干旱區(qū)綠洲土壤pH值與電導(dǎo)率的空間變異研究

康 璇，王雪梅,2*，趙 楓,2

(1.新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830054；2.新疆維吾爾自治區(qū)重點實驗室“新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源實驗室”，新疆 烏魯木齊 830054)

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干旱區(qū)綠洲土壤pH值與電導(dǎo)率的空間變異研究

康 璇1，王雪梅1,2*，趙 楓1,2

(1.新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830054；2.新疆維吾爾自治區(qū)重點實驗室“新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源實驗室”，新疆 烏魯木齊 830054)

本文以渭干河-庫車河三角洲綠洲為研究對象，通過野外樣品采集，室內(nèi)分析及統(tǒng)計分析對土壤pH值與電導(dǎo)率的空間變異性進行研究，結(jié)果表明：①研究區(qū)土壤pH值在20～40 cm土層具有較大變幅，且值大于0～20 cm土層，而電導(dǎo)率在0～20 cm土層變化顯著，且數(shù)值高于20～40 cm土層。②土壤電導(dǎo)率和20～40 cm土層pH值的空間分異是由結(jié)構(gòu)性因素和隨機性因素共同作用的結(jié)果；而0～20 cm的土壤pH值主要受隨機性因素的影響，造成土壤pH值具有一定程度的空間變異性。③研究區(qū)土壤電導(dǎo)率的高值集中分布在東部，土壤電導(dǎo)率由渭-庫綠洲沖、洪積扇平原的中部向外遞增。在0～20 cm土層中，研究區(qū)北部、東北部及東部的土壤偏堿性，在20～40 cm土層中，西北部、南部土壤偏堿性，研究區(qū)中部及其他大部分區(qū)域均偏中性。通過對渭干河庫車河三角洲綠洲土壤pH值與電導(dǎo)率空間變異的研究，可對綠洲土壤鹽漬化特征及其空間格局分布規(guī)律進行有效評價，以期為維護綠洲生態(tài)系統(tǒng)健康及鹽堿地的改良提供參考依據(jù)。

空間變異；土壤pH值與電導(dǎo)率；渭干河-庫車河三角洲綠洲

土壤在成土過程中，由于受不同的物理、化學(xué)、生物等因素的影響，使得土壤性質(zhì)具有高度的空間異質(zhì)性和不確定性。因此，對土壤屬性進行空間定量分析已成為土壤學(xué)研究發(fā)展的必然。地統(tǒng)計學(xué)分析方法則是研究土壤屬性空間分布特征和變異規(guī)律的有效方法，目前已被廣泛應(yīng)用。李子忠等應(yīng)用經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)和地統(tǒng)計學(xué)方法對土壤的含水量及電導(dǎo)率的空間變異性進行了對比分析。結(jié)果表明，應(yīng)用地統(tǒng)計學(xué)方法采樣效率比經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)方法高6～8倍[1]。在我國，利用GIS技術(shù)的地統(tǒng)計學(xué)方法進行土壤特性空間變異的研究較多。石淑芹等以松嫩平原土壤養(yǎng)分與地理坐標(biāo)、土壤類型和微量元素等相關(guān)性為基礎(chǔ)，對土壤養(yǎng)分分別進行協(xié)同克里格和普通克里格估值，認(rèn)為協(xié)同克里格對區(qū)域尺度土壤屬性空間模擬的效果要優(yōu)于普通克里格[2]。郭旭東基于GIS和地統(tǒng)計學(xué)研究了河北省遵化市土壤表層(0～20 cm)堿解氮、全氮、速效鉀、速效磷和有機質(zhì)等5種養(yǎng)分要素的空間變異規(guī)律[3]。范夫靜等采用經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)和地統(tǒng)計學(xué)方法，研究了西南峽谷型喀斯特坡地土壤養(yǎng)分的空間異質(zhì)性和分布格局，結(jié)果表明：峽谷型喀斯特坡地土壤養(yǎng)分含量為中等和強變異，pH值表現(xiàn)為弱變異，有機質(zhì)表現(xiàn)為中等程度的變異[4]。

相關(guān)研究表明，土壤溶液含鹽量與電導(dǎo)率在一定濃度范圍內(nèi)呈正相關(guān)，當(dāng)土壤溶液中鹽基離子的比值比較固定時，可用電導(dǎo)率值準(zhǔn)確表征土壤溶液中的總鹽分濃度，也就是說土壤溶液電導(dǎo)率越大，土壤中的鹽分含量越高[5]。根據(jù)土壤鹽分含量與電導(dǎo)率的這種關(guān)系，可以用溶液電導(dǎo)率的大小來間接地反映土壤鹽分的實際狀況。同時，與測定土壤含鹽量相比，電導(dǎo)率的測定更可靠、經(jīng)濟和快速。土壤pH值是土壤理化性質(zhì)的綜合反應(yīng)，受土壤母質(zhì)、生物、氣候、人為措施以及鹽基離子飽和度的影響較大，對土壤肥力和作物生長具有重要影響[6]。前期研究顯示，渭干河-庫車河三角洲綠洲土壤pH值與電導(dǎo)率呈極顯著的相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，且土壤pH值的平均值大于8，土壤偏堿性，說明土壤溶液中鉀鈉離子的含量相對較高[7]。因此，本文采用土壤pH值與電導(dǎo)率這兩個鹽漬化參數(shù)對渭干河-庫車河三角洲綠洲土壤鹽漬化特征及其空間格局分布規(guī)律進行有效評價，以期為該地區(qū)鹽堿地的改良和區(qū)域土地資源的合理開發(fā)利用提供參考。

1 研究區(qū)概況

渭干河-庫車河三角洲綠洲位于新疆天山山脈與塔里木盆地之間，介于80°37′～83°59′ E，41°06′～42°40′ N。行政區(qū)域上包括新和縣的全部和庫車、沙雅縣的大部分綠洲范圍，為一典型而完整的扇形洪、沖積傾斜平原。渭-庫綠洲屬于大陸性暖溫帶干旱氣候，蒸發(fā)強烈，降水稀少，平原區(qū)多年平均降水量為46.5 mm，山區(qū)多年平均降水量為243.0 mm，年均蒸降比為38.6。由于特殊的地形條件，地下水埋深較淺，在強烈的蒸發(fā)作用下，該三角洲綠洲土壤鹽漬化現(xiàn)象普遍，在古河道、河漫灘等地下水淺埋區(qū)，分布著大面積的鹽漬化土和鹽土。在土地利用方面，該三角洲綠洲為典型的綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)，以農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟林及小規(guī)模漁業(yè)為主。植被分布以玉米、棉花、棗園、核桃園等為主，另有蘆葦、駱駝刺、花花柴、檉柳等荒漠鹽生植被。

2 材料與方法

2.1 調(diào)查取樣

在前期布點的基礎(chǔ)上，利用GPS于2013年10月13日至19日在渭-庫綠洲進行定位選點采樣。依據(jù)典型性和代表性原則，在不同的土地利用方式下，選取了78個樣點(圖1)，涵蓋了主要的4種土地利用類型(耕地、林地、荒漠灌叢和鹽堿草地)。每個取樣點設(shè)3個重復(fù)，并在0～20和20～40 cm深度土層分層取樣。在采樣的同時，采用實地測量和農(nóng)戶走訪等多種形式，詳細(xì)調(diào)查該樣點所在的坡度、坡向、土層厚度、土地利用方式、植被類型、耕作制度及人為干擾情況等信息，并填寫土壤樣點調(diào)查表[8]。

2.2 室內(nèi)分析和統(tǒng)計分析

將采集的土樣在實驗室進行自然風(fēng)干，剔出土壤以外的植物殘茬、石粒、磚塊等侵入體，通過適當(dāng)磨細(xì)過篩，充分混合均勻進行室內(nèi)分析。參照中國科學(xué)院南京土壤研究所編寫的《土壤理化性質(zhì)分析》中的經(jīng)典分析方法，按照土水比1∶5浸提后，使用pH計和電導(dǎo)率儀測定土壤pH值和電導(dǎo)率[9]。

圖1 研究區(qū)及采樣點分布Fig.1 The distribution of sampling points in study area

取樣深度(cm)特征值pH值電導(dǎo)率(ms·cm-1)0～20變幅7.63～8.900.06～2.73平均值8.251.49中位數(shù)8.251.77標(biāo)準(zhǔn)差0.300.98變異系數(shù)(%)3.6565.69偏度系數(shù)0.20-0.24峰度系數(shù)-0.80-1.5920～40變幅7.41～9.100.03～2.66平均值8.391.13中位數(shù)8.341.17標(biāo)準(zhǔn)差0.360.84變異系數(shù)(%)4.3374.22偏度系數(shù)-0.080.26峰度系數(shù)-0.82-1.22

室內(nèi)分析數(shù)據(jù)經(jīng)整理后，采用SPSS20.0統(tǒng)計分析軟件，首先對土壤pH值和電導(dǎo)率進行描述性統(tǒng)計分析和正態(tài)性檢驗。并利用GS+9.0地統(tǒng)計分析軟件進行半方差函數(shù)理論模型的擬合和參數(shù)的選擇，最后使用ArcGIS10.2軟件的地統(tǒng)計分析模塊對樣本數(shù)據(jù)進行空間插值。

3 結(jié)果與分析

3.1 描述性統(tǒng)計分析

從表1可知，土壤pH值在20～40 cm土層具有較大變幅，電導(dǎo)率在0～20 cm土層變化顯著。從平均值和中位數(shù)來看，20～40 cm土層的pH值大于0～20 cm土層，而電導(dǎo)率則呈相反的變化規(guī)律：0～20 cm土層的鹽分含量高于20～40 cm土層的鹽分含量。從變異系數(shù)來看，pH值為弱空間變異(變異系數(shù)≤10 %)，電導(dǎo)率為中等空間變異性(10 %<變異系數(shù)<100 %)。表中偏度系數(shù)和峰度系數(shù)進一步顯示所采土壤樣本的pH值和電導(dǎo)率近似服從正態(tài)分布。

3.2 地統(tǒng)計學(xué)分析

3.2.1 正態(tài)分布檢驗 研究結(jié)果表明土壤屬性評價的可靠性與其數(shù)據(jù)分布特征有密切關(guān)系。如果進行空間變異分析所需數(shù)據(jù)不服從正態(tài)分布，其變異函數(shù)可能產(chǎn)生比例效應(yīng)[10]。因此，一般情況下要求數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布或者近似正態(tài)分布。利用SPSS 20.0軟件的單樣本K-S檢驗法對pH值和電導(dǎo)率進行非參數(shù)檢驗(表2)，進一步研究表明，pH值和電導(dǎo)率均符合正態(tài)分布(P>0.05)。

3.2.2 半方差函數(shù)分析 選擇最佳的半方差函數(shù)模型是有效分析土壤養(yǎng)分空間變異結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。本文利用地統(tǒng)計學(xué)處理軟件GS+9.0軟件，對土壤pH值和電導(dǎo)率進行半方差函數(shù)模型擬合。以決定系數(shù)(R2)最大，殘差(RSS)最小為選擇原則，最終確定出土壤pH值和電導(dǎo)率的最優(yōu)半方差函數(shù)擬合模型，研究其空間變異性。

對渭干河-庫車河三角洲綠洲土壤pH值和電導(dǎo)率進行半方差分析，結(jié)果(表3)表明，土壤pH值和電導(dǎo)率在0～20和20～40 cm土層中的最適模型均為Spherical(球狀模型)，決定系數(shù)R2均大于0.7，殘差(RSS)小于0.1。

表2 非參數(shù)檢驗(單樣本K-S)

注：P>0.05，檢驗分布型為正態(tài)分布。

表3 半方差函數(shù)參數(shù)

pH值的塊金值均較小，最小為0.0723，表明由實驗誤差和小于實驗取樣尺度耕作、施肥等隨機因素所引起的土壤pH值含量變化分異較小；電導(dǎo)率的塊金值較大，最大為0.7186，這說明在小于試驗取樣尺度下，影響土壤電導(dǎo)率的隨機因素造成的空間變異相對較強。C0+C是基臺值，可以反應(yīng)土壤屬性值在研究區(qū)域內(nèi)總的空間變異程度，土壤pH值的基臺值在0.095～0.137，土壤電導(dǎo)率的基臺值在0.740～1.194，說明土壤電導(dǎo)率的空間變異性要強于土壤pH值。土壤電導(dǎo)率和20～40 cm土層pH值的結(jié)構(gòu)方差比[C0/(C0+C)]在25 %～75 %，表明土壤屬性值具有中等空間相關(guān)性，說明土壤電導(dǎo)率和20～40 cm土層pH值的空間分異是由結(jié)構(gòu)性因素(母質(zhì)、地形、土壤類型等自然因素)和耕作、施肥、作物栽培管理等隨機性因素共同作用的結(jié)果；而0～20 cm的土壤pH值大于75 %，表明其空間相關(guān)性較弱，說明主要受隨機性因素如耕作、施肥、水資源管理等人為活動的影響，造成土壤pH值具有一定程度的空間變異性。

變程(A)是使半方差達到基臺值時的樣本間距，即最大相關(guān)距離，表明土壤屬性空間自相關(guān)范圍的大小。從變程(A)來看，土壤pH值和電導(dǎo)率的空間變化范圍在0.178～1.079 km，電導(dǎo)率具有較大范圍的空間自相關(guān)性，土壤pH值的空間自相關(guān)范圍則相對較小。

3.2.3 空間格局分析 為了更直觀地了解研究區(qū)土壤pH值和電導(dǎo)率的空間格局分布特征，在半方差函數(shù)理論模型分析的基礎(chǔ)上，利用ArcGIS10.2軟件的地統(tǒng)計分析模塊對0～20和20～40 cm土層深度的土壤pH值和電導(dǎo)率采用普通克立格插值法進行空間插值，并繪制研究區(qū)pH值和電導(dǎo)率的空間分布圖(圖2～3)。

土壤pH值和電導(dǎo)率在空間分布上呈現(xiàn)出明顯的片狀、條帶狀和斑塊狀格局。結(jié)合研究區(qū)的地形特點進行分析，土壤電導(dǎo)率的高值集中分布在研究區(qū)的東部，且正東方向、東北、東南部的含量明顯高于西部及西北部，即土壤含鹽量由渭-庫綠洲沖、洪積扇平原的中部向外遞增。pH值的空間分布情況在不同深度的土壤中有所區(qū)別，在0～20 cm深度的土壤中，研究區(qū)北部、東北部及東部的土壤呈現(xiàn)片狀、條帶狀的偏堿性，土壤溶液中鉀鈉離子的含量相對較高，西部有零星斑塊狀呈堿性的土壤，中部、南部及西南部大部分土壤偏中性，在西偏南方向出現(xiàn)最小值；在20～40 cm深度的土壤中，西北部、南部土壤呈片狀、斑塊狀的偏堿性，研究區(qū)中部及其他大部分區(qū)域均偏中性，大體上來說，土壤pH值在渭-庫綠洲沖積扇扇頂處較大，向周圍遞減直至沖積扇南部又呈現(xiàn)出遞增的趨勢。

圖2 0～20 cm深度土壤pH值與電導(dǎo)率空間分布Fig.2 The distribution of soil pH value and conductivity in 0-20 cm depth

圖3 20～40 cm深度土壤pH值與電導(dǎo)率空間分布Fig.3 The distribution of soil pH value and conductivity in 20-40 cm depth

4 討論和結(jié)論

(1)研究區(qū)土壤pH值在20～40 cm土層具有較大變幅，且值大于0～20 cm土層。電導(dǎo)率在0～20 cm土層變化顯著，且鹽分含量高于20～40 cm。從變異系數(shù)來看，pH值為弱空間變異，電導(dǎo)率為中等空間變異。所采土壤樣本的pH值和電導(dǎo)率近似服從正態(tài)分布。

(2)由土壤pH值和電導(dǎo)率在0～20和20～40 cm土層中的最適模型Spherical(球狀模型)得出，土壤電導(dǎo)率和20～40 cm土層pH值的空間分異是由結(jié)構(gòu)性因素(母質(zhì)、地形、土壤類型等自然因素)和耕作、施肥、作物栽培管理等隨機性因素共同作用的結(jié)果；而0～20 cm的土壤pH值主要受隨機性因素如耕作、施肥、水資源管理等人為活動的影響，造成土壤pH值具有一定程度的空間變異性。電導(dǎo)率具有較大范圍的空間自相關(guān)性，土壤pH值的空間自相關(guān)范圍則相對較小。

(3)由研究區(qū)pH值和電導(dǎo)率的空間分布情況得出，土壤電導(dǎo)率的高值集中分布在研究區(qū)的東部，土壤含鹽量由渭干河-庫車河三角洲綠洲沖、洪積扇平原的中部向外遞增。在0～20 cm深度的土壤中，研究區(qū)北部、東北部及東部的土壤呈現(xiàn)片狀、條帶狀的偏堿性，在20～40 cm深度的土壤中，土壤pH值在渭-庫綠洲沖積扇扇頂處較大，偏堿性，向周圍遞減直至沖積扇南部又呈現(xiàn)出遞增的趨勢。

由于土壤是受自然因素(母質(zhì)、氣候、生物、地形與時間)以及人為因素共同作用而形成的，不同地區(qū)土壤具有許多不同的土壤特性，即使在同一塊田地的不同位置，土壤特性也會具有明顯差異[11]。土壤的變異是許多因素相互作用的結(jié)果，具有尺度上的相關(guān)性[12]，渭干河-庫車河三角洲綠洲的土壤pH值較高，大部分土地表現(xiàn)出較強的堿性。而能反映土壤含鹽量高低的電導(dǎo)率，其空間分異是由土壤母質(zhì)、所在區(qū)域地形、土壤類型等結(jié)構(gòu)性因素和耕作、施肥、作物栽培管理及水資源的利用方式等隨機性因素共同作用的結(jié)果。大量的研究也表明，土壤pH值及電導(dǎo)率的數(shù)值變化和形態(tài)分布不僅與氣候、成土母質(zhì)、成土過程以及土壤類型質(zhì)地有關(guān)，還受耕作制度、水資源利用方式、施用化肥和種植作物類型等人為因素影響[13-15]。通過對土壤pH值及電導(dǎo)率的空間變異研究，掌握土壤pH值及鹽分空間分布規(guī)律可為研究區(qū)鹽漬化的防止及鹽漬土的合理利用提供依據(jù)。

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(責(zé)任編輯 李山云)

Study on Spatial Variability of Soil pH Value and Conductivity in Arid Oases

KANG Xuan1, WANG Xue-mei1, 2*, ZHAO Feng1, 2

(1.College of Geography Science and Tourism, Xinjiang Normal University, Xinjiang Urumqi 830054，China;2.Xinjiang Uygur Autonomous Region Key Laboratory ‘Xinjiang Laboratory of Lake Environment and Resources in Arid Zone’, Xinjiang Urumqi 830054，China)

Taking Weigan-Kuqa River Delta Oasis as the object of study, through the field samples, laboratory and statistical analysis of the spatial variation of soil pH value and conductivity were carried out. The results show that(i) The soil pH values in the study area had a large variation in 20-40 cm soil layer, and the value was greater than that of 0-20 cm, while the electrical conductivity of the soil layer in 0-20 cm was significantly higher than that in 20-40 cm soil layer.(ii) The spatial variation of soil electrical conductivity and pH values of 20-40 cm soil layer was determined by the structural factors and random factors, while the soil pH values of 0-20 cm were mainly influenced by random factors, which resulted in the spatial variability of soil pH values.(iii) The study area of soil electrical conductivity high concentration distribute in the East, soil electrical conductivity by the Weigan-Kuqa River Oasis alluvial plain in the middle of the outward increments. In the 0-20 cm soil layer, the soil in the north, northeast and east of the study area is alkaline, and in the 20-40 cm soil layer, the soil in the northwest and south of the soil is alkaline, and the middle part of the study area and most of the other regions are neutral. The study of the soil pH value and conductivity in Weigan-Kuqa River Delta Oasis can effectively evaluate the oasis soil salinization characteristics and spatial pattern of distribution, in order to provide reference for the maintenance the healthy of oasis ecosystem and the improve soil salinization.

Spatial variation； Soil pH；Conductivity； Weigan-Kuqa River Delta Oasis

1001-4829(2016)11-2660-05

10.16213/j.cnki.scjas.2016.11.027

2015-12-13

國家自然科學(xué)基金“新疆渭干河流域土地利用/土地覆蓋生態(tài)風(fēng)險及預(yù)警研究”(41261051)；國家自然科學(xué)基金“塔里木盆地北緣綠洲-荒漠過渡帶植被對土壤鹽漬化的響應(yīng)研究”( 41561051)；新疆維吾爾自治區(qū)重點實驗室“新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源實驗室”開放基金(XJDX0909-2013-04)

康 璇(1991- ) ，女，山西岢嵐人，在讀研究生，研究方向：資源環(huán)境地理信息系統(tǒng)，E-mail：429448570@qq.com，*為通訊作者：王雪梅(1976-)，女，江蘇銅山人，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：干旱區(qū)資源環(huán)境“3S”技術(shù)應(yīng)用研究，E-mail：502529672@qq.com。

S156.4+1

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