石河子墾區連作膜下滴灌棉田鹽漬化土壤鹽分空間變異性研究

楊未靜，虎膽·吐馬爾白，米力夏提·米那多拉

(新疆農業大學水利與土木工程學院，烏魯木齊 830052)

新疆是我國典型的水資源匱乏地區，針對新疆特殊的自然條件，膜下滴灌作為一種具有節水節肥、保墑增溫等特點的高效節水灌溉技術，已在新疆推廣應用多年且取得了較好的經濟社會效益。然而，由于滴灌條件下耕地土壤含鹽率大于同樣背景條件下的漫灌耕地[1]，且只灌水不排鹽，膜下滴灌的長期實施，不但使鹽分積累危害作物生長，導致土壤次生鹽漬化，且改變了傳統的土壤水鹽空間分布，使農田土壤水鹽有了新的空間分布格局[2,3]。

與此同時，土壤鹽漬化正以驚人的速度發展，每年新增的鹽漬化土壤面積達100 萬hm2[4,5]，土壤的鹽漬化和土壤次生鹽漬化問題嚴重制約著干旱區農業發展，成為亟待解決的問題。王巍琦等[6]以石河子墾區為研究區，針對區域內存在的土壤鹽漬化等土壤質量問題，利用層次分析法對墾區土壤質量做出綜合評價。指出墾區內土壤均有不同程度的鹽堿化，少部分地區遭受鹽漬化危害較重，大部分區域潛在鹽漬化風險較高。王海江等[7]研究了在同一地區重度鹽漬化土壤上，綜合應用農業改良措施和基于農業改良措施，比較分析了各改良措施3年的土壤鹽分含量變化，對比了各措施的脫鹽效果。

土壤含鹽量在不同時間、不同位置均存在差異，這種空間的非均一性即為土壤鹽分的空間變異性。研究土壤鹽分的空間變異性及分布特征對土壤鹽漬化防治、改良及農業生產具有重要意義[6,8]。目前，國內外關于土壤鹽分的空間變異性研究很多，從不同角度不同方面進行了大量的研究[9-16]。姚榮江等[17-20]分別對黃河三角洲地區土壤鹽分的空間變異特征、合理采樣數目及CoKriging法估值進行了研究，揭示了土壤鹽分空間變異的控制因素。Wang等[21]對中國西北部農業綠洲土壤鹽分的空間變異性進行了研究。祖皮艷木·買買提等[22]以于田綠洲區為典型研究區，重點分析了該區土壤鹽分的空間分布格局，為當地防治土壤次生鹽漬化提供了理論依據。

通過對連作膜下滴灌棉田土壤鹽分的長期監測發現，隨著棉田種植年限的增加，土壤鹽分逐年增加，并產生鹽分積累區。為探索長期連作膜下滴灌棉田積鹽區土壤鹽分空間變異規律和空間分布特征，本研究以傳統統計學與地統計學為理論基礎，選用普通克里金插值法對未取樣點的含鹽率進行插值估計，結合ArcGIS10.2 軟件對膜下滴灌棉田積鹽區鹽分的空間變異特性進行了分析，以期為土壤鹽漬化的防控和改良提供科學依據，為土地可持續利用提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于新疆石河子121團，天山北麓，準噶爾盆地南緣，毗鄰古爾班通古特沙漠。地處歐亞大陸腹地(E85°20′～85°48′，N44°45′～44°58′，平均海拔337.1 m)。該地區屬典型北溫帶大陸氣候，干旱缺水，多風少雨，光照充足，蒸發強烈，年均日照時間2 864 h，無霜期平均180 d，年平均風速1.5 m/s，年均蒸發量2 036.2 mm，年均降雨量164.3 mm，最高氣溫曾達43.1 ℃，最低氣溫可達-42.3 ℃，降水量春夏較多，秋冬較少，降雨量主要集中在春季。研究區土地為沙丘間原始荒地，坡降度在1/1 000～1/15 000，土壤類型主要為砂壤土，平均容重為1.40 g/cm3，地下水埋深3～5 m，田間持水率為20.6%，是連作19年的膜下滴灌棉田，種植模式為一膜三管六行。

1.2 取樣點布置與樣品測定

選取研究區西南部面積為200×200 m的積鹽區，為使研究結果更為精確，在原有的50×50 m的網格取樣基礎上，在該積鹽區內布設沿東西、南北方向的兩條基線進行10 m加密取樣處理，均按0～20、20～40、40～60、60～80、80～100、100～120 cm深度內6個土層進行土鉆取樣，取樣后土樣密封裝好，共計取樣342個。取樣點布置圖見圖1。

取樣后將土樣烘干磨碎過2 mm篩，按土水比為1∶5(18 g土與90 g蒸餾水)的比例制取土壤浸提液，使用DDSJ-308A型號電導率儀分別測定電導率。并選取具有代表性的浸提液50個用烘干法測定其鹽分含量，分別與對應電導率值進行擬合，得到擬合結果：

Y=0.000 6X-0.028 2

(1)

式中：Y為含鹽率，%；X為電導率，μS/cm；R2=0.949，按此結果將所有測得電導率值換算為土壤含鹽率值。

2 結果與分析

2.1 土壤鹽分統計特征值分析

采用傳統統計學方法，結合SPSS19.0軟件對50×50 m網格和10 m基線加密50×50 m網格兩種取樣方式各土層鹽分含量數據進行統計特征值分析，并選用Kolmogorov-Smirnov檢驗法(簡稱K-S檢驗)對數據進行正態分布檢驗(置信區間95%，顯著性水平低于0.05)，各土層土壤含鹽率統計特征值見表1。

根據新疆土壤鹽堿化分級標準[23]，土壤含鹽率<3 g/kg，屬非鹽化土；3～6 g/kg，屬輕度鹽化土；6～10 g/kg，屬中度鹽化土；>10 g/kg，屬重度鹽化土。本研究區域內除表層土壤屬輕度鹽化土外，其他土層土壤為中度鹽化土或重度鹽化土，研究區該地塊的土壤主要屬中度鹽化土。

由表1可知，50×50 m網格及10 m基線加密50×50 m網格兩種取樣方式下土壤含鹽率隨土層深度的增加而增加，說明在膜下滴灌條件下，由于蒸發量較小，土壤鹽分隨灌溉、降雨等水分淋洗至深處土層。變異系數Cv反映土壤參數的變異程度，Cv≤0.1呈弱變異性，0.11呈強變異性。各土層含鹽率的變異系數均在0.43～0.78之間，呈中等變異性；兩種取樣方式下含鹽率變異系數Cv均由0～20至100～120 cm土層呈遞增趨勢，說明隨著土層深度的增加，含鹽率的變異性增強。K-S檢驗結果顯示50×50 m網格60～80 cm土層及10 m基線加密網格60～80、100～120 cm土層經過一次對數轉換后符合對數正態分布，其余土層均符合正態分布。

表1 土壤含鹽率統計特征值

注：“*”號表示經過一次對數轉換后的Sig值。

2.2 土壤鹽分空間變異性分析

為正確、合理地對空間采樣點數據進行地統計分析和建模，了解數據是否滿足克里金插值條件，在對空間采樣點數據進行地統計分析之前，應首先對數據的正態分布、是否存在全局趨勢、是否存在離群值、是否存在空間自相關等基本統計信息、數據特點等情況分析后，再進行變異函數建模或克里金插值。

運用ArcGIS10.2地統計分析模塊對各組數據進行空間數據分析后，所有指標均滿足半方差函數的建模條件。選用半方差函數中常用的球狀模型(Spherical Model)、指數模型(Exponential Model)、高斯模型(Gaussian Model)3種模型中的最優擬合模型，采用標準平均誤差最接近0，標準均方根誤差最接近1，平均標準誤差最小等的標準選出最優擬合模型進行建模。不同土層含鹽率的最優半方差函數擬合模型及其參數見表2。

表2 土壤鹽分半方差函數模型及參數

塊金值C0的大小反映區域化變量隨機性空間變異程度；基臺值C0+C的大小反映區域化變量在研究范圍內變異的強度；變程a反映土壤含鹽率空間自相關范圍的大小；塊金系數C0/C0+C的大小反映區域化變量由隨機部分引起的空間變異性強弱，塊金系數越大，其隨機變異程度大；塊金系數越小，由其內在結構性因素(如母質、土壤類型、地形等)引起的變異程度大。若塊金系數C0/C0+C≤0.25，表明具有強烈的空間相關性；在0.250.75，空間相關性較弱。各向異性比為主軸變程與亞軸變程的比值，如果各向異性比等于或接近1，說明變量在各方向上變化為同性即各向同性，否則為各向異性[23,24]。

由表2可知，在50×50 m網格及10 m基線加密兩種采樣方式中半方差函數擬合模型中高斯模型居多，說明高斯模型較適宜研究區土壤含鹽率的半方差函數模型擬合。各土層基臺值均為正值，說明存在由采樣誤差、最小距離內的變異或隨機和固有變異引起的正基底效應。兩種取樣方式下40～60 cm土層塊金值最小，說明該土層含鹽率空間變異主要受結構性因素影響；80～100及100～120 cm土層塊金值較大，說明該兩個土層在較小尺度內由取樣測量誤差、灌溉、施肥等隨機因素引起的空間變異較大。10 m基線加密較50×50 m網格20～40 cm土層塊金系數明顯減小，空間相關性增加，說明由隨機性因素引起的土壤含鹽率空間變異轉為由隨機性和結構性因素共同作用引起；40～60 cm土層的塊金系數均小于0.25，說明該土層含鹽率由隨機性因素引起的空間變異較小，結構性因素引起的變異占主體，具有較強的空間相關性；其余土層塊金系數均在0.25～0.75之間，均呈中等空間相關性，這是由隨機性與結構性因素共同作用的結果；80～100與100～120 cm土層塊金系數較其他土層更大，說明土層深度的增大使得土壤含鹽率的空間相關性減小，由隨機性因素引起的土壤含鹽率空間變異性增強。50×50 m網格中變程呈遞增趨勢，表明空間自相關范圍隨土層的增大而增大；10 m基線加密尺度下無明顯變化規律。各項異性比均大于1，說明各土層在不同方向上均具有隨機性或結構性因素引起的空間變異。

2.3 土壤鹽分空間分布特征研究

為便于直觀的了解該地塊各土層含鹽率的空間分布格局，將符合正態分布或對數正態分布的數據按階數剔除全局趨勢，選出擬合較好、結構合理的模型后，采用普通克里金插值法，對未取樣點的土壤含鹽率進行空間插值，得到含鹽率空間分布圖。各土層含鹽率空間分布圖如圖2和圖3所示。

圖2 50×50 m網格含鹽率空間分布圖

圖3 10 m基線加密網格含鹽率空間分布圖

由圖2和圖3可知，在水平方向上，各土層含鹽率整體由南向北遞減；0～20 cm土層含鹽率較其他土層較低，無明顯分布規律，說明此土層含鹽率空間分布受外界因素影響及人為干擾較大；0～60 cm深度內土壤含鹽率呈斑塊狀分布，由于該土層為棉花的主要根系層，根系吸水導致土壤鹽分分布無明顯規律，隨機性變異較大；鹽分主要積累在80～100及100～120 cm土層內，說明土壤鹽分由降雨、灌溉水淋洗下移。垂直方向上，隨土層深度的增加，土壤含鹽率呈遞增趨勢；60～80、80～100、100～120 cm 3個土層含鹽率高值區均分布在西南、西北，鹽分高值區分布在研究地塊西北部及南部，變化梯度較明顯，并由南向北均呈遞減趨勢，原因在于該地塊西南、東南地勢稍高，水源位于研究區北部，滴灌管為南北方向鋪設，即棉田由北向南進行灌溉，“鹽隨水動”使得鹽分隨水分的運移由南向北遞減；然而地形較高的區域，仍有大量的鹽分積聚，不能完全由水分帶走，形成“水去鹽留”的鹽分高值區。圖3較圖2更能清晰地表達該鹽分積累區各土層含鹽率的空間分布格局，基線上的加密取樣為尺度效應的研究提供了基礎數據；提高信息利用率并可進行尺度效應研究。

3 討 論

本研究對新疆石河子121團連作19年膜下滴灌棉田鹽分積累區進行了分析研究，由于地勢、降雨、灌溉等原因鹽分在向西北部及南部的更深土層移動。棉花作為本研究區的主要農作物，雖然具有較強的耐鹽性，但含鹽率過高依然會嚴重影響作物生長并降低其產量，建議采取局部大水漫灌、局部施加強酸肥等一定的措施來降低研究區鹽分積累區的鹽分含量，獲得棉花的增產增收，有效防控和改良土壤鹽漬化，實現土地可持續利用。研究中對連作膜下滴灌棉田監測數據時期較短，說服力不夠，可對其進行長期的監測，以更好地揭示長期連作膜下滴灌棉田水鹽空間變異規律。

4 結 語

(1)土壤鹽分統計特征值分析表明，研究區內積鹽區的土壤主要為中度鹽化土；50×50 m網格及10 m加密兩種取樣方式下土壤含鹽率隨土層的增加而增加；各土層含鹽率的變異系數均在0.43～0.78之間，呈中等變異性，并隨著土層深度的增加，含鹽率的變異性增強；除個別土層經過一次對數轉換符合對數正態分布外，其余均符合正態分布。

(2)土壤鹽分空間變異性分析表明，半方差函數擬合模型中高斯模型居多，高斯模型較適宜研究區土壤含鹽率的半方差函數模型擬合；各土層基臺值均為正值，存在由采樣誤差、最小距離內的變異或隨機和固有變異引起的正基底效應；兩種尺度下40～60 cm土層塊金值最小，該土層含鹽率空間變異主要受結構性因素影響；兩種取樣方式下80～100及100～120 cm土層塊金值較大，該兩個土層在較小尺度內由取樣測量誤差、灌溉、施肥等隨機因素引起的空間變異較大。

(3)各土層含鹽率空間插值結果顯示，在水平方向上，各土層含鹽率整體由南向北遞減；0～60 cm深度內土壤含鹽率呈斑塊狀分布，根系吸水導致土壤鹽分分布無明顯規律，鹽分主要積累在80～100及100～120 cm土層內；垂直方向上，隨土層深度的增加，土壤含鹽率呈遞增趨勢，60～80、80～100、100～120 cm 3個土層含鹽率高值區均分布在研究地塊西北部及南部，變化梯度較明顯，“鹽隨水動”使得鹽分隨水分的運移由南向北遞減，地形較高的區域，呈現鹽分高值區。