艾比湖流域小尺度農(nóng)田土壤養(yǎng)分的空間分布和鹽漬化風(fēng)險評價

張兆永, 李菊英, 祖皮艷木·買買提, 葉慶富

1 深圳大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,深圳 518060 2 中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所,烏魯木齊 830046 3 新疆自治區(qū)地震局,烏魯木齊 830000 4 新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,烏魯木齊 830046 5 新疆大學(xué)生態(tài)學(xué)博士后流動站,烏魯木齊 830046 6 浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院,杭州 310020

艾比湖流域小尺度農(nóng)田土壤養(yǎng)分的空間分布和鹽漬化風(fēng)險評價

張兆永1,2, 李菊英1,*, 祖皮艷木·買買提3,4,5, 葉慶富6

1 深圳大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,深圳 518060 2 中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所,烏魯木齊 830046 3 新疆自治區(qū)地震局,烏魯木齊 830000 4 新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,烏魯木齊 830046 5 新疆大學(xué)生態(tài)學(xué)博士后流動站,烏魯木齊 830046 6 浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院,杭州 310020

為了解綠洲經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展背景下新疆典型尾閭綠洲-艾比湖流域小尺度農(nóng)田土壤的養(yǎng)分和鹽漬化狀況,對該地區(qū)典型農(nóng)田土壤中有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷和速效鉀等養(yǎng)分元素的空間分布、影響因素以及鹽漬化風(fēng)險狀況進(jìn)行了評價。結(jié)果表明：(1)農(nóng)田土壤中有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷和速效鉀的含量均較高。所有土壤樣點中總鹽分含量屬于高度變異,其他指標(biāo)屬于低度變異。(2)半方差函數(shù)分析表明土壤中堿解氮、速效磷和速效鉀含量的空間變異性主要受施肥和灌溉等隨機(jī)性因素的影響；而有機(jī)質(zhì)和總鹽分含量的空間變異性則受植被覆蓋和土壤質(zhì)地等結(jié)構(gòu)性因素以及施肥、灌溉等隨機(jī)性因素的共同影響。(3)空間分析表明,總體看農(nóng)田土壤中有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷和速效鉀含量較高區(qū)域主要分布在中部和北部,受施肥、灌溉方式和植被蓋度等因素的影響；而鹽分含量較高區(qū)域主要分布在研究區(qū)南部和邊緣區(qū)域,主要受地形、土壤質(zhì)地和植被蓋度的影響。(4)相關(guān)分析表明農(nóng)田土壤中有機(jī)質(zhì)、速效鉀、速效磷、堿解氮和總鹽分含量呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。鹽漬化風(fēng)險評估表明土壤中總鹽分含量屬于低度到中度的鹽漬化風(fēng)險,不會對主要作物棉花的生長產(chǎn)生危害,但應(yīng)改進(jìn)灌溉方式和種植制度,同時采用增施有機(jī)肥、進(jìn)行秸稈還田等措施促進(jìn)棉花作物的穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)。

土壤養(yǎng)分和鹽分；空間分布；鹽漬化風(fēng)險；艾比湖流域；新疆綠洲

土壤有機(jī)質(zhì)、氮、磷和鉀的含量是指示土壤中肥力的重要指標(biāo)。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中土壤有機(jī)質(zhì)、氮、磷和鉀的含量是農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)的重要限制性因子[1-4]。土壤中一定的鹽分含量是作物生長的必要條件,但超過一定量就會對其生長產(chǎn)生抑制作用,甚至造成減產(chǎn)和絕收,當(dāng)農(nóng)田土壤中鹽分含量超過1.0 g/kg時,作物的生長就會受到明顯的抑制[5]。

圖1 艾比湖流域位置Fig.1 Location of the Ebinur Basin

小尺度農(nóng)田土壤中有機(jī)質(zhì)、氮、磷和鉀等養(yǎng)分元素和鹽分含量的空間異質(zhì)性是影響區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要因素[6- 8]。目前有關(guān)小尺度農(nóng)田土壤中養(yǎng)分和鹽分含量空間分布和影響因素的研究在國內(nèi)外廣泛開展[9-11]。Sanderson等[12]對美國馬里蘭州、賓夕法尼亞州和紐約畜牧業(yè)集中地區(qū)牧場土壤養(yǎng)分空間分布的研究表明畜牧業(yè)發(fā)展可以在一定程度上促進(jìn)土壤中養(yǎng)分含量的增加,但畜牧業(yè)發(fā)展過度集中區(qū)域土壤中養(yǎng)分含量過高反而造成土壤的污染；Nourzadeh等[13]對伊朗哈馬丹省小尺度農(nóng)田土壤養(yǎng)分和鹽分空間部分的研究表明,通過對小尺度土壤中養(yǎng)分和鹽分的空間異質(zhì)性進(jìn)行研究可以較好的為區(qū)域農(nóng)田土壤管理和作物生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

在西北干旱區(qū)綠洲馬志敏等[14]對黑河流域綠洲農(nóng)田土壤養(yǎng)分和鹽分空間變異的研究表明土地利用的方式的改變對土壤中養(yǎng)分含量變化有重要的影響,長期耕作可以使得耕地土壤中有機(jī)質(zhì)含量降低,土壤堿性增強(qiáng),導(dǎo)致地力退化并有鹽堿化風(fēng)險；張丹等[15]對1999—2005年間新疆耕地土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、速效磷和速效鉀時空變化的研究表明,近20多年來新疆耕地中有機(jī)質(zhì)、速效磷和堿解氮含量總體呈增加的趨勢,肥力不斷提高,但區(qū)域差異明顯。

艾比湖流域地處西北內(nèi)陸(圖1),總面積5.06×104km2,由于高溫少雨、蒸發(fā)量大以及風(fēng)沙大等獨特的氣候特征,流域土壤保肥力能力弱,再加上農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中過量施用化肥、農(nóng)藥以及大水漫灌等不合理的灌溉方式,對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生極大的影響[16]。與此同時,自1950年代中期以來,艾比湖流域人口的迅速增加、耕地開墾面積也不斷擴(kuò)大,而地表水量則不斷減少,導(dǎo)致綠洲農(nóng)田土壤鹽漬化狀況加劇[17]。但目前研究多基于較大尺度,采樣范圍較大、采樣點分散、往往對整個流域或者部分區(qū)域土壤養(yǎng)分和鹽漬化狀況進(jìn)行總體研究而缺乏對小尺度農(nóng)田土壤養(yǎng)分和鹽漬化狀況的研究,在此背景下,對小尺度多年耕作農(nóng)田土壤進(jìn)行采樣研究土壤中養(yǎng)分和鹽漬化狀況并精確闡述是否會對綠洲農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生影響,具有重要的現(xiàn)實意義?；诖?本研究以艾比湖流域南部小尺度典型農(nóng)田為研究區(qū)(圖2),以土壤中有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀和總鹽分含量為研究對象,采用GIS方法,結(jié)合采樣區(qū)土壤質(zhì)地、植被蓋度以及施肥、灌溉等因素闡明研究區(qū)農(nóng)田土壤中養(yǎng)分和鹽分含量的空間分布特征、土壤養(yǎng)分和鹽分元素的相關(guān)關(guān)系和鹽漬化風(fēng)險狀況,在此基礎(chǔ)上提出降低土壤鹽漬化風(fēng)險的措施。研究成果可以為艾比湖流域農(nóng)田土壤養(yǎng)分保持、鹽漬化防治和農(nóng)業(yè)穩(wěn)產(chǎn)、可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)和參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

艾比湖流域地處準(zhǔn)噶爾盆地西部(43°38′—45°52′N,79°53′—85°2′E),南、西、北三面環(huán)山,行政區(qū)劃上隸屬于博爾塔拉蒙古自治州(簡稱博州),主要包括溫泉縣、博樂市、阿拉山口市、精河縣和新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)五師及其所屬11個團(tuán)場(圖2),總?cè)丝诩s48萬人。艾比湖流域總面積5.06×104km2,其中耕地面積3.3×102km,約占整個流域6.5%。艾比湖流域?qū)儆诘湫偷臏貛Т箨懶詺夂?干燥少雨,年均降水量僅100—200 mm,潛在蒸發(fā)量卻高達(dá)1500—2000 mm[18]。艾比湖流域農(nóng)業(yè)種植作物主要以棉花和玉米為主,形成了以博樂市為界,東部以棉花、枸杞為主,西部以玉米、大豆等糧食和油料作物為主的種植格局。其中2014年整個博爾塔拉蒙古自治州棉花播種面積1015.4 km2,約占整個新疆棉花總播種面積的5.1%。艾比湖流域水資源主要來源于山區(qū)降水和冰雪融水,多年地表徑流量37.5×108m3/a,主要河流有奎屯河、精河和博爾塔拉河,多年徑流量約6×108m3/a。艾比湖流域植物區(qū)系受中亞和蒙古植物區(qū)系的影響,有各類植物385種,隸屬53科191屬。

圖2 研究區(qū)位置Fig.2 Location of the research area in Ebinur Basin

1.2 樣品采集

在室內(nèi)分析艾比湖流域遙感影像資料的基礎(chǔ)上,將研究區(qū)設(shè)置在艾比湖西南部,精河縣南側(cè)的多年耕作農(nóng)田(圖2,圖3),該區(qū)域地下水埋深1.5—3.2 m,礦化度大于2 g/L。農(nóng)田耕作年限15 a以上,種植作物為棉花,是艾比湖流域典型的農(nóng)田。農(nóng)田灌溉方式以滴灌為主,其中在北部靠近山地一少部分地區(qū)直接引用機(jī)井和河水灌溉。土壤樣品的采集時間為2014年7月份,采樣月份天氣干燥,沒有出現(xiàn)大于5 mm的降水天氣,采用網(wǎng)格法結(jié)合3S技術(shù)進(jìn)行采樣點布設(shè),共采集74個樣點土壤樣品,間距600 m,覆蓋面積66.5 km2。實際采樣過程中對進(jìn)行個別樣點位置進(jìn)行調(diào)整,最終采樣點分布圖見圖3,所有樣品采自0—20 cm土壤表層,每個樣點采集500 g,裝入聚乙烯樣品袋,多余樣品采用四分法舍去。采樣同時記錄樣點編號、取樣經(jīng)緯度、取樣日期、土壤質(zhì)地和顏色等信息。

1.3 測試方法

土壤樣品帶回實驗室,室溫風(fēng)干后、剔除植物殘體和石塊,然后磨碎過100目篩,保存于塑料瓶中,按魯如坤的《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》配置待測溶液[19]：有機(jī)質(zhì)含量(OM)采用重鉻酸鉀外加熱法測定；堿解氮(AN)含量采用堿解擴(kuò)散法測定；速效磷含量(RP)采用碳酸氫納浸提、分光光度法測定；速效鉀(RK)含量采用乙酸銨浸提、火焰光度法測定；總鹽分(TS)含量采用殘渣—重量法測定[19]。

圖3 土壤采樣點分布 Fig.3 Location of soil sampling sites in Ebinur Basin

1.4 數(shù)據(jù)分析處理

采用描述性統(tǒng)計分析方法研究農(nóng)田土壤中養(yǎng)分和總鹽分的含量范圍、均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)、峰度和偏度。采用地統(tǒng)計分析方法中的普通克里格方法分析土壤中養(yǎng)分和總鹽分的空間分布格局；采用指示克里格方法分析土壤鹽漬化風(fēng)險概率。指示克里格方法(Indicator Kriging, IK)是一種非參數(shù)估計方法,預(yù)測精度超過普通克里格方法,目前該方法廣泛應(yīng)用于地下水及土壤鹽漬化狀況研究[20- 21]。該方法將區(qū)域化變量的研究轉(zhuǎn)化為對其指示函數(shù)的研究,可以用來估計超出規(guī)定閾值的概率。

在本研究中,土壤中養(yǎng)分和鹽分元素的描述性統(tǒng)計分析、K-S檢驗和相關(guān)分析過程均在SPSS19.0軟件中完成。土壤合理取樣數(shù)量的確定中Cochran公式計算在Mat Lab 7.0 軟件中進(jìn)行。土壤中養(yǎng)分元素的普通克里格插值和總鹽分鹽漬化環(huán)境風(fēng)險變異函數(shù)模型的計算和選取采用GS+9.0軟件進(jìn)行；計算完成后將求取的模型參數(shù)輸入到ArcGIS 10.0軟件中,采用Geostatistical Analyst模塊進(jìn)行析,最終得到土壤養(yǎng)分元素和鹽漬化環(huán)境風(fēng)險概率的空間分布圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)田土壤養(yǎng)分和鹽分的統(tǒng)計特征

統(tǒng)計學(xué)分析結(jié)果表明(表1),研究區(qū)農(nóng)田土壤中有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷和速效鉀的含量范圍(平均值)分別為11.21—21.4(16.89) g/kg、0.041—0.096(0.078) g/kg、0.006—0.034(0.022) g/kg和0.06—0.28(0.19) g/kg,屬于新疆農(nóng)田土壤養(yǎng)分含量分級標(biāo)準(zhǔn)中度標(biāo)準(zhǔn)(表1)[22],表明研究區(qū)土壤中養(yǎng)分元素含量可以滿足該地區(qū)作物生長需要；從總鹽分含量范圍和平均值來看,所有樣點中二者分別為0.11—1.98 g/kg和1.05 g/kg,平均值超過新疆土壤鹽漬化輕度鹽漬化范圍標(biāo)準(zhǔn)(1.0—2.0 g/kg),達(dá)到中度鹽漬化標(biāo)準(zhǔn)下限,最大值達(dá)到1.98 g/kg,表明會對農(nóng)田作物生長產(chǎn)生一定危害；從土壤中養(yǎng)分和總鹽分含量的變異系數(shù)范圍來看,有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷和速效鉀的變異系數(shù)值分別為34.15%、27.62%、1.54%和27.21%,均屬于中等變異(15%36%),表明在不同采樣位置土壤中總鹽分含量差別較大。從偏度上看,所有樣點中所測5種元素的平均值大小順序依次為：總鹽>有機(jī)質(zhì)>速效鉀>速效磷>堿解氮。由于變異函數(shù)的計算一般要求數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布,否則可能存在比例效應(yīng)[23],因此本研究中利用單樣本K-S檢驗(P<0.05, 2-tailed)對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析。分析表明農(nóng)田土壤中有機(jī)質(zhì)、速效鉀、速效磷、堿解氮和總鹽分的P值分別為0.071、0.167、0.255、0.314和0.362,均大于0.05,可以認(rèn)定所有土壤樣點中5種指標(biāo)均服從正態(tài)分布。

2.2 土壤合理取樣數(shù)量分析

在土壤元素的空間分布研究中為了用有限觀測值估計各參數(shù)均值(或期望值),并保證足夠的可靠性和精度,必須確定合理取樣數(shù)或觀測數(shù)目。本研究中以整個取樣區(qū)域作為一個均勻的整體取樣,根據(jù)Cochran的公式求出在一定置信水平和相對誤差下的整個區(qū)域所需要的取樣數(shù)量。通常隨著土壤養(yǎng)分和鹽分變異的增大,相應(yīng)要達(dá)到一定精確度的取樣數(shù)量也會增大[24]。因此,在相同置信水平,相同誤差條件下土壤合理取樣數(shù)目與養(yǎng)分和鹽分變異性的大小呈相同趨勢。但隨著對置信水平與相對誤差要求的降低,合理取樣數(shù)目也會相應(yīng)降低。本研究中對95%置信水平上5%、10%和20% 3個相對誤差范圍內(nèi)土壤中養(yǎng)分和鹽分元素的合理取樣點數(shù)目進(jìn)行了計算。計算結(jié)果表明(表2),在95% 置信水平下,在采樣誤差10%范圍內(nèi),土壤中4種養(yǎng)分元素和總鹽分含量的最優(yōu)采樣數(shù)目為69個,表明本次采樣數(shù)目在3個計算的誤差范圍內(nèi)對土壤中5種指標(biāo)的分析可以達(dá)到較好的效果,本研究采樣數(shù)目合理。

表1 農(nóng)田土壤養(yǎng)分和總鹽分級標(biāo)準(zhǔn)及描述性統(tǒng)計分析結(jié)果

表2 土壤合理采樣數(shù)目

2.3 農(nóng)田土壤養(yǎng)分和鹽分的地統(tǒng)計分析

2.3.1 半方差函數(shù)理論模型

半方差函數(shù)用來描述區(qū)域化變量結(jié)構(gòu)性和隨機(jī)性這一空間特征,可以有效地揭示屬性變量在空間上的分布、變異和相關(guān)特征,解釋空間格局對生態(tài)過程與功能的影響。半方差函數(shù)理論模型主要參數(shù)中塊金常數(shù)(C0)是由試驗測量誤差和小于最小采樣尺度的非連續(xù)性變異引起。決定系數(shù)(R2)表示理論模型的擬合精度。基臺值(C0+C)表示系統(tǒng)總的變異性。塊金常數(shù)和基臺值的比值(C0/C0+C)代表空間的自相關(guān)性,表示系統(tǒng)的空間異質(zhì)性。當(dāng)C0/(C0+C)<0.25時,表示變量的空間變異以結(jié)構(gòu)性變異為主,具有強(qiáng)烈空間相關(guān)性；當(dāng)C0/(C0+C)≥0.75時,表示其空間變異以隨機(jī)性因素為主,其較弱空間相關(guān)性；當(dāng)0.25≤C0/(C0+C)<0.75時,表示受結(jié)構(gòu)性因素和隨機(jī)性因素的共同影響,為中等程度空間相關(guān)[25]。

半方差函數(shù)理論模型的擬合結(jié)果表明(圖4,表3),研究區(qū)農(nóng)田土壤中有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀的變異函數(shù)理論模型均符合球狀模型,總鹽分含量符合高斯模型,各分析變量的有效變程均介于1283—6824 m之間,所有元素的決定系數(shù)(R2)均大于0.829,而RSS較小,說明本研究中各變量理論模型的選取符合要求,選取的擬合模型可以較好反映土壤中養(yǎng)分和總鹽含量的空間結(jié)構(gòu)特性。有機(jī)質(zhì)和總鹽分的塊金值/基臺值的比值均大于0.25而小于0.75,表明農(nóng)田土壤中有機(jī)質(zhì)和總鹽分含量的空間分布受區(qū)域植被蓋度和土壤質(zhì)地等結(jié)構(gòu)性因素以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中施肥和灌溉等隨機(jī)性因素引起的空間變異為主[26]；而農(nóng)田土壤中堿解氮、速效磷和速效鉀含量的塊金值/基臺值(C0/C0+C)均大于0.75,表明這些元素的空間變異性均以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中施肥和灌溉方式等隨機(jī)性結(jié)構(gòu)變異為主[25- 26],這也與艾尤爾等[27]對艾比湖濕地土壤中堿解氮含量的研究結(jié)果一致。

圖4 土壤養(yǎng)分和總鹽含量的半方差函數(shù)圖Fig.4 Semi-variance grams of soil nutrients and the total salt content

變量Variables理論模型Theoreticalmodel塊金值Nugget(C0)基臺值PartialSill(C0+C)基底效應(yīng)Bodyeffect(C0)/(C0+C)有效變程Effectivechangerange(R/m)殘差平方Residualsquare(RSS)決定系數(shù)Determinationcoefficient(R2)有機(jī)質(zhì)Organicmatter球狀0．3280．5370．61080127230．00010．986堿解氮Alkali-hydrolyzalenitrogen球狀0．0760．6920．10982763240．00010．903速效磷Rapidavailablephosphorus球狀0．5870．7710．76134951820．00010．872速效鉀Rapidlyavailablepotassium球狀0．7390．8650．85433628320．00030．857總鹽分Totalsalt高斯0．1420．9390．15122512830．00020．829

2.3.2 土壤養(yǎng)分和總鹽分的空間分布格局及影響因素

地統(tǒng)計學(xué)以變異函數(shù)為主要工具,研究空間分布上既有隨機(jī)性又有結(jié)構(gòu)性,或空間相關(guān)和依賴的自然現(xiàn)象的科學(xué)?？死锔穹?(Kriging) 是從變量相關(guān)性和變異性出發(fā),在有限區(qū)域內(nèi)對區(qū)域化變量的取值進(jìn)行無偏、最優(yōu)估計,從插值角度對空間分布的數(shù)據(jù)求線性最優(yōu)、無偏內(nèi)插估計的方法。本研究中采用普通克里格差值方法,分析土壤中有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀和總鹽分含量的空間分布格局。采用交叉驗證法對插值圖的精讀進(jìn)行驗證[28],分析結(jié)果表明,本研究中農(nóng)田土壤養(yǎng)分和鹽分的插值圖精度均較高(表4),插值圖的精度符合要求。

分析表明(圖5),總體看,研究區(qū)農(nóng)田土壤中有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷和速效鉀含量較高區(qū)域均主要分布在研究區(qū)中部和北部靠近城鎮(zhèn)附近的農(nóng)田土壤中(圖2),呈現(xiàn)出點狀和面狀分布(圖5)；而總鹽分含量的較高的地區(qū)主要分布在研究區(qū)南部以及周邊靠近荒漠、山地區(qū)域的農(nóng)田土壤中,主要呈顯出面狀分布(圖2,圖5)。

表4 插值精度交互驗證參數(shù)

圖5 土壤養(yǎng)分和總鹽含量的空間分布特征Fig.5 Spatial distribution characters of nutrients and the total content of the farmland

2.4 土壤養(yǎng)分和鹽漬化之間相關(guān)性

采用相關(guān)分析方法對農(nóng)田土壤中所有樣點中有機(jī)質(zhì)、速效鉀、速效磷、堿解氮和總鹽分的平均含量的相關(guān)性進(jìn)行分析,以揭示農(nóng)田土壤中養(yǎng)分元素和鹽漬化狀況的賦存關(guān)系,分析表明(表5),研究區(qū)農(nóng)田土壤中有機(jī)質(zhì)含量、速效鉀和總鹽分含量在P<0.01水平上相關(guān)系數(shù)分別為-0.877和-0.921,為極顯著負(fù)相關(guān),速效磷和堿解氮含量與總鹽分含量在P<0.05水平上相關(guān)系數(shù)分別為-0.516和-0.579,為顯著負(fù)相關(guān),分析表明農(nóng)田土壤中養(yǎng)分元素含量增加可以顯著降低鹽漬化風(fēng)險,從而改善土壤屬性,這也與王勇輝等[29]在對艾比湖流域荒漠土壤的研究結(jié)果類似。

表5 農(nóng)田土壤養(yǎng)分和總鹽分含量的相關(guān)關(guān)系矩陣

2.5 農(nóng)田土壤鹽漬化風(fēng)險評價

圖6 研究區(qū)土壤鹽漬化風(fēng)險概率 Fig.6 Probability of soil salinization risk in the study area

以新疆土壤鹽漬化標(biāo)準(zhǔn)中的低范圍上限和中度鹽漬化范圍下限(表1,1.0 g/kg)為閾值,采用指示克里格方法分析研究區(qū)農(nóng)田土壤中總鹽分含量的環(huán)境風(fēng)險概率分布格局。分析表明(圖6),從鹽漬化風(fēng)險整體狀況來看,在研究區(qū)絕大多數(shù)地區(qū)農(nóng)田土壤為較低和中度的鹽漬化風(fēng)險,考慮到研究區(qū)主要作物為棉花,而棉花為中、高度耐鹽作物,比一般作物具有較強(qiáng)的耐鹽堿性,是西北干旱區(qū)綠洲中重要的耐鹽經(jīng)濟(jì)作物,相關(guān)研究表明棉花在2.0 g/kg左右鹽分含量的土壤中可以正常生長。因此從研究區(qū)土壤鹽漬化風(fēng)險實際狀況看,不會對該地區(qū)主要作物棉花的生長產(chǎn)生危害。

3 討論

土壤養(yǎng)分與鹽分含量是影響干旱區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要因素,決定著農(nóng)作物產(chǎn)量高低,對其進(jìn)行調(diào)查分析可以為今后土壤養(yǎng)分資源的綜合評價和科學(xué)施肥管理提供基礎(chǔ)資料。干旱區(qū)土層淺薄,土壤有機(jī)質(zhì)等養(yǎng)分元素含量少,新疆干旱區(qū)地處西北內(nèi)陸,降雨量極少、蒸發(fā)量極大,如何保持土壤肥力,降低鹽漬化風(fēng)險是綠洲農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中面臨的重大問題。本研究表明艾比湖流域小尺度典型農(nóng)田土壤中有機(jī)質(zhì)、速效鉀等養(yǎng)分元素含量較高,可以滿足主要作物棉花正常生長的需要,這也與張磊等[30]對同處天山北坡地區(qū)奎屯墾區(qū)棉田土壤養(yǎng)分含量的研究結(jié)果一致。

結(jié)合研究區(qū)土壤質(zhì)地狀況、地形因素分析,北部靠近縣城及村鎮(zhèn)居民點附近地區(qū),海拔較低、地形平坦(圖5)、土層較厚土壤碎石含量低、粒度小,農(nóng)田附近防護(hù)林地及荒漠草本等植物為主,植被覆蓋高(圖2),土壤中腐殖質(zhì)含量高,是土壤中有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷和速效鉀等養(yǎng)分元素含量顯著高于南部地區(qū)的原因,同時該區(qū)域灌溉方式基本為膜下滴灌,可以有效降低蒸發(fā)等不利因素的影響,也是土壤中鹽分含量較少的重要原因；而研究區(qū)南部和周邊地區(qū)主要為荒漠、山地等人類活動較少區(qū)域、海拔較高(圖5)、土層較淺、農(nóng)田面積分散、土壤碎石含量高、土壤粒度大,附近防護(hù)林和草本等植被蓋度較低(圖2),導(dǎo)致該地區(qū)土壤中腐殖質(zhì)含量低,同時農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中同時存在的大水漫灌的灌溉方式和較高的蒸發(fā)作用也是導(dǎo)致該地區(qū)土壤中有機(jī)質(zhì)、速效氮和速效磷等養(yǎng)分元素含量較低而鹽分含量較高的重要原因,這也與韓麗等[31]對新疆于田綠洲土壤養(yǎng)分與鹽分相關(guān)關(guān)系的研究類似。

從研究區(qū)農(nóng)田土壤鹽漬化風(fēng)險分布與總鹽分含量的分布格局來看,二者呈現(xiàn)出一致的分布格局,均在研究區(qū)中部和周邊區(qū)域具有較高值。結(jié)合研究區(qū)實際狀況和相關(guān)文獻(xiàn)分析,一方面研究區(qū)中、北部地區(qū)海拔較低、地形較平坦、土層較厚、灌溉方式先進(jìn)、土壤中碎石含量少；而南部和周邊地區(qū)靠近荒漠和山地、海拔高、土層淺、土壤中腐殖質(zhì)含量少、碎石含量高,灌溉方式以大水漫灌為主,是造成該地區(qū)土壤中鹽分含量較高和鹽漬化風(fēng)險較重的重要原因,這也與王少麗等[32]對新疆奎屯墾區(qū)灌溉和施肥方式差異引起的土壤鹽分動態(tài)的研究結(jié)果一致。

總體來看研究區(qū)土壤鹽漬化風(fēng)險不大,不會對主要作物棉花的生長產(chǎn)生危害,但應(yīng)對南部靠近荒漠、山地附近區(qū)域農(nóng)田農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中灌溉及施肥方式進(jìn)行改進(jìn)。結(jié)合研究區(qū)實際狀況來說,實行合理的水肥措施：進(jìn)行渠道防滲、發(fā)展噴灌、微灌和滴管等節(jié)水灌溉技術(shù),強(qiáng)化春灌,提高壓鹽效果；根據(jù)研究實際在農(nóng)田中合理實行苜蓿和草木犀輪種,在農(nóng)田積肥處理上,增施有機(jī)肥,實行棉花秸稈還田,充分利用棉花秸稈富含各種養(yǎng)分和生理活性物質(zhì)的優(yōu)勢,增加農(nóng)田土壤中有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分元素含量,保持良好的土壤結(jié)構(gòu),是促進(jìn)該地區(qū)棉花生產(chǎn)穩(wěn)定、高產(chǎn)和農(nóng)民增收的重要舉措。

4 結(jié)論

(1)統(tǒng)計學(xué)分析結(jié)果表明,研究區(qū)農(nóng)田土壤中有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷和速效鉀含量范圍較高,可以滿足作物生長需要。從變異系數(shù)范圍來看,土壤中有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷和速效鉀的變異系數(shù)均屬于中等變異,而總鹽分屬于高度變異。所有樣點中5種元素偏度的大小順序為：總鹽>有機(jī)質(zhì)>速效鉀>速效磷>堿解氮。

(2)半方差函數(shù)理論模型的擬合結(jié)果表明變異函數(shù)擬合模型的選取有效,可以較好反映土壤中養(yǎng)分和總鹽含量的空間結(jié)構(gòu)特性；分析表明土壤中堿解氮、速效磷和速效鉀含量的空間變異性主要受農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中施肥、灌溉等隨機(jī)性結(jié)構(gòu)性因素影響；而有機(jī)質(zhì)和總鹽分含量的空間分布受植被覆蓋等結(jié)構(gòu)性因素以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中施肥、灌溉等隨機(jī)性因素的共同影響。

(3)空間分析表明,總體看土壤中有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷和速效鉀含量較高區(qū)域主要分布在研究區(qū)中部和北部城鎮(zhèn)附近土壤中,受地形、植被蓋度和施肥等因素的控制；而總鹽分較高含量較高區(qū)域主要分布在研究區(qū)在南部和邊緣區(qū)域,主要受地形、植被蓋度和土壤質(zhì)地以及灌溉方式等因素的影響。

(4)相關(guān)分析表明,農(nóng)田土壤中有機(jī)質(zhì)、速效鉀、速效磷、堿解氮與總鹽分含量具有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。鹽漬化風(fēng)險評估表明土壤中鹽分含量屬于低度到中度的風(fēng)險,主要風(fēng)險區(qū)分布在研究區(qū)南部和周邊地區(qū),與土壤中總鹽分含量分布具有一致性?？傮w看,研究區(qū)土壤中鹽分含量和鹽漬化風(fēng)險狀況不會對主要作物棉花的生長產(chǎn)生危害,但應(yīng)改進(jìn)西部地區(qū)灌溉方式、種植結(jié)構(gòu)、增施有機(jī)肥,以增加土壤肥力、改善土壤結(jié)構(gòu)促進(jìn)作物的穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)。

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Spatial heterogeneity of soil nutrients and salinization risk assessment of a small-scale farmland in Ebinur Basin in northwest China

ZHANG Zhaoyong1,2, LI Juying1,*, ZULPIYA·Mamat3,4,5, YE Qingfu6

1CollegeofChemistryandEnvironmentalEngineering,ShenzhenUniversity,Shenzhen518060,China2XinjiangInstituteofEcologyandGeography,ChineseAcademyofSciences,Urumqi830046,China3EarthquakeAdministrationofXinjiangUygurAutonomousRegion,Urumqi830000,China4CollegeofResourcesandEnvironmentalSciences,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China5EcologicalPostdoctoralResearchStation,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China6CollegeofAgricultureandBiotechnology,ZhejiangUniversity,Hangzhou310020,China

Our objective was to investigate the soil nutrient and salinization status of small-scale surface farmland within the Ebinur Basin, a typical rump lake basin in Xinjiang, which experienced recent economic success. We analyzed the spatial distribution and factors influencing soil nutrient composition, as well as conducted a soil salinization environmental risk assessment in the basin. The results indicated that: (1) there were relatively high amounts of OM, AN, RP, and RK in the farmland surface soil. Among these five elements, the total salt content was highly variable, while the contents in the other four elements demonstrated low variation. (2) The semi-variance function analysis showed that the spatial distributions of AN, RP, and RK were mainly influenced by random factors, such as fertilization and irrigation, while the spatial distributions of OM and TS in the Ebinur Basin farmland were influenced by both random factors, such as fertilization and irrigation, and structural elements, such as vegetation coverage and soil texture. (3) The Spatial interpolation analysis revealed that, in general, the areas with high OM, AN, RP, and RK soil content were mainly distributed in the central and northern parts of the research area, and they were mainly influenced by the fertilization method, irrigation method, and the vegetation coverage; while the areas with high TS were mainly distributed in the southern and surrounding parts of the research area, and they were mainly influenced by the topography, soil texture, and the vegetation coverage. (4) The correlation analysis showed that soil OM, RK, RP, and AN have a negative correlation with the total salt content. The salinization risk assessment revealed that the whole area was within a low to moderate range of salinization risk, which will not influence the growth of the main crop, such as cotton, in the research area. However, in the future we should improve the irrigation and cropping system methods by increasing the application of organic manure and returning crop stalks to the field, thereby achieving a stable and high crop yield.

soil nutrients and salt; spatial distribution; soil salinization risks; Ebinur Basin; Xinjiang oases

國家自然科學(xué)基金資助項目(41501541, 21407108)；中國博士后基金資助項目(2105M570867)

2015- 09- 07;

日期:2016- 06- 13

10.5846/stxb201509071844

*通訊作者Corresponding author.E-mail: jyli@szu.edu.cn

張兆永, 李菊英, 祖皮艷木·買買提, 葉慶富.艾比湖流域小尺度農(nóng)田土壤養(yǎng)分的空間分布和鹽漬化風(fēng)險評價.生態(tài)學(xué)報,2017,37(3):819- 828.

Zhang Z Y, Li J Y, Zulpiya·Mamat, Ye Q F.Spatial heterogeneity of soil nutrients and salinization risk assessment of a small-scale farmland in Ebinur Basin in northwest China.Acta Ecologica Sinica,2017,37(3):819- 828.