荒漠土壤水、盐、有机质空间分布及相互关系

陈 悦，吕光辉，曹 靖，龚雪伟，侯凤兰，公延明

(1.新疆大学资源与环境科学学院，新疆乌鲁木齐 830046； 2.绿洲生态教育部重点实验室，新疆乌鲁木齐 830046；3.新疆大学干旱生态环境研究所，新疆乌鲁木齐 830046)

土壤是时间和空间上的连续体，是人类赖以生存和发展的物质基础与宝贵资源，也是生态系统的重要组成部分。在全球变化的背景下，西北干旱区由于降水稀少和蒸发强烈所致的土壤荒漠化(沙化、盐渍化和生产力下降)问题日益严峻，尤以盐渍化问题最为突出。盐渍化不仅导致植物多样性降低，威胁生态环境健康，还制约着区域农牧业和经济发展。

影响盐渍土形成的主要单项因子有水、盐、植被和遗留的有机质[1]，国内外学者也已对土壤水、盐及有机质(soil organic matter，简称SOM)多有研究。关于土壤水、盐的研究主要集中在利用不同方法分析其空间分布及运移状况[2]，不同植被、土质或利用类型与土壤水、盐之间的关系[3]，气象因子及气候变化对土壤水、盐的影响[4]以及水、盐之间本身存在的耦合关系研究[5]等。也有学者发现，SOM对自然及风干状态下的土壤含水量、土壤水分特征曲线均有显著影响，有利于土壤水分的保持[6]；王若水等通过水分调控来观察盐碱地土壤中盐分与养分含量的关系，发现通过调控水分能够将盐分淋洗出植物根系层，有利于提高SOM等养分的积累[7]；更有学者通过SOM自身性质来对盐碱土进行改良[8]。然而，鲜有学者对干旱区土壤水、盐及SOM三者之间空间含量、运移及相互关系进行研究，而了解三者在干旱环境中的存在机理和作用关系对改善土壤质量状况具有重要意义。

艾比湖流域位于欧亚大陆、新疆天山北坡，是西北干旱区重要的防沙、滞尘和湿地自然保护功能区。由于气候变化和人类活动等因素的影响，该区域目前土地盐渍化严重，生态环境脆弱，成为了干旱区典型的生态环境退化区。对该区域土壤水、盐、SOM含量和空间分布以及三者之间关系的研究，有助于了解干旱区土壤盐渍化发生过程，并为土壤盐渍化改良和生态修复工作提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于新疆精河县西北、准噶尔盆地西南(44°30′～45°09′N、82°36′～83°50′E)艾比湖湿地国家级自然保护区，主要补给河流为博尔塔拉河、精河和奎屯河。在远离海洋和三面高山环列的综合影响下，平原区为典型大陆性干旱气候，年均气温5 ℃，年均降水量105.17 mm，年均蒸发量 1 315 mm。特殊的地理位置、地形地貌及气候特征，使流域内形成盐化林灌草甸土、典型盐土、草甸盐土和漠土等土壤类型，植被也依次形成旱生、超旱生、沙生、盐生、水生等多种类型。

1.2 研究方法

依据代表性和均匀性原则，在保护区境内沿阿其克苏河下游方向和垂直河岸方向设置1个2 km×3 km的大样地，平均分成400 m×500 m的取样样方共30个，在每个样方中心取样，并进行GPS定位(图1)。取样时用土钻采集土壤样品，取样深度为0～15 cm(表层)、15～30 cm(中层)和30～50 cm(底层)，每层取3个样品，混合后用四分法取约500 g土样，部分装入铝盒用来测定含水量，另一部分装入密封袋带回实验室，经自然风干、研磨、过筛，以用来测定土壤盐分与SOM含量，具体操作步骤参照《土壤农化分析》[9]。

1.3 数据处理

利用经典统计学方法分析研究区土壤水、盐及有机质的含量特征，并运用统计学方法分析其空间上所符合的变异函数及分布特征。

采用SPSS 17.0和Excel 2010软件进行数据统计分析，利用GS+7.0软件进行土壤水、盐、SOM含量空间插值处理，并用Surfer 11.0软件绘制空间分布等值线图。

2 结果与分析

2.1 土壤水、盐及有机质含量的统计学特征

由表1可知，随土层深度增加，土壤平均含水量递增，平均盐分与SOM含量递减；各因子极差、标准差、变异系数(CV)均在土壤表层最大，后随深度增加而减小。从均值看，各层土壤平均含水量在8.54%～10.40%，普遍较低；各层土壤平均盐含量在4.30～5.64 g/kg，总体属于重盐土[10]；SOM含量介于0.62～19.29 g/kg之间，处于较低水平[11]。0～30 cm 土壤水含量属强变异、底层为中等变异；表层土壤盐分为强变异、15～50 cm为中等变异；0～50 cm土层SOM的CV值在0.47～0.63，属强变异，在垂直方向具有很强的变异程度。

表1 各层土壤水、盐及有机质含量统计特征值

注：N为正态分布。

2.2 土壤水、盐及有机质的空间变异函数

将符合正态分布的数据导入GS+7.0软件进行变异函数的计算，并根据最优决定系数选择出理论模型。除表层SOM符合线性模型外，其余因子在各条件下的半方差理论模型均符合高斯模型(表2)。

表2 土壤水、盐及有机质的理论模型和相应参数

表2中0～50 cm土壤水分的C0为0，C0+C略大于C0，表示土壤水分的变异受结构性因素(土壤、母质、地形、气候等)影响更多[12]；土壤盐分与SOM的C0和C0+C均较大，但C0+C明显大于C0，表明该区域土壤盐分与SOM的变异同时受采样误差、短距离变异等随机因素和结构性因素的影响，其结构性因素影响更大；土壤水、盐及SOM在0～50 cm土层中的C0/(C0+C) 均接近0，表明它们都具有较强的空间自相关性。

各土壤因子变程在0.91～1.94 km(表2)，取样点平均间距(0.50 km)位于编程区间，土壤因子具有空间自相关性，因此进行空间内插有效。研究区各层土壤水分变程在1.77～1.78 km，差异小，说明0～50 cm土壤水分的空间自相关变化尺度基本一致；土壤盐分变程在1.64～1.94 km，差异较小，且随土壤深度增加而逐渐减小；SOM变程在0.91～1.75 km，差异较大，表层土壤有机质变程最小。

2.3 土壤水、盐及有机质的空间分布特征

由图2可知，0～50 cm土壤水分含量整体表现为南高北低；色度来看，总体表现随土壤深度增加其水分含量越高并且分布越均匀的趋势；表层土壤中水分含量极差最大，达到 0.21%，其余2层相对较小，分别为0.16%和0.14%，随深度增加而逐渐减小；从等值线密集程度来看，底层土壤较前2层插值线密集程度大，表层次之，说明土壤水分含量在空间上的变异程度大致为底层>表层>中层。

土壤盐分较水分高值区域向北迁移，并且每层均有2个高值区域，一部分集中在44.64° N，另一部分集中在研究区最南端，低值区域在研究区最北端；色度分布来看，随土层深度增加其含量分布越均匀；同样地，表层土壤中盐分含量极差最大(9.0 g/kg)，后2层分别为4.2、3.6 g/kg，随土壤深度增加而递减；从等值线密集程度来看，土壤表层大于后2层，表明随土层深度增加土壤盐分变异程度减弱。

3个土层SOM含量等值线图中呈现的高值区域明显集中在研究区南端，同样地，其空间分异规律为南高北低；各层SOM分布状况除含量差异外，其空间分布状况基本相似；表层土壤中SOM分布极差最大，达到18 g/kg，后2层分别为 8.0、4.2 g/kg，随土层深度增加而减小；等值线密集程度与土壤水分含量相似，其变异程度为底层>表层>中层。

2.4 土壤水、盐及SOM的关系

0～50 cm土壤中水盐拟合最优曲线均为幂函数；拟合决定系数(R2)随土层深度增加而增大，最大值在底层(R2=0.600)；各层土壤水盐均表现出极显著正相关关系(P<0.01)，且表层土壤水盐相关系数最大(r=0.613)(图3)。

土壤水分与SOM含量在不同深度土壤中的拟合关系均符合线性函数；R2同样随土层深度增加而增大，最大值在底层(R2=0.659)；各层土壤水分与SOM含量相关关系均表现为极显著正相关(P<0.01)，且随土壤深度加深而增大，在 30～50 cm土层中相关性最好(r=0.812，P<0.01)。

盐分与SOM含量的拟合关系均符合幂函数；R2表现为底 层> 表层>中层，底层拟合程度最好(R2=0.338)；各层土壤中盐分与SOM含量的相关性分别为表层极显著相关(r=0.500，P<0.01)，中层不相关(r=0.356，P>0.05)，底层显著相关(r=0.392，P<0.05)。

3 讨论与结论

对艾比湖湿地自然保护区典型荒漠退化土壤的水、盐、有机质含量分布特征及相互关系研究发现，三者在空间变异和分布上具有一定相似性，土壤中水、盐相关性较大。

研究区南部土壤水、盐、有机质含量均较高，这是因为采样区南部毗邻河流(阿其克苏河)，对土壤中水分进行补给，同时溶解大量盐分，而在土壤含水量较丰富的区域植被发育良好，多为黏壤土，因此富含有机质。3个土壤因子均在表层土壤中表现出较大的变异性，这与地理要素、地面植被种类和生长状况等因素有关。徐莉等对艾比湖湿地不同植物群落下土壤水、盐空间变异性的研究发现碱蓬群落、盐节木群落和梭梭群落土壤含盐量呈中等变异，而芦苇群落土壤水、盐呈现较强的差异性，并且受气候、距水域距离及土壤类型等因素作用，不同植物群落中土壤水盐均具有较强的空间自相关性[13]；王合玲等研究表明，植被稀少时SOM含量较低，并且不同植被群落类型对SOM总体分布水平影响显著[14]；并且地形通过影响地表物质、能量再分配及其所处环境条件影响土壤形成过程，以不同成土母质影响SOM的形成与积累[15]，均能够解释本研究结果。

相关研究表明，土壤水分作为盐分的主要载体，在土壤中具有明显的“盐随水来，盐随水去”特征，但当土壤中水分含量达到能够发生地表径流时，盐分则会随水分运移至势能较低区域，经过降水亦能够将盐分运移至地下土层中；对于盐土来说，土壤表层盐壳形成后同样能够反过来阻止水分蒸发[16]。这与本研究中土壤水盐拟合曲线走势相似，当水分含量增大到一定限度时，盐随水增加而增大的趋势便会减弱。

从土壤发生学原理来看，土壤含水量显著受控于SOM，尤其是在发育良好的土壤中[17]。这是因为SOM自身结构疏松多孔，能够有效地促进土壤团聚体结构的形成，影响土壤孔隙及其吸水、持水能力，从而提高土壤含水量，而土壤含水量较少时，会增大土地沙漠化概率，减少植被数量，导致SOM含量较低[18]。王若水等表示，SOM与土壤水基质势之间呈对数关系[7]，但也有研究表明过多降水产生的地表径流会对土壤表层产生冲刷而导致SOM流失[19]，这在一定程度上与地形有关。上述论据同本研究SOM与土壤水分含量的积极相关结果类似，而相关系数远大于赵明松等相关研究，这可能是因为其研究区域涵盖大量耕地，人为耕作大大削弱了自然因子对SOM的影响[20]。

在干旱区，成土母质中岩石风化而分解的盐分溶解于地下水体，随着强烈的蒸发，通过地下径流和毛细作用运移至地表，也就是说地下水位越高，在强蒸发的环境中越易产生盐分表聚。另一方面来看，当土壤中含水量较高时，意味着盐分浓度也会较高，因此，在水分补给植被生长生理需要时，过高的盐分会影响土壤酶活性及微生物数量，并抑制植被的生长与健康，减少生物量积累，降低SOM含量[21]。所以盐分对SOM的影响作用存在一个借助水分的间接过程。而SOM含量较多时，能够促进植物生长，提高其根部对土壤中水、盐的吸收能力，改变土壤中水、盐含量和分布[22]；同样，SOM又能通过调节土壤结构，运用自身负电的双性胶体进行土壤脱Na+，以达到减少土壤盐含量、改良盐渍土的作用[23]。

艾比湖湿地自然保护区土壤中水、盐及SOM的含量分布和变异程度主要受土壤、母质、地形、气候等结构性因素影响，并通过彼此相互作用进行微调节影响各自存在和分布状况。三者之间关系较为复杂，还有待进一步研究它们从宏观至微观的具体关系。