劉建波，楊 帆，王志春，聶朝陽，張 璐，安豐華，郭亮亮

(1.中國科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，吉林 長春 130102； 2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049 )

0 引 言

松嫩平原西部存在著大面積的蘇打鹽漬土，是全球蘇打鹽漬土集中分布區(qū)之一[1]。蘇打鹽漬土鹽分組成以碳酸鈉和碳酸氫鈉為主，具有“三高兩低”的特點(diǎn)，即：高pH、高鹽分含量、高交換性鈉；低通透性、低養(yǎng)分有效性[2]，嚴(yán)重影響著植物的生長和發(fā)育。同時(shí)，蘇打鹽漬土性質(zhì)表現(xiàn)出顯著的空間異質(zhì)性，即小尺度范圍內(nèi)存在地形地貌的微起伏，高度相差僅為幾厘米到幾十厘米，植物種類和分布卻有巨大的差異[3]，導(dǎo)致該區(qū)廣泛存在鑲嵌狀或條帶狀鹽斑和堿斑[4]。這種土壤性質(zhì)異質(zhì)性改變了植物水分條件，進(jìn)而影響了植被和景觀單元的分布。有研究認(rèn)為是微域地形的表生作用，引起水文過程的變化，進(jìn)而導(dǎo)致土壤鹽分含量在很小的微區(qū)內(nèi)產(chǎn)生較大的差異，加速了鹽漬化過程和生態(tài)退化[5-7]。目前，微域土壤水鹽和植物響應(yīng)已成為研究的熱點(diǎn)[8-9]。

學(xué)者們?cè)?0世紀(jì)60年代就開始關(guān)注微域堿斑形成的原因，主要以野外調(diào)查定性研究為主。研究指出，干旱、半干旱地區(qū)的微斜平地及洼地都是水鹽匯集之地，但微斜平地和洼地的不同部位具有不一樣的積鹽強(qiáng)度，微地形的差異是引起水鹽運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生差異的主要原因，進(jìn)而影響著植被的生長和分布[1]。隨著研究的深入，開始對(duì)微域尺度水鹽運(yùn)移進(jìn)行定量化研究。采用野外和室內(nèi)定位試驗(yàn)研究微域尺度鹽堿分布特征，發(fā)現(xiàn)32 m的微域尺度內(nèi)相對(duì)高程由低到高依次分布著鹽化草甸土、淺位柱狀堿土、白蓋蘇打堿土和中位柱狀堿土4種土壤類型[10]。研究認(rèn)為，微地形是影響土壤水分遷移的主要因素[11]，并且植被對(duì)微域尺度土壤鹽漬化發(fā)生和演化具有重要作用，在相距3～5 m的微域尺度內(nèi)(相對(duì)高差為2～18 cm)，植被破壞后，土壤表層結(jié)構(gòu)惡化，土壤由鹽堿較弱的鹽化草甸土迅速向堿化度較重的淺位柱狀堿土和白蓋蘇打堿土轉(zhuǎn)化，最終使整個(gè)區(qū)域的鹽漬化程度不斷加重[12]。

近年來，微域研究逐漸由點(diǎn)的研究向面上研究發(fā)展，在微域鹽堿空間變異方面也進(jìn)行了深入研究，新的研究方法也不斷加入。地統(tǒng)計(jì)學(xué)以區(qū)域化變量理論為基礎(chǔ)，以變異函數(shù)為基本工具，研究在空間上分布并具有隨機(jī)性和結(jié)構(gòu)性特點(diǎn)的數(shù)據(jù)，是一種有效探索空間分布和變異規(guī)律的方法[13]。地統(tǒng)計(jì)學(xué)的應(yīng)用，使微域鹽堿空間變異研究實(shí)現(xiàn)了量化。姚榮江等將地統(tǒng)計(jì)學(xué)應(yīng)用于黃河三角洲探索水鹽空間變異[14]，楊建鋒等[15]、楊帆等[16]將地統(tǒng)計(jì)學(xué)應(yīng)用于松嫩平原的蘇打鹽漬土上研究小尺度鹽化和堿化的空間變異。以上研究都集中在土壤鹽堿的變異特征，然而，微地形下鹽堿的空間變異與其土壤物理特性和地表植被密不可分，三者之間相互驗(yàn)證，才能深入揭示微域鹽堿變異機(jī)理。因此，本研究將微地形下土壤理化特性及地表植物作為一個(gè)完整的系統(tǒng)，運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法研究土壤理化變異特性及地表植物分布，旨在為鹽堿地生態(tài)治理和耕作管理提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于中國科學(xué)院大安堿地生態(tài)試驗(yàn)站內(nèi)(123°50′27″～123°51′31″E，45°35′58″～45°36′28″N)，該區(qū)域?qū)儆谥袦貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候區(qū)，也屬于半濕潤向半干旱氣候的過渡地帶，年平均降水量413.7 mm，年平均蒸發(fā)量1 756.9 mm[17]，蒸降比高，蒸發(fā)量是降水量的4倍多。該區(qū)域的地形起伏微小，具有典型的微地形特征，土壤的鹽堿變異程度大，呈現(xiàn)輕、中、重鹽漬土復(fù)合鑲嵌格局，植被退化嚴(yán)重。在區(qū)域內(nèi)選取一塊存在高程差距且人為干擾較小的草地，作為研究區(qū)域(123°50′44″～123°50′52.4″E，45°36′01.8″～45°36′05.9″N)(圖1)。實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該研究區(qū)域內(nèi)分布著多種蘇打鹽漬土退化草地的典型植被，如羊草(LeymuschinensisTzvel)、蘆葦(Phragmitescommunis)、堿地膚(Kochiascoparia)、角堿蓬(SuaedacorniculataBunge)、堿茅(Puccinelliadistans)、豬毛蒿(Artemisiascoparia)、堿地風(fēng)毛菊(Saussurearuncinata)、假葦拂子茅(Calamagrostispseudophragmites)、刺菜(Cirsiumsetosum)、苣荬菜(Sonchusarvensis)、虎尾草(ChlorisvirgateSwarta)和狗尾草(Setariaviridis)等。

圖1 研究區(qū)位置圖和采樣點(diǎn)布置Fig.1 Map of the study site location and sampling layout

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

研究區(qū)域長150 m，寬120 m，面積1.8×104m2，將整個(gè)研究區(qū)域劃分為大小15 m×15 m的80個(gè)網(wǎng)格(圖1c)。選擇每個(gè)網(wǎng)格的中心位置代表當(dāng)前網(wǎng)格區(qū)域，插竹竿，利用手持式GPS測定其經(jīng)、緯度坐標(biāo)，并做好標(biāo)記，以便后期尋找。通過測定所有點(diǎn)的相對(duì)高程(RE)、土壤物理性質(zhì)(0～20 cm土壤容重(BD)、0～20 cm土壤總孔隙度(TP)、0～20 cm和20～40 cm的土壤質(zhì)量含水量(SWC0～20和SWC20～40))和土壤化學(xué)性質(zhì)(0～20 cm和20～40 cm的土壤pH(pH0～20和pH20～40)、電導(dǎo)率(EC0～20和EC20～40)、鈉吸附比(SAR0～20和SAR20～40))，分析土壤物理、化學(xué)性質(zhì)的空間分布特征。2020年7月20日，對(duì)復(fù)合微地貌鑲嵌體試驗(yàn)場進(jìn)行植物生物量(PB)調(diào)查。

相對(duì)高程測定方法：首先在該區(qū)域的中間部位架設(shè)水準(zhǔn)儀，測定其基準(zhǔn)高度，用水準(zhǔn)儀測定該區(qū)域內(nèi)每個(gè)網(wǎng)格中心點(diǎn)的高程，并計(jì)算高程差，最后選擇整個(gè)區(qū)域的最低點(diǎn)作為相對(duì)高程的參考面，將其高度設(shè)置為0，并依次得出其他點(diǎn)的相對(duì)高程差。

土壤物理性質(zhì)測定方法：土壤容重：采用環(huán)刀法取原狀土進(jìn)行測定；土壤總孔隙度：由容重可以計(jì)算求得[18]；土壤質(zhì)量含水量：采用烘干稱重法進(jìn)行測定[18]。

土壤化學(xué)性質(zhì)測定方法：將采集的土樣風(fēng)干后，研磨過2 mm篩，取土壤與去離子水為1∶5的浸提液用于測定pH、EC、可溶性離子(Na+、Ca2+、Mg2+)。pH和EC分別用pH計(jì)和電導(dǎo)率儀測定，Na+采用火焰光度計(jì)測定，Ca2+和Mg2+采用EDTA絡(luò)合滴定法測定。SAR是反映土壤堿性的重要指標(biāo)，土壤SAR的計(jì)算公式如下：

其中：離子濃度單位為mmolc·L-1，SAR單位為(mmolc·L-1)1/2。

植物生物量：在每個(gè)網(wǎng)格樣點(diǎn)放置一個(gè)(1×1)m2的樣方框取地上部的植物樣本，并稱得其鮮重(FW)。植物樣品首先經(jīng)過105 ℃殺青半小時(shí)，然后在75 ℃下烘干至恒重，稱取地上部生物量，測得其干重(DW)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有的數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析均采用Excel 365和SPSS 26.0軟件統(tǒng)計(jì)，用Origin 2019進(jìn)行繪圖。利用單樣本K-S檢驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的正態(tài)性檢驗(yàn)。利用GS+9.0軟件對(duì)研究區(qū)內(nèi)的相對(duì)高程、土壤物理和化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行半方差函數(shù)分析，并利用Arcgis 10.7生成研究區(qū)內(nèi)各個(gè)參數(shù)的空間插值圖。對(duì)研究區(qū)內(nèi)的相對(duì)高程、土壤物理和化學(xué)性質(zhì)及生物量進(jìn)行Pearson相關(guān)分析，并將微地形相對(duì)高程差作為自變量進(jìn)行回歸擬合。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤理化指標(biāo)的描述性統(tǒng)計(jì)特征

本試驗(yàn)選取相對(duì)高程，0～20 cm土壤容重、0～20 cm土壤總孔隙度、0～20 cm和20～40 cm土壤含水量3種土壤物理指標(biāo)，0～20 cm和20～40 cm的土壤pH、土壤電導(dǎo)率和鈉吸附比3種土壤化學(xué)指標(biāo)進(jìn)行研究。由表1可知，表層土壤容重的變異系數(shù)為0.098，0～20 cm和20～40 cm土壤pH的變異系數(shù)分別為0.080和0.067，均屬于弱變異性，其他指標(biāo)的變異系數(shù)在0.116～0.696之間，均大于0.1，且小于1，表明各指標(biāo)樣本數(shù)據(jù)均具有中等變異強(qiáng)度[19]。雖然表層土壤容重屬于弱空間變異性，但其最大值為1.64 g·cm-3，中位數(shù)和眾數(shù)分別為1.47和1.53 g·cm-3，與一般土壤1.0～1.5 g·cm-3的容重相比，蘇打鹽漬土的土壤惡劣，通氣透水性嚴(yán)重降低，不利于一般植物的生長和發(fā)育[20]，同時(shí)pH均值為9.8，研究區(qū)的土壤堿性強(qiáng)。

數(shù)據(jù)呈現(xiàn)正態(tài)分布對(duì)于地統(tǒng)計(jì)學(xué)是前提條件[21-22]。利用單樣本Kolmogorov-Smirnov檢驗(yàn)對(duì)各個(gè)土壤指標(biāo)進(jìn)行正態(tài)檢驗(yàn)，相對(duì)高程和0～20 cm土壤質(zhì)量含水量符合正態(tài)分布，其他土壤指標(biāo)經(jīng)過轉(zhuǎn)化后也符合正態(tài)分布。表1所列的土壤理化指標(biāo)均滿足地統(tǒng)計(jì)學(xué)的前提假設(shè)。

表1 土壤物理、化學(xué)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)特征值Table 1 Statistical characteristic values of soil physical and chemical indicators

2.2 土壤理化指標(biāo)的空間變異結(jié)構(gòu)分析

半方差函數(shù)是地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析的特有函數(shù)，利用GS+9.0軟件擬合最優(yōu)的半方差函數(shù)的理論模型，并確定其參數(shù)，繪制半方差函數(shù)圖。經(jīng)過半方差函數(shù)的計(jì)算，得到一系列半方差函數(shù)值的離散點(diǎn)，根據(jù)離散點(diǎn)的分布和形狀，可以對(duì)其進(jìn)行不同類型模型的擬合。根據(jù)決定系數(shù)(r2)越接近1，殘差平方和(RSS)越小，擬合效果越好的原則，選擇最優(yōu)的理論模型擬合，得到半方差函數(shù)圖。由圖2可看出，相對(duì)高程(圖2a)的最優(yōu)理論模型為球狀模型；而在土壤物理指標(biāo)中，容重(圖2b)的最優(yōu)理論模型為高斯模型，SWC20～40(圖2e)的理論模型為指數(shù)模型，其他兩個(gè)土壤物理指標(biāo)(圖2c、d)均為球狀模型；土壤化學(xué)指標(biāo)中，除SAR20～40(圖2k)為高斯模型外，其他指標(biāo)pH0～20(圖2 f)、pH20～40(圖2 g)、EC0～20(圖2h)、EC20～40(圖2i)、SAR0～20(圖2 j)的最優(yōu)理論模型均為指數(shù)模型。

通過半方差函數(shù)圖可以得到相應(yīng)的參數(shù)，分別為塊金值C0、基臺(tái)值C0+C、塊金系數(shù)(C0/C0+C)、和變程A0，可以解釋空間結(jié)構(gòu)性和隨機(jī)性變化。由表2可知，除SWC20～40的決定系數(shù)為0.599以外，其他參數(shù)的決定系數(shù)均大于0.6，說明對(duì)于所列參數(shù)，其半方差函數(shù)模型的擬合度較好，深層土壤的含水率可能受到更多的隨機(jī)因素的影響，半方差值較為離散。

理論上，當(dāng)兩個(gè)采樣點(diǎn)之間的距離為0時(shí)，半方差函數(shù)值應(yīng)為0，但由于存在測量和采樣誤差、短距離空間變異、隨機(jī)因素和固有因素引起的正基底效應(yīng)[23]，使得兩個(gè)點(diǎn)之間的距離非常接近時(shí)，半方差函數(shù)值不為0，即存在塊金值。由表2可知，總孔隙度的C0為10.34，SWC0～20和SWC20～40的C0分別為0.53和0.87，且三者C0+C在17～30之間，數(shù)值均較大；而其他參數(shù)的C0值均較小，且接近于0，說明這些參數(shù)的取樣距離較合理，測量誤差相對(duì)較小。

塊金系數(shù)可以表示空間自相關(guān)部分引起空間變異性程度的大小[24]。由表2可知，所有的土壤理化指標(biāo)塊金系數(shù)均小于75%，其中相對(duì)高程、SWC0～20、SWC20～40、pH20～40、EC0～20、EC20～40、SAR0～20和SAR20～40均小于25%，具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，表明其變化主要是由于成土母質(zhì)、地形地貌、氣候條件等非人為的區(qū)域結(jié)構(gòu)性因素導(dǎo)致的[12]，即微地形在一定程度上對(duì)于上述指標(biāo)具有影響。而土壤物理指標(biāo)的容重和總孔隙度、土壤化學(xué)指標(biāo)pH0～20的塊金系數(shù)處于25%～75%之間，具有中等空間相關(guān)性，受到結(jié)構(gòu)性因素和隨機(jī)性因素的共同影響。

變程反映了區(qū)域化變量空間自相關(guān)范圍的大小，其大小受觀測尺度的影響。由表2可知，所有指標(biāo)的變程在36～100 m之間，均大于采樣距離15 m，說明樣本之間存在相關(guān)關(guān)系。且變程各不相同，說明微地形對(duì)各指標(biāo)影響程度不同，空間自相關(guān)范圍也存在差距。

地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析可以得到分形維數(shù)D(0)，其大小可以衡量土壤指標(biāo)空間異質(zhì)性的程度，所有指標(biāo)的D(0)在1.651～1.943之間(表2)，均小于2，表明空間自相關(guān)部分引起了空間異質(zhì)性[25]。同樣在土壤表層上，SWC0～20的D(0)比鹽堿指標(biāo)pH0～20和EC0～20的D(0)小，空間自相關(guān)程度大；而無論在哪個(gè)土層上，土壤水分空間自相關(guān)程度都比電導(dǎo)率空間自相關(guān)程度大，土壤堿化指標(biāo)的空間自相關(guān)程度均比鹽化指標(biāo)大。

表2 土壤物理、化學(xué)指標(biāo)的半方差函數(shù)模型及其參數(shù)值Table 2 Semivariance variogram models and parameter values of soil physical and chemical indicators

2.3 土壤理化指標(biāo)的空間分布特征

研究區(qū)相對(duì)高程的空間分布(圖3)為西北部和南部整體地勢(shì)低洼，在研究區(qū)中部靠北的區(qū)域相對(duì)高程達(dá)到了最大值，為0.705 m，由南向北呈現(xiàn)出相對(duì)高程先遞增、后降低的趨勢(shì)。其中圖3中由75號(hào)點(diǎn)向北延伸到35號(hào)點(diǎn)的采樣帶相對(duì)高程呈現(xiàn)出由低到高的變化趨勢(shì)。

圖3 研究區(qū)相對(duì)高程空間分布Fig.3 Spatial distribution map of relative elevation in the study area

容重的空間分布(圖4a)為西北方向相對(duì)高程低的地區(qū)整體偏低，研究區(qū)大部分容重均在1.37 g·cm-3以上，其中容重最高的地方出現(xiàn)在了中部偏南相對(duì)高程為40～50 cm的東西條帶上，容重均高于1.45 g·cm-3，最大值達(dá)到了1.64 g·cm-3，該條帶分布于相對(duì)高程遞增過程的梯度帶的中間部位。土壤總孔隙度的空間分布(圖4b)與容重的空間分布恰恰相反，西北方向相對(duì)高程低的地區(qū)土壤總孔隙度能到60%，而其他地方土壤總孔隙度均在50%以下，且同樣在中部偏南的東西條帶上土壤孔隙度最低，在39.4%～43.7%之間，位于相對(duì)高程梯度帶的中間部位。

研究區(qū)0～20 cm土壤含水量(圖4c)之間的差異不大，最大和最小值之間只相差15%，和相對(duì)高程的分布一樣，西北部和南部相對(duì)高程低的地區(qū)整體含水量偏高，沿著由南向北逐漸升高的相對(duì)高程梯度線，SWC0～20逐漸降低。研究區(qū)20～40 cm土壤質(zhì)量含水量(圖4d)與相同部位0～20 cm土壤質(zhì)量含水量相比，大部分區(qū)域均有降低的趨勢(shì)，但整體還是西北部和南部相對(duì)高程低的地區(qū)含水量高。

注：(a)表層土壤容重；(b)表層土壤總孔隙度；(c)0～20 cm土壤含水量；(d)20～40 cm土壤含水量。Note:(a)Soil bulk density of surface;(b)Total porosity of surface;(c)Soil water content of 0～20 cm;(d)Soil water content of 20～40 cm.圖4 研究區(qū)土壤物理性質(zhì)空間分布Fig.4 Spatial distribution map of soil physical properties in the study area

研究區(qū)0～20 cm土壤pH的分布(圖5a)和20～40 cm土壤pH的分布(圖5b)與研究區(qū)容重的空間分布具有相似性，高pH的分布區(qū)出現(xiàn)在容重高的條帶上，且大部分研究區(qū)的pH0～20和pH20～40分別都在9.08和9.14以上，且相同部位深層土壤pH20～40較淺層土壤pH0～20增加，平均增加0.2～0.5個(gè)單位。高pH的分布區(qū)域從西南向東北逐漸增加。

注：(a)0～20 cm pH；(b)20～40 cm pH；(c)0～20 cm電導(dǎo)率；(d)20～40 cm電導(dǎo)率；(e)0～20 cm 鈉吸附比；(f)20～40 cm鈉吸附比。Note:(a)pH(0～20 cm);(b)pH(20～40 cm);(c)Electrical conductivity of 0～20 cm;(d)Electrical conductivity of 20～40 cm;(e)Sodium adsorption ratio of 0～20 cm;(f)Sodium adsorption ratio of 20～40 cm.圖5 研究區(qū)土壤化學(xué)性質(zhì)空間分布Fig.5 Spatial distribution map of soil chemical properties in the study area

研究區(qū)0～20 cm土壤EC(圖5c)和20～40 cm土壤EC(圖5d)具有相似的空間分布，整體分布都是西北部相對(duì)高程低的地區(qū)偏低，土壤容重?cái)?shù)值大的東西條帶上相應(yīng)的EC數(shù)值也大，均在1.34 mS·cm-1以上，且在中心呈環(huán)狀或斑塊狀分布，整個(gè)區(qū)域大部分的電導(dǎo)率均小于1.2 mS·cm-1。深層土壤的EC較淺層土壤的EC高，平均高0.1～0.5 mS·cm-1。

研究區(qū)0～20 cm土壤SAR(圖5e)和20～40 cm土壤SAR(圖5f)具有相似的空間分布，研究區(qū)整體SAR數(shù)值較低，但在土壤容重?cái)?shù)值大的東西條帶上相應(yīng)的SAR數(shù)值也越大，均在10(mmolc·L-1)1/2以上，且中心部位同樣呈環(huán)狀或斑塊狀分布，整個(gè)區(qū)域大部分的SAR均小于8.8(mmolc·L-1)1/2。深層土壤的SAR較淺層土壤的SAR高，平均高1～1.5(mmolc·L-1)1/2。

綜上所述，無論是土壤的物理指標(biāo)還是化學(xué)指標(biāo)，其空間分布都呈現(xiàn)明顯的條帶狀分布和斑塊狀分布。容重隨相對(duì)高程的增加呈現(xiàn)先增大后減小的分布，總孔隙度和土壤含水量與容重的空間分布相反，pH、EC和SAR與容重的分布存在高度的空間相似性，并和微地形的分布存在聯(lián)系。

2.4 微地形研究區(qū)植物生物量空間分布

通過對(duì)研究區(qū)內(nèi)植物生物量的調(diào)查，繪制研究區(qū)內(nèi)植物生物量(鮮重和干重)的空間分布圖。鮮重(圖6a)和干重(圖6b)的分布趨勢(shì)基本一致，呈現(xiàn)出西南部相對(duì)高程低的地區(qū)整體生物量大，鮮重在856 g·cm-3以上，干重在300 g·cm-3以上。而東北部相對(duì)高程較高的地區(qū)生物量較小，鮮重在680 g·cm-3以下，干重在300 g·cm-3以下。植物生物量在相對(duì)高程梯度帶上的變化趨勢(shì)和容重相反，生物量的分布也同樣呈現(xiàn)出斑塊狀或條帶狀分布。

注：(a)鮮重；(b)干重。Note:(a) Fresh weight;(b) Dry weight.圖6 研究區(qū)植物生物量空間分布Fig.6 Spatial distribution map of plant biomass in the study area

2.5 土壤理化性質(zhì)和植物生物量與微地形的相關(guān)性

相關(guān)分析表明，微地形研究區(qū)的相對(duì)高程和所有的土壤物理、化學(xué)指標(biāo)均具有極顯著的相關(guān)性(表3)。相對(duì)高程與容重、孔隙度、pH0～20、pH20～40、EC0～20、EC20～40、SAR0～20和SAR20～40呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)；然而，相對(duì)高程與SWC0～20和SWC20～40呈極顯著負(fù)相關(guān)(P< 0.01)。雖然植物的鮮重和容重之間不具有相關(guān)性，但是植物的干重和容重之間具有顯著相關(guān)性(P<0.05)。植物干重也和所有的土壤物理、土壤化學(xué)指標(biāo)具有顯著相關(guān)性，其中，植物干重和土壤水分(SWC0～20、SWC20～40)具有極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與土壤化學(xué)指標(biāo)具有極顯著負(fù)相關(guān)性(P<0.01)。同時(shí)植物的干重和鮮重又都和相對(duì)高程具有顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。

表3 土壤物理、化學(xué)性質(zhì)與微地形和植物生物量的相關(guān)性Table 3 Correlations of soil physical and chemical properties with microtopography and plant biomass

深層土壤的理化性質(zhì)和鮮重的相關(guān)性比淺層大，說明土壤剖面深度是微地形影響下土壤物理、化學(xué)性質(zhì)和生物量空間變異的一個(gè)因素。且土壤含水量在不同土壤剖面深度上具有較大差異，較土壤化學(xué)性質(zhì)(pH、EC)不同土層之間的差異大，說明微地形對(duì)于土壤水分的影響比對(duì)土壤鹽堿的影響劇烈，進(jìn)一步證實(shí)了微域地形地貌是影響土壤水分遷移的重要因素[26]，土壤水分含量對(duì)于干旱退化地區(qū)的植物分布是極其關(guān)鍵的影響因子[27]。地形地貌因素通過調(diào)節(jié)地表過程，極大地影響土壤性質(zhì)和植物分布[27]，微地形影響下，坡面土壤的水勢(shì)梯度和溫度梯度會(huì)產(chǎn)生較大差異[28]，影響土壤水分的再分配過程，進(jìn)而影響土壤理化性質(zhì)，最后土壤理化性質(zhì)又影響植物生長發(fā)育。

2.6 土壤理化性質(zhì)和植物生物量與相對(duì)高程的回歸分析

從研究區(qū)土壤物理、化學(xué)性質(zhì)和生物量的空間分布圖(圖3-圖6)可以看出，除容重在相對(duì)高程增加的過程中，在50～60 cm高的條帶出現(xiàn)了極大值，總孔隙度出現(xiàn)和容重相反的規(guī)律，其他變量整體的變化趨勢(shì)是隨著研究區(qū)相對(duì)高程的增加，變化趨勢(shì)較單一，SWC和植株生物量降低，pH和EC升高。但通過將土壤物理、化學(xué)性質(zhì)和生物量與相對(duì)高程做回歸分析(圖7)可知，除了鮮重、干重呈線性規(guī)律，其他指標(biāo)的回歸模型均為二次函數(shù)。即在微地形升高的過程中存在某一高度使土壤鹽堿達(dá)到最高閾值，超過該值，土壤鹽堿不再隨著高程的上升而上升。鹽堿最高閾值也表現(xiàn)為土壤容重最大，總孔隙度最小，理化性質(zhì)最惡劣。而與之前的研究相比較，本研究顯示土壤鹽堿達(dá)到閾值時(shí)相對(duì)高程的轉(zhuǎn)折點(diǎn)為50～60 cm，而楊建鋒等[15]的研究也發(fā)現(xiàn)蘇打鹽漬土鹽化和堿化的空間變異和微地形關(guān)系密切，但其所得結(jié)論為微地貌的最高處鹽化和堿化程度最重，微地貌最低處鹽化和堿化程度最輕，應(yīng)是其研究高度未達(dá)到一定高程，其研究區(qū)高差小于10 cm。雖然楊帆等[16]在研究微地形和土壤鹽堿空間變異中，pH、EC指標(biāo)和地形高程之間也得到了二次方程的回歸曲線，但因?yàn)槠溲芯繀^(qū)的相對(duì)高程差最大為36.3 cm，也未超過鹽堿閾值的高度。而本研究區(qū)的相對(duì)高程差進(jìn)一步增大到了70.5 cm，且出現(xiàn)閾值的高度小于微地形最大相對(duì)高程差，所以提出土壤鹽堿出現(xiàn)最高閾值的微地形高度為50～60 cm。究其原因是因?yàn)樵诘匦?、質(zhì)地和氣候等因素的影響下，斜坡不同部位土壤含水量的時(shí)空分布存在明顯差異[29]。旱季洼地一般匯集水鹽，而與洼地相連接的微斜坡地上存在不均衡的水勢(shì)梯度，土壤水分在蒸發(fā)力的作用下，斜坡底部的土壤水分由毛管水上升的同時(shí)，也存在水分的側(cè)向運(yùn)動(dòng)，而頂部的土壤水分則在重力勢(shì)的作用下向斜坡下部運(yùn)動(dòng)，鹽隨水走，導(dǎo)致鹽堿在中間部位積聚，惡化了土壤理化性質(zhì)，土壤理化性質(zhì)惡化又進(jìn)一步加劇了水鹽的不均衡分配，導(dǎo)致坡地的不同位置分布著不同種類的植物，而不同種類植物的生物量之間存在差異，往往坡地底部在雨季存有積水，且土壤含水量大，分布著蘆葦?shù)认矟竦母叽笾参?，植物生物量最大，而鹽堿高的部位，生長耐鹽堿植物，且植物生物量最小。

圖7 土壤物理化學(xué)指標(biāo)和生物量與相對(duì)高程的關(guān)系Fig.7 Soil physical/chemical indicators and plant biomass in relation to relative elevation

3 結(jié) 論

(1)經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，所有測定的土壤理化指標(biāo)均具有中等及以下的變異強(qiáng)度。地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，所有測定的土壤理化指標(biāo)在一定空間范圍內(nèi)均具有中等強(qiáng)度及以上的空間自相關(guān)性，均具有擬合良好的最優(yōu)理論模型，說明研究區(qū)相對(duì)高程、土壤物理和化學(xué)指標(biāo)的空間變異主要是由成土母質(zhì)、地形地貌、氣候等非人為的區(qū)域結(jié)構(gòu)性因素影響形成的。

(2)通過空間插值發(fā)現(xiàn)，蘇打鹽漬土研究區(qū)所測定的土壤物理、化學(xué)和生物量指標(biāo)均在空間上呈現(xiàn)斑塊狀或條帶狀分布格局，且與微地形相對(duì)高程之間存在顯著相關(guān)性。土壤容重、總孔隙度、pH、EC、SAR和相對(duì)高程呈極顯著正相關(guān)；土壤含水量和相對(duì)高程呈極顯著負(fù)相關(guān)。生物量指標(biāo)和相對(duì)高程呈顯著負(fù)相關(guān)。

(3)微地形對(duì)于土壤水分的影響比對(duì)土壤鹽堿的影響劇烈，對(duì)土壤堿化指標(biāo)的影響比鹽化指標(biāo)的影響大?；貧w分析得到土壤理化指標(biāo)與相對(duì)高程之間呈現(xiàn)二次函數(shù)關(guān)系，即當(dāng)坡地的高程為50～60 cm時(shí)使土壤鹽堿指標(biāo)達(dá)到閾值，超過該高度，土壤鹽堿不再隨高程的上升而上升，而植物生物量也隨高程增大逐漸降低。