海水倒灌農田土壤鹽分空間變異特征①

張冬明，張 文，鄭道君，吉清妹，吳宇佳，潘孝忠，符傳良，王鐘友，謝良商（海南省農業科學院農業環境與土壤研究所/農業部海南耕地保育科學觀測試驗站，海口 571100）

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海水倒灌農田土壤鹽分空間變異特征①

張冬明，張 文，鄭道君，吉清妹，吳宇佳，潘孝忠，符傳良，王鐘友，謝良商*
（海南省農業科學院農業環境與土壤研究所/農業部海南耕地保育科學觀測試驗站，海口 571100）

摘 要：以海南省海口市三江農場為研究區域，采集并化驗海水倒灌后土壤樣品 191份，利用地統計學方法和空間插值法對區域土壤鹽分空間變異特征進行了研究。結果表明：①4個土層中土壤鹽分的均值最大的為0 ～ 5 cm土層，土壤鹽分平均含量達到9.63 g/kg，最小的是20 ～ 40 cm土層，鹽分平均含量僅為4.36 g/kg；②4個土層中第一層（0 ～ 5 cm）土壤鹽分含量屬弱相關性，第四層（20 ～ 40 cm）土層屬于劇烈空間自相關性；③各土層土壤鹽分分布格局差異明顯，含鹽量 ＜ 1 g/kg的各土層均沒有分布；含鹽量1 ～ 3和3 ～ 5 g/kg兩個級別隨著土層深度的增加面積逐漸增大，＞ 9 g/kg的級別則面積逐漸減少。不同深度土壤層土壤鹽分含量差異明顯，空間變異特征各不相同，總體呈現土壤鹽分表聚特征。

關鍵詞：土壤鹽分；地統計學；空間變異；三江農場；海水倒灌

海南島屬熱帶島嶼季風性氣候，沿海岸線有不少面積的農田分布，受東北和西南季風影響，熱帶風暴和臺風頻繁，海水倒灌耕地現象時有發生；尤其是受較強臺風影響的時候，海水倒灌現象明顯，受害農田面積大，土壤恢復耕性周期長。土壤鹽分過高對作物的危害大致有3點：①造成作物的生理干旱；②鹽分離子的毒害；③破壞作物的正常代謝。土壤鹽分的空間變異一定程度上反映了耕層土壤鹽漬化狀況，土壤資源的科學合理利用是建立在正確掌握區域土壤屬性空間變異特征基礎之上的［1］。研究土壤鹽分空間變異特征是土壤改良利用和鹽漬化防治的基礎，因此，研究和摸清海水倒灌農田土壤表層土壤鹽分含量及分布特征對于指導人們根據土壤鹽分動態變化規律和空間變異特性進行改良和防治，提升耕地質量，提高農業效益和農業的可持續發展乃至為海南的綠色崛起具有重要意義［2-4］。

近年來，隨著3S技術的迅猛發展，許多國內外學者運用地統計學對土壤鹽分的空間變異性進行了大量研究，取得了一定的成果。Jordan和 Navarro［5］對土壤鹽分在干旱和半干旱地區地質和環境因素影響下的空間變異進行了研究；李亮亮等［6］對地統計學基本原理及在土壤物理特性、土壤養分、土壤鹽分、土壤重金屬等土壤空間變異研究中的應用進行了論述；姚榮江等［7］針對黃河三角洲地區存在的土壤鹽漬化問題，運用經典統計學和地統計學相結合的方法研究了不同深度土層鹽分含量的空間變異特征，并繪制了各土層鹽分的隨機性和結構性的半方差圖以及空間分布圖；王勇輝等［8］分析了艾比湖主要補給河流下游河岸帶土壤鹽分特征；張同娟等［9］運用電磁感應儀EM38，結合GIS技術和地統計方法對長江河口地區典型地段土壤含鹽量的空間變異性進行研究；孫運朋等［10］對濱海棉田土壤鹽分時空分布特征進行了研究；冉啟洋等［11］對塔里木河上游綠洲土壤表層鹽分特征進行了研究，認為在研究區內鹽分指標影響最大的是Cl-和Na+。本研究通過野外調查采樣、室內分析化驗、綜合運用地統計軟件，對海水倒灌三江農場土壤鹽分空間特征進行分析，以揭示鹽漬化狀況和空間分布規律，為當地鹽漬化土壤的綜合提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

海口市三江農場，位于海南島北部地區，土地總面積5 680 hm2，其中，陸域面積4 654 hm2，淺海灘涂地1 026 hm2。屬濱海平原地形，地勢東南高，西北低，西至北為大洋田，地形平坦；東南部地形為玄武巖和淺海沉積物形成的臺地。主要土壤為水稻土、磚紅壤、濱海鹽土和潮汐土四大類。氣候屬熱帶季風氣候，年平均氣溫 23.4℃，年降水量1 560 mm，光照充足適合農作物生長。目前，三江農場水稻田以稻菜輪作模式為主，即春夏季種植水稻、秋冬季種植瓜菜，而旱坡地則以發展花卉和熱帶水果為主。據2014年6月采集的農田土壤分析結果可知，農場農田土壤肥力中等，主要養分含量為：水溶性鹽0.92 g/kg、pH 5.10、有機質1.97 g/kg、堿解氮 85.63 mg/kg、有效磷 13.52 mg/kg、速效鉀55.14 mg/kg。2014年7月18日，受超強臺風“威馬遜”和天文大潮的共同影響，導致農場三分之一的農田倒灌海水，加上水利設施的落后，倒灌后的海水不能及時排掉，造成多數田洋土壤鹽分含量超標，農作物根系腐爛變黑，水稻嚴重減產或絕收，直接影響到當地農民的吃飯問題。

1.2 土壤樣品采集與分析

本次采樣是在2014年第九號超強臺風“威馬遜”過后的 8月 4—8日，以 2014年 2月 4日拍攝的MODIS衛星影像數據為參考，結合三江農場土地利用現狀圖，應用GPS定位技術布設采樣點（圖1），觀測點的布置綜合考慮了當地土地利用方式、土壤類型和農田水利情況等因素，并在此基礎上盡可能規則分布，以便于進行地統計分析。總共布設了191個采樣點，相鄰兩個采樣點之間距離不超過1.3 km，每個樣點用鋤頭挖出一個微型土壤剖面，分層采集土壤樣品，取樣深度為0 ～ 5、5 ～ 10、10 ～ 20和20 ～ 40 cm，每層取3個樣品，混合均勻后用四分法取大約500 g的土樣帶回實驗室。土壤樣品室內分析方法，采用文獻［12］的方法進行分析化驗，化驗前先對土壤樣品進行自然風干、磨碎、過篩處理，制備1:5的土水質量比浸提液，測定土壤全鹽含量。

1.3 數據處理

采用SPSS16.0軟件對研究區全鹽的數據進行經典統計分析，運用GS+7.0軟件進行半方差函數計算，而全鹽空間插值以及分布圖繪制均采用 ArcGIS 9.3進行。

2 結果與分析

2.1 不同土層土壤鹽分的統計特征

由表1中偏度和峰度系數可以判斷，土壤10 ～ 20、20 ～ 40 cm兩個土層的土壤鹽分含量均不符合正態分布類型，在變異函數結構分析中一般需要將數據轉化為符合正態分布或近似正態分布的數據類型，避免產生比例效益［13］，本研究中10 ～ 20、20 ～ 40 cm兩個土層的土壤鹽分含量經對數轉換后符合正態分布；而0 ～ 5和5 ～ 10 cm兩個土壤鹽分含量符合正態分布類型，無需進行數據轉換處理。4個土層中土壤鹽分的均值差異較大，最大的為0 ～ 5 cm土層，土壤鹽分平均含量達到9.63 g/kg，最小的是20 ～ 40 cm土層，鹽分平均含量僅為4.36 g/kg，鹽分含量大小順序依次為：0 ～ 5 cm＞5 ～ 10 cm＞10 ～ 20 cm＞20 ～ 40 cm，即隨土層深度的增加土壤鹽分含量逐漸降低。從平均值來看，受本次海水倒灌的農田表層土壤鹽漬化較為嚴重，從單個土壤采樣點的鹽分含量來看，仍有近12.5% 的采樣點土壤鹽分超過了20 g/kg。從變異系數來看，4個土層均超過了 100%，屬于強度變異性［14］，說明受海水倒灌影響，土壤鹽分的差異性較大，近海地區海拔相對較低，海水浸泡時間長，滲入到土壤表層的土壤鹽分離子相對多；反之亦然。

圖1 研究區土壤采樣點分布圖

2.2 半變異函數分析

半方差函數模型的選取步驟是：首先根據公式計算出Y（h）-h的散點圖；然后用不同類型的模型進行擬合，以選擇離差平方最小為原則選擇最佳模型，最后用交叉驗證法來修正所選模型的參數［15］。本研究得到的半方差函數模型參數見表2。

表1 土壤鹽分的描述性統計特征

表2 土壤鹽分變異函數模型參數

一般，半方差函數值都是隨著樣點間距的增加而增大，并在一定的間距 （稱為變程，arrange） 升大到一個基本穩定的常數 （稱為基臺，sill）；C0/C0+C為塊金比（塊金效應），表示空間異質性程度，即空間自相關程度。如果比值＜25%，說明系統具有劇烈空間自相關性，空間變異主要受結構性因素的影響；如果比值在25% ～ 75% 之間，表明系統具有中等空間自相關性，空間變異是結構性因素和隨機性因素共同作用的結果；＞75% 說明系統空間自相關性很弱，空間變異主要是隨機因素引起。由表2可知，5 ～ 10 cm 和10 ～ 20 cm兩個土層土壤鹽分含量屬于中等空間自相關性，即空間變異是由結構性因素（成土母質、地形、地下水位和土壤類型等）和隨機性因素（耕作模式、施肥方法等）共同作用的結果；0 ～ 5 cm土壤鹽分含量屬弱相關性，主要受隨機因素引起的（如天氣和農事活動等），即可把臺風天氣的海水倒灌理解成一次人為不合理措施；而20 ～ 40 cm深土層屬于劇烈空間自相關性，由于未直接與外界接觸，其土壤鹽分含量主要受地下水位和地表水滲漏的共同影響。從變程來看，20 ～ 40 cm土層土壤鹽分趨于一個穩定數值的樣點間距最短，僅139 m；此外，5 ～ 10 cm和10 ～ 20 cm土壤鹽分含量的半方差函數模型均為球形模型。

2.3 空間插值分析

為了更直觀地反映整個農場土壤鹽分的空間分布格局，依據2.2節所得到的半方差函數模型，采用Kriging最優內插法，編繪了研究區不同深度土壤鹽分含量的空間分布圖。

圖 2顯示了各層土壤不同含鹽量范圍的面積分布情況。總體而言，隨著土壤深度的增加土壤含鹽量逐漸下降，第一層（0 ～ 5 cm）土壤含鹽量相對較高，含量＞9 g/kg的土壤有3 938.16 hm2，占農場總面積的36.39%；第二層（5 ～ 10 cm）土壤含鹽量較第一層有所降低，尤其是＞9 g/kg的區域有較大幅度的減少，只剩西部沿海地區有連片分布，此層土壤鹽分含量集中在 5 ～ 7 g/kg，面積為 3 737.61 hm2，占總面積的65.86%；從第三層（10 ～ 20 cm）土壤鹽分的插值圖可以看出，在西部沿海呈現一個三角形狀的較高含鹽量（7 ～ 9 g/kg）區域，面積為1 710.27 hm2，占總面積的30.13%，此區域的南部地區含鹽量低于北部地區；第四層土壤鹽分含量表現出與第三層土壤類似的變化規律，即以本農場西南沿海地區為中心，由西南向東北階梯狀下降的圓弧變化規律，只有極少面積的土壤含鹽量＞9 g/kg，面積僅為24.38 hm2，僅占總面積的0.43%，絕大部分土壤含鹽量＜5 g/kg。各土層的不同含鹽量面積分布情況見表3。

同樣，從表3還可以看出，土壤含鹽量＜1 g/kg的各土層均沒有分布。含鹽量1 ～ 3和3 ～ 5 g/kg兩個級別隨著土層深度的增加，面積逐漸增大。0 ～ 5 和5 ～ 10 cm兩個土層中含鹽5 ～ 7 g/kg的級別面積增加最大，第二層較第一層增加了3 204.90 hm2；面積減少最多的是土壤含鹽量 ＞ 9 g/kg的級別，第二層較第一層減少了3 872.09 hm2。

3 結論與討論

采集的海口市三江農場土壤剖面 4個土層中土壤鹽分的均值差異較大，最大的為0 ～ 5 cm土層，土壤鹽分平均含量達到9.63 g/kg，最小的是20 ～ 40 cm土層，鹽分平均含量僅為4.36 g/kg，鹽分含量大小順序依次為：0 ～ 5 cm＞5 ～ 10 cm＞10 ～ 20 cm＞20 ～ 40 cm，表層土壤第一、二層次（0 ～ 5，5 ～ 10 cm）的鹽分含量服從正態分布；第三、四層土壤（10 ～ 20，20 ～ 40 cm）的鹽分含量不服從正態分布。4個層次土壤鹽分含量的變異系數均超過了100%，屬于強變異程度。

圖2 土壤鹽分含量空間插值分布圖

表3 不同深度土層各鹽分級別面積統計表

從空間自相關性來看，第一層（0 ～ 5 cm）土壤鹽分含量屬弱相關性，第四層（20 ～ 40 cm）深土層屬于劇烈空間自相關性；第四層（20 ～ 40 cm）變程最短，僅139 m；5 ～ 10 cm和10 ～ 20 cm土壤鹽分含量的半方差函數模型均為球形模型。

4個土層鹽分含量分布格局差異明顯，含鹽量＜1 g/kg的各土層均沒有分布。含鹽量1 ～ 3和3 ～ 5 g/kg兩個級別隨著土層深度的增加，面積逐漸增大。0 ～ 5和5 ～10 cm兩個土層中含鹽5 ～ 7 g/kg的級別面積增加最大，第二層較第一層增加了3 204.90 hm2；面積減少最多的是土壤含鹽量 ＞ 9 g/kg的級別，第二層較第一層減少了3 872.09 hm2。

一般認為，土壤鹽分的空間分布特征是自然條件和人為因素綜合作用的結果，但主導因素各地區有所不同，受土地利用方式和地形地貌的影響較大。本研究中，海水倒灌是最主要因素，由于海拔較低又是沿海地區，地下水也是不可忽略的因素；同時，研究區內的水利設施欠完善，也是導致本次鹽害不能及時排除或降低的重要因素之一，7—10月是海南的雨季，這4個月集中了全年60% 的降雨量，按常理經過這幾個月的降雨洗鹽作用，土壤鹽分應該有較大幅度下降，但是研究人員幾次到實地調研，發現多數田洋還是積水，但土壤鹽分含量還有待第二次采樣調查，在此未能進行研究討論。

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中圖分類號：S156

DOI:10.13758/j.cnki.tr.2016.03.030

基金項目：①海南省耕地改良專項（HNGDhs201501）和海南省科研院所技術開發專項（KYYS-2015-12，KYYS-2016-02）資助。

* 通訊作者（lshxie@163.com）

作者簡介：張冬明（1982—），男，江西井岡山人，碩士，副研究員，主要從事土壤改良與土壤信息系統研究。E-mail: purvery@163.com

Spatial Variability of Surface Soil Salinity of Farmland by Seawater

ZHANG Dongming， ZHANG Wen， ZHENG Daojun， JI Qingmei， WU Yujia， PAN Xiaozhong ，

FU Chuanliang，WANG Zhongyou， XIE Liangshang*
（Agricultural Environment and Soil Research Institute of Hainan Academy of Agricultural Sciences /Scientific Observing and Experimental Station of Arable Land Conservation （Hainan）， Ministry of Agriculture， Haikou 571100， China）

Abstract:Characteristics of the soil salinity of the SanJiang farm in Haikou city was studied by using geostatistics and spatial interpolation methods on the bases of collecting and measuring soil samples with seawater intrusion.The results showed that the maximum mean soil salinity was 9.63 g/kg happened in 0-5 cm layer， and the minimum one was 4.36 g/kg， happened in 20-40 cm layer.The 0-5 cm layer was a weak correlation in soil salt content while the 20-40 cm layer was intense spatial correlation.The distribution pattern of soil salinity had obvious difference between different layers， and no layer with less than 1 g/kg of salt content.With the increase of soil depth， the areas of 1-3 g/kg and 3-5 g/kg salt contents increased gradually， while the area of greater than 9 g/kg salt content reduced.The differences of soil salt contents in different soil depths were obvious， and spatial variability were also different， generally there is a surface accumulation of salt.

Key words:Soil salinity； Geostatistics； Spatial variation； Sanjiang farm； Seawater intrusion