阿斯古麗·木薩,阿不都拉·阿不力孜,瓦哈甫·哈力克*,依力亞斯江·努爾麥麥提,盧龍輝,普拉提·莫合塔爾
(1 新疆大學旅游學院,烏魯木齊 830049; 2 新疆大學綠洲生態教育部重點實驗室,烏魯木齊 830046;3 新疆大學資源與環境科學學院,烏魯木齊 830046)
新疆克里雅綠洲土壤鹽分、pH和鹽基離子空間異質性分析①
阿斯古麗·木薩1,2,阿不都拉·阿不力孜1,2,瓦哈甫·哈力克1,2*,依力亞斯江·努爾麥麥提2,3,盧龍輝2,3,普拉提·莫合塔爾1,2
(1 新疆大學旅游學院,烏魯木齊 830049; 2 新疆大學綠洲生態教育部重點實驗室,烏魯木齊 830046;3 新疆大學資源與環境科學學院,烏魯木齊 830046)
以克里雅綠洲鹽漬化土壤為研究對象,以野外調查與實地數據為基礎,采用空間自相關分析與徑向基函數插值法,定量分析了克里雅綠洲土壤的含鹽量、pH及鹽基離子的空間異質特征。結果表明:綠洲鹽漬土表聚性強、呈堿性,土壤含鹽量從南至北呈現逐漸增大趨勢。土壤含鹽量、Na+、Ca2+、K+、Mg2+、Cl-、SO2-4均屬于強空間變異,HCO-3屬于中等強度的空間變異,而pH屬極弱變異。土壤鹽分含量、pH和鹽基離子的Moran’s I指數均通過了顯著性檢驗,研究區土壤含鹽量、pH與鹽基離子在空間上呈現低聚集性。Pearson相關性分析結果顯示,土壤鹽分含量與Na+、K+、Cl-和SO2-4含量具有強正相關性(P<0.01),與Ca2+和Mg2+含量中等程度正相關(P<0.05);土壤pH與土壤含鹽量及鹽基離子含量極弱相關。該研究結果可為綠洲水資源合理開發與農業可持續發展提供科學依據,同時可作為鹽漬土改良和沙漠化防治等環保工作的決策支撐。
土壤鹽分;鹽基離子;空間異質性;克里雅綠洲
土壤鹽漬化是表層土壤易溶鹽含量過高而造成絕大多數植物難以生長,土地資源貧瘠退化的現象[1]。根據成因類型,鹽漬化可分為原生鹽漬化和次生鹽漬化兩種類型。當前,鹽漬化與次生鹽漬化已成為全球性問題之一,尤其在干旱半干旱地區極為顯著。土壤鹽漬化不僅制約著干旱區農業生產及可持續發展,還對區域生態安全構成潛在風險[2]。聯合國糧農組織的資料表明,全世界鹽漬化土地的總面積約達9.5×108hm2,占地球陸地面積的7.26%,其中,我國鹽漬土面積為1.0×108hm2,約占世界鹽漬土面積的1/10[3]。西部6省區中,鹽漬土占全國鹽漬土面積的69.03%,其中新疆鹽漬土積最大[4],達到1 336.1×104hm2,包括次生鹽漬化耕地126.4×104hm2[5],因此,新疆克里雅綠洲土壤質量的研究具有重要的科學意義[6]。
土壤次生鹽漬化對當前社會經濟和生態環境結構均造成不同程度的影響。尤其在西北綠洲農業區,由于特殊的地理條件和不合理的水土資源利用方式,使土壤鹽漬化加劇,農作物產量驟降,不僅影響農業生態系統穩定性,還對國家糧食安全構成嚴重威脅[1-2,6-7]。通常土壤鹽漬化程度取決于其區域土壤成分、氣候、水文地質等條件及人為因素等因子的影響程度[8]。近30 a來土壤養分含量的變化,可能主要歸因于耕作制度、長期施肥等引起土壤肥力和酸堿度的變化[9]。土壤pH是評價土壤鹽堿化程度的一個重要指標,對土壤的氧化還原、沉淀溶解、吸附、解吸和配合反應起到支配作用[10]。定量分析區域土壤中鹽分含量、pH與鹽基離子含量的空間異質性及其相互關系可為土壤鹽漬化防治與土地資源管理提供決策依據[11]。
目前已有諸多研究分析和探討區域土壤鹽分含量、地下水埋深、電導率、pH間的關系,所用研究方法主要有遙感(RS)、地理系信息系統(GIS)和地統計學相結合的方法、線性回歸法、多重回歸法和灰色關聯分析法[12-18]等。管孝艷等[12]運用統計學、地統計學和GIS 相結合的方法,分析了河套灌區土壤電導率的空間變異特征及地下水埋深對土壤鹽分分布的影響,并得出該區域土壤鹽分的空間分異特征。麥麥提吐爾遜·艾則孜等[18]運用灰色關聯分析法,對伊犁河流域土壤鹽分含量與地下水埋深、礦化度、電導率、pH和主要離子進行了關聯分析。鄧寶山等[14]運用統計學和地統計學方法對克里雅綠洲土壤鹽分和地下水埋深的時空分異特征進行了探討。Abliz等[15]采用地統計學方法和地理加權回歸方法,定量分析了克里雅綠洲土壤含鹽量、地下水埋深、電導率與土地利用/覆被的空間相關關系。胡佳楠等[16]對于田綠洲鹽漬土電導率、含鹽量、pH和含水量的空間異質性進行了定量分析。賽迪古麗·哈西木[19]等借助統計軟件,運用統計特征值等方法對于田綠洲土壤鹽分分異特征進行了分析研究。古麗格娜·哈力木拉提等[20]運用相關統計軟件對克里雅河流域不同時期土壤含量鹽及pH進行了相關性分析。上述研究運用多種研究方法,從不同角度分析了土壤鹽分的異質性及其與眾多因子的相關關系,然而有關土壤鹽分、pH及鹽基離子空間聚集特征的研究尚有欠缺。
本文以新疆克里雅綠洲為研究區,結合2014年對研究區土壤樣品的實測分析,采用徑向基函數插值法、Moran’s I空間自相關分析法和Pearson相關分析法,定量分析探討研究區土壤鹽分含量、pH及鹽基離子含量空間變異與聚集特征及各因子間相關性。
克里雅綠洲位于中國西北部塔克拉瑪干沙漠南緣,昆侖山北麓,是典型的干旱區綠洲(圖1)。它隸屬新疆維吾爾自治區和田地區,是我國最貧困的地區之一。該區自然條件惡劣,人均耕地面積少,農業生產力水平低,農業可利用水資源貧乏。研究區地理位置36°47′ ~ 37°11′ N,81°08′ ~ 81°42′ E,總面積為2.1×103km2,南高北低,最高海拔1 495 m,最低海拔1 325 m,具有暖溫帶大陸性干旱氣候,熱量與光照豐富,多年平均氣溫12.4 ?C,≥10 ?C積溫4 340 ?C,年總輻射量達6.12 × 105J/cm2,年日照時數長達2 730 h,多年平均降水量44.7 mm,而多年平均蒸發量2 498 mm,其蒸降比為54∶1,無霜期為200 d。研究區天然植被分布有蘆葦(Phragmites communis)、檉柳(Tamarix spp.)、胡楊(Populus euphratica)、駱駝刺(Alhagi sparisifolia)等。克里雅河源于昆侖山上冰雪融水和降水,流經克里雅綠洲消失在塔克拉瑪干沙漠腹地,總長約為700 km。縣城灌區面積為448 km2,其農業引水量為6.38 × 108m3/a,其中地下水引水量為5.04 ×106m3/a[21]。平坦的地形,使地下水流速減緩,埋深變淺。因潛水大面積溢出,使得該區域形成了沼澤、濕地和片狀鹽漬化土壤。在農灌區范圍內,地下水埋深的年內變化幅度為 0.25 ~ 1.4 m。因高溫干燥的氣候,地下水蒸發量大,導致潛水含鹽量增高,礦化度約為 3 ~ 10 g/L,隨之水質變差。綠洲土壤主要為草甸土和棕漠土,種植業、林果業和畜牧養殖業等多種土地利用/覆被類型集中分布在人口密集、土壤條件較好、地勢平坦的沖洪積綠洲平原。
1.2.1 土壤樣本采集及處理 根據克里雅綠洲景觀空間分布特征、土壤鹽漬化程度空間差異性、土地覆蓋與土地利用類型等特征,于2014年7月中旬在綠洲內部與綠洲-荒漠交錯帶內選擇95個典型點位進行土壤樣本采集(圖1),其中耕地采樣點45個,交錯帶采樣點50個,采樣點間隔為1.5 ~ 5 km不等,并在各點位取0 ~ 20 cm深度的表層土樣,裝袋帶回實驗室。采用土壤學分析方法對土樣進行土壤性質(Ca2+、Mg2+、SO2-4、HCO-3、Cl-、Na+、K+、pH及含鹽量)的測定。依據土壤鹽漬化程度分級標準,參照新疆水利廳制定的《新疆縣級鹽堿地改良利用規劃工作大綱》,將自然風干的土樣碾碎過篩(2 mm),取50 g土樣與250 ml 蒸餾水混合,經浸泡和振動使土壤鹽分充分溶解再進行土壤鹽分及組分和pH等的測定[22]。其中,含鹽量利用Orion 115A+儀器測定;pH(水土比2.5∶1)采用LP115pH-meter酸度計法測定;HCO-3采用雙指示劑中和法測定;Cl-采用AgNO3滴定法測定;SO2-4采用EDTA間接滴定法測定;Ca2+和Mg2+采用EDTA絡合滴定法測定;Na+和K+采用差減法求得。
1.2.2 空間自相關性分析法 空間自相關分析是檢測確定某一環境變量在空間上是否相關及其相關程度大小的一種統計方法,通常用空間自相關系數來刻畫地理變量空間上的依賴關系[23],即空間自相關系數常用來衡量物理或生態學變量的空間分布特征及其對領域的影響程度。空間自相關分析在地理統計學科中應用的較多并已有多種指數,其中最主要的兩種指數是Moran’s I和Geary’s c。Moran’s I分為全域型和區域型兩種,本文將選用全域性Moran’s I指數來度量研究區土壤含鹽量、pH和鹽基離子的空間分布特征并進行全局性空間自相關檢驗。
1.2.3 徑向基函數插值法 徑向基函數法(radial basis function,RBF)是一種確定性插值方法,是以平滑度為基礎,由已知采樣點來創建表面,并把比樣點高或低的未知點的值預測出來的方法。它是人工神經網絡方法中的一種,其方法是待測點與樣本點之間的歐氏距離作為自變量的函數,以徑向函數為基函數,通過線性疊加構造出近似模型。常用的5種基函數為反轉多重二次曲面、多重二次曲面、張力樣條、完全規則樣條和薄板樣條[25]。

圖1 克里雅綠洲土壤采樣點分布與土壤鹽分、pH和鹽基離子的空間分布Fig.1 Distribution of soil sampling sites, soil salt, pH, and base cations in Keriya Oasis
其逼近函數數學表達式為:

式中:φ(t), t≥0是一個不確定的實值函數,即上述5種徑向基函數之一,表示歐氏距離,αi是待定系數,點xi是徑向基函數逼近的節點。
土壤樣品的理化分析結果(表1)表明,研究區土壤含鹽量平均值為9.24 g/kg,最大值為59.90 g/kg,最小值是0。通常土壤總鹽量是土壤溶液中各鹽基離子之和,用以表示土壤鹽漬化水平的高低[22]。根據我國鹽漬化土壤分類標準[26],研究區土壤鹽分屬于重度鹽漬化土壤。
研究區土壤鹽基離子各陰離子在表層土壤中的平均含量從大到小依次為 Cl-> HCO-3> SO2-4,各陽離子平均含量從大到小依次為 Na+> Ca2+> Mg2+>K+。其中,鹽基離子組成陰離子以Cl-為主,陽離子以Na+為主,因此,研究區鹽分類型主要為氯化鹽。從變異系數大小來看,土壤鹽基離子空間變異性較顯著。Na+與Cl-的變化幅度遠大于其他因子,pH的變化幅度最小。變異系數(CV)反映隨機變量的離散程度,一般認為CV≤0.1為弱變異性;0.1<CV<1為中等變異性;CV≥1為強變異性[24]。土壤鹽基離子中陽離子變異系數范圍為1.04 ~ 1.53;陰離子含量變異系數范圍為0.27 ~ 1.52。土壤鹽基離子中Na+變異系數最大為1.53,HCO-3變異系數最小為0.27,Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO2-4均具有強變異性,而pH變異系數極小,變異性非常弱。

表1 土壤鹽分、pH與鹽基離子的描述性統計分析Table 1 Descriptive statistics of soil salt, pH and base cations
利用土壤鹽分、pH與鹽基離子含量的數據,采用徑向基函數插值法對其進行插值并探討各因子的空間分布特征。
2.2.1 土壤鹽分、pH與鹽基離子的徑向基函數分析 本研究每次隨機抽取90個樣點數據來建立各個離子的空間分布預測模型,剩余5個樣點來驗證模型預測結果與實測值的誤差,這樣重復10次,即k=10。每次建模和驗證的數據均隨機抽取,可保證驗證過程的客觀性。整個驗證過程由ArcGIS10.0完成。在最終插值方法選擇時,選取預測值和實測值之間預測誤差均值(ME)最接近于0且均方根預測誤差(RMSE)最小的插值方法。本研究主要以土壤鹽分、pH與鹽基離子為對象比較交叉驗證結果(表2)。由表2可見,徑向基函數交叉驗證法的ME和RMSE均大體上符合插值方法選擇標準,其中K+、Cl-其RMSE略微偏高。最優理論變異函數模型及最適空間插值方法保證了空間模擬過程的準確性,因而最終的研究區土壤鹽分、pH與鹽基離子空間變異特征分析結果與區域實際將更吻合。

表2 土壤鹽分、pH與鹽基離子的徑向基交叉驗證結果Table 2 Results of radial basis cross-validation of soil salt, pH and base cations
2.2.2 土壤鹽分、pH與鹽基離子的空間分布 研究區土壤鹽分含量從南至北方向呈逐步增大趨勢(圖1)。土壤含鹽量在不同的土地利用方式下均呈現明顯的表層富集現象。即使在同一種土地利用方式下,不同深度的土壤含鹽量隨土層深度的變化而變化,其中荒漠灌溉和鹽堿草地對鹽分的富集能力明顯高于耕地和林業用地。研究區土壤鹽分含量的空間分布除主要受地形(南高北低)因子的影響外,耕地與河流區位在一定程度上影響表層鹽分聚集。農業耕地及周圍區域,因農業灌溉和農業開荒等農耕措施導致周圍地下水埋深及其含鹽量增加,但其表層土壤鹽分含量極低,且存在極輕度鹽漬化現象。在英巴格鄉、希吾勒鄉和拉依蘇良種場耕地區域存在輕度到中度土壤鹽漬化現象,而在喀爾克鄉耕作的部分地帶出現重度鹽漬化現象。研究區重度鹽漬化和鹽土分布中心主要集中在耕地北部的交錯帶以及沙漠地帶,即喀爾克鄉西南部交錯帶,希吾勒鄉以東的交錯帶及荒漠區。除此之外,由于克里雅河流上游區域具有土壤鹽分輸送至下游的搬運作用,而鹽分卻聚集在下游表層土壤。克里雅河上游到下游,其河流周圍土壤含鹽量依次逐步增大。在南高北低的地形和農業灌溉排水及河流運送作用下,土壤鹽分隨地表水、土壤水和地下水通往綠洲南部的綠洲-荒漠交錯帶和荒漠帶流動,并在強烈蒸散發作用下易出現表層土壤積鹽現象,使得表層土壤鹽分含量逐年增加,土壤鹽漬化程度加大。
隨著土層深度的增加,不同土地利用方式下的土壤pH差異越顯著,且在耕地和林地利用方式下pH有增加趨勢,而在荒漠灌叢和鹽堿草地下pH略有下降。研究區表層土壤pH呈堿性(圖1),其中弱堿性(7.7 ~8.3)土壤主要分布在綠洲內部的耕地區域,即于田縣、木尕拉鎮等6個鄉鎮等,在該區域,因土壤特性,其土地利用類型主要是農業、畜牧養殖業。在英巴格鄉、希吾勒鄉等5個鄉鎮耕作地帶土壤酸堿度呈中度堿性(8.4 ~ 8.9)。喀爾克鄉灌溉渠南部東西兩側土壤呈較強堿性(9.0 ~ 10.0),其北部交錯帶區域土壤呈弱堿性且隨著北部荒漠方向其堿性逐步增強,鹽堿化、土地退化愈加嚴重,研究區農田南部區域土壤呈弱堿性。
K+和Na+含量空間分布趨勢基本一致(圖1)。在于田縣、木尕拉鎮等6鄉鎮耕地區域K+與Na+含量均較低,在斯也克鄉和希吾勒鄉以北的交錯帶及荒漠區二者含量較高且均勻分布。從克里雅河的流向來看,從上游到下游兩者含量依次增大。從二者空間分布看出,其最大的差異出現在喀爾克鄉西部、西南部和拉依蘇良種場以西區域,即K+含量較大,而Na+含量較小。
Cl-含量從東南往西北方逐步增大(圖1),Cl-含量最大值集中區域分布在斯也克鄉以北和希吾勒鄉以北的區域;從克里雅河上游到下游,Cl-含量逐步增大,但研究區大部分灌溉區土壤Cl-含量較低。HCO-3含量空間分布較雜亂,其最小值聚集區在東南和西南郊區域,高含量集中區分布在希吾勒鄉及英巴格鄉南區域。SO2-4含量從東南往西北方向逐步增大,其中,SO2-4含量最大值集中區分布在斯也克鄉以北和喀爾克鄉以西區域;從克里雅河上游到下游其含量逐步增大,研究區內大部分灌溉區土壤SO2-4含量均較低。
空間自相關分析是不同變量在同一個分布區內的觀測數據之間潛在的相互依賴性。土壤含鹽量、pH與鹽基離子Moran’s I空間自相關性分析及顯著性檢驗結果(表3)表明,土壤含鹽量、pH與鹽基離子的Moran’s I指數值分別為0.124、0.118、0.190、0.196、0.087、0.135、0.192、0.339和0.115,且均通過了顯著性檢驗,說明研究區土壤含鹽量、pH與各鹽基離子在空間上呈現較低的空間聚集性。

表3 土壤鹽分含量、pH與鹽基離子的莫蘭指數與顯著性檢驗結果Table 3 Moran’s Indexes and significance test results of soil salt content, pH and base cations
土壤鹽分含量、pH與各鹽基離子在不同距離尺度下的Moran’s I空間自相關性界線各不相同(圖2)。其中,含鹽量空間自相關性隨著距離的增加而急劇減弱,其分界在距離12.43 ~ 14.05 km,其增加趨勢趨于平緩并呈現一定的規律。pH的空間自相關性在距離該變量的38.35 ~ 39.25 km,其自相關性的趨勢隨著距離的增加而逐步減弱。K+的自相關性分界出現在距離13.62 ~ 14.43 km,其自相關性的趨勢隨著距離的增加而急劇減弱。Ca2+的自相關性分界在距離31.35 ~ 32.12 km,其自相關性的趨勢隨著距離的增加而急劇減弱。Na+自相關性界限出現在距離21.58~ 22.01 km,其自相關性的趨勢隨著距離的增加趨于平緩。Mg2+空間自相關性分界出現在距離39.56 ~40.43 km。Cl-的自相關性分界在距離29.63 ~ 30.01 km,其自相關性的趨勢隨著距離的增加而減弱。SO2-4的空間自相關性界限出現于距離13.87 ~ 14.23 km,其自相關性的趨勢隨著距離的增加而急劇減弱。HCO-3的空間自相關性分界在距離9.86 ~ 10.42 km,其自相關性的趨勢隨著距離的增加而急劇減弱。

圖2 Moran’s I 系數隨距離的變化Fig. 2 Variation of Moran’s I coefficient with distance
土壤鹽分含量、pH與鹽基離子的Pearson相關性分析結果(表4)表明,土壤鹽分含量與Na+、K+、Cl-和SO2-4含量具有強正相關性(P<0.01),與 Ca2+和Mg2+中等程度正相關(P<0.05)。土壤 pH 與其他因子呈極弱相關。土壤鹽基離子含量中,Na+與 K+和Cl-間存在極強正相關性(P<0.01);K+與 Cl-間存在極強正相關性(P<0.01),與Mg2+和SO2-4含量具有中等正相關性(P<0.01),與Ca2+含量中等程度正相關(P<0.05);SO2-4與Mg2+具有極強正相關性(P<0.01),與Ca2+強正相關(P<0.01),與Cl-存在中等程度正相關性(P<0.01);Mg2+與Ca2+存在極強正相關性(P<0.01),與Cl-存在中等強度正相關性(P<0.05);Ca2+與Cl-存在中等強度正相關性(P<0.05)。

表4 土壤鹽分含量、pH與鹽基離子的Pearson相關性分析Table 4 Pearson correlation analysis of soil salt, pH and base cations
1) 克里雅綠洲表層土壤中各鹽基陰離子平均含量從大到小依次為 Cl-> HCO-3> SO2-4,各鹽基陽離子平均含量從大到小依次為 Na+> Ca2+> Mg2+> K+。鹽基陰離子組成以Cl-為主,鹽基陽離子組成以Na+為主,因此,研究區鹽分類型主要為氯化鹽。
2) 研究區土壤鹽分含量從南至北呈逐步增大趨勢。土壤含鹽量空間分布除受地形因子影響外,耕地面積和河流分布等在一定程度上影響土地利用類型,土壤鹽分呈現不等程度的聚集現象。受地形、土地類型影響,重度鹽漬化土壤和鹽土集中分布在耕地北部交錯帶和荒漠區。
3) 研究區土壤含鹽量、pH與鹽基離子的Moran’s I指數值分別為0.124、0.118、0.190、0.196、0.087、0.135、0.192、0.339和0.115,且均通過了顯著性檢驗,說明研究區土壤含鹽量、pH與各鹽基離子在空間上呈現較低的空間聚集性。
4) Pearson相關分析表明,土壤鹽分含量與 Na+、K+、Cl-和 SO2-4含量具有強正相關性(P<0.01),說明鹽漬化土壤主要為氯化鹽和硫酸鹽積聚。
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Spatial Heterogeneity of Soil Salinity, pH and Base Cations in Keriya Oasis of Xinjiang
Asigul MUSA1,2, Abdulla ABLIZ1,2, Wahap HALIK1,2*, Ilyas NURMEMET2,3,LU Longhui2,3, Polat MUHTAR1,2
(1 College of Tourism, Xinjiang University, Urumqi 830049, China; 2 Key Laboratory of Oasis Ecology, Ministry of Education, Xinjiang University, Urumqi 830046, China; 3 College of Resources and Environmental Sciences,Xinjiang University, Urumqi 830046, China)
In this paper, the spatial distribution characteristics of soil salinity, pH value and soluble salt ions in the Keriya Oasis were analyzed using spatial autocorrelation and radial basis function interpolation method. The results showed that saline soil had a strong surface aggregation and alkalinity, and soil salt content increased gradually from south to north. The variation coefficients of soil salinity, Mg2+, Na+, Ca2+, K+, Cl-and SO2-4showed high variance, HCO-3showed medium variance, and pH showed low variance. The Moran’s I for soil salinity, pH and base cations were lower than 0.4, indicating these variables were low spatially clustered and autocorrelated. Strong positive correlations were observed between soil salinity and Na+, K+, Cl-, SO2-4(P<0.01), indicating that saline soils are mainly composed of chlorate and sulphate. There was moderate positive correlation between soil salinity and Ca2+and Mg2+contents (P<0.05). Soil pH had very weak correlations with soil salinity and soluble ions.The above results provide scientific basis for the rational exploitation of water resources and the sustainable development of oasis agriculture, and are helpful to the decision support for the improvement of saline soils and the prevention and control of desertification.
Soil salinity; Base cations; Spatial heterogeneity; Keriya Oasis
K90
A
10.13758/j.cnki.tr.2017.05.023
國家自然科學基金重點基金聯合項目(41561089,41461111,U1138303)資助。
* 通訊作者(hwahap@xju.edu.cn)
阿斯古麗·木薩(1990—),女,新疆且末人,碩士研究生,主要從事自然地理學和旅游可持續發展相關研究。E-mail:asigulmusa@126.com