半干旱区湖泊湿地土壤养分与盐碱化特征研究——以岱海为例

赵茜宇，于会彬，杨芳，王希欢，冯冬霞，张艺,3，王毛兰，廖海清*

1.鄱阳湖环境与资源利用教育部重点实验室，南昌大学资源与环境学院

2.中国环境科学研究院流域水环境污染综合治理研究中心

3.中国地质大学(北京)水资源与环境学院

内陆湖泊作为重要的淡水储存地，是人类生存发展不可或缺的资源，作为周边生态环境的重要保护屏障，湖滨带对湖区的长期演变有着至关重要的影响。在干旱和半干旱地区，降水量远小于蒸发量，湖泊湿地应对气候变化更为脆弱敏感[1-3]。在自然因素和人为因素影响下，部分湖泊水位退减，裸露面积增加，盐分经过在水平和垂向方向迁移，最终在土壤表层汇集[4-5]。盐碱化土壤会降低其覆盖植被的吸水能力，减少根系周围微生物数量、破坏生态稳定性等[6-7]，致使土壤养分流失，从而降低植被覆盖度，进一步破坏土壤形态，不仅严重影响了农业生产[8]，还会使湖滨带缓冲性能下降，导致持续性的环境恶化[9-10]。因此了解干旱和半干旱区湖泊湿地不同类型土壤各层次的养分及盐碱化分布特征，对开展湖滨带湿地修复、促进湖泊生态系统健康发展具有重要意义。

近年来较多学者开展了土壤养分及盐碱化特征研究，例如窦旭等[11]以改良耕地和荒地作为研究对象，用冗余分析对土壤养分特征与盐分离子的关系进行讨论；刘晓涵等[12]以典型植烟土壤为研究对象，使用常规统计学方法和冗余分析方法，分析土壤盐分离子分布规律及其与养分含量的关系；查向浩等[13]对绿洲-荒漠过渡带土壤盐分、养分特性及空间分布规律进行分析，对肥力综合指数与总盐进行相关性分析；王颖等[14]对环渤海地区盐渍土地资源状况进行调查，并对表层土壤盐分与养分进行相关性分析；景宇鹏等[15]从土壤剖面形态特性、盐分组成分析河套平原不同利用方式对土壤盐碱化特征的影响，并运用主成分分析了解区域盐碱化主要因子，为盐碱土利用模式提供技术参考。土壤电导率（EC）、钠吸附比（SAR）和可交换钠含量（ESP）、pH是目前国际上常用的盐碱化土壤的分类依据[16-19]。目前，有关湖滨带湿地养分与盐碱化特征方面的研究较少，而将二者共同研究可更系统地分析土壤状况，为湖滨带的生态恢复及湿地建设提供理论依据。

岱海位于内蒙古自治区乌兰察布市凉城县，是典型半干旱区内陆湖泊，在人类活动和气候变化双重影响下，岱海面临湖面萎缩、湿地缩减、功能衰退，生态系统失衡等问题[20-21]，目前已有不少关于岱海流域水生态环境及水资源的研究[22-24]。湖滨带土壤状况研究是岱海生态保护和修复的重要基础，笔者以岱海为例，应用统计学、主成分分析以及冗余分析方法，研究湖滨带不同土地类型的盐分与养分的分布特征，结合不同土地类型探讨其互相影响规律，旨在为合理设计半干旱区湖滨湿地土壤改良方案和生态修复技术提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

岱 海 流 域 （112°30 ′E～ 112°52 ′E， 40°30 ′N～40°45′N）面积为 2 312.75 km2。岱海流域总体地形特征为四面环山、中怀滩川。北部为阴山支脉蛮汉山，山脉狭长而陡峭，南部为马头山，山体开阔平缓，内部为内陆凹陷盆地，形成典型的封闭型内陆流域。流域属温带大陆性气候，冬季严寒漫长，夏季炎热短促，日照率高，无霜期短，年温差及日温差较大，降水较少，蒸发旺盛，多风沙天气。资料显示[20]，岱海多年来湖区蒸发量大于降水及其他补给，水量减少，裸露区域增加，盐碱地距离湖区较近，植物较少，大量盐分汇聚在此处，形成盐渍化土壤。

1.2 样品采集

于2021年5月17日对岱海湖泊湿地进行取样，经过实地调查，岱海湖滨带离湖不同距离各区域植被类型、土壤形态差异明显，因此根据离湖距离及其植被覆盖类型分为3种土地类型，分别为浅滩、草地、盐碱地，具体特征见表1和图1。采样过程中尽量避开受外界因素干扰的区域，选取具有代表性的区域，用平板铁锹挖取土壤剖面，用标尺做好记录，由上至下分别采取0～10、10～20、20～30、30～40、40～50 cm土层进行分层取样，每种土地类型按照S形路线选取4个样点，每个样点随机采取3个剖面，相同土层混合均匀后用四分法选出1 kg土样[25]，每种土地类型包含5个土层，4个重复样品，共60个土样。样品经自然风干、去除植物茎根等异物后，用木棒研磨、过筛，以备分析测定用。

表1 岱海湖滨带各采样点位海拔及土地类型Table 1 Elevation and land types of sampling points of Daihai Lakeside

图1 岱海湖滨带土地类型分布示意Fig.1 Schematic diagram of the distribution of land types in Daihai Lakeside

1.3 测定方法

试验分析项目包括土壤钙（Ca2+）、镁（Mg2+）、交换性钾（K+）、交换性钠（Na+）、碳酸根（CO32-）、重碳酸根（HCO3-）、氯离子（Cl-）、硫酸根（SO42-）浓度，土壤pH，土壤有机质（OM）、有效磷（AP）、速效钾（AK）、碱解氮（AN）浓度。测定方法参考《土壤农化分析》，其中，Ca2+和Mg2+浓度采用乙二胺四乙酸（EDTA）滴定法测定，交换性K+、Na+含量采用火焰光度法测定，CO32-与HCO3-浓度采用双指示剂——中和滴定法测定，Cl-浓度采用硝酸银滴定法测定，SO42-浓度采用EDTA间接络合滴定法测定。pH采用电位法测定。 OM浓度采用重铬酸钾容量法测定，AP浓度采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定；AK浓度采用1 mol/L NH4Ac浸提-火焰光度法测定，AN浓度采用碱解-扩散法测定。

1.4 数据处理

采用Canoco 4.5、SPSS statistics软件分析数据，使用OriginPro 9.1软件绘图。

钠吸附比（SAR）用于反应交换性离子组成[26]，计算公式如下：

式中[Na+]、[Ca2+] 、[Mg2+]分别为单位质量土壤中Na+、Ca2+、Mg2+浓度，mmol/kg。

碱化度（ESP）是指代换性钠离子占阳离子代换量的比例[26]，传统算法较为繁琐，采用目前国内外常用的公式计算：

ESP分类标准以5%～10%、10%～15%、15%～20%和超过20%分别作为轻度、中度、重度土碱化土壤和碱土[27]。pH分级标准为强酸性（0～4.5]、酸性（4.5～5.5]、弱酸性（5.5～6.5]、中性（6.5～7.5]、碱性（7.5～8.5]、强碱性（8.5～9.0]、极强碱性（＞9.0）。

研究区土壤养分〔有机质（OM）、碱解氮（AN）、有效磷（AP）、速效钾（AK）〕分级依据全国第二次土壤普查分级标准（表2）[28]。

表2 全国第二次土壤普查养分分级标准[28]Table 2 Nutrient classification standard of the second National soil survey

2 结果与分析

2.1 土壤盐化与碱化特征分析

为了解不同土地类型盐碱化特征，对其全盐量及各碱化特征进行特征分析，结果如表3所示。3种土地类型中，盐碱地的全盐量最高，其表层均值达16.63 g/kg，浅滩为 15.27 g/kg，草地为 1.99 g/kg。这是由于各土地类型离湖距离有所差异，在气候季节性变化过程中，受湖泊水位变化影响，离湖最近的盐碱地积盐最多，且变异程度最大；草地距离湖区最远，湖水的动态变化对其影响较小，同时植被覆盖率较高，对土壤生态系统也具有良好的调节作用[29]，土壤养分破坏程度较弱，盐渍化现象较不明显，各点位变异程度较弱。从垂向分布情况来看，与一般盐渍土具有明显表聚现象不同[14-15]，盐碱地全盐量整体在10～20 cm处最高，达到17.3 g/kg，20～50 cm往下依次减少，这可能是由于取样前，经过降水大量地表的结晶盐溶解后渗透到深层所致，而草地和浅滩全盐量都呈现随深度的增加而减少的趋势。

表3 土壤剖面中pH、全盐、ESP及SAR分布Table 3 Distribution of pH, total salt, ESP and SAR in soil profile

由于Na+的增加会引起土壤颗粒收缩、胶体颗粒的分散和膨胀，致土壤孔隙的减少，影响土壤的渗透性和作物根系的发育生长[30]。因此利用ESP作为可交换钠含量可表现土壤碱化程度。对各土地类型碱化程度分析结果（表3）表明，盐碱土和浅滩均符合碱土标准，盐碱地土壤ESP均超过35%；浅滩中仅0～20 cm土壤ESP均值超过35%，且碱化程度随深度增加而明显降低；草地中0～10 cm土壤有75%属于中度碱化土，25%属于轻度碱化土，而10～20 cm均属于轻度碱化土，其余属于非碱化土。岱海湖滨带土壤pH在3种土地类型中差异性较小，其中浅滩和盐碱地pH均呈现深层高的特征，如30～50 cm pH均高于8.5，属于强碱性土壤，其余均为8.0～8.5，属于碱性土壤。而草地pH表现为浅层高，0～20 cm pH高于8.5，其余均为8.0～8.5，属于碱性土壤。

根据不同土地类型中8种离子的分布情况（图2），各土地类型离子组成差异较为明显。3种土地类型中，草地土壤阳离子中只有Ca2+随土壤深度增加而增加，其他离子浓度均随土壤深度增加而减少，盐碱地和浅滩各阳离子的分布与全盐量基本一致，浅滩的各离子浓度呈现由上至下不断减少的趋势，盐碱地各离子浓度在10～20 cm处最高。Na+浓度在阳离子中均占比最高，在盐碱地、浅滩、草地中占比分别为92.3%、93.7%、61.2%。阴离子分布在不同土地类型中差异较为明显，岱海作为典型NaCl水体，由于浅滩和盐碱地靠近湖水，Cl-占总阴离子浓度分别达62.1%和63.4%；而草地中所含阴离子中Cl-仅占 15.6%，HCO3-占比最高，达 76.8%，且在 10～20 cm处分布最多。已有研究[31]显示，土壤中植物根部和根际微生物可利用根系分泌物呼吸产生CO2，且微生物可利用土壤有机碳呼吸产生CO2，草地土壤HCO3-的高占比可能与此有关。总体来看ESP高的土壤HCO3-占比低，这与马文超等[32]的研究结果相一致。另外，在测试中大多数土壤的CO32-浓度低于检出限，这是由于CO32-在pH大于8.5时才可用滴定法检出[33]，在本研究中同样符合这一规律。

图2 不同土地类型土壤剖面盐分特征Fig.2 Salinity characteristics of soil profiles of different landtypes

2.2 土壤各盐碱特征主成分分析

由于盐碱化指标数量较多，以各盐分离子、全盐量，以及pH和ESP作为变量进行主成分降维分析，载荷矩阵及得分系数矩阵如表4所示。根据结果显示3个主成分特征值分别为7.226、1.765、1.077，均大于1，方差贡献率分别为65.69%、16.05%、9.794%，累计贡献率达91.53%，即3个主成分能较为全面地解释大部分土壤盐碱化特征指标。

表4 主成分因子的载荷矩阵和得分系数矩阵Table 4 Factor load matrix and component score coefficient matrix of salt and alkali index

根据特征值来看，第一主成分包含的信息最多，对土壤质量影响最大。根据主成分荷载，与第一主成分关系密切的是 Cl-、Mg2+、SO42-、Na+、全盐量，得分分别为 0.136、0.128、0.127、0.136、0.137，故可以通过第一主成分综合表现土壤盐化程度；第二主成分中载荷较高的有HCO3-、pH，综合表现了土壤碱化程度；与第三主成分相紧密关联的仅有CO32-，CO32-作为土壤碱化特征离子，可作为第二主成分的补充因子说明土壤碱化情况。综合来看Cl-、Mg2+、SO42-、Na+、全盐量、HCO3-、pH、CO32-为主要研究区盐碱化状况特征因子。

2.3 土壤养分特征分析

湖滨带土壤养分结果显示（图3），岱海湖滨带土壤AN、OM普遍缺乏，AP、AK含量丰富，其中浅滩区表层各类养分值均为最高，OM浓度均值达到2.6%，AN浓度均值为83.42 mg/kg，AP浓度均值为185.9 mg/kg，AK浓度均值为360.0 mg/kg，分级分别达中等、较缺、丰富、丰富，变异系数分别为25.3%、11.4%、16.6%、13.2%，均为中等变异(变异系数≤10%为弱变异性，10%＜变异系数＜100%为中等变异性，变异系数≥100%为强变异性)。草地和盐碱地表层土壤养分分级较为一致，OM、AN、AK、AP分级分别为缺、缺、丰富、丰富。值得注意的是，浅滩与草地表层的AP浓度超过丰富标准的4倍，根据相关研究显示，磷在土壤中扩散系数很小，较难移动，对于吸附性强的黏质土壤，植被吸收范围仅有1 mm，大量在湖滨带滞留的AP只有极少数能被植被吸收[34]，利用率低导致AP极为丰富。

图3 不同土地类型OM、AN、AP、AK浓度随深度变化Fig.3 Variation of OM, AN, AP, and AK concentrations with depth of different land types

从垂向分布来看，各剖面中养分浓度从上往下呈现逐渐递减的趋势。其中AN与OM分布规律基本一致，这是因为土壤AN是由有机态氮经过土壤微生物矿化作用形成的无机态氮与部分结构简单易被植被直接利用的有机态氮组成的。随着土壤深度的增加，微生物数量迅速下降，土壤透气性降低，可供降解的有机物质也在不断减少，AN浓度也不断减少[35-36]，此外，植物根系分泌物会通过驱动土壤微生物提高活性对土壤养分含量产生影响[30]，从而使AN与OM分布呈现一致性。在3种土地类型中，养分变异程度随深度增加均有降低的趋势，考虑是由于土壤表层更易受外界干扰的原因。

总体来看，湖滨带土壤4种养分中，AP浓度丰富，为避免造成营养成分单一、土壤贫瘠的状况，在后续治理中建议可减少施用含磷肥料；浅滩中含有大量的AK，钾作为提高植被抗逆性能力的重要物质，对植被抗旱、抗寒、抗倒伏、抗病虫害侵袭有着重要贡献[12]，有助于各耐盐植被适应多样环境条件长；在各土地类型中OM与AN总体缺乏，可通过种植更多耐盐植被、施加有机肥等其他治理措施，增加土壤渗透性的方法进行改善[37]，从而更加合理地解决生态环境污染的问题。根据研究区土壤养分分析结果，使用有机肥代替化肥将增加OM与AN浓度，有利于改善区域土壤贫瘠，营养成分单一的现象，增加土壤养分利用效率。

2.4 土壤盐分与养分关系分析

为了解土壤盐分离子与土壤养分、pH之间的关系，利用CANOCO 5.0软件对试验区各指标数据进行降趋对应分析（DCA），在3种土地类型中4个轴中梯度长度最大值分别为0.13、0.14、0.23，均小于3，因此选择冗余分析（RDA）。将土壤中的Cl-、HCO3-、CO32-、SO42-、Ca2+、Mg2+、K+、Na+、全盐量作为环境因子，以土壤pH、AP、AK、OM作为研究对象，绘制线性排序图进行分析，结果如图4所示。由图4可知，在3种土地类型中，环境中盐分浓度对养分影响较大，且各离子间具有很强的正相关性。在盐渍化较强的盐碱地和浅滩区域，HCO3-与其他多数盐离子呈负相关，这与王颖等[14]对环渤海盐渍土离子相关性分析结果相一致。另外，pH与HCO3-在盐碱地和浅滩中具有明显正相关，这与刘晓涵等[12-13]的研究相一致，这是由于HCO3-通过与水解得到的H+结合，从而使pH增加。对环境因子与养分关系进行分析，AP和Mg2+与pH在3种土地类型土壤中都具有负相关性，这是由于pH的增加会更易使Mg2+与 PO43-形成的 Mg3（PO4）2沉淀，致使 AP 的降低[38]。OM、AN及AK在3种土地类型中均呈正相关。在盐碱地与浅滩中，三者与除HCO3-、CO32-、K+外其他离子呈正相关，在草地区域则呈现负相关。考虑由于浅滩与盐碱地靠近水域，湖水滞留在岸边的盐分与养分浓度具有一致性，因此浅滩和盐碱地中OM、AN及AK与多数盐离子呈正相关。

图4 土壤盐分与养分的RDA二维排序Fig.4 RDA two-dimensional ordination map of soil salinity and nutrients

3 讨论

在岱海湖滨带3种土地类型中，盐碱地和浅滩由于靠近湖泊，季节性淹水导致营养物质的沉积和滞留，这2种土地类型的营养物有效来源增加，其养分含量比草地高。冯育青等[34]分析太湖湖滨带距离水体不同远近土壤的有效氮浓度，得到结果为近水区＞中水区＞远水区，与本文研究结果相吻合。较为不同的是本研究区中虽然盐碱地距离湖区最近，但随着湖泊盐度不断上升，水位退去后留在土壤中的盐分极高，除了表层高盐外，盐碱地中在大部分耐盐植物根系能够生根的土壤深层盐度也很高。与浅滩相比，盐碱地土壤黏性更强，且缺乏植被覆盖，这使其土壤缺少有利于OM分解和矿化的有机物堆积，表现为透气性差，微生物作用弱，难以蓄积更多营养物[39]。因此3种土地类型中，浅滩中养分最丰富。另外，顾梦鹤等[40]对民勤湖清土湖区土壤研究发现，盐生植物随着生长时间的增加对土壤盐渍化有显著影响。浅滩中具有大量的盐生植被，其优势种碱蓬含有较高灰分，可在含盐量小于2.5%的盐碱地上正常生长，相关研究显示种植碱蓬后土壤化学性质均得到一定程度的改善[41]，可考虑将碱蓬作为岱海湖滨带近湖区修复植被。

本研究使用冗余分析、主成分分析对盐分与养分特征一同研究，结果表明 Mg2+、Cl-、Na+、SO42-、全盐量为表征区域盐渍化的主要因子，pH、CO32-、HCO3-为研究区碱化特征的主要因子。其中盐碱土最靠近湖泊，海拔低，地下水位埋深较浅，在蒸发量超过降水量的整体气候环境下，岱海湖水面积不断缩减，将大量盐分留在土壤中，使其碱化程度加重。已有的关于湿地盐碱土的研究中，麦麦提吐尔逊等[42]则采用相关分析法与主成分分析法研究了伊犁河流域土壤盐分特征，结果表明土壤盐分垂直分布呈现强烈表聚性，Cl-、SO42-、Mg2+、Ca2+为该区域盐渍化特征因子；张飞等[43]利用遥感、土壤光谱及土壤盐分数据相结合的方法进行土壤盐渍化监测，得到盐渍土主要分布于绿洲和沙漠之间的交错带，主成分分析结果的一二轴分别反映了土壤盐渍化的综合状况和土壤的碱性强度；刘骏等[44]以乌梁素海4种盐生植被周围群落的盐化潮土为研究对象，结果表明，该区域土壤盐分主要以氯化物和硫酸盐为主，碳酸盐以碳酸钙形式存在，ESP与SAR、全盐量呈正相关。可见，不同区域湿地土壤特征均具有差异性，且土壤盐渍化多呈表聚现象，ESP与全盐量具有正相关性。在未来，更长时间跨度、更系统性的分析仍是湿地盐碱化土壤重要的研究方向。

4 结论

（1）岱海湖滨带草地和浅滩的土壤盐分均呈表聚现象，盐碱地中盐分集中在10～20 cm。盐碱地与浅滩的Cl-与Na+在阴阳离子中占比最高，且这2种土地类型均属于碱土，pH则随深度增加而增加；草地HCO3-与Na+在阴阳离子中占比均最高，表层多数为中度碱化土，10～20 cm均为轻度碱化土，其余属于非碱化土，pH随深度增加而递减。在各盐碱化特征指标中，Mg2+、Cl-、Na+、SO42-、全盐量为表征区域盐渍化的主要因子，pH、CO32-、HCO3-为研究区碱化特征的主要因子。

（2）岱海湖滨带土壤中AN与OM普遍缺乏，AP与AK极为丰富，且基本呈随深度增加而减少的趋势。浅滩所处位置既具季节性淹水营养物的补给，又有大量耐盐植被覆盖，4种养分浓度最高。

（3）岱海湖滨带土壤大部分离子间都具有很强的相关性，其中盐碱地和浅滩土壤中HCO3-与其他七大离子呈负相关，与pH呈正相关，与AN、AP、AK、OM呈负相关。而在盐碱地与浅滩中，OM、AN及AK 与除 HCO3-、CO32-、K+外其他离子，均呈正相关性，而在草地呈现负相关性。