阿拉爾墾區(qū)中尺度土壤水鹽空間異質(zhì)性分析

摘要：以塔里木河上游綠洲阿拉爾墾區(qū)為典型研究區(qū)，根據(jù)55個(gè)樣點(diǎn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法和地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，分析了樣區(qū)表層土壤（0～80 cm）水鹽空間分異特征。結(jié)果表明，各層土壤水分、pH、電導(dǎo)率和全鹽具有明顯的空間變異性。pH屬于弱變異性，含水量屬于中等變異性，電導(dǎo)率、鹽分和大部分離子均接近或?qū)儆趶?qiáng)變異性；半方差函數(shù)模型顯示0～20 cm土層土壤水分、電導(dǎo)率、全鹽以及20～50 cm土層土壤水分、50～80 cm土層pH均符合高斯模型，0～20 cm土層pH，20～50 cm土層pH、電導(dǎo)率和全鹽，50～80 cm土層土壤水分、電導(dǎo)率、全鹽均符合球狀模型。各指標(biāo)塊金值/基臺(tái)值較小，表現(xiàn)為空間相關(guān)性極強(qiáng)，變異更多受結(jié)構(gòu)性因素影響。指標(biāo)的空間分布與流域環(huán)境密切相關(guān)，土壤水分最大值在墾區(qū)沿西北-東南方向分布，與塔里木河源流走向一致，土壤電導(dǎo)率和全鹽均為中西部高于東部，而pH表現(xiàn)為相反的規(guī)律。多年耕作墾區(qū)水鹽空間分布異質(zhì)性在中尺度下較小尺度更高。

關(guān)鍵詞：土壤水鹽；空間變異；地統(tǒng)計(jì)學(xué)；阿拉爾墾區(qū)

中圖分類號(hào)：S154.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2016）16-4120-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.16.012

土壤的鹽漬化和灌溉引起的土壤次生鹽漬化問題是制約當(dāng)前干旱區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要障礙。干旱地區(qū)蒸發(fā)強(qiáng)烈，地下水位上升，鹽分易殘留在土壤表層；加之降水量少，不能將土壤表層的鹽分淋溶排走，致使土壤表層的鹽分積累，從而形成了鹽堿土壤。做好干旱區(qū)鹽漬土研究，是為實(shí)現(xiàn)土地資源可持續(xù)利用及農(nóng)業(yè)生態(tài)恢復(fù)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。土壤水鹽空間特征的變化是影響區(qū)域農(nóng)作物穩(wěn)定性的重要因素，開展土壤水鹽空間分異規(guī)律研究對綠洲土地合理開發(fā)利用和土壤鹽漬化的防治改良具有重要的科學(xué)和現(xiàn)實(shí)意義。

阿拉爾墾區(qū)位于塔里木河上游沖積平原，為典型的大陸性干旱氣候。強(qiáng)烈的大氣蒸發(fā)作用是驅(qū)使土壤鹽分向上運(yùn)動(dòng)的主要?jiǎng)恿?，鹽漬化現(xiàn)象嚴(yán)重[1]。受干旱條件和地質(zhì)背景影響，鹽漬土所特有的反復(fù)性和不穩(wěn)定性嚴(yán)重威脅著阿拉爾墾區(qū)的土壤環(huán)境，其水鹽特征表現(xiàn)為復(fù)雜的變異性。地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法為研究土壤鹽漬化的空間變異性提供了有效的工具，已被廣泛用于分析土壤空間分布特征及其規(guī)律[2-5]。但多數(shù)學(xué)者單獨(dú)針對水分或鹽分要素開展分析[6-9]，較少將水鹽因子結(jié)合系統(tǒng)解釋土壤空間特性[10-12]。本研究結(jié)合地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法科學(xué)詮釋中尺度下阿拉爾墾區(qū)的水鹽空間分布特征，從而為塔里木河流域綠洲的分區(qū)管理、干旱區(qū)農(nóng)業(yè)土壤的保護(hù)和可持續(xù)利用提供可考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

阿拉爾墾區(qū)地處天山南麓，塔克拉瑪干大沙漠北緣，阿克蘇河與和田河、葉爾羌河三河交匯之處的塔里木河上游，東經(jīng)80°30′-81°58′、北緯40°22′-40°57′之間。阿拉爾市屬暖溫帶極端大陸性干旱荒漠氣候，極端最高氣溫35 ℃（沙井子墾區(qū)每隔5～10年遇最高溫40 ℃），極端最低氣溫-28 ℃（四團(tuán)墾區(qū)最低氣溫為-33.2 ℃）。土壤類型主要以棕漠土為主，受人為干擾大，土壤鹽漬化問題嚴(yán)重。該地區(qū)屬新疆維吾爾自治區(qū)生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)直轄的縣級(jí)市，是全國最重要的細(xì)絨棉和最大的長絨棉生產(chǎn)基地以及新疆特色農(nóng)副產(chǎn)品轉(zhuǎn)化增值的示范基地。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置與取樣

樣區(qū)布設(shè)覆蓋整個(gè)墾區(qū)，共設(shè)置56個(gè)樣點(diǎn)，包括棉田23處、果園7處、人工林8處、天然林9處、荒草地9處。采樣時(shí)間為2012年5月。采集樣方各層土樣（0～20、20～50、50～80 cm），每層設(shè)置3次重復(fù)，將3次重復(fù)的土樣去除植物根系和石塊，充分混勻并用四分法取1 kg，混勻風(fēng)干研磨過篩以供測定。農(nóng)區(qū)灌溉由墾區(qū)所屬兵團(tuán)統(tǒng)籌管理，測定前 20 d無降水和灌溉。

2.2 試驗(yàn)方法與數(shù)據(jù)處理

土壤水鹽指標(biāo)測定方法如下：土壤含水量采用烘干法，pH采用電位法，電導(dǎo)率采用電導(dǎo)法，CO32-和HCO3-測定采用雙指示劑中和法，Cl-測定采用AgNO3滴定法，SO42-采用EDTA間接滴定法，Ca2+和Mg2+采用EDTA絡(luò)合滴定法，Na+和K+采用EDTA絡(luò)合滴定法，全鹽由各離子含量計(jì)算得出。

數(shù)據(jù)處理采用SPSS 19.0計(jì)算統(tǒng)計(jì)特征值并利用Kolmogorov-Smimov（K-S）法進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)。

土壤水鹽空間分布特征采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，通過半方差函數(shù)分析土壤水鹽變量的空間特征。具體通過GS+9.0完成地統(tǒng)計(jì)學(xué)的半方差函數(shù)計(jì)算，在ArcGIS 10.0軟件中基于最優(yōu)模型參數(shù)利用Kriging插值繪制空間分布圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤水鹽指標(biāo)的描述性統(tǒng)計(jì)特征

對樣區(qū)土壤水鹽指標(biāo)的經(jīng)典統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如表1所示。3層土壤水分的均值分別為24.33%、29.85%、30.22%，呈遞增趨勢；pH的均值分別為8.17、8.13、8.14，偏堿性，變幅相對較小；土壤電導(dǎo)率和全鹽的變化趨勢較為一致，電導(dǎo)率各層的均值分別為4.50、1.86、1.39 mS/cm，全鹽各層的均值分別為23.40、7.98、5.90 g/kg，總體屬于重鹽土類型（含鹽量大于4.0 g/kg），其最大值與最小值之比垂直遞減，且水平方向上明顯高于pH和含水量，說明表層土壤鹽分的變異性最大；進(jìn)一步分析八大離子含量得出，土壤鹽分的主要組成離子為SO42-、Cl-和Na+，CO32-含量趨近于0，其變化規(guī)律與全鹽同步，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的表聚性特性。

根據(jù)變異系數(shù)的劃分等級(jí)（弱變異性，CV<0.1；中等變異性，CV=0.1～1.0；強(qiáng)變異性，CV>1.0）可知，各層pH屬于弱變異性，各層土壤水分屬于中等變異性，各層電導(dǎo)率、全鹽接近強(qiáng)變異性，大部分離子接近或?qū)儆趶?qiáng)變異性。利用Kolmogorov-Smimov法進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)（P<0.05，雙側(cè)）發(fā)現(xiàn)土壤水分、pH、電導(dǎo)率和全鹽均服從正態(tài)分布，大部分離子含量不服從正態(tài)分布，經(jīng)對數(shù)轉(zhuǎn)化后呈正態(tài)分布。

3.2 土壤水鹽指標(biāo)的空間變異特征

據(jù)半方差函數(shù)理論及計(jì)算模型得表2。0～20 cm土層土壤水分、電導(dǎo)率、全鹽，20～50 cm土壤水分，50～80 cm pH均符合高斯模型；0～20 cm土層pH，20～50 cm pH、電導(dǎo)率、全鹽，50～80 cm土壤水分、電導(dǎo)率、全鹽均符合球狀模型。

表2中塊金值/基臺(tái)值可以證明隨機(jī)部分的空間異質(zhì)性占總空間異質(zhì)性的程度，還可以表明土壤性質(zhì)空間相關(guān)性的程度，如果塊金值/基臺(tái)值小于25%，表現(xiàn)為空間相關(guān)性極強(qiáng)，其空間異質(zhì)性主要是由空間結(jié)構(gòu)性因素引起的；塊金值/基臺(tái)值在25%～75%時(shí)具有中等空間相關(guān)性；當(dāng)塊金值/基臺(tái)值大于75%時(shí)空間相關(guān)性較弱。表2表明，各土層的水鹽指標(biāo)的塊金值/基臺(tái)值均小于25%，表現(xiàn)為空間相關(guān)性極強(qiáng)。這說明中尺度下土壤水鹽指標(biāo)的空間異質(zhì)性主要受到結(jié)構(gòu)性因素（如氣候、母質(zhì)、地形等）的影響，而隨機(jī)因素在影響這些指標(biāo)的異質(zhì)性比重較小。土壤水分和pH下層的塊金值/基臺(tái)值較高，可能與地下水位因素有關(guān)；電導(dǎo)率和全鹽不同土層的塊金值/基臺(tái)值由表層到下層呈現(xiàn)遞減趨勢，說明上、中層相對更易受到隨機(jī)性因素作用的影響。

變程是測定因子最大變異的空間距離，如在變程之內(nèi)，空間自相關(guān)性存在，在變程之外，空間自相關(guān)性消失。因此，變程的大小表示空間異質(zhì)性的尺度[13]。由表2可以看出，土壤水分、pH、電導(dǎo)率和全鹽指標(biāo)均是土壤表層的變程小于深層，說明土壤表層各指標(biāo)空間連續(xù)性低于土壤深層。主要原因是表層土壤受到地形、氣象條件及人為活動(dòng)因素的影響較大，導(dǎo)致了它們的空間相關(guān)距離較小。而深層土壤受到上述因素的影響較小，故空間相關(guān)距離較大。

3.3 土壤水鹽指標(biāo)的空間分布特征

在半方差函數(shù)模型及參數(shù)擬合的基礎(chǔ)上，對聚鹽效應(yīng)最為強(qiáng)烈的0～20 cm表層土壤的水鹽指標(biāo)進(jìn)行Kriging插值，獲得樣區(qū)表層土壤水鹽指標(biāo)的空間分布及面積比例（圖1、表3）。

由圖1可以看出，各土壤指標(biāo)分布均表現(xiàn)為條狀、面狀斑塊分布格局。土壤水分最大值在墾區(qū)沿西北-東南方向分布，與塔里木河源流走向一致，其余部分則為不規(guī)則高低相間分布；電導(dǎo)率、全鹽均為中西部高于東部，該分布特征符合綠洲開墾的方向，中西部為早期開墾的綠洲，而東部為新開墾的綠洲。pH表現(xiàn)為相反的規(guī)律，呈現(xiàn)為西部低于東部。結(jié)合表3分析得到，墾區(qū)內(nèi)土壤水分含量較高，大部分均在20%以上；堿化程度嚴(yán)重，pH高于8.1的占近90%，而在耕作時(shí)間較長的綠洲，pH相對較低可能與土壤施加氮素、磷素等肥料所引起的土壤酸化有關(guān)[14]。墾區(qū)鹽漬化程度嚴(yán)重，近70%全鹽含量大于10 g/kg。

4 結(jié)論與討論

本研究以塔里木河上游阿拉爾墾區(qū)為研究區(qū)，利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件與GIS技術(shù)，根據(jù)56個(gè)樣點(diǎn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析了樣區(qū)土壤水鹽空間變異特征。

1）統(tǒng)計(jì)分析表明，研究區(qū)土壤鹽分含量較高，pH較大，鹽堿化程度較為明顯。從垂直分布來看，表層（0～20 cm）土壤全鹽、電導(dǎo)率及鹽分離子含量明顯高于其他土層，隨著土層的加深，土壤全鹽量表現(xiàn)為急劇遞減的趨勢。在持續(xù)的地表蒸發(fā)作用下，深層土壤以及地下水中的可溶性鹽類借助毛細(xì)管作用上升并積聚，這是形成該地區(qū)鹽分垂直分布格局的最直接因素。研究區(qū)地下水位較高，地表蒸發(fā)強(qiáng)烈，導(dǎo)致深層土壤水分含量顯著大于表層。除pH表現(xiàn)為弱變異性外，土壤含水量、電導(dǎo)率、鹽分和大部分離子指標(biāo)均接近或?qū)儆趶?qiáng)變異性。這主要是由于研究區(qū)內(nèi)土地利用方式的差異、灌溉制度以及耕作方式不同引起的。研究結(jié)論與有關(guān)學(xué)者開展的綠洲土壤水鹽分布規(guī)律的成果相一致[1，15]。

2）地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析表明：0～20 cm土層土壤水分、電導(dǎo)率、全鹽以及20～50 cm土層土壤水分、50～80 cm土層pH均符合高斯模型；0～20 cm土層pH、20～50 cm土層pH、電導(dǎo)率和全鹽，50～80 cm土層土壤水分、電導(dǎo)率、全鹽均符合球狀模型；塊金值/基臺(tái)值的計(jì)算結(jié)果顯示各土層水鹽指標(biāo)均表現(xiàn)為空間相關(guān)性極強(qiáng)，其空間異質(zhì)性主要受到結(jié)構(gòu)性因素影響；大部分土壤表層的水鹽指標(biāo)變程均小于深層，說明土壤下層各指標(biāo)空間連續(xù)性更佳。墾區(qū)水鹽要素極強(qiáng)的空間自相關(guān)性和空間異質(zhì)性與孫艷偉等[16]的研究結(jié)論相符合。且指標(biāo)的自相關(guān)性比較小尺度下墾區(qū)的有關(guān)研究更大[17]，且規(guī)律性更加復(fù)雜。

3）表層土壤水鹽指標(biāo)的空間分布特征顯示：各指標(biāo)的空間分布與區(qū)域環(huán)境密切相關(guān)。中西部較早開墾的綠洲鹽漬化程度較晚開墾的東部綠洲更為嚴(yán)重，連續(xù)的灌溉等農(nóng)業(yè)活動(dòng)使其土壤電導(dǎo)率和全鹽含量均相對較高，而pH因農(nóng)業(yè)管理措施而略有降低。

綜上所述，研究區(qū)土壤鹽漬化現(xiàn)象依然嚴(yán)重，應(yīng)加強(qiáng)研究與治理改良。土壤水鹽在時(shí)間和空間上均差異較大，在以后的研究中應(yīng)重視時(shí)間與空間相結(jié)合，更深入地探討土壤水鹽分布規(guī)律。

參考文獻(xiàn)：

[1] 喬 木，周生斌，盧 磊，等.近25a來塔里木盆地灌區(qū)土壤鹽漬化時(shí)空變化特點(diǎn)與改良治理對策[J].干旱區(qū)地理，2011，34（4）： 604-613.

[2] 張 平，劉賢德，車宗璽，等.祁連山青海云杉林土壤養(yǎng)分異質(zhì)性分析[J].干旱區(qū)地理，2012，35（4）：594-598.

[3] 李從娟，李 彥，馬 健.古爾班通古特沙漠土壤化學(xué)性質(zhì)空間異質(zhì)性的尺度特征[J].土壤學(xué)報(bào)，2011，48（2）：302-310.

[4] WEINDORF D C， ZHU Y. Spatial variability of soil properties at Capulin Volcano，New Mexico，USA：Implications for sampling strategy[J].Pedosphere，2010，20（2）：185-197.

[5] WANG Zong-Ming，ZHANG Bai， SONG Kai-Shan，et al.Spatial variability of soil organic carbon under maize monoculture in the Song-Nen Plain，Northeast China[J].Pedosphere，2010，20（1）：80-89.

[6] 丁建麗，張 飛，江紅南，等.塔里木盆地北緣綠洲土壤含鹽量和電導(dǎo)率空間變異性研究——以渭干河-庫車河三角洲綠洲為例[J].干旱區(qū)地理，2008，31（4）：624-632.

[7] 史志華，朱華德，陳 佳，等.小流域土壤水分空間異質(zhì)性及其與環(huán)境因子的關(guān)系[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2012，23（4）：889-895.

[8] ODEH I O A，ONUS A.Spatial analysis of soil salinity and soil structural stability in a semiarid region of New South Wales， Australia[J].Environmental Management，2008，42（2）：265-278.

[9] ALI K，F(xiàn)EREYDOON S.Mapping of spatial distribution of soil salinity and alkalinity in a semi-arid region[J].Annals of Warsaw University of Life Sciences-SGGW Land Reclamation，2012，44（1）：3-14.

[10] 張 勃，孟 寶，郝建秋，等.干旱區(qū)綠洲—荒漠帶土壤水鹽異質(zhì)性及生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究—以黑河中游張掖綠洲為例[J].中國沙漠，2006，26（1）：81-84.

[11] 李朝生，楊曉輝，于春堂，等.庫布齊沙漠自然植被與人工植被土壤水鹽的空間異質(zhì)性比較研究[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2010， 19（8）：2072-2078.

[12] 劉普幸，姚曉軍，張克新，等.疏勒河中下游胡楊林土壤水鹽空間變化與影響[J].水科學(xué)進(jìn)展，2011，22（3）：359-366.

[13] 楊勁松，姚榮江.黃河三角洲地區(qū)土壤水鹽空間變異特征研究[J].地理科學(xué)，2007，27（3）：348-353.

[14] 齊 莎，趙小蓉，鄭海霞，等.內(nèi)蒙古典型草原連續(xù)5年施用氮磷肥土壤生物多樣性的變化[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2010，30（20）：5518-5526.

[15] 張?jiān)磁?，胡克林，李保國，?銀川平原土壤鹽分及鹽漬土的空間分布格局[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009，25（7）：19-24.

[16] 孫艷偉，李生宇，徐新文，等.流動(dòng)沙漠人工綠地土壤鹽分空間分異特征[J].土壤通報(bào)，2010，41（3）：700-705.

[17] 貢 璐，韓 麗，任曼麗，等.塔里木河上游典型綠洲土壤水鹽空間分異特征[J].水土保持學(xué)報(bào)，2012，26（4）：251-255.