灌區(qū)土壤鹽分空間變異及多因素響應(yīng)關(guān)系

谷曉偉, 韓金旭, 張鳳燃, 張 丹, 劉姝芳

(黃河水利委員會 黃河水利科學(xué)研究院, 河南 鄭州 450003)

土壤鹽堿化是灌溉農(nóng)業(yè)的伴生問題，據(jù)FAO統(tǒng)計(jì)全球約1/3的灌溉土地因鹽堿化而生產(chǎn)力降低。中國鹽漬化土壤面積約3.60×107hm2，占全國可利用土地的4.88%，其中耕地鹽漬化面積9.21×106hm2，占全國耕地面積6.62%[1]。土壤受母質(zhì)、地形等自然及人為因素共同作用，具有高度空間異質(zhì)性[2]。了解土壤空間特性是鹽漬化防治的重要前提。劉鑫等[3]基于ArcGIS對河套灌區(qū)土壤鹽堿化指標(biāo)進(jìn)行了等級劃分；徐英等[4]研究發(fā)現(xiàn)地下水對地表返鹽的影響具有滯后性，河套灌區(qū)4月底地表發(fā)生中、輕度鹽漬化的地下水臨界埋深分別為2.0 m，2.5 m。王卓然[5]、吳亞坤[6]、徐存東[7]等基于多源數(shù)據(jù)，分析了不同區(qū)域土壤鹽分空間變異特征。從目前成果來看，土壤鹽分空間變異研究較多關(guān)注鹽分單一要素的空間異質(zhì)性分析，對多參數(shù)空間協(xié)同關(guān)系研究尚待進(jìn)一步加深。黃河南岸灌區(qū)是鄂爾多斯節(jié)水改造的重點(diǎn)區(qū)域，也是受鹽漬化影響的典型灌溉綠洲灌區(qū)。本文以吉格斯太灌域?yàn)槔?，根?jù)實(shí)測數(shù)據(jù)，利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法解析灌域土壤鹽分空間分布特征，研究土壤鹽分空間格局與地下水、土壤物理特性之間空間響應(yīng)關(guān)系，成果可為灌區(qū)土壤鹽漬化防控提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)、材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于鄂爾多斯市北部黃河南岸灌區(qū)吉格斯太灌域(110°33′29″—110°42′30″E，40°18′25″—40°19′8″N)揚(yáng)黃節(jié)水改造區(qū)，面積約2 500 hm2。灌域東以呼斯太河為界，西以東柳溝為界，北至黃河，南至毛烏素沙漠，為井渠結(jié)合灌域，總灌溉面積6 800 hm2。區(qū)域多年平均氣溫6.8 ℃，平均無霜期160 d，平均日照時數(shù)3 159 h，平均降水量311 mm，平均蒸發(fā)量2 115 mm。

1.2 樣點(diǎn)布設(shè)及樣品采集

樣品采集于2016年5月中旬進(jìn)行，試驗(yàn)區(qū)按照網(wǎng)格化結(jié)合土地利用類型布置采樣點(diǎn)29個，地下水觀測井11眼(如圖1所示)。按照0—20 cm(以下稱表層)、20—40 cm和40—60 cm 3個深度人工取土，采用環(huán)刀法測定土壤干容重及含水量，同步觀測地下水埋深和含鹽量。風(fēng)干土樣過2 mm篩，表層土壤測定顆粒組成，其余按5∶1配置土壤溶液測定電導(dǎo)率，并換算含鹽量。

圖1 研究區(qū)樣點(diǎn)分布

根據(jù)監(jiān)測情況，試驗(yàn)區(qū)地下水埋深在1.13～3.27 m，含鹽量為1.12～2.86 g/L，地下水埋深自西北向東南逐漸加大，含鹽量逐漸降低。試驗(yàn)區(qū)表層土壤容重1.40～1.79 g/cm3，砂粒含量占比86.58%～96.68%，粉粒含量占比2.65%～13.17%，黏粒占比0.16%～3.03%。按照國際土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)，29個采樣點(diǎn)全部為砂土(表1)。

表1 表層(0-20 cm)土壤物理特性參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

注：黏粒<0.002 mm,粉粒0.002～0.02 mm,砂粒0.02～2 mm。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

本次采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析土壤含鹽量空間分布特征，采用互相關(guān)函數(shù)法研究土壤鹽分與地下水及表層土壤物理特性間的空間響應(yīng)關(guān)系。其中，土壤物理特性參數(shù)選擇黏粒、粉粒、砂粒含量、干容重、體積含水量、導(dǎo)熱率與熱容量等指標(biāo)，熱容量、導(dǎo)熱率采用相關(guān)文獻(xiàn)[8-9]推薦公式計(jì)算。地下水參數(shù)包括埋深和含鹽量。主要統(tǒng)計(jì)分析方法如下：

(1) 經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)方法。

(1)

(2) 地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法。

(2)

式中：γ(h)為空間變量半方差函數(shù)值，用以表示變量空間變異結(jié)構(gòu)；h為兩樣本點(diǎn)空間距離；Z(xi)，Z(xi+h)分別為變量在點(diǎn)xi和xi+h處觀測值；N(h)表示滯后距離為h時的樣本對數(shù)。本文中半方差函數(shù)主要采用如下模型：

高斯模型：γ(h)=C0+C〔1-exp(-h/a)2〕

(3)

指數(shù)模型：γ(h)=C0+C(1-e-h/a)

(4)

式中：C0為塊金值；a為變程(km)；C為拱高；C0+C為基臺值。

區(qū)域化變量空間變異由結(jié)構(gòu)性因素和隨機(jī)性因素共同引起，氣候、地形、母質(zhì)等結(jié)構(gòu)性因素使變量具有空間連續(xù)性，耕作、灌溉等隨機(jī)因素則會弱化其連續(xù)性[4]。一般用塊基比〔C0/(C0+C)〕表示隨機(jī)變異占總變異的大小，塊基比0～25%屬較強(qiáng)空間相關(guān)性，25%～75%屬中等空間相關(guān)性，75%～100%為弱空間相關(guān)性。

(3) 空間自相關(guān)性。

(5)

(6)

(7)

式中：Z(I)表示I的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布值，當(dāng)Z>1.96或Z<-1.96(α=0.05)時，表明變量在空間上具有顯著自相關(guān)性；Z位于[-1.96,1.96]則觀測值呈獨(dú)立隨機(jī)分布；E(I)為理論上的數(shù)學(xué)期望； var(i)為方差。

(4) 互相關(guān)函數(shù)法。

互相關(guān)函數(shù)可以較好地表達(dá)兩變量間空間相關(guān)關(guān)系[9-12]，計(jì)算公式為：

(8)

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤鹽分統(tǒng)計(jì)特征

計(jì)算土壤鹽分統(tǒng)計(jì)參數(shù)如表2所示。參考相關(guān)成果[3-4,13]，含鹽量<2 g/kg為非鹽化土；2～4 g/kg為輕度鹽化土；4～6 g/kg為中度鹽化土；6～10 g/kg為重度鹽化土。由表2可知，各土層平均含鹽量1.96～2.46 g/kg，屬非—輕度鹽化土。表層土壤平均含鹽量最高，變幅最大，極差達(dá)到8.29 g/kg。各層含鹽量Cv值為0.52～0.61，屬中等變異強(qiáng)度。

表2 土壤含鹽量統(tǒng)計(jì)特征

2.2 土壤鹽分空間分布與變異特征

2.2.1 土壤鹽分空間變異性 根據(jù)表2偏度、峰度及K-S檢驗(yàn)結(jié)果，土壤含鹽量近似服從對數(shù)正態(tài)分布，滿足地統(tǒng)計(jì)分析要求，利用GS+9.0對土壤含鹽量進(jìn)行半方差分析，采用GeoDa 1.14計(jì)算Moran’sI指數(shù)[14-15]，結(jié)果詳見表3。

根據(jù)分析結(jié)果，土壤含鹽量可采用高斯模型和指數(shù)模型較好擬合，R2在0.74～0.82。根據(jù)表3各土層含鹽量塊基比在25%～75%，結(jié)合公式(2)—(4)可知土壤含鹽量空間分布受到的人為、自然因素的共同作用，屬于中等空間變異程度。不同土層Moran’sI值為-0.088～0.044，Z得分為-0.488～0.744，位于[-1.96,1.96]，土壤鹽分在空間上呈相對獨(dú)立的隨機(jī)分布。

表3 土壤鹽分地統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

2.2.2 土壤鹽分空間分布特征 利用Surfer 12.0基于Kringing插值計(jì)算土壤含鹽量空間分布如圖2所示。

由圖2可知，土壤含鹽量呈斑塊變化，總體自西北向東南逐漸減小。除中東部存在非鹽漬化區(qū)域外，其余均達(dá)到或超過輕度鹽化閾值，西北局部達(dá)到重度鹽化程度。隨土層加深，鹽分峰值總體有所降低，東南部非鹽化土范圍不斷擴(kuò)大，西部重度鹽化土面積減小。按表層土壤劃分，試驗(yàn)區(qū)非鹽漬化面積(<2 g/kg)占25.6%，輕度鹽漬化面積(2～4 g/kg)占64.4%，中度以上鹽漬化面積占10%(>4 g/kg)，總體處于非—輕度鹽漬化狀態(tài)。

2.3 土壤含鹽量多因素響應(yīng)關(guān)系

2.3.1 土壤含鹽量多因素相關(guān)性分析 根據(jù)半方差分析結(jié)果，試驗(yàn)區(qū)土壤鹽分受結(jié)構(gòu)性和隨機(jī)性因素共同作用。地下水是耕層土壤的下邊界，表層土壤物理特性除影響本層外，也作為上邊界影響下層土壤，兩者均可視為影響土壤鹽分的結(jié)構(gòu)性因素。為便于分析，將土壤劃分為表層(0—20 cm)和中下層(20—60 cm)，中下層土壤含鹽量采用20 cm以下含鹽量均值。表層土壤物理特性及地下水參數(shù)與含鹽量相關(guān)性分析結(jié)果如表4所示。由于地下水井與采樣點(diǎn)無法一一對應(yīng)，本次地下水?dāng)?shù)據(jù)采用空間差值結(jié)果。由表4可知，表層土壤含鹽量與其自身物理特性之間相關(guān)性不顯著，中下層土壤含鹽量與表層土壤含水量顯著正相關(guān)。地下水對土壤含鹽量影響明顯，土壤含鹽量與地下水埋深顯著負(fù)相關(guān)，與地下水含鹽量顯著正相關(guān)。

表4 不同土層土壤含鹽量與地下水、表層土壤物理特性相關(guān)性

注：*表示在p>95%水平上相關(guān)性顯著；地下水埋深及含鹽量數(shù)據(jù)為空間差值計(jì)算結(jié)果。

2.3.2 土壤含鹽量多因素空間相關(guān)性分析 雙因子相關(guān)性分析(表4)表明土壤含鹽量受地下水影響顯著，但除含水量外，土壤含鹽量與表層土壤物理特性無顯著相關(guān)性。作為空間連續(xù)體，土壤鹽分與其相關(guān)因素之間還可能存在空間依賴性。采用互相關(guān)函數(shù)[9-11]分析土壤含鹽量與地下水、表層土壤物理特性間的空間相關(guān)性如圖3—4所示。表層土壤含鹽量與地下水及其自身物理參數(shù)空間相關(guān)性分析結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，表層土壤鹽分與其自身黏粒含量、容重、水熱參數(shù)在2～6 km范圍內(nèi)顯著正相關(guān)，與砂粒含量在2～4 km范圍內(nèi)顯著負(fù)相關(guān)，表明在相關(guān)范圍內(nèi)土壤含鹽量隨黏粒含量、容重、含水量、熱容量及導(dǎo)熱率的增加而增大，隨砂粒含量增加而減小。表層土壤鹽分與地下水含鹽量顯著正相關(guān)，與地下水埋深顯著負(fù)相關(guān)，地下水對土壤鹽分影響較大。

對比表4和圖3可知，土壤鹽分與物理特性和地下水之間存在空間響應(yīng)關(guān)系，物理特性對鹽分的影響具有空間滯后性。

注：圖中虛線為95%置信線，相關(guān)函數(shù)值超過置信線即為相關(guān)性達(dá)到顯著。下同。

由圖4可見，中下層土壤鹽分與地下水及表層土壤物理特性存在較顯著的空間相關(guān)關(guān)系。其中，中下層土壤鹽分與地下水參數(shù)、表層土壤黏粒、砂粒含量、熱容量及導(dǎo)熱率的空間相關(guān)范圍和屬性均與表層土壤基本相當(dāng)，與表層土壤含水量正相關(guān)范圍擴(kuò)大至0～6 km，容重和粉粒含量則未達(dá)顯著級別。由此可見，表層土壤物理性質(zhì)與其下層土壤鹽分存在空間協(xié)同性，表現(xiàn)出一定的依賴關(guān)系。

圖4 中下層土壤含鹽量與地下水、表層土壤物理參數(shù)空間相關(guān)性

2.3.3 土壤含鹽量與土壤物理特性及地下水空間分布關(guān)系 繪制地下水埋深、表層土壤物理特性及不同土層鹽漬化風(fēng)險空間分布如圖5所示。由圖5可見，土壤砂粒含量、容重及水熱特性呈較一致的斑塊分布。在試驗(yàn)區(qū)西北—北、西南和東南部表層土壤各物理特性存在明顯的極值斑塊，其中北部輕度鹽漬化高風(fēng)險區(qū)與土壤物理參數(shù)空間分布一致性較明顯，但在東南部上述因素與鹽漬化風(fēng)險分布一致性減弱，這可能與東南部地下水埋深明顯加大有關(guān)。總體而言，從斑塊分布來看土壤物理參數(shù)和含鹽量具有較明顯的響應(yīng)。研究區(qū)地下水埋深h由北向南逐漸加大，北、西北部受黃河側(cè)向補(bǔ)給h<1.6 m，南部h逐漸加大至3 m以上。地下水含鹽量呈與埋深相類似的帶狀分布，自西北向東南逐漸降低。結(jié)合土壤鹽漬化概率分布，地下水埋深較淺(<1.6 m)、含鹽量較高(>2.4 g/L)的灌域西、北部輕度鹽漬化風(fēng)險較高，地下水與土壤鹽分間存在較明顯的空間響應(yīng)關(guān)系，與前述分析結(jié)果一致。

3 討論與結(jié)論

3.1 討 論

土壤鹽分變化受到立地屬性、耕作條件等自然和人為因素的共同影響。在中等尺度上研究土壤鹽分空間變化，分析其與土壤物理組成、水熱效應(yīng)和地下水間的關(guān)系，有助于在較大尺度范圍內(nèi)認(rèn)識鹽漬化發(fā)生的空間規(guī)律，為區(qū)域控鹽提供科學(xué)依據(jù)。

圖5 表層土壤物理特性、地下水埋深及輕度鹽漬化風(fēng)險空間分布

(1) 土壤特性的空間屬性可以采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法描述。王全九等[9,14,16-17]在不同地區(qū)開展的研究均發(fā)現(xiàn)土壤含鹽量在一定范圍內(nèi)具有空間結(jié)構(gòu)特征，半方差函數(shù)可以用高斯模型和指數(shù)模型擬合，與本次研究結(jié)論基本一致。結(jié)合前人成果可見，不同區(qū)域變量空間自相關(guān)性存在差異，王維維[14]等發(fā)現(xiàn)焉耆盆耕作層土壤鹽分Moran’s I接近于0，即呈相對獨(dú)立的隨機(jī)分布，與本次研究結(jié)論一致；張飛[15]等則發(fā)現(xiàn)精河綠洲0—20 cm土壤電導(dǎo)率表現(xiàn)出較強(qiáng)的空間正相關(guān)性。

(2) 潛水蒸發(fā)是耕作層土壤鹽分的主要來源。根據(jù)河套灌區(qū)開展的相關(guān)研究，竇旭等[2]認(rèn)為埋深大于1.6 m時土壤含鹽量隨埋深增加變幅逐漸減??；徐英[4]等研究發(fā)現(xiàn)灌區(qū)4月底發(fā)生鹽漬化的臨界地下水埋深為2.0～2.5 m。本研究表明，地下水參數(shù)與土壤含鹽量存在顯著的相關(guān)關(guān)系，地下水埋深<1.6 m的區(qū)域發(fā)生輕度以上鹽漬化概率較高，與前述相關(guān)研究結(jié)論基本一致。

(3) 土壤物理性質(zhì)與鹽分關(guān)系尚無統(tǒng)一認(rèn)識。呂廷波[18]、毛海濤[19]發(fā)現(xiàn)細(xì)顆粒含量與土壤最終積鹽量成正比；劉繼龍[16]認(rèn)為0—20 cm土壤電導(dǎo)率與基本物理特性相關(guān)性不顯著，但20—40 cm土層兩者顯著相關(guān)。本次通過相關(guān)性分析(表4)認(rèn)為，地下水與土壤鹽分顯著相關(guān)，與土壤物理特性相關(guān)性不顯著。但相關(guān)性分析只能代表各因素在樣本點(diǎn)上的關(guān)系，對空間響應(yīng)關(guān)系無法表達(dá)，本次采用互相關(guān)函數(shù)分析發(fā)現(xiàn)土壤鹽分與土壤物理特性和地下水等多因素之間存在空間相關(guān)性，更能體現(xiàn)區(qū)域變量在空間上的協(xié)同性。目前對土壤鹽分與其他因素空間相關(guān)性研究尚不多，王全九[9]研究粉壤土灌區(qū)得出土壤鹽分空間分布與含水量、熱容量及導(dǎo)熱率等水熱條件的空間關(guān)系不顯著，與本次研究結(jié)論不一致，這一差異是否與土壤質(zhì)地條件相關(guān)尚需開展進(jìn)一步的比較研究。本次研究發(fā)現(xiàn)表層土壤物理特性對中下層土壤鹽分空間分布存在影響，這一影響在縱向上可以理解為表層土壤作為上邊界條件對下層土壤的作用，樊會敏[20]在研究中也發(fā)現(xiàn)土壤物理性質(zhì)和鹽分在上下層之間存在異位影響，但沒有從空間分布角度對異位影響進(jìn)行探討。

3.2 結(jié) 論

(1) 試驗(yàn)區(qū)土壤含鹽量自西北向東南逐漸減小，灌域處于非鹽化—輕度鹽化狀態(tài)。土壤含鹽量在一定范圍內(nèi)具有空間結(jié)構(gòu)特征，可以用高斯模型和指數(shù)模型擬合；土壤含鹽量空間分布受到人為、自然因素的共同作用，屬中等空間變異程度，總體呈現(xiàn)相對獨(dú)立的隨機(jī)分布。

(2) 表層土壤(0—20 cm)含鹽量與其自身物理特性存在空間響應(yīng)。表層土壤含鹽量與黏粒含量、土壤容重、含水量、導(dǎo)熱率及熱容量在2～6 km范圍內(nèi)顯著正相關(guān)；與砂粒含量在2～4 km范圍內(nèi)顯著負(fù)相關(guān)。

(3) 表層土壤物理特性與中下層土壤(20—60 cm)鹽分存在空間相關(guān)關(guān)系。中下層土壤含鹽量與表層土壤黏粒含量、導(dǎo)熱率及熱容量在2～6 km范圍內(nèi)顯著正相關(guān)；與砂粒含量在2～4 km范圍內(nèi)顯著負(fù)相關(guān)；與表層土壤含水量在0～6 km范圍內(nèi)顯著正相關(guān)。

(4) 土壤含鹽量與地下水埋深顯著負(fù)相關(guān)，與地下水含鹽量顯著正相關(guān)，地下水埋深<1.6 m、含鹽量>2.4 g/L的區(qū)域發(fā)生輕度鹽漬化的風(fēng)險較高。

綜合以上，對土壤鹽分及其影響因素的空間相關(guān)性分析結(jié)果表明，試驗(yàn)區(qū)土壤鹽分存在空間結(jié)構(gòu)特征，表層土壤含鹽量與土壤物理、水熱及地下水參數(shù)存在空間相關(guān)性，地下水埋深較淺(<1.6 m)、黏粒含量和含水率較高的區(qū)域是土壤鹽漬化防治的重點(diǎn)區(qū)域。