塔河下游典型綠洲灌區(qū)土壤鹽分空間變異特征

丁邦新，劉雪艷，白云崗，劉洪波，丁 平，肖 軍

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830052；2.新疆水利水電科學(xué)研究院，烏魯木齊 830049)

0 引 言

【研究意義】干旱、半干旱地區(qū)土壤鹽漬化是一種常見的土地退化問題，土壤鹽分含量過高在引起土壤肥力降低的同時(shí)還會(huì)嚴(yán)重影響作物的正常生長。新疆土壤鹽漬化問題已經(jīng)成為限制新疆農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要因素[1-2]。土壤鹽分的空間變異狀態(tài)在一定程度上反映了土壤的鹽漬化程度與分布狀況[3]。對新疆的伊犁河谷察南灌區(qū)、渭干河-庫車河三角洲、以及渭干河綠洲等部分地區(qū)的土壤鹽漬化分布狀況進(jìn)行了分析和評價(jià)，而新疆鹽漬化區(qū)域分布廣泛，為了更全面了解新疆綠洲灌區(qū)的鹽漬化狀態(tài)，還需對其它灌區(qū)進(jìn)行深入的研究和分析。掌握認(rèn)知區(qū)域內(nèi)自然與人為活動(dòng)“二元”環(huán)境因素影響下的土壤鹽分空間變異特征，對于新疆水土資源的科學(xué)管理和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】土壤是一個(gè)歷史的生命連續(xù)體，存在著時(shí)間和空間上的變異，不論在大尺度上還是小尺度上，土壤空間異質(zhì)性均存在[4]為了更好分析土壤特性空間分布特征及其變異規(guī)律，采用區(qū)域變量理論的地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法被認(rèn)為是最有效的方法之一[5-6]。近年來隨著地統(tǒng)計(jì)學(xué)和GIS技術(shù)的不斷發(fā)展，土壤鹽分空間變異方面的研究逐漸得到了越來越多學(xué)者的關(guān)注。如劉遷遷等[7]運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)結(jié)合GIS技術(shù)對伊犁河谷察南灌區(qū)土壤鹽分空間變異進(jìn)行了研究，揭示了察南灌區(qū)土壤鹽分的變異規(guī)律，為該地區(qū)的土壤鹽漬化治理和分區(qū)提供了參考。王雪梅等[8]對渭干河-庫車河三角洲土壤鹽分空間變異和人為驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行了研究，探討了該區(qū)域鹽漬化的成因，為評估鹽漬化對作物的影響提供了理論依據(jù)。王丹丹等[9]對渭干河綠洲不同土地利用類型土壤鹽分的變化特征進(jìn)行了分析，闡明了渭干河綠洲不同土地利用類型鹽分的變化特征和土壤鹽漬化的分布格局。【本研究切入點(diǎn)】塔里木河下游沿岸灌區(qū)不僅是新疆非常重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域之一，也是鹽漬化問題較為嚴(yán)重的區(qū)域[10-12]，但目前針對該區(qū)域土壤鹽分空間變異的相關(guān)研究較少。研究不同深度土壤的鹽漬化特征和空間分布狀況。【擬解決的關(guān)鍵問題】以塔里木河下游31團(tuán)灌區(qū)為例，采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)與GIS技術(shù)相結(jié)合的方法，研究灌區(qū)的鹽漬化特征與空間分布格局，為該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的水鹽調(diào)控和塔里木河下游流域鹽漬化土壤的綜合治理提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

研究區(qū)位于新疆兵團(tuán)第二師31團(tuán)，地處塔克拉瑪干沙漠東北邊緣的塔里木河與孔雀河下游的沖積平原上，地理坐標(biāo)為85°24′～88°30′E，39°30′～42°20′N，整個(gè)地形自西北向東南傾斜，地勢起伏和緩。屬大陸性暖溫帶、極端干旱沙漠性氣候，光熱資源豐富，降水稀少且四季分布不均，晝夜溫差大，多風(fēng)沙和浮塵天氣，降水量年際變化大，多年平均降水量53.3～62.7 mm，多年平均蒸發(fā)量2 273～2 788 mm，日照時(shí)數(shù)3 036.2 h，≥10℃的年積溫4 121℃，無霜期191 d，生態(tài)環(huán)境極為脆弱，是我國最干旱的地區(qū)之一。31團(tuán)現(xiàn)有灌溉面積0.75×104hm2(11.32萬畝),作物以棉花和香梨為主，大部分耕地處于恰拉水庫下游，部分區(qū)域地下水位較高，土壤次生鹽漬化問題嚴(yán)重。土壤類型主要有灌溉草甸土、風(fēng)沙土、鹽土、沼澤土等。自然植被以荒漠河岸稀疏植被為主，喬木主要為胡楊(Populuseuphratica)；灌木主要為多種檉柳(Tamarixspp.)、鈴鐺刺(Halimodendronhalodendron)、黑刺(Lyciumruthenicum)、鹽穗木(Halostachyscaspica)等；草本植物主要有蘆葦(Phragmitesaustralis)、脹果甘草(Glycyrrhizainflata)、花花柴(Kareliniacaspica)、羅布麻(Poacynumhendersonii)、疏葉駱駝刺(Alhagisparsifolia)等[13]。塔里木河原支流卡拉河曾蜿蜓穿過31團(tuán)團(tuán)場中部，把場區(qū)切割成南北兩半，形成許多“半島”，并且卡拉河周期性洪水沖刷，使區(qū)內(nèi)形成許多曲折的大小干溝和洼地，地形較為復(fù)雜，灌區(qū)內(nèi)形成耕地與荒地相間分布的格局，鹽分易于積聚，土壤鹽漬化、次生鹽漬化問題非常嚴(yán)重。

研究區(qū)種植的主要作物為棉花，采用膜下滴灌的方式，棉花根系的生長深度在0～60 cm，且膜下滴灌的最大濕潤范圍也在60 cm左右，故研究分析以根域?qū)油寥?0～60 cm)和深層土壤(60～100 cm)進(jìn)行特征值的統(tǒng)計(jì)；土壤空間變異特征選取根域?qū)油寥利}分和深層土壤鹽分進(jìn)行分析，土壤中的鹽分離子選取根域?qū)拥母麟x子進(jìn)行分析。

1.2 方 法

1.2.1 樣品測定

2018年9月中旬在31團(tuán)范圍內(nèi)布設(shè)土壤取樣點(diǎn)40處，使用GPS定點(diǎn)取樣，并根據(jù)實(shí)際情況做適當(dāng)調(diào)整。土壤取樣點(diǎn)總體按從水庫出口沿水渠流向布設(shè)，同時(shí)考慮土壤類型以及在作物種植集中區(qū)域加密布點(diǎn)原則。土壤樣品使用土鉆采集，每個(gè)位置土壤采樣層次分為0～20、20～40、40～60、60～80和80～100 cm，共取得200個(gè)樣品。將采集的土樣分別裝入袋中并做好標(biāo)記，挑出雜物后，風(fēng)干、研磨、過篩備用。圖1

1.2.2 地統(tǒng)計(jì)學(xué)

地統(tǒng)計(jì)學(xué)是以區(qū)域化變量理論為基礎(chǔ)，以半方差函數(shù)為主要工具的空間分析方法，主要用來揭示屬性變量在空間上的分布、變異和相關(guān)特征。

半方差函數(shù)是在任意方向上，相距為h的2個(gè)區(qū)域化變量Z(x)和Z(x+h)增量的方差，在滿足二階平穩(wěn)假設(shè)的條件下，變異函數(shù)γ(h)的離散計(jì)算公式為：

式中：Z(x)是系統(tǒng)某屬性Z在空間位置x處的值，h為2樣本點(diǎn)空間分隔距離，Z(xi)和Z(xi+h)分別是區(qū)域化變量Z(x)在空間位置xi和xi+h處的實(shí)測值。

圖1 研究區(qū)及樣點(diǎn)分布示意

Fig.1 Location and distribution map of soil samples in the study area

克立格(Kriging)法，又稱空間局部估計(jì)或空間局部插值法，是地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)的主要內(nèi)容之一，建立在變異函數(shù)理論及結(jié)構(gòu)分析基礎(chǔ)之上的，它是在有限區(qū)域內(nèi)對區(qū)域化變量的取值進(jìn)行無偏最優(yōu)估計(jì)的一種方法，以無偏和估計(jì)方差最小為準(zhǔn)則，對每個(gè)樣點(diǎn)屬性賦予權(quán)重，最后加權(quán)平均對未知區(qū)域進(jìn)行預(yù)測。根據(jù)待估樣本點(diǎn)有限鄰域內(nèi)若干已測定的樣本點(diǎn)數(shù)據(jù)，對待估樣本點(diǎn)值進(jìn)行估計(jì)，其優(yōu)點(diǎn)是考慮了樣本點(diǎn)的形狀、大小和空間相互位置關(guān)系，及與待估樣本點(diǎn)的相互空間位置關(guān)系。

1.2.3 數(shù)據(jù)分級

根據(jù)新疆土壤鹽堿化的分級標(biāo)準(zhǔn)[17]對鹽分進(jìn)行分級。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用SPSS 17.0進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行Kolmogorov-Smirnov(K-S)檢驗(yàn)，判斷數(shù)據(jù)是否符合正態(tài)分布，對不符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)進(jìn)行對數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后再次檢驗(yàn)；半方差函數(shù)擬合采用地統(tǒng)計(jì)軟件GS+9.0進(jìn)行，經(jīng)過選擇不同步長進(jìn)行擬合，比較不同模型下的決定系數(shù)與殘差平方和，選出了R2最大且RSS最小的最佳理論模型，并根據(jù)擬合的模型及其參數(shù)，在ArcGIS軟件中的Geostatistical Analyst模塊進(jìn)行Kriging插值，通過對采樣點(diǎn)的取樣分析、數(shù)據(jù)的地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析和Kriging插值，生成二維空間分布圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤樣品的統(tǒng)計(jì)特征

表1 研究區(qū)不同層次土壤鹽分及離子的特征值

Table 1 Statistical characteristics of soil salinity and salt segregation in different levels of the study area

土壤屬性Soilproperties土層深度Soillayer(cm)分布類型Distri-butiontype最小值Minimum(g/kg)最大值Maximum(g/kg)平均值A(chǔ)verage(g/kg)標(biāo)準(zhǔn)差Standarddeviation變異系數(shù)Coeffi-cientofvariation偏度Coeffi-cientofvariation峰度KurtosisP(K-S)總鹽Saltcontent0～60正態(tài)?1.7158.898.65412.9991.501.556?1.848?0.067?60～100正態(tài)?1.209.633.8381.9750.510.603?0.471?0.234?HCO-30～60正態(tài)0.290.700.4260.1080.250.654-0.3740.52160～100正態(tài)0.250.700.4080.1030.250.5970.0710.468Ca2+0～60正態(tài)?0.072.090.4070.5401.331.069?0.101?0.064?60～100正態(tài)?0.060.740.1450.5403.721.516?3.181?0.472?Mg2+0～60正態(tài)?0.011.620.2220.3421.540.577?0.637?0.825?60～100正態(tài)0.020.340.0860.0630.732.0345.7450.267Cl-0～60正態(tài)?0.2024.542.3785.0392.121.339?1.309?0.199?60～100正態(tài)?0.163.750.7520.7921.050.694?0.225?0.773?SO2-40～60正態(tài)?0.5318.092.9753.5411.191.017?1.052?0.084?60～100正態(tài)0.332.981.5260.5350.350.8061.3190.352CO2-30～100---------K++Na+0～60正態(tài)?0.3116.121.6042.9151.821.7022.7230.05260～100正態(tài)?0.232.690.7410.5350.720.9570.4560.235pH0～60-8.038.378.143--0.769-0.183-60～100-8.018.418.113--1.7103.205-

注：*表示對數(shù)轉(zhuǎn)換后的值

Note:*indicates logarithmically converted value

2.2 土壤鹽分及離子的空間變異特征

表2 半方差函數(shù)模型及相關(guān)參數(shù)

Table 2 Semi-variance function model and related parameters

項(xiàng) 目Project理論模型Theoreticalmodel塊金值C0Nugget基臺值C0+CSillvalueC0/(C0+C)(%)決定系數(shù)R2殘差平方和Residualerror總鹽Totalsalt(0～60cm)指數(shù)模型0.23100.930024.80.6060.373總鹽Totalsalt(60～100cm)高斯模型0.06980.238629.20.5260.024HCO-3(0～60cm)球狀模型0.02690.057147.10.1912.323E-03Ca2+(0～60cm)球狀模型0.36001.253028.70.7440.389Mg2+(0～60cm)指數(shù)模型0.31800.637049.90.2150.215Cl-(0～60cm)指數(shù)模型0.46901.71827.30.3290.920SO2-4(0～60cm)指數(shù)模型0.33400.761043.80.4760.0504K++Na+(0～60cm)高斯模型0.30300.983030.80.4170.665

圖2 土壤全鹽及各離子的半方差函數(shù)擬合

Fig.2 Semi variance function curves of total salt and all ions

2.3 土壤總鹽及離子的空間分布特征

圖3 土壤全鹽和各離子含量的Kriging插值分布

Fig.3 Kriging interpolation distribution map of salinity and ions content

表3 研究區(qū)不同層次土壤含鹽量的面積與比例

Table 3 The area and proportion of soil salinity for each soil depth in the study area

土壤深度Soillayer含鹽量(g/kg)0～33～66～1010～20>200～60cm面積(km2)0.5372.99118.4155.793.51比例(%)0.2129.0547.1322.211.460～100cm面積(km2)11.31226.1313.7700比例(%)4.590.015.4800

3 討 論

研究區(qū)0～100 cm深度的土壤絕大部分處于不同程度的鹽漬化狀態(tài)，灌區(qū)內(nèi)土壤鹽漬化問題十分嚴(yán)重。灌區(qū)內(nèi)的土壤鹽漬化主要是受氣候、地理環(huán)境、人為因素和土壤類型的影響較大。研究區(qū)北以孔雀河南岸的沙包起伏區(qū)為界，與庫木塔格沙漠相鄰，南以塔里木河為界，與塔克拉瑪干沙漠相鄰，位于兩大沙漠之間，降雨稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，多年平均降水量在53.3～62.7 mm，而多年平均蒸發(fā)量在2 273～2 788 mm，獨(dú)特的氣候條件為鹽分的聚集提供了條件。另外研究區(qū)處于塔里木河下游段，上、中游生活用水和農(nóng)業(yè)灌溉用水的增加，導(dǎo)致下游地表水和地下水都受到一定的影響，并且塔里木河和孔雀河兩河下游河床歷史上多次改道，使古河道在墾區(qū)蜿蜓分布，荒漠植被稀少，風(fēng)沙活動(dòng)異常強(qiáng)烈，致使墾區(qū)廣泛分布著大小沙丘和成片壟崗?fù)莸兀匦纹鸱黄?，部分區(qū)域積鹽嚴(yán)重。灌區(qū)內(nèi)不合理的灌溉和人類活動(dòng)，也是造成土壤鹽漬化的原因之一，趙銳鋒等[18]在新疆岳普湖綠洲研究的結(jié)果顯示，各層土壤鹽分的高值區(qū)主要集中分布在人類活動(dòng)強(qiáng)烈、靠近河渠水源和地勢較為低洼區(qū)域，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中盲目的引水及灌溉會(huì)提高地下水位，使其超過臨界深度，在干旱環(huán)境強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用下，隨著潛水不斷蒸發(fā)，鹽分大量聚集于地表[19]，灌區(qū)內(nèi)土壤受塔里木河沖積和風(fēng)積影響，經(jīng)過多年墾殖熟化，現(xiàn)耕作層土壤質(zhì)地多為沙壤和輕壤，疏松易碎，孔隙多，通氣透水性好，土質(zhì)沙性大，易于脫鹽的同時(shí)，在強(qiáng)烈的蒸發(fā)下地表積鹽現(xiàn)象也十分嚴(yán)重。

由研究區(qū)各土層土壤鹽分含量的水平分布圖以及鹽分特征值統(tǒng)計(jì)可以看出根域?qū)油寥利}分要遠(yuǎn)大于深層土壤鹽分，這與鞏玉紅[20]、何子建[21]等在干旱地區(qū)的研究結(jié)果一致，秋季的蒸發(fā)積鹽階段水分將深層土壤中的鹽分帶到地表并積聚。根域?qū)油寥来蟛糠痔幱谳p、中度鹽漬化狀態(tài)，重度鹽漬化區(qū)域主要集中在研究區(qū)中部，這是因?yàn)橹胁繀^(qū)域集中分布一定數(shù)量的鹽堿地和荒草地，其鹽分和離子含量較高，并且由于當(dāng)?shù)夭缓侠淼墓嗯艑⒐喔扰潘湃牖牡?，?dǎo)致鹽分離子不斷向外擴(kuò)散，加劇了中部區(qū)域土壤的鹽分積累。秋季土壤中鹽分和各離子的相對變異程度較高，這是由于研究區(qū)處于典型的荒漠地帶，氣候條件獨(dú)特，加上人類頻繁的農(nóng)業(yè)活動(dòng)，使得土壤具有了空間分布的復(fù)雜性。土壤鹽分的空間變異受土地利用、灌溉、施肥、管理水平等隨機(jī)因素和土壤母質(zhì)、地形、地貌、氣候等非人為的結(jié)構(gòu)性因素的共同影響，在半方差函數(shù)模型中，塊金值C0是由最小取樣距離內(nèi)土地利用、灌溉、施肥、管理水平等隨機(jī)因素共同引起的變異。C為結(jié)構(gòu)方差，由土壤母質(zhì)、地形、地貌、氣候等非人為的結(jié)構(gòu)性因素引起的變異[22]。塊金方差與基臺值的比C0/(C0+C)表示空間變異性的程度，是指由隨機(jī)性因素引起的空間變異占系統(tǒng)總變異的比例，該值越高，由隨機(jī)分布引起的空間變異性程度較大，相反則說明由結(jié)構(gòu)性因素引起的空間變異性程度較大[23]。根據(jù)塊金方差與基臺值的比C0/(C0+C)來看，根域?qū)油寥利}分受隨機(jī)因素的影響較大，深層土壤鹽分及其它各離子受結(jié)構(gòu)性因素影響較大，這主要是與根域?qū)油寥浪艿臄_動(dòng)更加頻繁有關(guān)。

4 結(jié) 論

4.3 研究區(qū)不同深度的土壤均處于不同程度的鹽漬化狀態(tài)。根域?qū)油寥利}分大部分處于中度鹽漬化狀態(tài)，中度鹽漬化區(qū)域主要分布在研究區(qū)東北部和南部，輕度鹽漬化區(qū)域主要分布研究區(qū)的西北部和東部，重度鹽漬化區(qū)域主要集中在研究區(qū)的中部，靠近塔里木河的位置，荒漠化程度高、地形復(fù)雜。深層土壤鹽分大部分處于輕度鹽漬化狀態(tài)，土壤鹽分受季節(jié)影響，變化范圍較小，分布較為均勻。