研究区位于河套平原土默特左旗北什轴乡境内(111°18'—111°48'E,40°26'—40°54'N)。该区域属干旱半干旱中温带大陆性气候,海拔高度在990～1 140 m,年均气温5.8℃,极端最高气温39.3℃,极端最低气温-37.4℃,≥10℃年积温1 700～3 200℃,无霜期90～132 d^[23]; 年降水量390～400 mm左右,降水年季分布不均,主要集中在7—9月,占年降雨量的70%～80%。年蒸发量为2 000～2 500 mm,蒸降比为5.12～6.25,湿润度K值为0.45 ^[24]。自然植被多属于中旱生和湿生性植物为主,常见优势种有黄蒿、冰草、狗尾草等,非地带性盐生植被有盐爪爪、碱蓬、盐角草、芨芨草、马蔺、山苦荬、芦苇等; 土壤主要以盐化草甸土、草甸盐土、苏打盐土为主。

试验于2016年5月中旬在研究区内蒙古农业大学海流图科技园区选择具有典型性和代表性的5种利用方式(盐荒地、改良地、牧草地、农用地、林地)进行取样,每种利用方式下挖取4个土壤剖面,每个剖面距离约200～300 m。每个样点按0—10 cm,10—20 cm,20—40 cm,40—60 cm,60—80 cm,80—100 cm土层进行分层取样,将采集的土壤样品装入自封袋带回实验室自然风干后,挑去石块、根径及各种新生体和侵入体,过筛处理后备用,共采集120个土壤样品,样地基本情况见表1。

土壤pH采用电位法测定(土水比=1:5); 土壤可溶性盐分离子测定采用1:5的土水比浸提,CO^2-₃和HCO^-₃离子采用双指示剂中和滴定法,Cl^-离子采用硝酸银滴定法,Ca²⁺,Mg²⁺,SO^2-₄采用EDTA滴定法,Na⁺+K⁺离子采用差量法^[25]。

表1 取样点基本情况

试验数据用Excel 2007整理并制图,采用SPSS 16.0统计分析软件进行相关性分析和主成分分析。用Pearson 相关系数表征全盐量、pH及离子间的相关性。土壤全盐量=8种盐分离子质量分数之和。

土壤盐分离子剖面统计性描述分析结果来看(表2),剖面土壤不同层次盐分离子含量差异较大。剖面土壤CO^2-₃含量介于0.022～0.058 g/kg,HCO^-₃含量介于0.396～0.512 g/kg,Cl^-含量介于0.123～0.157 g/kg,SO^2-₄含量介于0.428～1.891 g/kg,Ca²⁺含量介于0.090～0.486 g/kg,Mg²⁺含量介于0.088～0.229 g/kg,Na⁺+K⁺含量介于0.133～0.297 g/kg; 同时从土壤剖面盐分离子的垂直变化情况来看,HCO^-₃,Cl^-,CO^2-₃和Na⁺+K⁺含量在土壤剖面垂直方向上整体波动不大,其中CO^2-₃和Na⁺+K⁺含量随土层深度增加逐渐增加,HCO^-₃和Cl^-含量随土层深度增加无明显的变化规律; 而Ca²⁺,Mg²⁺和SO^2-₄含量在土壤剖面垂直方向上整体波动较大,且随土层深度增加逐渐降低,变幅逐渐增大。整体来看,研究区由于春季土壤强烈的地表蒸发,土壤中的许多可溶性盐类随土壤水上升而积聚于地表,造成土壤盐分表聚现象明显,盐碱化程度较重。整个剖面土壤盐分离子表现为:SO^2-₄>HCO^-₃>Ca²⁺>Na⁺+K⁺>Mg²⁺>Cl^->CO^2-₃。对不同土壤剖面层各盐分离子比较,Ca²⁺,Na⁺+K⁺,SO^2-₄含量各土层差异显著(p<0.05),其他离子在各土层的差异不显著。

变异系数是反映变量离散程度的重要指标,在一定程度上揭示变量的空间分布特性^[26]。研究区剖面土壤盐分离子垂直分布的变异系数均介于11.59%～139.20%,其中剖面土壤CO^2-₃变异系数介于89.85%～109.00%、HCO^-₃变异系数介于11.59%～77.75%; Cl^-变异系数介于38.37%～91.20%、SO^2-₄变异系数介于59.53%～119.23%、Ca²⁺变异系数介于31.63%～93.20%、Mg²⁺变异系数介于49.84%～139.20%、Na⁺+K⁺变异系数介于31.53%～102.01%。依据变异系数划分标准^[27]:CV<10%,弱变异性; CV=10%～100%,中等变异性; CV>100%,强变异性。研究区土壤盐分离子属于中、强度的变异程度。Mg²⁺和SO^2-₄在0—40 cm,Na⁺+K⁺在0—10,CO^2-₃在60—100 cm土层均呈强烈的空间变异性; Cl^-,HCO^-₃和Ca²⁺在整个土壤剖面(0—100 cm),CO^2-₃在0—60 cm,Na⁺+K⁺在0～10土层均呈中等变异性。

为进一步了解土地利用变化过程中,土壤盐分与其组成离子之间的变化关系,分别对其进行了相关分析,能在一定程度上反映出盐分在土壤剖面中的存在形态、运移规律及运移趋势^[28-31]。研究区土壤pH与HCO^-₃,CO^2-₃间存在极显著的正相关,这是因为研究区除农用地0—40 cm土壤pH 小于8.50外,其他土壤不同土层pH在8.72～10.60,呈碱性,而碳酸盐和重碳酸盐是其主要的碱性盐,导致研究区土壤碱化较强。同时研究区由于春季土壤盐分运移强烈,表聚现象较为明显。0—10 cm土层全盐量除与Cl^-,CO^2-₃差异不显著外,与其他离子均呈显著或极显著相关,其中与SO^2-₄,Ca²⁺相关性较大; 土壤pH与CO^2-₃,Mg²⁺,HCO^-₃,SO^2-₄呈极显著正相关,其中与CO^2-₃,HCO^-₃相关性较大; SO^2-₄与Ca²⁺,Mg²⁺呈极显著相关。10—20 cm土层全盐量除与Cl^-,HCO^-₃差异不显著外,与其他离子均呈显著或极显著相关,其中与SO^2-₄,Mg²⁺相关性较大; 土壤pH与CO^2-₃,Ca²⁺,SO^2-₄呈显著相关。

从整个土壤剖面盐分离子间相关性来看(表3),土壤全盐量除与Cl^-差异不显著外,与其他离子均表现出极显著的正相关,其中与阴离子相关性最大的是SO^2-₄,与阳离子相关性较强的是Ca²⁺和Mg²⁺; 土壤pH与阴离子相关性最大的是CO^2-₃,与阳离子相关性最大的是K⁺+Na⁺; 此外Ca²⁺与CO^2-₃,Mg²⁺与CO^2-₃,HCO^-₃间也存在极显著正相关,这是因为土壤溶液中Ca²⁺含量的增加,容易形成碳酸盐的沉淀,降低其浓度。说明Ca²⁺,K⁺+Na⁺,SO^2-₄,CO^2-₃,HCO^-₃在控制区域盐分组成具有重要作用。

表2 典型剖面土壤盐离子含量统计特征参数g/kg

表3 土壤剖面盐分离子间的相关性

土地利用变化对土壤剖面全盐含量及其离子组成的影响显著(图1)。未受人类活动影响的盐荒地土壤含盐量随土层深度增加而逐渐减少,由表层(0—10 cm)的8.97 g/kg逐渐减少至底层(80—100 cm)的1.78 g/kg,变化幅度较大,变异系数为58.69%,具有明显的表聚特征,表层0—20 cm盐分占整个剖面54.41%。这是在研究区无植被覆盖下土壤盐分的典型分布特征。对比受人类活动干扰下不同植被类型土壤剖面平均盐分特征来看,改良地土壤剖面表层(0—10 cm)盐分质量分数最大,为4.05 g/kg,土壤含盐量垂直方向上随土层深度增加而逐渐减少,也具有明显的表聚现象,这与采样时改良地地表植被稀疏,同时地表有少量结盐现象一致,表层0—20 cm盐分占整个剖面39.70%,20 cm土层以下趋于稳定,基本稳定在2.8 g/kg左右; 农用地土壤含盐量随土层深度增加逐渐增加,具有明显的底聚特性,80—100 cm土层盐分含量为1.34 g/kg,且在垂直方向上变幅较小,变异系数17.84%; 牧草地土壤含盐量变化介于0.89～1.47 g/kg,土壤含盐量垂直方向上呈现先增大后减少的变化趋势,10—20 cm土层土壤全盐含量最大,为1.87 g/kg; 林地土壤全盐含量变化介于1.14～1.55 g/kg,且在垂直方向上的变幅较小,为弱变异性,变异系数为8.53%,平均含盐量明显低于其他利用方式。不同利用方式0—20 cm土层土壤盐分分布特征表现为:盐荒地(8.76 g/kg)>改良地(3.71 g/kg)>牧草地(1.38 g/kg)>林地(1.30 g/kg)>农用地(0.90 g/kg); 盐荒地和改良地的表层含盐量远远高于其他利用方式。对不同利用方式土壤剖面全盐量比较,未受人类活动影响的盐荒地各土层土壤全盐量与其他4种受人类活动干扰下的利用方式各层土壤全盐量差异显著(p<0.05),表明人类活动对土壤盐分的空间分布有着重要影响。

图1 不同利用方式土壤剖面中全盐量的分布特征

土壤盐分是由多种可溶性盐分离子组成,直接影响到土地的利用、改良及其分类。因此,为明确不同利用方式土壤盐分的变化特征与类型,对不同深度的土壤盐分离子进行了分析(图2)。其结果表明:盐荒地土壤中Ca²⁺,Mg²⁺,HCO^-₃,SO^2-₄含量随土层深度增加而减小,CO^2-₃含量随土层深度增加而增大,Cl^-含量在20—40 cm土层中达到最大,K⁺+Na⁺含量呈“S”曲线变化,在10—20 cm土层达最大; 改良地土壤中K⁺+Na⁺,Cl^-,HCO^-₃,CO^2-₃含量随土层深度增加而增大,Ca²⁺和SO^2-₄含量随土层深度增加而减小,Mg²⁺含量在0—10 cm土层中最大; 牧草地土壤中HCO^-₃含量随土层深度增加而增大,Ca²⁺,K⁺+Na⁺,Cl^-含量随土层深度增加表现为先增大后减小,均在10—20 cm土层达最大,Mg²⁺和SO^2-₄含量呈“S”曲线变化; 农田土壤中HCO^-₃含量随土层深度增加而增大,Cl^-和Ca²⁺随土层深度增加而减少,Mg²⁺和SO^2-₄含量呈“S”曲线变化,K⁺+Na⁺随土层深度增加表现为先增大后减小,在60—80 cm土层达最大; 林地土壤中HCO^-₃含量随土层深度增加而增大; Ca²⁺和Cl^-含量随土层深度增加而减小,K⁺+Na⁺和HCO^-₃含量随土层深度增加先增大后减小,SO^2-₄含量呈“S”曲线变化,Mg²⁺含量呈均匀性分布。整体来看,不同利用方式土壤盐分离子剖面分布差异较大,其中牧草地土壤剖面盐分离子组成中间层分布多,上下层分布相对较少,10—60 cm K⁺+Na⁺,SO^2-₄,HCO^-₃,CO^2-₃含量较高,有抑制盐分表聚的作用; 林地土壤剖面盐分离子均匀分布; 盐荒地和改良地剖面盐分组成呈“表聚”型,以Ca²⁺,SO^2-₄表聚现象尤为显著,即随土层深度增加离子含量减少; 农用地剖面盐分组成随土层深度增加离子含量增大,呈底聚型,而K⁺+Na⁺,HCO^-₃含量随土层深度增加而增大。