莫索灣灌區(qū)土壤剖面鹽分空間分布特征

摘要：以新疆莫索灣灌區(qū)為研究區(qū)域，運用經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)和地統(tǒng)計學(xué)的分析方法，研究不同土層（0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm）土壤鹽分含量的空間變異特征，并繪制了土壤剖面鹽分含量分布圖。結(jié)果表明，研究區(qū)土壤剖面鹽分含量隨著土層深度增加逐漸增大，具有一定的低聚特征，表層土壤平均含鹽量最低，60～100 cm的土層含鹽量最高；各土層土壤鹽分均符合對數(shù)正態(tài)分布，但整個研究區(qū)土壤鹽分含量最大值出現(xiàn)在表層，0～40 cm的土層鹽分屬于強變異性，40～100 cm的土層鹽分是中等變異性；研究區(qū)各層土壤鹽分均屬于中等空間自相關(guān)，0～20、20～40 cm土層的塊金系數(shù)分別為0.698和0.653，空間相關(guān)性低于底層；克里格插值分析表明，各土層含鹽量均呈斑狀、塊狀分布，研究區(qū)的土壤鹽分南部高于北部，東部高于西部。

關(guān)鍵詞：灌區(qū)；土壤剖面；鹽分；空間分布

中圖分類號：S153 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）10-2488-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.10.011

Abstract：In order to analyze the spatial variation characteristics of salinity of different soil layers（0～20，20～40，40～60，60～80，80～100 cm），Mosuowan irrigated area in Xinjiang was chosen as study area， and classical statistics and geostatistics were used to obtain the salinity distribution map of the soil profile. The results showed that the salinity in soil profile increased gradually with the increase of soil depth in the study area. The average soil salinity of surface soil was the lowest， whereas it was the highest in soil layer of 60～100 cm. The soil salinity of each soil layer conformed to logarithmic normal distribution， but the maximum value of soil salinity in the study area appeared in the surface layer. The soil salinity of 0～40 cm showed strong variability， and the soil salinity of 40～100 cm showed medium variability. The soil salinity of each layer in the study area was of moderate spatial autocorrelation，the nugget coefficient of 0～20 cm and 20～40 cm soil layer were 0.698 and 0.653， and spatial correlation was lower than the underlying. The Kriging interpolation analysis showed that， the distribution of soil salinity was porphyritic or nubby， and the soil salinity was higher in the south and east than in the north and west of the study area.

Key words： irrigated area； soil profile； salinity； spatial distribution

土壤鹽漬化是干旱、半干旱、半濕潤地區(qū)土壤的普遍特征，也是土壤退化最主要的表現(xiàn)之一。全國約有31.1%的耕地受到鹽漬化的威脅，主要是由于隨著土壤和水資源不合理的開發(fā)利用，導(dǎo)致灌區(qū)局部蓄水量持續(xù)增大，地下水位居高不下，土壤鹽分在表層聚集，嚴重影響和制約了農(nóng)業(yè)發(fā)展和資源的可持續(xù)利用[1，2]。

近年來，許多國內(nèi)外學(xué)者就土壤鹽漬化這一問題展開積極深入的研究，Cemek等[3]對土耳其北部沖擊平原的土壤鹽分進行了研究，提出地下水位、微地形、灌溉系統(tǒng)和排水是影響土壤鹽分空間變異性的主要因素。Eldeiry等[4]將地理信息系統(tǒng)和遙感以及空間模型相結(jié)合改進的克里格模型應(yīng)用于土壤鹽堿化的遙感估算，結(jié)果表明，將具有較強統(tǒng)計分析特性的地理信息系統(tǒng)和遙感相結(jié)合，能夠大大提高土壤鹽分空間分布的研究精度。張源沛等[2]對銀川平原的土壤鹽分及鹽漬土的空間分布格局進行研究，表明土壤的空間相關(guān)性主要受到區(qū)域因素（地下水運動）的影響。劉廣明等[5]的研究則表明典型綠洲區(qū)土壤鹽分質(zhì)量分數(shù)的空間分布是由隨機性因素（如灌溉、耕作措施和土壤改良等各種人為活動）和結(jié)構(gòu)性因素（如氣候、地形、土壤類型等）共同作用引起的。王紅等[6]研究了黃河三角洲的不同尺度、深度土壤鹽分的變異系數(shù)和空間相關(guān)性，揭示了形成這種空間變異的地貌因素。孫艷偉等[7]對流動沙漠人工綠地的表層、亞表層的空間分布進行了研究，得出土壤表層鹽分含量遠高于亞表層且具有一定的表聚性。莫冶新等[8]對塔里木河中下游表層土壤鹽分進行了研究，得出表層土壤的空間變異性較小且鹽分性質(zhì)較為單一。顏安等[9]對瑪納斯河流域表層的土壤鹽分空間變異進行了研究，得出土壤的鹽分分布為中等變異性并具有強烈的空間相關(guān)性?？v觀國內(nèi)外已有的研究，大多研究結(jié)果只對土壤表層的鹽分空間分布進行了分析，得出土壤表層鹽分的空間分布主要受地下水位、排水、灌溉系統(tǒng)、耕作措施、氣候和地形等因素共同影響，但是土壤是具有剖面性質(zhì)的，所以本研究以莫索灣灌區(qū)為研究對象，結(jié)合經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)、地統(tǒng)計學(xué)和克里格分析方法，對該地區(qū)土壤剖面的鹽分空間分布進行討論。

1 研究區(qū)概況及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處北緯45°01′、東經(jīng)86°06′，是瑪納斯縣灌區(qū)、老沙灣灌區(qū)、農(nóng)八師石河子市和古爾班通古特大沙漠的中心。灌區(qū)總面積為1 326.15 km2，分別由147團、148團、149團和150團組成。平均海拔346.0 m，降水稀少，蒸發(fā)強烈，日照時間長，夏季炎熱，冬季寒冷，屬于典型的大陸性干旱半干旱氣候，年平均氣溫6.6 ℃，年平均降水量123.2 mm，年平均蒸發(fā)量1 979.5 mm，年平均日照時數(shù)2 774.1 h。土壤受地形地貌、氣候、水文條件和成土母質(zhì)影響，可分為壤土、中壤土、沙土。該灌區(qū)農(nóng)作物灌溉的主要方式為大水灌溉，由于大水灌溉，地形和人為因素的影響導(dǎo)致地下水位抬升，土壤的次生鹽漬化加劇，鹽堿化程度加深。

1.2 樣品采集與分析方法

1.2.1 樣品采集 本研究于2014年春季根據(jù)當?shù)氐耐寥捞卣?、植被類型、土壤利用方式等因素來確定研究區(qū)采樣點的位置，應(yīng)用GPS定位技術(shù)在研究區(qū)內(nèi)選擇典型位置進行采樣，共267個采樣點。在每個采樣點相鄰不同的3鉆土樣經(jīng)混合后用四分法組成該點的待測樣品，每個土樣均先剔除地表面明顯的植物碎屑和枯落物，用土鉆進行5層分層采樣，采樣層次為0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm，同時對采樣點周圍的地形地貌、植被類型、植被覆蓋度、土地利用方式、灌溉系統(tǒng)、土壤類型等要素進行描述，并用GPS記錄各個采樣點的地理坐標。

1.2.2 樣品處理 采集的土壤樣品在實驗室里進行自然風干、研磨，過0.25 mm的篩后裝入密封袋，以備后續(xù)試驗。所有的土壤樣品均制備1∶5土水質(zhì)量比浸提液，測定樣品的電導(dǎo)率。共275個采樣點，1 375個樣品，應(yīng)用電導(dǎo)率儀（梅特勒S230）測定電導(dǎo)率，測定方法參考文獻[10]。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)處理采用了Microsoft Excel 2010和地統(tǒng)計學(xué)軟件GS+9.0，土壤鹽分空間分布圖均采用ArcGIS 10.0軟件。

2 結(jié)果分析

2.1 土壤鹽分的統(tǒng)計特征值

表1分別對0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm的土層進行了描述性統(tǒng)計。各土層土壤均較好地符合對數(shù)正態(tài)分布且各土層特征值具有明顯的差異。60～80 cm土層的土壤平均含鹽量最高，為0.71 dS/m；0～20 cm土層土壤平均含鹽量最低，為0.48 dS/m；隨著土層深度的增加，土層鹽分含量逐漸增大；土壤含鹽量最大值是0～20 cm土層的6.03 dS/m，最小值是40～60 cm土層的0.03 dS/m，土壤剖面鹽分空間分布具有一定的低聚性。變異系數(shù)是反映數(shù)據(jù)離散程度的絕對值，各土層的變異系數(shù)隨著土層的加深逐漸降低，分別為1.17、1.01、0.87、0.83、0.81，0～20、20～40 cm的土層屬于強變異性，40～60、60～80、80～100 cm的土層是中等變異性。這或許是因為鹽離子具有隨水分遷移的特點，春季冰雪快速融化，一部分鹽離子隨水分沿著土壤毛細管下滲到土壤深處，一部分水分蒸發(fā)到空氣中，導(dǎo)致土壤0～40 cm的土層變化最大，所以該土層的鹽分變異性最強。40～100 cm的土層鹽分則主要是由于地下水位的影響，春季地下水位抬升，鹽離子隨水分沿土壤毛細管運動，在土層中積累使40～100 cm的土層表現(xiàn)出中等變異性[2，5]。

2.2 土壤鹽分空間相關(guān)性分析

采用GS+9.0對各土層鹽分進行反復(fù)擬合，從而選取最優(yōu)擬合模型（圖1）。最優(yōu)擬合模型標準為相關(guān)系數(shù)R2最大，殘差系數(shù)SS最小。C0表示塊金值，也叫塊金方差，通常表示由試驗誤差和小于試驗抽樣尺度引起的變異，較大的塊金方差表明較小尺度上的某種生態(tài)過程是不容忽視的[2]，C0+C表示基臺值，C0/（C0+C）表示土壤空間自相關(guān)性的強度，當C0/（C0+C）<0.25為強空間相關(guān)性，0.25≤C0/（C0+C）<0.75為中等空間相關(guān)性，C0/（C0+C）≥0.75為沒有或弱空間相關(guān)性。D表示分維數(shù)[5]。由表2可知，0～20、60～80 cm的土層都較好地符合了高斯模型，20～40、40～60、80～100 cm則較好地符合了指數(shù)模型。各土層鹽分質(zhì)量分數(shù)的塊金值C0較小，在0.049～0.278范圍內(nèi)均為正值，說明由于采樣誤差，取樣尺度的隨機性和固有變異引起各種正基底效應(yīng)[11]。各土層土壤鹽分的塊金值/基臺值分別是0.698、0.653、0.491、0.367和0.263，各土層均屬于中等空間相關(guān)性，說明該土壤鹽分的空間相關(guān)性是結(jié)構(gòu)性因素和隨機性因素的共同作用[5]；0～40 cm的塊金值較大，空間自相關(guān)性要略低于底層土壤，說明表層土壤較其他土層來說更容易受到隨機性因素的影響。

2.3 克里格插值分析

圖2運用ArcGIS 10.0對各土層進行了克里格插值分析，顯示出各土層土壤的鹽分空間分布。從整體來看，研究區(qū)的土壤鹽分南部高于北部，東部高于西部，且各土層的土壤鹽分存在著較強的空間相關(guān)性。不同土層深度的東北部和南部都明顯高于其他部位，或許是該地區(qū)位于沖積扇緣的泉水溢出帶，地下水埋深較淺，鹽分隨水分蒸發(fā)在土壤中累積。從空間尺度來看，土壤鹽分均呈斑狀、塊狀分布，其最低值（0.10～0.40 dS/m）主要分布在中心部位，沿東南方向含鹽量逐漸升高，中心部位周圍的鹽分含量上升和下降的梯度較為明顯，北部區(qū)域的周邊與沙漠接壤，人為開墾的農(nóng)田長期灌溉使鹽分不斷向區(qū)域邊緣累積，農(nóng)田土壤含鹽量隨耕種年限的增長而逐漸降低[12]，因此中間部位明顯低于四周的土壤鹽分。但隨著土層深度的增加，土壤鹽分含量逐漸增加，在60～80、80～100 cm的土層區(qū)域大小一致，是因為采樣點大都是農(nóng)田，上層土壤鹽分隨灌溉淋洗到底層。從局部來看，土壤含鹽量最低的是40～60 cm的土層，最高的是20～40 cm的土層，60～80 cm的土層次之，這或許是因為積雪融化的表層鹽分淋洗和地表強烈蒸發(fā)促使下層鹽分上移的共同作用，0～20 cm的土層鹽分空間變異性最高，含鹽量最高點在東部和西部，其余各處的土壤鹽分含量變化較為平緩，這與描述性統(tǒng)計結(jié)果一致。隨著土層的加深，地下水對土壤鹽分空間分布的影響越來越明顯[11]，因此60～80、80～100 cm的土壤鹽分明顯高于40～60 cm的土層。因此莫索灣灌區(qū)的土壤鹽分空間分布主要受地形地貌、人類耕種、灌溉和地下水位因素的影響。

3 小結(jié)

本研究以莫索灣灌區(qū)為研究區(qū)，采用經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)和地統(tǒng)計學(xué)相結(jié)合的方法，研究出不同土層的鹽分空間分布，主要有以下3點結(jié)論：

1）經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)表明，土壤剖面鹽分分布具有一定的低聚性，0～20 cm土層的含鹽量最低，60～100 cm土層的含鹽量最高，各土層土壤鹽分均符合對數(shù)正態(tài)分布，0～20、20～40 cm的土層屬于強變異性，40～60、60～80、80～100 cm的土層是中等變異性。

2）空間結(jié)構(gòu)分析表明，各土層含鹽量在一定區(qū)域具有明顯的空間結(jié)構(gòu)特征，0～20、60～80 cm的土層都較好地符合了高斯模型，20～40、40～60、80～100 cm則較好地符合了指數(shù)模型，各層的土壤鹽分具有中等空間相關(guān)性。

3）從克里格插值結(jié)果來看，各土層含鹽量均呈斑狀、塊狀分布，研究區(qū)的土壤鹽分南部高于北部，東部高于西部，總體表現(xiàn)與地下水分布具有相似的空間分異規(guī)律，影響表層土壤鹽分空間分布的因素是地形地貌、人為耕作和灌溉，而底層的土壤鹽分空間分布主要與地形有關(guān)。

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