壓砂地土壤鹽分空間變異規(guī)律

唐學芬, 趙文舉, 李宗禮,2, 郁 文

(1.蘭州理工大學 能源與動力工程學院, 甘肅 蘭州 730050; 2.水利部 水利水電規(guī)劃設計總院, 北京 100120)

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壓砂地土壤鹽分空間變異規(guī)律

唐學芬1, 趙文舉1, 李宗禮1,2, 郁 文1

(1.蘭州理工大學 能源與動力工程學院, 甘肅 蘭州 730050; 2.水利部 水利水電規(guī)劃設計總院, 北京 100120)

摘要：[目的] 研究不同種植年限壓砂地及裸地不同土層土壤鹽分的空間變異特征,為西北干旱地區(qū)土壤鹽漬化改良和利用提供理論依據(jù)。[方法] 以甘肅省景泰縣壓砂地及裸地不同土層土壤鹽分數(shù)據(jù)為基礎,運用經(jīng)典統(tǒng)計學和地統(tǒng)計學相結合的方法,分析土壤鹽分統(tǒng)計特征值,半方差模擬模型及其擬合參數(shù)和等值線分布圖。[結果] 壓砂地土壤鹽分均值明顯低于裸地,且裸地>老砂地>新砂地>中砂地,裸地與壓砂地各層土壤鹽分的均值差異較大,且土層Ⅳ(30—50 cm)>土層Ⅲ(20—30 cm)>土層Ⅱ(10—20 cm)>土層Ⅰ(0—10 cm);裸地Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ層,中砂地各層土壤鹽分屬于弱變異性,其他各地型各土層土壤鹽分都屬于中等變異性。裸地Ⅰ,Ⅲ層,新砂地第Ⅲ層,中砂地第Ⅰ層,老砂地Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ層土壤鹽分半方差函數(shù)最佳理論模型為指數(shù)模型,裸地第Ⅱ層為線性模型,其他各地型各土層均為球狀模型。裸地第Ⅱ層土壤鹽分具有弱空間相關性,其余各土層土壤鹽分均具有強相關性。試驗區(qū)土壤鹽分北部高于南部,且各土層土壤鹽分在一定范圍內存在空間上的變異性和相關性。[結論] 土壤表層壓砂能有效減小土壤鹽分表聚,抑制土壤次生鹽漬化,不同種植年限壓砂地不同土層土壤鹽分在一定范圍內存在空間上的變異性和相關性。

關鍵詞：壓砂地; 土壤鹽分; 地統(tǒng)計學; 空間變異性

文獻參數(shù)： 唐學芬, 趙文舉, 李宗禮, 等.壓砂地土壤鹽分空間變異規(guī)律[J].水土保持通報，2016,36(3)：18-23.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.03.005

土壤表層壓砂能有效地改善土壤環(huán)境、減少水分蒸發(fā)、增加雨水入滲、蓄水保墑、增溫保溫[1]。土壤作為歷史自然體，受氣候、生物、母質、地形、成土時間等諸多成土因素的影響，具有復雜性和高度的時空變異性，不論在大尺度還是在小尺度上，土壤的空間變異性均存在[2]。自然界土壤分布極為復雜，同一質地的土壤在同一平面或不同深度上并不完全均質，其它土壤特性參數(shù)在各點的值也不相同，這種土壤特征在空間分布上的非均一性，稱為土壤特性的空間變異性。土壤空間變異性的研究方法由最初的經(jīng)典統(tǒng)計學方法已經(jīng)發(fā)展到了時序分析方法、地統(tǒng)計學方法、隨機模擬方法、分形和分維方法。20世紀70年代，Burgess等[3]將地統(tǒng)計學的方法引入土壤科學研究領域[4]，克服了經(jīng)典的Fisher統(tǒng)計理論在研究土壤性質空間變異性規(guī)律方面的不足。地統(tǒng)計學已被證明是分析土壤特性空間分布特征及其規(guī)律的有效方法之一。

自20世紀80年代以來，國內外已有很多利用地統(tǒng)計學理論對土壤鹽漬化程度的空間變異以及區(qū)域水、鹽空間分布動態(tài)變化的研究。國內學者趙成義等[5]通過研究田塊尺度下土壤水分和鹽分的空間變異性，得出土壤水分和鹽分在一定范圍內存在空間相關性。胡克林等[6]通過對一塊麥田內的98個觀測點取樣分析，測定了2個時期的土壤水分和鹽分含量，發(fā)現(xiàn)兩個時期的水分和鹽分在一定范圍內均存在空間相關性。國外學者M Sylla等[7]研究了非洲西部水稻農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)在不同尺度上的土壤鹽分空間變異性，研究結果表明地統(tǒng)計學可表明影響鹽分空間變異性的復雜因素。Mohammadi J等[8]運用地統(tǒng)計學克里格法研究了土壤鹽分空間變異性，得出地統(tǒng)計學工具可計算土壤鹽分分布。鹽堿化是干旱區(qū)土壤的一個普遍特征，土壤鹽漬化問題是制約干旱區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的主要障礙，也是影響綠洲生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定的重要因素[9]。土壤鹽分的分異狀態(tài)在一定程度上反映了土壤耕作層內的鹽漬化程度和狀態(tài)，了解其分異對于指導人們根據(jù)土壤鹽分空間規(guī)律和變化動態(tài)進行灌溉和排水及制訂防治土壤鹽漬化措施，保證土地質量，提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)量具有重要意義。目前，國內外學者利用地統(tǒng)計學理論對土壤鹽漬化程度的空間變異以及水鹽空間分布開展了大量的研究，但是針對西北干旱區(qū)壓砂地土壤特性空間變異研究較少。為此，本文采用半方差函數(shù)分析景泰地區(qū)壓砂地土壤鹽分的空間變異性，旨在為西北干旱地區(qū)土壤鹽漬化改良和利用提供一定的理論依據(jù)。

1試驗區(qū)概況

研究區(qū)位于甘肅省景泰縣蘭州理工大學試驗基地附近，地處西部河西走廊東端，甘、蒙、寧3省(區(qū))交界處，黃土高原與騰格里沙漠的過渡地帶。土壤類型主要為洪積灰棕荒漠土和灰鈣土。景泰縣地處季風區(qū)與非季風區(qū)過渡地帶，有降水稀少且集中，年內分配和地區(qū)分布不均，年際變化大的特點，年均降水量185 mm，多集中在7—9這3個月，占全年降水量的61.4%，年均蒸發(fā)量3 038 mm，是降水量的16倍。光熱資源豐富，年日照時約為2 725 h，日照百分率62%，太陽年平均輻射約147.8 kcal/cm2，年≥0 ℃的活動積溫3 614.8 ℃，≥10 ℃的有效積溫3 038 ℃，無霜期141 d，年均溫度8.2 ℃，極端最高氣溫36.6 ℃，極端最低氣溫-27.3 ℃。

2材料與方法

2.1土壤采樣與分析

為了研究景泰地區(qū)壓砂地土壤鹽分空間分布特征，選取不同種植年限且為休耕土地的壓砂地，用GPS定位在樣地中心的空地作土壤剖面，確定土壤樣點。壓砂地砂石層厚度均為10 cm，樣地取樣面積為32 m×32 m，矩形取樣，測點尺寸為1 m×1 m，每1 m2內取一點，測點中心距為4 m，共64個取樣點，均為單點采樣。分別對0—10，10—20，20—30和30—50 cm土層進行分層采樣。土壤樣品的取樣方法為土鉆取樣法，所用工具為土鉆，樣品的采集重量為60～70 g。為提高以后根據(jù)土壤樣點數(shù)據(jù)分析成圖的精度，樣點必須比較均勻地分布在全工作區(qū)域內。現(xiàn)場調查和取樣在2013年5—8月和2014年5—8月進行。

土壤電導率與土壤含鹽量密切相關，野外土壤鹽分測定時多采用測量電導率來表征土壤含鹽特征[10]。對所采集的土壤樣品進行風干，過2 mm篩備用，所有的土樣均制備5∶1水土比浸提液并測定其電導率。測定方法是電導儀法。

2.2研究方法

半方差函數(shù)，也稱空間變異函數(shù)，是用來描述區(qū)域化變量結構性和隨機性并存這一空間特征而提出的，是描述土壤特性空間變異結構的一個函數(shù)。半方差函數(shù)的重要參數(shù)包括：塊金系數(shù)(Nugget)、基臺值(sill)、變程(range)，主要用來表示區(qū)域化變量在一定尺度上的空間變異和相關程度。

半方差函數(shù)γ(h)的計算式:

(1)

式中：γ(h)——半方差值； h——樣本間距； N(h)——間距為h的樣本對數(shù)； Z(xi+h),Z(xi)——xi+h,xi處的測定值。

壓砂地的劃分為以種植年限為基準：新砂地

(NGM)種植年限不足10a，中砂地(MGM)種植年限為25～30a，老砂地(OGM)種植年限為45～60a的壓砂地[11]，裸地(CK)為對照組。

3結果與分析

3.1土壤鹽分的統(tǒng)計特征分布

對土壤鹽分數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計特征分析是建立土壤鹽分變異模型的前提和基礎，因此對壓砂地與裸地各土層土壤鹽分數(shù)據(jù)按經(jīng)典統(tǒng)計方法進行初步的特征值計算，其統(tǒng)計特征值見表1。

表1　土壤鹽分統(tǒng)計特征值

由表1可得，壓砂地與裸地各土層鹽分的特征參數(shù)值均表現(xiàn)出明顯的差異性。新砂地和中砂地土壤鹽分均值小于1.0 g/kg，屬于非鹽化土；老砂地Ⅰ層土壤鹽分均值介于1.0～2.0 g/kg，屬于輕度鹽化；裸地Ⅰ層、老砂地Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ層土壤鹽分均值在2.0～4.0 g/kg之間，屬于中度鹽化；裸地Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ層土壤鹽分均值在5.23～7.30 g/kg之間，都大于4.0 g/kg，總體上屬于重度鹽化類型。壓砂地土壤鹽分均值明顯低于裸地，且裸地>老砂地>新砂地>中砂地，說明壓砂地具有明顯的抑鹽作用，許強等[12]研究認為在連續(xù)種植4～5 a后壓砂地的有機質、全氮、速氮等養(yǎng)分達到最高后不斷下降，含鹽量降低。老砂地土壤鹽分較新砂地和中砂地大，原因在于隨著種植年限的增加，壓砂地退化程度加重，較多的土粒混入砂層中，保墑作用逐漸減弱，致使土壤水分流失嚴重，土壤表層返鹽量增大，土壤易發(fā)生鹽堿化。裸地與壓砂地各層土壤鹽分的均值差異較大，且土層Ⅳ>土層Ⅲ>土層Ⅱ>土層Ⅰ，說明各層土壤鹽分平均含量在垂直方向上變異較強。裸地Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ層，中砂地各層土壤鹽分變異系數(shù)<10%，屬于弱變異性，其他各地型各土層土壤鹽分的變異系數(shù)都在10%～100%之間，屬于中等變異性；各地型土壤鹽分偏度均為正值，各數(shù)據(jù)都呈正偏態(tài)分布；裸地Ⅱ，Ⅳ層，中砂地Ⅱ，Ⅲ層，老砂地Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ層土壤鹽分峰度小于3呈低峰態(tài)分布外，其余數(shù)據(jù)正態(tài)分布性不好。變異函數(shù)的計算一般要求數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布，否則可能存在比例效應[13]。通過K-S檢驗發(fā)現(xiàn)，除老砂地Ⅲ，Ⅳ層土壤鹽分服從正態(tài)分布外，其他均為非正態(tài)分布。因此，要對非正態(tài)分布的數(shù)據(jù)進行對數(shù)轉換，以消除插值過程中可能存在的正比例效應。

3.2土壤鹽分空間變異特征分析

壓砂地與裸地各層土壤鹽分表現(xiàn)出了空間等方向性。采用GS+9.0軟件分別對各地型各土層土壤鹽分進行分析，其半方差模擬模型及其擬合參數(shù)見表2。以新砂地為例，地統(tǒng)計學分析的半方差函數(shù)及其模型擬合結果如圖1所示。

表2　土壤鹽分半方差函數(shù)模型參數(shù)

圖1　新砂地各土層土壤鹽分半方差

由表2可得，裸地Ⅰ，Ⅲ層土壤鹽分半方差函數(shù)最佳理論模型為指數(shù)模型，Ⅱ層為線性模型，Ⅳ層為球狀模型，各層變程為6.57～16.88 m；新砂地Ⅰ，Ⅱ，Ⅳ層土壤鹽分半方差函數(shù)最佳理論模型為球狀模型，Ⅲ層為指數(shù)模型，各層變程為9.83～12.35 m；中砂地第Ⅰ層土壤鹽分半方差函數(shù)最佳理論模型為指數(shù)模型，其余各層均為球狀模型，各層變程為6.44～8.76 m；老砂地Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ層土壤鹽分半方差函數(shù)最佳理論模型為指數(shù)模型，Ⅳ層為球狀模型，各層變程為9.20～35.76 m。各模型決定系數(shù)在0.584～0.998，說明理論模型能很好的反應土壤鹽分含量的空間結構特征。按照區(qū)域化變量空間相關程度的分級標準[14]，裸地第Ⅱ層塊金效應值大于0.75，土壤鹽分具有弱空間相關性，其余各層土壤鹽分塊金效應值均小于0.25，土壤鹽分具有強相關性。

3.3土壤鹽分空間分布特征分析

為準確直觀地描述壓砂地與裸地各層土壤鹽分在空間上的分布，在獲得土壤鹽分的半方差函數(shù)模型后，以新砂地及老砂地為例，利用Suffer 8.0軟件進行Kriging插值，并繪制空間分布及等值線圖(如圖2所示)。

由圖2可知，新砂地各土層土壤鹽分均呈現(xiàn)出條狀帶和斑塊狀格局。第Ⅰ層的土壤鹽分在0.13～1.15 g/kg之間變化，第Ⅱ層的土壤鹽分在0.16～2.29 g/kg之間變化，第Ⅲ層的土壤鹽分在0.13～3.22 g/kg之間變化，第Ⅳ層的土壤鹽分在0.19%～4.30%之間變化；從整體上看，試驗區(qū)土壤鹽分北部高于南部，且各層土壤鹽分分布在空間上存在著較強的相關性。從局部上看，第Ⅰ層,第Ⅱ層,第Ⅲ層土壤鹽分具有相似的空間分布規(guī)律，在西北部和東北部較大；第Ⅳ層土壤鹽分與Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ層相比，分布較均勻，且各土層土壤鹽分在一定范圍內存在空間上的變異性和相關性。從疏密程度看，各層土壤鹽分空間變異性第Ⅳ層>第Ⅲ層>第Ⅱ層>第Ⅰ層。老砂地第Ⅰ層土壤鹽分介于0.52～3.46 g/kg，第Ⅱ層土壤鹽分介于1.03～3.94 g/kg，第Ⅲ層土壤鹽分介于1.06～5.17 g/kg，第Ⅳ層土壤鹽分介于1.57～13.27 g/kg。老砂地土壤鹽分整體上南部高于北部，與新砂地相反，這與隨著種植年限的增加土壤鹽分遷移有關。

4討論與結論

(1) 經(jīng)典統(tǒng)計分析表明，裸地與壓砂地各土層鹽分的特征參數(shù)值均表現(xiàn)出明顯的差異性。新砂地和中砂地屬于非鹽化土；老砂地Ⅰ層屬于輕度鹽化；裸地Ⅰ層、老砂地Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ層屬于中度鹽化；裸地Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ層屬于重度鹽化類型。壓砂地土壤鹽分均值明顯低于裸地，說明壓砂地具有明顯的抑鹽作用。裸地與壓砂地各層土壤鹽分的均值差異較大，各層土壤鹽分平均含量在垂直方向上變異較強。裸地Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ層，中砂地各層土壤鹽分屬于弱變異性，其他各地型各土層土壤鹽分的變異系數(shù)都屬于中等變異性，且變異性均比較低。

(2) 地統(tǒng)計學分析表明，裸地Ⅰ，Ⅲ層土壤鹽分半方差函數(shù)最佳理論模型為指數(shù)模型，Ⅱ層為線性模型，Ⅳ層為球狀模型；新砂地Ⅰ，Ⅱ，Ⅳ層土壤鹽分半方差函數(shù)最佳理論模型為球狀模型，Ⅲ層為指數(shù)模型；中砂地第Ⅰ層土壤鹽分半方差函數(shù)最佳理論模型為指數(shù)模型，其余各層均為球狀模型；老砂地Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ層土壤鹽分半方差函數(shù)最佳理論模型為指數(shù)模型，Ⅳ層為球狀模型。裸地第Ⅱ層土壤鹽分具有弱空間相關性，其余各層土壤鹽分具有強相關性。

(3) 對新砂地及老砂地運用Surfer 8.0繪制土壤含水量等值線分布圖，從Kriging插值的結果可知，新砂地試驗區(qū)土壤鹽分北部高于南部，老砂地土壤鹽分整體上南部高于北部，與新砂地相反，各層土壤鹽分分布在空間上存在著較強的相關性。新砂地第Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ層土壤鹽分具有相似的空間分布規(guī)律，在西北部和東北部較大；第Ⅳ層土壤鹽分與Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ層相比，分布較均勻，且各土層土壤鹽分在一定范圍內存在空間上的變異性和相關性。

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收稿日期：2015-07-03修回日期：2015-10-09

通訊作者：趙文舉(1981—),男(漢族),甘肅省永昌縣人,博士,副教授,主要從事農(nóng)業(yè)水土工程方面的研究。E-mail:wenjuzhao@126.com。

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2016)03-0018-06

中圖分類號：S156.4

Variation Pattern of Soil Salinity of Gravel-sand Mulched Field

TANG Xuefen1, ZHAO Wenju1, LI Zongli1,2, YU Wen1

(1.SchoolofEnergyandPowerEngineering,LanzhouUniversityofTechnology,Lanzhou,Gansu730050,China; 2.GeneralInstituteforWaterResourcesandHydropowerPlanningandDesign,MinistryofWaterResources,Beijing100120,China)

Abstract：[Objective] We studied the variation pattern of soil salinity at different layer of GSM(gravel-sand mulched field) and CK in order to provide basis for improvement and utilization of soil salinization in the northwest arid area in China. [Methods] Based on the statistics at different layer of GSM and CK, classical statistics and geo-statistics were used to analyze the statistical characteristic value, semi-variance simulation model and its fitting parameters, and the isocline distribution map of soil salinity in Jingtai County of Gansu Province. [Results] Mean soil salinity of GSM was lower than that of CK, and the result showed: CK>OGM(old gravel-sand mulched field)>NGM(new gravel-sand mulched field)>MGM(middle gravel-sand mulched field). There were significant differences in soil salinity among different layers of GSM and CK, and the result showed: layer Ⅳ(30—50 cm)>layer Ⅲ(20—30 cm)>layerⅡ(10—20 cm)>layerⅠ(0—10 cm). The variations of soil salinity in layerⅡ, Ⅲ, Ⅳ(CK) and MGM were weak, while variations in other layers were moderate. The best semi-variance theory model of layer Ⅱ(CK) was linear model, the optimal model for layerⅠ, Ⅲ(CK), layer Ⅲ(NGM), layer Ⅰ(MGM) and layer Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ(OGM) was exponential model, while the best model for other layers was spherical model. The spatial auto-correlation of soil salinity at layer Ⅱ(CK) was lower, while it was high at other layers. The soil salinity in northern area was higher than that in southern area. [Conclusion] Gravel sand on soil surface can reduce soil salt accumulation and control soil secondary salinization, and there is spatial variability and correlation exists in soil salinity among different layer of GSM and CK.

Keywords:gravel-sand mulched field; soil salinity; geo-statistics; spatial variability

資助項目：國家自然科學基金項目“壓砂地土壤水分時空變異理論與模型研究”(51269008); 蘭州理工大學紅柳青年教師培養(yǎng)計劃資助項目(Q201310)

第一作者：唐學芬(1991—),女(漢族),甘肅省永靖縣人,碩士研究生,研究方向為農(nóng)業(yè)水土工程。E-mail:tang1202@163.com。