塔里木河下游灌區(qū)春季土壤鹽分空間變異特征
——以新疆第二師三十一團(tuán)灌區(qū)為例

丁邦新,白云崗,劉雪艷,陳星星,劉洪波,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，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆水利水電科學(xué)研究院，新疆 烏魯木齊 830049)

土壤鹽漬化是世界各國(guó)普遍存在的問題，尤其在低降雨量和高蒸發(fā)量的干旱、半干旱地區(qū)鹽漬化問題更為嚴(yán)重[1]。新疆地處中國(guó)的西北部，極端干旱的氣候使得新疆成為了土壤鹽漬化大區(qū)，鹽堿土種類繁多，被稱為世界鹽堿土的博物館[2]。鹽堿危害造成新疆部分土地退化，植被衰退，形成大量中、低產(chǎn)田，使大面積土壤資源難以利用，農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力下降，嚴(yán)重影響了農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。新疆鹽堿化耕地約133.33萬hm2，近1/3耕地鹽堿化，其中80%以上為土壤次生鹽堿化，除伊犁河谷、阿勒泰地區(qū)和塔城部分地區(qū)土壤鹽堿化較輕之外， 其他地區(qū)土壤均有不同程度鹽堿化， 天山南麓、塔里木盆地西部各灌區(qū)最為嚴(yán)重，一些耕地由于次生鹽堿化加重而被棄耕[3]。

塔里木河下游段位于塔克拉瑪干沙漠東北部，包括恰拉水庫以下至臺(tái)特馬湖的區(qū)域[4]。由于地處典型的極端干旱區(qū)，生態(tài)環(huán)境十分脆弱，加之長(zhǎng)期以來人類對(duì)中、上游流域自然資源的不合理利用，導(dǎo)致地處流域尾閭的下游沿岸灌區(qū)生態(tài)環(huán)境急劇惡化[5-6]，土壤次生鹽漬化問題十分突出。近年來，關(guān)于塔里木河下游流域的研究主要集中在輸水工程后地下水特征分析[7]、生態(tài)恢復(fù)等方面[8]，已有的土壤鹽漬化相關(guān)研究也主要是針對(duì)塔里木河下游流域尺度來開展的[9-11]，對(duì)沿岸灌區(qū)尺度土壤鹽分空間變異特征的研究較少，并且春季是作物播種出苗的季節(jié)，棉花易受鹽害，影響出苗和生長(zhǎng)，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成較大的影響，掌握灌區(qū)春季土壤的鹽漬化程度對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)調(diào)控具有重大意義。因此，本研究采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)與GIS技術(shù)相結(jié)合，對(duì)塔里木河下游新疆第二師三十一團(tuán)綠洲灌區(qū)春季土壤鹽分空間變異特征進(jìn)行研究，以期為合理的管理和調(diào)控土壤水鹽提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

新疆第二師三十一團(tuán)位于塔克拉瑪干沙漠東北邊緣的塔里木河與孔雀河下游沖積平原，地處新疆巴州尉犁縣境內(nèi)，地理坐標(biāo)為85°24′E～88°30′E，39°30′N～42°20′N。西與尉犁縣塔里木鄉(xiāng)接壤，東與三十三團(tuán)相鄰，北以孔雀河南岸的沙包起伏區(qū)為界，南以塔里木河為界。海拔高度820～1 100 m，屬暖溫帶大陸性荒漠氣候，光熱資源豐富，降雨稀少且四季分布不均，晝夜溫差大，多風(fēng)沙和浮塵天氣。夏季炎熱而干燥，降雨量年際變化大，多年平均降雨量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。三十一團(tuán)現(xiàn)有灌溉面積0.75萬hm2，大部分耕地處于卡拉水庫下游，以種植棉花和香梨為主，灌區(qū)內(nèi)土壤質(zhì)地較輕，以壤土、沙壤土為主，土壤類型主要為風(fēng)沙土、鹽土和堿土。灌區(qū)內(nèi)的土地構(gòu)成呈耕地和荒地相間分布格局，塔里木河原支流卡拉河曾蜿蜓穿過團(tuán)場(chǎng)中部，把場(chǎng)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，中部分布著許多土包起伏區(qū)，地形復(fù)雜，土地利用率低，不利于整體規(guī)劃。另外三十一團(tuán)地處塔克拉瑪干沙漠與庫木塔格沙漠之間，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?，地形起伏不平，土壤鹽漬化、次生鹽漬化程度高。

1.2 樣品采集與測(cè)定

依據(jù)研究區(qū)的地理環(huán)境特征，于2018年3月中旬在三十一團(tuán)范圍內(nèi)布設(shè)土壤取樣點(diǎn)45處(圖1)。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。土樣的采集采用人工挖掘的方式，每個(gè)位置土壤采樣層次分為0～20，20～40，40～60，60～80，80～100 cm。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。

土樣的測(cè)定方法：總鹽采用殘?jiān)娓少|(zhì)量法；SO2-4采用EDTA間接滴定法測(cè)定；Cl-采用AgNO3滴定法測(cè)定；CO2-3，HCO-3采用雙指示劑中和法測(cè)定；Ca2+，Mg2+采用EDTA絡(luò)合滴定法測(cè)定；K++Na+采用陰陽離子平衡法計(jì)算而得。

1.3 研究方法

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(duì)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。半方差函數(shù)擬合采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件GS+9.0進(jìn)行，并根據(jù)擬合的模型及其參數(shù)，在Arcgis地理信息系統(tǒng)軟件的Geostatistical analyst模塊進(jìn)行Kriging插值，生成二維空間分布圖。土壤鹽分的垂直分布圖使用Surfer 11進(jìn)行處理及分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤鹽分及離子的統(tǒng)計(jì)特征分析

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(zhǎng)深度在0～60 cm之間，且膜下滴灌的最大濕潤(rùn)范圍也在60 cm左右，故本研究的分析以根域?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)。從本次樣品測(cè)定值來看，0～60 cm土層及60～100 cm土層內(nèi)土壤鹽分含量差異較小，因此使用0～20、20～40、40～60 cm土壤鹽分含量的均值表示根域?qū)油寥利}分含量，60～80、80～100 cm土壤鹽分含量的均值來表示深層土壤(60～100 cm)鹽分含量。根據(jù)經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，不同層次土壤鹽分、離子含量的統(tǒng)計(jì)特征值列于表1。

圖1 研究區(qū)及土壤樣點(diǎn)分布示意圖Fig.1 Location and distribution map of soil samples in the study area

變異系數(shù)(CV)反映的是相對(duì)變異，即隨機(jī)變量的離散程度。雷志棟等[12]研究表明，CV<0.1呈弱變異性，0.1≤CV≤1呈中等變異性，CV≥1呈強(qiáng)變異性；研究區(qū)不同深度土層土壤含鹽量及鹽分離子含量多屬于中等變異性，變異系數(shù)介于0.229～0.757之間，僅Ca2+離子在0～60 cm土層中表現(xiàn)出強(qiáng)變異性；從離子來看，0～60 cm土層的HCO-3、Cl-、SO2-4含量分別占陰離子總量的19.5%、23.9%、56.5%，Ca2+、Mg2+、K++Na+含量分別占陽離子總量的24.8%、7.6%、67.5%；60～100 cm土層的HCO-3、Cl-、SO2-4含量分別占陰離子總量的18.9%、23.9%、57.2%，Ca2+、Mg2+、K++Na+含量分別占陽離子總量的9.9%、24.7%、65.3%；各土層中陰離子均以SO2-4為主，陽離子均以K+和Na+為主。從偏度和峰度兩項(xiàng)指標(biāo)可以看出，研究區(qū)不同深度土層土壤鹽分含量、離子含量的正偏差值較大，均呈現(xiàn)右偏態(tài)和尖頂峰。不同深度土層的土壤鹽分、鹽分離子變異系數(shù)差別不大，主要陰、陽離子也相同。土壤pH值范圍在8.02～8.51之間，總體上呈微堿性；土壤理化性質(zhì)數(shù)據(jù)的正態(tài)分布檢驗(yàn)是進(jìn)行半方差函數(shù)計(jì)算和Kriging插值的前提，根據(jù)K-S非參數(shù)檢驗(yàn)的P值可知，HCO-3、K++Na+服從正態(tài)分布，土壤鹽分、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO2-4符合經(jīng)過對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換后的正態(tài)分布。

表1 研究區(qū)不同層次土壤鹽分統(tǒng)計(jì)特征值(N=45)

注：*為對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換后的結(jié)果。 Note: * Indicates the result after logarithmic conversion.

2.2 土壤鹽分及離子的空間變異特征

使用SPSS 19.0軟件進(jìn)行分析，用K-S檢驗(yàn)對(duì)數(shù)據(jù)的正態(tài)分布進(jìn)行了檢驗(yàn)，并將不符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)在GS+地統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件中進(jìn)行了對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)均符合正態(tài)分布，土壤鹽分的空間變異分析選取根域?qū)雍蜕顚舆M(jìn)行分析，鹽基離子的空間變異分析只選擇根域?qū)觼磉M(jìn)行分析。經(jīng)過選擇不同步長(zhǎng)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，不同層次土壤的鹽分含量、根域?qū)与x子含量的半方差模擬模型及擬合參數(shù)見表2，地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析的半方差函數(shù)見圖2。深層土壤鹽分含量、HCO-3、SO2-4含量符合指數(shù)模型，根域?qū)油寥利}分含量、Ca2+、Cl-含量符合高斯模型，Mg2+、K++Na+含量符合球狀模型。

表2 不同層次土壤的鹽分和根域?qū)与x子含量的半方差函數(shù)模型及相關(guān)參數(shù)

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

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[13]。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。C0+C為基臺(tái)值，是半方差函數(shù)隨間距遞增到一定程度后出現(xiàn)的平穩(wěn)值，表示系統(tǒng)內(nèi)總的變異[7]。由表2可知，土壤鹽分含量及各離子含量的塊金值、基臺(tái)值均為正值，范圍分別在0.005～0.151、0.0406～0.5160之間，說明存在著由采樣誤差或最小取樣距離內(nèi)土壤特性變異或固有變異引起的各種正基底效應(yīng)。但總鹽及各離子C0均較小，說明研究區(qū)由隨機(jī)變異、采樣誤差及距離誤差所引起的變量變異程度不大。塊金方差與基臺(tái)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，說明由隨機(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，如果該比值接近1，則說明該變量在整個(gè)尺度上具有恒定的變異[14]。當(dāng)塊金方差與基臺(tái)值的比值小于25% 時(shí)，表現(xiàn)為強(qiáng)空間相關(guān)性；若在25%～75% 時(shí)則表現(xiàn)為中等程度空間相關(guān)性；比值大于75% 時(shí)則表現(xiàn)為弱空間相關(guān)性[15]。僅K+和Na+在整體上表現(xiàn)出較強(qiáng)的空間相關(guān)性，鹽分含量及其它各離子含量塊金方差與基臺(tái)值的比在27%～46%之間，表現(xiàn)出中等程度的空間相關(guān)性。各變量的變程值A(chǔ)在1.21～31.1 km之間，除根域?qū)欲}分和SO2-4外，其它離子的變程彼此間相差較小，各變量的空間自相關(guān)范圍具有很大的相似性。根域?qū)油寥利}分和SO2-4的變程值為31.1 km，相比其它離子具有更大范圍的空間自相關(guān)性。

2.3 土壤總鹽及離子的空間分布特征

2.3.1 土壤鹽分及離子含量的水平分布 為準(zhǔn)確直觀地描述各土層土壤含鹽量在空間上的分布特征，根據(jù)半方差函數(shù)的擬合模型及其參數(shù)繪制了鹽分含量及各離子含量的空間分布圖，如圖3所示。

研究區(qū)內(nèi)根域?qū)?0～60 cm)的土壤鹽分在西北部的含量較低，東南部的含量較高，變化范圍在2.28～3.27 g·kg-1。灌區(qū)的西北部處于恰拉水庫正下方，且離研究區(qū)西南部的邊界塔里木河較近。深層(60～100 cm)土壤鹽分含量的分布特征與根域?qū)油寥利}分含量剛好相反，西北部的含量較高，而東南部的含量較低，變化范圍在2.31～4.63 g·kg-1。研究區(qū)東北部土壤鹽分含量在根域?qū)雍蜕顚拥牟町惒淮?，東北部靠近荒漠，遠(yuǎn)離河道，呈現(xiàn)荒地與耕地相間分布的布局，人為干擾相對(duì)較少。

Cl-含量在整個(gè)研究區(qū)內(nèi)普遍較高，呈現(xiàn)從東北部到西南部逐漸增加的趨勢(shì)。HCO-3含量在整體上表現(xiàn)為東南部含量較高，西北部含量較低，與根域?qū)拥耐寥利}分含量分布特征有一定的相似性，Ca2+、SO2-4含量無明顯變化規(guī)律。Mg2+的高值區(qū)主要出現(xiàn)研究區(qū)西南邊界，總體上呈不規(guī)則的“斑塊”狀分布。K+和Na+的高值區(qū)也出現(xiàn)在灌區(qū)的西南邊界處，總體上表現(xiàn)為西北部的含量較高，東南部的含量較低。

2.3.2 土壤鹽分含量的垂直分布 依據(jù)研究區(qū)地理特征，選取了從西北至東南大致一條直線上的11個(gè)采樣點(diǎn)，繪制了土壤鹽分含量在垂直方向的等值線圖，如圖4所示。由圖4可知，研究區(qū)春季土壤鹽分垂直分布的總趨勢(shì)大致相同，根域?qū)油寥篮}量與深層土壤含鹽量差異不大。受土壤母質(zhì)、地形、地貌和人為因素的影響，不同土壤剖面間各層土壤鹽分含量有所不同。

3 討 論

本研究對(duì)庫爾勒三十一團(tuán)綠洲灌區(qū)土壤鹽分和各離子進(jìn)行了經(jīng)典統(tǒng)計(jì)分析和地統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明0～60 cm土層土壤含鹽量范圍在1.35～7.84 g·kg-1之間，60～100 cm土層土壤含鹽量范圍在1.35～7.91 g·kg-1之間，不同深度土層鹽分含量和各離子含量的變化范圍差異不大，與王丹丹[16]、趙銳峰[14]、呂娜娜等[17]的研究結(jié)果有所差異，鹽分及各離子并沒有隨著土層深度的變化出現(xiàn)升高或降低的趨勢(shì)。這主要是因?yàn)楸狙芯渴且源杭就寥利}分的空間變異特征為研究目標(biāo)，土樣的采集是在春季3月中旬進(jìn)行。鹽分運(yùn)動(dòng)受水分運(yùn)動(dòng)影響明顯，周年鹽分動(dòng)態(tài)可以分為春季強(qiáng)烈蒸發(fā)—積鹽階段、灌溉淋洗—穩(wěn)定階段、雨季淋溶—脫鹽階段、秋季蒸發(fā)—積鹽階段和冬季相對(duì)穩(wěn)定階段五個(gè)階段[18]。研究區(qū)土壤鹽漬化問題嚴(yán)重，當(dāng)?shù)仄毡闀?huì)在入冬時(shí)進(jìn)行冬灌或者第二年春季進(jìn)行春灌來壓鹽洗鹽，朱延凱等[19]研究表明，春灌對(duì)綠洲棉田有較強(qiáng)的淋洗作用，能起到保水壓鹽效果。春灌、冬灌的冰層融化以及冰雪融化對(duì)土壤產(chǎn)生了較強(qiáng)的淋洗作用，因此不同深度土層的鹽分和各離子的變化范圍差異不大，這也與圖4土壤鹽分的垂直分布相印證。在人工挖掘采樣的過程中，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)的春季地下水埋深大致在1.2～1.6 m之間，沈麗娜[20]等研究表明塔河下游土壤鹽分含量與地下水存在明顯的函數(shù)關(guān)系，地下水埋深越深，土壤鹽分含量越小，地下水埋深越淺，土壤鹽分含量越大。這也說明了為什么在冬灌和春灌的淋洗作用下，研究區(qū)土壤鹽分含量范圍仍在1.35～7.91 g·kg-1之間，土壤處于輕、中度鹽漬化狀態(tài)[21]。研究區(qū)內(nèi)不同深度土層土壤鹽分、離子的變異系數(shù)多屬于中等變異性，Ca2+離子在0～60 cm土層中表現(xiàn)出強(qiáng)變異性，主要是因?yàn)轭l繁的人為農(nóng)業(yè)活動(dòng)加快鹽分的積累[22]，農(nóng)業(yè)活動(dòng)改變了土壤鹽分原有的分布格局，在一定程度上促進(jìn)了其空間分布的復(fù)雜性[23]，并且研究區(qū)處于典型的荒漠地帶，氣候干旱，降雨稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，北與孔雀河南岸的沙包起伏區(qū)相鄰，南與塔克拉瑪干沙漠相鄰，灌區(qū)內(nèi)部分地區(qū)耕地與荒地相間分布。

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

圖4 研究區(qū)土壤鹽分含量等值線圖/(g·kg-1)Fig.4 Contour map of soil sample salt content in study area

三十一團(tuán)灌區(qū)根域?qū)油寥利}分含量呈現(xiàn)由西北部向東南部逐漸升高的趨勢(shì)。深層土壤鹽分含量分布與根域?qū)油寥利}分含量的分布特征剛好相反，土壤鹽分含量呈現(xiàn)由西北部向東南部逐漸降低的趨勢(shì)。鹽分含量隨塔里木河和恰拉水庫下游輸水干渠的走向表現(xiàn)出區(qū)域性的變化，這可能是由于研究區(qū)的西北部靠近水庫和塔里木河，水源充足，鹽分隨水分向土壤深層運(yùn)動(dòng)，深層土壤鹽分較高，而研究區(qū)東南部水量相對(duì)較少，且上游的部分灌溉水、冬閑水和廢棄水經(jīng)各干渠、支渠、斗渠流向下游，導(dǎo)致研究區(qū)東南部根域?qū)拥柠}分含量相對(duì)于西北部較高。各鹽分離子除HCO-3含量在整體上與根域?qū)拥耐寥利}分含量分布特征有一定的相似性，其余離子均呈現(xiàn)不同的分布特征，這還是因?yàn)辂}分空間分布的復(fù)雜性所導(dǎo)致的?？傷}和各離子的空間變異性程度大多表現(xiàn)為中等程度的空間相關(guān)性，C0/(C0+C)的范圍在27%～46%之間，僅K+和Na+在整體上表現(xiàn)出強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，這與鞏玉紅[24]、胡佳楠[25]等的研究結(jié)果干旱區(qū)土壤鹽分離子會(huì)表現(xiàn)出強(qiáng)烈空間相關(guān)性有所不同，除了最小取樣距離內(nèi)土地利用、灌溉、施肥、管理水平等隨機(jī)因素和土壤母質(zhì)、地形、地貌、氣候等非人為的結(jié)構(gòu)性因素以外，選取的土層深度也會(huì)對(duì)空間變異程度造成一定的影響。

4 結(jié) 論

1)灌區(qū)內(nèi)土壤總體呈堿性，各土層陰離子均以SO2-4為主，陽離子均以K+和Na+為主；土壤鹽分、離子的變異多屬于中等變異，變異系數(shù)介于0.229～0.757之間，僅Ca2+離子在0～60 cm土層中表現(xiàn)出強(qiáng)變異性。

2)灌區(qū)內(nèi)深層土壤鹽分、HCO-3、SO2-4含量的半方差函數(shù)模型符合指數(shù)模型，根域?qū)油寥利}分、Ca2+、Cl-符合高斯模型，Mg2+、K++Na+符合球狀模型。除K+和Na+在整體上表現(xiàn)為強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，其余各離子和總鹽表現(xiàn)為中等程度的空間相關(guān)性，自相關(guān)范圍在1.21～31.1 km之間，各變量的空間自相關(guān)范圍差異較大。

3)土壤鹽分及離子的水平分布表明，研究區(qū)根域?qū)?0～60 cm)土壤鹽分含量呈現(xiàn)由西北部向東南部逐漸升高的趨勢(shì),變化范圍在2.28～3.27 g·kg-1之間。深層(60～100 cm)土壤鹽分含量呈現(xiàn)由西北部向東南部逐漸降低的趨勢(shì),變化范圍在2.31～4.63 g·kg-1之間。HCO-3含量在整體上與根域?qū)?0～60 cm)土壤鹽分含量分布特征相同，其它各離子含量無明顯變化規(guī)律，Mg2+的高值區(qū)主要出現(xiàn)研究區(qū)西南邊界，總體上呈不規(guī)則的“斑塊”狀分布， K+和Na+的高值區(qū)也出現(xiàn)在灌區(qū)的西南邊界處，總體上表現(xiàn)為西北部的含量較高，東南部的含量較低。

4)研究區(qū)土壤鹽分垂直分布的總趨勢(shì)大致相同，表層土壤含鹽量與深層土壤含鹽量差異不大，不同土壤剖面間各層土壤鹽分含量有所不同。