陜西渭北農田土壤鹽堿化空間分布及影響因素

張蓉蓉，樊會敏，郭軍艷，張圣民，許明祥,，佘　雕,

(1.西北農林科技大學 資源環境學院，陜西楊凌　712100；2.中國科學院 水土保持研究所，陜西楊凌　712100； 3.陜西省渭南市地下水管理監測處，陜西渭南　714000；4.西北農林科技大學 林學院，陜西楊凌　712100)

土壤鹽堿化是當今世界土地荒漠化和土地退化的主要類型之一，也是世界性的資源和生態問題[1]。聯合國糧農組織的資料表明，全世界鹽堿土地的總面積約達9.5×108hm2，占地球陸地面積的7.26%，其中中國鹽堿土地面積為1.0×108hm2，約占世界鹽堿地的十分之一。土壤鹽堿化又稱土壤鹽漬化或土壤鹽化，即土壤中含鹽量過高而使農作物低產或不能生長，其發生發展是一個氣候、水文、母質和植被等諸多因素耦合的復雜動力學過程[2-3]。土壤鹽堿化不但造成資源的破壞、農業生產的巨大損失，而且還對生物圈和生態環境構成威脅，直接或間接地影響人類生存、社會穩定、農業生產、資源與環境可持續發展[4]。

陜西省總耕地面積為5 345 km2，其中鹽堿耕地1 273 km2，且鹽堿化程度趨于嚴重，相比而言渭北鹽堿災害尤為嚴重。因此，研究渭北土壤鹽堿化的分布和形成規律，進行土地鹽堿化的影響因素分析，對合理利用土地資源、防治土地鹽堿化、保護脆弱的生態環境有重要意義。

以陜西省渭北地區為研究區，渭北位于陜西關中地區，一般指渭河以北、渭北低山及兩側的黃土高原和臺塬[5]，本研究特指渭南市渭河以北的8個縣區(圖1)，區域面積10 315 km2，海拔800～1 200 m，包含黃土高原溝壑地貌和小面積的丘陵山地，地表黃土覆蓋，發育了黑壚土、黃綿土等。研究區屬大陸季風氣候，年平均氣溫11.3～13.6 ℃，無霜期199～225 d，年平均蒸發量普遍大于1 700 mm，年降水量為500 mm左右，干旱指數大于3。由于光熱資源充足，氣候溫涼、晝夜溫差大，該區成為陜西省重要的商品糧和棉油果的生產基地。渭北整體屬盆地地貌，地勢南北高、中間低、東西開闊，并形成有鹵泊灘和鹽池洼兩大構造侵蝕洼地，成土母質中的可溶性鹽類會隨水遷移至排水不暢的低平地區如鹵泊灘、鹽池洼和黃、渭、洛河灘地等，這些地區地下水位淺(1～3 m)，地下水含鹽量高(5.06～17.21 g/L)。區內過境大型河流有黃河、渭河、洛河，多年平均徑流量8.88億m3。特定的氣象條件、地勢環境再加上地下水埋深較淺、礦化度較高的狀況導致該地區土壤易發生鹽堿化。

目前，已有學者利用遙感方法成功地對鹽堿土空間分布進行監測與制圖[6-7]，但由于傳感器只掃描土壤的表面，未涉及土壤剖面，使得遙感系統在對深層鹽堿土的監測方面受到限制[8]。為了給研究區土壤鹽堿化評價、改良和利用提供更為精確的參考依據，本研究采用實地調查、網格化采樣、分析測定相結合的方法，基于地理信息系統和地統計學的方法，對不同層次土壤鹽分的空間分布特征進行分析，繪制土壤鹽分分布圖，定量分析區域土壤鹽分空間分布的影響因素，旨在為渭北耕地資源合理利用和低產障礙農田改良、改造提供理論支持。

1　材料與方法

1.1　樣點布設及樣品采集

采用10 km×10 km網格布點法采樣，采樣時間選定在2015年11月，由于11月土壤表層返鹽明顯，而冬灌壓鹽還未開始，能較好地反映渭北農田的鹽堿化狀況。選擇布設點周圍的農田，每塊農田隨機選3個點，用土鉆分5層(0～5、5～10、10～20、20～40 、40～60 cm)采集土樣，同層3點混合為1個樣品。同時分3層(0～20、20～40、40～60 cm)取原狀土和容質量樣，共采集樣點83個(圖1)。

野外測定采用英國Delta公司的土壤水分—溫度—電導率儀(type HH2)，分6層(0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60 cm)測定土壤的水分、溫度和電導率，每個測點重復測定3次。

通過走訪當地群眾調查土地利用、耕作管理、作物類型、施肥、產量、鹽堿化面積、內澇面積、地下水位、土壤鹽堿化動態等歷史和當前資料，構建土壤描述性指標數據庫。

1.2　分析測定

采集的土樣自然風干、磨碎，進行土壤鹽分及其組分、pH、有機質、顆粒組成的測定[9]。其中，總鹽質量分數采用烘干殘渣法測定，堿化度(ESP)計算公式如下：

圖1　采樣點分布圖Fig.1　Sampling points in study area

式中SAR為鈉吸附比，Na+、Ca2+、Mg2+為灌溉水中的陽離子質量摩爾濃度，單位cmol/kg。

由于樣本量較大，且室內質量法測定含鹽量的過程比較復雜，因此在室內測一部分含鹽量，其余樣點通過建立含鹽量與電導率之間的方程推算出含鹽量，電導率與含鹽量之間的擬合方程為：

y=0.749 9x+0.004 2，R2=0.539 1，n=83。

式中x為實測電導率，y表示含鹽量,R2表示相關系數，n為樣本數。

1.3　數據處理

采樣點總鹽數據的常規統計分析用SPSS 19.0軟件進行，半方差分析通過地統計學軟件GS+forwindows 9.0完成，利用Arcgis軟件進行克里格(Kriging)插值分析。將數據在GIS軟件中鑲嵌后，按研究區邊界矢量裁切生成研究區的數字高程模型，采用ArcGIS 10.3軟件提取研究區地形因子分布圖。根據實地定點采樣的土壤鹽分分析結果，利用克里格法進行空間數據插值，在對研究區土壤鹽分數據進行統計特征分析及正態分布檢驗的基礎上，計算空間變異函數，確定最優理論變異函數模型，生成具有空間屬性的土壤鹽化、堿化分布圖。通過SPSS 19.0統計軟件對各因子進行相關性分析，用GLM中的方差成分估計模塊分析土壤含鹽量空間分布影響因素的貢獻率。

2　結果與分析

2.1　土壤鹽堿化基本特征

表1　采樣點離子特征Table 1　Ion characteristics of sampling points

渭北0～60 cm各土層平均含鹽量從上到下逐漸增加，40～60 cm土壤含鹽量最高達2.06 g/kg，各土層含鹽量平均值為1.29～2.06 g/kg。剖面土壤含鹽量的變異系數為69%～127%，隨深度的增加變異系數先增高后降低至穩定，其中10～20 cm土層屬于強變異，其他土層屬于中等變異[10]。經單一樣本K-S方法檢驗，研究區0～60 cm土壤各層含鹽量均符合標準差正態分布(表2)。

表2　土壤含鹽量基本特征Table 2　Basic characteristics of soil salinity

土壤堿化度平均質量分數從上到下呈增加趨勢，研究區堿化度最高值出現在40～60 cm，達到4.93 g/kg。隨著土層深度的增加，土壤堿化度變異系數整體呈增加趨勢，不同土層變異系數分布在60%～77%，均屬于中等變異，其中0～10 cm變異最小為60%，40～60 cm變異最大為77%。經單一樣本K-S方法檢驗，研究區0～60 cm土壤各層堿化度均符合對數正態分布(表3)。

研究區屬于黃河中上游半干旱—半漠境鹽漬土區，主要為渭、涇、洛黃土高原半干旱底層硫酸鹽鹽化潛在鹽漬土片[1]，土壤鹽堿化等級劃分標準見表4。

依據土壤含鹽量和堿化度分級標準，計算各土層鹽度、堿度分級分布頻率(圖2)。結果表明，研究區農田土壤0～10 cm土層非鹽土最多，所占比例為51.8%，輕度鹽土占36.1%，中度鹽土次之，強度鹽土和鹽土最少。

表3　土壤堿化度基本特征值Table 3　Basic characteristics of soil alkalinity

表4　土壤含鹽量和堿化度分級標準Table 4　Classification standard of soil salinity and alkalinity

圖2　土壤鹽堿度分布頻率Fig.2　Distribution frequency of soil salinity and alkalinity

其余5個土層以輕度鹽土分布最多，且各土層輕度鹽土分布比例基本相差不大，10～20、20～30、30～40、40～50和50～60 cm土層輕度鹽土所占比例分別為65.1%、66.3%、71.1%、66.1%和65.1%，中度鹽土次之，強度鹽土和鹽土較少；各土層堿化度以非堿化土為主，0～10、10～20和40～60 cm土層非堿化土分布所占比例為90.0%、66.7%和63.3%，弱堿化土較少，堿化土和強堿化土鮮有分布。表明渭北農田土壤多為輕度鹽土，其次是中度鹽土，堿化方面多為非堿化土，少數弱堿化。

2.2　土壤鹽堿化空間分布

基于地統計學方法，綜合考慮殘差、決定系數等因素，得出研究區土壤含鹽量空間變異的最佳模型是線性模型和高斯模型(表5)。塊金系數可表示空間變異程度(隨機部分引起的空間變異占系統總變異的比例)，塊金系數<25%，說明變量具有強烈的空間自相關性，塊金系數為25%～50%，說明變量具有明顯的空間自相關性；而處于50%～75%時，說明變量具有中等空間自相關性，當塊金系數>75%時則變量空間自相關性微弱[11-12]。一般情況下，微弱的空間相關性主要是由外在因素造成，強烈的空間相關性是由內在因素造成。

由表5可知，渭北10～20、20～30、30～40和50～60 cm土層農田土壤含鹽量整體呈現明顯的空間自相關性，40～50 cm土層塊金系數為69.07%，表現出中等空間自相關性，0～10 cm土層塊金系數為80.85%，空間自相關性微弱；以上說明導致空間變異的主要是自然因素，如土壤質地、海拔、地形等。變程反映在某種觀測尺度下[13]空間相關性的作用范圍，本研究中農田土壤含鹽量自相關性的變程在60 km以上，遠大于實際采樣點間距10 km，可以進行空間插值反映土壤含鹽量空間分布。

采用ArcGIS 10.3軟件中的空間分析(Spatial Analysis)模塊，選用Kriging插值分析[14]的方法，對采樣點鹽堿化進行空間插值，將土壤含鹽量、堿化度空間分布可視化，繪制出不同土層的含鹽量、堿化度空間分布圖(圖3、圖4、圖5)。

表5　土壤鹽化空間變異模型及參數 Table 5　Models and parameters of soil salinization spatial variation

圖3　渭北農田土壤0～60 cm含鹽量、含堿量空間分布Fig.3　Spatial distribution of soil salt mass fraction and alkali mass fraction at 0-60 cm layer in Weibei area

研究區土壤含鹽量呈規律性分布，土壤含鹽量相對較高值分布在地勢相對較低、地形平坦、河流湖泊密集區域(圖3)。土壤含鹽量較高區域分布在黃河沿岸的韓城市部分區域，臨渭區、富平縣和蒲城縣交界區域(鹵泊灘周邊)，黃河、渭河、洛河交匯的大荔縣部分區域(鹽池洼周邊)。土壤含鹽量最高值分布在大荔鹽池洼周邊和蒲城鹵泊灘周邊。

土壤堿化度較高值分布在黃河、渭河、洛河交匯的大荔縣部分區域(鹽池洼周邊)；最高值集中在臨渭區、富平縣和蒲城縣交界區域(鹵泊灘周邊)。

剖面不同層次土壤含鹽量空間分布見圖4。0～20 cm層含鹽量較低，隨著深度的增加含鹽量明顯增加；在20～30 cm層土壤含鹽量最高、分布最廣；在30～40、40～50、50～60 cm層含鹽量數值和范圍略有下降，趨于穩定。表明渭北農田土壤剖面鹽分主要分布在下層，在干旱強烈蒸發季，鹽分在土壤毛管作用下隨水向上運移[15]，增加上層土壤鹽堿化潛在風險。

0～10 cm，土壤堿主要分布在鹵泊灘和鹽池洼區域，隨著土壤深度增加堿化度逐漸增加。鹵泊灘來源于鹵陽湖，鹵陽湖本身屬于古三門湖的一部分，由于地殼運動和渭河的形成，鹵陽湖成為一個獨立的湖，其地質地貌的特點使地表水與地下水易于匯集此區域，水質礦化程度較嚴重，沉積物含鹽堿較多，明朝末年逐漸退縮成灘[16]。

圖4　渭北農田土壤剖面不同土層含鹽量空間分布Fig.4　Spatial distribution of soil salt content in different soil layers of cropland in Weibei area

圖5　渭北農田土壤剖面不同土層堿化度空間分布Fig.5　Spatial distribution of soil alkali content in different soil layers of cropland in Weibei area

對研究區0～60 cm剖面土壤含鹽量、堿化度空間分布進行分級繪圖(圖6)，統計鹽化和堿化土壤面積百分比(表6)。研究區土壤以輕度鹽土為主，中度鹽土次之；非鹽土極少，只占渭北農田總面積2.13%；弱堿化土占4.64%，主要是非堿化土，可知渭北農田土壤鹽化范圍廣，各別區域嚴重，堿化較輕。

圖6　渭北農田土壤0～60 cm鹽堿化和堿化分級分布Fig.6　Classified distribution of soil salinity and alkalinity at 0-60 cm layer of cropland in Weibei area

鹽化分級Salinizationclassification面積/km2Area百分比/%Percent堿化分級Alkalizationclassification面積/km2Area百分比/%Percent非鹽土 NonSalinesoil219.282.13非堿化土 Nonalkalinesoil9837.0595.36輕度鹽土 Mildsalinesoil9643.1293.48弱堿化土 Weakalkalinesoil478.694.64中度鹽土 Moderatesalinesoil453.154.39堿化土 Alkalinesoil強度鹽土 Strongsalinesoil0.190.002強堿化土 Strongalkalinesoil鹽土 Solonchak00堿土 Sdonetz

2.3　土壤鹽堿化分布影響因素

將土壤鹽分空間分布的影響因素分為空間因素、氣候因素、地下水因素、土壤因素、管理因素5類。其中空間因素包括海拔、高差(采樣點a的海拔和周邊4個樣點海拔平均值的差值)[17]和距河距離(采樣點距離最近的渭河或黃河的最短距離)，氣象因素包括年平均氣溫、年平均降水量，地下水因素包括地下水埋深、地下水礦化度，土壤因素包括土壤pH、有機質、水穩性團聚體、容質量、顆粒組成，管理因素用作物產量(間接反映有機物料歸還量和人為管理措施水平)表征。

由表7相關分析表明，地下水礦化度、pH、容質量與土壤含鹽量呈極顯著正相關，海拔、地下水埋深、有機質、水穩性團聚體與土壤含鹽量呈極顯著負相關。

表7　各因素與電導率間的相關系數Table 7　Correlation coefficient between different factors

注:**在0.01水平(雙側)上顯著相關。*在0.05水平(雙側)上顯著相關；X1、X2、……、X16分別為海拔、高差、距河距離、年均氣溫、年均降水量、地下水埋深、地下水礦化度、玉米產量、小麥產量、pH、有機質、水穩性團聚體、容質量、粘粒、粉粒、砂粒。

Note: ** and * mean significant correlation at 0.01 and 0.05 level (bilateral).X1,X2, ……,X16in the table represent altitude, elevation, distance from the river, annual average temperature, annual precipitation, groundwater depth, groundwater salinity, maize yield, wheat yield, pH, organic matter, water stable aggregates, bulk density, clay, silt and sand, respectively.

采用一般線性回歸模型(GLM)，對土壤鹽堿化相關因素的貢獻率進行分析。一般線性模型(GLM)中的方差分量計算各因子在土壤含鹽量變異(方差)中所占的百分比，百分比的大小可以反映出各因子對含鹽量的影響程度。

從表8看出，高差對電導率空間變異的貢獻率是最大的，其次是海拔和渭黃河距。40～60 cm距河距離對土壤電導率的貢獻率最大，說明距河距離對底層土壤鹽度分布有較大影響。

表8　空間指標對土壤電導率空間變異的貢獻率Table 8　Contribution of spatial indicators to spatial variability of soil electrical conductivity 　%

從土壤剖面各個影響因素的綜合貢獻來看(表9)，0～20 cm土層電導率受地下水因素的影響最為明顯，貢獻率為43.55%，其次為空間因素和土壤因素。20～40 cm土層受土壤因素影響最為顯著，貢獻率達44.14%，空間、地下水、管理因素次之。40～60 cm土層較20～40 cm土層受土壤因素影響更為顯著，貢獻率為68.34%，管理、空間、地下水因素次之。隨深度的增加，空間因素表現為在表層、中層貢獻率較強，底層較弱。地下水因素的貢獻率在表層作用最大，犁底層和底層作用較小，土壤因素對底層的貢獻率最高。研究涉及的8個縣區降雨和氣溫水平接近，氣候因素對土層電導率的貢獻率最小。本研究中電導率與含鹽量通過線性方程y=0.749 9x+0.004 2擬合，影響因素對電導率的影響與對含鹽量一致。

注：X1、X2、……、X16分別為海拔、高差、距河距離、年均氣溫、年均降水量、地下水埋深、地下水礦化度、玉米產量、小麥產量、pH、有機質、水穩性團聚體、容質量、粘粒、粉粒、砂粒。

Note:X1,X2, ……,X16in the table represent altitude, elevation, distance from the river, annual average temperature, annual precipitation, groundwater depth, groundwater salinity, maize yield, wheat yield, pH, organic matter, water stable aggregates, bulk density, clay, silt and sand, respectively.

3　討 論

渭北特有的氣候、地形、地貌、地下水和土壤質地等自然條件，導致鹽分不斷累積在上層土壤中，土壤溶液中含有的鈉離子的相對質量濃度增大，導致渭北部分區域在未開發之前就是原生鹽堿化土地。

渭北土壤含鹽量空間分布存在如下規律，鹽堿化程度較高值分布在地勢相對較低、地形平坦、河流湖泊密集區域，鹽化指標較堿化指標相比有更強的空間自相關性。楊帆等[18]關于松嫩平原土壤鹽堿化空間變異的研究表明，地形地貌控制土壤中鹽分運動遷移的方向和分布規律，其對鹽堿化的影響主要表現在其對可溶鹽分的溶解、對土壤中及地下水中離子的遷移等方面，與本研究結果一致。

本研究中土壤含鹽量較高區域位于鹵泊灘周邊，鹽池洼周邊和韓城市黃河沿岸部分區域。造成這種分布的原因可能和研究區地形地貌、古三門湖鹽分積存與境內黃河、渭河、洛河的分布及其對地下水和灌溉配套的影響有關，境內鹽堿化嚴重區域分別位于黃河、渭河、洛河交匯和古三門湖所在地、洛河交匯處，境內黃河下游河床抬高導致周邊地下水位上升，由此造成周邊農田發生次生鹽堿化。堿化度較高區域位于鹵泊灘周邊，次之是鹽池洼周邊，前者的形成經歷古三門湖退化演變，積存土壤堿化度較高，后者形成時間相對較短，深層土壤堿化度較低。

土壤屬性空間分布特征是土壤退化、荒漠化治理、提高土地資源利用管理效率的重要依據。渭北農田0～20 cm土層含鹽量受地下水因素的影響最為明顯，貢獻率為 43.55%，其次為空間因素和土壤因素。20～40 cm土層受土壤因素影響最為顯著，貢獻率達44.14%，空間、地下水、管理因素次之。40～60 cm土層較20～40 cm土層受土壤因素影響更為顯著，貢獻率為68.34%，管理、空間、地下水因素次之。谷洪彪等[19]研究認為，土壤理化性質對鹽堿化的形成有重要影響，是松嫩平原鹽堿化形成的主控因子，低洼地對土壤積鹽影響最大，其次為低平地、沙丘、臺地與起伏臺地，與本研究結論相似。

水文條件對鹽堿化的影響反映在地下水埋深、地下水礦化度、徑流強度等方面，這些因素對鹽堿化影響并非孤立存在，各因素間存在著相關關系[20]。有研究表明，引黃灌溉能夠保證農業有充足的水源，同時可以淋洗土壤鹽分，使得部分區域土地得到改良或開發利用。引黃灌溉使土壤中的部分可溶鹽和鈉離子通過淋洗和深層滲漏到達土壤深層或地下水中，但是農田排水不暢的情況下，鹽分并不能排出土壤，地下水位上升結合強蒸發作用，鹽離子又會重新回到耕層土壤。

人類活動對土壤鹽堿化的影響主要體現在改變了原有的土地利用方式以及過度開墾、不合理排灌，即人類活動改變土地的植被類型，有些不利于鹽分淋洗并加大蒸發，使鹽分發生表聚。

土壤鹽堿化有成因復雜、影響因素難控制和災害難以恢復等特點[21]，整體上渭北土壤鹽堿化問題并沒有從根本上得到有效控制，鹽堿化面積仍有不斷擴展的趨勢，有些地區耕地已經荒廢。因此進一步加深對鹽堿化分布主要影響因素的研究，對從根本上防治土壤鹽堿化災害擴大、改善農田土壤質量、提高土地的生產力，有重要理論、應用價值。

4　結 論

渭北0～60 cm農田土壤鹽堿化主要以輕度鹽土和非堿化土為主，輕度鹽土約占農田總面積的93.4%，中度鹽土約占4.4%，非鹽土只占2.1%；非堿化土占總面積95.4%，弱堿化土占4.6%。各土層鹽堿量從上到下逐漸增加，含鹽量平均值為1.29～2.06 g/kg，含堿量為2.92～4.93 g/kg。

土壤含鹽量和堿化度較高區域分布在臨渭區、富平縣和蒲城縣交界區域(鹵泊灘周邊)和黃河、渭河、洛河交匯的大荔縣部分區域(鹽池洼周邊)，另外韓城市黃河沿岸區域含鹽量也較高。

渭北農田0～20 cm土層含鹽量受地下水因素的影響最為明顯，貢獻率為43.55%，其次為空間因素和土壤因素。20～40 cm土層受土壤因素影響最為顯著，貢獻率達44.14%，空間、地下水、管理因素次之。40～60 cm土層較20～40 cm土層受土壤因素影響更為顯著，貢獻率為68.34%，管理、空間、地下水因素次之。

致 謝：陜西省渭南市地下水管理監測處提供研究區地下水部分數據，特此致謝。

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