玛纳斯河流域不同地貌类型土壤理化性状与盐分离子组成主导因子分析

李维弟，史晓艳，宋江辉，田甜，王海江

(石河子大学农学院，石河子 830022)

土壤盐碱化是制约农业生产、生态建设和经济发展的世界性难题，盐碱地的改良与科学利用一直是国际学术界研究的热点[1]。新疆被称为“盐碱土的博物馆”，据中国科学院2014年调查数据显示，新疆灌区盐渍化耕地占比高达37.72%，土壤盐渍化问题及灌溉引起的次生盐渍化问题严重影响着新疆绿洲生态环境稳定和农业的健康发展[2]。

玛纳斯河流域是新疆开垦面积最大的绿洲农业种植区，是新疆重要的粮、棉、糖生产基地。该区具有土壤母质盐分含量高、气候干旱、蒸发强烈的自然特征，加之农业灌溉渠系渗漏、多灌少排或无排水，导致土壤盐渍化和次生盐渍化问题突出，一直是该流域耕地资源可持续利用和绿洲生态环境稳定的潜在威胁[3]。为此，前人围绕玛纳斯河流域土壤理化性质及盐基离子空间分布特征开展了研究。王建勇等[4]通过研究玛纳斯河流域土壤总盐以及盐基离子组成发现，该流域土壤盐分及离子组成在流域尺度上表现出很大的空间变异性。吕真真等[5]结合面域土壤性状调研，利用相关分析和主成分分析方法，得出SO42-、Ca2+、Mg2+及土壤盐分含量是表征玛纳斯河流域土壤盐渍化的主要特征因子。不同地貌类型，因水分和沉积物运移等因素的影响而使其成土过程不同，土壤特性差异明显[6]。有研究[7]对黄土高原沟壑区小流域不同地形土壤理化性质进行研究发现土壤不同养分和酶活性因地形条件不同而差异性显著。李新国等[8-9]通过对不同区域Cl-/SO42-的比值分类发现土壤含水率、pH以及可溶性盐分离子之间存在着差异性与相关性。

土壤中单盐对作物的危害性要高于复盐，明确盐渍化土壤中盐分离子的组成是土壤改良利用的有效途径[10]。地貌类型是土壤中盐分空间分布及盐基离子组成的主要影响因素[11]，玛纳斯河流域典型的山盆系统和人为农业灌溉的综合作用，使得流域不同地貌类型单元土壤理化特性与盐分离子组成呈现一定的规律性和复杂性。目前，针对不同地貌类型土壤剖面盐分离子组成及其地貌类型间主导因子差异性分析的研究还略显不足，基于此，本研究以玛纳斯河流域不同地貌类型土壤剖面为研究对象，定量分析该区域典型地貌类型下土壤剖面中有机质、粘粒含量、阳离子交换量以及盐分含量和离子组成的分布特征，明确不同地貌类型间土壤盐渍化的主导作用因子，以期为该区域作物种植和盐碱土改良利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

玛纳斯河流域位于新疆天山北麓，地理位置为 N 85°01′～86°32′，E 43°27′～45°21′，总面积2.43×104km2，属于温带大陆性气候[11]，降水稀少，蒸发量大。南部山区发育的河流进入盆地后，所携带土壤逐渐沉积，依次形成冲积洪积扇、冲积平原区、干三角洲等地貌部位，不同地貌部位的土壤、植被明显不同，灰漠土是该区域典型地带性土壤。干三角洲大部分土质较轻，地下水径流条件差，土壤盐渍化发生严重；冲积扇扇缘带是土壤盐渍化发生的主要部位，地下水位高，流动不畅；冲积平原地貌部位势平坦，上部靠近冲洪积扇缘部分土质以黏壤、黏土为主，中、下部土质偏沙性，表层土壤保水能力较差，水盐易向下层沉积[12]。在自然条件下，土壤淋溶和脱盐过程十分微弱，流域内地下水位高，伴随着次生盐渍化，导致土壤中的可溶盐大量积聚，形成大面积不同程度盐渍化土壤，甚至引起严重的土壤荒漠化。

1.2 采样点选择和土壤样品采集

综合考虑地貌类型的多样性，为更好的分析不同地貌类型下土壤理化性质的差异，分别选取冲积洪积扇地貌、冲积平原地貌、干三角洲地貌作为研究对象。采样点的选取充分考虑了土壤质地、植被类型、土地利用方式等因素，确定不同地貌类型样点均为地貌单元内农田，种植作物为流域主栽棉花。每个地貌类型选取具有代表性的样点14个剖面，利用土钻分层采集土壤样品，采样深度分别为0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm和80～100 cm，采集土壤样品总计210份。

1.3 土壤样品测定项目及方法

对于所采集的土壤样品，为防止水分流失，将其封口保存带回室内测定。将盛有新鲜土壤的铝盒置于105±2 ℃下进行烘干，测定其土壤质量含水量。同时，剩余土壤样品选择通风良好的地点自然风干、磨碎、过筛、封装后备测。使用电导法测定土壤盐分含量，将土壤样品按水土质量比5∶1配制成土壤悬浊液，经过震荡及抽虑取得澄清土壤盐溶液，进行土壤盐分的测定，利用电导率仪测定土壤电导率(EC1∶5)，采用土壤盐分电导率与土壤总盐含量的拟合关系[11]来表征盐分。

公式为：CC=3.51*EC1∶5+0.38(R2=0.951 7)。

(1)

其中：SCC为全盐量，g·kg-1；EC1∶5为土壤浸提液电导率，mS·cm-1。

采用重铬酸钾外加热氧化法测定土壤有机质(SOM)；采用氯化钡-硫酸强迫交换法测定土壤阳离子含量(CEC)；采用比重计法测定土壤粘粒含量(γ)；K+、Na+用原子吸收分光光度法测定；Ca2+、Mg2+和SO42-用EDTA 容量法测定；Cl-用AgNO3滴定法测定；CO32-、HCO3-用双指示剂中和滴定法测定。上述土壤理化性质的测定方法均按照《土壤农化分析》[13]执行。

使用变异系数(CV)反映土壤属性的离散程度，一般来说变异系数<10%为弱变异，变异系数介于 10%～100%为中等变异，变异系数>100%为强变异[14]。

(2)

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel计算试验数据与作图，用 SPSS进行统计分析，并用 Pearson 相关系数进行土壤理化性质和盐基离子之间的相关性评价。

2 结果与分析

2.1 不同地貌类型土壤理化性质分布特征

土壤颗粒作为土壤结构体的基本单元，能够在一定程度上影响土壤的水分特征、肥力状况等土壤理化性质[15]。通过对玛纳斯河流域不同地貌类型下土壤剖面粘粒含量的分析由图1可知，从冲积洪积扇缘、冲积平原到干三角洲地貌，土壤剖面平均粘粒含量表现出逐渐降低的趋势；从垂直方向上来看，三种地貌类型下的土壤粘粒含量均表现出从表层向下逐渐升高的趋势。从变异系数来看，冲积洪积扇、冲积平原以及干三角洲地貌下土壤各土层粘粒含量变异系数分别为23.61%～37.28%、16.33%～41.94%和35.11%～54.86%，各地貌类型下各层土壤粘粒含量均属于中等强度变异。

SOM是能够用于农用地分等定级和耕地地力评价，也是指导合理施肥和增加养分利用率的重要依据[16]。通过分析可知，SOM含量在0～40 cm土层较高，3种地貌类型间无显著差异，总体趋势表现为冲积洪积扇缘>冲积平原>干三角洲(图1)。

同一指标同一土层不同小写字母表示不同地貌类型间差异显著(P<0.05)，下同图1 不同地貌类型下土壤粘粒、有机质、CEC含量与分布

从垂直方向上来看，同一地貌类型SOM含量呈现出随着土层深度增加而逐渐降低的趋势。其中，冲积洪积扇地貌部位土壤剖面SOM含量在4.80～7.94 g·kg-1之间，平均值为6.57 g·kg-1。冲积平原SOM含量在3.97～9.12 g·kg-1之间，平均值为6.08 g·kg-1。干三角洲土壤剖面SOM含量在3.85～6.91 g·kg-1，平均值为5.01 g·kg-1。

CEC是土壤的基本特性和改良土壤重要依据，其能够直接反映土壤缓冲能力的高低，也是评价土壤保肥能力和合理施肥的重要依据[17]。由图1可知，冲积洪积扇缘、冲积平原和干三角洲地貌类型间土壤CEC含量差异显著，冲积平原土壤CEC含量显著高于其他2种地貌类型。从土壤垂直剖面来看，冲积平原地貌0～40 cm土壤CEC含量较高，分别为26.78和24.87 cmol·kg-1，冲积洪积扇缘表现出从表层0～20 cm向下逐渐降低的趋势，80～100 cm土层最低为15.63 cmol·kg-1，干三角洲地貌类型CEC含量呈现出先增加后减小的趋势，40～60 cm土层含量最高为21.3 cmol·kg-1。

2.2 不同地貌类型土壤剖面盐分含量及盐基离子组成

2.2.1 不同地貌类型土壤剖面盐分含量

盐分在土壤中的累积是制约农业生产发展的重要因素，通过监测土壤盐分累积状况和预测盐分空间分布特征，对指导农业灌溉和土壤改良具有重要意义[15,18]。从冲积洪积扇缘至干三角洲地貌(图1)，土壤剖面各层平均盐分含量表现出逐渐降低的趋势，冲积洪积扇缘土壤盐分含量显著高于冲积平原和干三角洲；垂直方向上，冲积洪积扇缘地貌下土壤剖面0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm土层盐分含量分别为11.81、11.13、11.08、10.05、9.75 g·kg-1，冲积平原地貌下含量在6.37～7.48 g·kg-1之间，干三角洲地貌下含量在3.87～3.06 g·kg-1之间。冲积洪积扇缘、冲积平原表现为表层盐分含量高于底层，0～20 cm土层盐分含量最高，干三角洲土壤0～100 cm盐分含量较低，底层盐分含量略高于上层。

2.2.2 不同地貌类型土壤剖面盐基离子组成

由于不同的成土因素、地形、土壤质地以及人为因素等的影响，造成了盐分离子空间分布的差异性[19,20]。

通过对不同地貌类型下盐基离子的特征分析，由图2可知，在0～60 cm土层，冲积平原的K+含量显著高于干三角洲，其余各土层在3种地貌类型下，并无显著差异。在0～40 cm土层中，冲积洪积扇缘的Na+含量显著高于干三角洲有，而在40～80 cm土层，3种地貌类型下的Na+含量都有显著差异。在0～100 cm土层中，冲击洪积扇缘和冲积平原的Ca2+含量都显著高于干三角洲。在0～40 cm、60～80 cm土层中，干三角洲Mg2+含量显著低于冲积洪积扇缘、冲积平原。CO32-、HCO3-由于含量较少，在3种地貌类型下并没有表现出明显的显著性。除60～80 cm土层，干三角洲Cl-含量显著高于冲击洪积扇缘和冲积平原。而SO42-的含量虽然是阴离子中最高的，但是在三种地貌类型下并没有显著性。总体来看，阳离子以Na+和Ca2+为主，阴离子以Cl-和SO42-为主，在冲积洪积扇缘、冲积平原、干三角洲三种地貌类型下都表现出相同的趋势。

图2 不同地貌类型下盐基离子特征分析

在地貌类型下Na+、SO42-含量表现为冲积平原>冲积洪积扇缘>干三角洲；Ca2+、Mg2+含量表现为冲积洪积扇缘>冲积平原>干三角洲；Cl-含量表现为干三角洲>冲积洪积扇缘>冲积平原。

2.2.3 不同地貌盐渍化类型

不同盐分离子，由于成土因素，溶解度等性质的差异，在土体中的迁移速率也存在差异，本文以氯离子/硫酸根(Cl-/SO42-)当量比[15,20]对不同地貌类型下不同土层盐渍土进行划分。由表1可知，3种地貌类型1 m深度的土层下，冲积洪积扇缘以氯化物-硫酸盐型为主，冲积平原以氯化物型为主，干三角洲以氯化物-硫酸盐型为主。

表1 不同地貌类型土壤(Cl-/SO42-)值及盐渍土类型

2.3 不同地貌类型土壤理化性质相关性分析

2.3.1不同地貌类型下土壤理化性质与盐基离子的相关性分析

不同地貌类型下土壤理化性质与盐基离子相关性结果如图3所示，可以看出在冲积洪积扇缘地貌类型下，粘粒含量与SOM显著正相关，CEC含量和盐分含量极显著正相关。而在冲积平原地貌类型下，粘粒含量和CEC含量极显著正相关，相关系数为0.477**(P<0.01)，说明在冲积平原地貌类型下土壤CEC含量的差异一部分可能是由于土壤粘粒含量差异引起的；在干三角洲地貌类型下，土壤粘粒含量和盐分含量极显著相关，相关系数为0.564**(P<0.01)。土壤是在多重因素的综合作用下形成的，土壤理化性质的形成，也伴随着很多离子的变化。如图4所示，通过对不同地貌类型下土壤理化性质与盐基离子的相关性分析，在冲积洪积扇缘地貌类型中，粘粒含量与Ca2+显著负相关，与Na+极显著正相关，与SO42-极显著负相关。CEC含量与K+、Na+含量极显著正相关，相关系数分别为0.489、0.349，与Cl-、SO42-含量显著正相关。盐分含量与K+、Na+、Ca2+、Cl-含量极显著正相关，相关系数分别为0.3411、0.925、0.414、0.867，与HCO3-含量极显著负相关。在冲积平原地貌类型中，粘粒含量与Na+极显著正相关，与Cl-、SO42-显著正相关。CEC含量与Na+含量极显著正相关，与Ca2+显著正相关。盐分含量与K+、Na+、Ca2+、Cl-含量极显著正相关，与Na+的相关系数达到了0.874。在干三角洲地貌类型中，粘粒含量与Na+、Mg2+、HCO3-、SO42-含量都呈现出极显著的正相关关系；CEC含量与Ca2+、SO42-含量极显著正相关，相关系数为0.357和0.389；盐分含量与K+、Na+、HCO3-极显著正相关，与Ca2+、SO42-含量极显著正相关，相关系数为0.728、0.865。SOM含量在3种地貌类型中与盐分离子含量都没有表现出明显的相关性。

图3 不同地貌类型下土壤理化性质与盐基离子相关性统计分析

2.4 土壤盐渍化的主导作用因子分析

为明确不同地貌类型间土壤盐渍化的主导作用因子，本研究采用主成分分析的方法，获得具有代表性的表征土壤盐渍化的特征因子，在获取主成分因子时，使用方差最大正交旋转法进行转轴。

对玛纳斯河流域三种地貌类型的土壤盐分含量、K+、Na+、Ca2+、Mg2+、CO32-、HCO3-、Cl-和SO42-进行主成分分析，获得土壤盐渍化主成分的特征根和方差贡献率，以冲积洪积扇缘为例(表2)，根据表2的结果分析，确定了特征值>1的主成分3个，冲积洪积扇缘第一、第二、第三主成分的贡献率分别为38.19%、26.49%和16.79 %。前三个主成分的累积贡献率为81.48 %。冲积平原和干三角洲趋势相同，第一、第二、第三主成分的贡献率分别为38.94%、30.23 %、16.473 %和46.04 %、19.82 %、17.94 %。累积贡献率为85.64%和83.79%。

表2 冲积洪积扇缘土壤盐渍化主成分的特征根与方差贡献率

不同地貌类型主成分载荷矩阵如表3所示，从表3可以看出：冲积洪积扇缘地貌中，Na+、Cl-和盐分含量在第一主成分上载荷值较大，载荷数分别为0.913、0.930、0.921，说明冲积洪积扇缘第一主成分与这3个指标相关性较强，进一步说明这三个指标在冲积洪积扇缘地貌土壤盐渍化密切相关，是该区域土壤盐渍化的主要成因；第二主成分中K+、Ca2+的载荷数为0.903、和0.901，在主成分上载荷值相对较大，说明这2个指标与冲积洪积扇缘第二主成分相关性强；第三主成分中SO42-和CO32-载荷值较大，载荷数为0.786和0.808。冲积平原地貌中，Na+、Cl-、和盐分含量3个指标在第一主成分中的载荷数较大，分别为0.891、0.850和0.939，可以得出，在冲积平原地貌中，土壤盐渍化主要以氯化物为主导作用因子；第二主成分中Ca2+、Mg2+的载荷数较大；第三主成分中只有HCO3-的载荷值较大。干三角洲地貌中，Ca2+、SO42-和盐分含量在第一主成分中载荷较大，分别为0.927、0.974和0.951，说明硫酸盐是该区域土壤盐渍化的主导因子；第二主成分中，Cl-和Na+载荷相对较高，进一步反映出干三角洲地貌土壤盐渍化在一定程度上也受到了氯化物的影响。

表3 不同地貌类型主成分载荷矩阵

3 讨论

玛纳斯河流域不同地貌由于受地形、气候、降雨、灌排措施和耕作管理等因素的综合影响，地貌类型间土壤粘粒含量、电导率、SOM含量均存在较为明显的差异。玛纳斯河流域不同地貌类型下土壤物理性质主要表现为：从干三角洲至冲积洪积扇扇缘带，土壤剖面粘粒含量、土壤含水量、SOM含量逐渐升高，在垂直剖面上SOM表现出显著降低的趋势[16,19,21]；玛纳斯河流域沿纬度梯度，从扇缘到干三角洲，SOM含量呈现典型下降趋势[19]；流域棉田土壤有机碳含量随着土壤深度的增加而降低[11]。本研究中，干三角洲0～100 cm 土壤剖面CEC含量、粘粒含量、电导率、SOM含量均低于其它冲积洪积扇缘和冲积平原，这与上述研究结果一致，主要是由于干三角洲地处古尔班通古特沙漠边缘地带，土壤多为平沙地和一些低矮的半固定沙丘，开垦所带来的灌溉风沙土缺乏粘粒而大部分土质较轻，因而土壤的保蓄能力较差。

玛纳斯河流域地貌类型间0～100 cm土壤剖面盐分含量分布特征略有差异，冲积洪积扇缘和冲积平原土壤剖面各层盐分含量差异不大，表现为由表层向底层逐渐降低的特征。从自然条件分析，盐分含量的差异与其地质地貌条件关系密切，由于天山北麓低山区分布着大量的含盐层，径流及降水将大量的可溶性盐分携带至平原区，造成该区域土壤积盐[5,22]。加之流域干旱少雨，在自然淋溶困难的条件下，强烈的蒸发加速了含易溶性盐类的地下水不断向地表蒸发聚集，加大了表层土壤基质中可溶性盐分的含量[10]；其次，猪毛菜、盐穗木等盐生植物作为该区域的优势种群，在生长过程中根部吸收大量的盐基离子储存在体内[2]，在植物枯萎凋谢时释放，使得盐分在土壤表层累积[23]。自然因素和人为因素的综合作用下，改变了土壤盐分在土壤剖面的分布格局，造成土壤盐分离子空间分布的复杂性[7]。干三角洲土壤剖面盐分表现出底层最高，表层次之，中间层相对较低的趋势，一方面由于玛纳斯河流域的干三角洲位于流域尾部，地势较低，地下水埋深浅、水质差，往往造成底层土壤盐分含量较高[4]；另一方面，干三角洲地貌土层较厚，多年的土地开垦和膜下滴灌技术应用[11]，有限的农田灌溉量使得土壤湿润锋仅为60 cm[24]，对于灌水量的控制，未能将土壤盐分淋洗到深层，干旱的气候，成土母质普遍含盐，强烈的地表蒸发与作物蒸腾促使了中间层土壤盐分表聚[25]。总体来说，在干旱荒漠气候、母岩母质含盐、地表水和地下水、地形地貌和人为因素的综合作用下，玛纳斯河流域不同地貌类型之间的盐分含量表现出明显的差异性[26]。

流域土壤盐分阴离子以SO42-和Cl-为主，土壤以硫酸盐或氯化物硫酸盐型为主，流域不同地貌土壤盐分类型存在差异，随着海拔的降低，土体中自流域中游到下游由氯化物-硫酸盐型过渡到以氯化物型为主[17]。本研究中冲积洪积扇缘部位盐分类型为氯化物-硫酸盐型，冲击平原为氯化物型，干三角洲盐分类型为硫酸盐-氯化物型。其原因可能与离子的溶解度有关，硫酸盐的溶解度低，在土体中迁移慢，氯化物的溶解度高，移动性强，更易向流域下游及土体下部迁移[20]；冲积洪积扇缘在流域的上游部分，溶解度高的Cl-向流域中下游迁移，移动性弱的SO42-在冲积洪积扇缘土体中聚集，盐渍化类型表现为氯化物-硫酸盐型；冲积平原部位聚集了大量的Cl-，土壤盐分类型表现为氯化物型。其次地形可能也是影响盐分类型的原因之一，由冲积洪积扇缘到干三角洲，地形由山麓-山前平原-平原，移动性强的氯化物更容易在中下游累积。人为因素也影响着玛纳斯河流域盐渍化类型的分布，由于农业灌溉引水，导致河流大多在冲积平原区逐渐消亡[8]，因此移动性强的氯离子多聚集在冲积平原区。

综上所述，研究区冲积洪积扇缘位于冲洪积扇下部至冲积平原和干三角洲交接地带，水量丰富，农业种植排水和上游抽取地下水使得水位有所降低，不少溢出带洼地变为人工平原水库，但土壤盐分受高矿化度地下水运移影响大，盐分含量较高[16]，需合理利用水源防止土壤次生盐渍化。冲积平原地势平坦，土层较厚，经过多年的水利工程改造、农业种植改良和节水技术应用，耕层土壤盐分基本呈现上下运移稳定型[15]，但由于地表强烈蒸发，表层盐分含量较高[11]，应注意合理灌溉，避免耕层返盐。干三角洲靠近沙漠，土壤粘粒含量低，随着农业的耕种和灌溉，耕层底部盐分含量略高，土壤盐分有向农田外围、沙漠边缘运移的趋势，因位于下游，需注意排灌结合，避免地下水上升引起的耕层土壤盐分含量增加[26]。因此，在农田利用过程中要根据不同地貌类型下的盐分含量以及土壤养分的分布，因地制宜，合理排灌，提高盐渍化土壤的利用效率。

4 结论

1)玛纳斯河流域冲积洪积扇扇缘、冲积平原和干三角洲地貌类型，0～100 cm土壤剖面有机质平均含量分别为6.58、6.08和5.08 g·kg-1，粘粒平均含量分别为39.19%、35.87%和28.63%，有机质和粘粒含量在地貌类型间差异不显著。CEC平均含量分别为19.01、23.58和19.53 cmol·kg-1，在地貌类型间差异显著。

2) 玛纳斯河流域冲积洪积扇缘、冲积平原、干三角洲土壤盐分平均含量分别为10.76、6.85、3.30 g·kg-1，地貌类型间差异显著。地貌类型间阳离子主要以Ca2+和Na+为主，阴离子均以SO42-和Cl-为主。不同地貌类型土壤盐渍化类型不同，冲积洪积扇缘剖面盐分类型为氯化物-硫酸盐型；冲积平原为氯化物型；干三角洲为硫酸盐-氯化物型。

3)玛纳斯河流域三种地貌类型中，Na+、Cl-和 SO42-为冲积洪积扇缘地貌的主导作用因子，冲积平原地貌主要受到Na+、Cl-的影响，Ca2+、SO42是干三角洲地貌土壤盐渍化的主要特征因子。冲积洪积扇缘和干三角洲主要受到硫酸盐的影响，而氯化物则是冲积平原土壤盐渍化的主要影响因子。