艾比湖濕地土壤水分-鹽分-養分空間異質性分析

方麗章，李艷紅*，李發東，3，4，朱海強

（1.新疆師范大學地理科學與旅游學院，烏魯木齊 830054；2.新疆維吾爾自治區重點實驗室，新疆干旱區湖泊環境與資源實驗室，烏魯木齊 830054；3.中國科學院地理科學與資源研究所，北京 100101；4.中國科學院大學資源與環境學院，北京 100190）

土壤水分、鹽分、養分是濕地循環系統內關鍵的組成部分[1-2]，土壤含水量是土壤重要狀態參數[3]。土壤鹽分空間分布能反映土壤鹽漬化狀態和程度[4]，土壤養分反映濕地生態系統土壤肥力，它們都受到土壤理化性質、水文過程等多種因素的影響[5-6]，因此掌握土壤水分、鹽分、養分時間變化與空間格局有利于土壤資源的合理利用[7]。國外學者[8-9]認為土壤水鹽及養分的空間變異有一定的規律，其中土壤鹽分空間變異受結構性因素影響，土壤養分運用球狀模型能很好地擬合，這種規律可為研究濕地生態系統的潛在變化過程提供條件。國內學者對干旱區濕地土壤理化性質研究包括黑河濕地[10]、黃河源湖泊濕地[11]、敦煌西湖荒漠濕地[12]等，研究發現土壤因子時間變化與空間異質性與研究區植被、土壤質地、水文變化及人為干擾有關[13]。艾比湖濕地是干旱區荒漠生態系統的典型代表，受到高鹽、大風、沙化和干旱的影響，土壤退化嚴重，對艾比湖濕地生態環境格局及其脆弱性研究十分有必要。目前關于艾比湖濕地的研究集中在博爾塔拉河（以下簡稱博河）、精河等河流下游，主要研究了土壤鹽分對植物群落的影響[14]，河岸帶土壤鹽分離子變化特征[15]，不同植物群落下土壤鹽分與養分的空間變化[16]，環湖濕地土壤水鹽空間變異等[17]，而缺乏對艾比湖濕地土壤水分-鹽分-養分三者的區域空間性系統研究。因此本文采用2014—2015年5、8月野外采樣數據，以湖心質點為中心，從不同區域分析艾比湖濕地土壤含水量、鹽分、pH、養分時間變化及空間異質性，以期為艾比湖國家級自然保護區土壤動態變化提供基礎數據，為生態環境管理及土壤鹽漬化治理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

艾比湖濕地國家級自然保護區（44°30′～45°09′N，82°33′～83°53′E）位于新疆維吾爾自治區天山西段北麓，準噶爾盆地西南部，屬于溫帶大陸性氣候，干燥少雨多風，鹽塵暴和浮塵活動繁多。年平均氣溫在6～8℃，極端最高氣溫41.7℃，最低-32.2℃，降水量在100 mm左右，潛在蒸發量約1300 mm。西北部處于阿拉山口大風通道上，年均風速6 m·s-1，大風日數為165 d，其中瞬間最大風速高達55 m·s-1。艾比湖是典型的尾閭湖，1998—2013年間艾比湖面積縮小了18.59%[18]，土壤沙化鹽化加劇，環湖一周土壤退化存在明顯差異，以湖心質點[17]（44°52′33.77″N，83°2′18.34″E）為中心將艾比湖濕地劃分為4個區域（圖1）：東北部、東南部、西北部、西南部。西北部干涸湖底有大面積鹽殼及含鹽疏松的裸土，土壤類型主要是鹽土，其中西北部科克巴斯陶附近有天然泉水外流；東北部奎屯河和東南部阿奇克蘇河已經斷流，兩河下游地區土壤沙化嚴重，土壤類型分別是灰棕漠土和鹽土，其中東南部風成地貌較明顯；西南部博河與精河入湖口主要是湖濱濕地、沖-洪積平原，土壤類型主要是細砂、粉砂、黏土等，其中西南部精河下游2002年實施圍堰和土壤改良工程。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集與測定

圖1 研究區示意圖Figure 1 Research area schematic drawing

在2014年和2015年5、8月環湖一周160 km范圍，根據濕地實際情況設置67個樣點，采樣時均為晴天，記錄每一個樣點的海拔高程、經/緯度及樣地附近的植被類型和土壤質地等環境要素。除去土壤表層雜物，自下而上采集0～20 cm土壤，裝入樣品袋密封帶回實驗室，自然風干、磨碎、過篩。土壤全鹽含量測定，制備1∶5的土水質量比浸提液，土壤pH值用玻璃電極測定，土壤含水量用烘干法測定，土壤有機質采用重鉻酸鉀氧化法測定，土壤全磷用堿熔-鉬銻抗比色法測定，土壤全氮用凱氏定氮儀測定[19]。

1.2.2 數據處理

使用Excel、SPSS對數據進行統計分析和差異顯著性檢驗，運用GS+進行半方差函數計算和Moran′s I系數分析，Kriging（克里金）插值以及空間分布圖使用ArcGIS繪制。

2 結果與分析

2.1 艾比湖濕地土壤水分-鹽分-養分季節變化特征

2.1.1 土壤含水量變化特征

本研究對數據進行Kolmogorov-Smirnov法正態檢驗（P＜0.05），實驗數據不符合正態分布，需要對數據進行對數轉換，轉換后均呈正態分布。土壤含水量受地下水埋深、氣候等影響較大，為清楚了解土壤含水量的季節變化，由表1可知，不同區域土壤含水量5月大于8月。對5、8月不同區域土壤含水量差異性分析表明，東北部、東南部土壤含水量均變化顯著（P＜0.05），西北部、西南部土壤含水量變化均不顯著（P＞0.05），5、8月含水量最大值分別為255.73、230.28 g·kg-1，最小值分別為6.82、2.61 g·kg-1。按照變異系數（CV）劃分等級[20]：CV＜10% 為弱變異性；10%＜CV＜100%為中等變異性；CV＞100%為強變異性。土壤含水量變異系數5月小于8月，含水量變異系數在60%～100%之間，屬中等變異性。

2.1.2 土壤鹽分與pH值變化特征

從表1中可以看出土壤鹽分與pH值的季節變化。土壤鹽分含量8月高于5月，對5、8月不同區域土壤鹽分含量差異性分析表明，土壤鹽分變化均表現為不顯著（P＞0.05），最大值分別為 37.25、47.61 g·kg-1，最小值分別為1.48、2.17 g·kg-1，按照變異系數劃分等級，土壤鹽分變異系數5月高于8月，變異系數均在20%～80%，屬于中等變異。除東北部外，不同區域土壤pH值8月大于5月，西北部、東南部土壤pH值均變化顯著（P＜0.05），按照變異系數劃分等級，不同區域土壤pH值變異系數CV＜10%，均屬于弱變異。參照新疆土壤鹽堿化的分級標準[21]可知，5、8月4個區域土壤鹽漬化有所差異，西北部土壤達到鹽土化水平，東北部土壤達到中度鹽化水平，西南部與東南部土壤達到重度鹽化水平。土壤pH值整體呈現出堿性或強堿性。

2.1.3 土壤養分變化特征

對不同區域土壤養分季節變化進行分析（表1），4個區域土壤有機質、全磷、全氮含量均為8月高于5月。對5、8月不同區域土壤養分含量變化差異性分析表明，東北部、東南部土壤有機質均變化顯著（P＜0.05），西北部、西南部土壤有機質變化均不顯著（P＞0.05）。土壤全磷除東北部外，其他區域土壤全磷含量均變化顯著（P＜0.05），土壤全氮含量除東北部變化顯著外（P＜0.05），其他區域土壤全氮變化均不顯著（P＞0.05）。

表1 5、8月份土壤含水量、鹽分與pH、養分的統計特征Table 1 Statistical charactristic values of soil moisture，salinity，pH and nutrient in May and August

有機質、全磷、全氮平均含量變化范圍為6.97～12.21、0.31～1.25、0.39～1.17 g·kg-1。從變異程度來看，土壤養分5月變異系數均大于8月，變異系數范圍在10%～80%，屬于中等強度變異。參照全國土壤養分等級劃分標準[22]可知，5、8月土壤有機質、全氮處于4～5級，土壤全磷在2～4級之間，土壤養分總體較為貧瘠。

2.2 艾比湖濕地土壤水分-鹽分-養分空間分布的影響因素分析

根據半方差函數理論及計算模型得出不同區域土壤因子變異函數模型及相關參數[23]（表2），表中C0為塊金值，C0+C為基臺值，C0/（C0+C）表明土壤性質空間相關性的程度高低，C0/（C0+C）小于25%，表現為強空間相關性，主要受結構性因素影響，25%～75%之間是中等空間相關性，受結構性與隨機性因素影響，大于75%，空間相關性較弱，主要為隨機性因素影響。5、8月西北部土壤鹽分符合指數與球狀模型，東北、西南、東南部土壤鹽分符合高斯模型；4個區域土壤含水量與土壤pH均符合高斯模型，不同區域土壤養分符合高斯、指數、球狀模型，其中高斯模型居多。從決定系數來看，在5、8月4個區域不同的理論模型變化范圍為31%～96%。從塊金系數來看，不同區域土壤含水量塊金系數小于34%；除5月西南部外，土壤pH塊金系數均小于25%；土壤鹽分塊金系數均小于25%；除5月東北部外，土壤養分塊金系數均小于25%，表現出強烈的空間自相關性。說明影響其空間分布的因素中，土壤鹽分、pH、養分主要受結構性因素影響，土壤含水量主要受結構性因素和隨機性因素共同影響。從變程來看，除西南部5、8月鹽分和5月有機質變程較小之外，西北部土壤含水量、鹽分、養分變程均小于其他區域土壤因子變程，這可能是由于西南部進行了引水圍堰工程，西北部常年大風以及季節性放牧等使土壤水分、鹽分、養分變程較小。

表2 5、8月份土壤含水量、鹽分與pH、養分的半方差函數類型及其參數Table 2 Types of semi-variance model and their parameters for soil moisture，salinity，pH and nutrient in May and August

2.3 艾比湖濕地土壤水分-鹽分-養分的空間相關尺度分析

Moran′s I系數可定量描述研究變量在空間上的依賴關系，可以看出空間相關性隨尺度的變化[24]，I的取值為-1～1，I＞0表示變量在空間上呈現正相關；I＜0表示研究變量在空間上呈現負相關；I=0表示研究變量在空間依賴性小或空間隨機變異較大。從圖2、圖3看出，研究區5月土壤鹽分、含水量、pH和全磷的空間距離分別在15 013.07、15 013.07、20 367.99 m和34 085.39 m之前表現出強的正相關性，隨著距離增大，負相關性增強。8月土壤鹽分、含水量、pH和全磷隨距離增加與5月有相似的Moran′s I系數變化趨勢。5、8月土壤鹽分、pH、養分的Moran′s I系數波動均較大，空間相關性較強，這與地貌、微地形、氣候、土壤類型等因素密切相關。

2.4 艾比湖濕地土壤水鹽-養分空間分布特征

為了能更直觀辨別土壤因子空間分布情況，通過普通克里金插值預測[17]艾比湖濕地環湖土壤含水量、鹽分、pH與養分空間格局分布，從圖4、圖5可知，5、8月土壤含水量空間分布呈現不規則的條帶狀分布，其高值區出現在西北部科克巴斯陶與西南部引水圍堰區，低值區主要在東南部與東北部；土壤鹽分有比較明顯的空間變化，高值區主要在西北部與東南部，低值區主要在西南部引水圍堰區與東北部奎屯河下游；土壤pH整體偏堿性，高值區主要在西北部及湖周圍；不同區域土壤養分變化各不相同，土壤有機質、全氮有一定的相似性，高值區出現在西北、西南部，土壤全磷呈無規則斑點狀分布，高、低值地區較為分散。對艾比湖濕地土壤鹽分與水分、水分與養分及養分之間進行相關性分析，5月份土壤鹽分與pH值（0.21，相關性系數，下同）呈正相關；土壤鹽分與含水量（0.294），含水量與有機質（0.302）呈顯著性相關（P＜0.05）；含水量與全氮（0.355），pH值與有機質（0.396）、全氮（0.445），全氮與有機質（0.896）、全磷（0.326）呈極顯著性相關（P＜0.01）。8月份土壤鹽分與含水量（0.296）、pH值（0.3），pH值與有機質（0.303）呈顯著性相關（P＜0.05），含水量與有機質（0.443）、全氮（0.466），pH 值與全氮（0.381），有機質與全磷（0.349）、全氮（0.885），全磷與全氮（0.458）呈極顯著性相關（P＜0.01）。

圖2 5月土壤含水量、鹽分、pH與養分有機質、全磷、全氮的Moran′s I系數分析Figure 2 Moran′s I analysis of soil moisture，salinity，pH and nutrient organic matter，total phosphorus，total nitrogen in May

3 討論

3.1 艾比湖濕地土壤水鹽-養分時間變化分析

圖3 8月土壤含水量、鹽分、pH與養分有機質、全磷、全氮的Moran′s I系數分析Figure 3 Moran′s I analysis of soil moisture，salinity，pH and nutrient organic matter，total phosphorus，total nitrogen in August

不同區域土壤鹽分、pH值8月高于5月，土壤含水量則相反，其中土壤含水量、鹽分屬于中等變異，土壤pH值為弱變異；5、8月土壤鹽漬化在中度鹽化與鹽土化水平之間；pH值呈堿性或強堿性；與貢璐等[25]研究的干旱區土壤水鹽空間變異中土壤pH值為弱變異結論相同。5、8月土壤鹽分與pH值均呈正相關性，不同區域土壤鹽分塊金系數均小于25%，主要受結構性因素影響，已有研究表明[26]季節性積鹽和脫鹽交替是土壤堿化和土壤pH值變化的重要原因，說明干旱區湖泊濕地土壤鹽分、pH值季節變化主要是結構性因素影響（如地形、土壤類型、母質、水文等）。5、8月土壤含水量塊金系數小于34%，說明干旱地區湖泊濕地土壤含水量季節變化受到結構性因素（氣候、地形、土壤類型等）和隨機性因素（灌溉、土壤改良、耕作措施等人為活動）共同影響，這可能是艾比湖濕地河流上游農業灌溉用水較多，河流徑流量季節變化[27]影響了湖泊水位與地下水埋深，2015年5、8月水位計實時監測湖泊水位變化范圍分別為0.85～1.17 m和0.60～0.78 m，地下水埋深變化范圍分別為0.65～1.02 m和1.69～1.97 m；5、8月土壤含水量與土壤養分之間相關性較顯著，而不同區域土壤含水量、養分含量存在差異，研究區土壤養分總體較為貧瘠，5月土壤養分塊金系數小于35%，而8月土壤養分塊金系數小于25%，說明其空間自相關性較強且主要由結構性因素引起（土壤類型、植被群落、氣候等），這可能是艾比湖濕地成土母質以沖擊-洪積物質類型的砂壤土為主，發育程度較低且土壤沙化嚴重，干旱、高溫的氣候條件下，好氣微生物比較活躍，有機質進行好氧分解，不利于累積，而土壤有機質是土壤養分的載體和來源，在維持土壤結構、保持土壤水分、形成土壤肥力方面有重要影響，堿化現象明顯破壞土壤結構，植物群落衰退使得生物累積與凋落物返還過程減弱，不利于土壤質量改善，從而使土壤肥力降低[28]。

3.2 艾比湖濕地土壤水鹽-養分空間異質性分析

5、8月土壤含水量空間分布呈現不規則的帶狀分布，其高值區出現在西北部科克巴斯陶與西南部引水圍堰區，低值區主要在東南部與東北部，土壤有機質與全氮的高值區與含水量高值區相近似?？赡芪鞅辈靠瓶税退固沼刑烊蝗鞒?，西南部有精河、博河注入艾比湖，湖濱濕地土壤主要以細砂、黏土等組成，而東北部奎屯河與東南部阿奇克蘇河已斷流，土壤為沙地，透水透氣性好；西北部科克巴斯陶水源充足有利于植物群落生長，西南部進行土壤改良工程使土壤質地得到改善，土壤鹽分較低，植被恢復良好，為土壤養分積累提供有利條件[29]。土壤鹽分高值區主要在西北部與東南部，低值區主要在西南部引水圍堰區與東北部奎屯河下游，這與金海龍等[30]在2009年研究發現艾比湖土壤鹽分高值區在湖東部不同，說明近幾年艾比湖濕地土壤鹽漬化與沙化日益嚴重。西北部與東南部干涸湖底面積較大，土壤主要為鹽土，強烈的蒸發作用使干涸湖底土壤中可溶性鹽分隨水分蒸發聚于地表，東南部在阿拉山口的徑直通道上，鹽塵加劇了荒漠景觀的發育；奎屯河下游土壤沙化嚴重，土壤沙化后土壤肥力降低，土壤顆粒變細，土壤鹽分含量減少[31]。不同區域土壤有機質、全氮空間變化有一定的相似性，土壤全磷呈無規則斑點狀分布，高、低值地區較為分散，與杜改俊等[16]、朱海強等[32]研究的艾比湖土壤養分相似。從空間相關尺度分析，研究區5、8月土壤水鹽-養分在空間距離上均表現出強正相關性，Moran′s I系數波動均較大，空間相關性較強，這與賈曉紅等[33]研究的干旱區農田土壤性狀均呈較弱的相關關系不同，這可能是艾比湖濕地環湖人為因素影響較小，土壤水鹽-養分主要受近湖邊土壤含水量及湖面波動，土壤結構、植物群落等影響較為復雜。

圖4 5月土壤含水量、鹽分、pH、養分空間分布Figure 4 Spatial distribution of soil moisture，salinity，pH and nutrient in May

4 結論

（1）不同區域土壤鹽分、養分、pH值8月高于5月，土壤含水量則相反。除土壤鹽分外，5、8月不同區域土壤pH值、含水量與養分含量變化差異較顯著，土壤含水量、鹽分、養分屬于中等變異，土壤pH值為弱變異。研究區土壤鹽漬化在中度-鹽土化水平之間，土壤呈堿性或強堿性，總體較為貧瘠。

圖5 8月土壤含水量、鹽分、pH、養分空間分布Figure 5 Spatial distribution of soil moisture，salinity，pH and nutrient in August

（2）5、8月不同區域土壤鹽分、pH值、含水量、養分符合不同的半方差模型，土壤含水量受結構性因素（氣候、地形、土壤類型等）和隨機性因素（灌溉、土壤改良、耕作措施等人為活動）共同影響，土壤鹽分、pH值與養分主要受結構性因素（土壤類型、母質、植被群落、水文等）影響；5、8月土壤鹽分、pH值、養分的Mo?ran′s I系數波動均較大，空間相關性較強。

（3）5、8月土壤含水量呈帶狀分布；土壤鹽分高值區主要在西北部與東南部；土壤pH高值區主要在西北部及湖周圍；土壤有機質、全氮有一定的相似性且呈極顯著的正相關，高值區主要在西北、西南部，土壤全磷呈無規則斑點狀分布，高、低值區較為分散。

致謝：感謝師哥趙明亮、劉巖、王金龍、朱海強和師姐馬雯在野外采集樣品與室內實驗分析中所做的指導與幫助。