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(Leymus secalinus)、芦苇(pHragmites australis)、碱地风毛菊(Saussurea runcinata)、盐角草(Salicornia europaea)、西伯利亚蓼(Polygonum sibiricum)、苦豆子(SopHora alopecuroides)、水麦冬(Triglochin maritimum)等。

1.2 地下水埋深数据及土壤样品采集与分析

鉴于干旱区春、秋两季的聚盐高峰及盐分的表聚性特点, 综合考虑研究区的地质地貌、湿地、植被类型和难到达区域等自然地理因素于2018年8月下旬至9月上旬(群落生物量达到最大时)进行湿地群落学调查；为获取土壤盐分含量和地下水水质等资料, 甘肃省地质环境研究院于2016—2018年在苏干湖湿地布设的共98眼探坑、探井(图 1), 用铁铲挖至地下水流出, 待水位稳定后测量地下水埋深并采集地下水样品, 获得全区共101个地下水位点及地下水水样, 并在水质监测井原点及周边取得表层0—10 cm的土壤样品101处(图 1), 对采样点进行编号, 并用GPS定位, 记录样点周围的植被、作物生长状况、土壤质地等信息, 并采集表层0—10 cm土壤样品装入铝盒, 带回实验室内自然风干、磨碎、过2 mm筛后备用, 所有土壤样品均制备1:5土水质量比浸提液, 参照《土壤农业化学分析方法》^[27]测定土壤Ca²⁺、Mg²⁺、K⁺、Na⁺、CO₃^2-、HCO₃^-、Cl^-、SO₄^2-含量, 离子加和法计算土壤盐分含量, 土壤全盐含量、地下水位埋深、水质监测数据均来源于甘肃省地质环境研究院。

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% < CV < 100%为中等变异性；CV≥100%为强变异性^[28]。

(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), …, (x_n, y_n)为n次独立观测值, r代表Pearson相关系数, 其计算公式为：

式中, ；相关系数r的取值范围为[1, -1], r越大表明变量间的相关程度越强^[14]。

(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, r_ij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。

2.2 地下水水质

苏干湖湿地地下水pH值介于7.06—9.56, 均值为8.04±0.47c, 变异系数小于10%, 呈现弱变异性(表 2)。从离子浓度均值：SO₄^2->Cl^->Na⁺>HCO₃^->Mg²⁺>Ca²⁺>K⁺>CO₃^2-, 地下水阳离子以Na⁺为主, 约占阳离子总量比例的69.5%, 其次是Mg²⁺和Ca²⁺, 约占阳离子总量比例为18.7%和7.6%, 占比最少的是K⁺；地下水阴离子以SO₄^2-和Cl^-为主, 占阴离子总量的比例约为45.59%和44.5%, 其次为HCO₃^-, 约占阴离子总量的9.57%, CO₃^2-浓度最低；离子浓度变异系数：Na⁺>Mg²⁺>Ca²⁺>Cl^->SO₄^2->HCO₃^->K⁺>CO₃^2-, 地下水阳离子Ca²⁺、Mg²⁺和Na⁺的变异系数≥100%, 属于强变异性, K⁺属于中等变异性, 各个阳离子的标准差和变异系数值较大, 说明其离散程度较大；地下水阴离子CO₃^2-的变异系数为2.99, 属于弱变异性, HCO₃^-、Cl^-的变异系数介于10%—100%间, 呈现中等变异性特征。

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。

2.3.2 表层全盐含量与地下水水质间综合关联度分析

利用皮尔逊相关分析法研究表层土壤盐渍化与地下水环境间的交互作用, 发现研究区土壤全盐含量与pH、地下水中离子间均存在着不同程度的相关性(表 3), 土壤全盐含量与地下水中的Mg²⁺、Na⁺、Cl^-、SO₄^2-离子间呈极显著正相关(P < 0.01), 相关系数介于0.44—0.58, 与pH及Ca²⁺间呈显著正相关(P < 0.05), 相关系数分别为0.29和0.35, 与K⁺、CO₃^2-、HCO₃^-间的相关性系数较低且不显著。pH值与Ca²⁺间呈极显著负相关, 与CO₃^2-呈极显著正相关, 各离子间存在极显著正相关, 且相关系数存在差异性。

采用主成分分析方法进一步综合分析pH和水质特征(Mg²⁺、Na⁺、Ca²⁺、K⁺、Cl^-、SO₄^2-、CO₃^2-、HCO₃^-)对表层土壤全盐含量的贡献, 结果表明：第一、二、三主成分的方差贡献率分别为65.14%、19.23%和6.59%, 其累计贡献率达到了84.53%, 说明它们对大多数指标已给出充分的概括。其中, 第一主成分中的各指标均为正向负荷, 能较全面地反映了各项指标, 对土壤含盐量影响最大, 与第一主成分密切相关的是Mg²⁺、Na⁺、Cl^-、SO₄^2-, 它们与第一主成分的相关系数绝对值都超过了0.80, 说明土壤含盐量主要受到Mg²⁺、Na⁺、Cl^-、SO₄^2-的影响；在第二主成分中, pH和地下水位的载荷较高, 其值为0.71和0.54, 呈正相关, 说明该主成分是在第一主成分的基础上进一步反映了土壤含盐量一定程度上受到地下水位和pH的影响；在第三主成分中, 地下水位埋深的载荷最高, 为0.74, 说明该主成分是在第一、二主成分的基础上进一步反映了土壤含盐量一定程度上受到地下水位的影响。

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]。

地下水中的化学组分是水循环过程中与周围岩土体环境发生着溶滤、蒸发浓缩、离子交换等作用而产生的, 直接关系到土壤盐分来源, 决定着土壤表层的积盐程度^[35—36]。相关研究发现盐分在土体中上下运动以氯化物最为活跃, 硫酸盐次之, 碳酸盐较稳定, 氯化物通过溶滤作用最容易进入地下水中, 并向下游汇集, 随着溶滤作用的延续, 相对易溶的硫酸盐进入地下水中, 含水层中主要为以钙镁离子为主的碳酸盐, 随着地下水流程的增加, 溶滤作用长期持续, 使进入地下水中的各离子增多^[37]。苏干湖湿地受季节性洪水及大小哈尔腾河流的补给的影响下, 通过混合、蒸发浓缩、溶滤、阳离子交替吸附作用下, 苏干湖湿地地下水中阳离子Na⁺和阴离子SO₄^2-和Cl^-的平均浓度较高, 这与Zhou研究的结论相一致^[38], 总体水化学类型为Na⁺-SO₄^2--Cl^-型, 不同水位埋深的地下水化学性质不同, 且对表层盐分的积累的贡献率存在差异性。其中地下水中的Na⁺、Mg²⁺、SO₄^2-、Cl^-等主控离子与表层全盐含量间呈极显著正相关(P<0.01), 对表层盐分的贡献率最大；土壤全盐含量与pH、Ca²⁺间呈显著正相关(P<0.05), 与K⁺、CO₃^2-、HCO₃^-间的性关系数较低且不显著；这与Cui等人的研究观点相一致^[39], Na⁺和Cl^-在土体中上下运动最为活跃, 水化半径小, 不易被土壤胶体吸附, 随水分的移动能力强, 故Cl^-和Na⁺对土壤盐分含量的贡献一般较Ca²⁺和Mg²⁺大, 故Cl^-和Na⁺与土壤表层盐分含量的相关性较强(表 4)；阳离子Mg²⁺是二价阳离子, 水化半径小于Na⁺, Mg²⁺随水移动性较好, SO₄^2-次之, 水化半径大, 土壤胶体吸附的能力强, 土壤胶体由于同晶替代等原因一般带正电荷, 且对阴离子Cl^-吸附较弱, 易水毛管水带运移至表层积累；在强烈的蒸发作用下地下水中的Na⁺、Mg²⁺、SO₄^2-、Cl^-离子随毛管水带的运移速率较快, 且其含量较大, 与表层全盐含量间呈极显著正相关；而阳离子Ca²⁺是二价阳离子, 水化半径小于Na⁺, Ca²⁺随水移动性比Mg²⁺较差, Ca²⁺对表层盐分的贡献小于Mg²⁺。CO₃^2-、HCO₃^-较稳定, K⁺离子能较好的为土壤和岩石吸附, 又是植被必须的营养物, 地下水中的CO₃^2-、HCO₃^-和K⁺离子含量较低, 对表层土壤盐分的积累贡献较低, 相关性不显著(表 3)。pH的相关性排序相对较为靠后, 说明与土壤表层盐分含量的关系密切程度较弱, 地下水pH较为稳定, 且空间变异性弱, 对表层土壤全盐含量未构成影响, 这与吕真真的研究结果相一致^[29]

4 结论

苏干湖湿地低洼封闭的地势、地形条件是水盐的汇集中心, 在强烈蒸发作用下受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水上升积累于地表, 土壤盐渍化严重, 表层0—10 cm全盐含量随着地下水埋深的增加呈先增加后降低的趋势, 地下水位埋深对土壤全盐含量影响存在阈值, 在水埋深 < 1 m、1—2 m的区域, 两者间呈正相关, 水埋深介于2—3 m和>3 m的区域, 两者间呈负相关, 水埋深增加了表层全盐含量的非均质性特征；地下水以阳离子Na⁺为主, 阴离子以SO₄^2-和Cl^-为主控离子, 各离子受自身的理化特性及蒸发浓缩、溶滤、阳离子交替吸附作用下, 与表层土壤盐分含量相关性存在差异性, 其中全盐含量与Na⁺、Mg²⁺、SO₄^2-和Cl^-间呈极显著正相关(P < 0.01), 与K⁺、CO₃^2-、HCO₃^-间的性关系数较低且不显著。不同水位埋深下表层全盐含量变化的差异性及其与地下水埋深、水质特征间的相关性, 体现了内陆盐沼湿地复杂的土壤水盐运移过程。今后的研究将进一步考虑研究区地表水、地下水的水质特征分布格局及其与包气带盐分的关系等方面, 进一步认识内陆盐沼湿地土壤盐分的主要来源和地表、地下水环境变化过程对湿地植被群落的生长、分布格局影响具有重要意义。