新疆伊犁察南灌區土壤鹽分特征①

劉遷遷，蘇里坦，劉廣明，沙吾蘭·哈斯木，張 音

(1 中國科學院新疆生態與地理研究所，荒漠與綠洲生態國家重點實驗室，烏魯木齊 830011；2中國科學院大學，北京 100049；3 中國科學院南京土壤研究所，南京 210008；4 新疆國土資源規劃研究院，烏魯木齊 830011)

新疆伊犁察南灌區土壤鹽分特征①

劉遷遷1,2，蘇里坦1*，劉廣明3，沙吾蘭·哈斯木4，張 音1,2

(1 中國科學院新疆生態與地理研究所，荒漠與綠洲生態國家重點實驗室，烏魯木齊 830011；2中國科學院大學，北京 100049；3 中國科學院南京土壤研究所，南京 210008；4 新疆國土資源規劃研究院，烏魯木齊 830011)

以察南灌區土壤為研究對象，對不同含鹽量土壤進行鹽化程度分級，并對該地區土壤鹽分特征進行相關分析和主成分分析，以及對土壤鹽分因子區域影響因素進行探討。結果表明：察南灌區以堿性土壤為主，HCO-3是影響該灌區土壤pH最強的因子；對灌區0 ～ 100 cm土體土壤的分析表明，灌區鹽化土面積約為總灌溉面積的1/4，鹽漬化風險較大；相關性分析顯示，HCO-3、Cl-、SO2-4、Ca2+、Mg2+、Na+、K+為鹽分主要組成離子，總鹽分與各離子之間均呈正相關關系，與總鹽分相關性最強的陰離子為SO2-4，相關性最強的陽離子為Mg2+；主成分分析顯示，HCO-3、Cl-、K+為影響該灌區土壤鹽分特征的主導因子；通過鹽分因子區域影響因素定性分析可知，除HCO-3和pH是由河流以及地下水綜合作用影響外，其他鹽分因子均主要受河流影響。

土壤鹽漬化；伊犁河谷；干旱、半干旱灌區；鹽分離子

在干旱、半干旱地區，綠洲灌溉土壤中的鹽分是土壤特性中最活躍和復雜的部分，因降水稀少、蒸發強烈，鹽分的表聚性特征顯著，極易發生鹽漬化[1]。鹽漬化可導致農業生產力的嚴重衰退，是土地退化的主要原因之一。據聯合國教科文組織(UNESCO)和聯合國糧食及農業組織(FAO)[2]不完全統計，中國受鹽漬化危害的耕地達 0.9 × 108hm2，它們主要分布在新疆、河西走廊、柴達木盆地、河套平原、銀川平原、黃淮海平原、東北平原西部以及濱海地區。強烈蒸騰作用下鹽分離子隨水分在土壤中的運移是導致土壤鹽漬化的原因，對土壤鹽分的特征研究已成為當前鹽漬化土地治理的基礎和關鍵[3]。

近年來，國內外對土壤鹽分特征的研究逐漸增多，不僅對不同土壤類型鹽分特征及不同土層土壤鹽分狀況、鹽分離子狀況及pH等理化性狀進行了分析[4-6]，還對鹽分時空運移變化機制及形成機理進行了研究[7-10]，但針對于新疆伊犁灌溉性土壤鹽分特征方面的研究還較少。本研究以伊犁河谷察南灌區為研究區，一方面對研究區鹽漬化狀況進行分級研究，另一方面運用相關分析、主成分分析等方法，對土壤各土層鹽分、pH以及土壤8大離子進行量化分析，并且對土壤鹽分因子區域影響因素進行探討，旨在充分了解干旱、半干旱區灌溉農業的特點,全面地掌握灌區內水鹽的運移規律；通過定性、定量研究，分析該地區土壤鹽分特征及主要影響因子，以增加對該區域土壤鹽分研究的理論基礎，為后期相應的農業措施提供理論依據，并對同類型灌區土壤鹽分研究提供有益參考。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

察布查爾縣地處亞歐大陸中心，地理位置43°17′ ～43°57′ N，80°31′ ～ 81°43′ E(圖1)。該縣有大小河流13條，年均徑流量2.73×109m3，已利用1.3×109m3；地下水資源動態儲量4.31×109m3，已利用量0.72×109m3。伊犁河在該區年均徑流量1.65×1011m3，年引水量7.6×109m3，南岸干渠引水量1.02×1010m3。研究區察南灌區位于察布查爾縣中南部，地處伊犁河流域中、下游區域，全年有效光照時數達2 846 h，無霜期177 d，全年有效積溫3 800 ℃，年平均降水量222 mm，屬大陸性北溫帶溫和干旱氣候；土地資源豐富，常年灌溉面積1 870 ～ 2 000 hm2，屬于典型的干旱、半干旱灌溉農業區，是伊犁河谷重要的糧食生產地。區內以水稻種植為主，土壤類型為壤土、黏土的互層，區域中部有河流經過，地下水礦化度平均值為2.37 g/L，埋深值在0.3 ～ 1.2 m。

圖1 研究區位置及土壤樣點分布Fig. 1 Locations of study area and soil sampling sites

察南灌區為伊犁河谷水土開發(1515工程)的核心區，區域內地形坡度大、重灌輕排，次生鹽漬化不斷加重。經過多年的農業開發，區域內質量較好的土地資源大部分已被開辟為農田，開墾后易產生水土流失、土地沙化等土地荒漠化問題，同時還面臨著潛水蒸發及大規模農業灌溉所引起的土壤鹽漬化風險[11]。

1.2 研究方法

本研究采用定點采樣與實地測算相結合的研究方法，以獲取0 ～ 100 cm土體土壤鹽分狀況，以及相關的渠灌與地下水灌溉的區域分布狀況。土樣采集時間為2015年10月，為農作物收割后的時期，樣點選在植被覆蓋度低，異質性較小的區域，主要是依據察南灌區農作物分布狀況及土壤鹽分直觀特征，并用GPS定位技術對各點進行準確定位。在每個樣地的中心處，對土壤分0 ～ 30、30 ～ 60及60 ～ 100 cm 3層取土，選取70個具有代表性的樣點，共采集210個土樣各1 kg，帶回實驗室風干分析。

根據南京土壤研究所編著的《土壤理化分析》[12]對土樣進行鹽分及其組成的測定。K+、Na+用火焰光度計法(6410型火焰光度計，上海)測定；Ca2+、Mg2+、用EDTA容量法測定；Cl-用硝酸銀滴定法測定；、用雙指示劑法測定。土壤鹽分離子及土壤EC測定采用1∶5土水比的懸濁液測定，pH采用1∶2.5土水比的懸濁液測定。因量過低，土壤總鹽分以土樣中除以外的7大離子的質量之和計算。

2 結果與分析

2.1 研究區土壤鹽分特征

土壤中8大離子、總鹽分含量及pH是土壤鹽分的重要指標，可以作為鹽分特征分析的重要因子。為直觀地反映研究區土壤鹽分變化特征，對各因子做統計分析，結果如表1所示。對土壤鹽分因子進行K-S檢驗可知，土壤HCO-3含量、pH雙側漸進顯著性檢驗值P ＞ 0.05，在概率分布上均服從正態分布；其他各土壤鹽分因子雙側漸進顯著性檢驗值P ＜ 0.05，均為非正態分布。變異系數反映了土壤鹽分含量空間變異強度，研究區土壤Cl-、SO2-4、Ca2+、Mg2+、Na+、K+含量以及土壤總鹽分含量的變異系數均大于1，屬于強變異，說明各因子空間分布不均，變化率較大；土壤HCO-3含量及土壤pH變異系數均小于1，表明二者在空間分布上變化率較小。

2.2 研究區土壤鹽化程度

土壤具有地帶性分異規律，因此劃分土壤鹽漬化水平應首先考慮該生態環境中耕層土壤含鹽量對作物生長危害的輕重程度及鹽分組成和積鹽層厚度等因素。我國土壤鹽化分級標準，按地區和鹽漬化類型大體上可歸納為兩大系列四小系列[13]，依據不同地區植物對鹽分適應狀況的差異，將全國分為濱海、半濕潤區，干旱、半干旱區，半漠境區以及漠境區4種主要的鹽漬化類型區。

由于特殊的地理位置、氣候環境及降水狀況，可知察南灌區為中國西北地區干旱、半干旱類型區,該類型區以土壤鹽分含量＜ 1 g/kg為非鹽化土，1 ～ 2 g/kg為輕度鹽化土，2 ～ 4 g/kg為中度鹽化土，4 ～ 10 g/kg為強度鹽化土，＞ 10 g/kg為鹽土。依據該鹽漬化分級標準，得到研究區非鹽化土占75.7%，輕度鹽化土占4.3%，中度鹽化土占5.7%，強度鹽化土占10%，鹽土占4.3%，非鹽化與鹽化比率約為3∶1，非鹽化土所占比例較大，但是鹽化土產生的影響不可忽視。通過對4.3% 鹽土采樣點的分析，發現土壤表面有明顯的堿斑，鹽化特征明顯。

表1 0 ～ 100 cm土體土壤各離子含量、總鹽量及pH的統計特征Table 1 Statistic parameters of ion content, total salinity content and pH value in 0—100 cm soil

整個研究區土壤pH均大于7，且變異系數小于0.1，屬于弱變異，pH空間分布上變化水平較低，呈現堿性區域分布，并逐步呈現土壤堿化的趨勢，表明該灌區屬于干旱、半干旱堿性土壤類型區。

2.3 研究區土壤鹽分因子的相關性分析

化學元素的離子半徑、化合價、存在形態等的相似性，使得它們在植物、土壤等生命和非生命體中的存在往往具有一定的相關性[14]。離子相關性檢驗是為了研究與土壤總鹽分相關性最大的離子，通過對各土壤鹽分因子之間的相關性分析，得到因子間的相關系數矩陣(表2)。

由表2可知，總鹽分與各因子均為正相關，相關性最弱的離子為HCO-3，相關系數為0.013，呈現不顯著相關；相關性最強的陰離子為SO2-4，相關系數為0.894，Cl-次之，相關系數為0.871，在置信水平為0.01水平上為顯著相關，二者為該地區總鹽分的主要相關陰離子，也是伊犁河谷鹽漬化形成的主要陰離子成分。與總鹽分相關性最強的陽離子為Mg2+，相關系數為0.939，其次依次為Ca2+、Na+、K+，相關性均較強，說明鎂鹽、鈣鹽、鉀鹽、鈉鹽在該灌區對鹽分組成具有重要作用。

陰陽離子間相關性最強的為Ca2+與SO2-4，相關系數為0.913，為顯著正相關；其次為Na+與Cl-，也為顯著正相關。由此，在該灌區Ca2+與SO2-4、Na+與Cl-相互影響較強。這些離子均為巖石沖刷及成土作用所形成，灌溉與潛水蒸發在相關離子累積過程中起到了促進作用。對于pH相關因子分析，只有HCO-3為顯著正相關，其余均為顯著負相關，可以得出，碳酸氫鹽是促進該灌區土壤堿性的主導因子。

表2 土壤鹽分因子相關系數矩陣Table 2 Correlation matrix between soil salt ions

2.4 研究區土壤鹽分的主成分分析

主成分因子分析是獲取代表性因子的常用方法。通過對土壤鹽分因子進行主成分分析，獲得主成分因子及其特征值、貢獻率。按特征值大于1，得出2個主成分Z1、Z2，二者累積貢獻率達83.707%，說明二者在各成分中極具代表性，包含了各成分的大部分信息。在求算主成分因子時，采用方差最大正交旋轉法進行轉軸運算(表3)，通過此方法可使得每個因子最高載荷的變量數最少，每個因子可獨立表達各自的含義，但每個變量的共同性不會改變，這樣易于對因子載荷量進行解釋[15]。旋轉后的主成分因子更能突出各個因子的典型代表變量，這樣更容易顯示因子的作用。

由表3可知，總鹽分、Na+、Mg2+、Cl-、SO2-4、K+、Ca2+在第一主成分Z1上載荷較高，并且均為正向載荷，說明各鹽分因子與第一主成分Z1相關程度高，其中陽離子以Na+為最高，陰離子以Cl-為最高，可以推斷出該地區鹽分特征在一定程度上主要受NaCl的影響。在第二主成分Z2上，HCO-3、pH載荷較高，說明二者在Z2時，為鹽分特征的主導因子。綜合分析兩主成分因子，HCO-3、Cl-、K+在主成分Z1、Z2上均為正向載荷，可推斷HCO-3、Cl-、K+為該灌區鹽分特征的主導因子。

表3 旋轉后主成分載荷、特征根、貢獻率Table 3 Rotated principal component load, latentroot and contribution rate

干旱、半干旱區灌溉性土壤鹽分累積主要有兩個來源，一是引河水灌溉的鹽分累積，另一個是地下水礦化度高導致的鹽分累積[16-17]。察南灌區灌溉引水方式主要為引地表水與地下水，分為渠灌與井灌，其中渠灌水主要來源于伊犁河。渠灌水呈弱堿性，各離子含量為Cl-＞SO2-4＞Na+＞Ca2+＞Mg2+＞K+＞HCO-3＞CO2-3，屬于Cl--Na+型水；對井灌水理化性質分析可知，陰離子含量由高到低依次為SO2-4＞Cl-＞HCO-3＞CO2-3，陽離子含量由高到低依次為Ca2+＞Na+＞Mg2+＞K+，屬于SO2-4-Ca2+型水。基于地表水與地下水的離子含量差異，在二者綜合作用下，形成了研究區土壤各鹽分因子的相應累積過程。

2.5 研究區土壤鹽分因子空間分布的主要影響因素分析

土壤時空連續變化的特性，使得土壤鹽分因子在空間尺度上具有一定的自相關性，對研究區土壤鹽分因子分析可知，各因子在空間分布上具有中、強度的空間自相關性。為了直觀反映察南灌區土壤鹽分因子空間分布特征的影響因素，運用克立格插值法對土壤HCO-3、Cl-、SO2-4、Ca2+、Mg2+、Na+、K+、總鹽分含量以及土壤pH作空間插值分析。如圖2所示，深色區域為鹽分因子含量高值區，淺色為含量低值區，該圖能比較直觀地反映出土壤鹽分因子空間分布狀況。因該研究區有河流經過，可根據土壤中各因子含量峰值區域與河流的分布關系，對影響因素進行定性分析。

河水以渠灌水的形式對察南灌區土壤鹽分特性產生影響，通過對水渠分布范圍進行測算，以1.5 km為研究區內河流影響的最大緩沖半徑，得到河流鹽分影響范圍緩沖區圖(圖3)。綜合圖2、圖3空間布局特征可知，土壤HCO-3含量及土壤pH在整個研究區域內分布比較均勻，與河流距離遠近所引起的梯度分級不明顯，由此可推斷兩者在察南灌區內主要是由河流及地下水共同影響的結果。另外，研究區內土壤Cl-、SO2-4、Ca2+、Mg2+、Na+、K+含量以及土壤總鹽分含量峰值區域主要分布在研究區西北部，根據疊加測算分析，相關土壤離子含量、土壤總鹽峰值區域與河流影響范圍的交叉面積達80%以上，并且與距離河流的遠近總體上呈現含量梯度遞減的趨勢，由此可知，察南灌區內土壤Cl-、SO2-4、Ca2+、Mg2+、Na+、K+、總鹽分含量主要來自于河流，其次來自于地下水，是人為引河水灌溉引起的相關因子的累積效應。

3 結論

1) 研究區察南灌區以堿性土壤為主，碳酸氫鹽是該灌區土壤pH相關性最強的因子，是促進灌區土壤堿性增加的主要因素。在水平空間方向上，土壤pH變異性較小，灌區內土壤pH空間分布水平較一致。

2) 由土壤總鹽分含量可知，該灌溉區農田鹽化土面積占總灌溉面積約1/4，土壤鹽化水平較高，鹽漬化風險較大；總鹽分與各離子之間均呈正相關關系，Mg2+、SO2-4、Cl-為研究區土壤總鹽分的主要組成離子。

圖2 察南灌區土壤鹽分因子空間分布圖Fig. 2 Contour maps of soil salt ions in Chanan Irrigation Area

圖3 河流鹽分影響范圍緩沖區Fig. 3 Buffer area of river salinity influence

3) 主成分分析表明，HCO-3、Cl-、K+在各主成分上均為正向載荷，是影響該灌區土壤鹽分特征的主導因子，在一定程度上影響該灌區土壤鹽化特性。

4) 由鹽分因子區域影響因素分析可知，察南灌區內土壤HCO-3含量和土壤pH主要是由河流以及地下水綜合作用的影響，土壤Cl-、SO2-4、Ca2+、Mg2+、Na+、K+、總鹽分含量累積作用主要由河流影響。

5) 運用相關性分析、主成分分析、半方差函數擬合以及空間分布等值線圖研究為主的土壤鹽分特征研究方法，能比較直觀地反映出影響土壤鹽分的主要因素，對于區域性土壤鹽漬化成因研究及土壤鹽分治理具有重要意義。察南灌區作為伊犁河谷水稻的重要產區，本研究結果將為該區域農業種植及土壤鹽分治理等方面提供重要科學參考。

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Characteristics of Soil Salinity in Chanan Irrigation Area, Ili of Xinjiang

LIU Qianqian1,2, Sulitan1*, LIU Guangming3, Shawulan·HASIMU4, ZHANG Yin1,2
(1 State Key Laboratory of Desert and Oasis Ecology, Xinjiang Institute of Ecology and Geography, Chinese Academy of Sciences, Urumqi 830011, China; 2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3 Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 4 Xinjiang Institute of Land and Resources Planning, Urumqi 830011, China)

Chanan Irrigation Area in Ili of Xinjiang was selected as the study region, the soils were graded according to the salinization level, the characteristics of soil salts were analyzed by using correlation analysis and principal component analysis,and the regional influential factors on soil salinity were also qualitatively determined. The results showed that soils in the Chanan Irrigation Area are mainly alkaline, the influence of HCO-3on soil pH is most. Salinization soil constitutes of about 25% of the total Irrigation Area, indicating the study area is facing great risk of salinization. Correlation analysis showsed HCO-3, Cl-, SO2-4,Ca2+, Mg2+, Na+and K+are the main ions of soil salt, all ions have positive correlation with total salt content, among of which,and Mg2+are the most correlated anion and cation respectively. The result of PCA disclosed that HCO-3, Cl-and K+are the dominant influential factors on soil salinity characteristics in Chanan Irrigation Area. The qualitative analysis of the regional influential factors suggest HCO-3and pH of soil in Chanan Irrigation Area are comprehensively influenced by river and groundwater, while other salt ions are mainly affected by rivers.

Soil salinization; Ili River Valley; Arid and semi-arid irrigation area; Salt ions

S151.9

A

10.13758/j.cnki.tr.2017.05.022

新疆維吾爾自治區科技計劃項目(201531116)和新疆優秀青年科技人才培養項目(qn2015yx033)資助。

* 通訊作者(sulitan@ms.xjb.ac.cn)

劉遷遷(1988—)，男，河南商丘人，碩士研究生，主要從事生態水文研究。E-mail： Liuqianqian215@mails.ucas.ac.cn