塔河下游典型綠洲灌區土壤鹽分空間變異特征

丁邦新，劉雪艷，白云崗，劉洪波，丁 平，肖 軍

(1.新疆農業大學草業與環境科學學院，烏魯木齊 830052；2.新疆水利水電科學研究院，烏魯木齊 830049)

0 引 言

【研究意義】干旱、半干旱地區土壤鹽漬化是一種常見的土地退化問題，土壤鹽分含量過高在引起土壤肥力降低的同時還會嚴重影響作物的正常生長。新疆土壤鹽漬化問題已經成為限制新疆農業可持續發展的主要因素[1-2]。土壤鹽分的空間變異狀態在一定程度上反映了土壤的鹽漬化程度與分布狀況[3]。對新疆的伊犁河谷察南灌區、渭干河-庫車河三角洲、以及渭干河綠洲等部分地區的土壤鹽漬化分布狀況進行了分析和評價，而新疆鹽漬化區域分布廣泛，為了更全面了解新疆綠洲灌區的鹽漬化狀態，還需對其它灌區進行深入的研究和分析。掌握認知區域內自然與人為活動“二元”環境因素影響下的土壤鹽分空間變異特征，對于新疆水土資源的科學管理和農業可持續發展具有重要的意義。【前人研究進展】土壤是一個歷史的生命連續體，存在著時間和空間上的變異，不論在大尺度上還是小尺度上，土壤空間異質性均存在[4]為了更好分析土壤特性空間分布特征及其變異規律，采用區域變量理論的地統計學方法被認為是最有效的方法之一[5-6]。近年來隨著地統計學和GIS技術的不斷發展，土壤鹽分空間變異方面的研究逐漸得到了越來越多學者的關注。如劉遷遷等[7]運用地統計學結合GIS技術對伊犁河谷察南灌區土壤鹽分空間變異進行了研究，揭示了察南灌區土壤鹽分的變異規律，為該地區的土壤鹽漬化治理和分區提供了參考。王雪梅等[8]對渭干河-庫車河三角洲土壤鹽分空間變異和人為驅動力進行了研究，探討了該區域鹽漬化的成因，為評估鹽漬化對作物的影響提供了理論依據。王丹丹等[9]對渭干河綠洲不同土地利用類型土壤鹽分的變化特征進行了分析，闡明了渭干河綠洲不同土地利用類型鹽分的變化特征和土壤鹽漬化的分布格局。【本研究切入點】塔里木河下游沿岸灌區不僅是新疆非常重要的農業生產區域之一，也是鹽漬化問題較為嚴重的區域[10-12]，但目前針對該區域土壤鹽分空間變異的相關研究較少。研究不同深度土壤的鹽漬化特征和空間分布狀況。【擬解決的關鍵問題】以塔里木河下游31團灌區為例，采用地統計學與GIS技術相結合的方法，研究灌區的鹽漬化特征與空間分布格局，為該地區農業生產過程中的水鹽調控和塔里木河下游流域鹽漬化土壤的綜合治理提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

研究區位于新疆兵團第二師31團，地處塔克拉瑪干沙漠東北邊緣的塔里木河與孔雀河下游的沖積平原上，地理坐標為85°24′～88°30′E，39°30′～42°20′N，整個地形自西北向東南傾斜，地勢起伏和緩。屬大陸性暖溫帶、極端干旱沙漠性氣候，光熱資源豐富，降水稀少且四季分布不均，晝夜溫差大，多風沙和浮塵天氣，降水量年際變化大，多年平均降水量53.3～62.7 mm，多年平均蒸發量2 273～2 788 mm，日照時數3 036.2 h，≥10℃的年積溫4 121℃，無霜期191 d，生態環境極為脆弱，是我國最干旱的地區之一。31團現有灌溉面積0.75×104hm2(11.32萬畝),作物以棉花和香梨為主，大部分耕地處于恰拉水庫下游，部分區域地下水位較高，土壤次生鹽漬化問題嚴重。土壤類型主要有灌溉草甸土、風沙土、鹽土、沼澤土等。自然植被以荒漠河岸稀疏植被為主，喬木主要為胡楊(Populuseuphratica)；灌木主要為多種檉柳(Tamarixspp.)、鈴鐺刺(Halimodendronhalodendron)、黑刺(Lyciumruthenicum)、鹽穗木(Halostachyscaspica)等；草本植物主要有蘆葦(Phragmitesaustralis)、脹果甘草(Glycyrrhizainflata)、花花柴(Kareliniacaspica)、羅布麻(Poacynumhendersonii)、疏葉駱駝刺(Alhagisparsifolia)等[13]。塔里木河原支流卡拉河曾蜿蜓穿過31團團場中部，把場區切割成南北兩半，形成許多“半島”，并且卡拉河周期性洪水沖刷，使區內形成許多曲折的大小干溝和洼地，地形較為復雜，灌區內形成耕地與荒地相間分布的格局，鹽分易于積聚，土壤鹽漬化、次生鹽漬化問題非常嚴重。

研究區種植的主要作物為棉花，采用膜下滴灌的方式，棉花根系的生長深度在0～60 cm，且膜下滴灌的最大濕潤范圍也在60 cm左右，故研究分析以根域層土壤(0～60 cm)和深層土壤(60～100 cm)進行特征值的統計；土壤空間變異特征選取根域層土壤鹽分和深層土壤鹽分進行分析，土壤中的鹽分離子選取根域層的各離子進行分析。

1.2 方 法

1.2.1 樣品測定

2018年9月中旬在31團范圍內布設土壤取樣點40處，使用GPS定點取樣，并根據實際情況做適當調整。土壤取樣點總體按從水庫出口沿水渠流向布設，同時考慮土壤類型以及在作物種植集中區域加密布點原則。土壤樣品使用土鉆采集，每個位置土壤采樣層次分為0～20、20～40、40～60、60～80和80～100 cm，共取得200個樣品。將采集的土樣分別裝入袋中并做好標記，挑出雜物后，風干、研磨、過篩備用。圖1

1.2.2 地統計學

地統計學是以區域化變量理論為基礎，以半方差函數為主要工具的空間分析方法，主要用來揭示屬性變量在空間上的分布、變異和相關特征。

半方差函數是在任意方向上，相距為h的2個區域化變量Z(x)和Z(x+h)增量的方差，在滿足二階平穩假設的條件下，變異函數γ(h)的離散計算公式為：

式中：Z(x)是系統某屬性Z在空間位置x處的值，h為2樣本點空間分隔距離，Z(xi)和Z(xi+h)分別是區域化變量Z(x)在空間位置xi和xi+h處的實測值。

圖1 研究區及樣點分布示意

Fig.1 Location and distribution map of soil samples in the study area

克立格(Kriging)法，又稱空間局部估計或空間局部插值法，是地質統計學的主要內容之一，建立在變異函數理論及結構分析基礎之上的，它是在有限區域內對區域化變量的取值進行無偏最優估計的一種方法，以無偏和估計方差最小為準則，對每個樣點屬性賦予權重，最后加權平均對未知區域進行預測。根據待估樣本點有限鄰域內若干已測定的樣本點數據，對待估樣本點值進行估計，其優點是考慮了樣本點的形狀、大小和空間相互位置關系，及與待估樣本點的相互空間位置關系。

1.2.3 數據分級

根據新疆土壤鹽堿化的分級標準[17]對鹽分進行分級。

1.3 數據處理

試驗數據使用SPSS 17.0進行描述性統計分析，并對數據進行Kolmogorov-Smirnov(K-S)檢驗，判斷數據是否符合正態分布，對不符合正態分布的數據進行對數轉換，轉換完成后再次檢驗；半方差函數擬合采用地統計軟件GS+9.0進行，經過選擇不同步長進行擬合，比較不同模型下的決定系數與殘差平方和，選出了R2最大且RSS最小的最佳理論模型，并根據擬合的模型及其參數，在ArcGIS軟件中的Geostatistical Analyst模塊進行Kriging插值，通過對采樣點的取樣分析、數據的地統計學分析和Kriging插值，生成二維空間分布圖。

2 結果與分析

2.1 土壤樣品的統計特征

表1 研究區不同層次土壤鹽分及離子的特征值

Table 1 Statistical characteristics of soil salinity and salt segregation in different levels of the study area

土壤屬性Soilproperties土層深度Soillayer(cm)分布類型Distri-butiontype最小值Minimum(g/kg)最大值Maximum(g/kg)平均值Average(g/kg)標準差Standarddeviation變異系數Coeffi-cientofvariation偏度Coeffi-cientofvariation峰度KurtosisP(K-S)總鹽Saltcontent0～60正態?1.7158.898.65412.9991.501.556?1.848?0.067?60～100正態?1.209.633.8381.9750.510.603?0.471?0.234?HCO-30～60正態0.290.700.4260.1080.250.654-0.3740.52160～100正態0.250.700.4080.1030.250.5970.0710.468Ca2+0～60正態?0.072.090.4070.5401.331.069?0.101?0.064?60～100正態?0.060.740.1450.5403.721.516?3.181?0.472?Mg2+0～60正態?0.011.620.2220.3421.540.577?0.637?0.825?60～100正態0.020.340.0860.0630.732.0345.7450.267Cl-0～60正態?0.2024.542.3785.0392.121.339?1.309?0.199?60～100正態?0.163.750.7520.7921.050.694?0.225?0.773?SO2-40～60正態?0.5318.092.9753.5411.191.017?1.052?0.084?60～100正態0.332.981.5260.5350.350.8061.3190.352CO2-30～100---------K++Na+0～60正態?0.3116.121.6042.9151.821.7022.7230.05260～100正態?0.232.690.7410.5350.720.9570.4560.235pH0～60-8.038.378.143--0.769-0.183-60～100-8.018.418.113--1.7103.205-

注：*表示對數轉換后的值

Note:*indicates logarithmically converted value

2.2 土壤鹽分及離子的空間變異特征

表2 半方差函數模型及相關參數

Table 2 Semi-variance function model and related parameters

項 目Project理論模型Theoreticalmodel塊金值C0Nugget基臺值C0+CSillvalueC0/(C0+C)(%)決定系數R2殘差平方和Residualerror總鹽Totalsalt(0～60cm)指數模型0.23100.930024.80.6060.373總鹽Totalsalt(60～100cm)高斯模型0.06980.238629.20.5260.024HCO-3(0～60cm)球狀模型0.02690.057147.10.1912.323E-03Ca2+(0～60cm)球狀模型0.36001.253028.70.7440.389Mg2+(0～60cm)指數模型0.31800.637049.90.2150.215Cl-(0～60cm)指數模型0.46901.71827.30.3290.920SO2-4(0～60cm)指數模型0.33400.761043.80.4760.0504K++Na+(0～60cm)高斯模型0.30300.983030.80.4170.665

圖2 土壤全鹽及各離子的半方差函數擬合

Fig.2 Semi variance function curves of total salt and all ions

2.3 土壤總鹽及離子的空間分布特征

圖3 土壤全鹽和各離子含量的Kriging插值分布

Fig.3 Kriging interpolation distribution map of salinity and ions content

表3 研究區不同層次土壤含鹽量的面積與比例

Table 3 The area and proportion of soil salinity for each soil depth in the study area

土壤深度Soillayer含鹽量(g/kg)0～33～66～1010～20>200～60cm面積(km2)0.5372.99118.4155.793.51比例(%)0.2129.0547.1322.211.460～100cm面積(km2)11.31226.1313.7700比例(%)4.590.015.4800

3 討 論

研究區0～100 cm深度的土壤絕大部分處于不同程度的鹽漬化狀態，灌區內土壤鹽漬化問題十分嚴重。灌區內的土壤鹽漬化主要是受氣候、地理環境、人為因素和土壤類型的影響較大。研究區北以孔雀河南岸的沙包起伏區為界，與庫木塔格沙漠相鄰，南以塔里木河為界，與塔克拉瑪干沙漠相鄰，位于兩大沙漠之間，降雨稀少，蒸發強烈，多年平均降水量在53.3～62.7 mm，而多年平均蒸發量在2 273～2 788 mm，獨特的氣候條件為鹽分的聚集提供了條件。另外研究區處于塔里木河下游段，上、中游生活用水和農業灌溉用水的增加，導致下游地表水和地下水都受到一定的影響，并且塔里木河和孔雀河兩河下游河床歷史上多次改道，使古河道在墾區蜿蜓分布，荒漠植被稀少，風沙活動異常強烈，致使墾區廣泛分布著大小沙丘和成片壟崗洼地，地形起伏不平，部分區域積鹽嚴重。灌區內不合理的灌溉和人類活動，也是造成土壤鹽漬化的原因之一，趙銳鋒等[18]在新疆岳普湖綠洲研究的結果顯示，各層土壤鹽分的高值區主要集中分布在人類活動強烈、靠近河渠水源和地勢較為低洼區域，農業生產過程中盲目的引水及灌溉會提高地下水位，使其超過臨界深度，在干旱環境強烈的蒸發作用下，隨著潛水不斷蒸發，鹽分大量聚集于地表[19]，灌區內土壤受塔里木河沖積和風積影響，經過多年墾殖熟化，現耕作層土壤質地多為沙壤和輕壤，疏松易碎，孔隙多，通氣透水性好，土質沙性大，易于脫鹽的同時，在強烈的蒸發下地表積鹽現象也十分嚴重。

由研究區各土層土壤鹽分含量的水平分布圖以及鹽分特征值統計可以看出根域層土壤鹽分要遠大于深層土壤鹽分，這與鞏玉紅[20]、何子建[21]等在干旱地區的研究結果一致，秋季的蒸發積鹽階段水分將深層土壤中的鹽分帶到地表并積聚。根域層土壤大部分處于輕、中度鹽漬化狀態，重度鹽漬化區域主要集中在研究區中部，這是因為中部區域集中分布一定數量的鹽堿地和荒草地，其鹽分和離子含量較高，并且由于當地不合理的灌排將灌溉排水排入荒地，導致鹽分離子不斷向外擴散，加劇了中部區域土壤的鹽分積累。秋季土壤中鹽分和各離子的相對變異程度較高，這是由于研究區處于典型的荒漠地帶，氣候條件獨特，加上人類頻繁的農業活動，使得土壤具有了空間分布的復雜性。土壤鹽分的空間變異受土地利用、灌溉、施肥、管理水平等隨機因素和土壤母質、地形、地貌、氣候等非人為的結構性因素的共同影響，在半方差函數模型中，塊金值C0是由最小取樣距離內土地利用、灌溉、施肥、管理水平等隨機因素共同引起的變異。C為結構方差，由土壤母質、地形、地貌、氣候等非人為的結構性因素引起的變異[22]。塊金方差與基臺值的比C0/(C0+C)表示空間變異性的程度，是指由隨機性因素引起的空間變異占系統總變異的比例，該值越高，由隨機分布引起的空間變異性程度較大，相反則說明由結構性因素引起的空間變異性程度較大[23]。根據塊金方差與基臺值的比C0/(C0+C)來看，根域層土壤鹽分受隨機因素的影響較大，深層土壤鹽分及其它各離子受結構性因素影響較大，這主要是與根域層土壤所受的擾動更加頻繁有關。

4 結 論

4.3 研究區不同深度的土壤均處于不同程度的鹽漬化狀態。根域層土壤鹽分大部分處于中度鹽漬化狀態，中度鹽漬化區域主要分布在研究區東北部和南部，輕度鹽漬化區域主要分布研究區的西北部和東部，重度鹽漬化區域主要集中在研究區的中部，靠近塔里木河的位置，荒漠化程度高、地形復雜。深層土壤鹽分大部分處于輕度鹽漬化狀態，土壤鹽分受季節影響，變化范圍較小，分布較為均勻。