烏梁素海流域土壤鹽分和pH值空間分布格局研究

孫麗華， 劉華民， 王世冬， 陳秀莉，劉東偉， 清 華，卓 義， 王立新,4*

(1.內(nèi)蒙古大學(xué) a.環(huán)境與資源學(xué)院；b.生命科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010021；2.錫林郭勒職業(yè)學(xué)院民族中等職業(yè)學(xué)校，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000；3.包頭師范學(xué)院 生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014030；4.中美生態(tài)、能源及可持續(xù)性科學(xué)內(nèi)蒙古研究中心，呼和浩特 010021)

烏梁素海流域土壤鹽分和pH值空間分布格局研究

孫麗華1a， 劉華民1b， 王世冬2， 陳秀莉3，劉東偉1a， 清 華1a，卓 義1a， 王立新1a,4*

(1.內(nèi)蒙古大學(xué) a.環(huán)境與資源學(xué)院；b.生命科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010021；2.錫林郭勒職業(yè)學(xué)院民族中等職業(yè)學(xué)校，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000；3.包頭師范學(xué)院 生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014030；4.中美生態(tài)、能源及可持續(xù)性科學(xué)內(nèi)蒙古研究中心，呼和浩特 010021)

土壤鹽堿化是制約烏梁素海流域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要瓶頸之一，該文針對(duì)烏梁素海流域土壤鹽堿化的空間復(fù)雜性與反復(fù)發(fā)生性，根據(jù)烏梁素海流域植被特征，采集了20個(gè)代表性樣點(diǎn)的土壤0～30cm分層樣品.利用電導(dǎo)法和電位法分別測(cè)定了土壤中總含鹽量和pH，運(yùn)用surfer插值軟件克里金插值法(Kriging)得到了研究區(qū)的土壤鹽分和pH值的空間分布.研究結(jié)果表明：在空間分布上烏梁素海流域土壤中鹽分和pH呈現(xiàn)出顯著地表聚趨勢(shì)，而且隨著土層的加深鹽堿化程度呈現(xiàn)降低的趨勢(shì).總體上說(shuō)，烏梁素海流域土壤的鹽堿化現(xiàn)象仍較嚴(yán)重，除春季壓鹽措施外，需要進(jìn)行灌溉方式改善和化學(xué)改良劑使用等鹽堿化治理措施.圖3，表1，參19.

GIS；土壤鹽堿化；空間分布；烏梁素海流域

土壤鹽堿化指的是土壤鹽分含量在各種自然因素和人為活動(dòng)作用下增加到某一限度，因而抑制作物正常生長(zhǎng)的過(guò)程[1].跟據(jù)聯(lián)合國(guó)教科文組織與糧農(nóng)組織不完全統(tǒng)計(jì)，全球大約有8.31億hm2的土壤受到鹽堿化的威脅，約占地球陸地表面的百分之十，遍布于各大洲干旱地區(qū)，主要集中在歐亞大陸、美洲西部、非洲[2].土壤鹽堿化嚴(yán)重影響和制約了生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展.因此,系統(tǒng)認(rèn)識(shí)和及時(shí)掌握有關(guān)鹽漬土的性質(zhì)、范圍和空間變異特征等方面的信息，是治理、改良鹽堿化和防止其進(jìn)一步惡化的必要前提.國(guó)外對(duì)鹽堿地的研究起步比較早，20 世紀(jì)初期就已經(jīng)開(kāi)始對(duì)鹽堿地的地理分布，成因過(guò)程、演化機(jī)理和改良措施等進(jìn)行了初步的研究，研究發(fā)現(xiàn)鹽堿地主要分布在半濕潤(rùn)半干旱地區(qū)，該地區(qū)降水少、土壤及地下水含鹽量大.2010年，文獻(xiàn)[3]采用地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，得到了火山區(qū)(很少受人類干擾)土壤鹽分的空間分布圖.2013年，文獻(xiàn)[4]使用多種克里格插值方法對(duì)哈蘭平原土壤鹽分分布進(jìn)行空間插值，研究發(fā)現(xiàn)在ArcGis軟件下要想獲得最高精度的插值圖應(yīng)該運(yùn)用析取克里格法.

國(guó)內(nèi)研究始于20世紀(jì)30年代，熊毅教授對(duì)國(guó)內(nèi)鹽漬土問(wèn)題進(jìn)行了深入研究，而對(duì)鹽漬土的大規(guī)模研究是從1949年開(kāi)始的，到目前為止基本上沒(méi)有停止過(guò).國(guó)內(nèi)對(duì)鹽堿地研究治理逐步的完善，走過(guò)了很多進(jìn)步的階段.經(jīng)歷了由單項(xiàng)治理措施到農(nóng)業(yè)、水利、化學(xué)技術(shù)、生物技術(shù)相結(jié)合的綜合改良治理措施，從小范圍試驗(yàn)利用到大面積綜合治理階段.近年來(lái)，我國(guó)在植物耐鹽品種選育及其耐鹽機(jī)理方面也有了深入的研究，經(jīng)過(guò)多年的研究表明對(duì)鹽堿地的治理經(jīng)濟(jì)有效且可治本的方法是生物措施[5,6].目前研究主要側(cè)重于大型灌區(qū)土壤次生鹽堿化的治理改良以及休養(yǎng)保育的方式等.文獻(xiàn)[7]運(yùn)用 ArcGIS研究了內(nèi)蒙古河套灌區(qū)的土壤鹽堿化的空間結(jié)構(gòu).文獻(xiàn)[8]主要利用遙感影像對(duì)新疆瑪納斯河流域土壤鹽堿化進(jìn)行了分類研究.文獻(xiàn)[9]運(yùn)用遙感技術(shù)對(duì)山陰縣鹽堿地動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)研究.文獻(xiàn)[10]研究了環(huán)渤海平原區(qū)土壤鹽分分布特征及其影響因素.

內(nèi)蒙古河套灌區(qū)是我國(guó)灌概面積最大的灌區(qū)之一，總面積可達(dá)105.33萬(wàn)多hm2，現(xiàn)在灌溉面積為57×104hm2,其中引黃灌概約占98.2%[11].然而內(nèi)蒙古河套灌區(qū)的鹽漬化土地面積約占內(nèi)蒙古土地面積的70%，且約占耕地面積的65%.所以土壤鹽堿化已經(jīng)制約了河套灌區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展.該文利用surfer插值軟件得到研究區(qū)采樣點(diǎn)不同土層深度的堿化分布專題圖、鹽化分布專題圖，基于此綜合分析烏梁素海流域土壤鹽堿化空間分布格局及影響因素.最終提出鹽堿化治理的相應(yīng)措施.

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

烏梁素海位于內(nèi)蒙古自治區(qū)的烏拉特前旗境內(nèi)，處于河套平原的末端，西鄰河套灌區(qū)，東接烏拉山西麓，北靠陰山，南抵黃河；河套灌區(qū)是我國(guó)最大的灌區(qū)，總面積11 195.4 km2，設(shè)計(jì)灌溉面積73.33萬(wàn)hm2，現(xiàn)在灌溉面積近60萬(wàn)hm2，其中引黃灌溉為98.2%，是我國(guó)的三個(gè)特大灌區(qū)之一,灌區(qū)水源優(yōu)良，土地肥沃，氣候適宜，光熱資源豐富，具有發(fā)展灌溉農(nóng)業(yè)的良好條件，但是由于地質(zhì)構(gòu)造、地理氣候的原因?qū)е峦寥肋^(guò)鹽堿化問(wèn)題是制約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的主要因素.加之設(shè)施管理和灌溉技術(shù)落后，導(dǎo)致土壤鹽堿化加劇.研究區(qū)及采樣點(diǎn)位置如圖1.

圖1 研究區(qū)和采樣點(diǎn)位置分布圖Fig 1 The map of the study area and sampling points

1.2 樣品采集、測(cè)定方法

樣品采集方法與制備：在烏梁素海流域根據(jù)土壤質(zhì)地、鹽分狀況、植被類型等因素確定典型樣點(diǎn)的位置和數(shù)量.一共確定20個(gè)典型樣點(diǎn)，采用GPS定位后用萬(wàn)能坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成大地坐標(biāo)(見(jiàn)圖1)，每個(gè)樣點(diǎn)采集不同深度(0～5 cm、5～10 cm、10～20 cm、20～30 cm)土壤樣品.每層用環(huán)刀法分別

采三個(gè)土樣，作為平行樣.樣品采集時(shí)間是2012年8月中旬.土壤采回來(lái)后帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干，磨碎、然后過(guò)2mm篩，保存并測(cè)定.

測(cè)定方法：按照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)》測(cè)試方法，測(cè)定土壤水溶性鹽總量、電導(dǎo)率EC和pH.用電導(dǎo)儀(MP513型實(shí)驗(yàn)室電導(dǎo)率儀)測(cè)定土壤電導(dǎo)率EC1∶5(水土比為5∶1[12])與土壤水溶性鹽總量；用精密酸度計(jì)(STARTER 3C)測(cè)定土壤pH值.

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出土壤鹽分和pH值的描述性統(tǒng)計(jì).運(yùn)用surfer軟件中克里金插值法(Kriging)得到研究區(qū)不同深度土層的鹽化、堿化空間分布等值線圖.Kriging插值法是一種定量化描述地理空間分布格局的方法，主要應(yīng)用于空間采樣以及相關(guān)的一些空間格局分析.

1.4 土壤鹽分含量和pH值差異顯著性檢驗(yàn)

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析時(shí)，不能僅憑兩個(gè)結(jié)果的不同就做出結(jié)論，而是需要進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn).差異顯著性一般有兩組樣本平均數(shù)的比較法(又分為成組比較檢驗(yàn)和成對(duì)比較檢驗(yàn))及方差分析法兩種方法[9,13].該文采用成組比較檢驗(yàn)的方法的t檢驗(yàn)法.

從t分布表查尋得到t0.05,20=2.101，t0.1,20=1.734，現(xiàn)計(jì)算得到0～5 cm相對(duì)5～10 cm、10～20 cm和20～30 cm鹽度的t分布值分別為t1=0.875，t2=0.563，t3=0.48 ，所以計(jì)算結(jié)果小于t0.05,20=2.101，t0.1,20=1.734，表明表層土壤全鹽含量差異不顯著，但是變異系數(shù)都很高，所以土壤全鹽含量的空間變異性很明顯；用相同的方法計(jì)算得到的表層相對(duì)于其他三層的pH值得t分布值也均小于t0.05,20=2.101，t0.1,20=1.734，所以pH值得差異不顯著.

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤鹽分的空間分布格局結(jié)果分析

從空間尺度看，各層土壤的鹽分含量大部分地區(qū)表現(xiàn)出了較為相似的空間分布格局，只有局部地區(qū)呈現(xiàn)出較高的鹽分分布.0～5 cm、10～20 cm和20～30 cm時(shí)主要是地區(qū)丘間低地的半固定沙地地區(qū)、龍山西的玉米地以及樹(shù)林子北向日葵地區(qū).但是5～10 cm土壤層中除了丘間低地的半固定沙地地區(qū)、龍山西的玉米地以及樹(shù)林子北向日葵地區(qū)以外，狼山西的鹽分含量也相對(duì)明顯的高于其他地區(qū).并且各層的鹽分含量呈明顯的從中心向四周擴(kuò)展的分布格局.從圖2上也明顯的可以看出烏梁素海流域土壤全鹽含量大于1的區(qū)域主要是丘間低地的半固定沙地的白刺樣地、向日葵樣地以及狼山西地區(qū).表明這里的作物生長(zhǎng)明顯的受到鹽分的影響.全鹽含量小于0.2的區(qū)域遍布主要的烏梁素海流域，是主要的非鹽化土.烏梁素海流域表層土壤總體上屬于輕度和非鹽化土.

圖2 烏梁素海流域不同土層土壤全鹽量的空間分布Fig.2 The spatial distribution of total salinity of each soil layer in Wuliangsuhai basin

從垂直分布看，土層0～5 cm和5～10 cm的土壤含鹽量基本一樣，變化不大，但是這兩個(gè)土層土壤全鹽含量要高于其他土層，而且隨著土層的加深，土壤全鹽含量有遞減的趨勢(shì)(從表1也可以得出此結(jié)論)，原因可能是在夏季持續(xù)的地表蒸發(fā)，使得深層土壤以及地下水的可溶性鹽類借助于毛細(xì)管作用上升并在上層土壤聚集的結(jié)果.且從圖3可以看出上層土壤含鹽量高的地區(qū)相應(yīng)的下層土壤含鹽量也相對(duì)的較高.0～5 cm土層的含鹽量要明顯的高于20～30 cm的土層含鹽量，但是4個(gè)土層的全鹽含量不是特別的明顯，查看相關(guān)的文獻(xiàn)，可能的原因是采集的土壤土層深度不夠，一般的考察土壤全鹽含量的垂直分布一般都是采集土壤是0～180 cm左右，這樣土壤全鹽含量的垂直分布更加明顯，該文的土壤深度相對(duì)于180 cm的土層，相當(dāng)于表層及更深一層的土壤，所以垂直變化不是特別的明顯.

表1 烏梁素海流域各層土壤全鹽含量統(tǒng)計(jì)特征值Tab.1 Statistical characteristics of total salinity of each soil layer in Wuliangsuhai basin

圖3 烏梁素海流域不同土層土壤pH空間分布Fig.3 The spatial distribution of pH of each soil layer in Wuliangsuhai basin

從圖2、圖3可見(jiàn)整個(gè)烏梁素海流域0～5 cm、5～10 cm、10～20 cm、20～30 cm土體深度的鹽化和堿性的局部和全局的空間變異狀況.

2.2 土壤pH值空間分布結(jié)果分析

從空間尺度看，各層土壤堿性大部分地區(qū)也表現(xiàn)出相似的空間分布格局，堿性含量高的地區(qū)相反的恰恰是鹽分含量相對(duì)較低的地區(qū)，但是也是呈明顯的從中心向四周擴(kuò)散的分布格局.其中強(qiáng)堿性的土壤的分布極少，主要是銀定圖、草地和芨芨草地區(qū).大部分都是堿性土壤，分布較廣.堿性和強(qiáng)堿性土壤主要分布于研究區(qū)的東北部，從東北向西南具有間接性遞減的趨勢(shì).研究區(qū)主要作物是小麥、玉米和向日葵，它們的適宜pH值范圍是6.5～7.5[7]，即中性至微堿性土壤，不符合要求的土壤將會(huì)導(dǎo)致作物的生長(zhǎng)受限制，因此必須進(jìn)行土壤改良.烏梁素海流域土壤總體上呈現(xiàn)的是堿性和強(qiáng)堿性.

從垂直分布看，各層土壤之間土壤pH值很接近(從表2也可以得出此結(jié)論).主要原因也是因?yàn)楸敬窝芯坎杉瘶悠飞疃忍珳\，本研究采集深度相對(duì)于180 cm土層，就像是表層土壤一樣，所以垂直變化不是特別明顯.但是明顯的可以看出表層土壤pH值高的地區(qū)相應(yīng)的下層土壤pH值也相對(duì)較高.

表2 烏梁素海流域各層pH值統(tǒng)計(jì)特征Tab.2 Statistical characteristics of pH of each soil layer in Wuliangsuhai basin

2.3 討論

導(dǎo)致研究區(qū)土壤鹽分和pH值的這種空間分布格局是由很多因素共同作用的.首先，研究區(qū)氣候干燥和土壤母質(zhì)含鹽.積鹽的根本原因是該研究區(qū)日照強(qiáng)烈，年平均蒸發(fā)量大，導(dǎo)致深層土壤和地下水的鹽分隨著蒸發(fā)不斷的向上富集，使得研究區(qū)表層土壤鹽分含量相對(duì)較大，深層土壤鹽分含量相對(duì)較小.而且強(qiáng)烈的蒸發(fā)和濃縮導(dǎo)致鹽分中的離子比例發(fā)生變化，導(dǎo)致鈉離子富集，且在表層的富集更多，造成表層的土壤堿性較強(qiáng).另外，影響河套灌區(qū)夏灌前土壤鹽分含量的另一個(gè)重要因素就是秋澆.本研究區(qū)在每年的秋冬季節(jié)，即土壤封凍之前會(huì)進(jìn)行灌溉，而且灌溉的水量非常的大，導(dǎo)致灌溉水?dāng)y帶的大量的可溶性鹽都被凍結(jié)在土壤中，當(dāng)春天來(lái)臨，土壤開(kāi)始消融時(shí)，強(qiáng)烈的蒸發(fā)導(dǎo)致鹽分向裸露的地表富集，所以下層土壤的鹽分含量相對(duì)較小.但是該研究區(qū)主要的種植作物是葵花、玉米、小麥等作物，灌溉水主要是黃河水，黃河水通過(guò)灌區(qū)進(jìn)入農(nóng)田，最后再排入黃河，導(dǎo)致研究區(qū)的大部分地區(qū)長(zhǎng)期處于脫鹽過(guò)程，使得大部分土壤屬于非鹽化土壤，但是堿性較強(qiáng).

總體來(lái)說(shuō)，烏梁素海流域土壤鹽堿化現(xiàn)象依然嚴(yán)重，應(yīng)加強(qiáng)研究與治理改良.河套灌區(qū)獨(dú)特的地形、氣候、土壤和地下水等自然條件，造成鹽分在土壤中積累和土壤溶液中鈉離子相對(duì)濃度的增大，因此導(dǎo)致研究區(qū)大部分區(qū)域在未開(kāi)發(fā)之前即是一片原生土壤鹽堿化土地[14].為了使研究區(qū)得到開(kāi)發(fā)和利用，每年都必須引黃灌溉保證充足的農(nóng)業(yè)水源，同時(shí)淋洗土壤中的鹽分.但是黃河水本身的含鹽量較大[15]，加之粗放的灌溉和耕作技術(shù)，使得鹽分又在土壤中累積，導(dǎo)致土壤此生鹽堿化的發(fā)生.另外深層土壤和地下水中的鹽分，會(huì)由于排水不暢在地下水位上升和強(qiáng)蒸發(fā)的情況下再次回到表層土壤.所以僅僅依靠灌溉淋洗是不能從根本上治理研究區(qū)的鹽堿化問(wèn)題.因此要想徹底治理鹽堿化狀態(tài)，首先要改善灌溉方式，合理的控制灌溉水量，在鹽堿化嚴(yán)重的地區(qū)適當(dāng)多灌溉，對(duì)于非鹽堿化及輕鹽堿化地區(qū)就要少灌溉.其次要提高耕作技術(shù)，對(duì)于不同程度的鹽堿化地區(qū)選擇不同的鹽堿性作物.而且對(duì)于鹽堿化較為嚴(yán)重的地區(qū)應(yīng)使用化學(xué)改良劑等治理措施，從根本上治理鹽堿化土地.所以應(yīng)該堅(jiān)持多方控制的原則來(lái)治理鹽堿化問(wèn)題.

土壤鹽分的空間分布與研究尺度密切相關(guān)[16,17].但是本研究取樣的面積較大，所以采樣點(diǎn)的間距也較大，導(dǎo)致鹽堿土的描述不夠精確.通過(guò)查閱參考大量前輩們的研究成果[18,19]，表明該文的研究具有實(shí)際意義.為了能精確的研究烏梁素海流域土壤的鹽堿化，仍然需要在局部地區(qū)進(jìn)行詳細(xì)的研究.另外，土壤鹽堿化還受地下水運(yùn)動(dòng)、氣候和人類灌排等因素的影響，所以要想可持續(xù)的利用該地區(qū)的土地資源，就必須對(duì)該地區(qū)的鹽堿化動(dòng)態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)及調(diào)控.

3 結(jié) 論

烏梁素海流域表層土壤全鹽含量和pH值差異不顯著，但是變異系數(shù)都很高，所以土壤全鹽含量與pH的空間變異性很明顯.烏梁素海流域土壤鹽分和pH含量較高的地區(qū)主要分布在烏梁素海流域的局部地區(qū)，呈明顯的從中心向四周擴(kuò)展的分布格局.在垂直上表現(xiàn)為隨著土層的加深，呈逐步遞減的趨勢(shì).烏梁素海流域土壤總體屬于輕度鹽化土和重堿化土類型，從西向東就有間接性減小的趨勢(shì)；總體來(lái)說(shuō)，烏梁素海流域的土壤鹽堿化從西南向東北具有間歇性增加的趨勢(shì)，并且堿性非常嚴(yán)重，所以應(yīng)該加強(qiáng)研究土壤鹽堿化治理和改良的新舉措.

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Investigation of Spatial Distribution Pattern of Soil Salinity and pH in the Wuliangsuhai Basin

SUN Li-hua1a， LIU Hua-min1b， WANG Shi-dong2， CHEN Xiu-li3，LIU Dong-wei1a， QING Hua1a， ZHUO Yi1a， WANG Li-xin1a,4

( 1. a. College of Environment and Resources, b. College of Life Sciences, Inner Mongolia University, Hohhot 010021, China;2. National Secondary Occupation School, Xilingol Vocational College, Xilinhaote, 026000, China; 3. Faculty of Biological Science and Technology, Baotou Normal College, Baotou 014030, China; 4. Sino-US Center for Conservation, Energy,and Sustainability Science, Inner Mongolia University, Hohhot 010020, China)

Soil salinization is one of the most important bottlenecks for the sustainable development of agriculture in the Wuliangsuhai basin. Focusing on the spatial complexity and recurrence of soil salinization in Wuliangsuhai basin, this paper has collected layered samples from 0 cm to 30 cm from 20 representative sampling points according to the characteristics of vegetation there. The total salinity and pH of the soil were determined with the method of conductivity and potentiometry. Meanwhile, the spatial distribution of soil salinity and pH in this researched area was obtained from the Surfer Software (Kriging). The results show that the soil salinity and pH have a remarkable tendency of gathering on the surface in the spatial distribution. What’s more, the soil salinization tends to decrease along with the deepening of soil layer. As a whole, the soil salinization is a rather serious problem in Wuliangsuhai basin. Apart from controlling salinity in spring, some other measures are needed, such as irrigation and the use of chemical modifier.3figs.,1tab.,19refs.

GIS; soil salinization; spatial distribution pattern; Wuliangsuhai basin

2014-07-18

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：2011BAC02B03)；內(nèi)蒙古應(yīng)用研發(fā)項(xiàng)目(編號(hào)：20110522)

孫麗華(1989-)，女，內(nèi)蒙古赤峰人，碩士生，研究方向：環(huán)境生態(tài)學(xué). *通訊作者,E-mail:Lx_wimu@163.com.

2095-7300(2014)03-001-07

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