博斯腾湖西岸湖滨绿洲土壤盐分特征

2020-07-20牛芳鹏李新国靳万贵麦麦提吐尔逊艾则孜

中国土壤与肥料 2020年3期

牛芳鹏，李新国，靳万贵，麦麦提吐尔逊·艾则孜

（新疆师范大学地理科学与旅游学院，新疆干旱区湖泊环境与资源实验室，新疆乌鲁木齐 830054）

土壤盐分特征研究是土壤开发利用和土壤盐渍化防治的基础，土壤盐分含量是衡量土壤盐渍化程度和状态的重要指标［1-2］。土壤盐分离子比例分布规律及其运移过程随地形、母质、水文地质及生物等因素的不同影响而存在较大差异［3-5］。西北地区干旱少雨，蒸散强烈，土壤中易溶性盐分积累在土壤表层，形成大面积盐渍化区域，加剧了土壤荒漠化的进程，影响着绿洲农业发展与生态环境的稳定性［6-8］。在土壤盐渍化现象日益突出的情况下，对土壤盐分特征的研究尤为重要。Zhang等［9］探讨了覆膜滴灌作用下土壤盐分沿水平方向和垂直方向的分布规律，分析表明MDI对土壤表层盐分分布的影响随着离地表向下距离的增加而减小。Gao等［10］对河套灌区上、中、下游农田土壤盐分和地下水深度变化进行了研究，发现灌区土壤盐分含量波动较大，而未开垦地土壤盐分则表现为地表累积现象。贡璐等［11］结合经典统计分析和通径分析方法，定量分析了于田绿洲不同土壤类型的盐分含量特征及其影响因子，研究显示绿洲内部的撂荒地与外围的未利用地全盐含量最高，影响绿洲土壤表层全盐含量的主要因素是地下水埋深。董环等［12］利用灰色关联分析法对设施农业区土壤盐分指标进行分析，探讨了土壤全盐量和各盐分指标间的灰度关系及影响全盐量的主次因素，分析了土壤盐分的发展过程与相互关系。刘迁迁等［13］对察南灌区土壤盐分特征进行分析，并运用主成分分析法对土壤盐分离子的区域影响因子进行了探讨。董正武等［14］研究了塔克拉玛沙漠不同区域柳沙包的土壤盐分分布特征及其影响因素，主成分分析可知，土壤盐分含量变化与柽柳的生物积盐效应、沙漠地区强烈的蒸发作用、地下水埋深及地表风蚀强度等因素紧密相关。

以博斯腾湖西岸湖滨绿洲为研究区，在野外土壤调查采样和室内试验的基础上，运用Pearson相关性分析与主成分分析，探究研究区土壤盐分特征以及与主要土壤盐分离子之间的关系，为区域土壤盐渍化防治、耕地改良、农业生产及土地资源可持续利用提供重要的理论和实践依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

博斯腾湖西岸湖滨绿洲位于新疆焉耆盆地东南面博湖县境内，介于东经 86°15′～ 86°55′，北纬 41°45′～ 42°10′，是典型的人工绿洲和自然绿洲混合的山前湖泊绿洲，地形北高南低，高程在1 048～1 200 m；属于南北疆过渡的典型大陆性荒漠气候，表现为干旱少雨，蒸发强烈，气温年差较大，日照时间长，光热资源丰富；年平均气温8.2～11.5℃，7月平均气温22.9～26.0℃，1月平均气温-7.8～-12.3℃，无霜期175.8～211.3 d，年蒸发量1 880.0～2 785.8 mm，年降水量47.7～68.1 mm，其蒸降比高达40∶1［15］；研究区土地利用类型主要为耕地、林地、草地与未利用地，土壤类型主要有绿洲潮土、沼泽土、棕钙土、棕漠土、盐土、龟裂土、荒漠林土等，土壤盐渍化较为普遍［16］。

图1 研究区地理位置示意图

1.2 土壤样品采集

采用GPS定位技术，结合博湖县土壤类型图、遥感影像解译图和地形图，同时考虑研究区的土壤质地、土地利用现状、植被类型和微地形等因素，按照“S”型线路进行设点取样，布点时尽可能遍及研究区范围内的主要土地利用类型。采样时间为2017年8月15日至8月19日，分别对每一样区土壤表层（0～30 cm）分两层（0～10、10～30 cm）随机均匀取样，去除杂物后采用四分法选取200 g土装袋，采集样点50个，共计样品100份；并实地记录每一样点经纬度坐标与高程数据、植被、地形与地貌类型。

1.3 样品处理与分析

将采集的土壤样品带回实验室内，经过自然风干后物理研磨，通过1 mm孔径网筛后装入新的采样袋，贴好标签以备用；称取50 g土样加入250 mL蒸馏水混合振荡，过滤后浸提液按常规实验方法进行主要土壤盐分离子的测定［17］。土壤全盐量采用电导仪法；SO42-用比浊法；Ca2+与Mg2+用EDTA滴定法；HCO3-用标准H2SO4双指示剂—中和滴定法；Cl-使用AgNO3滴定法；Na++K+使用火焰光度法。

1.4 数据处理与分析

试验数据采用WPS 2016进行初步处理，采用SPSS 22.0统计软件进行相关性分析、正态性检验与主成分分析等数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 土壤盐分统计特征

2.1.1 土壤全盐量特征

由表1可知，研究区0～10 cm土层土壤全盐量变化范围在0.25～32.09 g·kg-1，平均值为4.92 g·kg-1，10～30 cm土层土壤全盐量变化范围在0.54～31.42 g·kg-1，平均值为5.75 g·kg-1，两层土壤含盐量平均值均大于其众数与中位数，表现为重盐土类型（含盐量大于4.00 g·kg-1），土壤盐分表聚强烈。0～10 cm 土层土壤全盐量通过对数转化后，利用K-S（P＜0.05）正态分布检验，符合对数正态分布，10～30 cm 土层土壤全盐量符合正态分布，两层土壤全盐量偏度系数、峰度系数均大于0，均呈右偏尖峰态。变异系数（CV）反映土壤特性的空间分布离散程度，当CV≤10%时属于弱变异性，10%＜CV≤100%为中等变异性；CV＞100%则呈强变异性［18］。研究区0～ 10与10～30 cm土层土壤全盐量变异系数分别为137.58%与143.45%，均表现为强变异性。

表1 主要土壤盐分离子统计特征参数

2.1.2 土壤盐分离子特征

从表1可知，不同土层各主要盐分离子中位数基本小于平均值，且偏度系数与峰度系数均大于0，这表明主要土壤盐分离子的分布属于右偏态，具有比正态分布曲线更陡峭的锋态，数据分布的峰值越高，数据的正态分布越差。通过K-S法检验可知，0～10 cm土层中主要盐分离子只有HCO3-服从正态分布，其它主要盐分离子符合对数正态分布，10～30 cm土层中Cl-、、Ca2+与Mg2+服从对数正态分布，与Na++K+服从正态分布。从图2可知，土壤表层（0～30 cm）土壤盐分的阳离子主要以Na++K+为主，在0～10与10～30 cm土层中分别占总阳离子含量的95.38%、97.54%，Ca2+与Ma2+普遍缺乏；土壤表层（0～30 cm）土壤盐分的阴离子以SO42-、Cl-为主，在0～10 cm土层中其含量分别占总阴离子含量的70.54%和21.18%，H含量最小，只占8.27%，在10～30 cm土层中与Cl-含量分别占总阴离子含量的75.16%和15.35%，含量占9.49%。

按照盐分组成划分盐渍土类型，0～10 cm土层土壤类型18.37%属硫酸盐型，61.22%属氯化物-硫酸盐类型，8.16%属硫酸盐-氯化物型，12.24%属氯化物型；10～30 cm土层土壤类型28.57%属硫酸盐型，63.27%属氯化物-硫酸盐类型，4.08%属硫酸盐-氯化物型，4.08%属氯化物型。从两个不同土层土壤盐分离子的空间变异性可知，Cl-、、Ca2+和Na++K+均呈强变异性，变异系数均大于100.00%，表明氯化物、硫酸盐、钙盐以及钾钠盐在区域土壤盐分积聚过程中分布极不稳定，与土壤全盐量的空间变异程度具有一致性；HCO3-在0～10与10～30 cm土层中变异系数分别为91.79%和93.22%，表明重碳酸盐在表层土壤中含量变化相对稳定，呈中等变异性；Mg2+在0～10 cm土层中变异系数为132.85%，在10～30 cm土层中变异系数为93.30%，说明镁盐在不同土层中分布相对不均匀，变异性较强。

图2 土壤各主要盐分离子含量百分比与变异系数

2.2 土壤盐分离子相关性分析

土壤主要盐分离子间的相关性分析可以反映出盐分在土体中的存在状态以及与各主要盐分离子间的相关性，并能在一定程度上揭示土壤盐分的运动趋势和形成原因［19］。由表2可知，土壤表层（0～30 cm）土壤全盐量与主要盐分离子均存在极显著正相关（P＜0.01），且主要盐分离子间存在不同的正相关性，其中土壤全盐量与H、显著性极强，相关系数分别为0.90、0.93、0.99，均大于0.90，说明全盐量的变化主要受控于HCO3-、Na++K+含量；HCO3-与、Na++K+的相关系数均为0.89，存在极显著正相关（P＜0.01）；Cl-与其它主要盐分离子呈极显著正相关性（P＜0.01），同Ca2+相关性最强，相关系数为0.46，与相关性最弱，相关系数为0.37；Ca2+与Mg2+、之间相关性最强，相关系数均大于0.71，存在极显著正相关（P＜0.01）。

表2 主要土壤盐分离子相关分析矩阵（n=100）

2.3 不同土地利用类型对土壤盐分的影响

选取研究区的草地、耕地、林地和未利用地4种主要土地利用类型，分析土地利用对土壤盐分含量变化的影响。由图3可知，在4种不同土地利用方式下表层（0～30 cm）土壤全盐量分布规律为未利用地（11.82 g·kg-1）＞林地（5.98 g·kg-1）＞草地（4.89 g·kg-1）＞耕地（2.50 g·kg-1），且未利用地和草地的表层含盐量均值远高于其它土地利用类型。4种土地利用类型上土壤盐分含量变异系数呈耕地＞草地＞林地＞未利用地，耕地、草地和林地全盐量呈强变异性，变异系数分别为176.31%、123.71%和121.39%，未利用地土壤盐分含量呈中等变异性，变异系数为87.97%。4种土地利用类型中，Na++K+与的含量均大于其它主要土壤盐分离子，在耕地土壤中，Na++K+与SO42-变异性最强，变异系数分别为228.37%、133.69%，未利用地中Na++K+与变异性弱于耕地，但未利用地中这两种离子含量明显高于其它3种土地利用类型，平均含量分别达8.14、2.65 g·kg-1。

2.4 土壤盐分离子主成分分析

将主要土壤盐分离子 Mg2+、Na++K+、Ca2+、Cl-、HCO3-和SO42-作为统计指标，通过KMO与Bartlett球型检验得到 KMO=0.64＞0.50，Bartlett球型检验P＜0.05，且F=281.97，F值显著，可以进行因子分析。以方差累积贡献率大于85.00%作为依据来确定因子个数，并计算主成分与各主要盐分离子的相关系数，结合研究区西北地区干旱成因及特点，最终确定本研究区域中最主要的影响因子，能够对区域土壤盐化防治和土壤改良提供理论依据［20］。

图3 不同土地利用类型土壤盐分及其离子组成

2.4.1 特征值及贡献率

由表3可知，第一、第二、第三主成分方差累计贡献率达到93.27%，信息损失量6.73%，表明前3个主成分对大多数指标已进行了概括。第一主成分的特征值为3.82，代表引入第一主成分后可以反映平均至少3个指标的信息；第二主成分特征值为1.11，可以反映平均至少1个指标的信息。第一主成分解释了63.70%的方差，远大于第二、第三主成分方差贡献率，说明第一主成分包含的信息最多、最丰富，对土壤盐分含量的影响最大。

表3 主要土壤盐分离子主成分特征值及贡献率

2.4.2 主成分因子载荷

载荷值反映了各要素在相应的主成分中的相对重要性。在第一主成分中，主成分与所有要素均呈正相关，Na++K+、与的得分最大，载荷值分别为0.85、0.88、0.94，Cl-、Ca2+与Mg2+次之，说明第一主成分与Na++K+、HCO3-、SO42-的相关性较高。从图4可知，研究区土壤主要盐分离子存在明显的聚类现象，Na++K+、HCO3-、SO42-聚成一簇，三者均位于第一主成分正端，根据盐分离子之间的离散程度，进一步验证可将其作为反映研究区土壤盐分状况的特征因子。在第二主成分中Cl-、Ca2+与Mg2+因子载荷值较大且呈正相关，相关系数分别为0.38、0.40、0.63，均位于第二主成分正端并聚为一簇，说明该主成分代表研究区土壤碱性特征；Cl-位于第三主成分正端，且表现出较高的相关性，因子载荷量为0.71，说明第三主成分是土壤氯化物含量的表现。

图4 主要土壤盐分离子二维因子图

2.4.3 主成分综合得分

建立主成分表达式，有利于更清楚的表达各公因子与主成分之间的线性关系。通过计算因子得分系数，提取出3个主成分表达式，主要土壤盐分离子系数的大小反映了该离子在各主成分中的贡献程度。

在描述研究区土壤盐分特征时，设表达式F1、F2与F3为综合新变量，以每个主成分的特征值占总特征值之和的份额为权重系数，进一步可得出研究区盐分离子指标综合得分模型Y，计算评价对象的综合得分，对研究区土壤盐分空间分布特征进行综合分析与评价。

式中F1、F2与F3分别代表第一、第二、第三主成分量，x1、x2、x3、x4、x5、x6表示标准化后的、Cl-、、Ca2+、Mg2+、Na++K+。在综合得分模型中Cl-、Ca2+与Mg2+的系数权重大于平均值0.15，故在得分起关键作用。根据该模型计算出每个样本点的综合分值，可对区域内土壤盐分特征进行综合评价。研究区综合分值范围在0.06～2.34，平均值为0.58，变异系数为122.00%，整体呈强变异性。

3 讨论

博斯腾湖西岸湖滨绿洲土壤盐分变化已有大量研究，涉及到土壤盐分动态变化［21］、土壤盐渍化影响因子［22］、土壤盐分与不同植被生长的关系［15］、不同季节土壤盐分特征［16］等方面。本文主要探讨土壤表层（0～30 cm）盐分特征，研究结果表明土壤表层的土壤全盐量呈强变异性；土壤盐分阴离子以与Cl-为主，在0～10 cm土层中分别占总阴离子含量的70.54%和21.18%，在10～30 cm土层中分别占总阴离子含量的75.16%和15.35%，这与王战等［23］、吕真真等［24］对区域盐渍化土壤相关研究的结果基本一致；研究区土壤盐分的阳离子主要以Na++K+为主，在0～10与10～30 cm土层中分别占总阳离子含量的95.38%、97.54%，这与王巧焕等［20］对干旱区绿洲土壤盐分特征的研究结果基本一致；在不同土地利用类型下，研究区表层土壤盐分含量从高到低依次为未利用地、林地、草地、耕地，4种土地利用类型中Na++K+、SO42-与Cl-的含量均大于其它主要土壤盐分离子，研究区耕地土壤全盐量相对较低，这是由于在灌溉时耕层土壤会发生脱盐现象，土壤盐分随水分下渗或流向未利用地，导致未利用地盐分含量增加；土壤盐分类型主要为硫酸盐型和氯化物型，且已受到Na++K+的严重影响。Wang等［25］通过了解农业用地扩张过程及其对土壤性质的影响，表明过度开发利用土地资源对土壤盐化有较大而持久的影响，这是干旱区类似生态区土地综合管理的经验教训。针对研究区土壤表层盐分状况，不仅要注重降低主要土壤盐分SO2-的含量，也要加强Na++K+、HCO3-和Cl-等土壤盐分离子含量的控制。