燈塔灌區(qū)土壤鹽分空間分布特征及其影響因素分析

劉鳳陽

(燈塔市水利事務(wù)服務(wù)中心,遼寧 燈塔 111300)

土壤鹽分是影響作物生長和產(chǎn)量的重要因素之一,適量的鹽分可以滿足作物正常生長的需求,然而如果鹽分過高就會抑制作物吸收水分和養(yǎng)分,進而影響生長甚至導(dǎo)致鹽堿化問題。因此,了解土壤鹽分的空間分布特征對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要[1]。灌區(qū)土壤鹽分的空間分布受到多種因素的影響,包括認(rèn)為和自然因素,其中人為因素主要包括農(nóng)田排灌水的含鹽量、施肥量和管理措施等,而自然因素包括地形、降水和地下水位等因素。這些因素的相互作用導(dǎo)致土壤鹽分在空間上呈非均勻分布的特征[2-4]。在燈塔灌區(qū)土壤中存在一定量的有機質(zhì)和鹽分,選擇燈塔灌區(qū)進行實地調(diào)查和研究,旨在了解灌區(qū)土壤鹽分的空間分布規(guī)律,并探討地下水礦化度、埋深、土壤質(zhì)地、地形因子與含鹽量之間的關(guān)系,對于實現(xiàn)燈塔灌區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展及掌握大范圍鹽堿地改良前后土壤元素分布規(guī)律,尤其是對改善灌區(qū)鹽漬化程度和提高土地利用效率具有重要意義。

近年來,地統(tǒng)計學(xué)的快速發(fā)展為人們進一步的認(rèn)識土壤空間和結(jié)構(gòu)特性提供了支持,這已成為有效分析土壤空間分布和結(jié)構(gòu)的主要方法。通過定量分析土壤有機質(zhì)和水溶性鹽的含量,可以確定鹽漬化程度,為改良鹽漬化灌區(qū)土壤提供依據(jù),例如高含鹽度的土壤需要采取相應(yīng)的鹽分調(diào)節(jié)措施,如排水、淋洗和追加有機質(zhì)等,以降低鹽分對作物生長的不利影響,從而為精確制定鹽漬化土壤的改良方案提供科學(xué)依據(jù),并指導(dǎo)土壤改良工作的實施。為掌握土壤有機質(zhì)含量、鹽分的空間變異性許多學(xué)者應(yīng)用地統(tǒng)計學(xué)法開展了深入探究,如Emadi等應(yīng)用地統(tǒng)計學(xué)法明確區(qū)域土壤鹽分和pH值的分布規(guī)律;朱金糴等從時空變化角度上揭示了綠地土壤的鹽分變異特征,為當(dāng)?shù)赝寥利}漬化改良防治及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供支持;武婕等以南四湖區(qū)為例,綜合利用GIS技術(shù)與地統(tǒng)計學(xué)法探究土壤微量元素和有機質(zhì)的影響因素及其空間分布特征;段凱祥等利用地統(tǒng)計學(xué)法分析了嘉峪關(guān)草湖濕水鹽含量、植被覆蓋率與土壤鹽分的相關(guān)性及其程度。以往研究較少考慮各影響因素與土壤含鹽量之間的相關(guān)關(guān)系,對土壤鹽分?jǐn)?shù)據(jù)也較少使用Box-Cox轉(zhuǎn)換處理。因此,文章運用地統(tǒng)計學(xué)法,通過野外取樣測試研究燈塔灌區(qū)土壤鹽分空間分布特征,旨在揭示研究區(qū)土壤含鹽量與地下水值、水位埋深、土壤質(zhì)地、地形地貌等因素間的關(guān)系。

1 灌區(qū)概況

燈塔灌區(qū)位于遼陽市東北部,地處北溫帶大陸性氣候帶,年均降水量為741mm,全年分布不均,7～8月份降水量481mm,占全年的65%。灌區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境脆弱,主要作物為水稻,有少量的小麥、菜田、大棚蔬菜、西瓜等,地形自東北向西南傾斜,地面比降1/800～1/1000。灌區(qū)的水源補給和水文條件優(yōu)越,東部低山丘陵區(qū)的地層主要包括寒武系和奧陶系,巖性為灰?guī)r和頁巖。覆蓋層主要是亞黏土和黏土,厚度在10～73m之間,地下水埋深一般在15～24m。西部平原區(qū)含水層埋深在5～30m之間,而北岸在4～6m之間。由于水位埋深淺、地下水徑流條件差以及土壤顆粒較細(xì),灌區(qū)內(nèi)土壤存在一定的鹽漬化問題。

2 研究方法

2.1 取樣測試

統(tǒng)計分析野外取樣實測數(shù)據(jù),結(jié)合灌區(qū)內(nèi)作物類型、地下水位埋深、用地類型、地形等科學(xué)選擇各取樣點。2021年6月,按照0～20cm、20～40cm、40～60cm不同深度分層取樣65個,取樣后用密封袋保存帶回,參照《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》檢測土壤粒徑及含鹽量。

2.2 研究方法

2.2.1 Box-Cox轉(zhuǎn)換

由于土壤含氧量不服從對數(shù)及正態(tài)分布,故選用Box-Cox轉(zhuǎn)換處理含氧量數(shù)據(jù),具體表達式為:

(1)

式中:S為一個變換族,其具體轉(zhuǎn)換形式由可變參數(shù)λ決定,一般使用最大似然估計法獲取λ值。

2.2.2 空間變異理論

文章依據(jù)空間變異理論的區(qū)域化變量和計算提取的空間信息統(tǒng)計特征,通過統(tǒng)計性分析掌握燈塔灌區(qū)土壤含鹽量及其空間分布規(guī)律。其中,區(qū)域化變量的變異特征可利用變異函數(shù)模型計算確定,其表達式為:

(2)

式中:γ(h)、h為變異函數(shù)和滯后距;N(h)、Z(xi)、Z(xi+h)為h距離的點對數(shù)、點xi及其距離h處的實測值。一般包括有、無基臺值兩類變異系數(shù),研究選用高斯、指數(shù)與球狀模型,這3種模型表達式如下:

球狀模型:

(3)

指數(shù)模型:

(4)

高斯模型:

(5)

式中:C0+C為基臺值;C0、a為塊金值和變程。

3 結(jié)果與分析

3.1 統(tǒng)計學(xué)特征

燈塔灌區(qū)各層土壤含鹽量統(tǒng)計學(xué)分析如表1,結(jié)果表明燈塔灌區(qū)土壤含鹽量均值處于0.715～0.762%范圍,不同深度含鹽量相差不大,但極值表現(xiàn)出較大變化特征,從表層到深層土壤含鹽量依次處于0.112～3.685%、0.108～4.150、0.080～3.667變化范圍。因此,不同深度的土壤鹽漬化變化較明顯,從含鹽量低于0.1%的非鹽土到高于1%的鹽土均有覆蓋。不同采樣點之間的土壤質(zhì)地、地下水位、農(nóng)作物及灌溉方式等因素可能會導(dǎo)致不同深度土壤的鹽漬化程度不同,這種差異可能表現(xiàn)為各層土壤含鹽量的峰度和偏度變化[11-14]。由表1可知,各層土壤含鹽量呈陡峭正偏態(tài)分布特征。

表1 土壤含鹽量統(tǒng)計學(xué)分析

單位均值的離散程度體現(xiàn)在變異系數(shù)CV上,結(jié)果發(fā)現(xiàn)各層土壤的含鹽量CV均超過1,表明土壤的含鹽量具有強烈的空間變異性,這這可能受到多種因素的影響,包括地形條件、灌溉方式、用地類型和地質(zhì)構(gòu)造等,從而使得土壤含鹽量較高且分布不均勻。

在進行地統(tǒng)計學(xué)分析時,通常要求所研究的變量服從正態(tài)分布,這是因為許多地統(tǒng)計學(xué)方法是基于正態(tài)分布的假設(shè)進行計算和推斷,如果不服從正態(tài)分布,可能會導(dǎo)致比例效應(yīng)的問題,即變量的平均值和方差之間的關(guān)系不成比例,這會影響到使用統(tǒng)計方法進行分析和解釋結(jié)果時的可靠性和準(zhǔn)確性。因此,文章應(yīng)用S-W和K-S檢驗法將不服從正態(tài)分布的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成正態(tài)分布,采用正態(tài)性更好的Box-Cox將對數(shù)轉(zhuǎn)換后仍不服從正態(tài)分布的各層天然含氧量數(shù)據(jù)進一步轉(zhuǎn)換,結(jié)果見表2。

表2 含鹽量檢驗統(tǒng)計

3.2 空間變異性

對經(jīng)過Box-Cox轉(zhuǎn)換后的含鹽量數(shù)據(jù)進行空間變異性分析,并擬合變異函數(shù)獲取相關(guān)的參數(shù)見表3。在0～20cm和20～40cm范圍內(nèi),最優(yōu)的為高斯模型。而在40～60cm范圍內(nèi),最優(yōu)的為指數(shù)模型。

表3 含鹽量變異系數(shù)參數(shù)值

在空間變異性分析時,常常使用變程a來衡量變量的影響范圍,變程表示在變程范圍內(nèi)的空間距離上的數(shù)據(jù)存在一定的相關(guān)性。如果兩個點之間的空間距離大于變程,則它們之間的相關(guān)性可以忽略。因此,選擇適當(dāng)?shù)淖兂虒τ诿枋龊徒忉屪兞恐g的空間相關(guān)性非常重要。

從表3可以看出,在107881m、100164m、348600m空間范圍內(nèi)各層土壤鹽含量均存在一定相關(guān)性,通過比較各層變程,可以看出在0～20cm和20～40cm范圍均低于40～60cm的含鹽量,這意味著深層土壤含鹽量的變異性較小,具有較強的空間相關(guān)性。C0和C表示由隨機性和非人為因素帶來的變異。如果各層的隨機性方差C0較小,可以認(rèn)為取樣試驗誤差對土壤含鹽量變異的貢獻較小。對土壤含鹽量的空間變異性影響因素利用塊金基臺比[C0/(C+C0)]進行分析,該數(shù)值越大表明空間變異性受隨機性因素的影響越強,結(jié)果表明各層的[C0/(C+C0)]處于0.501～0.525范圍,總體達到中度相關(guān)性,表明土壤類型、植被、水文、氣候、母質(zhì)等結(jié)構(gòu)因素以及土地利用類型、灌溉、人類活動等隨機因素都影響著不同深度含鹽量[15-16]。另外,雖然各層塊金基臺比隨著深度的增大差異較小,但整體呈現(xiàn)出減小趨勢,表明結(jié)構(gòu)性因素對深層含鹽量的影響要高于亞表層、表層。實地調(diào)查發(fā)現(xiàn),0～20cm表層和20～40cm亞表層土壤含鹽量易受灌區(qū)農(nóng)業(yè)耕種、人類活動等隨機因素影響,這種實際受影響情況與變程數(shù)據(jù)反映的特征相符。

3.3 土壤含鹽量及其影響因素

人為和自然因素共同影響著燈塔灌區(qū)土壤鹽漬化空間分布特征,在累積、遷移和淋溶過程中土壤鹽分都會受到區(qū)域特殊氣候條件的影響,使其時空分布有所差異。另外,有必要探討地下水礦化度、埋深、土壤質(zhì)地、地形因子與含鹽量之間的關(guān)系。

1)每增加一單位的礦化度,對土壤含鹽量的影響會成倍增加,即兩者存在指數(shù)關(guān)系,表示地下水中的溶解鹽濃度較高,通過水垂向運移到土壤中時,溶解鹽會隨著水的蒸發(fā)和土壤的吸鹽作用逐漸積累。當(dāng)?shù)叵滤械牡V化度超過2g/L時,鹽分的積累速度加快,導(dǎo)致土壤含鹽量的快速增加,這種情況可能會引起土壤鹽漬化,對農(nóng)作物的生長產(chǎn)生負(fù)面影響。

2)地下水位埋深與土壤含鹽量之間存在非線性的關(guān)系。即冪函數(shù)關(guān)系。隨著地下水位埋深的增加,土壤的水分補充源減少,蒸發(fā)作用相對減弱,從而導(dǎo)致土壤含鹽量的減少,特別是在水位埋深不超過2.0m的情況下,蒸發(fā)作用最為顯著,積鹽效果加劇,導(dǎo)致土壤含鹽量較高。而隨著水位埋深的增加,蒸發(fā)和積鹽效果逐漸減弱,使得土壤的含鹽量減小,表明合理地控制地下水位埋深可以有效控制土壤鹽分的積累,并最大程度地減少鹽漬化問題。

3)土壤質(zhì)地對土壤中的鹽分的水分運動和鹽分吸附能力起著重要的影響。細(xì)粒土壤(如黏土)具有較高的吸附能力和較低的滲透性,因此對鹽分的吸附能力較強,且水分運動較慢,容易導(dǎo)致鹽分在土壤中積累。相反,粗粒土壤(如沙土)具有較低的吸附能力和較高的滲透性,鹽分較容易被沖走,導(dǎo)致土壤中的鹽分含量較低。統(tǒng)計各取樣點的砂粒、粉粒、黏粒含量,通過對實測數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理分析土壤粒徑與含鹽量間的相關(guān)性見表4,其中“*”代表顯著相關(guān)(P<0.05)。

表4 土壤粒徑與含鹽量的相關(guān)性

由表4可知,在20～40cm深度上,土壤黏粒與含鹽量存在顯著的正相關(guān)關(guān)系,即黏粒含量的增加會導(dǎo)致含鹽量的增加,這是因為黏粒具有很小的孔隙和顆粒大小,導(dǎo)致水分在其中移動的速度較慢。在蒸發(fā)作用下,水中的鹽分更容易滯留在黏粒中,因此引起了含鹽量的增加。在其他土壤層中,黏粒與含鹽量之間沒有顯著的相關(guān)性,這是因為在作物生長期,土壤含鹽量主要受農(nóng)業(yè)灌溉、施肥等人類活動的影響,這些活動對土壤中鹽分的輸入和沖洗起著主要作用,從而掩蓋了土壤質(zhì)地對含鹽量的影響。因此,除了特定深度的土壤層外,土壤質(zhì)地對含鹽量的影響并不顯著。

3)地形因子與含鹽量間的關(guān)系。通過使用Arc GIS軟件中的柵格處理工具,可以分析土壤含鹽量與坡向、坡度和高程數(shù)值之間的皮爾遜相關(guān)性,以了解地形因子對土壤含鹽量的影響程度。首先,需要準(zhǔn)備包含土壤含鹽量、坡向、坡度和高程數(shù)值的柵格數(shù)據(jù),然后使用ArcGIS軟件中“Correlation”工具來計算其皮爾遜相關(guān)系數(shù),如表5所示。

表5 地形因子與土壤含鹽量的相關(guān)性

由表5可知,燈塔灌區(qū)土壤含鹽量的空間分布可能是由隨機性和結(jié)構(gòu)性因素共同影響的結(jié)果,其與地形因子不存在明顯關(guān)系。隨機性因素可能包括降雨量的分布、滲透性、浸潤和水分蒸發(fā)等不穩(wěn)定因素,這些因素可能會導(dǎo)致土壤鹽分的不均勻分布;而結(jié)構(gòu)性因素可能包括土壤類型、質(zhì)地等固有屬性,這些因素可能影響土壤鹽分的分布規(guī)律。另外,土壤含鹽量受地形因素的影響勢必會受到田間管理、灌溉等隨機因素的影響和掩蓋,加之各取樣點的作物類型存在差異,從而使得土壤含鹽量與地形因素不存在顯著相關(guān)性。

4 結(jié) 論

1)燈塔灌區(qū)不同深度土壤含鹽量存在明顯差異性,并且均達到強變異水平。土壤類型、植被、水文、氣候、母質(zhì)等結(jié)構(gòu)因素以及土地利用類型、灌溉方式等隨機因素都影響著各層土壤含鹽量。

2)在作物生長期,土壤含鹽量主要受農(nóng)業(yè)灌溉、施肥等人類活動的影響,這些活動對土壤中鹽分的輸入和沖洗起著主要作用,從而掩蓋了土壤質(zhì)地對含鹽量的影響。因此,除了特定深度的土壤層外,土壤質(zhì)地對含鹽量的影響并不顯著。同時,含鹽量隨地下水礦化度的增大和潛水埋深的減小而增加。