丝网或高约1.5m 的土垄包围的人工林场，主要树种为榆树，林地行间距3.5m，株距1.5m，植株平均高约3m，平均冠幅为0.6m×0.6m，林地内采用塑料软管滴灌方式进行灌溉。

由于3 区距离较近，仅被人工设施分离，因此3 种人为干扰下土壤的成土母质、日照、气温、降水等自然条件一致，土壤盐分及离子的变化主要受人类活动干扰的影响。

1.3 采样点布设及土壤样品采集处理

2017 年10月1～10 日对无、中度、重度人为干扰下的土壤进行采样（图1）。样点布设依照网格法，在A、B 区各布设5 条间距约500～800m 的采样线，其中A 区每条线上6 个样点，间距约300～500m，B 区根据实际情况在每条线上设5～7个样点，间距为300～600m，C 区面积较小，因此布设间距200～400m 的采样线6 条，每条线上有间隔200～300m 的5 个样点。每个区域均为30 个采样点，3 区共90 个，采样时用GPS 对各样点定位。

根据代表性和典型性原则选取能够代表周围环境平均状况的样点，用梅花桩采样法在样点周围1m 范围内选取5 处土壤，采集0～20cm 的土样，混合均匀后放入密封袋并标记编号。在实验室内进行自然阴干、除杂、过筛等预处理后送至中国科学院新疆生态与地理研究所进行盐分和离子数据（包括土壤盐分的八大离子：的测定，离子测定采用原子吸收分光光度法［19］。

图1 样点示意图

1.4 土壤分级指标

本文按表1、2 的土壤盐化分级指标、土壤酸碱性分类指标［20-21］对研究区土壤盐渍化程度分类。

表1 土壤盐化分级参考指标

表2 土壤酸碱性分类指标

1.5 数据处理

利用Excel2016和DPS3.0对数据进行统计、相关性、聚类分析。使用origin9.0绘制离子浓度图。空间分析通过ArcGIS14.0 完成土壤盐化等级频率指某一盐化水平下的土样数占总土样数的百分数。土壤某一盐分离子比例为某一盐分离子含量/八大离子含量之和×100%［19］。

2 结果与分析

2.1 不同干扰程度下土壤盐渍化特征

2.1.1 不同干扰程度土壤pH 值和盐分总量状况

研究区土壤pH 值介于7.11～8.64，平均值为7.86（表3），根据土壤酸碱性划分标准总体属于碱性土。根据变异系数（CV）来看，土壤pH 值呈弱变异性（CV ≤0.1 为弱变异性；0.1＜CV＜1.0 为中等变异性；CV ≥1.0 为强变异性），说明土壤碱度分布相对均匀，空间异质性弱，B、C 两区的土壤碱度空间异质性略高于A 区。从均值来看土壤pH 值随着人类干扰程度的加深而逐渐降低，即人类干扰对土壤的影响越大，其碱度越低。

土壤盐分总量介于1.42～49.17g/kg，平均值为17.70g/kg，总体为强盐渍化土。变异系数介于0.1～1.0，为中等变异性，表明土壤盐分的空间异质性中等（表3）。不同干扰程度下的土壤盐分总量从范围、变异系数和方差来看都是随着干扰的加剧而变大，例如B 区土壤盐分值方差比A 区增加了3 倍，C 区比A 区增加了7 倍，这表明中、重度人为干扰区内盐分值较离散。

表3 不同干扰程度下土壤pH 值和盐分总量的描述性统计

2.1.2 不同干扰程度下土壤盐化等级差异

A 区和B 区的土壤盐化等级包括中、强盐渍土及盐土，而C 区则包括了各等级的盐渍化土（表4），表明重度人为干扰对土壤盐渍化状况的影响既有改善也有恶化。这可能是由人类活动对土壤盐分的影响随机性较大造成的。B、C 两区的强盐渍土频率比A 区分别下降了39%、61%，而盐土比例都比A 区高出33.3%，说明人类活动加剧土壤盐渍化的现象普遍。

表4 不同干扰程度下土壤盐化等级频率分布（%）

2.2 不同干扰程度下土壤盐分离子统计

对不同干扰程度下土壤各盐分离子进行正态分布检验，得到八大离子中除CO32-（可能与研究区内土壤包含CaCO3、MgCO3等不易溶解的盐分难以水解为离子而未测出，导致各样点土壤CO32-含量均较低有关）以外其余均符合对称或不完全对称的单峰分布。通过统计分析得出不同干扰程度下土壤盐分离子平均含量存在一定差异（表5），Cl-、SO42-和Na+的含量较高（均值均＞1），其中Cl-含量在B、C 两区相比A 区土壤中分别增加67%、234%，Na+含量分别增加34%、86%，SO42-则分别降低6%、32%。Cl-含量的变异系数在盐分离子中最高，A、B、C 区分别为0.92、1.46、0.81，属中等、强、中等变异性，说明氯化物在土壤表层积聚过程中空间分布相对不均匀、极不均匀。Mg2+的CV 值在A、B 两区也较高，而C 区较低。HCO3-、SO42-、Ca2+、K+、Na+的CV 值在各区均低于1.0，表明其在土壤中的空间异质性中等。

从不同干扰程度下土壤各盐分离子含量占该区总离子量的比例饼图（图2）可以看出，无论何种人为干扰土壤，HCO3-、CO32-、K+和Mg2+的含量比例都很低，均小于2%，4 种离子比例之和均小于5%。其余含量较高的4 种离子中，随着人为干扰活动程度的加深，SO42-和Ca2+的比例越来越低，而Cl-和Na+则越来越高。土壤离子在A、B 区的比例排序为SO42-＞Na+＞Cl-＞Ca2+，C 区 排 序 为Cl-＞Na+＞SO42-＞Ca2+，表明中度人类干扰活动对土壤盐分离子比例虽然有所影响但不改变其排序，而重度干扰对各离子占总离子的比例影响明显，尤其是Cl-、Na+和SO42-3 种离子变化剧烈。

表5 不同干扰程度下土壤盐分离子含量统计

图2 不同干扰程度下土壤各盐分离子含量占总离子量的比例

2.3 不同干扰程度土壤盐分的相关性分析

2.3.1 不同干扰程度土壤盐分总量与离子含量相关分析

不论何种干扰程度下，土壤盐分总量与各离子含量相关系数均通过0.05 或0.01 显著性检验的离子包括Cl-、SO42-、Ca2+、Mg2+、Na+，包含了大部分的盐分离子，说明盐分总量与离子含量的变化存在较强相关性。盐分含量与Na+和Cl-含量都呈极显著正相关，与Mg2+呈显著正相关，且相关系数都是随着人类干扰程度的增加而增大，说明人类干扰越强，盐分总量与盐分离子的变化趋势一致性越高。盐分与Cl-相关系数提高最明显，B、C 区相比A 区分别增加了51%和77%，其次为Na+，相关系数分别增加35%和58%，且C 区的土壤盐分与Na+和Cl-的相关系数最高，分别为0.95 和0.94，可知NaCl 是导致中度和重度人为干扰下土壤盐分增加的主要盐分类型。

表6 不同干扰程度下土壤盐分含量与各离子含量相关系数

2.3.2 不同干扰程度下各离子含量间的相关性分析

若盐分阴阳离子间的相关系数为正且通过了0.05 和0.01 水平的显著性检验，说明阴离子随着阳离子的增加而增加，两离子常相伴存在，易结合为土壤中的盐分物质。对比不同干扰程度下土壤盐分离子相关系数可得（表7），A 区易形成盐分的阴阳离子组合有3 对：与Cl-；B 区有3 对：Na+与Cl-、Mg2+与Cl-、Ca2+与Cl-；C 区有6 对：Na+与Cl-，Ca2+与SO42-、Na+与与Cl-、Mg2+与与Cl-。表明人为干扰程度越强，土壤中易结合为盐分物质的离子对越多，且硫酸盐越少氯化物盐越多。Na+与Cl-的相关系数在B 区（0.64）和C 区（0.98）都较大，且随着人类干扰程度的增强而增大。这与前文中这两种离子的含量、占总离子量的比例都随人类干扰程度加大且上升的研究结果一致。Ca2+与Cl-和与的相关系数也为正，且随着人类干扰程度的增强而增大。这表明NaCl 是该区的主要盐分类型，并且其含量与波动情况受人类干扰活动影响最大，其余主要盐分为CaCl2、MgCl2和Na2SO4、CaSO4、MgSO4。

表7 不同干扰程度下土壤盐分离子相关系数

2.4 不同干扰程度土壤盐分离子聚类分析

虽然离子间的相关系数越高，相关性就越强，但难以通过相关性对其进行分类，从而找出彼此独立的有代表性的变量。而系统聚类法可计算出离子间的亲疏程度：“距离”。随后把距离相近的点归为一类，距离较远的点归为不同的类，再根据距离大小判断主要变量［22］。采取“最短距离法”对不同干扰程度土壤盐分离子分别进行聚类分析，从而找出能够代表某种干扰程度下的盐分离子。

按照距离系数阈值3.5 作为分类标准，可将A、B、C 区的盐分离子分为3、4、2 类（图3）。A 区Ⅰ类：HCO3-、Mg2+、K+、Ca2+、Cl-，Ⅱ类：Na+，Ⅲ类：SO42-。B 区Ⅰ类：HCO3-、K+、Mg2+、Ca2+，Ⅱ类：Cl-，Ⅲ类：SO42-，Ⅳ类：Na+。C 区Ⅰ类：HCO3-、K+、Mg2+、Ca2+，Ⅱ类：。相 比 无人干扰区，中度人为干扰使盐分离子间的整体性变差，类别增多，而重度人为干扰导致盐分离子分异明显，类别减少。A、B、C 3 区土壤离子间的最短距离值逐渐减小，分别为6.32、5.94、5.70，说明随着人为干扰的增强，土壤离子间的“距离”变短，重度人为干扰土壤离子间关系最紧密，这也与前文相关性分析中该区离子间相关系数通过显著性检验的离子对最多的结果相符。另外，根据聚类图中被归为最后一类的离子可知，A、B、C3 区土壤分别可取SO42-、Na+和Cl-反映盐分离子变化情况，表明不同人为干扰程度下的土壤主要代表离子不同。这可能与人类干扰活动对土壤盐分总量、土壤pH 值的影响等综合因素有关。

图3 不同干扰程度下土壤盐分离子聚类分析图

2.5 不同干扰程度土壤盐分及主要离子空间分布规律

通过盐分离子组成、浓度以及聚类分析可知，Cl-、Na+和SO42-3 种盐分离子最能反映盐分含量状况，因此，将A、B、C 区土壤盐分和Cl-、Na+和SO42-三维空间分布图中所示含量按照插值结果范围分为5 个等级，再将其空间分布图进行叠加，可得各区土壤盐分与各离子含量同等级重叠的区域，计算重叠区域面积占全区面积的百分数，即为各区土壤盐分与离子的空间分布对应度（表8）。无论何种干扰下土壤盐分含量与SO42-含量分布的对应度均为最低，与Cl-含量对应度最高。不同程度人为干扰下土壤盐分与离子含量的分布对应度随着干扰程度的加剧而增加，其中C 区对应度增加明显，相比A 区盐分与Cl-、Na+和SO42-含量分布对应度分别增加了46%、37%和44%，而B 区相比A 区仅增加13%、13%和15%。Cl-与Na+及SO42-与Na+在空间上的对应度也是随着人为干扰的增强而增大，重度干扰区内Cl-与Na+的对应度高达96%。说明重度干扰区内人类的耕作、浇灌等措施对土壤盐分和各种离子的含量分布影响显著，使其高低值区分布在空间上趋向一致。这也进一步表明离子与盐分、离子之间的相关性不仅存在于统计学意义上，而且在空间上也十分显著。

表8 不同程度干扰下土壤盐分与离子含量空间分布对应度（%）

3 讨论

土壤盐分是盐渍化地区农业和土壤科学研究中的重点，以往研究多是围绕盐渍化地区的耕地进行，很少涉及到盐渍土其他管理方式下盐分含量的变化。不同管理措施下土壤受扰程度不同，对土壤盐分的影响也有很大差异。例如耕地内多种植一年生禾本科作物，每年都需对土壤进行翻耕，而林地内则为多年生植物，土壤不受翻耕扰动，多受浇灌影响。有研究证实苹果园内比玉米地土表盐分更高［23］。因此不同干扰程度下土壤盐分的累积或散失规律不同，对比研究有利于掌握其盐分信息的差异，有助于盐渍化地区的土壤改良。本文选取同一种类土壤不受干扰、中度干扰和重度干扰下盐分和离子含量为研究对象进行探究。

本研究中中度和重度干扰下土壤盐分及离子含量均高于无人干扰区。这是由于无人干扰区植被生长旺盛，植物种类和数量均较大，地表植被覆盖度较高，对土表有良好的水土保持作用，使土壤盐分及离子含量保持在较低水平。

中度和重度干扰区对比，重度干扰下土壤盐分和离子的含量更高、变异系数更大，各离子含量与盐分总量、Na+与Cl-、Ca2+与Cl-、Na+与SO42-相关系数更大，说明重度干扰下的土壤具有显著的盐渍化增强趋势。这是由于中度干扰区的干扰方式为种植翻耕，重度干扰区内则是人工滴灌，表明该区土壤盐分受水分影响较大。有研究表明土壤受到灌溉淋洗干扰后盐分含量有所降低［24］，而本研究中人工林场内采取滴灌措施，土壤盐分的淀积或析出与大水漫灌方式不同，表现出部分样点淋洗作用强烈，土表含盐量较低，而部分样点未受灌溉影响，土表积盐严重，含盐量较高的情况，从而导致该区土壤盐分含量范围较广，变异性强，空间异质性大。

一般来说，Na+是引起作物盐害的主要盐分离子，含量过多会抑制根系对K+、Mg2+等的吸收，使植物营养不良［25］。本研究土壤中Na+含量较多，在对该区土壤盐渍化改良过程中可针对其进行重点改造。另外，本文中Cl-含量增加比Na+显著，有研究表明除Na+外，Cl-的积累也是植物发生盐害的重要因子，它会抑制植物对HPO42-的吸收使植物营养失调而坏死［26-27］。因此在盐渍土改良工作中要提高这方面的重视。

4 结论

本文以不同程度人类干扰下土壤盐分和离子含量为研究对象，分析了土壤盐分和离子在人类干扰影响下的含量及其相关性变化。具体结论如下：

（1）研究区土壤属弱碱性强盐渍化土。随人类干扰的增强，土壤的碱性逐渐降低，盐分值的空间异质性越强，土壤盐化等级分布也越广，总体上盐渍化程度加剧。3 种人为干扰土壤中Cl-、Na+和SO42-的含量较高。随人为干扰的加剧Cl-和Na+的含量与浓度均逐渐增大，SO42-则是含量先增大再减小、浓度逐渐降低。其中Cl-的含量变化最剧烈，中度和重度人为干扰区的Cl-含量比无人干扰区分别高了67%和234%，Na+分别高了34%和86%。

（2）无论何种程度干扰下，盐分含量与Cl-和Na+含量相关性都极显著，与Mg2+显著，且相关系数都随人为干扰的增强而增大。盐分与Cl-的相关系数变化最大，中度与重度人为干扰区比无人干扰区分别增加了51%和77%。所有离子间相关系数中，Cl-和Na+的相关系数最大，且随着人类干扰的加剧而增大，重度干扰区内达到0.98。NaCl 是人为干扰下影响盐分总量的主要盐类。

（3）离子与盐分含量分布的对应度随着人为干扰的增强而升高，最高的为重度干扰区盐分与Cl-，达到了89%。