孔雀河流域農(nóng)業(yè)灌區(qū)土壤鹽分空間分布及變異特征①

張 雪，陳耀軒，張 盼，楊峰田*

(1 吉林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，水資源與環(huán)境研究所，長春 130021；2 吉林省煤田地質(zhì)勘察設(shè)計研究院，長春 130062)

孔雀河流域農(nóng)業(yè)灌區(qū)土壤鹽分空間分布及變異特征①

張 雪1，陳耀軒1，張 盼2，楊峰田1*

(1 吉林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，水資源與環(huán)境研究所，長春 130021；2 吉林省煤田地質(zhì)勘察設(shè)計研究院，長春 130062)

為查明孔雀河流域的土壤鹽分空間分布及變異特征，進而為地區(qū)鹽漬化土壤改良與利用提供科學(xué)依據(jù)。在該區(qū)25個點逐層采集土壤剖面樣品，測試土壤鹽分含量，利用地統(tǒng)計學(xué)基本原理與手段，獲得區(qū)內(nèi)土壤鹽漬化的空間變異信息參數(shù)，繪制了區(qū)域土壤鹽分含量空間分布圖。研究表明：0 ~ 20 cm和20 ~ 60 cm屬中度鹽漬土，60 ~ 100 cm屬輕度鹽漬土；各土層鹽分含量處于強變異性范圍；塊基值<25%，具有強空間相關(guān)性，結(jié)構(gòu)性因素對其空間變異的貢獻較大；土壤鹽分含量存在明顯的空間分布規(guī)律，水平方向上由上游至下游含鹽量先增后減，隨距河流距離增加含鹽量緩慢增大，垂直方向隨深度增加含鹽量逐漸減小。

孔雀河流域；地統(tǒng)計學(xué)；土壤鹽分；空間變異

孔雀河流域是巴州經(jīng)濟社會高速發(fā)展的核心地帶，主要農(nóng)作物為香梨和棉花，土地資源起著非常重要的作用。由于地處西北干旱地區(qū)，土壤鹽漬化現(xiàn)象嚴重，是研究區(qū)主要的土地退化形式之一，不但造成資源的破壞、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的巨大損失，而且對生物圈和生態(tài)環(huán)境構(gòu)成威脅[1]。

國內(nèi)外大量研究表明，土壤中鹽分積累過程是受氣候、成土母質(zhì)、地形地貌、水資源等自然因素和人為因素相互疊加作用的結(jié)果[2]，具有復(fù)雜性和高度的時空變異性[3]。土壤鹽分的空間變異狀態(tài)在一定程度上反映了土壤耕作層內(nèi)的土壤鹽漬化程度和狀態(tài)[4]，對區(qū)域土壤鹽分空間變異性的正確理解是科學(xué)管理利用土壤資源的基礎(chǔ)[5]。因此研究土壤鹽分的空間變異性是防治土壤鹽漬化發(fā)生發(fā)展和鹽漬地科學(xué)管理的前提[6]。

地統(tǒng)計學(xué)方法是以區(qū)域化變量為核心和理論基礎(chǔ)，以地質(zhì)變量的空間結(jié)構(gòu)(空間相關(guān))和變異函數(shù)為基本工具的一種數(shù)學(xué)地質(zhì)方法[7]。20世紀70年代地統(tǒng)計學(xué)引入到土壤學(xué)科中來[8]。現(xiàn)今，它已被證明是分析土壤特性空間分布特征及其變異規(guī)律最為有效的方法之一[9]。不僅能夠有效地揭示屬性變量在空間上的分布、變異和相關(guān)特性，而且可以將空間格局與生態(tài)過程聯(lián)系起來，有效地解釋空間格局對生態(tài)過程與功能的影響[10]。

我國開展鹽漬土研究已經(jīng)有70年的歷史[11]，對我國鹽漬土的類型分布，鹽漬化發(fā)生、演化的機理與趨勢都有了比較系統(tǒng)的認識[12]。近年來，關(guān)于孔雀河的研究主要集中在流域土地利用和水質(zhì)變化等方面，2010年尹業(yè)彪等[13]研究了沿孔雀河流向的土壤鹽分空間變異問題。本次研究利用地統(tǒng)計學(xué)與Kriging插值相結(jié)合的方法對孔雀河流域的土壤鹽分空間分布及變異特征進行分析，進而為地區(qū)鹽漬化土壤改良與利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于新疆塔里木盆地北緣孔雀河流域中上游，85°45′ ~ 86°18′E、41°30′ ~ 41°52′N的農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)域，面積約1 206 km2。該區(qū)屬暖溫帶大陸性荒漠氣候，多年平均氣溫11.3℃，夏季炎熱，冬季寒冷，干旱少雨，蒸發(fā)強烈，多年平均降水量61.26 mm、平均蒸發(fā)量2 772.8 mm。地勢總體上呈東北高、西南低的趨勢，地形平坦開闊，坡降5‰ ~ 30‰，海拔高層890 ~ 960 m。山前帶松散巖類孔隙水TDS(總?cè)芙夤腆w，本次研究不包含有機物)含量一般為0.5 ~ 1.0 g/L，由東北向西南，受溶濾作用影響，調(diào)查區(qū)中部地區(qū)地下水TDS含量大于3 g/L，沿地下水流向，潛水埋深變淺，蒸發(fā)作用變強，在調(diào)查區(qū)西南端形成地下水TDS含量大于10 g/L的高礦化度咸水區(qū)。巖性結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由山前向傾斜平原，由單一結(jié)構(gòu)的卵礫石、砂礫石過渡為亞黏土、亞砂土和砂層、砂礫石互層的多層結(jié)構(gòu)。土地利用類型包括香梨地、棉花地、林地、裸地、農(nóng)村宅基地以及城鎮(zhèn)住宅用地，其中大部分區(qū)域為農(nóng)業(yè)種植區(qū)，作物類型主要為棉花和香梨。近年來，隨著社會經(jīng)濟快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)規(guī)模迅速擴大，新增農(nóng)田多為對裸地等含鹽量較高的土地進行灌溉洗鹽改善而來。區(qū)內(nèi)唯一的地表水源為孔雀河，河水由各類渠系從調(diào)查區(qū)北部引向各灌溉區(qū)，存在季節(jié)性缺水，缺水主要集中在作物生長季，因此農(nóng)業(yè)灌溉需開采地下水。灌溉方式以大水漫灌為主。

1.2 土壤樣品采集與處理

本研究采用 GPS定位技術(shù)，以孔雀河流域 1︰50 000地形圖為基礎(chǔ)，綜合考慮巖性、灌溉水源、灌溉方式、作物類型等因素，取樣時兼顧代表性和均勻性，共鉆取25個采樣孔，每個采樣孔按0 ~ 20、20 ~ 60、60 ~ 100 cm土層深度利用土壤樣品取樣器進行分層采樣，共采集75個土壤樣品，將其放入自封袋中密封保存。采樣點分布圖見圖 1。采樣日期為 2014年7—8月，各采樣點坐標利用GPS進行定位。對所采集的土壤樣品進行風(fēng)干研磨，過1 mm篩，以水土比5︰1進行抽濾浸提，按常規(guī)方法進行土壤鹽分含量的測定[14]。測試結(jié)果見表1。

圖1 研究區(qū)及采樣點分布圖Fig. 1 Studying location and sampling sites

表1 土壤含鹽量值Table 1 The values of soil salinity

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

本文利用SPSS.Statistic.v19.0對數(shù)據(jù)進行傳統(tǒng)統(tǒng)計分析及正態(tài)分布檢驗，利用GS+version9對不符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)進行對數(shù)轉(zhuǎn)換并進行半方差函數(shù)的計算及擬合，利用Surfer 8.0根據(jù)擬合模型及其參數(shù)進行Kriging插值，生成土壤鹽分的2維空間分布等值線圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤鹽分的統(tǒng)計特征分析及正態(tài)分布檢驗

利用 SPSS.Statistics.v19.0對數(shù)據(jù)進行描述性統(tǒng)計分析及正態(tài)分布檢驗，各層土壤鹽分統(tǒng)計特征值見表2。從表2可以看出，研究區(qū)在0 ~ 20、20 ~ 60、60 ~ 100 cm土層深度內(nèi)土壤含鹽量均值隨深度的增大而減小，分別為2.90、2.07、1.77 g/kg，根據(jù)干旱區(qū)土壤鹽化分級標準，0 ~ 20 cm和20 ~ 60 cm屬中度鹽漬土，60 ~ 100 cm屬輕度鹽漬土[15]，變異系數(shù)反映的是相對變異，即隨機變量的離散程度，Cv≤0.1為弱變異性，0.1

表2 各土層鹽分的統(tǒng)計特征值Table 2 Statistical eigenvalues of soil salinity at all depths of soil profiles

對土壤含鹽量的傳統(tǒng)統(tǒng)計分析只能概括土壤鹽分狀況的全貌，不能反映其局部的變化特征，即只在一定程度上反映總體狀況，不能定量刻畫土壤鹽分分布的隨機性和結(jié)構(gòu)性、獨立性和相關(guān)性。為此，需采用地統(tǒng)計方法進行空間變異結(jié)構(gòu)的分析和探討。半方差函數(shù)計算要求數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布或近似正態(tài)分布，否則可能存在比例效應(yīng)，正態(tài)分布檢驗是地統(tǒng)計方法研究空間變異的前提[17]。本次研究利用SPSS19.0軟件選用Q-Q檢驗圖法對數(shù)據(jù)進行正態(tài)分布檢驗。經(jīng)驗證，3個土層深度均符合對數(shù)正態(tài)分布，經(jīng)對數(shù)轉(zhuǎn)換后的Q-Q檢驗圖見圖2。

圖2 各層土壤含鹽量Q-Q檢驗圖Fig. 2 The Q-Q test chart of soil salinity values for each layer of soil profiles

2.2 土壤鹽分空間變異的半方差分析

式中：γ(h) 為半方差函數(shù)；h為分隔兩樣點的矢量，稱為步長；N(h) 為相距為h的樣點對數(shù)目；Z(x) 和Z(xi+h) 分別為區(qū)域化變量Z(x) 在位置xi和xi+h處的實測值[19]。

半方差函數(shù)一般用變異曲線來表示，當定量描述研究區(qū)域的變異特征時，需要建立變異函數(shù)的理論模型[18]。

利用GS+ 將不符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)進行對數(shù)轉(zhuǎn)換，各層土壤鹽分地統(tǒng)計學(xué)的半方差模型及其擬合參數(shù)見表3，半變異函數(shù)圖及其模型擬合結(jié)果見圖3。

表3 半方差模型及其擬合參數(shù)Table 3 Semi-variance model and corresponding fitting parameters

圖3 各層土壤含鹽量半方差圖Fig. 3 The semi-variance grams of the soil salinity for each layer of soil profiles

由表3可知，各層土壤鹽分的半變異函數(shù)均符合高斯模型，決定系數(shù)分別為0.719、0.526和0.712，理論模型與實驗變異函數(shù)擬合效果較好。塊金值(C0)表示隨機變異的大小，主要有兩個來源：一是來源于小于最小取樣間隔內(nèi)的土地利用、灌溉、種植、管理等自然過程造成的變異，二是來源于實驗誤差。結(jié)構(gòu)性方差(C)表示系統(tǒng)變異的大小，反映土壤母質(zhì)、地形、植被等環(huán)境因素造成的變異。基臺值(C0+C)是變異函數(shù)達到的極限值，基臺值約等于變量的總方差。塊金值與基臺值的比值(C0/C0+C)反映隨機變異占總變異的大小，該比值高，說明由隨機分布引起的空間變異性程度較大，相反則由結(jié)構(gòu)性因素引起的空間變異性程度較大。塊金值/基臺值<25%，空間相關(guān)性強；在25% ~ 75% 之間，空間相關(guān)性中等；>75% 時，空間相關(guān)性弱[20]。各層土壤的塊基值比分別為21.2%、19.6% 和13.0%。比值<25%，具有強空間相關(guān)性，且隨深度增加，比值逐漸降低，表明空間相關(guān)性逐漸增加，受結(jié)構(gòu)性因素影響逐漸加大，人為因素對土壤含鹽量影響減弱。變程是隨機變量在空間上的自相關(guān)尺度[21]，在變程之內(nèi)，空間上是越靠近的點之間的相關(guān)性越大，相距大于變程的點之間不具備相關(guān)性[22]，土壤鹽分的空間變程隨深度增加逐漸變大，分別為47.01、55.05、56.06 km。這是由于表層受人為因素影響較大，受結(jié)構(gòu)性因素影響較小，隨深度增加，前者影響減小，后者影響增大，使土壤含鹽量的自相關(guān)尺度加大。

2.3 土壤鹽分的空間分布特征分析

利用 surfer軟件對由土壤樣品測定的土壤含鹽量進行kriging插值，繪制農(nóng)業(yè)灌區(qū)土壤含鹽量分布圖，并根據(jù)2014年10月的統(tǒng)測資料繪制了灌區(qū)水位埋深等值線圖(圖 4)。由圖可知，農(nóng)業(yè)灌區(qū)土壤鹽分具有表聚性，隨土層深度增加，土壤含鹽量呈減小趨勢，這是因為研究區(qū)降水稀少、蒸發(fā)作用強烈、淋溶作用微弱，鹽分在毛細管作用影響下向地表聚集。另外各層土壤含鹽量由上游至下游呈先增大后減小的趨勢，結(jié)合水位埋深等值線圖可知，中游地帶水位埋深很淺，毛細作用強。同時，土壤含鹽量隨距孔雀河距離的增大而緩慢增加，這是因為據(jù)河流越遠，地表水資源越缺乏，灌溉水中高TDS的地下水所占比例越大。在灌區(qū)的南部出現(xiàn)含鹽量高值區(qū)，而南部為地下水強烈開采區(qū)，幾乎只引用高礦化度的地下水進行灌溉。在垂直方向上，隨著深度的增大，蒸發(fā)作用對鹽分累積影響逐漸減弱，鹽分含量逐漸減小。

2.4 土壤鹽化成因分析

土壤鹽化的形成主要受土壤母質(zhì)、地形、氣候等結(jié)構(gòu)性因素，以及灌溉不當?shù)热藶橐蛩赜绊憽Ｖ饕w現(xiàn)在幾個方面：①研究區(qū)土壤母質(zhì)鹽分較高，氣候干旱，地面蒸發(fā)強烈，降雨稀少，水位埋深淺，土壤及地下水中的可溶性巖類隨上升水流蒸發(fā)、濃縮，累積于地表；②通過對裸地等含鹽量較高的土地進行灌溉洗鹽來擴大農(nóng)業(yè)規(guī)模，使鹽分隨水流運移到土壤及地下水中，增大其鹽分含量；③隨著農(nóng)業(yè)規(guī)模的迅速擴大，在作物生長季存在季節(jié)性缺水，地表水供水緊張，因此開采地下水(TDS高)進行灌溉，且開采規(guī)模逐漸加大，機井開采數(shù)量增加(由20世紀80年代末的100眼增加到現(xiàn)狀的近400眼)，開采深度增加(由50 ~ 70 m增加到150 m左右)。高TDS地下水對土壤進行灌溉必然導(dǎo)致其TDS增大；④區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)灌溉方式以大水漫灌為主，在重灌輕排的情況下，使地下水位埋深變淺，在強烈的蒸發(fā)作用影響下，水去鹽留，加重土壤鹽漬化現(xiàn)象；⑤由于大片草地、林地被開墾成農(nóng)業(yè)導(dǎo)致植被逐步退化和消亡，取而代之的是不同程度的沙化地。

3 結(jié)論及建議

3.1 結(jié)論

1) 孔雀河流域農(nóng)業(yè)灌區(qū)土壤含鹽量隨深度的增大而減小，0 ~ 20、20 ~ 60、60 ~ 100 cm土層深度處的含鹽量均值分別為2.90、2.07和1.77 g/kg，0 ~ 20 cm和20 ~ 60 cm屬中度鹽漬土，60 ~ 100 cm屬輕度鹽漬土。各土層深度從上游到下游土壤鹽分含量逐漸增大。且隨距孔雀河距離的增大土壤鹽分含量呈增加的趨勢，且在地下水強烈開采區(qū)出現(xiàn)土壤鹽分含量高值區(qū)。

圖4 各層土壤含鹽量等值線圖 (g/kg)及灌區(qū)水位埋深等值線圖Fig. 4 The isoline of the soil salinity for each layer (g/kg) in soil profiles and the depth map of irrigated area

2) 研究區(qū)各土層深度處土壤含鹽量變異系數(shù)分別為0.90、1.06和1.00，變異系數(shù)基本處于強變異性范圍。塊基值比分別為21.2%、19.6% 和13.0%，比值<25%，具有強空間相關(guān)性，且隨深度增加，比值逐漸降低，表明空間相關(guān)性逐漸增加，受結(jié)構(gòu)性因素影響逐漸加大，人為因素對土壤含鹽量影響減弱。空間變程隨深度增加逐漸變大，分別為47.01、55.05、56.06 km。

3) 孔雀河流域氣候干旱、地面蒸發(fā)強烈、降雨稀少、水位埋深淺以及土壤母質(zhì)鹽分較高等結(jié)構(gòu)性因素是土壤鹽漬化的主要控制因素，而灌溉不良等人為因素是造成土壤次生鹽漬化的主要原因。

3.2 建議

1) 為了減弱蒸發(fā)作用進而防止鹽分在土壤中積聚，應(yīng)完善灌排體系，增大地下水位埋深。

2) 為避免由于水資源短缺、不斷開采高礦化度地下水進行農(nóng)業(yè)灌溉從而引發(fā)土壤鹽化的環(huán)境地質(zhì)問題，建議控制當?shù)剞r(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)模，發(fā)展節(jié)水型作物，同時盡量采用對土壤鹽分含量影響較小且節(jié)水的膜下滴灌的灌溉方式進行灌溉。

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Soil Salinity Spatial Distribution and Variation Characteristics in Irrigated Land of Kongque River Basin

ZHANG Xue1, CHEN Yaoxuan1, ZHANG Pan2, YANG Fengtian1*
(1Institute of Water Resources and Environment,College of Environment and Resources,Jilin University,Changchun130021,China; 2The Coal Field Perambulation Design Research Institute of Jilin Province,Changchun130062,China)

This study was conducted to find out soil salinity spatial distribution and variation characteristics of Kongque River basin, and in turn to provide scientific basis for the amelioration and utilization of saline soil. Soil samples in each layer from 25 profiles were collected to determine the salinity of the soil. The spatial variation characteristics of soil salinity were investigated with the methods of geostatictics, and then the map of soil salinity spatial distribution was made. The results showed that the soils from 0–20 cm and 20–60 cm layers are in a moderate salinization and these from 60–100 cm layer are in a mild salinization. The soil salinity of each layer exhibited great spatial variation. The nugget-to-sill ratios are smaller than 25%, so the spatial correlations are strong. The spatial variation of soil salinity was mainly determined by structural factors. The soil salinity showed obvious spatial distribution regularity. In the horizontal direction, soil salinity increased firstly and than decreased from the upper river to the lower reaches. The salinization also increased with the increasing distance from the river. In the vertical direction, soil salinity decreased with the increasing depth of the soil profiles.

Kongque River basin; Geostatistics; Soil salinity; Spatial variation

S151.9

10.13758/j.cnki.tr.2016.06.023

國家自然科學(xué)基金青年基金項目(41202167)資助。

* 通訊作者(yangfengtian@jlu.edu.cn)

張雪(1992—)，女，吉林梅河口人，碩士研究生，主要研究方向為地下水科學(xué)與工程。E-mail: zhangxue566@163.com