克里雅綠洲地下水埋深時(shí)空變化對(duì)土壤鹽分分布的影響

努爾麥麥提江·吾布里卡斯穆，塔西甫拉提·特依拜，阿不都拉·阿不力孜，鄧煜霖，買買提·沙吾提，張 飛

(1.新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830046；2.綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830046)

地下水是干旱區(qū)有限水資源中的重要組成部分，從時(shí)空上直接或者間接作用于地表的生態(tài)環(huán)境[1,2]。干旱區(qū)地表水資源一般都具有較大時(shí)空分布的差異性和有限性，加之干旱區(qū)降水稀少，使得在大多數(shù)情況下，干旱區(qū)綠洲主要利用地下水和河流水來(lái)維持其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)。干旱區(qū)灌溉方式如果不合理則會(huì)引起土壤鹽漬化等眾多生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。在我國(guó)西北干旱地區(qū)地下水比較淺，地區(qū)的灌溉方式以傳統(tǒng)的大田漫灌為主，這很容易引起地下水位抬高，加之當(dāng)?shù)馗珊档臍夂驐l件和地下水的強(qiáng)烈蒸發(fā)，土壤次生鹽漬化問(wèn)題日益突出[3,4]。當(dāng)?shù)赝寥利}漬化的分布狀況可以通過(guò)地下水埋深空間異質(zhì)性與土壤不同深度鹽分分布的關(guān)系來(lái)反映[5]，因此，研究地下水埋深與土壤鹽分之間的關(guān)系，對(duì)防止土壤鹽漬化及提高農(nóng)作物產(chǎn)量具有重要意義。

近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者大量研究了地下水與土壤鹽漬化的關(guān)系并取得了一些研究成果。Salama等[6]認(rèn)為地下水對(duì)鹽分的影響使得鹽分發(fā)生遷移、積累和釋放運(yùn)動(dòng)。Mahmood等[7]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)地下水位上升會(huì)造成了土壤鹽漬化并且加速了土地退化。賈大林和傅正泉[8]通過(guò)室內(nèi)土壤模擬實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在地下水蒸發(fā)運(yùn)移過(guò)程中，鹽分聚集于表層土壤是由于下層土體鹽分溶解向上運(yùn)動(dòng)。楊勁松等[9]以新疆塔里木灌區(qū)為研究區(qū)，分析了0～50 cm土壤層積鹽速率與地下水埋深的關(guān)系。近年來(lái)研究土壤特性時(shí)空變異規(guī)律的一種有效手段是地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)與 GIS技術(shù)[10,11]。地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法是在地理學(xué)研究中常用的有效手段，許多學(xué)者在研究地下水埋深與鹽分關(guān)系時(shí)應(yīng)用了此方法，并得到了較好的結(jié)果。Eldeiry等[12]將GIS、遙感及空間模型相結(jié)合，在土壤鹽堿化的遙感估算中使用了Kriging模型、空間自回歸模型和最小二乘法模型，研究結(jié)果表明空間模型與遙感的相結(jié)合，使土壤鹽漬化空間分布特征的研究精度在一定程度上得以提高。阮本清[13]對(duì)寧夏回族自治區(qū)青銅峽灌區(qū)地下水埋深的時(shí)空變異的規(guī)律進(jìn)行研究。杜軍等[14]研究發(fā)現(xiàn)，在特定區(qū)域地下水礦化度的時(shí)空分布規(guī)律受到地下水埋深的時(shí)空分布規(guī)律的影響。綜上所述，地下水埋深時(shí)空分布對(duì)干旱區(qū)土壤鹽漬化的影響極為突出。

克里雅綠洲是處在塔里木盆地南緣，氣候極為干旱，蒸發(fā)量高，自然條件下土壤鹽漬化比較嚴(yán)重，而且綠洲農(nóng)業(yè)以大水漫灌為主，蒸發(fā)量極大的自然環(huán)境條件下，使土壤層鹽分含量增大，加劇了土壤鹽漬化，對(duì)綠洲可持續(xù)發(fā)展造成了一定威脅。目前，對(duì)克里雅綠洲水鹽一體進(jìn)行的研究較少。本文在前人的研究基礎(chǔ)上，利用實(shí)測(cè)獲得的和通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)獲取的地下水埋深數(shù)據(jù)及土壤EC值，采用地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)與GIS相結(jié)合的方法，對(duì)克里雅綠洲地下水埋深時(shí)空變化與土壤鹽分在不同季節(jié)的空間變異特征的關(guān)系進(jìn)行研究分析，為提高克里雅綠洲農(nóng)作物產(chǎn)量、防止土壤鹽漬化及為綠洲可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

克里雅綠洲地處新疆維吾爾自治區(qū)塔里木盆地南緣克里雅河流域，氣候類型是暖溫帶內(nèi)陸干旱性沙漠氣候，地勢(shì)特點(diǎn)是南高北低，南靠昆侖山，北部靠近塔克拉瑪干沙漠，自南向北形成高山、戈壁、沙漠等地貌單元，是一個(gè)典型的綠洲荒漠交錯(cuò)地區(qū)。該綠洲降水稀少、蒸發(fā)量大，平原綠洲區(qū)年均降水僅有14 mm，蒸發(fā)量則高達(dá)2 500 mm，屬典型的極端干旱區(qū)[15]。由于蒸發(fā)量高，表層積鹽現(xiàn)象十分嚴(yán)重，鹽漬化主要分布在地勢(shì)相對(duì)低的灌溉綠洲中下部地區(qū)，在這一帶區(qū)域具有潛水溢出，其礦化度較高。綠洲南部山區(qū)由于地貌和氣溫的影響，植被分布面積較小，區(qū)系較單一，綠洲中北部平原區(qū)植被類型比較單一，除了人工培育的多種糧食、經(jīng)濟(jì)作物和防護(hù)林之外還有胡楊、檉柳、蘆葦、甘草、駱駝刺等耐旱耐鹽性植被。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源于分析方法

在克里雅綠洲之內(nèi)，根據(jù)該地區(qū)土壤分布、地貌特征、土壤鹽漬化程度、植被退化程度與分布情況等不同條件，在整個(gè)研究區(qū)之內(nèi)設(shè)置地下水位觀測(cè)井24眼，觀測(cè)井跨越人造綠洲和天然綠洲，東西方向跨度近52 km，南北方向跨度近45 km，經(jīng)過(guò)克里雅河，距離克里雅河最近距離不到100 m，最遠(yuǎn)距離達(dá)50 km，用HOBO自動(dòng)記錄儀記錄地下水埋深動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，水位監(jiān)測(cè)頻率為6 次/d，并在每個(gè)觀測(cè)井周邊進(jìn)行了分層取樣(土壤樣品點(diǎn)與地下水觀測(cè)井的相對(duì)距離不大于10 m)。采樣時(shí)間為2012年春、夏和秋3個(gè)不同季節(jié)，土壤樣品的采樣深度分別為0～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm。將集體采樣的土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干、碾碎、過(guò)篩后，制備土水比1∶5浸提液，采用DDS-307電導(dǎo)率儀測(cè)定土壤樣品電導(dǎo)率(土壤EC值)。

本研究采用徑向基插值方法(RBF)進(jìn)行空間變異性分析。徑向基函數(shù)插值法最初是散亂數(shù)據(jù)插值的一種基本方法，它的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)配置靈活、工作量小、計(jì)算格式簡(jiǎn)單、精度較高[16]。通過(guò)交叉驗(yàn)證方法對(duì)地下水埋深與土壤鹽分的預(yù)測(cè)精度進(jìn)行評(píng)估。通過(guò)模型得到的預(yù)測(cè)值與觀測(cè)值之間的平均誤差越接近于零，均方根誤差越小，表明模型估算的準(zhǔn)確性越高，反之則模型估算的準(zhǔn)確性越差[17]。平均誤差(ME)和均方根誤差(RMSE)通過(guò)以下公式計(jì)算：

ME=∑ (zi*-zi)

(1)

(2)

式中：zi*表示觀測(cè)值；zi表示預(yù)測(cè)值；n表示觀測(cè)數(shù)量。

3 結(jié)果與分析

3.1 地下水埋深與土壤鹽分的統(tǒng)計(jì)特征

根據(jù)克里雅綠洲24眼地下水觀測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)和通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)獲取的土壤電導(dǎo)率數(shù)據(jù)繪制了研究區(qū)地下水埋深與土壤樣品EC值(土壤EC值表示土壤電導(dǎo)率，土壤電導(dǎo)率越高，鹽分就越高)的分析統(tǒng)計(jì)表(見(jiàn)表1)。由表1可以發(fā)現(xiàn)，克里雅綠洲春、夏、秋3個(gè)不同時(shí)期地下水埋深最小值均為0，夏季地下水埋深最大值和平均值(24眼地下水位觀測(cè)井在春、夏、秋季的地下水平均埋深)均比春、秋季大，地下水埋深預(yù)測(cè)平均誤差均為10%(-0.115～-0.105)左右，而均方根誤差為2.745～3.288，說(shuō)明預(yù)測(cè)精度較好。對(duì)土壤EC值而言，夏、秋季土壤EC平均值(指在實(shí)驗(yàn)室通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲取的)比春季相對(duì)高，除了秋季0～10 m深度為20%之外，春、夏、秋季各個(gè)不同深度預(yù)測(cè)平均誤差為10%或者小于10%(-0.002～0.085)，土壤0～10cm深度的均方根誤差均比10～20、20～40 cm深度的大。

表1 地下水埋深與土壤EC值的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果Tab.1 Descriptive statistics of groundwater depth and EC value of soil

3.2 地下水埋深時(shí)空異質(zhì)性

根據(jù)獲得的地下水埋深數(shù)據(jù)，繪制了研究區(qū)20眼觀測(cè)井水位一年內(nèi)變化圖(見(jiàn)圖1)。由圖1可以發(fā)現(xiàn)，克里雅綠洲不同季節(jié)地下水埋深變化比較大，整體上來(lái)看，春季地下水埋深變化幅度最大，秋季最小。一年中每個(gè)樣地地下水埋深呈多次波動(dòng)，接近50%觀測(cè)井最大埋深出現(xiàn)在夏季，40%出現(xiàn)在秋季，而60%觀測(cè)井最小埋深出現(xiàn)在春季，地下水埋深隨樣地不同而變化不一，其中靠近克里雅河的9號(hào)觀測(cè)井一年內(nèi)水位波動(dòng)最大，可達(dá)6 m。

根據(jù)春、夏、秋季地下水埋深數(shù)據(jù)的插值結(jié)果，得到了3個(gè)不同季節(jié)地下水埋深空間分布圖(見(jiàn)圖2)。由圖2可知，由于該綠洲地形特征為南高北低，克里雅河流水、農(nóng)業(yè)灌溉水和地下水徑流流向均為由南到北，并形成了綠洲地下水埋深南深北淺的分布特征。研究區(qū)南部地下水埋深最大，這主要由于南部地勢(shì)較高，水系比較單一，并且地下水有一定的開采；地下水埋深最淺的區(qū)域在研究區(qū)中心和東北部，這主要是因?yàn)樵搮^(qū)離克里雅河較近，域地勢(shì)較低，綠洲中心區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉水沉積在該區(qū)域；研究區(qū)西北部分區(qū)域地下水埋深比較大，主要原因是該區(qū)域離克里雅河與綠洲中心比較遠(yuǎn)，河流與地下水徑流的補(bǔ)給作用不明顯。

圖1 地下水月季變化Fig.1 Monthly change of groundwater depth

圖2 地下水埋深空間分布Fig.2 Spatial distribution of groundwater depth

3.3 土壤鹽分空間變化

根據(jù)前面得到的土壤EC值分析結(jié)果，利用Arcgis10.1繪制了克里雅綠洲春、夏、秋季不同深度的土壤EC值空間分布圖(見(jiàn)圖3)。由圖3可知，春季土壤EC值分布特征均較復(fù)雜，0～10 cm土壤鹽分在綠洲中部和西北部達(dá)到最大值，10～20 cm土壤鹽分在西北部達(dá)到最大值，20～40 cm鹽分值連續(xù)性最好，在北部達(dá)到最大值，在西北部的沼澤地周邊土壤EC值較小，主要原因是春季氣溫不是很高(春季平均氣溫為16 ℃)，土壤積鹽能力較弱；夏季土壤EC值連續(xù)性較春秋季相對(duì)好，原因是溫度高(平均氣溫為26.5 ℃)，整個(gè)地區(qū)地下水蒸發(fā)量大，土壤積鹽嚴(yán)重，鹽分含量均在綠洲中北部達(dá)到最大值；秋季0～10 cm鹽分值連續(xù)性較差，在中部和北部達(dá)到最大值，10～20、20～40 cm土壤含鹽量的高值區(qū)在中北部，連續(xù)性較0～10 cm深度相對(duì)好。總的來(lái)說(shuō)，從南、東南部到北部土壤含鹽量呈增加趨勢(shì)。

圖3 土壤EC值空間分布Fig.3 Spatial distribution of EC value of soil

3.4 地下水埋深對(duì)土壤鹽分的影響

研究表明地下水埋深及礦化度對(duì)土壤鹽分和土壤鹽漬化狀況的影響最大，其中，土壤發(fā)生鹽漬化的關(guān)鍵性因素是地下水埋深[18,19]。由圖2和圖3可以看出，地下水埋深與土壤鹽分的關(guān)系極為密切[20]。克里雅綠洲地下水埋深呈南深北淺的分布特征，東南部最深的達(dá)到10 m以上，從南向北逐漸減小，土壤鹽分隨著地下水埋深的減少而增加，在地下水埋深最深的綠洲東南部土壤鹽分含量最低，而在地下水埋深較淺的中北部區(qū)域達(dá)到最大值。作為我國(guó)塔克拉瑪干沙漠南轅的一個(gè)綠洲，其氣候十分干旱，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)夏季最頻繁，用水量高，因此夏季研究區(qū)地下水平均埋深較春季和秋季大，但是該區(qū)域夏季平均氣溫最高，蒸發(fā)量大，夏季土壤積鹽現(xiàn)象較春季和秋季嚴(yán)重。在地下水埋深最大的綠洲東南部區(qū)域，土壤含鹽量低，反之地下水埋深較淺的中北部，土壤積鹽越嚴(yán)重，這說(shuō)明，克里雅綠洲土壤含鹽量受地下水埋深制約極為明顯。“鹽隨水來(lái)，鹽隨水去”， 土壤鹽分隨毛管水上升到地表，水分蒸發(fā)后，使鹽分積累在表層土壤中。由于研究區(qū)氣候干旱，即使綠洲地下水埋深比較淺的部分區(qū)域地下水含鹽量較少，但是蒸發(fā)強(qiáng)烈，土壤中的水分大量蒸發(fā)，會(huì)攜帶大量鹽分到達(dá)土壤表層，使土壤積鹽。因此，將地下水控制在合理的深度，土壤才不會(huì)發(fā)生積鹽。

根據(jù)不同地勢(shì)、地下水埋深、土壤性質(zhì)與植被生長(zhǎng)狀況，選取綠洲之內(nèi)8、9、24號(hào)地下水觀測(cè)井地下水埋深與不同土壤層鹽分?jǐn)?shù)據(jù)來(lái)分析地下水埋深與土壤鹽分之間的關(guān)系(見(jiàn)圖4)。由圖4可知，觀測(cè)井地下水埋深越深鹽分含量越小，反之則鹽分含量越大。8號(hào)觀測(cè)井處在研究區(qū)北部的綠洲-沙漠過(guò)渡帶，周邊主要植被類型以蘆葦為主，離克里雅河主干道100 m左右，地下水埋深比較淺，3期地下水埋深在2 m上下波動(dòng)，土壤表層積鹽的現(xiàn)象十分嚴(yán)重，不同土壤層之間鹽分含量變化劇烈；9號(hào)觀測(cè)井處在綠洲南部農(nóng)業(yè)區(qū)，人類活動(dòng)頻繁，自然植被類型以紅柳、駱駝刺為主，離克里雅河主干道不到100 m，其農(nóng)業(yè)用水量大而且有地下水開采現(xiàn)象，地下水埋深比較深，一年不同季節(jié)內(nèi)波動(dòng)可達(dá)6 m，但是不同季節(jié)且不同土壤層間鹽分含量較低而且變化不明顯，這表明，該觀測(cè)井附近地下水埋深對(duì)土壤積鹽的作用不明顯；24號(hào)觀測(cè)井處在研究區(qū)中部，植被類型以蘆葦和駱駝刺為主，地下水埋深為2.0～2.5 m上下波動(dòng)，因24號(hào)觀測(cè)井地勢(shì)相對(duì)低，靠近人類活動(dòng)頻繁的農(nóng)業(yè)區(qū)，農(nóng)業(yè)灌溉水沉積在該觀測(cè)井附近，因此，土壤積鹽現(xiàn)象嚴(yán)重，土壤各層鹽分含量均高。

圖4 典型點(diǎn)地下水埋深與土壤鹽分關(guān)系Fig.4 The relationship between groundwater depth and soil salinity in typical points

4 討 論

地下水埋深時(shí)空分布與土壤鹽分的空間異質(zhì)性密切相關(guān)[21]。在克里雅綠洲控制土壤鹽漬化的重要手段是控制綠洲地下水埋深，而綠洲地勢(shì)、土壤性質(zhì)、溫度、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)頻繁、灌溉量等因素也對(duì)地下水埋深和土壤鹽分有一定的影響。除了綠洲南部的部分區(qū)域之外，克里雅綠洲中北部大部分區(qū)域地下水埋深小于3 m，綠洲農(nóng)業(yè)以大水漫灌為主，蒸發(fā)量極大的自然環(huán)境條件下，使土壤層鹽分含量增大，引起土壤鹽漬化。防止土壤發(fā)生積鹽的關(guān)鍵在于控制綠洲地下水埋深，采取適合于本地區(qū)水資源狀況的灌溉措施，防止地下水位的抬升[22]。但是研究區(qū)面積比較大并且在該區(qū)域土壤沙漠化和鹽漬化現(xiàn)象共存，如何控制地下水的最佳深度，減緩?fù)寥利}漬化，還需要考慮地貌、土壤、植被、管理政策及當(dāng)?shù)鼐S吾爾居民的生活習(xí)慣等因素。

5 結(jié) 論

(1)從預(yù)測(cè)結(jié)果來(lái)看，地下水埋深預(yù)測(cè)平均誤差為10%，均方根誤差為2.745～3.288：對(duì)土壤EC值而言，秋季0～10 cm深度預(yù)測(cè)平均差為20%，春夏季節(jié)不同深度預(yù)測(cè)平均誤差不大于10%(-0.002～0.085)，隨著土壤深度的增加，均方根誤差變小。總的來(lái)說(shuō)，地下水埋深及土壤EC值預(yù)測(cè)精度較好。

(2)克里雅綠洲地下水埋深不同季節(jié)時(shí)空上的變化比較大，由綠洲南部至北部地下水埋深整體上呈減小趨勢(shì)，但是不同3個(gè)季節(jié)地下水埋深最小值出現(xiàn)在綠洲中西部的沼澤地(4號(hào)觀測(cè)井區(qū)域)。綠洲中部區(qū)域人類活動(dòng)頻繁，對(duì)地下水埋深變化的影響較大，因此，在不同時(shí)期內(nèi)地下水埋深波動(dòng)比較大，最大可達(dá)6 m。

(3)春、夏、秋3個(gè)季節(jié)土壤EC值從南到北呈增大的趨勢(shì)，農(nóng)業(yè)灌溉水沉積的中部區(qū)域和地勢(shì)比較低、地下水埋深比較淺的北部地區(qū)土壤鹽分含量最大，而鹽分含量最小的區(qū)域在人類活動(dòng)比較頻繁、地下水埋深比較低的綠洲東南部：0～10 cm的深度和下層土壤EC值的差距較大。

(4)土壤鹽分與地下水埋深關(guān)系密切，土壤鹽分隨淺層地下水埋深的增大而減小，這表明克里雅綠洲地下水埋狀況是制約土壤鹽分含量的重要因素。控制地下水埋深是防止綠洲土壤發(fā)生積鹽及土壤鹽漬化進(jìn)一步加劇的重要因素，選用適合于克里雅綠洲水資源狀況的灌溉農(nóng)業(yè)技術(shù)措施，防止地下水位抬升引起土壤積鹽。

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