苏干湖湿地土壤全盐含量特征及其与地下水的关联

康满萍,赵成章,李 群

西北师范大学地理与环境科学学院,甘肃省湿地资源保护与产业发展工程研究中心, 兰州 730070

常年积水、季节性积水或过湿是湿地的基本特征,水文是湿地生态系统的重要组成部分[1—2],土壤是湿地生态水文过程的重要参与者和载体,表层土壤盐渍化过程对地下水位埋深及其水质特征的响应,对认识盐沼湿地土壤理化属性与生态水文之间的响应机制具有重要意义[3—4]。内陆盐沼湿地是干旱、半干旱荒漠区生态环境高度异质的湿地生态系统[5],其特殊的水文过程对盐沼湿地土壤理化属性、植被群落的分布格局及湿地生态系统的结构、功能稳定性起决定性作用[6—7]；土壤全盐含量能够反映耕作层土壤盐渍化的程度和状态,控制着土壤的性状和发育方向[8]；地下水是决定湿地生态系统稳定性的主要因子,其水质特征是水文循环过程中与周围环境长期作用的结果,水中的可溶性盐是土壤盐分积累的来源[9],在一定程度上决定着土壤的盐渍化程度；地下水位的变化直接关系到土壤水带和毛管水带的连接状态,影响土壤中盐基离子随地下水带运移积累至土壤表层的过程[10—11]。复杂的水文情势与土壤理化属性是构成湿地生态水文系统的核心元素[12],地下水质特征及水位变化影响水盐的运移过程和盐分的聚集程度,影响土壤理化属性空间系统的复杂性,进而影响湿地的植物生长、分布及物种的多样性[13—14],是湿地形成、发育、演替直至消亡的最重要的驱动机制[15]。因此,探讨内陆盐沼湿地地下水埋深及其化学特征对表层土壤盐渍化的影响,对于深入理解湿地特殊的水文过程与土壤理化属性间的作用机制对湿地植物群落的分布格局及湿地的演替规律研究具有十分重要意义。

苏干湖湿地位于柴达木盆地西北部阿尔金山和祁连山系交会处的内陆盆地,是我国典型盐渍土分布且湿地生态序列基本保持原始状态的盐沼湿地生态系统,具有特殊的生态水文过程、土壤理化空间系统的非均质性特征和湿地植被呈斑块化分布,体现了苏干湖盐沼湿地的复杂性。目前,许多学者对盐沼湿地植物的群落生理特征、功能性状和分布格局对环境的适应[16—17]等方面开展了一系列研究,对苏干湖湿地的盐生植被生理特征[18]、植被盖度空间格局[19]、水系水质评价[20]等方面做了研究。地下水埋深是影响土壤水盐运动的关键因素,是反映土壤水盐平衡的重要指标,在地下水浅的地区,可溶性盐基离子在强烈的蒸发作用下通过土壤水带和毛管水带运移至地表,增加表层土壤盐渍化程度[21—22],目前围绕地下水位与土壤盐分关系的探讨主要是在室内或试验区在人为控制地下水埋深的情况下,通过建立经验模型和模拟实验定量分析地下水埋深、矿化度与土壤盐分含量间的关系[23—25],在自然条件下针对内陆盐沼湿地土壤盐分和地下水特征关系研究鲜有报道,特别是对苏干湖湿地地下水特征与表层土壤盐分间的交互效应的认识尚不清晰。鉴于此,本研究采用经典统计学、皮尔逊相关性和主成分分析法研究了苏干湖湿地不同水位下表层0—10 cm土壤全盐含量特征及其与地下水间的关系,试图明晰表层土壤全盐含量的变化特征与地下水位、水质间的关系,旨在揭示内陆盐沼湿地表层土壤盐分积累过程及其与地下水特征间相互作用机制,对研究盐沼湿地植物群落的空间分布格局、资源配置模式及其对生境依赖规律等方面的研究提供理论依据。

1 研究地区与研究方法

1.1 研究区概况

苏干湖湿地位于甘肃省酒泉市阿克塞哈萨克族自治县阿勒腾乡境内(93°47′53″—94°04′26″E,38°50′07″—38°56′27″N),处于阿尔金山、党河南山与赛什腾山之间的花海子-苏干湖盆地的西北端,海拔2795—2808 m,属内陆高寒半干旱气候,年平均气温3—6℃,年均降水量35.5—70.6 mm,蒸发量1228—2495 mm,大风天气盛行,沙尘暴发生频率高。湿地面积约100500 hm2,其水系属于柴达木内流水系中西北端的一个独立水系,发源于党河南山的大、小哈尔腾河出山口潜流于地下,在海子盆地成泉涌露,汇成河网,流入大、小苏干湖,消耗于泉水溢出带和湖面的蒸发蒸腾,地下水位埋深在0—6 m间。土壤以草甸土、草甸沼泽土、盐土、草甸盐土和沙土等为主,受地理环境因素的影响,土壤盐渍化严重,表层0—10 cm土壤全盐含量值较高(15.81—485.83 g/kg),土壤盐分具有表聚性特征,空间分布复杂[26]。植被为应对寒冷、干旱和土壤盐渍化等生境条件,形成了独特的区域性生态特征,如植株矮小、多丛生长且有泌盐功能,主要植物有赖草(Leymussecalinus)、芦苇(pHragmitesaustralis)、碱地风毛菊(Saussurearuncinata)、盐角草(Salicorniaeuropaea)、西伯利亚蓼(Polygonumsibiricum)、苦豆子(SopHoraalopecuroides)、水麦冬(Triglochinmaritimum)等。

1.2 地下水埋深数据及土壤样品采集与分析

图1 苏干湖湿地野外调查数据采样点

1.3 研究方法与数据处理

(1) 经典统计学是求取土壤属性的统计特征值,通过SPSS 22.0进行参数的描述性统计分析,其中均值能反映变量总体水平的高低,方差的开方是标准差,反应土壤变量间的分散水平和绝对变异,变异系数(Coefficient of Variation, CV)可以反映一组变量的离散程度,运用变异系数(CV)的大小判定变异的强弱,CV≤10%为弱变异性；10%

(2)皮尔逊相关性：本研究基于Pearson相关系数来分析表层0—10 cm全盐含量与地下水位埋深间的相关性。其计算原理为,若随机变量X、Y的联合分布是二维正态分布,(x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn)为n次独立观测值,r代表Pearson相关系数,其计算公式为：

(3)主成分分析(Principal Component Analysis, PCA)主要通过对协方差矩阵进行特征分析,达到在减少数据维数的同时保持数据集对方差贡献最大的目的[29]。具体计算过程为

1)求出标准化数据指标的矩阵X,设相关指标个数为n,采样站点个数为m,则计算矩阵为：

2)求相关系数矩阵,得到主成分：

式中,rij为标准化数据的第i个指标与第j个指标间的相关系数,由此可得相关系数矩阵。

3)取特征值大于1且提取累积方差贡献率大于85%的主成分。

2 结果分析

2.1 不同水位埋深下表层土壤全盐含量特征

根据苏干湖湿地不同水位埋深下表层0—10 cm土壤全盐含量的统计参数可知(表1),研究区0—10 cm土壤全盐含量的均值为204.41 g/kg,随着水位埋深的增加,土壤全盐含量呈先增加后减少的趋势,地下水埋深小于1 m的区域,土壤全盐含量的均值最低为128.83 g/kg；在地下水埋深介于1—2 m的区域,土壤全盐含量的均值最高为248.64 g/kg,表层土壤全盐含量变异系数≥100%属于强变异性,说明表层全盐含量的离散程度较大,空间分布变化复杂。

表1 不同水位埋深下土壤表层0—10 cm全盐含量的统计特征值

2.2 地下水水质

表2 地下水水质描述统计特征

2.3 土壤表层全盐含量与地下水间关联度分析

2.3.1土壤表层全盐含量与地下水位埋深间的相关性分析

苏干湖湿地表层0—10 cm土壤全盐含量与地下水位埋深间的相关性存在差异性(图2),当地下水埋深小于1 m,表层土壤全盐含量与地下水埋深间呈极显著正相关,相关系数为0.91(P<0.01)；当地下水埋深介于1—2 m间,土壤全盐含量与地下水埋深间呈正相关,相关系数较低且不显著；当地下水埋深介于2—3 m间,土壤全盐含量与地下水位埋深间呈负相关,相关系数较低且不显著；当地下水位埋深大于3 m间,土壤全盐含量随地下水位埋深的增加呈减少趋势,两者间呈极显著负相关,相关系数为-0.91(P<0.01),不同水位埋深对土壤全盐含量的影响存在差异性,增加了表层土壤全盐含量的空间异质性和复杂性。

图2 苏干湖湿地表层0—10 cm全盐含量与地下水埋深间的相关性

2.3.2表层全盐含量与地下水水质间综合关联度分析

表3 表层土壤全盐含量与地下水条件相关关系矩阵

表5 主成分特征值及贡献率

3 讨论

土壤作为时间和空间上的连续体,其自然属性的空间异质性是受气候、生物、母质、地形、成土时间等多因素相互作用的结果[30]。苏干湖湿地表层0—10 cm土壤全盐含量随着地下水埋深的增加呈先增加后降低的趋势,均值在128.83—248.64 g/kg,且CV≥100%为强变异性。主要原因有：(1)苏干湖湿地低洼封闭的地势、地形条件是水盐的汇集中心,盐分随季节性洪水、河流和地下径流汇集到盆地中心无法移出,在强烈蒸发作用下,土壤包气带及地下水中的可溶性盐在土壤毛细管作用下随上升水流蒸发、浓缩、积累于地表,呈现出土壤盐分“表聚”现象,长期积累在地表形成厚约3—5 cm的盐壳和大小各异的盐坑,表层0—10 cm土壤全盐含量大,这与我们采样调查时所观察到的现象相一致,土壤盐分受多重因素的影响具有表聚性和非均质性特征；(2)该区域干旱少雨,蒸发量大于降水量,土壤母质含盐重,土壤盐渍化特点显著,表层土壤类型以沙土、风沙土为主,土质疏松,透水透气性好,保水保肥能力差,盐生植物根系发达,且受植株泌盐性的作用,在生长过程中吸取水分的同时伴随大量的水溶性盐类进入到植物体内,盐分分泌出来就地积累在植株附近,盐生植被植株矮小,覆盖度相对较低,地表裸露面积大,在强烈的蒸发作用下可溶性盐随土壤毛细管水向上运动,在表层积聚盐分含量增加。(3)采样时正值秋季(枯水期),持续的蒸发作用增强了表层土壤盐分的聚积,这可能也是导致表层积盐现象比较重要的因素之一,这与张海威[31]的研究结论相一致。

水分是土壤盐分运移的载体,地下水位的动态变化通过土层中毛细管作用,进而对土壤中盐基离子在土层中的运移、积累产生影响[32]。研究发现苏干湖湿地地下水位埋深对土壤全盐含量影响存在阈值,地下水位埋深小于1 m和1—2 m的区域,表层全盐含量与地下水位埋深间呈正相关(P<0.01)；水位埋深2—3 m和大于3 m的区域,两者间呈负相关。主要原因是：(1)在地下水位介于0—1 m的区域,多以露头地下泉水和泉眼分布,地势低洼,是水盐的汇集中心,表层土壤受水淹或河流的稀释、淋溶和携带作用的影响,且土壤水带和毛管水带长期处于连接状态,土壤经常性处于水饱和而经历物质还原反应,脱盐作用和土壤微生物的活动降低了土壤含盐量,0—10 cm积盐相对较轻,盐分以盐基离子的形式存在土层包气带中；随着水位埋深的增加,土壤水带与毛管水带连接,水盐运移路径畅通,在强烈的蒸发作用下,土壤中的基盐离子和可溶性盐随地下水运移至地表积聚,导致0—10 cm盐分较高,在地下水位埋深小于1 m和1—2 m的区域全盐含量随着水位埋深的增加呈增加趋势(图2)。(2)水位介于2—3 m的区域,在丰水期受淡水河流的水淹和季节性洪水稀释作用的区域盐随水走,且土壤水带处于连接状态,部分盐分随水运移至土层包气带,表层盐分含量相对较低；在地势低洼的区水携带盐分汇集滞留,枯水期,水去盐留,在强烈的蒸发作用下水分蒸发可溶性盐留在表层,且浅层剖面的基盐离子随地下水运移至地表积聚,土壤全盐含量较高；水位埋深大于3 m的区域,土壤水带和毛管水带处于断裂状态,通过土壤空隙间的毛管力输送的水分逐渐减少,水盐运移相对困难,表层土壤盐分较低(表1),随水位埋深的增加,全盐含量呈减少趋势(图2),这与Wang等人的研究结果相一致,土壤含盐量与地下水埋深呈线性相关(P< 0.05),土壤盐分与地下水埋深呈负相关,地下水位越深,土壤盐分越低[33]。总体而言,苏干湖盐沼湿地地下水位埋深对土壤全盐含量的影响存在阈值,其变化增加了表层土壤全盐含量空间的非均质性,这与管孝艳的研究结果相一致[34]。

表4 三个主成分的因子负荷矩阵

4 结论