石河子墾區(qū)連作膜下滴灌棉田鹽漬化土壤鹽分空間變異性研究

楊未靜，虎膽·吐馬爾白，米力夏提·米那多拉

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 830052)

新疆是我國(guó)典型的水資源匱乏地區(qū)，針對(duì)新疆特殊的自然條件，膜下滴灌作為一種具有節(jié)水節(jié)肥、保墑增溫等特點(diǎn)的高效節(jié)水灌溉技術(shù)，已在新疆推廣應(yīng)用多年且取得了較好的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。然而，由于滴灌條件下耕地土壤含鹽率大于同樣背景條件下的漫灌耕地[1]，且只灌水不排鹽，膜下滴灌的長(zhǎng)期實(shí)施，不但使鹽分積累危害作物生長(zhǎng)，導(dǎo)致土壤次生鹽漬化，且改變了傳統(tǒng)的土壤水鹽空間分布，使農(nóng)田土壤水鹽有了新的空間分布格局[2,3]。

與此同時(shí)，土壤鹽漬化正以驚人的速度發(fā)展，每年新增的鹽漬化土壤面積達(dá)100 萬(wàn)hm2[4,5]，土壤的鹽漬化和土壤次生鹽漬化問(wèn)題嚴(yán)重制約著干旱區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展，成為亟待解決的問(wèn)題。王巍琦等[6]以石河子墾區(qū)為研究區(qū)，針對(duì)區(qū)域內(nèi)存在的土壤鹽漬化等土壤質(zhì)量問(wèn)題，利用層次分析法對(duì)墾區(qū)土壤質(zhì)量做出綜合評(píng)價(jià)。指出墾區(qū)內(nèi)土壤均有不同程度的鹽堿化，少部分地區(qū)遭受鹽漬化危害較重，大部分區(qū)域潛在鹽漬化風(fēng)險(xiǎn)較高。王海江等[7]研究了在同一地區(qū)重度鹽漬化土壤上，綜合應(yīng)用農(nóng)業(yè)改良措施和基于農(nóng)業(yè)改良措施，比較分析了各改良措施3年的土壤鹽分含量變化，對(duì)比了各措施的脫鹽效果。

土壤含鹽量在不同時(shí)間、不同位置均存在差異，這種空間的非均一性即為土壤鹽分的空間變異性。研究土壤鹽分的空間變異性及分布特征對(duì)土壤鹽漬化防治、改良及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義[6,8]。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于土壤鹽分的空間變異性研究很多，從不同角度不同方面進(jìn)行了大量的研究[9-16]。姚榮江等[17-20]分別對(duì)黃河三角洲地區(qū)土壤鹽分的空間變異特征、合理采樣數(shù)目及CoKriging法估值進(jìn)行了研究，揭示了土壤鹽分空間變異的控制因素。Wang等[21]對(duì)中國(guó)西北部農(nóng)業(yè)綠洲土壤鹽分的空間變異性進(jìn)行了研究。祖皮艷木·買買提等[22]以于田綠洲區(qū)為典型研究區(qū)，重點(diǎn)分析了該區(qū)土壤鹽分的空間分布格局，為當(dāng)?shù)胤乐瓮寥来紊}漬化提供了理論依據(jù)。

通過(guò)對(duì)連作膜下滴灌棉田土壤鹽分的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，隨著棉田種植年限的增加，土壤鹽分逐年增加，并產(chǎn)生鹽分積累區(qū)。為探索長(zhǎng)期連作膜下滴灌棉田積鹽區(qū)土壤鹽分空間變異規(guī)律和空間分布特征，本研究以傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)與地統(tǒng)計(jì)學(xué)為理論基礎(chǔ)，選用普通克里金插值法對(duì)未取樣點(diǎn)的含鹽率進(jìn)行插值估計(jì)，結(jié)合ArcGIS10.2 軟件對(duì)膜下滴灌棉田積鹽區(qū)鹽分的空間變異特性進(jìn)行了分析，以期為土壤鹽漬化的防控和改良提供科學(xué)依據(jù)，為土地可持續(xù)利用提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于新疆石河子121團(tuán)，天山北麓，準(zhǔn)噶爾盆地南緣，毗鄰古爾班通古特沙漠。地處歐亞大陸腹地(E85°20′～85°48′，N44°45′～44°58′，平均海拔337.1 m)。該地區(qū)屬典型北溫帶大陸氣候，干旱缺水，多風(fēng)少雨，光照充足，蒸發(fā)強(qiáng)烈，年均日照時(shí)間2 864 h，無(wú)霜期平均180 d，年平均風(fēng)速1.5 m/s，年均蒸發(fā)量2 036.2 mm，年均降雨量164.3 mm，最高氣溫曾達(dá)43.1 ℃，最低氣溫可達(dá)-42.3 ℃，降水量春夏較多，秋冬較少，降雨量主要集中在春季。研究區(qū)土地為沙丘間原始荒地，坡降度在1/1 000～1/15 000，土壤類型主要為砂壤土，平均容重為1.40 g/cm3，地下水埋深3～5 m，田間持水率為20.6%，是連作19年的膜下滴灌棉田，種植模式為一膜三管六行。

1.2 取樣點(diǎn)布置與樣品測(cè)定

選取研究區(qū)西南部面積為200×200 m的積鹽區(qū)，為使研究結(jié)果更為精確，在原有的50×50 m的網(wǎng)格取樣基礎(chǔ)上，在該積鹽區(qū)內(nèi)布設(shè)沿東西、南北方向的兩條基線進(jìn)行10 m加密取樣處理，均按0～20、20～40、40～60、60～80、80～100、100～120 cm深度內(nèi)6個(gè)土層進(jìn)行土鉆取樣，取樣后土樣密封裝好，共計(jì)取樣342個(gè)。取樣點(diǎn)布置圖見(jiàn)圖1。

取樣后將土樣烘干磨碎過(guò)2 mm篩，按土水比為1∶5(18 g土與90 g蒸餾水)的比例制取土壤浸提液，使用DDSJ-308A型號(hào)電導(dǎo)率儀分別測(cè)定電導(dǎo)率。并選取具有代表性的浸提液50個(gè)用烘干法測(cè)定其鹽分含量，分別與對(duì)應(yīng)電導(dǎo)率值進(jìn)行擬合，得到擬合結(jié)果：

Y=0.000 6X-0.028 2

(1)

式中：Y為含鹽率，%；X為電導(dǎo)率，μS/cm；R2=0.949，按此結(jié)果將所有測(cè)得電導(dǎo)率值換算為土壤含鹽率值。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤鹽分統(tǒng)計(jì)特征值分析

采用傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，結(jié)合SPSS19.0軟件對(duì)50×50 m網(wǎng)格和10 m基線加密50×50 m網(wǎng)格兩種取樣方式各土層鹽分含量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)特征值分析，并選用Kolmogorov-Smirnov檢驗(yàn)法(簡(jiǎn)稱K-S檢驗(yàn))對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)(置信區(qū)間95%，顯著性水平低于0.05)，各土層土壤含鹽率統(tǒng)計(jì)特征值見(jiàn)表1。

根據(jù)新疆土壤鹽堿化分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[23]，土壤含鹽率<3 g/kg，屬非鹽化土；3～6 g/kg，屬輕度鹽化土；6～10 g/kg，屬中度鹽化土；>10 g/kg，屬重度鹽化土。本研究區(qū)域內(nèi)除表層土壤屬輕度鹽化土外，其他土層土壤為中度鹽化土或重度鹽化土，研究區(qū)該地塊的土壤主要屬中度鹽化土。

由表1可知，50×50 m網(wǎng)格及10 m基線加密50×50 m網(wǎng)格兩種取樣方式下土壤含鹽率隨土層深度的增加而增加，說(shuō)明在膜下滴灌條件下，由于蒸發(fā)量較小，土壤鹽分隨灌溉、降雨等水分淋洗至深處土層。變異系數(shù)Cv反映土壤參數(shù)的變異程度，Cv≤0.1呈弱變異性，0.11呈強(qiáng)變異性。各土層含鹽率的變異系數(shù)均在0.43～0.78之間，呈中等變異性；兩種取樣方式下含鹽率變異系數(shù)Cv均由0～20至100～120 cm土層呈遞增趨勢(shì)，說(shuō)明隨著土層深度的增加，含鹽率的變異性增強(qiáng)。K-S檢驗(yàn)結(jié)果顯示50×50 m網(wǎng)格60～80 cm土層及10 m基線加密網(wǎng)格60～80、100～120 cm土層經(jīng)過(guò)一次對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換后符合對(duì)數(shù)正態(tài)分布，其余土層均符合正態(tài)分布。

表1 土壤含鹽率統(tǒng)計(jì)特征值

注：“*”號(hào)表示經(jīng)過(guò)一次對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換后的Sig值。

2.2 土壤鹽分空間變異性分析

為正確、合理地對(duì)空間采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行地統(tǒng)計(jì)分析和建模，了解數(shù)據(jù)是否滿足克里金插值條件，在對(duì)空間采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行地統(tǒng)計(jì)分析之前，應(yīng)首先對(duì)數(shù)據(jù)的正態(tài)分布、是否存在全局趨勢(shì)、是否存在離群值、是否存在空間自相關(guān)等基本統(tǒng)計(jì)信息、數(shù)據(jù)特點(diǎn)等情況分析后，再進(jìn)行變異函數(shù)建?；蚩死锝鸩逯怠?/p>

運(yùn)用ArcGIS10.2地統(tǒng)計(jì)分析模塊對(duì)各組數(shù)據(jù)進(jìn)行空間數(shù)據(jù)分析后，所有指標(biāo)均滿足半方差函數(shù)的建模條件。選用半方差函數(shù)中常用的球狀模型(Spherical Model)、指數(shù)模型(Exponential Model)、高斯模型(Gaussian Model)3種模型中的最優(yōu)擬合模型，采用標(biāo)準(zhǔn)平均誤差最接近0，標(biāo)準(zhǔn)均方根誤差最接近1，平均標(biāo)準(zhǔn)誤差最小等的標(biāo)準(zhǔn)選出最優(yōu)擬合模型進(jìn)行建模。不同土層含鹽率的最優(yōu)半方差函數(shù)擬合模型及其參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 土壤鹽分半方差函數(shù)模型及參數(shù)

塊金值C0的大小反映區(qū)域化變量隨機(jī)性空間變異程度；基臺(tái)值C0+C的大小反映區(qū)域化變量在研究范圍內(nèi)變異的強(qiáng)度；變程a反映土壤含鹽率空間自相關(guān)范圍的大??；塊金系數(shù)C0/C0+C的大小反映區(qū)域化變量由隨機(jī)部分引起的空間變異性強(qiáng)弱，塊金系數(shù)越大，其隨機(jī)變異程度大；塊金系數(shù)越小，由其內(nèi)在結(jié)構(gòu)性因素(如母質(zhì)、土壤類型、地形等)引起的變異程度大。若塊金系數(shù)C0/C0+C≤0.25，表明具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性；在0.250.75，空間相關(guān)性較弱。各向異性比為主軸變程與亞軸變程的比值，如果各向異性比等于或接近1，說(shuō)明變量在各方向上變化為同性即各向同性，否則為各向異性[23,24]。

由表2可知，在50×50 m網(wǎng)格及10 m基線加密兩種采樣方式中半方差函數(shù)擬合模型中高斯模型居多，說(shuō)明高斯模型較適宜研究區(qū)土壤含鹽率的半方差函數(shù)模型擬合。各土層基臺(tái)值均為正值，說(shuō)明存在由采樣誤差、最小距離內(nèi)的變異或隨機(jī)和固有變異引起的正基底效應(yīng)。兩種取樣方式下40～60 cm土層塊金值最小，說(shuō)明該土層含鹽率空間變異主要受結(jié)構(gòu)性因素影響；80～100及100～120 cm土層塊金值較大，說(shuō)明該兩個(gè)土層在較小尺度內(nèi)由取樣測(cè)量誤差、灌溉、施肥等隨機(jī)因素引起的空間變異較大。10 m基線加密較50×50 m網(wǎng)格20～40 cm土層塊金系數(shù)明顯減小，空間相關(guān)性增加，說(shuō)明由隨機(jī)性因素引起的土壤含鹽率空間變異轉(zhuǎn)為由隨機(jī)性和結(jié)構(gòu)性因素共同作用引起；40～60 cm土層的塊金系數(shù)均小于0.25，說(shuō)明該土層含鹽率由隨機(jī)性因素引起的空間變異較小，結(jié)構(gòu)性因素引起的變異占主體，具有較強(qiáng)的空間相關(guān)性；其余土層塊金系數(shù)均在0.25～0.75之間，均呈中等空間相關(guān)性，這是由隨機(jī)性與結(jié)構(gòu)性因素共同作用的結(jié)果；80～100與100～120 cm土層塊金系數(shù)較其他土層更大，說(shuō)明土層深度的增大使得土壤含鹽率的空間相關(guān)性減小，由隨機(jī)性因素引起的土壤含鹽率空間變異性增強(qiáng)。50×50 m網(wǎng)格中變程呈遞增趨勢(shì)，表明空間自相關(guān)范圍隨土層的增大而增大；10 m基線加密尺度下無(wú)明顯變化規(guī)律。各項(xiàng)異性比均大于1，說(shuō)明各土層在不同方向上均具有隨機(jī)性或結(jié)構(gòu)性因素引起的空間變異。

2.3 土壤鹽分空間分布特征研究

為便于直觀的了解該地塊各土層含鹽率的空間分布格局，將符合正態(tài)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布的數(shù)據(jù)按階數(shù)剔除全局趨勢(shì)，選出擬合較好、結(jié)構(gòu)合理的模型后，采用普通克里金插值法，對(duì)未取樣點(diǎn)的土壤含鹽率進(jìn)行空間插值，得到含鹽率空間分布圖。各土層含鹽率空間分布圖如圖2和圖3所示。

圖2 50×50 m網(wǎng)格含鹽率空間分布圖

圖3 10 m基線加密網(wǎng)格含鹽率空間分布圖

由圖2和圖3可知，在水平方向上，各土層含鹽率整體由南向北遞減；0～20 cm土層含鹽率較其他土層較低，無(wú)明顯分布規(guī)律，說(shuō)明此土層含鹽率空間分布受外界因素影響及人為干擾較大；0～60 cm深度內(nèi)土壤含鹽率呈斑塊狀分布，由于該土層為棉花的主要根系層，根系吸水導(dǎo)致土壤鹽分分布無(wú)明顯規(guī)律，隨機(jī)性變異較大；鹽分主要積累在80～100及100～120 cm土層內(nèi)，說(shuō)明土壤鹽分由降雨、灌溉水淋洗下移。垂直方向上，隨土層深度的增加，土壤含鹽率呈遞增趨勢(shì)；60～80、80～100、100～120 cm 3個(gè)土層含鹽率高值區(qū)均分布在西南、西北，鹽分高值區(qū)分布在研究地塊西北部及南部，變化梯度較明顯，并由南向北均呈遞減趨勢(shì)，原因在于該地塊西南、東南地勢(shì)稍高，水源位于研究區(qū)北部，滴灌管為南北方向鋪設(shè)，即棉田由北向南進(jìn)行灌溉，“鹽隨水動(dòng)”使得鹽分隨水分的運(yùn)移由南向北遞減；然而地形較高的區(qū)域，仍有大量的鹽分積聚，不能完全由水分帶走，形成“水去鹽留”的鹽分高值區(qū)。圖3較圖2更能清晰地表達(dá)該鹽分積累區(qū)各土層含鹽率的空間分布格局，基線上的加密取樣為尺度效應(yīng)的研究提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；提高信息利用率并可進(jìn)行尺度效應(yīng)研究。

3 討 論

本研究對(duì)新疆石河子121團(tuán)連作19年膜下滴灌棉田鹽分積累區(qū)進(jìn)行了分析研究，由于地勢(shì)、降雨、灌溉等原因鹽分在向西北部及南部的更深土層移動(dòng)。棉花作為本研究區(qū)的主要農(nóng)作物，雖然具有較強(qiáng)的耐鹽性，但含鹽率過(guò)高依然會(huì)嚴(yán)重影響作物生長(zhǎng)并降低其產(chǎn)量，建議采取局部大水漫灌、局部施加強(qiáng)酸肥等一定的措施來(lái)降低研究區(qū)鹽分積累區(qū)的鹽分含量，獲得棉花的增產(chǎn)增收，有效防控和改良土壤鹽漬化，實(shí)現(xiàn)土地可持續(xù)利用。研究中對(duì)連作膜下滴灌棉田監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)期較短，說(shuō)服力不夠，可對(duì)其進(jìn)行長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)，以更好地揭示長(zhǎng)期連作膜下滴灌棉田水鹽空間變異規(guī)律。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)土壤鹽分統(tǒng)計(jì)特征值分析表明，研究區(qū)內(nèi)積鹽區(qū)的土壤主要為中度鹽化土；50×50 m網(wǎng)格及10 m加密兩種取樣方式下土壤含鹽率隨土層的增加而增加；各土層含鹽率的變異系數(shù)均在0.43～0.78之間，呈中等變異性，并隨著土層深度的增加，含鹽率的變異性增強(qiáng)；除個(gè)別土層經(jīng)過(guò)一次對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換符合對(duì)數(shù)正態(tài)分布外，其余均符合正態(tài)分布。

(2)土壤鹽分空間變異性分析表明，半方差函數(shù)擬合模型中高斯模型居多，高斯模型較適宜研究區(qū)土壤含鹽率的半方差函數(shù)模型擬合；各土層基臺(tái)值均為正值，存在由采樣誤差、最小距離內(nèi)的變異或隨機(jī)和固有變異引起的正基底效應(yīng)；兩種尺度下40～60 cm土層塊金值最小，該土層含鹽率空間變異主要受結(jié)構(gòu)性因素影響；兩種取樣方式下80～100及100～120 cm土層塊金值較大，該兩個(gè)土層在較小尺度內(nèi)由取樣測(cè)量誤差、灌溉、施肥等隨機(jī)因素引起的空間變異較大。

(3)各土層含鹽率空間插值結(jié)果顯示，在水平方向上，各土層含鹽率整體由南向北遞減；0～60 cm深度內(nèi)土壤含鹽率呈斑塊狀分布，根系吸水導(dǎo)致土壤鹽分分布無(wú)明顯規(guī)律，鹽分主要積累在80～100及100～120 cm土層內(nèi)；垂直方向上，隨土層深度的增加，土壤含鹽率呈遞增趨勢(shì)，60～80、80～100、100～120 cm 3個(gè)土層含鹽率高值區(qū)均分布在研究地塊西北部及南部，變化梯度較明顯，“鹽隨水動(dòng)”使得鹽分隨水分的運(yùn)移由南向北遞減，地形較高的區(qū)域，呈現(xiàn)鹽分高值區(qū)。