蘇打鹽堿化草原土壤水鹽時空變異分析

黃　彥，司振江，孟　巖，滕　云

(黑龍江省水利科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

蘇打鹽堿化草原土壤水鹽時空變異分析

黃彥，司振江，孟巖，滕云

(黑龍江省水利科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

摘要：松嫩平原由于自然因素和人為因素的影響，鹽堿化草原面積在逐年遞增，生態(tài)環(huán)境惡化、生物多樣性減少。由于蘇打鹽堿土存在著透水性差、牧草鹽漬害影響強等問題，提出采用振動深松集成技術改善土壤的物理性質，提高土壤通透性。本文運用地統(tǒng)計學，以地理信息系統(tǒng)ArcGIS為平臺，研究了采用振動深松集成技術改良1～5 a的鹽堿化草原土壤鹽分和物理性質的時空變異規(guī)律。數(shù)據(jù)分析結果表明，土壤含鹽量由改良前5.6 g/L下降到2.84 g/L，表層土壤硬度和容重較改良前平均分別降低了21.4%和17.6%，土壤含水量平均增加6%，至改良第五年各項指標仍好于改良前，證明振動深松集成技術是改良鹽堿化草原的有效手段，且一次改良至少受益五年。

關鍵詞：蘇打鹽堿化草原；地統(tǒng)計學；土壤水鹽；時空變異

松嫩平原是蘇打鹽堿土集中分布區(qū)之一，鹽堿化草原面積達160萬hm2[1-3]。解放初期，以羊草為優(yōu)勢的牧草平均高度為80～85 cm，覆蓋度平均為85%～90%，到20世紀60年代初，草的高度平均為60～65 cm，覆蓋度為70%～80%。近年來，因過度放牧、墾殖農田、開采石油、環(huán)境污染等不合理的利用制度和方式，草原鹽堿化現(xiàn)象日趨嚴重，鹽堿化草原面積已占草原總面積的2/3，并且每年仍以一定的速率遞增，草高僅為5～15 cm，覆蓋度為10%～20%。產草量由20世紀60年代的4500～6000 kg/hm2下降到現(xiàn)在的1000～1500 kg/hm2，鹽堿化草原中有近25%的面積寸草不生，基本失去了利用的價值[4]。草場生產能力低下，區(qū)域生態(tài)環(huán)境惡化，已經(jīng)嚴重制約了當?shù)匦竽翗I(yè)的發(fā)展和松嫩平原農牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

為了解決鹽堿土透水性差，鹽分在表層聚集，使牧草受到鹽漬害影響而無法生長等問題，提出采用振動深松集成技術改善土壤的物理性質，提高土壤通透性，使表層鹽分向下層淋洗，為牧草的生長創(chuàng)造條件。本文運用地統(tǒng)計學法，以地理信息系統(tǒng)ArcGIS為平臺，研究了采用振動深松集成技術改良1～5 a的鹽堿化草原土壤鹽分、物理性質、生物量的時空變異規(guī)律，充分證明了該技術改良鹽堿化草原效果顯著。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)選在黑龍江省安達市，地處哈大齊經(jīng)濟帶的中心，位于松嫩平原腹地。該市共有草原18.13萬hm2，其中嚴重退化草原5.33萬hm2。屬中溫帶半干旱季風氣候區(qū)，年平均降雨量430 mm，年平均蒸發(fā)量1645 mm，年蒸發(fā)量為年降水量的3～4倍，≥10 ℃年積溫在2400～2900 ℃，無霜期110～140 d，年平均風速為4～5 m/s，年平均相對濕度在60%～70%，年日照總時數(shù)2600～2900 h。該區(qū)為內陸型鹽漬土，含可溶性鹽、堿、硝等有害物質，為松嫩平原蘇打鹽堿土典型區(qū)。

研究區(qū)選在安達市萬寶山鎮(zhèn)，為重度鹽堿化草原，經(jīng)測定，土壤含鹽量高達 11.2 g/kg，pH值為 7.39～10.48[4]。研究區(qū)采用新型土壤改良技術——振動深松集成技術。振動深松技術其深松土壤深度可達40～50 cm，不擾亂土壤上下層位，為含蓄天然降雨及鹽分淋洗創(chuàng)造了條件。對于重度鹽堿化草原輔以施用生化土壤改良劑7.5 kg/hm2，播種牧草種量45 kg/hm2，改良劑用以降低表層鹽分濃度，減少鹽分對種子發(fā)芽和生長的鹽漬害影響，牧草選用羊草和披堿草混播。

1.2測定指標及方法

(1)在采用振動深松集成技術改良1～5 a的試驗區(qū)分別選取1 hm2作為研究區(qū)域，用25 m×25 m的網(wǎng)格在研究區(qū)內均勻布點，在網(wǎng)格交叉處采樣，每個區(qū)共取25個樣點。每個采樣點分成三層采樣，即0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm，測定日期為每年牧草收割前。

(2)測定指標有土壤含水量、容重、鹽分、硬度、株高、產量。由于土壤含水量與土壤質地有著密切的聯(lián)系，因此將土壤容重、硬度列在研究指標中[5]。土壤含水量和土壤容重分別采用烘干法、環(huán)刀法，在室內實驗室測定；土壤硬度和土壤鹽分分別采用山中土壤硬度計和原位電導率儀，在現(xiàn)場直接測定；牧草株高采用三點平均法用卷尺測量；牧草產量為樣方法，稱重后換算為標準產量。

1.3空間變異研究方法

地統(tǒng)計學是研究區(qū)域化變量空間分布結構特征規(guī)律的有效手段。20世紀70年代，國外對土壤特性的空間變異性研究出現(xiàn)了高潮。我國自20世紀80年代在土壤水資源方面應用地統(tǒng)計學法，在土壤水分、土壤入滲率、土壤水鹽等方面開展了大量的研究[6-10]。

本文運用地統(tǒng)計學開展鹽堿化草原土壤水鹽時空變異規(guī)律研究，變異規(guī)律分析包括結構分析和空間局部估計，首先建立變異函數(shù)理論模型，定量描述區(qū)域化變量的隨機性和結構性，其次為區(qū)域化變量做出最優(yōu)的插值結果，做區(qū)域化變量空間分布圖，分析各指標時空變異分布規(guī)律。

2結果與分析

2.1數(shù)據(jù)審議及統(tǒng)計分析

在進行地統(tǒng)計學分析前，為了保證分析結果的科學性、可靠性，對數(shù)據(jù)進行檢查和預處理，剔除特異值的影響，進行數(shù)據(jù)審議。采用平均值加標準差法對特異值進行識別和處理，上下限等于數(shù)據(jù)的平均值加減二倍標準差。當實測值超出上下限時即作為可疑特異值進行檢查核對。分別對對照區(qū)(CK)、振動深松改良第一年(ZSK-1)、振動深松改良第二年(ZSK-2)、振動深松改良第三年(ZSK-3)、振動深松改良第四年(ZSK-4)、振動深松改良第五年(ZSK-5)去除特異值后的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，詳見表1。

表1　土壤水鹽指標去除特異值的統(tǒng)計表

續(xù)表1

變異系數(shù)(C.V)是反映數(shù)據(jù)的離散程度，當C.V<10%呈現(xiàn)弱變異；10%100%，呈現(xiàn)為強變異[11]。由表1數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析結果，土壤容重C.V值在3.41%～9.33%區(qū)間，為弱變異，證明試驗區(qū)土壤結構穩(wěn)定，質地均勻；CK區(qū)和ZSK-1區(qū)株高和生物量為強變異性，原因是鹽堿化草原堿斑面積大，植被覆蓋率低，且改良恢復需要很長一段時間；其余指標均為中等變異。本文采用偏度峰度聯(lián)合檢驗法，去除特異值后數(shù)據(jù)的均值與中值差值變小，變異系數(shù)也相對降低，峰度系數(shù)和偏度系數(shù)值更加接近于0，數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布。

2.2半方差函數(shù)模型

半方差函數(shù)是地統(tǒng)計學中研究土壤變異性的關鍵函數(shù)，根據(jù)步長與組數(shù)乘積等于采樣點最大距離一半的原則[12-13]，確定步長為50 m。運用GS+軟件進行計算，得出各指標塊金值、基臺值、變程等，見表2。

表2　土壤水鹽半方差函數(shù)模型參數(shù)

半方差函數(shù)是研究土壤水鹽空間變異性的關鍵函數(shù)，包括塊金值、基臺值和變程三個參數(shù)。塊金值是在間隔距離小于采樣間距時的空間變異和測量誤差引起，若塊金值為正數(shù)，證明采樣存在誤差，同時也存在小尺度的空間變異。由表2數(shù)據(jù)可以看出，產量和株高塊金值、基臺值變幅略大，其余土壤水分、鹽分、硬度、容重的塊金值均趨于0，采樣點變程最小值為28.0 m，表明了設定的步長合理，滿足精度要求。

塊金基臺比為系統(tǒng)變量空間的變異特征，比值小于25%，呈強烈空間相關性；比值為25%～75%，呈中等空間相關性，大于75%，空間相關性較弱[2]。由計算可知，僅有7%的比值在25%～75%之間，為中等空間相關性，其余各區(qū)均小于25%，具有強烈的空間相關性，表明各指標差異內在因子控制占主要因素。

2.3空間變異性分析

運用ArcGIS的Geostatilstical Analyst擴展功能模塊進行空間變異性研究，采用克里格空間插值法，建立半方差函數(shù)模型，繪制土壤鹽分、水分、容重、硬度等變量空間分布圖，見圖1-圖4。

圖1為CK區(qū)和ZSK區(qū)改良第一年至第五年土壤含鹽量圖。由圖1可以看出，CK區(qū)0～40 cm土壤平均含鹽量達5.6 g/L，表層局部含鹽量增大，最高值達到8.2 g/L，主要是因為蘇打鹽堿土表層地表積有0.5～2.0 cm厚的鹽結皮，使鹽分都聚集在表層，也是牧草難以生存的主要原因之一。而ZSK-1區(qū)表層土壤含鹽量較CK區(qū)減少了30.2%，土壤由重度鹽堿化土變?yōu)橹卸塞}堿化土，從改良區(qū)土壤剖面來看，因采用振動深松技術后土壤疏松，遇降雨時使表層鹽分向下運移，即出現(xiàn)了鹽分上低下高的現(xiàn)象。隨著時間的推移，改良區(qū)的鹽分指標由重度鹽堿化變?yōu)檩p度鹽堿化，為牧草生長創(chuàng)造了良好的條件。

鹽隨水來，鹽隨水走，其二者關系十分密切。由圖2土壤水分空間分布圖表明，因鹽堿土土質粘重，滲透性差，降雨很難被充分利用，而多半數(shù)降雨產生徑流，CK區(qū)土壤表層含水量僅為17.1%。ZSK-1～ZSK-5區(qū)表層含水量較CK區(qū)增加了20%～34%，且各層含水量基本一致，為牧草種子發(fā)芽生長創(chuàng)造了條件。

圖2　土壤含水量空間分布圖

圖3　土壤容重空間分布圖

圖4　土壤硬度空間分布圖

圖5　牧草株高空間分布圖

土壤容重和硬度是土壤的兩個重要結構特征，也是牧草生長好壞的外因。采用振動深松集成技術后改良當年0～40 cm土壤容重平均為1.32 g/cm3，較CK區(qū)土壤容重降低了8%，表層容重降低了25%。由硬度空間分布圖來看，CK區(qū)土壤硬度較大，平均在10 kg/cm2以上。而下層土壤硬度值減小，主要是因蘇打鹽堿土特殊性質，表層易出現(xiàn)較硬的鹽結皮，致使表層土壤硬度較高，但改良后，打破了土壤原有的結構，土壤硬度變小，尤其表層因牧草生長使有機質含量增加硬度變化更加明顯，疏松的土壤為牧草的生長和鹽分的淋洗創(chuàng)造了條件。土壤下層隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加和牧草根系的充分生長，土壤容重和硬度呈逐年加大的趨勢，到改良第五年時，10～20 cm土壤硬度要大于CK區(qū)。

草原生態(tài)修復的重要表現(xiàn)是牧草生物量。由逐年株高、產量變量趨勢來看(見圖5、圖6)，CK區(qū)株高均值僅為3 cm，多為牛羊不食的堿蓬草，且植株僅占采樣空間的一半。改良當年，先鋒草種披堿草首先生長，株高均值為26.87 cm，產量達到2738.1 kg/hm2，隨著改良時間的增加，披堿草帶動本土草種——羊草的生長，使株高和產量逐年增長，在改良第三年牧草生長進入了旺盛期，產量達到了7976.9 kg/hm2，成為了優(yōu)質采草場，之后產量逐年遞減，其原因主要是羊草為無性繁殖，根莖生長較快，密度大，但產量仍達到了優(yōu)質草原的水平。

圖6　牧草產量空間分布圖

3結論

(1)地統(tǒng)計學是分析鹽堿化草原水鹽時空變異規(guī)律的有效方法之一。通過實測數(shù)據(jù)表明，采用振動深松技術改良重度鹽堿化草原效果顯著，土壤含鹽量由改良前5.6 g/L下降到2.84 g/L，表層土壤硬度和容重較改良前平均分別降低了21.4%和17.6%，隨著時間的推移，土壤容重和硬度也逐漸增加，但仍好于改良前。

(2)運用變異系數(shù)、塊金基臺比分別對改良1～5 a的鹽堿化草原土壤水鹽指標劃分，確定:土壤容重呈現(xiàn)弱變異，土壤水鹽等指標呈現(xiàn)中等變異。土壤容重的變異性較小表明土壤質地均勻，振動深松作業(yè)均勻度高，土壤疏松，同一時期深松區(qū)較對照區(qū)含水量平均增加6%，為牧草生長提供充足的水分。

(3)本文對土壤水鹽及容重、硬度等指標進行時空變異分析，由分布圖可以看出，振動深松集成技術對改善鹽堿化草原生態(tài)環(huán)境效果顯著，同時由改良第五年數(shù)據(jù)顯示表明，改良一次至少受益五年。

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Spatial variation analysis of salinealkaline grassland soil water salt

HUANG Yan,SI Zhenjiang,MENG Yan,TENG Yun

(HeilongjiangProvincialHydraulicResearchInstitute,Harbin150080，China)

Abstract：Salinization grassland area has been increasing year by year because of natural factors and artificial factors in Song-Nen Plain，ecological environment deteriorating and biodiversity reducing.According to the poor permeability of soda saline alkaline soil and harmful effects etc,proposed vibrating subsoiling integration technology that improve soil physical properties and permeability.This paper apply the geo-statistics and take ArcGIS as a platform to study the temporal and spatial variation of soil salinity and physical properties by vibrating subsoiling integration technology improved 1～5 years of saline alkaline grassland.the data analysis results show that the soil salt content modified anterior 5.6 g/L down to 2.84 g/L,surface soil hardness and bulk density are average decrease 21.4% and 17.6% than before,soil water content average increases 6% at the same time,and the five year indicator are all better than before,it improves that vibrating subsoiling integration technology is the effective method to improve the saline alkaline grassland,and benefit for five years modified once at least.

Key words：saline alkaline grassland;geo-statistics;soil water salt;spatial variation

基金項目：水利部“948”計劃項目(201425)

作者簡介：黃彥(1980-)，女，高級工程師，主要從事土壤改良與農業(yè)生態(tài)環(huán)境研究工作。

中圖分類號：S156

文獻標志碼：A

文章編號：2096-0506(2016)06-0001-08