喀什噶爾河流域灌區土壤鹽分空間變異性及影響因素分析

(新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

土壤鹽分受各類因素的綜合作用具有高度的空間變異性，土壤耕作層與其他層位的鹽分具有一定的關系，呈現地域性特點。因此，鹽漬化過程與氣候、地形、土壤類型、地下水水位埋深及水質等密切相關[1-3]。喀什噶爾河流域天然條件下環境封閉，隨水而來的鹽分只能積聚在流域之中，土壤鹽漬化問題日趨嚴重。同時,隨著農業開發力度加大，灌溉水的蒸發及入滲增加了鹽分的積累，次生鹽漬化現象也日益彰顯，土壤鹽漬化已成為農業生產和生態保護面臨的主要危害之一。

多年來，土壤鹽分空間變異性已成為國內外諸多學者的研究重點，從土壤性質的空間變異性到土壤水分、鹽分空間變異性再到土壤水肥鹽空間變異性，進而考慮到影響土壤鹽漬化空間變異性的驅動因素[4-10]。Panagopoulos et al.[6]引入空間變量實驗并利用地統計學對土壤理化性質進行了圖形解釋及分析。陳星星等[7]研究了南疆干旱地區庫爾勒三十一團土壤鹽分空間分布和變異特征以及產生土壤鹽分空間變異特征的原因；張飛等[11]在新疆精河綠洲對土壤含鹽量、pH值、電導率等進行了定量探討及空間變異性分析；段凱祥[12]以嘉峪關草湖濕地為研究區運用地統計學方法分析了土壤養分、水鹽含量和植被覆蓋度的空間異質性、自相關關系及其程度；武婕等[13]基于地統計學和GIS技術相結合的方法，研究了南四湖區農田土壤有機質和微量元素的空間分布特征及其影響因素；Schofield et al.[14]得出土壤鹽漬化是由于土壤表面或附近可溶性鹽的積累而產生的，鹽分的積累和遷移主要受灌溉方式、水質和水量的影響；周在明[15]通過在環渤海低平原區研究發現地下水位埋深和礦化度對不同深度土壤含鹽量均具有顯著影響。

以往針對喀什噶爾河流域土壤鹽漬化空間變異特征的研究往往處在較小尺度上，對于該地區土壤鹽分的大尺度空間分布研究還存在一定的不足[16]。同時,對于研究區土壤含鹽量與影響因素的相關關系分析及使用正態性更好的Box-Cox轉換對土壤鹽分數據處理的研究同樣較少。本文通過野外取樣及測試后，運用傳統統計學和地統計學相結合的方法對研究區土壤鹽分的空間分布特征進行研究，目的在于研究地形地貌、土壤質地和人為因素影響下的地下水位埋深、水質等與土壤含鹽量之間的關系。

1 材料及研究方法

1.1 研究區概況

喀什地區位于塔里木盆地西部，地處暖溫帶大陸性干旱氣候帶，溫差大、降水稀少、蒸發強烈，年均降水量68.4mm，年均蒸發量2236mm，生態環境脆弱，呈現荒漠綠洲、灌溉農業的特點。其地貌形態從北到南、由西向東呈階梯狀遞降，北部為高聳的山區，東部是廣闊的平原和沙漠。總體地勢為西高東低，南、北高中部低。區內地下水資源主要形成于山區，平原區為水資源徑流、散失消耗區。地下水的總體流向與地形坡降趨勢相似，自西向東由山區向平原區徑流。

流域內灌區主要分布在高程3500m以下的區域，為中低山和山前沖積、洪積平原地帶，地面坡降0.5‰。灌區內主要種植小麥、玉米、棉花、蔬菜、瓜果等作物，種植制度為一年一熟。平原區得天獨厚的氣候條件適宜種植紅棗、核桃、棉花等作物，山地半農牧區僅能滿足牧草麥類作物和林木生長。同時結合灌區的氣象水文、水土資源、作物組成、灌區規模及經濟效益等因素，灌區灌溉制度(灌溉方式及灌水量)存在一定的差異。農業是喀什地區的基礎產業之一，近年來,流域內也在逐步優化農牧業灌溉布局，提升灌溉發展質量，實現傳統農業灌溉向集約型現代灌溉農業轉變。灌區耕地土壤分布受河流、渠系的影響呈魚脊形小地貌特點，土壤類型主要為黏質土和砂質土兩大類，部分剖面有鹽分積累現象。灌區下游地下水位埋深在0.8～4.0m之間，地下水礦化度普遍大于2.0g/L，局部大于10g/L。依格孜牙河灌區下游，克孜河伽師灌區下游，恰克馬克河、布谷孜河灌區下游由于土壤顆粒較細、地下水徑流條件差、水位埋深淺，鹽漬化情況嚴重。

1.2 取樣及測試

根據收集并整理野外取樣過程中實測資料，綜合研究區地形地貌、土地利用類型、地下水位埋深、農作物類型等因素選取區內具有典型代表性的取樣點，其分布見圖1。2019年8月，按不同深度(0～30cm、30～50cm、50～80cm)分層取樣共69個，取樣后土壤含鹽量及土壤粒徑檢測樣品用密封袋保存。其中土壤易溶鹽按《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—2019)在新疆巖土中心檢測；顆粒粒徑按國際制土壤粒徑分級標準，黏粒(小于0.002mm)、粉粒(0.020～0.002mm)、砂粒(2.000～0.020mm)，用Microtrac激光粒度儀測定[15]。

圖1 取樣點位置

1.3 研究方法

1.3.1 Box-Cox轉換

由于本文土壤含鹽量既不滿足正態分布也不滿足對數正態分布，故引入正態性更好的Box-Cox轉換[17]，其公式為

(1)

式中：S為Box-Cox轉換的一個變換族，由可變參數λ決定具體轉換的形式，λ一般可通過最大似然估計得到。

1.3.2 空間變異理論

本文對研究區土壤含鹽量進行統計性分析，提取計算空間信息的統計特征，并依據空間變異理論研究土壤鹽分空間分布規律[18]。

引入空間變異理論中的區域化變量的變異特征研究土壤鹽分的空間分布規律。區域化變量的變異特征是以變異函數為基礎，構制變異函數模型而得到的。計算公式為[19]

(2)

式中：γ(h)為變異函數；h為滯后距；N(h)為距離等于h的點對數；Z(xi)為處于點xi變量處的實測值；Z(xi+h)為與點xi距離h處變量的實測值。

變異函數模型主要分為有基臺值和無基臺值模型兩大類，本文主要考慮常用的有基臺值的理論模型，即球狀、指數和高斯模型。3種模型的一般表達式見表1。

表1 變異函數理論模型及表達式

2 結果與分析

2.1 統計學分析

統計學分析結果見表2，其均值反映出研究區不同深度的土壤含鹽量在0.723%～0.770%之間，含鹽量差別不大，但其極值所反映的變化幅度差別較大，由表層至深層各層含鹽量變化分別在0.123%～3.733%、0.119%～4.120%和0.082%～3.765%之間。根據王遵親等[20]對我國干旱、半干旱區鹽漬化分級標準中可以看出研究區土壤鹽漬化從非鹽土(含鹽量小于0.1%)到鹽土(含鹽量大于1%)變化較大。經分析這與各取樣點農作物類型、土壤質地、灌溉方式及地下水等因素不同有關，從而導致研究區鹽漬化程度差異較大。結合偏度、峰度可以看出灌區各層土壤均呈現正偏態陡峭分布。

采用變異系數Cv反映單位均值的離散程度，結果表明：區內各層含鹽量變異系數均大于1，屬強變異性[21]。經分析是由于受到地質結構、地形、土地利用方式以及灌溉等多重因素影響，研究區土壤鹽分空間變異程度比較復雜。通過收集的資料和實際調查發現流域下游的區域由于大面積灌溉造成下游水位普遍升高，地下水位埋深較淺局部區域甚至只有0.5m，灌溉水礦化度高有的地方可達1.2g/L，排水設施的不完善導致排水不暢，鹽漬化逐漸加重，使得灌區內局部地區的土壤含鹽量較大，含鹽量分布不均，變化復雜。

表2 研究區各層土壤含鹽量統計

運用地質統計學研究區域化變量時，所研究的變量均需要服從正態或近似于正態分布，否則可能會存在比例效應。本次利用K-S(Kolmogorov-Smirnova)和S-W(Shapiro-Wilk)檢驗方法進行正態檢驗，將不服從正態分布的數據，經轉化后使其呈正態分布。檢驗結果見表3，各層天然含鹽量及經對數轉換后仍不服從正態分布故引入正態性更好的Box-Cox轉換[17]。結果顯示：含鹽量經Box-Cox轉換后顯著性均大于0.05，說明含鹽量經Box-Cox轉換后在 95%的置信區間下服從正態分布，可用作變異函數分析。

表3 各層土壤含鹽量正態性檢驗統計

2.2 空間變異性分析

對含鹽量經Box-Cox轉換后的數據進行空間變異性分析得到變異函數參數和擬合圖，見表4、圖2。最優變異函數擬合模型0～30cm、30～50cm均為高斯模型，50～80cm為指數模型。空間變異分析時常用變程a來反映變量的影響范圍，其表示在以a為半徑的范圍內土壤含鹽量都具有一定空間相關性，當兩點間距離超過該范圍則表明兩點間將不存在空間相關性[19]。由表4可知，各層土壤含鹽量分別在108772m、100285m、348933m范圍內具有空間相關性，對比不同深度的變程數據發現灌區土壤含鹽量表層(0～30cm)和亞表層(30～50cm)均小于深層(50～80cm)，表明深層含鹽量變程大、變異性小，空間相關性強。

在變異函數參數中，C0為由試驗及取樣所產生的隨機性因素引起的變異，C為由非人為的結構性因素引起的變異，本次各層隨機性方差C0均較小，表明由試驗誤差及取樣所產生的變異較小。運用塊金基臺比[(C0/(C+C0)]分析影響土壤含鹽量空間變異性的因素，當塊金基臺比越大則說明由隨機性因素影響的空間變異性越強，各層土壤含鹽量塊金基臺比在0.500～0.517之間，顯示空間相關性屬中度相關，表明不同深度含鹽量同時受隨機性因素(如人類活動、灌溉及土地利用類型)和結構因素(如母質、氣候、水文、植被、土壤類型等)共同影響[18-22]。同時，隨著深度的增加，各層塊金基臺比雖差異不大，但整體逐漸變小，說明深層土壤含鹽量相比表層和亞表層受結構性因素影響較大。結合取樣發現，灌區人類活動和農業耕種等隨機性因素易對表層和亞表層0～50cm深度內土壤含鹽量產生影響。這與變程數據反映的情況一致，也與陳星星等[7]研究結果相同。

表4 各層土壤含鹽量變異函數參數計算

圖2 變異函數與理論模型擬合圖

2.3 空間插值分析

利用Arcgis10.5軟件中克里金最優值理論插值方法研究灌區土壤鹽分的空間分布特征，結果見圖3。灌區各層土壤含鹽量變化趨勢基本一致，均表現為由西向東先增加后減小，總體呈“東高西低”的變化趨勢，至伽師總場附近含鹽量最高。其空間分布特征西部較東部復雜，尤其在喀什三角洲地區含鹽量分布較為離散，呈“斑狀”分布。分析其原因是由于伽師總場以東已屬于流域沖積扇下游，該區域地下水位埋深小，蒸發強烈，易造成“水走鹽留”，從而導致含鹽量較高。而喀什、疏附、疏勒等地則由于人類活動頻繁、農業發達，導致土壤含鹽量在該區域呈現出復雜的變化。

隨著深度的增加，土壤鹽漬化空間分布的復雜性逐漸減小。結合上述分析，得出結論：表層土壤含鹽量的分布易受外界條件及人類活動等因素影響，如地表微地形、氣候及人類農業生產等。而在相對較小的范圍內，表層地表微地形起伏較大，在降雨、蒸發和農業灌溉的作用下，表層土壤和地下水中的可溶性鹽分積聚于地表低洼處，加上人類農業生產活動的不斷干擾，導致表層及亞表層土壤鹽分的空間變異性明顯強于深層土壤[23]。同時，隨著土層深度的增加，地形、降雨和蒸發等因子對鹽分空間分布的影響逐漸削弱，人類活動的影響也逐漸減小，導致深層土壤含鹽量相差不大，變化較小。

圖3 不同深度土壤含鹽量分布特征

2.4 土壤含鹽量及其影響因素關系研究

研究區鹽漬化空間分布特征受到區內自然和人為因素共同影響[24]。已有研究表明，區內特殊的氣候條件對土壤鹽分在淋溶、遷移和累積過程中會產生顯著的影響，從而導致土壤含鹽量在時間和空間上存在差異[16]。同時，灌區土壤屬性及地下水礦化度等因素也存在空間相關性[9,25]。因此，本文在分析土壤含鹽量影響因素時主要探討含鹽量與地形、土壤質地及地下水位埋深、礦化度等因素之間的關系。

2.4.1 土壤含鹽量與地形因子之間的關系

有研究表明，受人類活動及農業生產等因素的影響，在一定范圍內地形因子(坡度、坡向)差異較大，而在影響土壤機械組成、含水率的同時，還會影響降雨和灌溉水向地下的流動，進而影響鹽分在土壤剖面內的運移和重新分布[26]。在一定范圍內，當自然因素(如:氣候、母質、農作物類型等)基本一致時，地形因素將會成為影響土壤鹽漬化的主要因素。因此，為分析研究區地形因子對土壤含鹽量的影響，本文對從地理空間數據云網站獲取的研究區GDEMV2數字高程數據，運用ArcGIS軟件柵格處理工具進行高程、坡度及坡向數值與土壤含鹽量關系的皮爾遜(Pearson)相關性分析，結果見表5。

表5 不同深度土壤含鹽量與地形因素相關性分析

從表5可以看出，各層土壤含鹽量與地形因子之間并無顯著相關性。結合前文空間變異性分析發現，研究區土壤含鹽量受結構性和隨機性因素共同影響。而本次各取樣點處不僅農作物類型有所差異，且取樣時間又處于農作物生長旺盛的8月。在這一時期，農田管理措施較多，區內農業活動也會造成耕作層內土壤結構在一定程度上發生變化。同時，人類活動(如灌溉及其他田間管理)等隨機性因素又勢必會影響和掩蓋地形因素對土壤含鹽量的變化，從而造成區內地形因子與土壤含鹽量無顯著相關性。這與張芳等[26]在奇臺綠洲得出的地形因子對鹽堿土空間分布格局起主要作用的結論相悖。但通過對比會發現，該研究是在未開墾的荒地進行取樣分析，這就在很大程度上避免了田間管理等對其的影響。這也從側面說明了人類活動等隨機性因素對土壤鹽漬化影響較大。

2.4.2 土壤含鹽量與土壤質地之間的關系

土壤質地同樣對土壤水鹽運動具有重要的影響，土壤顆粒會影響土壤水運動的速度與上升高度，從而影響土壤積鹽過程[27-28]。因此，在研究不同土壤粒徑與土壤鹽漬化關系的基礎上，還要研究土壤質地對鹽漬化的影響程度。按國際制土壤粒徑分級標準，對各取樣點處樣品黏粒、粉粒和砂粒含量進行統計。同時，為消除不同量綱對數據的影響，首先將數據進行標準化處理[29]。然后對土壤含鹽量與土壤粒徑進行皮爾遜(Pearson)相關性分析，結果見表6。

表6 不同深度土壤含鹽量與土壤粒徑相關性分析

從表6可以看出： 除30～50cm處土壤含鹽量與黏粒之間呈顯著正相關外，其余各層均無顯著相關性；30～50cm處土壤含鹽量隨土壤黏粒含量的增加而增加。由于土壤中黏粒的粒徑與孔隙小，導致土壤水運移速度緩慢，加之受蒸發作用時間長，易引起水中鹽分的滯留，從而導致土壤含鹽量增加。而其余各層土壤含鹽量與土壤粒徑之間均無顯著相關性，這與劉慶生等[27]得出的土壤質地對不同程度鹽漬化具有指示作用的結論相悖。分析原因與地形因子影響一致，在農作物生長旺盛期，土壤粒徑對土壤含鹽量的影響被人類活動(如灌溉和其他農業管理)所掩蓋，從而造成土壤質地對土壤含鹽量基本無影響。

2.4.3 土壤含鹽量與地下水位埋深之間的關系

圖4 潛水位埋深和土壤含鹽量關系

前文得出區內鹽漬化程度與地下水位埋深有關，為分析土壤含鹽量與地下水位埋深之間的關系，選取區內地下水位埋深5m以內的取樣點進行研究，結果見圖4。土壤含鹽量與地下水位埋深呈冪函數關系，隨著地下水位埋深的增加而減小。同時發現當水位埋深在2.5m范圍內時土壤含鹽量受水位埋深影響較大，而當水位埋深大于2.5m時土壤含鹽量受地下水位埋深影響則逐漸減小。表明潛水埋深越深，土壤含鹽量越低，潛水埋深越淺，土壤含鹽量越高，這與馬玉蕾[31]在黃河三角洲的研究結果一致。當地下水位埋深較淺時，土壤受強烈蒸發作用而積鹽，隨著水位埋深逐漸增加，蒸發作用逐漸減弱，土壤積鹽效果也隨之減小。結合灌區各農作物含鹽量閾值和鹽漬化空間分布特征，可依據含鹽量與地下水位埋深之間的關系，確定不同區域、不同條件下的地下水位臨界深度。

2.4.4 土壤含鹽量與地下水礦化度之間的關系

土壤水垂向運移至地下水會造成局部范圍內地下水礦化度發生變化。因此，地下水礦化度在一定程度上能較好地反映研究區土壤鹽漬化程度。選擇區內地下水礦化度在6g/L內的取樣點進行研究，擬合結果見圖5。土壤含鹽量與地下水礦化度呈指數關系，隨著地下水礦化度的增加而增加。當地下水礦化度在0～2g/L范圍內時，土壤含鹽量受地下水礦化度影響較小；而當地下水礦化度大于2g/L時土壤含鹽量受地下水礦化度影響較大。表明地下水礦化度越大，土壤含鹽量越大，這與周在明[15]在環渤海低平原區的研究結果一致。

圖5 地下水礦化度和土壤含鹽量關系

3 討論分析

喀什噶爾河流域灌區土壤含鹽量由于受各類內外因素的共同作用，其空間分布特征復雜，尤其在喀什三角洲地區，土壤含鹽量變化最為復雜，灌區灌溉和人類活動對土壤含鹽量空間分布特征均有影響。同時，在垂直向上分析發現，隨著深度的增加土壤鹽漬化空間分布的復雜性逐漸減小，表層土壤含鹽量與土壤質地的關系較深層小，說明隨著深度的增加人類活動影響逐漸減弱，土壤結構的穩定性不易受人工影響而改變，這與張飛等[11]、段凱祥[12]的研究結果相似。因此，今后研究區土壤鹽漬化的研究重點可放在受人為因素影響更多的表層。此外，通過對比變異函數參數計算結果發現,各層土壤含鹽量的變程數值差異較大，其空間相關性未能完美地體現，分析原因可能是由于本次各取樣點間距較大，目前取得的相關長度可能被高估。

通過對研究區土壤鹽漬化影響因素分析發現，在農作物生長旺盛期，人類活動(如灌溉及田間管理措施等隨機性因素)在一定程度上將會掩蓋部分因素對鹽漬化的影響。因此，要想更準確地研究土壤鹽分空間變異性，可選擇在土壤鹽漬化程度較高且田間管理較少的春季進行。同時，為實現灌區節水控鹽總目標，可考慮通過改變其影響因素治理鹽漬化。自然因素中氣候、地形因子和土壤質地等不易改變，而人為因素的綜合影響又集中反映在地下水水位與水質上，且當地灌溉水多為河水或地下水，灌溉水水質也不易改變，因此，對于灌區地下水因素的控制和改變其根本在于地下水位調控及灌區灌溉制度的完善和優化，這與周在明[15]、王卓然[24]、馬玉蕾等[30]研究結果相似。為有效判斷流域地下水環境變化趨勢，正確把握人工調控水鹽效果，可根據上述土壤鹽分空間分布特征，在不同區域、不同條件下精細化地制定地下水位調控方案，加強動態監測，建立科學合理的地下水水位及水質監測網。可進一步通過試驗、物理和數值模擬方法深入研究構建多元化排水方案。還可利用數值模擬優化灌區灌溉制度，制定合理的春、冬灌水水量，以達到“壓鹽”效果[31]。最終達到灌區水資源合理利用和鹽漬化治理的目的。

4 結 論

分析研究區土壤鹽分空間變異性和影響因素的結論如下：

a.各層土壤含鹽量均屬強變異性且具有明顯的差異性；經Box-Cox轉換后服從正態分布，其含鹽量易受到隨機性因素(如人類活動、灌溉和土地利用類型)和結構因素(如母質、氣候、水文、植被、土壤類型等)共同影響。

b.插值結果顯示灌區土壤含鹽量整體表現為由西向東先增加后減小，在伽師總場以東含鹽量達到最高，在喀什三角洲地區含鹽量分布離散變化最為復雜。

c.土壤含鹽量影響因素較多，但在農作物生長旺盛期，人類活動在一定程度上將會掩蓋地形因子和土壤質地等對土壤鹽漬化的影響；潛水埋深越淺，礦化度越高，土壤含鹽量越高。