銀北灌區(qū)土壤鹽分多尺度空間變異特征分析

摘要：明晰不同區(qū)域鹽漬化土壤分布特征是精準(zhǔn)改良鹽堿地的基礎(chǔ)，研究寧夏銀北灌區(qū)土壤鹽分空間分布特征，為鹽堿地改良提供依據(jù)。以寧夏銀北灌區(qū)為研究對象，采用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析了6.0、1.0、 0.2 km采樣尺度下土壤鹽分分布特征以及空間變異特性。結(jié)果表明，在6.0、1 .0、 0.2 km采樣尺度下研究區(qū)0～20 cm表層土壤鹽分含量整體偏高，且分布不均，差異性較大，變異系數(shù)分別為0.927、0.932、1.187，達(dá)到中強(qiáng)變異水平；土壤鹽分的半方差函數(shù)塊基比分別為32.653% 、38.462%、41.463%，屬于中等強(qiáng)度空間自相關(guān)。隨著采樣間隔的增大，土壤鹽分空間自相關(guān)性增強(qiáng)，種植、灌溉、施肥等隨機(jī)因素對土壤鹽分空間異質(zhì)性的影響逐漸減弱，而氣候、水文、地形、土壤等結(jié)構(gòu)因素對土壤鹽分空間分布的影響不斷增強(qiáng)。建議在隨機(jī)因素影響較大的中小尺度上增大采樣量，以深入了解土壤鹽分的空間分布特征和變異規(guī)律。

關(guān)鍵詞：土壤鹽分；多尺度；空間變異；銀北灌區(qū)

中圖分類號(hào)：S159.2" " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " " " 文章編號(hào)：2097-2172（2025）02-0124-05

doi：10.3969/j.issn.2097-2172.2025.02.005

Characterization of Multi-scale Spatial Variability of Soil Salinity

in the Yinbei Irrigation District

WU Xia 1， FAN Liqin 1， 2， WANG Changjun 1， ZHANG Yonghong 1

（1. Institute of Agricultural Resources and Environment， Ningxia Academy of Agriculture and Forestry Sciences， Yinchuan Ningxia 750002， China; 2.Yinchuan Experimental Station of National Technology Innovation Centre for Comprehensive

Utilization of Saline and Alkaline Land， Yinchuan Ningxia 750002， China）

Abstract： Analyzing the distribution characteristics of saline-alkaline soils in different regions is the basis for accurate improvement of saline-alkaline lands. In this study， we analyzed the spatial distribution characteristics of soil salinity in the Yinbei irrigation district of Ningxia， providing a basis for saline-alkali land reclamation. Using the Yinbei irrigation district of Ningxia as the research object， classical and geostatistical methods were used to analyze the distribution characteristics and spatial variability of soil salinity at sampling scales of 6.0， 1.0， and 0.2 km， respectively. The results showed that at the 6.0， 1.0， and 0.2 km sampling scales，the salinity content of the surface soil （0 to 20 cm） in the study area was high and unevenly distributed with large variability， and the coefficients of variation（CV） were 0.927， 0.932 and 1.187， respectively， indicating medium-high level of variability. The half-variance functions of the soil salinity at the three sampling scales were 32.653%， 38.462% and 41.463%， respectively， indicating a moderate spatial autocorrelation. With the increase of sampling interval， the spatial autocorrelation of soil salinity increased. The influence of random factors such as planting， irrigation and fertilization on the spatial heterogeneity of soil salinity gradually weakened， whereas the influence of structural factors such as climate， hydrology， topography， and soilproperties on the spatial distribution of soil salinity was continuously enhanced. It is recommended to increase the sampling volume at small and medium scales， where random factors have a greater influence， in order to gain a deeper understanding of the spatial distribution characteristics and variability patterns of soil salinity.

Key words： Soil salinity; Multi-scale; Spatial variability; Yinbei irrigation district

土壤在大小尺度上都存在空間異質(zhì)性，不同空間分布的土壤屬性值存在明顯差異［1 - 2 ］。土壤性質(zhì)的空間變異性是尺度的函數(shù)，即同一變量在不同尺度上的自相關(guān)程度差異很大，隨著樣點(diǎn)間距的增加，變異函數(shù)值的隨機(jī)分量也隨之增加，較小尺度上的結(jié)構(gòu)特征會(huì)被掩蓋，不利于深入分析土壤性質(zhì)的空間變異性，但多尺度上的研究可以很好地解決這一問題［3 - 4 ］。目前，很多研究已經(jīng)注意到土壤鹽分的高空間變異性及其在不同時(shí)空尺度上的變化規(guī)律差異較大［5 - 7 ］。劉繼龍等［8 ］通過對土壤水鹽空間異質(zhì)性和尺度效應(yīng)的多重分形分析，揭示了林地水鹽空間分布特征和尺度效應(yīng)。喬學(xué)瑾等［9 ］研究發(fā)現(xiàn)，新疆安集海灌區(qū)棉田耕層土壤鹽分呈強(qiáng)空間自相關(guān)性，且隨采樣尺度的增大自相關(guān)性增強(qiáng)。因此，有必要研究多尺度下土壤鹽分的空間變異特征及其影響因素，為鹽堿地改良和可持續(xù)利用提供技術(shù)支撐。

土壤鹽漬化一直是影響寧夏灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要因素，多年來寧夏通過水、農(nóng)、林等綜合措施治理土壤鹽漬化，鹽漬化耕地面積逐年減少，耕層土壤含鹽量逐年降低，土壤鹽漬化改良取得了顯著效果［10 - 11 ］。高含鹽量的鹽漬土多呈“插花狀”分布，影響鹽堿化改良區(qū)的穩(wěn)定性［12 ］，難以實(shí)現(xiàn)全面改良利用。因此，眾多研究者在寧夏灌區(qū)土壤鹽漬化空間分布特征及演變規(guī)律等方面做了較多研究［13 - 17 ］，但不同尺度下土壤鹽分空間異質(zhì)性及其影響因素尚不明確。因此，我們以寧夏銀北灌區(qū)為研究對象，運(yùn)用半變異函數(shù)、空間相關(guān)性、地理探測器等地統(tǒng)計(jì)學(xué)理論研究該區(qū)土壤鹽分在不同尺度的空間異質(zhì)性及其環(huán)境影響因子，以期為銀北灌區(qū)土壤鹽分空間分布特性、鹽漬化土壤的科學(xué)管理、合理改良和高效利用提供一定的理論依據(jù)。

1" "材料與方法

1.1" "研究區(qū)概況

銀北灌區(qū)（105° 52′ 52″～106° 58′ 3″ E、38° 26′ 57″～39° 22′ 52″ N）位于寧夏平原北部，地處西北內(nèi)陸地區(qū)，屬于典型的大陸性干旱氣候，年平均氣溫9.4 ℃，平均日照時(shí)數(shù)3 008.6 h，歷年平均降水量173.2 mm，多集中在6 — 9月份，年平均蒸發(fā)量1 755.0 mm，是降水量的10倍左右［18 - 19 ］。寧夏銀北灌區(qū)西依賀蘭山東臨黃河，地形多以平原為主，但有平地、階地、河漫灘、低洼地等多種微地形，平均地下水埋深1.5 m左右，且礦化度較高，土壤類型以鹽化灌淤土和潮土為主，種植作物有玉米、水稻、小麥、油葵、苜蓿等［20 ］。受氣候、地形、土壤、地下水位、灌排條件等因素的影響，土壤鹽漬化空間變異較大，是寧夏鹽漬土分布最廣、鹽漬化最為嚴(yán)重的地區(qū)。

1.2" "采樣點(diǎn)布局

為掌握銀北灌區(qū)不同尺度土壤鹽分空間變異特征，采用大、中、小三級(jí)不同尺度嵌套和規(guī)則網(wǎng)格布點(diǎn)進(jìn)行采樣，大尺度以銀北灌區(qū)為采樣區(qū)（A），共采集86個(gè)樣點(diǎn)，網(wǎng)格大小約為6.0 km×6.0 km。在大尺度中選擇土壤鹽漬化較為嚴(yán)重、土地利用類型、作物種植較為復(fù)雜網(wǎng)格單元（6.0 km×6.0 km）作為中尺度嵌套采樣區(qū)（B），共采集樣點(diǎn)49個(gè)，網(wǎng)格大小1.0 km×1.0 km。最小嵌套采樣區(qū)（1.0 km×1.0 km）（C）采樣間隔0.2 km，共采集樣點(diǎn)36個(gè)，網(wǎng)格大小0.2 km×0.2 km。不同尺度土壤鹽分采樣點(diǎn)分布如圖1所示。

1.3" "樣品采集與測試

按照室內(nèi)布點(diǎn)的坐標(biāo)位置，用GPS定位至預(yù)設(shè)樣點(diǎn)附近，避開溝渠、田埂、道路等，定位中心點(diǎn)坐標(biāo)。采樣時(shí)除采集中心點(diǎn)土壤外，同時(shí)在以該點(diǎn)為中心、半徑為5 m的圓上均勻采集4個(gè)點(diǎn)，共5點(diǎn)混合為1個(gè)土壤樣品，采樣深度均為0～20 cm，采樣時(shí)間為2022年3月29日至4月13日。將采集的土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，在室溫條件下自然風(fēng)干、研磨，過1 mm篩后采用電導(dǎo)法測定土壤全鹽含量［21 ］。

1.4" "數(shù)據(jù)處理與分析方法

在數(shù)理統(tǒng)計(jì)軟件SPSS 25.0中對研究區(qū)不同尺度土壤鹽分進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)，將不服從正態(tài)分布的數(shù)據(jù)集轉(zhuǎn)換為正態(tài)分布。在地統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件GS+9.0中對研究區(qū)3種尺度的土壤鹽分進(jìn)行半方差函數(shù)分析，調(diào)整有效滯后距離和步長，獲取最優(yōu)擬合模型和參數(shù)［22 ］，再利用ArcGIS 10.2軟件繪制研究區(qū)不同尺度土壤鹽分分布圖。

2" "結(jié)果與分析

2.1" "不同尺度土壤鹽分統(tǒng)計(jì)特征分析

銀北灌區(qū)3個(gè)采樣尺度下表層土壤鹽分含量統(tǒng)計(jì)特征如表1所示。通過分析可知，研究區(qū)0～20 cm表層土壤鹽分含量整體偏高，且分布不均，差異性較大，最小值為0.596 g/kg，最高值達(dá)到17.438 g/kg。從平均值來看，6.0 km和1.0 km尺度平均土壤鹽分均達(dá)到輕度鹽漬化水平（1～3 g/kg）［23 ］，分別為2.960、2.085 g/kg；0.2 km尺度平均土壤含鹽量達(dá)到中度鹽漬化（3～6 g/kg）水平［23 ］，為3.488 g/kg。從標(biāo)準(zhǔn)差來看，0.2 km尺度的各樣點(diǎn)到平均值的距離最遠(yuǎn)，分布最為離散，6.0 km尺度次之，1.0 km尺度土壤鹽分離散程度最小。從變異系數(shù)來看，6.0 km和 1.0 km尺度土壤分鹽變異系數(shù)為中等強(qiáng)度（0.1～1.0），分別為0.927、0.932；0.2 km尺度的變異系數(shù)則達(dá)到強(qiáng)變異水平（gt;1.0），為1.187。且土壤鹽分的變異系數(shù)隨著采樣間隔的降低而逐漸增強(qiáng)。

2.2" "不同尺度土壤鹽分的半方差函數(shù)分析

初步檢驗(yàn)結(jié)果顯示，3種尺度的土壤鹽分均不服從正態(tài)分布，故采用對數(shù)函數(shù)對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)基本服從正態(tài)分布。在GS+9.0中對不同尺度土壤鹽分轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行半方差分析，經(jīng)多次比較優(yōu)化，最終確定6.0 km尺度和1.0 km尺度為指數(shù)模型，0.2 km尺度為球狀模型（表2）。本研究中6 .0、1.0、0.2 km尺度土壤鹽分半方差函數(shù)的變程分別為24 202、4 879、 536 m，均高于各尺度的采樣間隔，且3種尺度下最優(yōu)模型的決定系數(shù)均大于0.900，殘差平方和均較小，說明半方差函數(shù)擬合結(jié)果較為理想，利用優(yōu)化模型及其參數(shù)進(jìn)行空間插值和制圖可以較好地反映研究區(qū)不同尺度表層土壤鹽分的空間分布特征。塊基比表示由隨機(jī)因素引起的空間異質(zhì)性占總空間異質(zhì)性的比例，主要反映研究變量的空間自相關(guān)性強(qiáng)弱，塊基比越小變量的空間自相關(guān)性越強(qiáng)。本研究中3種尺度的土壤鹽分的塊莖比分別為32.653%、38.462%、41.463%，均屬于中等空間自相關(guān)（25% lt; 塊基比 lt; 75%），且空間自相關(guān)性隨著采樣尺度的增大略有增強(qiáng)，即隨機(jī)因素對土壤鹽分空間異質(zhì)性的影響隨著采樣間距的增加而有所增強(qiáng)。

2.3" "不同尺度土壤鹽分的空間分布特征分析

根據(jù)獲得半方差函數(shù)最優(yōu)模型及參數(shù)，采用ArcGIS 10.2對3種采樣尺度下的土壤鹽分進(jìn)行Kriging插值，繪制研究區(qū)不同尺度表層土壤鹽分空間分布圖（圖2）?？梢钥闯?，6.0 km尺度下研究區(qū)以非鹽漬化和輕度鹽漬化（lt; 3 g/kg）土壤為主，占比為24.47%和61.53%，中重度鹽漬化（gt; 3 g/kg）土壤占比約為14.00%，主要分布于研究區(qū)中西部的前進(jìn)農(nóng)場、暖泉農(nóng)場和星海鎮(zhèn)等地。此外，受局部地形及灌排條件影響，中重度鹽漬化土壤在研究區(qū)呈“插花狀”分布，如研究區(qū)北部寶豐鎮(zhèn)、黃渠橋鎮(zhèn)，中南部姚伏鎮(zhèn)、立崗鎮(zhèn)和金貴鎮(zhèn)等均有零星分布的中重度鹽漬化土壤。1.0 km和0.2 km尺度整體位于鹽漬化程度相對較高的區(qū)域，非鹽漬化和輕度鹽漬化土壤面積明顯減少，中重度鹽漬化土壤面積約占1/3，占比達(dá)到35.97%和34.39%。

3" "討論與結(jié)論

受氣候條件、水文環(huán)境、地形地貌和人類活動(dòng)等影響，土壤鹽分往往呈現(xiàn)出一定的差異［7， 12 ］。研究區(qū)在6.0 、1.0 、0.2 km 3種采樣尺度下的土壤鹽分各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)特征和變異系數(shù)均差異較大，采樣期正處于春季反鹽季節(jié)，0～20 cm表層土壤鹽分含量平均值分別為2.960 、2.085、3.488 g/kg，均達(dá)到輕度鹽漬化以上，變異系數(shù)分別為0.927、0.932、1.187，達(dá)到中強(qiáng)變異水平。這表明在3種研究尺度下土壤鹽分分布不均勻，變異程度較大。

土壤鹽分具有很強(qiáng)的空間變異性，單一尺度的研究不利于深入分析土壤鹽分的空間變異性，而多尺度的研究可以更準(zhǔn)確地表達(dá)土壤鹽分在不同尺度上的自相關(guān)性［24 - 27 ］。半方差函數(shù)分析結(jié)果顯示，研究區(qū)3種尺度下土壤鹽分的塊基比分別為32.653% 、38.462%、41.463%，均達(dá)到中等強(qiáng)度空間自相關(guān)，可見氣候、水文、地形、土壤等結(jié)構(gòu)因素對研究區(qū)土壤鹽分空間分布具有中等強(qiáng)度的影響，同時(shí)種植結(jié)構(gòu)、灌溉和施肥等人為隨機(jī)因素亦對土壤鹽分空間分布具有重要影響。隨著采樣間隔的增大，土壤鹽分空間自相關(guān)性增強(qiáng)，即人為活動(dòng)如種植、灌溉、施肥等隨機(jī)因素對土壤鹽分空間異質(zhì)性的影響逐漸減弱，而氣候、水文、地形、土壤等結(jié)構(gòu)因素對土壤鹽分空間分布的影響不斷增強(qiáng)。因此，在人為活動(dòng)等隨機(jī)因素影響較大的中小尺度上，有必要加密采樣數(shù)量，以充分了解土壤鹽分的空間分布和變異特征。

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