區(qū)域鹽漬化土壤表層水鹽變化特征及空間變異分析

趙文娟， 黃凌

(1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，寧夏銀川 750021； 2.寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心，寧夏銀川 750021)

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區(qū)域鹽漬化土壤表層水鹽變化特征及空間變異分析

趙文娟1，2， 黃凌1，2

(1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，寧夏銀川 750021； 2.寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心，寧夏銀川 750021)

摘要表層土壤水鹽的變化特征和空間變異性是研究改良土壤鹽漬化的基礎(chǔ)。將試驗與統(tǒng)計學(xué)結(jié)合，分析寧夏銀北試驗區(qū)0~25 cm土層的水鹽變化、空間變異性。結(jié)果表明，春夏季表層土壤水分含量、鹽分含量總體隨時間逐漸增大；水分變異系數(shù)處于中等變異，鹽分變異系數(shù)處于弱變異區(qū)間內(nèi)。通過統(tǒng)計計算，認為試驗測定數(shù)目是達到精度要求的。利用Matlab軟件擬合半方差函數(shù)求參，顯示出土壤水分的空間自相關(guān)程度要明顯高于土壤鹽分。

關(guān)鍵詞區(qū)域化變量；空間變異；鹽漬土；土壤表層

Characteristics and Spatial Variability of Surface Soil Salinity and Moisture in Saline Area

ZHAO Wen-juan1,2, HUANG Ling1,2(1.School of Civil and Hydraulic Engineering, Ningxia University, Yinchuan, Ningxia 750021; 2.Ningxia Research Center of Technology on Water Saving Irrigation and Water Resources Regulation, Yinchuan, Ningxia 750021)

Abstract The characteristics and spatial distribution of surface saline soil is important to study in Yinbei area of Ningxia Province.This paper uses the methods of geographic statistics to analyze the variation of soil water(0-25 cm) and salt, spatial variability in experimental plots.The results show that surface soil moisture content and salt content was gradually increased over time in summer.Second, the coefficient of variation of soil moisture is higher than the soil salt’s.According to statistical calculation, the number of test measurement is to achieve the required precision.Last, the spatial autocorrelation of soil moisture level is significantly higher than that of soil salinity through adopting Matlab software parameters by fitting semivariogram.

Key words Regionalized variables; Spatial variability; Saline soil; Topsoil

寧夏銀北地區(qū)位于寧夏回族自治區(qū)銀川平原的北部和鄂爾多斯臺地西緣的高階地上，屬于沖湖積平原潛水-承壓水區(qū)。由于地形低洼、地下水位高以及人為的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，該地區(qū)形成大面積的鹽漬化土地。鹽分通常積聚在25 cm以上的土層中。深翻土層、大水溝灌及優(yōu)化施肥等傳統(tǒng)降鹽措施無法完全解決現(xiàn)階段的土壤鹽漬化問題，所以掌握土壤水鹽的分布特征和時空變異可為制定合理的土壤鹽漬化調(diào)控模式提供參考[1]。筆者就研究區(qū)耕作層土壤在春夏季的水分和鹽分含量變化進行比較，分析不同時期表層土壤水鹽的演變過程，為后續(xù)的土壤水鹽運移數(shù)值模擬研究提供可靠的試驗數(shù)據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗區(qū)域概述土壤水鹽監(jiān)測區(qū)域位于寧夏省銀川市賀蘭縣南梁臺子鐵西村。賀蘭縣屬于溫帶干旱氣候區(qū)，夏季受東南暖濕氣流的影響，雨水較多，蒸發(fā)強烈[2]。監(jiān)測時段為2012年5~10月，平均氣溫為18.77 ℃，月平均降水量為41.2 mm，水面蒸發(fā)量為124.00 mm，月平均地下水埋深為1.32 m。使用HJ16-TFC-1BⅢ型土肥測試儀，對試驗區(qū)土壤的化學(xué)性質(zhì)進行測定，發(fā)現(xiàn)全鹽量平均值為1.42 g/kg，pH為8.56。

試驗區(qū)為一條形區(qū)，面積約1 000 m2, 以五行十列布置形式將50根TDR(Time Delay Reflectometry，簡稱TDR)探測管埋設(shè)土層內(nèi)。將時間延遲反射儀與TDR管配合使用，分時段監(jiān)測該試驗區(qū)的50個測點0~25處土壤含水率和電阻值。TDR探測管是用特殊塑料制成，需使用支架、土鉆、固定鋼管、防振錘對其進行施工安裝。探管安裝圖見圖1。

1.2監(jiān)測方法將TDR探頭放置于地表10 cm深的探測管內(nèi)，可直接獲得土壤含水率和土壤電導(dǎo)率。通過多點測到的土壤含水率變異系數(shù)均小于10%，認為該測定值是可靠的。通過TDR設(shè)備可以測定出土壤含水率和一個與電導(dǎo)率相關(guān)的參數(shù)LEVEL值，但不能直接獲得土壤的含鹽量值。所以，需要建立參數(shù)LEVEL值、土壤含水率與土壤電導(dǎo)率三者的函數(shù)關(guān)系，通過顯著性經(jīng)驗最終確定上述3個值的線性函數(shù)關(guān)系式[3]。

Y=1.326 4+2.125 4X1-0.006 9X2

(1)

式中，Y為土壤含鹽量；X1為TDR所測土壤體積含水率；X2為TDR所測 LEVEL值。

2結(jié)果分析

2.1土壤表層水鹽變化特征表層土壤平均含水率在監(jiān)測期以7月最低，以9月最高。月平均含水率最大差值為8.6%，隨著時間的遷移呈由高到底而后逐漸增加的變化特征。各月平均全鹽量最高值出現(xiàn)在8月份，最低值則出現(xiàn)在5月份。結(jié)合監(jiān)測期內(nèi)不同月份的平均蒸發(fā)量、降雨量，與土壤全鹽量、含水率進行對比分析。由圖2可知，7月份降雨量達到最高，蒸發(fā)量達到最低，此時土壤水分含量也達到最低，并且土壤內(nèi)部開始積鹽；隨著蒸發(fā)量的逐漸增加，降雨減少，土壤內(nèi)部的鹽分含量在8月達到最大，隨后蒸發(fā)量逐漸減少，降雨又有所增加，土壤鹽分含量隨之降低，但橫斷面上全鹽量未出現(xiàn)明顯的回落。

2.2不同時間土壤水鹽統(tǒng)計特征值由表1可知，5個采樣時間的土壤含水率最小值與最大值相差范圍在48%~71%。變化量逐月增加，到8月28日土壤表層含水率最大值為38%，最小值為19.9%，且整個橫斷面的平均土壤含水率達到最高值。土壤樣本的變異系數(shù)是樣本的標準值與平均數(shù)的百分比。將變異系數(shù)分為不同的區(qū)間范圍，用于反映樣本的變異程度，即0~15%為弱變異，16%~35%為中等變異，大于36%為強變異[4]。從變異系數(shù)來看，5個時期的土壤水分變異系數(shù)中只有7月26日監(jiān)測的數(shù)值為弱變異強度，其他時期土壤含水率的變異系數(shù)在0.2~0.4之間，屬于中等變異強度；秋末土壤水分的變異系數(shù)大于36%，變異性達到最強，說明數(shù)據(jù)受土壤含水率影響較大。從取樣數(shù)目看，當(dāng)計算精度為5%時，土壤表層含水率的合理取樣數(shù)目在9~18個。

表1　20 cm深土層不同采樣時間土壤水分的統(tǒng)計特征值

由表2可知，土壤全鹽量變幅比土壤含水率變幅大，范圍在20%~70%，土壤全鹽量在7月26日的監(jiān)測值變幅最小，標準差也是5個時期的最小值，且土壤表層全鹽量變異系數(shù)為0.084，屬于弱變異強度。變異系數(shù)高值也出現(xiàn)在秋末，但屬于中度變異強度的范圍。土壤含水率的變異系數(shù)在不同時期均高于土壤全鹽量的變異系數(shù)，說明土壤鹽分的變異性弱于土壤含水率。土壤表層全鹽量的取樣數(shù)目大于含水率的合理取樣數(shù)目，約為48個，可見測點數(shù)目滿足取樣精度。

表2　20 cm深土層不同采樣時間土壤鹽分的統(tǒng)計特征值

2.3半方差函數(shù)的結(jié)構(gòu)半方差函數(shù)是描述土壤特性空間變異結(jié)構(gòu)的一個函數(shù)[5]，其基本方程為：

(2)

式中，h為土壤樣本之間的距離；γ(h)為半方差,用于描述h和γ(h)之間函數(shù)關(guān)系；Z(xi)為土壤樣本在xi處的測定值;Z(xi+h)為在距離為xi+h處的測定值；n為以h為間距的所有監(jiān)測點的成對數(shù)目(若取樣點有m個, 則n=m-1)。

半方差函數(shù)可以通過變差圖來表示。該圖中存在3個重要的參數(shù)，分別是基臺值C0(sill)、范圍值α(Range)和塊金值C(Nugget)。上述參數(shù)決定了半方差函數(shù)的結(jié)構(gòu)?；_值是指監(jiān)測點間隔距離不同時半方差函數(shù)的穩(wěn)定值；塊金值是監(jiān)測間隔為0時的半變異函數(shù)值；范圍值是塊金值達到基臺值的橫坐標差值。C0/(C0+C)為樣本特性參數(shù)的空間差異性強度，表示可度量空間隨機因素引起的變異所占的比例。當(dāng)空間差異性強度C0/(C0+C)值小于0.25，屬于強空間相關(guān)性；當(dāng)C0/(C0+C)處于0.25～0.75之間，屬于中等空間相關(guān)性；當(dāng)C0/(C0+C)大于0.75，屬于弱空間相關(guān)性[6]。半方差函數(shù)的非負性確定了現(xiàn)階段只可采用理論模型進行擬合求參。常用模型有線性模型(Linear)、球狀模型(Spherical)、指數(shù)模型(Exponential)、高斯模型(Gaussian)等[5]。球狀模型對擬合淺層土壤含水率和全鹽量是最為常用的[7-10]，因此該研究通過調(diào)用Matlab軟件中非線性曲線擬合函數(shù)Isqcurvefit對球狀模型進行擬合求參(表3)。

從空間相關(guān)性來看，6月和7月土壤全鹽量的C0/(C0+C)值在0.25～0.75之間，屬于中等強度的空間自相關(guān)性；5月、8月及9月的C0/(C0+C)值均小于0.25，則具有較強的空間自相關(guān)性；9月土壤含水量的C0/(C0+C)值為0.33，其余各月C0/(C0+C)的值均小于0.25。由此可知，在夏季，表層土壤含水率的空間自相關(guān)程度要明顯高于土壤全鹽量。隨時間的推移，土樣含水率自相關(guān)性逐漸變?nèi)?，而土壤全鹽量的空間自相關(guān)性呈現(xiàn)出由強到弱再到強的變化態(tài)勢。從相關(guān)距離上看，不同時期的含水率的自相關(guān)范圍均處在26m；土壤全鹽量處于8～25m，監(jiān)測期土壤含水率的自相關(guān)距離大于土壤全鹽量的，說明表層含水率受到外界的影響因素多于表層全鹽量。

表3　20 cm深土層不同采樣時間土壤含水率和全鹽量半方差函數(shù)擬合參數(shù)

3結(jié)論

以寧夏銀北地區(qū)的鹽漬土水鹽分布為研究對象，著重分析夏季淺層土壤含水率、全含量的變化特征及空間變異性。研究表明，該地區(qū)土壤表層含水率在8月、9月較高，淺層土壤全鹽量隨著時間的遷移而逐漸增加，其值隨著降雨量的增加又會降低；不同時期土壤含水率的變異系數(shù)均高于土壤全鹽量，其合理取樣次數(shù)低于土壤全鹽量的取樣次數(shù)；采用球狀模型擬合半方差函數(shù)所得參數(shù)表明，表層鹽漬土含水率的空間變異程度高于土壤全鹽量的，鹽分的變異強度以中等變異為主，水分的變異強度以弱變異為主；土壤含水率的自相關(guān)距離對受外界因素的影響較大。

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收稿日期2015-10-19

作者簡介趙文娟(1980- )，女，寧夏銀川人，講師，博士，從事旱區(qū)水資源與調(diào)控方面的研究。

基金項目國家自然科學(xué)基金資助項目(91230111)；寧夏高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究項目(NGY2014005)。

中圖分類號S 152.7

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2015)33-204-03