內(nèi)蒙古河套灌區(qū)土壤性質(zhì)空間變異性分析
——以解放閘灌域和永濟(jì)灌域?yàn)槔?/h1>

2021-02-14 11:17:00李煥弟萬核洋齊泓瑋

水資源與水工程學(xué)報訂閱 2021年6期 收藏

關(guān)鍵詞：土壤質(zhì)地粉砂壤土

李煥弟， 李 江,， 劉 永， 朱 婷， 萬核洋， 齊泓瑋

( 1.河海大學(xué) 農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇 南京 211000； 2.清華大學(xué) 水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100084； 3.金華市水利水電勘測設(shè)計院有限公司 浙江 金華 321000)

1 研究背景

內(nèi)蒙古自治區(qū)河套灌區(qū)是我國重要的商品糧油生產(chǎn)基地[1-2]，是典型的人工農(nóng)業(yè)綠洲[3]，保障灌區(qū)糧食的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，穩(wěn)步推動綠洲農(nóng)業(yè)生態(tài)的協(xié)調(diào)發(fā)展是重中之重。農(nóng)田土壤作為影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要因子，是農(nóng)作物賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)。土壤是時空連續(xù)的變異體，農(nóng)田土壤變量的空間特性研究是推動精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展的動力[4-6]，對于維護(hù)糧食安全，促進(jìn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義[7]。

土壤的空間變異性是一種自然特性[8]，土壤顆粒、水分、有機(jī)質(zhì)、鹽分等的空間變異性是影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及農(nóng)田精準(zhǔn)化管理的重要因素，因此，土壤性質(zhì)的空間變異研究已成為土壤科學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題之一[9-12]。經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)和地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)是土壤空間變異及分布規(guī)律的常用研究方法[9,13]。結(jié)合經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)及地統(tǒng)計學(xué)理論，張娜等[14]對內(nèi)蒙古河套灌區(qū)解放閘灌域進(jìn)行土壤質(zhì)地空間變異性分析，發(fā)現(xiàn)土壤各粒徑的空間變異性主要是由其結(jié)構(gòu)性因素(母質(zhì)、氣候、地形等)所決定。劉繼龍等[15]基于傳統(tǒng)統(tǒng)計學(xué)和多重分形方法，分析了東北黑土區(qū)農(nóng)田田間持水率的空間變異特性，指出該研究區(qū)田間持水率呈多重分形特征，空間變異程度為弱變異，為黑土區(qū)土壤水分管理及調(diào)控提供了理論依據(jù)。張若曦等[16]應(yīng)用地統(tǒng)計學(xué)Kriging插值法來描述水力侵蝕條件下土壤有機(jī)碳的空間動態(tài)遷移過程。祁連山南坡在不同土地利用方式下的土壤含水量、有機(jī)質(zhì)、電導(dǎo)率具有中等空間變異性，土壤pH具有弱空間變異性[17]。張志華等[18]揭示了土壤總?cè)葜亍⒌[石含量、植被覆蓋度、土壤含水量是影響太行山南麓土壤碳氮空間變異的主要因素。

前人針對河套灌區(qū)土壤質(zhì)地[14]、土壤水分[19]、鹽分[20]的空間變異性已進(jìn)行相關(guān)研究，但對于灌區(qū)較大采樣尺度上的土壤性質(zhì)空間變異性研究較少。鑒于此，本文應(yīng)用經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)與地統(tǒng)計學(xué)方法研究內(nèi)蒙古自治區(qū)河套灌區(qū)解放閘灌域和永濟(jì)灌域在2018年春季、2019年秋季的土壤水分、鹽分以及質(zhì)地等的空間變異性，揭示其空間分布規(guī)律，以期為該灌區(qū)乃至整個西北地區(qū)的農(nóng)業(yè)節(jié)水、中低產(chǎn)農(nóng)田的改造和治理提供理論參考。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

內(nèi)蒙古自治區(qū)河套灌區(qū)位于黃河流域上游(北緯40°12′～41°20′，東經(jīng)106°10′～109°30′)，是我國第三大灌區(qū)，灌區(qū)面積為17 283 km2。灌區(qū)行政區(qū)包括磴口、杭錦后旗、臨河、五原和烏拉特前旗5個區(qū)縣，分為5大灌域(烏蘭布和灌域、解放閘灌域、永濟(jì)灌域、義長灌域、烏拉特灌域)。解放閘灌域和永濟(jì)灌域位于河套灌區(qū)的中西部，本文選取解放閘灌域和永濟(jì)灌域中的杭錦后旗和臨河區(qū)作為研究區(qū)域，對其進(jìn)行土壤采樣調(diào)查。研究區(qū)面積為5 513.56 km2，占河套灌區(qū)面積的24%以上，其中農(nóng)業(yè)用地占51%，林、草地占25%，水域面積占2%，8%為裸地，城鄉(xiāng)居民用地占14%。研究區(qū)地處典型的大陸性氣候區(qū)，2012-2016年的年平均氣溫為7.5～9.1 ℃，年平均降水量為160 mm，年均蒸發(fā)皿(20 cm蒸發(fā)皿)蒸發(fā)量為2 000 mm。研究區(qū)位置及土壤采樣點(diǎn)分布圖見圖1。

圖1 研究區(qū)地理位置及土壤采樣點(diǎn)分布

2.2 采樣點(diǎn)分布與采樣方法

2.2.1 采樣點(diǎn)分布 本文使用的數(shù)據(jù)采樣時間為2018年5月和2019年9月，所有采樣點(diǎn)分布于農(nóng)田內(nèi)，利用手持GPS定位采樣點(diǎn)的經(jīng)緯度。2018年采樣點(diǎn)共計59個(圖1)，其中分布于臨河區(qū)37個，杭錦后旗縣22個；2019年采樣點(diǎn)共計40個(圖1)，其中臨河區(qū)24個，杭錦后旗縣16個。

2.2.2 采樣方法 (1)土壤含水率和電導(dǎo)率。采用TRIME Pico64/32[21]測定采樣點(diǎn)表層土壤(0～20 cm)的含水率及電導(dǎo)率。測量時，將儀器探針插入采樣點(diǎn)表層，直接讀取該采樣點(diǎn)的土壤含水率及電導(dǎo)率。(2)土壤質(zhì)地。利用激光粒度分析儀[22]測定采樣點(diǎn)表層土壤的機(jī)械組成，根據(jù)美國農(nóng)業(yè)部土壤質(zhì)地分類法，利用土壤顆粒級配對土壤質(zhì)地類型進(jìn)行分類，將其分為黏土、砂質(zhì)黏土、砂質(zhì)黏壤土、砂質(zhì)壤土、壤質(zhì)砂土、砂土、壤土、黏壤土、粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏壤土、粉砂壤土、粉砂土。

2.3 數(shù)據(jù)處理及分析方法

利用SPSS20.0對土壤水分、電導(dǎo)率以及土壤顆粒進(jìn)行描述性統(tǒng)計特征分析。利用ArcGIS中GeoStatistic Analyst模塊完成土壤水分及電導(dǎo)率的Kriging插值。在ArcGIS軟件中通過泰森多邊形(Voronoi diagram)功能完成土壤質(zhì)地的空間分布研究。

Kriging插值法是以變異函數(shù)理論和結(jié)構(gòu)分析為基礎(chǔ)，對采樣點(diǎn)的區(qū)域化變量進(jìn)行無偏最優(yōu)估值的一種插值方法[23]，其原理是空間距離相關(guān)和方向相關(guān)，在數(shù)學(xué)上被證明是空間分布數(shù)據(jù)局部最優(yōu)線性無偏估計技術(shù)，即估計值的數(shù)學(xué)期望等于理論值，估計的平均誤差為0，最優(yōu)是指估計的誤差方差最小。泰森多邊形是對空間平面的一種劃分方法，利用檢測站點(diǎn)數(shù)據(jù)代表觀測區(qū)域的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)從點(diǎn)到面的轉(zhuǎn)換[24-25]。該方法的計算步驟可簡單描述為：首先連接相鄰采樣點(diǎn)，將研究區(qū)劃分為若干個三角形，然后在采樣點(diǎn)的周圍劃分三角形邊的中垂線，從而形成若干個泰森多邊形。使用ArcGIS軟件中的“ArcToolbox”泰森多邊形功能對研究區(qū)土壤質(zhì)地進(jìn)行空間插值。

3 結(jié)果與分析

3.1 采樣結(jié)果統(tǒng)計分析

2018、2019年研究區(qū)各采樣點(diǎn)樣本數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析結(jié)果見表1。由表1可見，研究區(qū)內(nèi)各采樣點(diǎn)土壤含水率在17.33%～47.27%之間，電導(dǎo)率在2.17～4.79 mS/cm之間，砂粒含量范圍為14.50%～100.00%，粉粒含量范圍為0～71.00%之間，黏粒含量范圍為0～29.50%之間，各數(shù)據(jù)變異系數(shù)為12%～50%。2018年土壤含水率平均值為28.79%，電導(dǎo)率為3.33 mS/cm，高于2019年的土壤含水率均值和電導(dǎo)率均值；各土壤粒徑含量中，除砂粒含量2018年均值低于2019年，其余均高于2019年。

表1 2018、2019年研究區(qū)各采樣點(diǎn)樣本數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析結(jié)果

2019年土壤含水率的變異系數(shù)略小于2018年，表明2019年的土壤含水率變異程度小于2018年，但無較大差異，說明研究區(qū)內(nèi)土壤含水率在播種前(2018年春季)與次年收獲后(2019年秋季)空間變異性不大。2019年秋季電導(dǎo)率和土壤各粒徑含量的變異系數(shù)均高于2018年春季，其中2018年春季與2019年秋季的電導(dǎo)率變異系數(shù)相差不大，而2019年秋季土壤粒徑含量變異系數(shù)則明顯高于2018年春季，表明2019年電導(dǎo)率與土壤粒徑含量的變異程度大于2018年，其中土壤粒徑中黏粒含量的變異程度最大。2019年土壤粒徑含量較2018年變異程度大的原因可能是：2018年采樣時間為春季作物播種前，而2019年采樣時間為秋季作物收獲后，農(nóng)田土壤粒徑經(jīng)過一期作物生長后可能受耕地、施肥、機(jī)械化收獲等影響而產(chǎn)生了變化。根據(jù)相關(guān)研究，變異系數(shù)CV等級劃分[26]為：CV<10%為弱變異性，10%100%為強(qiáng)變異性，變異系數(shù)越大，則其空間分布越不均勻，受外界因素影響程度越高，由此可知，本研究區(qū)內(nèi)土壤含水率、電導(dǎo)率以及粒徑含量具有中等空間變異性。

3.2 不同土質(zhì)條件下含水率及電導(dǎo)率分析

2018年春季的采樣點(diǎn)土質(zhì)分布為：黏壤土1個、粉砂壤土20個、壤土24個、砂壤土14個；2019年秋季的采樣點(diǎn)土質(zhì)分布為：粉質(zhì)黏壤土1個、粉砂壤土10個、壤土18個、砂壤土6個、砂土5個。圖2為根據(jù)采樣點(diǎn)土壤質(zhì)地類型得到的不同土質(zhì)條件下的土壤含水率及電導(dǎo)率。

由圖2可以看出，2018年各類土質(zhì)土壤含水率表現(xiàn)為：粉砂壤土>壤土>砂壤土>黏壤土，平均值變化范圍在19.67%～30.48%之間，砂壤土和黏壤土各取樣點(diǎn)的土壤含水率變化較小，這可能是研究區(qū)內(nèi)砂壤土和黏壤土分布面積較小、其取樣點(diǎn)數(shù)量較少導(dǎo)致的；2019年不同土質(zhì)條件下的含水率變化不大，平均含水率為27.72%。對于不同土質(zhì)，2018和2019年均表現(xiàn)為壤土的土壤含水率變化范圍最大，其中2018年在17.33%～47.27%之間、2019年在18.12%～34.04%之間，而2018和2019年土壤含水率變化最小的分別為黏壤土和粉質(zhì)黏壤土，原因可能是采樣樣本數(shù)量對空間變異性影響較大，壤土的采樣樣本最多，則其空間變異性最大。

圖2 2018、2019年研究區(qū)不同土質(zhì)條件下的土壤含水率及電導(dǎo)率

2018、2019年土壤電導(dǎo)率的變化情況與土壤含水率變化情況類似。2018年不同土質(zhì)的電導(dǎo)率平均值波動范圍為2.79～3.39 mS/cm，平均值為3.33 mS/cm；2019年不同土質(zhì)的電導(dǎo)率波動值變化不大，平均電導(dǎo)率為3.22 mS/cm，小于2018年的土壤電導(dǎo)率平均值。另外，不同取樣時間對土壤電導(dǎo)率波動性影響較大，2018年春季以壤土的電導(dǎo)率波動最大，范圍在2.17～3.94 mS/cm；2019年秋季以粉砂壤土的電導(dǎo)率波動最大，范圍在2.43～4.79 mS/cm。同種土質(zhì)條件下土壤含水率以及電導(dǎo)率在不同采樣時間之間的變異性因兩年之間的采樣點(diǎn)數(shù)量及分布的不同而有所差異。

3.3 空間插值結(jié)果及分析

采用泰森多邊形方法對研究區(qū)的土壤質(zhì)地進(jìn)行空間插值，得到2018、2019年土壤質(zhì)地的空間分布圖，插值結(jié)果如圖3所示。分析圖3可知，2018年不同質(zhì)地的土壤所占面積分別為：粉砂壤土2 166 km2、壤土2 008 km2、砂壤土1 256 km2、黏壤土84 km2，可見2018年春季研究區(qū)內(nèi)土質(zhì)以粉砂壤土和壤土為主，兩種土壤的面積占研究區(qū)總面積的76%。從不同土質(zhì)的分布區(qū)域來看，黏壤土分布在研究區(qū)的東北部，砂壤土主要分布在研究區(qū)西南部，其余類型土壤零星分布在研究區(qū)內(nèi)。2019年不同質(zhì)地的土壤所占面積分別為：壤土2 485 km2、粉砂壤土1 498 km2、砂土716 km2、砂壤土714 km2、粉質(zhì)黏壤土100 km2。與2018年相似，2019年秋季研究區(qū)內(nèi)土質(zhì)以壤土和粉砂壤土為主，占研究區(qū)總面積的72%。不同土質(zhì)分布區(qū)域較2018年有所變化，其中粉質(zhì)黏壤土分布在研究區(qū)的南部，砂壤土主要分布在研究區(qū)的中部，砂土分布在研究區(qū)的西部與東部?？傊?，2018與2019年的土壤質(zhì)地類型總體變化不大，2019年秋季土質(zhì)較2018年春季具有更強(qiáng)的多樣性。

圖3 2018、2019年研究區(qū)土壤質(zhì)地空間分布

采用普通Kriging方法對2018、2019年研究區(qū)內(nèi)采樣點(diǎn)的土壤含水率、土壤電導(dǎo)率進(jìn)行插值分析。圖4為2018、2019年研究區(qū)土壤的含水率和電導(dǎo)率空間分布圖。圖4顯示，兩種指標(biāo)的空間分布規(guī)律一致，呈現(xiàn)以采樣點(diǎn)為中心向四周輻射擴(kuò)散分布。2018年研究區(qū)土壤總體含水率高于2019年，但2018年與2019年的土壤含水率空間分布狀況類似，均表現(xiàn)為西北部高于東南部。電導(dǎo)率的空間變異性小于土壤含水率的空間變異性，且2018年春季土壤含水率及電導(dǎo)率的空間變異性小于2019年秋季兩者的空間變異性。

圖4 2018、2019年研究區(qū)土壤的含水率和電導(dǎo)率空間分布

土壤水分以及電導(dǎo)率受多因素的影響。首先，取樣時間的不同會增加其空間變異性，2018、2019年的取樣時間分別為5、9月，春季、秋季兩個時段氣象條件差別較大，會對土壤的水分以及鹽分遷移產(chǎn)生較大影響，造成土壤水分以及鹽分分布的差異[27]。其次，根據(jù)調(diào)查顯示，2018年取樣時間為玉米、番茄等作物的播種前期，地表情況主要以農(nóng)田覆膜播種為主；2019年取樣時間為作物收獲后，部分田面翻耕，土壤結(jié)構(gòu)疏松，提高了土壤水分蒸發(fā)強(qiáng)度[28]，這可能是導(dǎo)致2018與2019年土壤性質(zhì)差異性的重要原因。

4 討 論

對研究區(qū)2018、2019年土壤質(zhì)地、含水率和電導(dǎo)率進(jìn)行統(tǒng)計分析以及空間插值，結(jié)果表明，土壤含水率、電導(dǎo)率以及粒徑含量的變異系數(shù)CV值均介于10%～100%之間，屬中等空間變異。所研究的2個年份中，研究區(qū)土壤質(zhì)地類型有所差異，2018年主要為粉砂壤土、壤土、砂壤土和黏壤土，2019年主要為壤土、粉砂壤土、砂土、砂壤土和粉質(zhì)黏壤土。一方面可能是因?yàn)椴蓸狱c(diǎn)的數(shù)量以及采樣點(diǎn)的隨機(jī)性對土質(zhì)分布及多樣性產(chǎn)生了影響；另一方面，2018年采樣時間為春季播種前，而2019年為秋季作物收獲后，兩個時間段農(nóng)田表層土壤結(jié)構(gòu)會略有不同，土壤結(jié)構(gòu)的差異會引起土壤顆粒組成的差異，造成兩個采樣年份間土質(zhì)空間分布的差異。2018年研究區(qū)土壤電導(dǎo)率平均值較2019年高，與李慧等[29]的研究結(jié)果相似。這可能是由于冬季凍融作用會促進(jìn)土壤鹽分的重分布[28]，春季消融期內(nèi)，蒸發(fā)強(qiáng)度增加，土壤鹽分向表層土壤聚集[29]，而2019年在農(nóng)作物收獲時期采樣，作物生育期內(nèi)的多次灌水會使表層鹽分在水流入滲作用下向深層土壤運(yùn)動，一定程度上降低了表層土壤的鹽分，同時灌水的不均勻性也會導(dǎo)致不同取樣點(diǎn)鹽分的差異。

本研究對2018～2019年解放閘灌域和永濟(jì)灌域的土壤性質(zhì)空間變異性進(jìn)行了初步探究，但未對其影響因素進(jìn)行剖析，而土壤性質(zhì)的空間變異性受地形地貌、土壤自身的高異質(zhì)性、自然因素和人類活動等多種因素的影響[30]。因此，對土壤性質(zhì)尤其是土壤性質(zhì)差異成因進(jìn)行深入的探討和分析、綜合考慮多種影響因素來明晰土壤性質(zhì)的空間變異性是今后研究的重點(diǎn)。

5 結(jié) 論

通過對內(nèi)蒙古自治區(qū)河套灌區(qū)解放閘灌域和永濟(jì)灌域2018年春季和2019年秋季的土壤水分、土壤電導(dǎo)率以及土壤質(zhì)地的空間變異性及空間分布規(guī)律進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：

(1)經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)分析結(jié)果表明，2018和2019年所研究的兩個灌區(qū)內(nèi)土壤含水率和電導(dǎo)率的變異系數(shù)無明顯差異，2019年土壤粒徑含量變異系數(shù)明顯高于2018年，2018和2019年的土壤水分、電導(dǎo)率以及土壤粒徑含量均呈現(xiàn)中等變異性，變異性主要受取樣時間、取樣點(diǎn)的隨機(jī)性以及農(nóng)田地表情況等因素的影響。

(2)不同取樣時間土壤質(zhì)地存在差異，2018年春季土壤質(zhì)地類型主要有粉砂壤土、壤土、砂壤土以及黏壤土，2019年秋季土壤質(zhì)地類型主要有壤土、粉砂壤土、砂土、砂壤土以及粉質(zhì)黏壤土，秋季較春季具有更強(qiáng)的土壤多樣性。研究區(qū)以壤土和粉砂壤土為主，占研究區(qū)面積的72%～76%，其他土壤質(zhì)地零星分布其中。

(3)研究區(qū)域內(nèi)的土壤含水率、電導(dǎo)率均表現(xiàn)為以采樣點(diǎn)為中心向四周輻射擴(kuò)散分布，其中土壤含水率表現(xiàn)為西北部高于東南部，以壤土的土壤含水率變化最大；而電導(dǎo)率空間變異性較小，表現(xiàn)為2018年春季壤土變化最大，2019年秋季粉砂壤土變化最大。

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