克里雅綠洲地下水埋深時空變化對土壤鹽分分布的影響

努爾麥麥提江·吾布里卡斯穆，塔西甫拉提·特依拜，阿不都拉·阿不力孜，鄧煜霖，買買提·沙吾提，張 飛

(1.新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830046；2.綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830046)

地下水是干旱區(qū)有限水資源中的重要組成部分，從時空上直接或者間接作用于地表的生態(tài)環(huán)境[1,2]。干旱區(qū)地表水資源一般都具有較大時空分布的差異性和有限性，加之干旱區(qū)降水稀少，使得在大多數(shù)情況下，干旱區(qū)綠洲主要利用地下水和河流水來維持其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動。干旱區(qū)灌溉方式如果不合理則會引起土壤鹽漬化等眾多生態(tài)環(huán)境問題。在我國西北干旱地區(qū)地下水比較淺，地區(qū)的灌溉方式以傳統(tǒng)的大田漫灌為主，這很容易引起地下水位抬高，加之當(dāng)?shù)馗珊档臍夂驐l件和地下水的強(qiáng)烈蒸發(fā)，土壤次生鹽漬化問題日益突出[3,4]。當(dāng)?shù)赝寥利}漬化的分布狀況可以通過地下水埋深空間異質(zhì)性與土壤不同深度鹽分分布的關(guān)系來反映[5]，因此，研究地下水埋深與土壤鹽分之間的關(guān)系，對防止土壤鹽漬化及提高農(nóng)作物產(chǎn)量具有重要意義。

近些年來，國內(nèi)外諸多學(xué)者大量研究了地下水與土壤鹽漬化的關(guān)系并取得了一些研究成果。Salama等[6]認(rèn)為地下水對鹽分的影響使得鹽分發(fā)生遷移、積累和釋放運(yùn)動。Mahmood等[7]通過研究發(fā)現(xiàn)地下水位上升會造成了土壤鹽漬化并且加速了土地退化。賈大林和傅正泉[8]通過室內(nèi)土壤模擬實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在地下水蒸發(fā)運(yùn)移過程中，鹽分聚集于表層土壤是由于下層土體鹽分溶解向上運(yùn)動。楊勁松等[9]以新疆塔里木灌區(qū)為研究區(qū)，分析了0～50 cm土壤層積鹽速率與地下水埋深的關(guān)系。近年來研究土壤特性時空變異規(guī)律的一種有效手段是地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)與 GIS技術(shù)[10,11]。地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法是在地理學(xué)研究中常用的有效手段，許多學(xué)者在研究地下水埋深與鹽分關(guān)系時應(yīng)用了此方法，并得到了較好的結(jié)果。Eldeiry等[12]將GIS、遙感及空間模型相結(jié)合，在土壤鹽堿化的遙感估算中使用了Kriging模型、空間自回歸模型和最小二乘法模型，研究結(jié)果表明空間模型與遙感的相結(jié)合，使土壤鹽漬化空間分布特征的研究精度在一定程度上得以提高。阮本清[13]對寧夏回族自治區(qū)青銅峽灌區(qū)地下水埋深的時空變異的規(guī)律進(jìn)行研究。杜軍等[14]研究發(fā)現(xiàn)，在特定區(qū)域地下水礦化度的時空分布規(guī)律受到地下水埋深的時空分布規(guī)律的影響。綜上所述，地下水埋深時空分布對干旱區(qū)土壤鹽漬化的影響極為突出。

克里雅綠洲是處在塔里木盆地南緣，氣候極為干旱，蒸發(fā)量高，自然條件下土壤鹽漬化比較嚴(yán)重，而且綠洲農(nóng)業(yè)以大水漫灌為主，蒸發(fā)量極大的自然環(huán)境條件下，使土壤層鹽分含量增大，加劇了土壤鹽漬化，對綠洲可持續(xù)發(fā)展造成了一定威脅。目前，對克里雅綠洲水鹽一體進(jìn)行的研究較少。本文在前人的研究基礎(chǔ)上，利用實(shí)測獲得的和通過室內(nèi)試驗(yàn)獲取的地下水埋深數(shù)據(jù)及土壤EC值，采用地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)與GIS相結(jié)合的方法，對克里雅綠洲地下水埋深時空變化與土壤鹽分在不同季節(jié)的空間變異特征的關(guān)系進(jìn)行研究分析，為提高克里雅綠洲農(nóng)作物產(chǎn)量、防止土壤鹽漬化及為綠洲可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

克里雅綠洲地處新疆維吾爾自治區(qū)塔里木盆地南緣克里雅河流域，氣候類型是暖溫帶內(nèi)陸干旱性沙漠氣候，地勢特點(diǎn)是南高北低，南靠昆侖山，北部靠近塔克拉瑪干沙漠，自南向北形成高山、戈壁、沙漠等地貌單元，是一個典型的綠洲荒漠交錯地區(qū)。該綠洲降水稀少、蒸發(fā)量大，平原綠洲區(qū)年均降水僅有14 mm，蒸發(fā)量則高達(dá)2 500 mm，屬典型的極端干旱區(qū)[15]。由于蒸發(fā)量高，表層積鹽現(xiàn)象十分嚴(yán)重，鹽漬化主要分布在地勢相對低的灌溉綠洲中下部地區(qū)，在這一帶區(qū)域具有潛水溢出，其礦化度較高。綠洲南部山區(qū)由于地貌和氣溫的影響，植被分布面積較小，區(qū)系較單一，綠洲中北部平原區(qū)植被類型比較單一，除了人工培育的多種糧食、經(jīng)濟(jì)作物和防護(hù)林之外還有胡楊、檉柳、蘆葦、甘草、駱駝刺等耐旱耐鹽性植被。

2 數(shù)據(jù)來源于分析方法

在克里雅綠洲之內(nèi)，根據(jù)該地區(qū)土壤分布、地貌特征、土壤鹽漬化程度、植被退化程度與分布情況等不同條件，在整個研究區(qū)之內(nèi)設(shè)置地下水位觀測井24眼，觀測井跨越人造綠洲和天然綠洲，東西方向跨度近52 km，南北方向跨度近45 km，經(jīng)過克里雅河，距離克里雅河最近距離不到100 m，最遠(yuǎn)距離達(dá)50 km，用HOBO自動記錄儀記錄地下水埋深動態(tài)數(shù)據(jù)，水位監(jiān)測頻率為6 次/d，并在每個觀測井周邊進(jìn)行了分層取樣(土壤樣品點(diǎn)與地下水觀測井的相對距離不大于10 m)。采樣時間為2012年春、夏和秋3個不同季節(jié)，土壤樣品的采樣深度分別為0～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm。將集體采樣的土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干、碾碎、過篩后，制備土水比1∶5浸提液，采用DDS-307電導(dǎo)率儀測定土壤樣品電導(dǎo)率(土壤EC值)。

本研究采用徑向基插值方法(RBF)進(jìn)行空間變異性分析。徑向基函數(shù)插值法最初是散亂數(shù)據(jù)插值的一種基本方法，它的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)配置靈活、工作量小、計(jì)算格式簡單、精度較高[16]。通過交叉驗(yàn)證方法對地下水埋深與土壤鹽分的預(yù)測精度進(jìn)行評估。通過模型得到的預(yù)測值與觀測值之間的平均誤差越接近于零，均方根誤差越小，表明模型估算的準(zhǔn)確性越高，反之則模型估算的準(zhǔn)確性越差[17]。平均誤差(ME)和均方根誤差(RMSE)通過以下公式計(jì)算：

ME=∑ (zi*-zi)

(1)

(2)

式中：zi*表示觀測值；zi表示預(yù)測值；n表示觀測數(shù)量。

3 結(jié)果與分析

3.1 地下水埋深與土壤鹽分的統(tǒng)計(jì)特征

根據(jù)克里雅綠洲24眼地下水觀測井?dāng)?shù)據(jù)和通過室內(nèi)試驗(yàn)獲取的土壤電導(dǎo)率數(shù)據(jù)繪制了研究區(qū)地下水埋深與土壤樣品EC值(土壤EC值表示土壤電導(dǎo)率，土壤電導(dǎo)率越高，鹽分就越高)的分析統(tǒng)計(jì)表(見表1)。由表1可以發(fā)現(xiàn)，克里雅綠洲春、夏、秋3個不同時期地下水埋深最小值均為0，夏季地下水埋深最大值和平均值(24眼地下水位觀測井在春、夏、秋季的地下水平均埋深)均比春、秋季大，地下水埋深預(yù)測平均誤差均為10%(-0.115～-0.105)左右，而均方根誤差為2.745～3.288，說明預(yù)測精度較好。對土壤EC值而言，夏、秋季土壤EC平均值(指在實(shí)驗(yàn)室通過實(shí)驗(yàn)獲取的)比春季相對高，除了秋季0～10 m深度為20%之外，春、夏、秋季各個不同深度預(yù)測平均誤差為10%或者小于10%(-0.002～0.085)，土壤0～10cm深度的均方根誤差均比10～20、20～40 cm深度的大。

表1 地下水埋深與土壤EC值的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果Tab.1 Descriptive statistics of groundwater depth and EC value of soil

3.2 地下水埋深時空異質(zhì)性

根據(jù)獲得的地下水埋深數(shù)據(jù)，繪制了研究區(qū)20眼觀測井水位一年內(nèi)變化圖(見圖1)。由圖1可以發(fā)現(xiàn)，克里雅綠洲不同季節(jié)地下水埋深變化比較大，整體上來看，春季地下水埋深變化幅度最大，秋季最小。一年中每個樣地地下水埋深呈多次波動，接近50%觀測井最大埋深出現(xiàn)在夏季，40%出現(xiàn)在秋季，而60%觀測井最小埋深出現(xiàn)在春季，地下水埋深隨樣地不同而變化不一，其中靠近克里雅河的9號觀測井一年內(nèi)水位波動最大，可達(dá)6 m。

根據(jù)春、夏、秋季地下水埋深數(shù)據(jù)的插值結(jié)果，得到了3個不同季節(jié)地下水埋深空間分布圖(見圖2)。由圖2可知，由于該綠洲地形特征為南高北低，克里雅河流水、農(nóng)業(yè)灌溉水和地下水徑流流向均為由南到北，并形成了綠洲地下水埋深南深北淺的分布特征。研究區(qū)南部地下水埋深最大，這主要由于南部地勢較高，水系比較單一，并且地下水有一定的開采；地下水埋深最淺的區(qū)域在研究區(qū)中心和東北部，這主要是因?yàn)樵搮^(qū)離克里雅河較近，域地勢較低，綠洲中心區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉水沉積在該區(qū)域；研究區(qū)西北部分區(qū)域地下水埋深比較大，主要原因是該區(qū)域離克里雅河與綠洲中心比較遠(yuǎn)，河流與地下水徑流的補(bǔ)給作用不明顯。

圖1 地下水月季變化Fig.1 Monthly change of groundwater depth

圖2 地下水埋深空間分布Fig.2 Spatial distribution of groundwater depth

3.3 土壤鹽分空間變化

根據(jù)前面得到的土壤EC值分析結(jié)果，利用Arcgis10.1繪制了克里雅綠洲春、夏、秋季不同深度的土壤EC值空間分布圖(見圖3)。由圖3可知，春季土壤EC值分布特征均較復(fù)雜，0～10 cm土壤鹽分在綠洲中部和西北部達(dá)到最大值，10～20 cm土壤鹽分在西北部達(dá)到最大值，20～40 cm鹽分值連續(xù)性最好，在北部達(dá)到最大值，在西北部的沼澤地周邊土壤EC值較小，主要原因是春季氣溫不是很高(春季平均氣溫為16 ℃)，土壤積鹽能力較弱；夏季土壤EC值連續(xù)性較春秋季相對好，原因是溫度高(平均氣溫為26.5 ℃)，整個地區(qū)地下水蒸發(fā)量大，土壤積鹽嚴(yán)重，鹽分含量均在綠洲中北部達(dá)到最大值；秋季0～10 cm鹽分值連續(xù)性較差，在中部和北部達(dá)到最大值，10～20、20～40 cm土壤含鹽量的高值區(qū)在中北部，連續(xù)性較0～10 cm深度相對好?？偟膩碚f，從南、東南部到北部土壤含鹽量呈增加趨勢。

圖3 土壤EC值空間分布Fig.3 Spatial distribution of EC value of soil

3.4 地下水埋深對土壤鹽分的影響

研究表明地下水埋深及礦化度對土壤鹽分和土壤鹽漬化狀況的影響最大，其中，土壤發(fā)生鹽漬化的關(guān)鍵性因素是地下水埋深[18,19]。由圖2和圖3可以看出，地下水埋深與土壤鹽分的關(guān)系極為密切[20]?？死镅啪G洲地下水埋深呈南深北淺的分布特征，東南部最深的達(dá)到10 m以上，從南向北逐漸減小，土壤鹽分隨著地下水埋深的減少而增加，在地下水埋深最深的綠洲東南部土壤鹽分含量最低，而在地下水埋深較淺的中北部區(qū)域達(dá)到最大值。作為我國塔克拉瑪干沙漠南轅的一個綠洲，其氣候十分干旱，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動夏季最頻繁，用水量高，因此夏季研究區(qū)地下水平均埋深較春季和秋季大，但是該區(qū)域夏季平均氣溫最高，蒸發(fā)量大，夏季土壤積鹽現(xiàn)象較春季和秋季嚴(yán)重。在地下水埋深最大的綠洲東南部區(qū)域，土壤含鹽量低，反之地下水埋深較淺的中北部，土壤積鹽越嚴(yán)重，這說明，克里雅綠洲土壤含鹽量受地下水埋深制約極為明顯?！胞}隨水來，鹽隨水去”， 土壤鹽分隨毛管水上升到地表，水分蒸發(fā)后，使鹽分積累在表層土壤中。由于研究區(qū)氣候干旱，即使綠洲地下水埋深比較淺的部分區(qū)域地下水含鹽量較少，但是蒸發(fā)強(qiáng)烈，土壤中的水分大量蒸發(fā)，會攜帶大量鹽分到達(dá)土壤表層，使土壤積鹽。因此，將地下水控制在合理的深度，土壤才不會發(fā)生積鹽。

根據(jù)不同地勢、地下水埋深、土壤性質(zhì)與植被生長狀況，選取綠洲之內(nèi)8、9、24號地下水觀測井地下水埋深與不同土壤層鹽分?jǐn)?shù)據(jù)來分析地下水埋深與土壤鹽分之間的關(guān)系(見圖4)。由圖4可知，觀測井地下水埋深越深鹽分含量越小，反之則鹽分含量越大。8號觀測井處在研究區(qū)北部的綠洲-沙漠過渡帶，周邊主要植被類型以蘆葦為主，離克里雅河主干道100 m左右，地下水埋深比較淺，3期地下水埋深在2 m上下波動，土壤表層積鹽的現(xiàn)象十分嚴(yán)重，不同土壤層之間鹽分含量變化劇烈；9號觀測井處在綠洲南部農(nóng)業(yè)區(qū)，人類活動頻繁，自然植被類型以紅柳、駱駝刺為主，離克里雅河主干道不到100 m，其農(nóng)業(yè)用水量大而且有地下水開采現(xiàn)象，地下水埋深比較深，一年不同季節(jié)內(nèi)波動可達(dá)6 m，但是不同季節(jié)且不同土壤層間鹽分含量較低而且變化不明顯，這表明，該觀測井附近地下水埋深對土壤積鹽的作用不明顯；24號觀測井處在研究區(qū)中部，植被類型以蘆葦和駱駝刺為主，地下水埋深為2.0～2.5 m上下波動，因24號觀測井地勢相對低，靠近人類活動頻繁的農(nóng)業(yè)區(qū)，農(nóng)業(yè)灌溉水沉積在該觀測井附近，因此，土壤積鹽現(xiàn)象嚴(yán)重，土壤各層鹽分含量均高。

圖4 典型點(diǎn)地下水埋深與土壤鹽分關(guān)系Fig.4 The relationship between groundwater depth and soil salinity in typical points

4 討 論

地下水埋深時空分布與土壤鹽分的空間異質(zhì)性密切相關(guān)[21]。在克里雅綠洲控制土壤鹽漬化的重要手段是控制綠洲地下水埋深，而綠洲地勢、土壤性質(zhì)、溫度、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動頻繁、灌溉量等因素也對地下水埋深和土壤鹽分有一定的影響。除了綠洲南部的部分區(qū)域之外，克里雅綠洲中北部大部分區(qū)域地下水埋深小于3 m，綠洲農(nóng)業(yè)以大水漫灌為主，蒸發(fā)量極大的自然環(huán)境條件下，使土壤層鹽分含量增大，引起土壤鹽漬化。防止土壤發(fā)生積鹽的關(guān)鍵在于控制綠洲地下水埋深，采取適合于本地區(qū)水資源狀況的灌溉措施，防止地下水位的抬升[22]。但是研究區(qū)面積比較大并且在該區(qū)域土壤沙漠化和鹽漬化現(xiàn)象共存，如何控制地下水的最佳深度，減緩?fù)寥利}漬化，還需要考慮地貌、土壤、植被、管理政策及當(dāng)?shù)鼐S吾爾居民的生活習(xí)慣等因素。

5 結(jié) 論

(1)從預(yù)測結(jié)果來看，地下水埋深預(yù)測平均誤差為10%，均方根誤差為2.745～3.288：對土壤EC值而言，秋季0～10 cm深度預(yù)測平均差為20%，春夏季節(jié)不同深度預(yù)測平均誤差不大于10%(-0.002～0.085)，隨著土壤深度的增加，均方根誤差變小。總的來說，地下水埋深及土壤EC值預(yù)測精度較好。

(2)克里雅綠洲地下水埋深不同季節(jié)時空上的變化比較大，由綠洲南部至北部地下水埋深整體上呈減小趨勢，但是不同3個季節(jié)地下水埋深最小值出現(xiàn)在綠洲中西部的沼澤地(4號觀測井區(qū)域)。綠洲中部區(qū)域人類活動頻繁，對地下水埋深變化的影響較大，因此，在不同時期內(nèi)地下水埋深波動比較大，最大可達(dá)6 m。

(3)春、夏、秋3個季節(jié)土壤EC值從南到北呈增大的趨勢，農(nóng)業(yè)灌溉水沉積的中部區(qū)域和地勢比較低、地下水埋深比較淺的北部地區(qū)土壤鹽分含量最大，而鹽分含量最小的區(qū)域在人類活動比較頻繁、地下水埋深比較低的綠洲東南部：0～10 cm的深度和下層土壤EC值的差距較大。

(4)土壤鹽分與地下水埋深關(guān)系密切，土壤鹽分隨淺層地下水埋深的增大而減小，這表明克里雅綠洲地下水埋狀況是制約土壤鹽分含量的重要因素。控制地下水埋深是防止綠洲土壤發(fā)生積鹽及土壤鹽漬化進(jìn)一步加劇的重要因素，選用適合于克里雅綠洲水資源狀況的灌溉農(nóng)業(yè)技術(shù)措施，防止地下水位抬升引起土壤積鹽。

[1] Lammerts E J, Maas C, Grootjans A P. Groundwater variables and vagetation in dune stacks[J]. Ecological Engineering, 2001,17(1): 33-47.

[2] Elmore A J, Manning S J, Craine J M. Decline in alkali meadow vagetation cover in California the effects of groundwater extraction and drought[J]. Journal of Applied Ecology, 2006,43(4):770-779.

[3] 陳亞新,史海濱,魏占民.土壤水鹽信息空間變異的預(yù)測理論與條件模擬[M].北京:科學(xué)出版社,2005:3-4.

[4] 徐 英, 陳亞新,史海濱,等.土壤水鹽空間變異尺度效應(yīng)的研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2004,20(2):1-5.

[5] Douaaik A, van Meirvenne M, Toth T. Statistical methods for evaluating soil salinity spatial and temporal variability[J]. Soil Science Society of America Journal, 2007,71(5):1 629-1 635.

[6] Salama R B, Otto C J, Fitzpatrick R W. Contributions of groundwater conditions to soil and water salinization[J]. Hydrogeology Journal, 1999,7(1):46-64.

[7] Mahmood K, Morris J, Collopy J, et al. Groundwater uptake and sustainability of farm plantations on saline sites in punjab province, Pakistan[J]. Agricultural Water Management, 2001,48:1-20.

[8] 賈大林,傅正泉.利用放射性I131和S35 松沙土土體和地下水鹽分的運(yùn)動[J].土壤學(xué)報,1979,16(1):29-37.

[9] 楊勁松，陳小兵,周宏飛. 新疆塔里木灌區(qū)水鹽問題研究[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報,2007,18(2):69-73,77.

[10] Zhang R F. Theory and application of spatial variability[M]. Beijing: Science Press, 2005:13-14.

[11] Cunter B. Geostatistics for environmental scientists[J]. Vadose Zone Journal, 2001,(1):321-322.

[12] Eldeiry A A, Garcia L A, Detecting soil salinity in alfalfa fields using spatial modeling and remote sensing[J]. Soil Science Society of America Journal, 2008,72(1):201-211.

[13] 阮本清.空間變異理論及應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2005:13-14.

[14] 杜 軍,楊培嶺,李云開,等. 河套灌區(qū)年內(nèi)地下水埋深與礦化度的時空變化[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2010,26(7):26-31.

[15] 阿布都拉·阿布力孜,塔西甫拉提·特依拜,丁建麗,等.基于植被溫度條件指數(shù)的克里雅河流域干旱監(jiān)測研究[J].水土保持研究,2011,18(4):153-156.

[16] 魏義坤,楊 威,劉 靜.關(guān)于徑向基函數(shù)插值方法及其應(yīng)用[J].沈陽大學(xué)學(xué)報,2008,20(1):7-9.

[17] Arslan H. Spatial and temporal mapping of groundwater salinity using ordinary kriging and indicator kriging: the case of Bafra Plain, Turkey[J]. Agricultural Water Management, 2012,113:57-63.

[18] Ruan B Q,Xu F R,Jiang R F. Analysis on spatial and temporal variability of groundwater level based spherical sampling model[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2008,39(5):573-579.

[19] Shouse P J,Goldberg S,Skaggs T H,et al.Effects of shallow groundwater management on the spatial and temporal variability of boron and salinity in an irrigated field[J]. Vadose Zone Journal, 2006,5(1):377-390.

[20] Jordan M M,Navarro-Pedrefio J,Garcia-Sanchez E,et al.Spatial dynamics of soil salinity under arid and-semi arid conditions :geological and environnmental implications[J]. Environmental Geology, 2004,45,(4):448-456.

[21] 姚榮江,楊勁松.黃河三角洲地區(qū)淺層地下水與耕層土壤積鹽空間分異規(guī)律定量分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2007,(8).

[22] Abdelfattah M A,Shahid S A,OthmanY R. Soil salinity mapping model developed using RS and GIS: a case study from Abu Dhabi, United Arab Emirates[J]. Eroupean Journal of Scientific Research, 2009,26(3):342-351.