基于地統(tǒng)計分析的河套灌區(qū)土壤水鹽空間變異規(guī)律分析

劉燕楠，孫貫芳，毛威，成蕭堯，朱焱，楊金忠

基于地統(tǒng)計分析的河套灌區(qū)土壤水鹽空間變異規(guī)律分析

劉燕楠1，孫貫芳2，毛威1，成蕭堯3，朱焱1，楊金忠1*

（1.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430072；2.西北農(nóng)林科技大學 水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；3.中國市政工程中南市政設(shè)計研究總院有限公司，武漢 430101）

【目的】研究干旱鹽漬化灌區(qū)不同深度土壤水分和鹽分的空間變異規(guī)律。【方法】以內(nèi)蒙古河套灌區(qū)隆勝井渠結(jié)合區(qū)為研究區(qū)，通過野外取樣和實驗室分析結(jié)合，應(yīng)用經(jīng)典統(tǒng)計學和地統(tǒng)計學方法研究了根系層（0～60 cm）及深層土壤（60～120、120～180 cm）土壤含水率和含鹽量的空間變異性、空間格局及二者之間的關(guān)系，并探究了地下水埋深和地下水礦化度對土壤含鹽量的影響?！窘Y(jié)果】①土壤含水率在垂向上大小關(guān)系為0～60 cm<60～120 cm<120～180 cm，土壤含鹽量為0～60 cm>60～120 cm>120～180 cm。土壤含水率和含鹽量的變異系數(shù)和塊金系數(shù)自上而下逐層減小，變程逐層增大。根系層的土壤含水率和含鹽量均具有中等程度的空間相關(guān)性，深層土壤含水率和含鹽量的空間相關(guān)性較強。②各層土壤含水率的變異系數(shù)和塊金系數(shù)小于土壤含鹽量，變程大于土壤含鹽量，二者之間的空間格局存在顯著的正相關(guān)關(guān)系。③研究區(qū)各層土壤含鹽量均與地下水埋深呈指數(shù)相關(guān)關(guān)系，與地下水礦化度呈冪函數(shù)關(guān)系。當?shù)叵滤裆畲笥?.5 m時，總體土壤含鹽量較低，且各層含鹽量變化較小。【結(jié)論】研究區(qū)土壤鹽分呈表聚型，其空間特征和分布格局與土壤含水率有著密切的關(guān)系。調(diào)控地下水埋深是灌區(qū)控制土壤鹽漬化的關(guān)鍵措施，為有效控制土壤鹽漬化，建議地下水埋深控制在2.5 m以下。

河套灌區(qū)；土壤水鹽；地統(tǒng)計學；空間變異；地下水環(huán)境

0 引言

【研究意義】全球有100多個國家面臨土壤鹽漬化問題，土壤鹽漬化面積占世界陸地面積的6%以上[1]。在干旱和半干旱地區(qū)，近50%的灌溉土地存在一定程度的土壤鹽漬化問題[2]。土壤鹽漬化導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力顯著下降，嚴重制約著灌區(qū)的生態(tài)安全和可持續(xù)發(fā)展。土壤含鹽量受氣候、土質(zhì)、地下水環(huán)境等自然因素及耕作、灌溉排水等人類活動的共同影響，具有高度的空間變異性，其精確預(yù)測和治理的難度較高。因此，有必要明確土壤含鹽量的空間變異規(guī)律，探明其主要影響因素，為灌區(qū)土壤鹽漬化防治提供理論依據(jù)?！狙芯窟M展】國內(nèi)外學者利用地統(tǒng)計學方法研究了不同區(qū)域、不同時間、不同深度的土壤含鹽量的空間分布特征，并取得了一系列成果。Wang等[3]利用地統(tǒng)計學和Lorenz曲線方法，確定了三工河流域表層土壤（0～20 cm）含鹽量累積的空間特征與格局。Xie等[4]運用地統(tǒng)計學和近端感應(yīng)電磁法相結(jié)合的方法分析了長江口2006—2017年表層土壤含鹽量的時空變異特征，發(fā)現(xiàn)土壤含鹽量隨著與海洋和河流距離的減小而逐漸增加。劉洪波等[5]揭示了新疆第二師31團灌區(qū)的春季不同深度土層（0～20、20～40、80～100 cm）的土壤含鹽量以及鹽基離子的空間特征，結(jié)果表明不同深度土層土壤含鹽量及其空間變異性不同。婁婷等[6]在分析河套灌區(qū)典型灌域夏灌前后0～15 cm土層的土壤含鹽量和地下水埋深空間變異特征的基礎(chǔ)上，得出土壤含鹽量隨地下水埋深增大而減小的結(jié)論。張雪等[7]認為隨土層深度的增加，孔雀河流域土壤含鹽量逐漸降低，其空間相關(guān)性逐漸增大?！厩腥朦c】已有的研究結(jié)果肯定了地統(tǒng)計學在揭示土壤含鹽量的空間變異規(guī)律方面的可行性，但是目前的研究大多只關(guān)注土壤含鹽量的空間變異，同時研究不同深度土壤含水率和含鹽量的空間變異特征及相互關(guān)系，并探究地下水埋深及礦化度對土壤含鹽量的影響的報道較少?！緮M解決的關(guān)鍵問題】以內(nèi)蒙古河套灌區(qū)隆勝試驗區(qū)為研究區(qū)，通過野外監(jiān)測試驗，應(yīng)用地統(tǒng)計學方法和GIS技術(shù)，分析了不同深度土壤含水率和含鹽量的空間分布規(guī)律及相關(guān)關(guān)系，進一步分析地下水埋深和地下水礦化度對土壤含鹽量的影響，為干旱區(qū)土壤鹽漬化防控提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

隆勝試驗區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市河套灌區(qū)永濟灌域內(nèi)（107°28′E—107°32′E，40°51′E—107°32′E），地理位置如圖1所示，試驗區(qū)西起永濟干渠，東至東濟支渠，北為永剛分干溝，南臨永剛分干渠，西南至東北方向長約為15.5 km，西北至東南方向?qū)捈s為8.0 km，總控制面積8 219.75 hm2，灌溉面積5 560 hm2，海拔1 029～1 043 m。

研究區(qū)屬于溫帶大陸氣候，干燥少雨，光照時間長，蒸發(fā)強烈，多年平均日照時間3 229.9 h，主要種植作物有玉米、葵花和瓜菜等。研究區(qū)鄰近臨河氣象站，年均降雨量148.87 mm（1991—2013年），主要集中在5—9月作物生育期，1957—2013年多年平均蒸發(fā)量（20 cm蒸發(fā)皿）為2 291.1 mm，年蒸發(fā)量是年降水量的15.4倍，屬于典型的無灌溉即無農(nóng)業(yè)的地區(qū)[8]。試驗區(qū)土壤質(zhì)地主要為壤土和砂土插花分布，表層基本為壤土，土壤體積質(zhì)量1.45～1.55 g/cm3，120 cm以下以砂土為主，大部分區(qū)域的地下水礦化度<3.0 g/L，年均地下水埋深1.88 m[9]。

1.2 采樣點布設(shè)與數(shù)據(jù)測定

1）采樣點布設(shè)。在試驗區(qū)內(nèi)布置17口地下水觀測井和40個土壤水鹽采樣點，涵蓋荒地、番茄地、葫蘆地、葵花地和玉米地（見圖1）。取樣時間為2020年4月末，以手持全球定位系統(tǒng)（GPS）測定實地坐標，采樣深度從表層到180 cm（或至地下水位），每20 cm為1層，共9層（0～20、20～40、40～60、60～80、80～100、100～120、120～140、140～160 cm和160～180 cm）。每個采樣點重復(fù)2次，重復(fù)的均值作為該采樣點的實測結(jié)果，共采集土壤樣本數(shù)據(jù)710個。

2）數(shù)據(jù)測定。采用烘干法測定土壤含水率[10]，同步測量土壤含鹽量，研磨的風干土樣過2 mm篩后利用電導(dǎo)率儀（上海雷磁電導(dǎo)率儀DDSJ-308F）測試土水比為1∶5的土壤浸提液的電導(dǎo)率，并根據(jù)換算公式計算土壤含鹽量[9]。

圖1 隆勝研究區(qū)和采樣點分布示意

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

1）半方差函數(shù)

本文采用地統(tǒng)計學方法研究土壤含水率和含鹽量的空間變異性。半方差函數(shù)是地統(tǒng)計學的基本工具[11-12]，以采樣點之間方差的一半表征區(qū)域化變量的空間變異結(jié)構(gòu)，表達式如式（1）：

式中：()為滯后距離，等于點的對數(shù)；(x)為點x處變量的實測值；(x+h)為與點x偏離處變量的實測值。本文中的半方差函數(shù)采用高斯模型進行擬合，如式（2）：

式中：為滯后距離；為拱高；0為塊金值；0+為基臺值；為變程，表示空間變量的最大相關(guān)距離。通常采用塊金系數(shù)0/0+表示隨機變異（灌溉、施肥、耕作等人為活動）占總變異的大小，一般認為0/0+<0.25時，變量的空間相關(guān)性強；0/0+在0.25～0.75時，變量的空間相關(guān)性中等；0/0+>0.75時，變量的空間相關(guān)性弱；如果該比值接近1，則說明該變量在整個尺度上的變異幾乎是隨機的。

半方差函數(shù)的擬合精度采用決定系數(shù)2以及殘差平方和RSS來表征，其中2取值在0～1之間，該值越大說明擬合效果越好；RSS表示剩余誤差，該值越小模型的模擬效果越好。

2）普通克里金插值

克里金插值是地統(tǒng)計中最為常用的插值法，利用原始數(shù)據(jù)和半方差函數(shù)的結(jié)構(gòu)性，實現(xiàn)區(qū)域變量的最優(yōu)無偏估計[13]。本文使用克立金家族中最常用的普通克里金來插值得到研究區(qū)土壤含水率和含鹽量的空間分布情況。假設(shè)估計點0的鄰域內(nèi)共有個測點，即1,2,…,2，普通克里金插值公式如式（3）：

式中：(x)為估計點0附近選擇進行克里金插值的觀測值；Z(0)為0處的克里金估計值；為第個觀測值對估計點0的權(quán)重，由半方差函數(shù)建立的克里金方程組求得[14]。

3）Pearson相關(guān)分析

Pearson相關(guān)系數(shù)表示2組數(shù)據(jù)之間的相關(guān)程度，計算如式（4）：

表1 土壤含水率和含鹽量的統(tǒng)計特征值

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤含水率和含鹽量的地統(tǒng)計特征

土壤含水率和含鹽量按照每60 cm為1層，分3層（0～60、60～120 cm和120～180 cm）進行研究，其統(tǒng)計特征值如表1所示。一般認為，變異系數(shù)小于等于0.1時為弱變異性，0.1～1為中等變異性，大于1為強變異性[15]。0～60、60～120、120～180 cm土壤含水率的均值分別為0.220、0. 253、0.259 g/g，逐層增加；土壤含鹽量均值分別為1.430、1.036、0.876 g/kg，逐層減小。根系層（0～60 cm）土壤含鹽量分別是深層土壤（60～120、120～180 cm）含鹽量的1.38倍和1.63倍，屬于典型的蒸發(fā)型土壤鹽分剖面[16]。各層土壤含水率的變異系數(shù)分別為0.209、0.142、0.133，均呈中等變異；土壤含鹽量的變異系數(shù)分別為1.217、0.745、0.516，除根系層（0～60 cm）為強變異外，深層土壤（60～120、120～180 cm）均處在中等變異程度。土壤含水率和含鹽量的變異系數(shù)逐層減小，說明土壤水鹽的空間變異性隨土壤深度的增加而減小，主要原因可能是導(dǎo)致土壤含水率和含鹽量空間變異的因素（如氣候、地形和人為活動等）隨著深度的增加其影響減小[7,17]。此外，同一深度土壤含鹽量的變異系數(shù)明顯大于土壤含水率的變異系數(shù)，表明土壤含鹽量的空間變異強于土壤含水率[18]。

表2 土壤含水率和含鹽量的理論擬合模型及特征參數(shù)

土壤含水率的峰度系數(shù)變化范圍為0.618～1.668，偏度均小于0，數(shù)據(jù)略向左側(cè)拖尾，經(jīng)單樣本K-S正態(tài)檢驗，僅根系層（0～60 cm）土壤含水率不符合正態(tài)分布（=0.004<0.05），深層土壤含水率均呈正態(tài)分布（>0.05）；土壤含鹽量的峰度系數(shù)變化范圍為2.710～21.454，偏度變化范圍為1.697～4.245，數(shù)據(jù)左側(cè)拖尾嚴重，經(jīng)單樣本K-S正態(tài)檢驗，各層土壤含鹽量均不符合正態(tài)分布（<0.05），影響半方差函數(shù)的穩(wěn)健性[19]。受人為和自然因素的影響，土壤含鹽量存在少許特異值，利用3原則將其剔除[20]，隨后對呈偏態(tài)的數(shù)據(jù)進行Box-Cox變換[21]，變換后的數(shù)據(jù)偏度和峰度均接近0，經(jīng)K-S檢驗均符合正態(tài)分布（>0.05），滿足半方差函數(shù)擬合的要求。

本文利用地統(tǒng)計學軟件GS+9.0，對土壤含水率和含鹽量的半方差函數(shù)進行擬合，擬合結(jié)果如圖2、圖3和表2所示。各層土壤含水率和含鹽量均可采用高斯模型較好地擬合，其RSS在0.001～0.008，2在0.654～0.867，均已達到顯著水平。0～60、60～120、120～180 cm土壤含水率的塊金系數(shù)分別為0.303、0.138、0.023，土壤含鹽量的塊金系數(shù)分別為0.357、0.145、0.105，均逐層減小，土壤含水率的變程分別為700.0、1 282.0、1 433.0 m，土壤含鹽量的變程分別為659.0、990.3、1 333.3 m，均逐層增大。上述結(jié)果表明，土壤含水率和含鹽量的空間相關(guān)性隨土壤深度的增加而增加，空間連續(xù)性和均勻性逐漸增強。根系層（0～60 cm）的土壤含水率和含鹽量具有中等程度的空間相關(guān)性，其空間變異是結(jié)構(gòu)因素（氣候、地形、土質(zhì)等自然因素）和隨機因素（耕作、施肥、灌溉等各種人為活動）共同作用的結(jié)果，而深層土壤（60～120、120～180 cm）含水率和含鹽量空間相關(guān)性較強，其空間變異主要受自然因素的影響。不同深度的土壤含鹽量的塊金系數(shù)均大于土壤含水率，變程均小于土壤含水率，表明土壤含鹽量的空間相關(guān)性及空間均勻性較土壤含水率弱，這是因為鹽隨水動，土壤含鹽量受到土壤含水率的影響，使得土壤含鹽量的隨機變異性增強，空間相關(guān)性減弱。

圖2 土壤含水率的半方差函數(shù)模型

圖3 土壤含鹽量的半方差函數(shù)模型

2.2 土壤含水率和含鹽量的空間分布

根據(jù)前述最優(yōu)擬合模型及參數(shù)，基于普通克里金插值所得結(jié)果如圖4、圖5所示。各層土壤含水率、含鹽量的空間分布具有相似性，總體上，試驗區(qū)東部和東北部的土壤含水率較高，南部的土壤含水率次之，西部和西北部的土壤含水率較低。對于土壤含鹽量而言，高值均出現(xiàn)在研究區(qū)的東部及東北部，低值分布在西南部及西部，說明土壤含水率、含鹽量的垂向分布均較為連續(xù)。此外，土壤含水率與土壤含鹽量高低值分布位置較為接近，二者關(guān)系密切，詳細分析見2.3節(jié)。

圖4 土壤含水率空間分布

Fig.4 Spatial distribution of soil water

圖5 土壤含鹽量空間分布

統(tǒng)計各土層不同含水率和含鹽量區(qū)間的面積所占比例如圖6所示，隨著深度的增加，土壤含水率逐漸增大，土壤含鹽量逐漸減小。由圖6（a）可知，僅根系層（0～60 cm）土壤含水率出現(xiàn)了0.13～0.20 g/g的低值區(qū)，面積占比24%，0～60、60～120 cm和120～180 cm土壤含水率處于0.20～0.25 g/g的面積分別為66%、51%和42%，逐層減小，處于0.25～0.33 g/g的高值區(qū)域面積分別為10%、49%和58%，逐層增大。隆勝試驗區(qū)0～60、60～120 cm和120～180 cm各層土壤含鹽量≤2 g/kg的面積分別為81%、98%和100%，逐層增加，2 g/kg<土壤含鹽量≤3 g/kg的面積分別為17%、2%和0%，逐層減小，僅根系層（0～60 cm）存在3 g/kg<土壤含鹽量≤4 g/kg和土壤含鹽量>4 g/kg的區(qū)域，面積占比分別為1.5%和0.5%。

圖6 各土層不同土壤含水率和含鹽量區(qū)間面積占比

2.3 土壤含水率和含鹽量之間的關(guān)系

土壤水分與鹽分之間存在著復(fù)雜的耦合關(guān)系，由圖4和圖5可知，土壤含水率與含鹽量的空間分布模式存在著較強的相似性，土壤含水率較高的區(qū)域含鹽量一般較高（如圖4、圖5的東部及東北部），土壤含水率相對較低的區(qū)域含鹽量相對較?。ㄈ鐖D4、圖5的西部）。利用ArcGIS軟件的柵格分割功能將土壤含水率和含鹽量的空間插值圖像分割成7個子區(qū)，每個子區(qū)不同深度土壤含水率和含鹽量均值如圖7所示。不同深度土壤含水率和含鹽量均呈顯著差異（<0.05），各子區(qū)土壤含水率均值大小為0～60 cm<60～120 cm<120～180 cm，土壤含鹽量均值大小為0～60 cm>60～120 cm>120～180 cm。不同子區(qū)土壤含水率與含鹽量的變化趨勢一致，最大值所在子區(qū)略有差異，土壤含水率和含鹽量最高的區(qū)域編號分別為5和3，分別為研究區(qū)東北部和東部，這可能與研究區(qū)東部的地下水礦化度較高有關(guān)。不同深度土壤含水率與含鹽量的相關(guān)系數(shù)如圖8所示，各層土壤含水率呈顯著強-極強正相關(guān)（0.714<<0.938），距離越近，其相關(guān)性越強。各層土壤含鹽量呈顯著-極強正相關(guān)（0.883<<0.982），土層間距離越近，其相關(guān)性越強。各層土壤含水率與含鹽量呈顯著強相關(guān)關(guān)系（0.615<<0.793），且同一深度土壤含水率與含鹽量的相關(guān)系數(shù)最大，說明土壤含水率與含鹽量密切相關(guān)。本次試驗的取樣時間為生育期初，灌區(qū)尚未開始大規(guī)模灌溉。地下水及其攜帶的鹽分在強烈的蒸發(fā)作用下不斷向上運動，是研究區(qū)土壤含水率和含鹽量的主要補給源。地下水對土壤含水率和含鹽量的補給程度主要受地下水埋深和地下水礦化度的影響。

圖7 各子區(qū)不同深度土壤含水率和含鹽量均值

注 SW表示土壤含水率，SS表示土壤含鹽量，P<0.01。

2.4 地下水埋深及礦化度對土壤含鹽量的影響

研究區(qū)地下水埋深和礦化度的空間分布如圖9所示。研究區(qū)地下水埋深自東北向西南逐漸增加，研究區(qū)的東部和東北部地下水埋深小于2 m，為強蒸發(fā)積鹽區(qū)，占研究區(qū)總面積的6.5%；西部和南部的地下水埋深大于3 m，面積占比6.5%；大多數(shù)區(qū)域的地下水埋深處于2～3 m，面積占比87%。73%的區(qū)域地下水礦化度值小于3.0 g/L，地下水礦化度較高的區(qū)域分布在研究區(qū)的東部，對應(yīng)著土壤含鹽量最高的地區(qū)。根據(jù)上文的分區(qū)，統(tǒng)計不同子區(qū)的地下水埋深和礦化度均值，并與各層土壤含鹽量均值進行對比。如圖10所示，各層土壤含鹽量均隨地下水埋深的減小而增加，隨地下水礦化度的增加而增加。各層土壤含鹽量與地下水埋深以及地下水礦化度的相關(guān)系數(shù)矩陣如表3所示，各層土壤含鹽量與地下水埋深呈顯著的強-極強負相關(guān)，與地下水礦化度呈極顯著且極強的正相關(guān)。各層土壤含鹽量與地下水埋深及礦化度的關(guān)系如圖11所示，各層土壤含鹽量與地下水埋深均滿足指數(shù)關(guān)系，2>0.504，與地下水礦化度均滿足冪函數(shù)關(guān)系，2>0.875。從圖11也可看出，當?shù)叵滤裆畲笥?.5 m時，總體土壤含鹽量較低，且各層含鹽量變化較小，因此，為有效控制土壤鹽漬化，應(yīng)控制地下水埋深在2.5 m以下。

圖9 地下水埋深和礦化度空間分布

圖10 各子區(qū)土壤含鹽量及地下水埋深和礦化度均值

圖11 土壤含鹽量與地下水埋深及礦化度的關(guān)系

表3 土壤含鹽量與地下水埋深及礦化度的相關(guān)矩陣

注*表示<0.05，**表示<0.01。

3 討論

本文通過分析隆勝試驗區(qū)土壤含水率和含鹽量空間分布特征，發(fā)現(xiàn)隨著深度的增加，研究區(qū)土壤含水率逐層遞增，土壤含鹽量逐層遞減，屬于典型的表聚型土壤，這是因為研究區(qū)地處干旱-半干旱的河套灌區(qū)，干燥少雨，蒸發(fā)強烈，土壤含水率不斷向上運動并在地表蒸發(fā)，并將其攜帶的鹽分釋放、累積于表土層，研究結(jié)果與部分學者[5,15,21-22]在干旱地區(qū)的研究結(jié)論一致。除0～60 cm土層的土壤含鹽量呈強變異外，各層土壤含水率和含鹽量均為中等變異。同時，地統(tǒng)計結(jié)果也發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)0～60 cm土層的土壤含水率和含鹽量表現(xiàn)出中等程度的空間相關(guān)性，變程最小，60～120 cm和120～180 cm土層的土壤含水率和含鹽量呈現(xiàn)出強烈的空間相關(guān)性，變程逐漸增大。經(jīng)典統(tǒng)計學以及地統(tǒng)計學的結(jié)果均表明土壤含水率和含鹽量的空間相關(guān)性隨土壤深度的增加而增加，空間連續(xù)性和均勻性逐漸增強，這可能與隨機因素（耕作、施肥、灌溉等各種人為活動)對深層土壤的作用減弱有關(guān)[7,17]。

土壤含鹽量一般伴隨著土壤水分的遷移，這使得土壤含鹽量受隨機變異性的影響較土壤水分大，表現(xiàn)為同一深度土壤含水率的變異系數(shù)和塊金系數(shù)小于土壤含鹽量，即土壤含鹽量的空間變異性強于土壤含水率，空間相關(guān)性弱于土壤含水率，這與楊勁松等[10]的結(jié)果一致。另一方面，土壤含水率和含鹽量存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，即土壤含水率高的區(qū)域土壤含鹽量往往較大，土壤含水率低的區(qū)域土壤含鹽量往往較小，這是因為較高的土壤含水率表示地下水對土壤的補給量較多，在地下水礦化度相同的情況下，其攜帶的含鹽量越多，反之亦然。

地下水埋深是影響地下水對土壤水補給量的重要因素，而地下水礦化度影響著隨水分運移的鹽量，因此地下水埋深和礦化度均與土壤含鹽量密切相關(guān)。本研究表明，土壤含鹽量與地下水埋深滿足指數(shù)關(guān)系，這與竇旭等[18]和常春龍等[23]等在河套灌區(qū)的結(jié)論一致，土壤含鹽量與地下水礦化度滿足冪函數(shù)關(guān)系，而王金哲等[24]發(fā)現(xiàn)環(huán)渤海平原區(qū)土壤含鹽量與地下水礦化度之間呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，這可能與研究區(qū)域不同有關(guān)。本研究區(qū)為井渠結(jié)合區(qū)，采用地下水灌溉顯著改變了土壤-地下水含水層的補排關(guān)系，從而導(dǎo)致土壤含鹽量與地下水礦化度之間的關(guān)系發(fā)生改變。此外，當?shù)叵滤裆畲笥?.5 m時，土壤含鹽量較低，且隨著土壤深度的增大，土壤含鹽量的變化趨勢減少。因此，為有效控制土壤鹽漬化，本文建議地下水埋深控制在2.5 m以下，這與徐英等[25]和楊會峰等[26]在河套灌區(qū)的結(jié)論一致。土壤含鹽量隨地下水埋深的增加而減小，隨地下水礦化度的增加而增加，由于研究區(qū)地下水埋深在年內(nèi)的變化規(guī)律十分明顯，而地下水礦化度年內(nèi)變化規(guī)律不明顯[11]，因此，合理調(diào)控地下水埋深將是灌區(qū)鹽堿化防控的關(guān)鍵。

4 結(jié)論

1）隨著土壤深度的增加，土壤含水率逐漸增加，其空間變異性逐漸減小，土壤含鹽量及其變異性均逐漸減小。研究區(qū)根系層土壤含水率和含鹽量的空間變化受結(jié)構(gòu)性和隨機因素的共同作用，深層土壤的含水率和含鹽量空間變異主要受結(jié)構(gòu)性因素的作用。

2）土壤含水率與含鹽量密切相關(guān)，一方面，土壤含水率的空間變異性弱于土壤含鹽量，另一方面，土壤含水率較低的區(qū)域土壤含鹽量相對較大，反之亦然，二者存在著顯著的正相關(guān)關(guān)系。

3）研究區(qū)各層土壤含鹽量均與地下水埋深呈指數(shù)相關(guān)關(guān)系；與地下水礦化度呈冪函數(shù)關(guān)系。當?shù)叵滤裆畲笥?.5m時，土壤含鹽量低，且各層土壤含鹽量變化較小。因此，建議地下水埋深控制在2.5m以下。

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Geostatistical Analysis of Spatial Variability of Soil Water and Salt in Hetao Irrigation District

LIU Yan’nan1, SUN Guanfang2, MAO Wei1, CHENG Xiaoyao3, ZHU Yan1, YANG Jinzhong1*

(1.The State Key Laboratory of Water Resource and Hydropower Engineering Science, Wuhan University, Wuhan 430072, China;2.Institute of Soil and Water Conservation, Northwest Agriculture and Forestry University, Yangling 712100, China; 3. Zhongnan Municipal Administration General Design Institute Co. Ltd., China Municipal Engineering, Wuhan 430101, China)

【Background and objective】Soil salinity is an abiotic stress affecting agricultural production worldwide, especially in countries in arid and semi-arid regions. Soil salinity is closely correlated to soil water, both varying erratically over space and time. Understanding their spatial variability is essential to improving water use efficiency and alleviating soil salinization. This paper aims to analyze the spatial variability of soil water and salt at different soil depths, their relationship in Hetao Irrigation District, as well as their dependence on groundwater depth and salinity.【Method】The study site is at Longsheng, a typical well-canal conjunctive irrigation area in the irrigation district. Soils were sampled from the root zone (0～60 cm), subsoil (60～120 cm) and deep soil (120～180 cm), and the moisture and salt contents in each sample were measured using standard laboratory methods. Their spatial variations were analyzed using classical statistical and geostatistical methods. The relationship between groundwater and soil salinity was calculated using the Pearson correlation analysis.【Result】① The averaged soil water content at different soil depths were ranked in the order of 0～60 cm<60～120 cm<120～180 cm, while the averaged soil salt content were ranked in the order of 0～60 cm>60～120 cm>120～180 cm. The variation coefficient and nugget coefficient of soil water and salt content decreased monotonically with soil depth, while their spatial autocorrelation distance increases monotonically with the depth. Soil water and salt content in the root zone showed moderate spatial autocorrelation, while in deep soil they showed a strong spatial autocorrelation.② The variation coefficient and nugget coefficient of soil water in each soil layer are smaller than that of soil salt, while its variation range is larger than that of soil salt; there was a strong negative correlation between them.③ Soil salt in each soil layer is exponentially related to groundwater depth, but is a power-law function of groundwater salinity. When the groundwater depth is greater than 2.5 m, the soil salt content is low and the soil salinity only slightly changes with groundwater depth.【Conclusion】Salt accumulates mainly in the root zone and its spatial distribution is closely related to soil water content. Groundwater depth is the major controlling factor of soil salinity, and to reduce the risk of soil salinity, the groundwater depth should be controlled below the depth of 2.5 m.

Hetao Irrigation District; soil water and salt; geostatistics; spatial variation; groundwater environment

1672 - 3317（2022）09 - 0101 - 09

P641.2；S27

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021621

劉燕楠, 孫貫芳, 毛威, 等. 基于地統(tǒng)計分析的河套灌區(qū)土壤水鹽空間變異規(guī)律分析[J]. 灌溉排水學報, 2022, 41(9): 101-109.

LIU Yan’nan, SUN Guanfang, MAO Wei, et al. Geostatistical Analysis of Spatial Variability of Soil Water and Salt in Hetao Irrigation District[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2022, 41(9): 101-109.

2021-12-13

國家自然科學基金項目（52179041）

劉燕楠（1998-），女。碩士研究生，主要從事土壤水地下水資源與環(huán)境方面的研究。E-mail: lyn214622@163.com

楊金忠（1953-），男。教授，主要從事飽和-非飽和水流運動與溶質(zhì)運移方面的研究。E-mail: jzyang@whu.edu.cn

責任編輯：趙宇龍