不同地貌類型上的耕地土壤鹽分因子與有機質含量特征分析及鹽漬化風險評價

楊磊 熊黑鋼

摘要：新疆綠洲中的耕地分布在不同的地貌上，常受到不同因素的制約，使得耕地退化和耕地質量產生較大的差異。準確了解不同地貌類型上的耕地土壤信息狀況可為有針對性地對耕地進行改良和管理提供重要依據。選取阿勒泰地區的山前盆地、山前平原、南部河谷3種地貌類型的耕地土壤為研究對象，共采集了55個土壤樣本，并測定土壤鹽分因子（pH值、總鹽含量）和土壤有機質含量。采用多元統計分析方法與指示克里格法對土壤鹽分因子和有機質含量進行分析。結果表明：（1）盆地區、平原區和河谷區的土壤因子與有機質含量，由盆地-平原-河谷呈逐漸增大趨勢。（2）從變異系數來看，3種地貌類型的pH值變異系數均小于10%，屬弱變異性。平原區總鹽含量的變異系數>100%，屬于強變異性，河谷區與盆地區土壤總鹽含量及有機質含量的變異系數介于27%～100%之間，為低強度的變異。（3）阿勒泰地區耕地土壤有機質處于稍缺水平，平原區的土壤有機質含量變化范圍的倍率最大，最大值為25.90 g/kg，約為最小值（5.11 g/kg）的5倍。其次為盆地區，河谷區的變化幅度最小。（4）河谷區總鹽含量與有機質含量相關系數為0.829，極顯著相關（P<0.01），河谷區總鹽含量與盆地區有機質含量的相關系數為0.829，呈極顯著相關（P<0.01）且均呈三次函數數學關系。盆地區總鹽含量與有機質含量不相關，平原區總鹽含量與有機質含量相關性一般且不顯著，鹽與有機質的關系可能受到地形、地貌的影響，導致盆地區與平原區鹽含量與有機質含量不相關。（5）河谷區土壤總鹽含量的基臺效應C0/（C0+C）比值為0.984，系統空間自相關性很弱。平原區土壤總鹽含量與有機質含量的基臺效應C0/（C0+C）比值均為0.277，具有強烈的系統空間自相關性。（6）鹽漬化風險評估結果表明，河谷區農田土壤存在較高的鹽漬化風險，盆地區農田土壤則反之，平原區鹽漬化風險為中度。說明阿勒泰地區耕地土壤有機質處于稍缺水平，土壤總鹽含量處于較低水平，對作物生長不存在危害。但河谷區與平原區的鹽漬化風險較高，應改進灌溉方式和種植制度，同時采用增施有機肥、進行秸稈還田等措施來促進棉花作物的穩產、高產，盆地區農田土壤最后應當采取相應的措施來預防鹽漬化危害。

關鍵詞：地貌類型;耕地;鹽分因子;有機質含量;特征分析;風險評價

中圖分類號： S153.6? 文獻標志碼： A? 文章編號：1002-1302（2019）10-0256-05

土壤鹽分與有機質含量是影響耕地自然質量的主要因素，耕地的質量、發育程度等均受不同地貌類型的影響。在干旱區，土壤鹽分因子和有機質含量不僅反映了土壤的質地結構和養分狀況，更關系到作物的生長。土壤pH值會影響土壤有效養分的數量和形態，影響植被根系吸收養分的能力。土壤有機質含量是土壤肥力的重要指標之一，它能反映土壤熟化程度與供肥能力，同時也能改善土壤的物理性質，影響土壤微生物環境[1]。近年來，土壤鹽漬化與次生鹽漬化問題日益加劇，鹽堿地與鹽漬化耕地面積不斷擴大，區域生態環境急劇惡化，嚴重影響了農作物的生長發育。阿勒泰地區耕地特定的水文地質條件與長期不合理的大水漫灌制度，使土地鹽堿化和次生鹽漬化現象尤為嚴重。耕地鹽漬化面積由原來的1/3增加至1/2，使大面積耕地不得不棄耕成為鹽堿荒地，且此現象呈逐年增加趨勢[2]。目前，圍繞鹽堿地改良與利用的研究頗多，其中如何在鹽堿地實現農業的高效利用已成為研究熱點。而明確土壤鹽堿特征及有機質含量之間的關系是實現鹽堿地農業高效利用的前提。國內外學者主要從鹽漬土的形成原因、分布特征、對植被的影響、改良措施等方面來研究土壤與環境之間的相互關系，并開展了大量的研究工作[3-6]。關于鹽分因子與養分的研究有很多，但基于不同地貌類型耕地的鹽分因子與有機質含量相互關系的研究尚不多見。

鑒于此，本研究選擇新疆阿勒泰地區中部的耕地為研究對象，研究分布在多種地貌類型上耕地的土壤鹽分因子與有機質含量的關系特征，并對其可能存在的土壤鹽漬化風險進行評價，對保護耕地質量及提高農作物產量、保障國家糧食安全和經濟可持續發展具有重大意義，為改良耕地及使糧食作物高產等措施的制定提供參考。

1 研究區概況

研究區位于新疆維吾爾自治區阿勒泰市中部（圖1），地理坐標為47°27′40″～48°38′46″N，86°53′15″～88°37′35″E。土地總面積1.02萬km2，自北向南分為山前盆地、山前平原、南部河谷3個地貌類型[7-8]。氣候類型屬于典型的大陸性干旱氣候，年降水量350～600 mm，蒸發勢為1 682～2 000 mm，年均溫4 ℃，無霜期155～160 d，日照時數2 825～2 960 h，日照率64%～66%;土壤pH值大于8.0，呈堿性。

2 材料與方法

2.1 數據來源

2017年6月在新疆阿勒泰市西北部針對3類地貌類型的耕地，利用梅花樁采樣法，用土鉆分別采集距地表0～20 cm 深的土壤樣本，其中山前盆地區（盆地區）土壤樣本25個，山前平原區（平原區）土壤樣本13個，南部河谷區（河谷區）土壤樣本17個。同時記錄每個樣本的土壤質地特征，并將每個土壤樣本編號入袋，帶回實驗室，經自然風干和剔除殘渣、石塊等雜質后，進行研磨，過1 mm孔徑篩。最后送至新疆農業科學院土壤理化分析實驗室由專業人士進行土壤總鹽含量、有機質含量、pH值數據的測定。

2.2 數據處理及方法

數據處理、相關性分析和制圖分別采用SigmaPlot 125、Origin 91和ArcGIS 101進行制作并分析其特征;采用指示克里格方法分析耕地土壤鹽漬化風險概率。指示克里格方法（indicator kriging，簡稱IK）是一種非參數估計方法，預測精度超過普通克里格方法。目前該方法廣泛應用于地下水及土壤鹽漬化狀況的研究[9-10]，將區域化變量的研究轉化為對其指示函數的研究，可以用來估計超出規定閾值的概率。

3 結果與分析

3.1 土壤鹽分因子及有機質含量統計分析

利用統計學方法分別對阿勒泰市盆地區、平原區、河谷區3類地貌的耕地土壤鹽分因子與有機質（SOM）含量進行分析。盆地區土壤pH值均值為8.37，平原區土壤pH值均值為8.45，河谷區土壤pH值均值為8.67，均呈微堿性，其值變化幅度較小，且由盆地向河谷有逐漸增大的趨勢。盆地區、平原區、河谷區總鹽含量均值分別為0.42、0.47、1.28 g/kg，土壤鹽分均小于 3 g/kg[11]，土壤鹽分含量較低且呈現出與pH值相似的變化趨勢。盆地區、平原區和河谷區的土壤有機質含量分別為14.86、13.49、11.44 g/kg，呈逐漸降低趨勢，說明其與土壤鹽分因子空間變化表現為相反的趨勢（圖2）。

3.2 不同地貌上的土壤鹽分因子及有機質含量變異特征

變異系數是反映變量離散程度的重要指標，在一定程度上揭示了變量的空間分布特性[12]。從圖3可以看出，除pH值外，其余的土壤鹽分因子變異系數的變化規律基本相似，均表現為平原區最大，河谷區次之，盆地區最小。各種地貌類型的pH值變異系數均小于10%，屬于弱變異性。平原區總鹽含量的變異系數>100%，屬于強變異性;其余地貌類型的總鹽含量的變異系數均介于27%～100%之間，屬中等強度變異性。說明研究區3種地貌類型的鹽分含量水平分布不均勻，呈較強的空間異質性。

3.3 不同地貌土壤有機質分布特征

本研究參考全國第二次土壤普查有關標準，對阿勒泰地區3類地貌類型耕地的土壤有機質含量進行評級[13]。河谷區、盆地區和平原區有機質含量分級均值在12.0～15.5 g/kg 之間，均處于第4等級“稍缺”水平，并呈現出盆地區>平原區>河谷區的變化（圖4）。山前盆地地勢較為凹陷山體遮擋了部分陽光的直射，導致蒸發量相對較少，植被覆蓋度較高，所以導致盆地區的有機質含量相對較高。河谷區水分充足，植被覆蓋度一般，可能是由于河流的常年沖刷，導致土壤肥力下降，所以河谷區的土壤肥力最低。平原區土壤有機質含量變化范圍的倍率最大，最大值為25.90 g/kg，約為最小值（5.11 g/kg）的5倍。其次為盆地區，最大值為24.43 g/kg，約為最小值（6.07 g/kg）的4倍，河谷區的變化幅度最小。整體看來，阿勒泰地區耕地土壤有機質處于稍缺水平。

3.4 不同地貌上的土壤鹽分因子與有機質含量的相關性分析

為了探討鹽分因子與有機質含量的關系，對河谷區、盆地區和平原區的鹽分因子與有機質含量進行相關分析。由表1可知，河谷區總鹽含量與有機質含量相關性較強，相關系數為0.829，呈極顯著正相關（P<0.01），河谷區地勢較低且地下水位高 耕地耐鹽植被較多且植被覆蓋度較高。河谷區總鹽含量與盆地區有機質含量的相關系數為0.829，呈極顯著相關，說明河谷區總鹽含量與盆地區有機質含量存在某種關系。河谷區有機質含量與盆地區有機質含量相關系數為1，且呈極顯著相關，說明河谷區與盆地區土壤有機質屬同一來源。河谷區耐鹽性植被凋謝，植被體內的鹽分殘體導致河谷區土壤鹽分與有機質含量較高，所以說鹽分與有機質是同一來源。而平原區有機質含量與3個區的土壤總鹽含量均不存在顯著相關性，說明平原區土壤有機質與盆地區和河谷區屬不同來源。盆地區總鹽含量與pH值顯著相關，相關系數為0.492（P<0.05）;平原區總鹽含量與pH值極顯著正相關，相關系數為 0.747，說明盆地區與平原區土壤總鹽含量和土壤酸堿程度存在一定的正比例關系。

為進一步了解不同區域的有機質含量與鹽分因子之間的數學關系，針對表1中土壤鹽分因子與有機質含量具有顯著性相關的現象，首先選取與有機質含量呈顯著相關的土壤鹽分因子，再將不同地貌類型的有機質含量分別與土壤鹽分因子進行函數擬合（圖5）。可以看出，河谷區總鹽含量與盆地區有機質含量三次函數擬合關系最好，且呈極顯著相關，相關系數r2=0.775 3。河谷區總鹽含量與河谷區有機質含量也存在三次函數關系，也呈極顯著相關，相關系數r2=0.735 4。說明河谷區總鹽含量與河谷區、盆地區有機質含量均存在類似關系，且變化趨勢也基本一致，結合表1中，河谷區有機質含量與盆地區有機質含量相關性為1（P<0.01）可以判斷，河谷區有機質與盆地區有機質屬同一來源。

3.5 不同地貌土壤鹽分因子與有機質含量地統計分析

在地統計學中，半方差函數是研究區域化變量隨機性和結構性最有效的工具之一。半方差函數的主要參數包括塊金值C0、結構方差C和基臺值C0+C。塊金值表示由于實驗誤差和取樣尺度引起的變異。塊金值與基臺值之比C0/（C0+C）反映土壤鹽分因子與有機質含量的空間依賴性和系統變量的空間相關性程度[14]。它常用于不同區域變量之間的比較，如果比值小于0.25，說明系統具有強烈的空間自相關性。如果比值在0.25～0.75之間，表明系統具有中等的空間自相關性，若比值大于0.75，表明系統空間自相關性很弱。從表2可以看出，不同地貌類型土壤pH值的基臺效應C0/（C0+C）比值在0.279～0.566之間，具有中等的空間相關性，表明它們受結構性因素和隨機性因素共同作用，如土壤類型和當地耕作方式等因素。河谷區與盆地區土壤總鹽含量的基臺效應C0/（C0+C）比值分別為0.984和0.949，表明系統空間自相關性很弱。平原區的土壤總鹽含量與有機質含量的基臺效應C0/（C0+C）比值均為0.277，說明系統具有強烈的空間自相關性。

變程是變異函數達到基臺值時所對應的距離，它表明土壤鹽分因子與有機質含量空間自相關性的范圍。由表2可知，盆地區總鹽含量的變程為3.75 km，而平原區總鹽含量的變程達到27.195 km，主要原因是平原區地勢平坦，加之降水和耕種等過程導致平原區耕地總鹽含量均一化，進而擴大了總鹽含量的變化范圍。

整體來看各區pH值、SOM含量的變程相差不大;而各區總鹽含量的變程相差較大;平原區pH值、SOM含量和總鹽含量變程相等，說明平原區pH值、SOM含量和總鹽含量的變化具有同步性。

3.6 不同地貌類型土壤鹽漬化風險評價

以新疆土壤鹽漬化標準中的低范圍上限和中度鹽漬化范圍下限（1.0 g/kg）為閾值[15]，采用指示克里格方法，分析研究區農田土壤中總鹽含量的環境風險概率分布格局。分析表明，從鹽漬化風險整體狀況來看，在研究區中，河谷區農田土壤鹽漬化風險較高，盆地區農田土壤鹽漬化風險較低，平原區存在中度的鹽漬化風險（圖6）。從河谷區到盆地區鹽漬化風險呈增加趨勢，從河谷區到平原區存在相似的變化規律。考慮到研究區主要作物為小麥，而小麥為低中度耐鹽作物，比西北地區種植的棉花經濟作物的耐鹽堿性弱，是西北干旱區綠洲中重要的農作物，相關研究表明，小麥在鹽分含量為 3.0 g/kg 左右的土壤中可以正常生長[16]。因此，從研究區土壤鹽漬化風險實際狀況看，目前不會對該地區主要作物小麥的生長產生危害。

4 結論與討論

通過分析不同地貌耕地區域的土壤鹽分因子與有機質含量變異性及關聯性進行分析得到以下結論：（1）盆地區、平原區和河谷區這3類地貌的土壤pH值、總鹽含量和土壤有機質含量數值，均呈現由盆地向河谷逐漸增大的趨勢。（2）從變異系數來看，3種地貌類型的pH值變異系數均小于10%，屬弱變異性，平原區總鹽含量的變異系數>100%，屬于強變異性，河谷區與盆地區土壤總鹽含量和SOM含量的變異系數介于27%～100%之間，屬低強度的變異性。說明研究區3種地貌類型的鹽分含量的水平分布不均勻，呈較強的空間異質性。（3）阿勒泰地區耕地土壤有機質處于稍缺水平，平原區土壤有機質含量變化范圍的倍率最大，最大值為 25.90 g/kg，約為最小值（5.11 g/kg）的5倍。其次為盆地區，河谷區的變化幅度最小。河谷區總鹽含量與有機質含量相關系數為 0.829，呈極顯著相關。河谷區總鹽含量與盆地區有機質含量的相關系數為0.829，呈極顯著相關，且均呈現三次函數擬合關系。（4）河谷區土壤總鹽含量的基臺效應C0/（C0+C）比值為0.984，系統空間自相關性很弱。平原區土壤總鹽含量與有機質含量的基臺效應C0/（C0+C）比值均為0277，系統具有強烈的空間自相關性。（5）在研究區中河谷區農田土壤存在較高的鹽漬化風險，盆地區農田土壤存在較低的鹽漬化風險，平原區存在中度的鹽漬化風險。從河谷區到盆地區，鹽漬化風險呈增加趨勢，從河谷區到平原區存在相似的變化規律。

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