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  土壤学报  2022, Vol. 59 Issue (2): 393-404  DOI: 10.11766/trxb202007070373
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引用本文  

杨帆, 杨飞, 黄来明, 等. 古日乃湖盆沉积物发育土壤盐分与碳酸钙积累机制. 土壤学报, 2022, 59(2): 393-404.
YANG Fan, YANG Fei, HUANG Laiming, et al. Characteristics and Mechanisms of the Accumulation of Salts and Calcium Carbonate in Sediment-derived Soils of the Gurinai Playa. Acta Pedologica Sinica, 2022, 59(2): 393-404.

基金项目

内江师范学院科研启动费项目(18B10)和第二次青藏高原综合科学考察研究项目(2019QZKK0306)资助

通讯作者Corresponding author

张甘霖, E-mail: glzhang@issas.ac.cn

作者简介

杨帆(1984-), 男, 四川岳池人, 博士, 讲师, 主要从事土壤地理与地球化学研究。E-mail: alexyang@njtc.edu.cn
Contents              Abstract              Full text              Figures/Tables              PDF
古日乃湖盆沉积物发育土壤盐分与碳酸钙积累机制
杨帆1,2, 杨飞2, 黄来明3,4, 杨仁敏5, 韩光中1, 张甘霖2,4,6    
1. 内江师范学院地理与资源科学学院, 土壤过程模拟实验室, 四川内江 641100;
2. 土壤与农业可持续发展国家重点实验室(中国科学院南京土壤研究所), 南京 210008;
3. 中国科学院地理科学与资源研究所, 生态网络观测与模拟重点实验室, 北京 100101;
4. 中国科学院大学, 北京 100049;
5. 江苏师范大学地理测绘与城乡规划学院, 江苏徐州 221116;
6. 中国科学院南京地理与湖泊研究所, 流域地理学重点实验室, 南京 210008
收稿日期：2020-07-07；收到修改日期：2020-11-02；优先数字出版日期(www.cnki.net)：2021-03-03
基金项目：内江师范学院科研启动费项目(18B10)和第二次青藏高原综合科学考察研究项目(2019QZKK0306)资助
作者简介：杨帆(1984-), 男, 四川岳池人, 博士, 讲师, 主要从事土壤地理与地球化学研究。E-mail: alexyang@njtc.edu.cn.
通讯作者Corresponding author：张甘霖, E-mail: glzhang@issas.ac.cn.
摘要：干旱区湖泊是维持生态脆弱区环境平衡的重要载体，随着环境变化和人类对水土资源的不合理利用，我国干旱区湖泊日渐萎缩、干涸直至消失。湖泊干涸过程中，地下水位持续下降，风积物不断加积，土壤演化过程随之发生变化，但关于湖泊沉积物发育土壤演化特征的研究十分匮乏。本研究结合土壤发生学和地球化学方法分析了古日乃湖盆沉积物发育土壤的盐分与碳酸钙积累特征与机制。结果表明：盐分积累是古日乃湖盆土壤形成的主要特征，盐化土壤表层水溶性盐含量、Na+浓度和钠吸附比分别为13.15~650.50 g·kg-1、186.9~12 114.7 mmol·L-1、22.3~890.5（mmol·L-1）1/2，土壤具有高含盐量、高Na+浓度与高钠吸附比，表现出强度盐化特征。古日乃湖盆干涸，土壤积盐过程由现代盐化向残积盐化演化，盐分类型由氯化物型、氯化物-硫酸盐型向硫酸盐-氯化物型、硫酸盐型转变。借助于与Ca地球化学行为相似的Sr同位素组成分析，表明土壤碳酸钙以次生碳酸钙为主，其占比超过碳酸钙总量的80%；土壤碳酸钙主要来源于母质和地下水，地下水持续供给Ca2+是碳酸钙强度积累形成钙磐的基础。古日乃湖盆土壤盐分与碳酸钙积累特征可为评估环境变化背景下土壤的形成与演变，并为预测我国内陆河尾闾湖地区土壤与生态环境变化提供科学依据。
关键词：盐渍化    钙积    地下水    尾闾湖    
Characteristics and Mechanisms of the Accumulation of Salts and Calcium Carbonate in Sediment-derived Soils of the Gurinai Playa
YANG Fan1,2, YANG Fei2, HUANG Laiming3,4, YANG Renmin5, HAN Guangzhong1, ZHANG Ganlin2,4,6    
1. Laboratory of Simulation on Soil Process, College of Geography and Resources Science, Neijiang Normal University, Neijiang, Sichuan 641100, China;
2. State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China;
3. Key Laboratory of Ecosystem Network Observation and Modeling, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China;
4. University of Chinese Academy of Science, Beijing 100049, China;
5. School of Geography, Geomatics, and Planning, Jiangsu Normal University, Xuzhou, Jiangsu 221116, China;
6. Key Laboratory of Watershed Geographic Sciences, Nanjing Institute of Geography and Limnology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China
Foundation item: Supported by the Neijiang Normal University Research Start-Up Funds (No.18B10) and China's Second Comprehensive Scientific Expedition to the Qinghai-Tibet Plateau (No.2019QZKK0306)
Abstract: Lakes in arid areas play an important role in keeping the balance between ecology and environment of the fragile ecosystems therein. Unfortunately, the lakes in the arid regions of China are shrinking, drying up or even disappearing, due to changing environment and human's abusive use of water and soil resources.【Objective】With the lake drying up, ground water table keeps on going down in depth and aeolian sediments build up, and consequently soil forming process begins to change. However, so far little has been reported in the literature about formation and development of sediment-derived soils in such an environment.【Method】In this study, both pedological and geochemical methods were applied to investigation of characteristics and mechanisms of salt and calcium carbonate accumulating in sediment-derived soils in the Gurinai Playa.【Result】Results show that the accumulation of various kinds of salts was the primary pedogenic process. Soil salt content, Na+ concentration and sodium absorption ratio in the surface soil layer of the sediment-derived soils in the Gurinai Playa reached 13.15~650.50 g·kg-1, 186.9~12 114.7 mmol·L-1 and 22.3~890.5(mmol·L-1)1/2, respectively, which suggest that the studied soils experienced strong salinization. In addition, with the Gurinai Playa drying up the accumulation of salts in the soils evolved from modern salinization to residual salinization, and soil salt composition gradually changed from Cl-, and Cl--SO42- types in the initial stage of the soil evolution to SO42--Cl-, and SO42- types in the more advanced stages. Given that Sr and Ca are quite similar in geochemical behavior, the analysis of composition of Sr isotopes demonstrates that secondary CaCO3 predominated in soil total CaCO3 accounting for over 80%. Moreover, soil CaCO3 in this area was primarily derived from calcareous sediments and groundwater. The continuous provision of Ca2+ by groundwater led to strong accumulation of CaCO3and formation of Calcicpan.【Conclusion】Interpretation of the accumulation of salts and CaCO3 in soils during the drying progress of the Gurinai Playa provides a scientific basis for evaluating soil formation and evolution in relation to environmental changes, and for predicting changes in soils and ecological environment of the terminal lake areas of inland rivers.
Key words: Salinization    Calcic accumulations    Groundwater    Terminal lake    

土壤是成土母质在气候、生物、地形、时间和人为活动等因素综合作用下形成的[1]，成土因素的改变将影响土壤的演化过程、方向及其速率。在中国西北干旱、半干旱区分布着大量的内陆河流，这些内陆河流最终消失于沙漠或者汇集于洼地形成尾闾湖[2-3]。干旱区的尾闾湖泊在维持内陆河流域水文循环、区域生态环境中起着重要作用[3-4]。然而，绿洲的扩张和地表水拦截等人类活动导致进入内陆河下游水量急剧减少，尾闾湖泊面积逐渐萎缩，甚至形成干盐湖[2，5]。水文条件的改变进而会影响地貌特征与其后的成土过程，然而关于尾闾湖干涸后沉积物发育土壤的形成与演化特征的研究迄今为止还很缺乏。

尾闾湖干涸过程中地下水位不断下降，湖相沉积物作为成土母质参与土壤的形成。此外，我国西北干旱地区的尾闾湖往往处于亚洲粉尘影响区[6]，近源粉尘的加入也是其重要的母质来源。母质来源的多元性及其“加积型”的成土模式将引起成土过程的复杂化或间断，形成不同的土壤类型。作为内陆河流物质汇集的中心，盐分的聚集是尾闾湖重要特征。理解土壤盐分的组成及其沉积顺序有助于揭示流域元素生物地球化学循环、反演湖泊演化和进行古环境重建[7]。土壤积盐过程与盐分转化特征还有助于解译亚洲干旱区沙尘物源产生机制[8-10]。此外，干旱区有机碳含量低，土壤碳库主要以碳酸钙为主的无机碳形式赋存[11]，干旱区土壤碳酸钙（尤其是次生碳酸钙）的积累机制有助于揭示全球环境变化下“碳失汇”问题[12-15]。

古日乃湖盆是中国第二大内陆河黑河的重要尾闾湖之一[2]，湖盆位于黑河下游冲积扇的东缘、巴丹吉林沙漠西缘。黑河中游绿洲不断扩张，耗用水量持续增加，进入下游水量减少，尾闾湖泊地下水位下降[3，5]。据古地质调查显示，黑河哨马营以南河段入渗经古河道补给古日乃，近一个世纪以来，湖泊干涸逐渐演化成古日乃湿地[16-17]。同时，来自巴丹吉林沙漠的沙尘在古日乃湖盆沉积，成为其土壤发育的母质。这些成土因素的变化对古日乃湖盆土壤的形成演化，尤其是对盐分、碳酸钙积累的影响还不清楚。因此，本研究结合土壤发生学和地球化学方法分析了古日乃湖盆沉积物发育土壤盐分与碳酸钙的积累特征，对理解干旱区内陆河尾闾湖区域土壤与生态环境的演变历史以及在未来气候变化下的演化趋势具有重要意义。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

古日乃湖盆介于100°45′~101°30′E，40°30′~41°20′N之间（图 1）。海拔约1 000~1 050 m，多年平均降水量为42 mm，年均蒸发量高达3 700~4 000 mm，多大风、并引发沙尘暴[18]。土壤发育弱，盐分的形成及其转化是主要的成土过程。由于气候极端干旱、盐分含量高，古日乃湖盆主要分布梭梭（Haloxylon ammodendron）、芦苇（（Phragmites communis）、白刺（Nitreria tangutorum）等耐旱耐盐植物。

图 1 研究区及样点（PL01~PL06）分布图 Fig. 1 Distribution map of the study area and sampling sites(PL01~PL06)
1.2 样品采集与分析

2012~2013年对古日乃湖盆典型景观进行土壤调查，采集了沙丘（PL01）、湖岸芦苇地（PL02）、湖岸-近湖心芦苇地（PL03）、近湖心光板地（PL04）、近湖心-戈壁芦苇地（PL05）和戈壁梭梭林（PL06）共6个土壤剖面（图 1）。样点信息见表 1，按土壤发生层采集样品，共采集38个土壤样品、108个环刀样品（3次重复）。

表 1 古日乃湖盆土壤样点信息 Table 1 Characteristics of soil sampling in the Gurinai Playa

土壤样品挑去植物残体及侵入体，室内风干。木棍碾碎，过2 mm筛，并在玛瑙研钵磨细，分别过0.15 mm和0.075 mm筛，保存备用。土壤常规分析参照《土壤调查实验室分析方法》[19]：容重-环刀法（钙磐、盐磐容重采用莎纶树脂包膜土块法）、pH-电位法（土水比1︰2.5）、颗粒组成-激光粒度仪法（LS230，Beckman & Coulter）、碳酸钙相当物-气量法（1︰3 HCl）、有机碳-重铬酸钾-硫酸消化法、土壤水溶性盐总量-重量法（含盐量、盐分离子含量均采用土水比1︰5浸提）、${\text{CO}}_3^{2 - }$和${\text{HCO}}_3^ - $-双指示剂滴定法、Cl–和${\text{SO}}_4^{2 - }$-离子色谱分析（DX-500，Dionex）、阳离子（Na+、K+、Ca2+、Mg2+）-电感耦合等离子体发射光谱仪（Optima8000，Perkin Elmer）。碳酸盐（0.5 mol·L–1 HOAc，土水比1︰5浸提）87Sr/86Sr比值[20]-热电离质谱仪（TIMS，MAT-262，Finnigan，中国科学技术大学地球与空间科学学院固体同位素地球化学实验室）。碳酸盐测年-加速器质谱仪AMS14C（3MV TN-4130，西安加速器质谱中心）。

1.3 数据处理

明确土壤母质来源的同源性（或者异质性），是区分沉积过程与土壤发生过程的重要基础，也是区分土壤属性变化的前提。本研究采用Schaetzl[21]提出的均一性值（Uniformity value，UV）来区分母质是否同源。

$ \text{UV}=\frac{(\text{Si}+\text{VFS})/(\text{S}-\text{VFS})上层}{(\text{Si}+\text{VFS})/(\text{S}-\text{VFS})上层}-1 $ (1)

式中，Si为粉粒百分比，VFS为细砂粒（50~100 μm）百分比，S为砂粒百分比。UV值越接近0，相邻土层的母质来源越相似；当UV的绝对值超过0.6表示相邻土层来自不同母质。

区分盐化和碱化过程是判别盐成土类型的基础，也是改良利用管理盐渍化土壤的前提。钠吸附比（Sodium absorption ratio，SAR）被用作区分土壤的盐化和碱化的重要指标[22]。

$ {\text{SAR}} = \frac{{{\text{N}}{{\text{a}}^ + }}}{{\sqrt {{\text{C}}{{\text{a}}^{2 + }} + {\text{M}}{{\text{g}}^{2 + }}} }} $ (2)

式中，SAR为钠吸附比（mmol·L–1）1/2，Na+、Ca2+、Mg2+为离子浓度（mmol·L–1）。美国土壤学会将SAR≥13（mmol·L–1）1/2作为区分碱土的阈值。

本研究采用Chen等[23]建立的定量计算原生和次生碳酸盐相对含量的公式计算次生碳酸钙含量：

$ {X_{{\text{PC}}}} = \frac{{{}^{87}Sr/{}^{86}S{r_{{\text{sample}}}} - 0.7080}}{{{\text{0}}{\text{.004}}}} $ (3)

式中，Xpc为次生碳酸盐占土壤总碳酸盐的比例（%），87Sr/86Srsample为土壤碳酸盐锶同位素比值。Xpc与土壤碳酸钙相当物的乘积为土壤次生碳酸钙含量。

采用SPSS24.0统计软件进行数据分析，采用OriginPro2016软件进行图像化处理。

2 结果 2.1 土壤形态特征及其变化

古日乃湖盆被巴丹吉林沙漠和戈壁所包围，湖积物和近源沉积的粗颗粒风积物是土壤发育的母质基础。受沙尘源区环境改变、传输途径及沉积环境的影响，不同的地貌单元沉积的物质来源不同。不同时间同一地貌单元沉积的物质在组成上也存在差异，在土壤形成过程中常表现为母质不连续，如PL02、PL04、PL05和PL06剖面，相邻土层的均一性值UV超过0.6（图 2）。土壤颜色以黄橙为主，明度高；受强烈积盐作用影响，盐结壳以橙白和灰白为主（图 2）。

图 2 古日乃湖盆土壤发生层及其颜色（干态） Fig. 2 Soil horizon designation and soil color(in dry state)of the six pedons in the Gurinai Playa

土壤具有盐结壳、盐积层、盐磐、钙积层和钙磐等土壤诊断层的分异，盐分迁移活跃。野外观察发现PL02、PL03、PL04和PL05剖面有白色盐结晶析出；从湖缘到近湖心，PL02、PL03和PL04剖面表层强烈积盐形成结壳（Kz），盐结壳发育逐渐增强，厚度增加（图 2，黄色虚线框）；易溶性盐硬结在PL05剖面形成盐磐层（Bzm，图 2）；次生碳酸钙胶结或硬结形成不连续（PL05）和连续（PL04）的磐状土层（Bkm，图 2），它表征了次生碳酸钙聚集高度发育的形态学特征。PL06剖面脱离地下水影响，地表发育有孔泡结皮层（Ac），干硬、易碎（图 2）。值得注意的是，PL02剖面在历史时期为芦苇湿地，后经沙尘掩埋，形成埋藏层（2Ak），土壤颜色明度较低（图 2）。PL01剖面通体为单粒状砂粒，无结构发育。

2.2 土壤基本理化属性

土壤颗粒组成以砂粒（41%~94%）和粉砂为主（5%~51%），壤质砂土和砂质壤土质地，黏粒淋溶非常有限，无黏化特征（图 3a~图 3c）。土壤容重为0.93~2.00 g·cm–3，钙磐硬结，孔隙少，容重大（图 3d）；盐结壳多孔，容重小。土壤pH介于7.80~10.12之间，呈碱性反应，且有干旱水分状况的土壤（PL01、PL02和PL06）碱性强于潮湿水分状况的土壤（图 3e）。极端干旱的气候与高盐的土壤环境不利于植物生长，土壤有机质（SOM）含量低，为0.71~11.79 g·kg–1（图 3f）；30 cm以下土层SOM含量低于5 g·kg–1，PL02埋藏层（51~81 cm）SOM含量则较高。

图 3 土壤基本理化属性 Fig. 3 Basic soil physico-chemical properties of the six pedons
2.3 土壤盐分特征

土壤水溶性含盐量0.42~650.50 g·kg–1（表 2），平均值为57.37 g·kg–1，各土层变异系数为250%，不同剖面盐分强烈分异。具有潮湿水分状况的土壤（PL03、PL04和PL05）其剖面各土层含盐量变异系数超过200%，为强变异；强烈的蒸发促进盐分向上运移，表层积聚明显，盐结壳、盐磐含盐量高，为380.56~650.50 g·kg–1，显著高于B层和C层（P < 0.01），盐分在剖面出现强烈分异。干旱水分状况的各土壤（PL01、PL02和PL06）剖面各土层含盐量变异系数为7.5%~52.5%，为弱变异或中等变异，PL01各层含盐量 < 1 g·kg–1（表 2），无盐化特征。

表 2 土壤盐分含量及其组成 Table 2 Total contents and ions composition of the soil salts in the Gurinai Playa

盐分积累是古日乃湖盆土壤的主要特征之一，盐分组成分析有助于进一步区分土壤盐化和碱化过程，揭示土壤盐渍化的演化特征，并预测其发展趋势。Cl–、${\text{SO}}_4^{2 - }$和HCO3–（含CO32–）含量分别为0.3~15 887.3 mmol·L–1、0.5~5 834.1 mmol·L–1和1.0~136.2 mmol·L–1（表 2），非盐化土壤（PL01）较强烈积盐的盐结壳（PL02，PL03和PL04）和盐磐（PL05，23~30 cm）Cl–、${\text{SO}}_4^{2 - }$含量低3~4个数量级差异。Na+（含K+，含量较低）、Ca2+和Mg2+含量分别为1.2~12 114.7 mmol·L–1、0.2~204.4 mmol·L–1和0.1~17.3 mmol·L–1（表 2），非盐化土壤（PL01）较强烈积盐的盐结壳Na+含量低4个数量级。整体上，土壤水溶性盐含量与Cl–、${\text{SO}}_4^{2 - }$、Na+、Ca2+和Mg2+呈极显著正相关，其中与其相关系数最大的阴阳离子分别为Cl–和Na+，其次${\text{SO}}_4^{2 - }$和Ca2+。偏相关分析显示Na+与Cl–、${\text{SO}}_4^{2 - }$（R2 > 0.81，P < 0.01）偏相关系数最大，因此，土壤盐分主要是NaCl和Na2SO4，其次为CaCl2和CaSO4。

土壤盐分阴离子组成以Cl–、${\text{SO}}_4^{2 - }$为主，分别占阴离子总量的0.1%~93.3%、6.7~99.8%。根据中国盐渍土类型划分标准[24]，盐结壳Cl–/${\text{SO}}_4^{2 - }$为2.1~27.7，属氯化物型（图 4）；A层和盐积层（Bz，水溶性含盐量 > 20 g·kg–1）土壤Cl–/${\text{SO}}_4^{2 - }$为0.1~3.1，以氯化物-硫酸盐型为主，硫酸盐型次之，硫酸盐-氯化物较少（图 4）；盐磐（PL05，Bzm）${\text{SO}}_4^{2 - }$占阴离子总量99.8%，属于硫酸盐型（图 4）。土壤盐分阳离子组成以Na+（钠盐型）为主，Ca2+次之，Mg2+最低，Na+占阳离子总量的18.7%~99.75%，平均为79.7%。土壤钠吸附比（SAR）是表征土壤碱化程度的重要参数，各土层SAR为0.4~922.6（mmol·L–1）1/2（表 2），平均值为135.0（mmol·L–1）1/2，SAR与水溶性盐含量呈极显著正相关关系（R2=0.65，P < 0.01），盐结壳和盐磐SAR极高，超过500（mmol·L–1）1/2，非盐化的PL01剖面SAR < 5（mmol·L–1）1/2。

图 4 土壤盐分Cl–/${\text{SO}}_4^{2 - }$及其盐分类型 Fig. 4 Ratio of Cl–/${\text{SO}}_4^{2 - }$ and type of the salt in selected soils
2.4 土壤碳酸钙及碳酸盐87Sr/86Sr组成

土壤碳酸钙相当物（CaCO3）含量为2.1~331.0 g·kg–1（图 5a），平均值为64.0 g·kg–1，各土层变异系数为134%，为强变异。土壤剖面碳酸钙的加权平均值大小为：PL02 > PL04 > PL05 > PL03 > PL06 > PL01，发育于风积物的土壤碳酸钙随海拔的降低（地下水位高）而增加（不包括PL02），表明水分状况对土壤碳酸钙的形成和迁移有重要影响。具有干旱水分状况的土壤（PL01、PL02和PL06），其剖面碳酸钙的加权平均值变异强（CV=118%）；PL02土壤母质为风积物下伏湖积物，湖相沉积过程伴有高含量碳酸盐的沉积（CaCO3=327.4 g·kg–1），因此，PL02土壤CaCO3含量高；PL01土壤母质是以石英为主的风积沙，土壤CaCO3含量低；PL06土壤发育于不同沉积时期的风积物，土壤各层CaCO3含量不同（图 5a）。此外，具有潮湿水分状况的PL03、PL04和PL05土壤剖面碳酸钙的加权平均值变异弱（CV=4%）；由于PL03钙积层、PL04和PL05钙磐土壤CaCO3含量高，CaCO3在其剖面表现为中等变异或强变异。

图 5 土壤碳酸钙含量、碳酸盐锶同位素组成及次生碳酸钙含量 Fig. 5 Soil CaCO3 equivalents(a), and Sr-isotopic composition in carbonate fraction(b)and content of soil secondary CaCO3(c)in the selected soils

碳酸钙积累是古日乃湖盆土壤的另一重要特征，锶和钙在表生地球系统中具有相似的性质和化学行为，因此常运用锶同位素来示踪钙的地球化学行为。本研究为了揭示古日乃湖盆干涸土壤碳酸钙的形成机制，对PL02和PL04两种代表性的土壤进行了锶同位素组成分析（图 5b）。土壤碳酸盐87Sr/86Sr比值为0.711289~0.711896，PL02碳酸盐87Sr/86Sr比值随着土壤深度的增加先增大后减少，在埋藏钙积层（2Ak）达到最高值（0.711896）；PL04碳酸盐87Sr/86Sr比值钙磐最大（0.711619）、母质层次之（0.711500）、钙磐以上土层较小且分布较均一（0.711313~0.711384）。运用式（3），PL02和PL04次生碳酸盐占土壤总碳酸盐的比例分别为82.2%、83.3%、86.5%、97.4%（2Ak）、86.7%（湖积物）和83.4%、83.1%、82.8%、84.6%、90.5%（Bkm）、87.5%（母质层）。PL02和PL04土壤次生碳酸钙（SCaCO3）含量分别为70.5~283.8 g·kg–1和1.8~299.5 g·kg–1，湖积物（2Ck）、埋藏钙积层（2Ak）和钙磐土壤SCaCO3含量均高于150 g·kg–1（图 5c）。PL02土壤SCaCO3含量随土壤深度的增加而增加；PL04钙磐以上土壤SCaCO3含量小于20 g·kg–1，而钙磐土壤SCaCO3含量高达299.5 g·kg–1，相差约14倍。PL02和PL04土壤SCaCO3占碳酸钙总量的80%以上，表明土壤碳酸钙主要以次生碳酸钙的形式赋存。

3 讨论 3.1 土壤盐分的积累特征

古日乃盐湖干涸形成的土壤具有高含盐量、高Na+含量、高SAR，表现出强度盐化特征。受地下水盐分补给影响，具有潮湿水分状况的土壤（PL03、PL04和PL05）含盐量高于干旱水分状况的土壤（PL01、PL02和PL06）。地下水位最高的PL04剖面土壤含盐量最高，随着海拔的增加（地下水位相对下降），土壤含盐量减少，PL01土壤含盐量最低，无盐化特征（图 6）。PL03、PL04和PL05地下水位较高，强烈的地面蒸发作用下，地下水通过毛管作用将不同的盐分离子带至土表累积，形成含盐量高的盐结壳（图 6）。随着干涸时间的延续或者风尘物质的持续加入，地下水位大幅度下降，低于临界水位，地下水不再参与现代积盐；加之气候干旱，降水稀少，未能促进强烈的脱盐过程，过去积累的盐分大量残留于土壤中，PL02和PL06心土层含盐量高（图 6）。美国土壤学会将土壤饱和浸提液SAR=13（mmol·L–1）1/2作为判断碱土与非碱土的阈值[22]，本研究中除PL01和PL05部分土层，其余土壤SAR > 13（mmol·L–1）1/2，按照中国土壤系统分类确定土壤类型，PL02、PL03、PL04和PL05均属于正常盐成土，而非碱土（碱化盐成土）（表 1），在形态学上这些盐化土壤均未出现碱积层典型的柱状或棱柱状结构。因此，美国土壤学会关于碱土与非碱土的判断标准对中国土壤的适用性需要进一步验证。分析供试土壤高SAR，而没有出现碱化特征的原因有：古日乃湖盆土壤积盐过程以NaCl和Na2SO4为主，Na+被土壤吸附，SAR高；该地区降雨量极低，盐分淋溶作用微弱，由淋溶带来的Na+不足以交换土壤吸附性的Ca2+，造成碱化过程弱。

图 6 古日乃湖盆土壤盐分的积累与演化示意图 Fig. 6 Schematic of the accumulation and evolution of soil salt in the Gurinai Playa

土壤Cl–、${\text{SO}}_4^{2 - }$、HCO3–、Na+、Ca2+和Mg2+变异系数分别为422%、306%、257%、276%、134%和132%，Cl–、${\text{SO}}_4^{2 - }$、HCO3–和Na+变异强于土壤水溶性盐含量的变异，体现了不同盐分在成土过程地球化学行为的差异。根据土壤盐分离子运动的规律，Cl–最活跃，${\text{SO}}_4^{2 - }$次之，HCO3–较为稳定[24]。PL03、PL04和PL05地下水位较高，强烈蒸发条件下土壤盐分向上运移，Cl–率先到达土表，土壤表层盐分积累以氯化物型、氯化物-硫酸盐型为主（图 6）；随地下水位大幅度下降，PL06土壤脱离地下水影响，盐分表现为向下淋溶，Cl–优先被淋洗，土壤保留更多的${\text{SO}}_4^{2 - }$，土壤盐分表现为硫酸盐-氯化物型、硫酸盐型（图 6）。当地下水位继续下降，盐分降低，有限的水分供给和强烈的水分蒸发，形成干旱表层，土壤类型由盐成土（PL05）向干旱土（PL06）演化。

3.2 土壤碳酸钙的积累机制

土壤碳酸钙主要来源于石灰性成土母质，此外大气降尘、地下水、人为活动（灌溉、施肥）和植物归还等途径的输入是非石灰性母质土壤碳酸钙最主要的来源[14，25]。Marion[26]研究表明极端干旱条件下土壤碳酸钙的形成速率极低（年均降雨量小于37 mm，土壤碳酸钙形成速率为0），因此，干旱水分条件下的PL01、PL02和PL06的土壤碳酸钙主要来源于成土母质。古日乃地势低洼，汇集黑河水流带来的细土物质和Ca2+，静水条件下沉淀形成湖积物，其CaCO3含量高。发育于湖积物（上覆风积物）的PL02土壤碳酸钙含量为189.2 g·kg–1，是发育于不同沉积物源的PL06（34.9 g·kg–1）和发育于风积沙的PL01（16.6 g·kg–1）土壤碳酸钙含量的5.4倍和11.4倍。

发源于短距离搬运的风积物的PL03、PL04和PL05土壤碳酸钙含量分别为51.1、55.2和54.5 g·kg–1。以PL01作为参照（近源沉积），PL03、PL04和PL05的土壤碳酸钙含量明显增加，尤其表现在钙积层和钙磐。PL03、PL04和PL05地下水位较高，强烈的蒸发使地下水中Ca2+向上运输，当土壤溶液高于CaCO3的溶度积时在地下水和土壤颗粒频繁交换的界面首先以包膜形式沉积；随着CaCO3持续积累形成凝团；其后，凝团中的孔隙被CaCO3堵塞并胶结起来形成CaCO3含量极高的钙磐[27]，钙磐的形成属于上升成因模式（图 7）。此外，PL04剖面中，母质层土壤SCaCO3含量及其SCaCO3/CaCO3均高于钙磐以上各土层，表明地下水参与了母质层土壤次生碳酸钙形成和积累，进一步证明了钙磐的上升成因形成模式。钙磐是土壤碳酸钙强积累的形态表征[28]，本研究中不连续和连续钙磐的AMS14C定年为18 440±67 a和31 013±206 a，其碳酸盐87Sr/86Sr比值与巴丹吉林沙漠中根状结核及砂粒次生碳酸盐相似[29]，次生碳酸盐比例高，表明钙磐的形成经历了较强的成土过程。结合定年数据，本研究中钙磐土壤碳酸钙的积累速率为10.7~18.9 g·m–2·a–1，是相似干旱气候条件下美国莫哈韦沙漠钙质土壤碳酸钙的积累速率的3倍~19倍[26，30]，表明地下水对古日乃湖盆土壤碳酸钙积累具有重要影响。基于此，古日乃盐湖干涸过程中，水文条件的变化对碳酸钙的积累十分关键，脱离地下水的影响土壤碳酸钙的形成速率极低。

图 7 古日乃湖盆土壤钙磐形成示意图 Fig. 7 Schematic of the formation of Calcicpan within soil in the Gurinai Playa
4 结论

作为内陆河流物质汇集的中心，盐分积累是尾闾湖重要特征，古日乃湖盆干涸形成的土壤具有高含盐量和高SAR的特点；土壤积盐随着湖盆的干涸由现代盐化向残积盐化演化，盐化程度降低，盐分组成由氯化物型、氯化物-硫酸盐型向硫酸盐-氯化物型、硫酸盐型转化。沉积物的加积和钙磐的形成是古日乃湖盆土壤碳酸钙积累的主要过程，地下水持续供给的Ca2+是钙磐的重要钙源。

致谢 感谢中国科学院南京土壤研究所李德成研究员、赵玉国研究员、刘峰副研究员，生态环境部南京环境科学研究所杨敏、芦园园，安徽理工大学赵明松副教授，邬登巍博士和南京大学易晨在野外工作中的帮助。

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