阿拉爾墾區中尺度土壤水鹽空間異質性分析

摘要：以塔里木河上游綠洲阿拉爾墾區為典型研究區，根據55個樣點的試驗數據，利用傳統統計學方法和地統計學方法，分析了樣區表層土壤（0～80 cm）水鹽空間分異特征。結果表明，各層土壤水分、pH、電導率和全鹽具有明顯的空間變異性。pH屬于弱變異性，含水量屬于中等變異性，電導率、鹽分和大部分離子均接近或屬于強變異性；半方差函數模型顯示0～20 cm土層土壤水分、電導率、全鹽以及20～50 cm土層土壤水分、50～80 cm土層pH均符合高斯模型，0～20 cm土層pH，20～50 cm土層pH、電導率和全鹽，50～80 cm土層土壤水分、電導率、全鹽均符合球狀模型。各指標塊金值/基臺值較小，表現為空間相關性極強，變異更多受結構性因素影響。指標的空間分布與流域環境密切相關，土壤水分最大值在墾區沿西北-東南方向分布，與塔里木河源流走向一致，土壤電導率和全鹽均為中西部高于東部，而pH表現為相反的規律。多年耕作墾區水鹽空間分布異質性在中尺度下較小尺度更高。

關鍵詞：土壤水鹽；空間變異；地統計學；阿拉爾墾區

中圖分類號：S154.2 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）16-4120-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.16.012

土壤的鹽漬化和灌溉引起的土壤次生鹽漬化問題是制約當前干旱區農業發展的主要障礙。干旱地區蒸發強烈，地下水位上升，鹽分易殘留在土壤表層；加之降水量少，不能將土壤表層的鹽分淋溶排走，致使土壤表層的鹽分積累，從而形成了鹽堿土壤。做好干旱區鹽漬土研究，是為實現土地資源可持續利用及農業生態恢復奠定堅實的基礎。土壤水鹽空間特征的變化是影響區域農作物穩定性的重要因素，開展土壤水鹽空間分異規律研究對綠洲土地合理開發利用和土壤鹽漬化的防治改良具有重要的科學和現實意義。

阿拉爾墾區位于塔里木河上游沖積平原，為典型的大陸性干旱氣候。強烈的大氣蒸發作用是驅使土壤鹽分向上運動的主要動力，鹽漬化現象嚴重[1]。受干旱條件和地質背景影響，鹽漬土所特有的反復性和不穩定性嚴重威脅著阿拉爾墾區的土壤環境，其水鹽特征表現為復雜的變異性。地統計學方法為研究土壤鹽漬化的空間變異性提供了有效的工具，已被廣泛用于分析土壤空間分布特征及其規律[2-5]。但多數學者單獨針對水分或鹽分要素開展分析[6-9]，較少將水鹽因子結合系統解釋土壤空間特性[10-12]。本研究結合地統計學方法科學詮釋中尺度下阿拉爾墾區的水鹽空間分布特征，從而為塔里木河流域綠洲的分區管理、干旱區農業土壤的保護和可持續利用提供可考依據。

1 研究區概況

阿拉爾墾區地處天山南麓，塔克拉瑪干大沙漠北緣，阿克蘇河與和田河、葉爾羌河三河交匯之處的塔里木河上游，東經80°30′-81°58′、北緯40°22′-40°57′之間。阿拉爾市屬暖溫帶極端大陸性干旱荒漠氣候，極端最高氣溫35 ℃（沙井子墾區每隔5～10年遇最高溫40 ℃），極端最低氣溫-28 ℃（四團墾區最低氣溫為-33.2 ℃）。土壤類型主要以棕漠土為主，受人為干擾大，土壤鹽漬化問題嚴重。該地區屬新疆維吾爾自治區生產建設兵團直轄的縣級市，是全國最重要的細絨棉和最大的長絨棉生產基地以及新疆特色農副產品轉化增值的示范基地。

2 研究方法

2.1 樣地設置與取樣

樣區布設覆蓋整個墾區，共設置56個樣點，包括棉田23處、果園7處、人工林8處、天然林9處、荒草地9處。采樣時間為2012年5月。采集樣方各層土樣（0～20、20～50、50～80 cm），每層設置3次重復，將3次重復的土樣去除植物根系和石塊，充分混勻并用四分法取1 kg，混勻風干研磨過篩以供測定。農區灌溉由墾區所屬兵團統籌管理，測定前 20 d無降水和灌溉。

2.2 試驗方法與數據處理

土壤水鹽指標測定方法如下：土壤含水量采用烘干法，pH采用電位法，電導率采用電導法，CO32-和HCO3-測定采用雙指示劑中和法，Cl-測定采用AgNO3滴定法，SO42-采用EDTA間接滴定法，Ca2+和Mg2+采用EDTA絡合滴定法，Na+和K+采用EDTA絡合滴定法，全鹽由各離子含量計算得出。

數據處理采用SPSS 19.0計算統計特征值并利用Kolmogorov-Smimov（K-S）法進行正態分布檢驗。

土壤水鹽空間分布特征采用地統計學方法，通過半方差函數分析土壤水鹽變量的空間特征。具體通過GS+9.0完成地統計學的半方差函數計算，在ArcGIS 10.0軟件中基于最優模型參數利用Kriging插值繪制空間分布圖。

3 結果與分析

3.1 土壤水鹽指標的描述性統計特征

對樣區土壤水鹽指標的經典統計分析結果如表1所示。3層土壤水分的均值分別為24.33%、29.85%、30.22%，呈遞增趨勢；pH的均值分別為8.17、8.13、8.14，偏堿性，變幅相對較小；土壤電導率和全鹽的變化趨勢較為一致，電導率各層的均值分別為4.50、1.86、1.39 mS/cm，全鹽各層的均值分別為23.40、7.98、5.90 g/kg，總體屬于重鹽土類型（含鹽量大于4.0 g/kg），其最大值與最小值之比垂直遞減，且水平方向上明顯高于pH和含水量，說明表層土壤鹽分的變異性最大；進一步分析八大離子含量得出，土壤鹽分的主要組成離子為SO42-、Cl-和Na+，CO32-含量趨近于0，其變化規律與全鹽同步，表現出強烈的表聚性特性。

根據變異系數的劃分等級（弱變異性，CV<0.1；中等變異性，CV=0.1～1.0；強變異性，CV>1.0）可知，各層pH屬于弱變異性，各層土壤水分屬于中等變異性，各層電導率、全鹽接近強變異性，大部分離子接近或屬于強變異性。利用Kolmogorov-Smimov法進行正態分布檢驗（P<0.05，雙側）發現土壤水分、pH、電導率和全鹽均服從正態分布，大部分離子含量不服從正態分布，經對數轉化后呈正態分布。

3.2 土壤水鹽指標的空間變異特征

據半方差函數理論及計算模型得表2。0～20 cm土層土壤水分、電導率、全鹽，20～50 cm土壤水分，50～80 cm pH均符合高斯模型；0～20 cm土層pH，20～50 cm pH、電導率、全鹽，50～80 cm土壤水分、電導率、全鹽均符合球狀模型。

表2中塊金值/基臺值可以證明隨機部分的空間異質性占總空間異質性的程度，還可以表明土壤性質空間相關性的程度，如果塊金值/基臺值小于25%，表現為空間相關性極強，其空間異質性主要是由空間結構性因素引起的；塊金值/基臺值在25%～75%時具有中等空間相關性；當塊金值/基臺值大于75%時空間相關性較弱。表2表明，各土層的水鹽指標的塊金值/基臺值均小于25%，表現為空間相關性極強。這說明中尺度下土壤水鹽指標的空間異質性主要受到結構性因素（如氣候、母質、地形等）的影響，而隨機因素在影響這些指標的異質性比重較小。土壤水分和pH下層的塊金值/基臺值較高，可能與地下水位因素有關；電導率和全鹽不同土層的塊金值/基臺值由表層到下層呈現遞減趨勢，說明上、中層相對更易受到隨機性因素作用的影響。

變程是測定因子最大變異的空間距離，如在變程之內，空間自相關性存在，在變程之外，空間自相關性消失。因此，變程的大小表示空間異質性的尺度[13]。由表2可以看出，土壤水分、pH、電導率和全鹽指標均是土壤表層的變程小于深層，說明土壤表層各指標空間連續性低于土壤深層。主要原因是表層土壤受到地形、氣象條件及人為活動因素的影響較大，導致了它們的空間相關距離較小。而深層土壤受到上述因素的影響較小，故空間相關距離較大。

3.3 土壤水鹽指標的空間分布特征

在半方差函數模型及參數擬合的基礎上，對聚鹽效應最為強烈的0～20 cm表層土壤的水鹽指標進行Kriging插值，獲得樣區表層土壤水鹽指標的空間分布及面積比例（圖1、表3）。

由圖1可以看出，各土壤指標分布均表現為條狀、面狀斑塊分布格局。土壤水分最大值在墾區沿西北-東南方向分布，與塔里木河源流走向一致，其余部分則為不規則高低相間分布；電導率、全鹽均為中西部高于東部，該分布特征符合綠洲開墾的方向，中西部為早期開墾的綠洲，而東部為新開墾的綠洲。pH表現為相反的規律，呈現為西部低于東部。結合表3分析得到，墾區內土壤水分含量較高，大部分均在20%以上；堿化程度嚴重，pH高于8.1的占近90%，而在耕作時間較長的綠洲，pH相對較低可能與土壤施加氮素、磷素等肥料所引起的土壤酸化有關[14]。墾區鹽漬化程度嚴重，近70%全鹽含量大于10 g/kg。

4 結論與討論

本研究以塔里木河上游阿拉爾墾區為研究區，利用地統計學軟件與GIS技術，根據56個樣點的試驗數據，分析了樣區土壤水鹽空間變異特征。

1）統計分析表明，研究區土壤鹽分含量較高，pH較大，鹽堿化程度較為明顯。從垂直分布來看，表層（0～20 cm）土壤全鹽、電導率及鹽分離子含量明顯高于其他土層，隨著土層的加深，土壤全鹽量表現為急劇遞減的趨勢。在持續的地表蒸發作用下，深層土壤以及地下水中的可溶性鹽類借助毛細管作用上升并積聚，這是形成該地區鹽分垂直分布格局的最直接因素。研究區地下水位較高，地表蒸發強烈，導致深層土壤水分含量顯著大于表層。除pH表現為弱變異性外，土壤含水量、電導率、鹽分和大部分離子指標均接近或屬于強變異性。這主要是由于研究區內土地利用方式的差異、灌溉制度以及耕作方式不同引起的。研究結論與有關學者開展的綠洲土壤水鹽分布規律的成果相一致[1，15]。

2）地統計學方法分析表明：0～20 cm土層土壤水分、電導率、全鹽以及20～50 cm土層土壤水分、50～80 cm土層pH均符合高斯模型；0～20 cm土層pH、20～50 cm土層pH、電導率和全鹽，50～80 cm土層土壤水分、電導率、全鹽均符合球狀模型；塊金值/基臺值的計算結果顯示各土層水鹽指標均表現為空間相關性極強，其空間異質性主要受到結構性因素影響；大部分土壤表層的水鹽指標變程均小于深層，說明土壤下層各指標空間連續性更佳。墾區水鹽要素極強的空間自相關性和空間異質性與孫艷偉等[16]的研究結論相符合。且指標的自相關性比較小尺度下墾區的有關研究更大[17]，且規律性更加復雜。

3）表層土壤水鹽指標的空間分布特征顯示：各指標的空間分布與區域環境密切相關。中西部較早開墾的綠洲鹽漬化程度較晚開墾的東部綠洲更為嚴重，連續的灌溉等農業活動使其土壤電導率和全鹽含量均相對較高，而pH因農業管理措施而略有降低。

綜上所述，研究區土壤鹽漬化現象依然嚴重，應加強研究與治理改良。土壤水鹽在時間和空間上均差異較大，在以后的研究中應重視時間與空間相結合，更深入地探討土壤水鹽分布規律。

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