渭-庫綠洲土壤鹽漬化空間分布特征研究

依克麗曼·阿布都米提，買買提·沙吾提,2,3，馬春玥

(1. 新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830046；2. 新疆大學(xué)綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830046；3. 新疆智慧城市與環(huán)境建模普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830046)

0 引 言

土壤鹽漬化是干旱、半干旱地區(qū)極為重要的土壤退化類型和過程，也是造成土地荒漠化的重要原因之一[1]，土壤鹽漬化已成為世界100多國家和地區(qū)均存在的環(huán)境災(zāi)害與生態(tài)問題[2-3]。據(jù)全國第二次土壤普查數(shù)據(jù)表明，新疆鹽堿地比重大，各類鹽漬化土地面積可達(dá)1 336.1 萬hm2，占全國鹽堿地面積的36.8%，其中鹽漬化耕地面積可達(dá)126.39 萬hm2，占新疆耕地面積的30.85%，由于分布區(qū)域廣，類型眾多，被稱為世界鹽堿土的博物館[4]。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者基于GIS技術(shù)并結(jié)合野外采樣，采用多元統(tǒng)計(jì)法[5,6]、主成分分析[7,8]，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、空間分析[8,9]等方法，對土壤鹽漬化狀況及其變異性方面進(jìn)行了大量研究。如：國外ONKWARE等[13]利用變異函數(shù)探討了不同深度土壤鹽分的空間變異性。Akramkhanov A 等[14]根據(jù)環(huán)境預(yù)測因子來模擬高灌溉景觀中土壤鹽分的空間分布。姚榮江[5]等運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)和聚類分析相結(jié)合的方法解釋了黃河三角洲土壤含鹽量的在水平和垂直方向的分布特征及規(guī)律；楊帆[6]等對松嫩平原蘇打鹽漬化旱田的土壤表觀電導(dǎo)率空間變異進(jìn)行研究，結(jié)果表明利用大地電導(dǎo)率儀測定結(jié)合田間采樣，通過典型統(tǒng)計(jì)和地統(tǒng)計(jì)相結(jié)合的方法，可以對土壤鹽漬化進(jìn)行快速評估。該研究結(jié)果與姚榮江等對黃河三角洲典型地塊表觀電導(dǎo)率的空間變異研究結(jié)果基本相同。另外，樊麗琴等[7]，利用相關(guān)分析和主成分分析法來研究導(dǎo)致寧夏平羅縣西大灘土壤鹽堿危害的主要鹽分離子；杜軍等應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法和普通Kriging法，揭示了內(nèi)蒙古河套灌區(qū)層地下水埋深和礦化度的年內(nèi)時空分布規(guī)律。上述研究成果對于土壤鹽漬化監(jiān)測方面積累了重要的理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，也有著良好的精確度和參考價值，這些方法都能使土壤鹽分空間變異研究變得更加多元化和精準(zhǔn)化。

渭-庫綠洲是新疆重要的綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)，干旱區(qū)的典型縮影，獨(dú)特的地質(zhì)、地貌、氣候條件造就了該區(qū)域土壤鹽漬化嚴(yán)重[15,16]。目前，該綠洲土壤鹽漬化研究主要集中于利用遙感手段對土壤鹽漬化現(xiàn)狀進(jìn)行評估和土壤鹽分反演方面[17-21]。對于土壤鹽分特征及空間分布規(guī)律方面雖然張飛、王雪梅和丁建麗等人有了一定的研究[22-26]，但是對土壤鹽分及其離子在空間上的聚集規(guī)律、關(guān)聯(lián)模式等分布特征的定量研究尚顯不足，而這種研究對揭示土壤水鹽運(yùn)移及其變化特征與機(jī)制很重要[27]。鑒于此，本研究以渭-庫綠洲為例，在野外采樣的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，應(yīng)用變異函數(shù)，冗余分析和空間自相關(guān)分析(Moran`sI指數(shù))等分析方法，定量研究不同剖面層土壤鹽漬化主要參數(shù)的空間變異特征及變化規(guī)律，揭示研究區(qū)土壤含鹽量空間分布規(guī)律，以便為該綠洲水鹽調(diào)控和科學(xué)灌溉提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

渭干河—庫車河三角洲綠洲(以下簡稱渭-庫綠洲)位于塔里木盆地北部，轄阿克蘇地區(qū)的庫車、新和、沙雅3個縣，地理坐標(biāo)東經(jīng)80°37′～83°59′，北緯41°06′～41°40′間(圖1)，是典型的山前沖洪積扇平原，是阿克蘇地區(qū)最大的灌溉區(qū)及新疆重要的產(chǎn)棉區(qū)之一[21]。本綠洲位于中緯度地區(qū)，年均氣溫10.5～11.4 ℃，降水 50.5～66. 5 mm ，年均蒸發(fā)量2 000. 7～2 092. 0 mm，具有氣候干旱，降水稀少，風(fēng)沙頻繁等特點(diǎn)。該區(qū)域?qū)俚湫偷木G洲農(nóng)業(yè)區(qū)，區(qū)域內(nèi)主要有渭干河、庫車河、塔里木河，農(nóng)作物生長全靠灌溉。渭-庫綠洲地下水埋深較淺并且地下水礦化度偏高，土壤質(zhì)地以輕壤和沙壤為主，中壤，重壤，黏土有少量分布，土壤pH值為7.9～8.0，土壤構(gòu)成物顆粒細(xì)，透水性差，因而造成該區(qū)域的土壤的鹽漬化。

圖1 土壤采樣點(diǎn)分布示意圖Fig.1 Distributing of soil sampling site in Ugan-kuqa River

1.2 樣品采集與處理

1.3 研究方法

2 結(jié)果分析

2.1 土壤含鹽量和空間分布特征

對不同剖面的土壤鹽分指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見表1。從變幅來看：土壤剖面中，表層土壤鹽分TS含量的最大值與最小值的差別較大，變幅為69.7 g/kg，而表層以下土層的差別較小，分別為41和35.9 g/kg。表層土壤鹽分的變幅要明顯高于其他兩個土層，隨著土壤深度的增加，鹽分變化幅度減少，呈表聚趨勢。另外，pH值和電導(dǎo)率EC的變幅變化趨勢與鹽分的變幅變化趨勢相似，隨著土壤深度的增加，變化幅度減少，呈表聚趨勢。

表1 土壤含鹽量TS、電導(dǎo)率EC和pH值統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Descriptive statistics of salt contents, EC and PH in soil samples

從含鹽量的平均值來看，研究區(qū)各層土壤鹽分均值存在一定的差異。表層的土壤含鹽量均值較高，為22.21 g/kg，根據(jù)新疆土壤鹽堿化的分級標(biāo)準(zhǔn)[4]，屬于重鹽漬地(鹽分含量大于16.0 g/kg)；中間層和低層的均值分別為4.28和3.48 g/kg，屬于非鹽漬地(鹽分含量小于7.0 g/kg)。整體來看，隨土壤深度的增加含鹽量逐漸減少，呈重鹽漬化到非鹽漬化趨勢，說明研究區(qū)的鹽分分布具有一定的表聚性。各層土壤pH值總體變化不大，從表層開始依次為7.61，7.77，8.03，其中底層的pH值最高。電導(dǎo)率EC的均值從表層開始依次為36 890.41、6 925.76、5 322.5 μS/cm，其中表層的電導(dǎo)率值最高。

從變異系數(shù)來看，研究區(qū)各層土壤鹽分的變異系數(shù)分別為：89.72%、60.03%和64.94%。根據(jù)變異系數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)[28 ](變異系數(shù)<10%為弱變異性；變異系數(shù)10%～100%為中等變異性；變異系數(shù)>100%為強(qiáng)變異性)，各土層鹽分變異系數(shù)均小于100%，屬于中等變異，其中表層土壤鹽分的變異系數(shù)要明顯高于其他兩個土層的變異系數(shù)。造成這種現(xiàn)象的原因在于研究區(qū)地形、土地利用方式的差異，加上人類不合理的灌溉及水分的蒸發(fā)，促使鹽分隨水上移到土壤表層，導(dǎo)致研究區(qū)鹽分表聚強(qiáng)烈。隨著土層深度增加，土壤受這些因素影響減少，導(dǎo)致鹽分變異強(qiáng)度趨弱。各土層土壤pH值的變異系數(shù)分別為：7.62%、5.19%、6.23%，各土層pH值在水平方向上呈弱變異強(qiáng)度，其隨土壤深度而變化的趨勢跟土壤鹽分變化趨勢相似。

對土壤含鹽量的傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分析只在一定程度上反映總體狀況，必然在局部土壤特征上缺少反映，更不能反映土壤鹽分分布的隨機(jī)性和結(jié)構(gòu)性、獨(dú)立性和相關(guān)性。地統(tǒng)計(jì)學(xué)已證明是分析土壤屬性空間分布特征及其變化規(guī)律最為有效的方法之一，因此本文選取地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對研究區(qū)域土壤變異性進(jìn)行分析和探討，其中半方差函數(shù)是研究變異性的關(guān)鍵函數(shù)[29]。

通過半方差函數(shù)擬合參數(shù)可以看出(表2)，表層和中間層鹽分的理論半方差函數(shù)均比較符合球狀(Spherical)模型，而底層鹽分的理論半方差函數(shù)符合高斯模型(Gaussian)，而且除中層土壤含鹽模型的決定系數(shù)低于0.6，其余各模型的決定系數(shù)都超過0.6，表明研究區(qū)表層和底層土壤屬性半方差模型擬合精度普遍較高。各土層含鹽量塊金值C0均為正值，說明存在著由采樣誤差、短距離的變異、隨機(jī)和固有變異引起的各種正基底效應(yīng)。各土層含鹽量的塊金值/基臺值變化分別為50%、54.4%、80.1%，表層和中間層表現(xiàn)為中等的空間相關(guān)性，表明土壤含鹽量的空間變異是內(nèi)在因子(結(jié)構(gòu)性因素，如氣候、母質(zhì)、地形、土壤類型等)和外在因子(隨機(jī)性因素，如施肥、耕作措施、種植制度等各種人為活動)共同作用的結(jié)果；底層土壤表現(xiàn)為弱等的空間相關(guān)性。

本研究中采用普通克里格插值方法，分析土壤中鹽分含量的空間分布格局。由不同土層鹽分的空間分布圖(圖2)看，總體上，研究區(qū)土壤含鹽量東部高于西部，各土層鹽分分布呈現(xiàn)出一定的區(qū)域差異性。與其他兩層相比較, 表層土壤鹽分相對較高，含鹽量較高區(qū)域均分布在研究區(qū)的東北部和東南部以及靠近荒漠土壤中，分布較破碎，其余兩層土壤含鹽量分布比較均勻，以點(diǎn)狀和面狀分布為主。

表2 各土層含鹽量空間變異特征值Tab.2 Spatial feature values of soil salinity in different soil layers

圖2 研究區(qū)各土層含鹽量的空間分布圖(單位：g/kg)Fig.2 Spatial distribution maps of soil salinity for all depth

2.2 土壤鹽分離子分析

圖3 研究區(qū)土壤離子Radial圖Fig.3 Radial figure of soil ions in study area

圖4 研究區(qū)土壤離子組成Durov圖(單位：g/L)Fig.4 Durov figure of soil ions in study area

Wilcox圖，根據(jù)美國農(nóng)業(yè)部(USDA)提出來的背景值來形成的，表示鹽漬化危害與鈉危害之間的關(guān)系，如圖5所示。Wilcox圖的橫坐標(biāo)表示鹽漬化危害度EC(μS/cm)，0～250 μS/cm范圍表示低危害，250～750 μS/cm范圍表示中危害，750～2 250 μS/cm范圍表示重危害，2 250～5 000 μS/cm范圍表示高危害)，縱坐標(biāo)表示鈉危害SAR，SAR線的位置是由以下幾個直線方程決定：

S1y=-1.581 6×10-3x+10.158 16
S2y=-2.295 6×10-3x+18.229 59
S3y=-3.010 2×10-3x+26.301 02

小于S1表示低鈉危害、S2與S2之間是中鈉危害、S2與S3之間是重鈉危害，大于S3是高鈉危害。本研究區(qū)的三層全都落在高鹽漬化危害和高鈉危害范圍，在此范圍內(nèi)危害程度從小到大依次為中間層、底層、表層，說明研究區(qū)的土壤屬于高鹽漬化危害和高鈉危害。

圖5 研究區(qū)土壤含鹽量Wilcox圖Fig.5 Wilcox figure of soil salinity in study area鈉(堿)危害：S1：輕；S2：中；S3：重；S4：高；含鹽量危害：C1：輕；C2：中；C3：重；C4：高

2.3 鹽漬土的冗余分析

圖6 各土層鹽分的RDA排序Fig.6 RDA sort of soil content at different depth

2.4 土壤鹽分的空間自相關(guān)分析

本文局部空間自相關(guān)指標(biāo)Moran散點(diǎn)圖和LISA集聚圖相結(jié)合的方法，進(jìn)行局部空間自相關(guān)分析，結(jié)果如圖7所示。由圖7可見，散點(diǎn)圖定性地區(qū)分出每個格網(wǎng)單元與周圍鄰近單元單含鹽量的相互關(guān)系，研究區(qū)各個土層的空間自相關(guān)系數(shù)Moran`sI均為正，且大于0.9，表明研究區(qū)土壤含鹽量分布空間相關(guān)性較高；在變化趨勢上,Moran`sI指數(shù)最高是低層(Moran`sI=0.972)，其次為表層(Moran`sI=0.945)，最低是中間層(Moran`sI=0.93)。研究區(qū)域土壤含鹽量散點(diǎn)主要分布在第一和第三象限，第二和第四象限散點(diǎn)分布較少，說明研究區(qū)土壤含鹽量的空間分布并非表現(xiàn)出完全隨機(jī)性，而是表現(xiàn)出空間相似值之間的空間聚集，即土壤含鹽量較高的區(qū)域趨于和土壤含鹽量較高的區(qū)域相鄰，土壤含鹽量較低的區(qū)域也趨于和土壤含鹽量較低的相鄰；全部土層第一和第三象限的分布較為集中，表明在土壤含鹽量較高的區(qū)域和較低的區(qū)域各格網(wǎng)間差異不大。

圖7 研究區(qū)各土層土壤含鹽量的Moran 散點(diǎn)圖Fig.7 Moran scatter of soil salinity in soil depth in research area

鑒于Moran散點(diǎn)圖不能判斷各區(qū)域的局部相關(guān)類型及其聚集區(qū)是否在統(tǒng)計(jì)意義上顯著，利用Geode生成聚集圖LISA (圖8)，旨在更為直觀的觀察研究區(qū)域土壤含鹽量的空間分布情況。觀察圖8可知，研究區(qū)土壤含鹽量較高的區(qū)域和土壤含鹽量較低的區(qū)域呈現(xiàn)出兩極集聚，這進(jìn)一步印證了Moran`s I散點(diǎn)圖所揭示的研究區(qū)土壤含鹽量的空間相關(guān)性。研究區(qū)土壤含鹽量高值聚集區(qū)隨土層的深度而逐漸集中并向研究區(qū)西部移動，低值區(qū)主要集中在隨土層的深度逐漸分散并從渭干河上游向渭干河下游移動，這類區(qū)域在空間范圍上呈連片連綿趨勢，空間分布格局上基本保持穩(wěn)定[29]。研究區(qū)沒有出現(xiàn)高低聚集區(qū)和低高集聚區(qū)。

圖8 研究區(qū)各土層土壤含鹽量LISA聚集圖Fig.8 The LISA cluster graph of soil salinity in soil depth in research area

3 結(jié)論及討論

通過本文的研究，可以得出以下結(jié)論：

(1)研究區(qū)域表層(0～10 cm)土壤含鹽量均值較高，為22.21 g/kg，屬于重鹽漬地；呈由西北至東南逐漸升高趨勢；中間層(10～30 cm)均值為4.28 g/kg屬于非鹽漬地，鹽分從周圍到中間逐漸升高趨勢；底層(30～50 cm)的土壤含鹽量，大部分屬于非鹽漬土，均值為3.48 g/kg，由西北之東南逐漸降低趨勢。整體來看，隨土壤深度的增加含鹽量逐漸減少，呈重鹽漬化到非鹽漬化趨勢，說明研究區(qū)的鹽分分布具有一定的表聚性。

(2)各土層含鹽量的塊金值/基臺值變化分別為50%，54.4%，80.1%，表層和中間層表現(xiàn)為中等的空間相關(guān)性，表明土壤鹽分的空間變異是內(nèi)在因子和外在因子共同作用的結(jié)果；底層土壤表現(xiàn)為弱等的空間相關(guān)性。

(5)研究區(qū)各個土層的空間自相關(guān)系數(shù)Moran`s I均為正，且大于0.9，表明研究區(qū)土壤含鹽量分布空間相關(guān)性較高；在變化趨勢上，Moran`sI指數(shù)最高是低層(Moran`sI=0.972)，其次為表層(Moran`sI=0.943)，最低是中間層(Moran`sI=0.93)；研究區(qū)土壤含鹽量較高的區(qū)域和土壤含鹽量較低的區(qū)域呈現(xiàn)出兩極集聚，這進(jìn)一步印證了Moran`sI散點(diǎn)圖所揭示的研究區(qū)土壤含鹽量的空間相關(guān)性。

從研究結(jié)果可以看出，表層土壤含鹽量均呈由西北至東南逐漸升高趨勢，屬于鹽漬地，反映渭干河流域，庫車河以及研究區(qū)的特殊地形特征對土壤鹽漬化格局的影響，體現(xiàn)渭-庫綠洲土壤含鹽量高的特點(diǎn)。另外，中間層從周圍到中間逐漸減弱趨勢，底層的土壤含鹽量由西北之東南逐漸降低趨勢，大部分屬于非鹽漬土，這與馬成霞[36]對該渭-庫綠洲土壤鹽漬化研究獲得的結(jié)論基本一致。

需要說明的是，雖然本研究采用多種統(tǒng)計(jì)分析方法比較好地反映了研究區(qū)土壤鹽分在空間上的聚集規(guī)律、關(guān)聯(lián)模式等分布特征[31-37]，但仍存在許多問題需要進(jìn)一步研究和探討。例如，土壤鹽漬化是一定的氣候、地形、水文地質(zhì)等自然條件共同對水鹽運(yùn)動產(chǎn)生影響的結(jié)果。本研究對鹽漬化影響因素的分析缺乏定量化，需待進(jìn)一步提高。另外，由于資料限制，本研究只對研究區(qū)域鹽漬化土壤的空間變化進(jìn)行了較為詳細(xì)分析，但是對于時間變化特征缺乏研究，今后需要加強(qiáng)土壤鹽漬化動態(tài)監(jiān)測研究。

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