乌梁素海流域土壤盐分和pH值空间分布格局研究

孙丽华， 刘华民， 王世冬， 陈秀莉，刘东伟， 清 华，卓 义， 王立新,4*

(1.内蒙古大学 a.环境与资源学院；b.生命科学学院，内蒙古 呼和浩特 010021；2.锡林郭勒职业学院民族中等职业学校，内蒙古 锡林浩特 026000；3.包头师范学院 生物科学与技术学院，内蒙古 包头 014030；4.中美生态、能源及可持续性科学内蒙古研究中心，呼和浩特 010021)

乌梁素海流域土壤盐分和pH值空间分布格局研究

孙丽华1a， 刘华民1b， 王世冬2， 陈秀莉3，刘东伟1a， 清 华1a，卓 义1a， 王立新1a,4*

(1.内蒙古大学 a.环境与资源学院；b.生命科学学院，内蒙古 呼和浩特 010021；2.锡林郭勒职业学院民族中等职业学校，内蒙古 锡林浩特 026000；3.包头师范学院 生物科学与技术学院，内蒙古 包头 014030；4.中美生态、能源及可持续性科学内蒙古研究中心，呼和浩特 010021)

土壤盐碱化是制约乌梁素海流域农业可持续发展的重要瓶颈之一，该文针对乌梁素海流域土壤盐碱化的空间复杂性与反复发生性，根据乌梁素海流域植被特征，采集了20个代表性样点的土壤0～30cm分层样品.利用电导法和电位法分别测定了土壤中总含盐量和pH，运用surfer插值软件克里金插值法(Kriging)得到了研究区的土壤盐分和pH值的空间分布.研究结果表明：在空间分布上乌梁素海流域土壤中盐分和pH呈现出显著地表聚趋势，而且随着土层的加深盐碱化程度呈现降低的趋势.总体上说，乌梁素海流域土壤的盐碱化现象仍较严重，除春季压盐措施外，需要进行灌溉方式改善和化学改良剂使用等盐碱化治理措施.图3，表1，参19.

GIS；土壤盐碱化；空间分布；乌梁素海流域

土壤盐碱化指的是土壤盐分含量在各种自然因素和人为活动作用下增加到某一限度，因而抑制作物正常生长的过程[1].跟据联合国教科文组织与粮农组织不完全统计，全球大约有8.31亿hm2的土壤受到盐碱化的威胁，约占地球陆地表面的百分之十，遍布于各大洲干旱地区，主要集中在欧亚大陆、美洲西部、非洲[2].土壤盐碱化严重影响和制约了生态环境和农业的可持续发展.因此,系统认识和及时掌握有关盐渍土的性质、范围和空间变异特征等方面的信息，是治理、改良盐碱化和防止其进一步恶化的必要前提.国外对盐碱地的研究起步比较早，20 世纪初期就已经开始对盐碱地的地理分布，成因过程、演化机理和改良措施等进行了初步的研究，研究发现盐碱地主要分布在半湿润半干旱地区，该地区降水少、土壤及地下水含盐量大.2010年，文献[3]采用地质统计学方法，得到了火山区(很少受人类干扰)土壤盐分的空间分布图.2013年，文献[4]使用多种克里格插值方法对哈兰平原土壤盐分分布进行空间插值，研究发现在ArcGis软件下要想获得最高精度的插值图应该运用析取克里格法.

国内研究始于20世纪30年代，熊毅教授对国内盐渍土问题进行了深入研究，而对盐渍土的大规模研究是从1949年开始的，到目前为止基本上没有停止过.国内对盐碱地研究治理逐步的完善，走过了很多进步的阶段.经历了由单项治理措施到农业、水利、化学技术、生物技术相结合的综合改良治理措施，从小范围试验利用到大面积综合治理阶段.近年来，我国在植物耐盐品种选育及其耐盐机理方面也有了深入的研究，经过多年的研究表明对盐碱地的治理经济有效且可治本的方法是生物措施[5,6].目前研究主要侧重于大型灌区土壤次生盐碱化的治理改良以及休养保育的方式等.文献[7]运用 ArcGIS研究了内蒙古河套灌区的土壤盐碱化的空间结构.文献[8]主要利用遥感影像对新疆玛纳斯河流域土壤盐碱化进行了分类研究.文献[9]运用遥感技术对山阴县盐碱地动态变化进行监测研究.文献[10]研究了环渤海平原区土壤盐分分布特征及其影响因素.

内蒙古河套灌区是我国灌概面积最大的灌区之一，总面积可达105.33万多hm2，现在灌溉面积为57×104hm2,其中引黄灌概约占98.2%[11].然而内蒙古河套灌区的盐渍化土地面积约占内蒙古土地面积的70%，且约占耕地面积的65%.所以土壤盐碱化已经制约了河套灌区农业发展.该文利用surfer插值软件得到研究区采样点不同土层深度的碱化分布专题图、盐化分布专题图，基于此综合分析乌梁素海流域土壤盐碱化空间分布格局及影响因素.最终提出盐碱化治理的相应措施.

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

乌梁素海位于内蒙古自治区的乌拉特前旗境内，处于河套平原的末端，西邻河套灌区，东接乌拉山西麓，北靠阴山，南抵黄河；河套灌区是我国最大的灌区，总面积11 195.4 km2，设计灌溉面积73.33万hm2，现在灌溉面积近60万hm2，其中引黄灌溉为98.2%，是我国的三个特大灌区之一,灌区水源优良，土地肥沃，气候适宜，光热资源丰富，具有发展灌溉农业的良好条件，但是由于地质构造、地理气候的原因导致土壤过盐碱化问题是制约农业生产发展的主要因素.加之设施管理和灌溉技术落后，导致土壤盐碱化加剧.研究区及采样点位置如图1.

图1 研究区和采样点位置分布图Fig 1 The map of the study area and sampling points

1.2 样品采集、测定方法

样品采集方法与制备：在乌梁素海流域根据土壤质地、盐分状况、植被类型等因素确定典型样点的位置和数量.一共确定20个典型样点，采用GPS定位后用万能坐标转换器转换成大地坐标(见图1)，每个样点采集不同深度(0～5 cm、5～10 cm、10～20 cm、20～30 cm)土壤样品.每层用环刀法分别

采三个土样，作为平行样.样品采集时间是2012年8月中旬.土壤采回来后带回实验室自然风干，磨碎、然后过2mm筛，保存并测定.

测定方法：按照《土壤农业化学》测试方法，测定土壤水溶性盐总量、电导率EC和pH.用电导仪(MP513型实验室电导率仪)测定土壤电导率EC1∶5(水土比为5∶1[12])与土壤水溶性盐总量；用精密酸度计(STARTER 3C)测定土壤pH值.

1.3 数据处理

采用Excel软件对数据进行分析，得出土壤盐分和pH值的描述性统计.运用surfer软件中克里金插值法(Kriging)得到研究区不同深度土层的盐化、碱化空间分布等值线图.Kriging插值法是一种定量化描述地理空间分布格局的方法，主要应用于空间采样以及相关的一些空间格局分析.

1.4 土壤盐分含量和pH值差异显著性检验

对数据进行比较分析时，不能仅凭两个结果的不同就做出结论，而是需要进行统计学分析，对数据进行差异显著性检验.差异显著性一般有两组样本平均数的比较法(又分为成组比较检验和成对比较检验)及方差分析法两种方法[9,13].该文采用成组比较检验的方法的t检验法.

从t分布表查寻得到t0.05,20=2.101，t0.1,20=1.734，现计算得到0～5 cm相对5～10 cm、10～20 cm和20～30 cm盐度的t分布值分别为t1=0.875，t2=0.563，t3=0.48 ，所以计算结果小于t0.05,20=2.101，t0.1,20=1.734，表明表层土壤全盐含量差异不显著，但是变异系数都很高，所以土壤全盐含量的空间变异性很明显；用相同的方法计算得到的表层相对于其他三层的pH值得t分布值也均小于t0.05,20=2.101，t0.1,20=1.734，所以pH值得差异不显著.

2 结果与讨论

2.1 土壤盐分的空间分布格局结果分析

从空间尺度看，各层土壤的盐分含量大部分地区表现出了较为相似的空间分布格局，只有局部地区呈现出较高的盐分分布.0～5 cm、10～20 cm和20～30 cm时主要是地区丘间低地的半固定沙地地区、龙山西的玉米地以及树林子北向日葵地区.但是5～10 cm土壤层中除了丘间低地的半固定沙地地区、龙山西的玉米地以及树林子北向日葵地区以外，狼山西的盐分含量也相对明显的高于其他地区.并且各层的盐分含量呈明显的从中心向四周扩展的分布格局.从图2上也明显的可以看出乌梁素海流域土壤全盐含量大于1的区域主要是丘间低地的半固定沙地的白刺样地、向日葵样地以及狼山西地区.表明这里的作物生长明显的受到盐分的影响.全盐含量小于0.2的区域遍布主要的乌梁素海流域，是主要的非盐化土.乌梁素海流域表层土壤总体上属于轻度和非盐化土.

图2 乌梁素海流域不同土层土壤全盐量的空间分布Fig.2 The spatial distribution of total salinity of each soil layer in Wuliangsuhai basin

从垂直分布看，土层0～5 cm和5～10 cm的土壤含盐量基本一样，变化不大，但是这两个土层土壤全盐含量要高于其他土层，而且随着土层的加深，土壤全盐含量有递减的趋势(从表1也可以得出此结论)，原因可能是在夏季持续的地表蒸发，使得深层土壤以及地下水的可溶性盐类借助于毛细管作用上升并在上层土壤聚集的结果.且从图3可以看出上层土壤含盐量高的地区相应的下层土壤含盐量也相对的较高.0～5 cm土层的含盐量要明显的高于20～30 cm的土层含盐量，但是4个土层的全盐含量不是特别的明显，查看相关的文献，可能的原因是采集的土壤土层深度不够，一般的考察土壤全盐含量的垂直分布一般都是采集土壤是0～180 cm左右，这样土壤全盐含量的垂直分布更加明显，该文的土壤深度相对于180 cm的土层，相当于表层及更深一层的土壤，所以垂直变化不是特别的明显.

表1 乌梁素海流域各层土壤全盐含量统计特征值Tab.1 Statistical characteristics of total salinity of each soil layer in Wuliangsuhai basin

图3 乌梁素海流域不同土层土壤pH空间分布Fig.3 The spatial distribution of pH of each soil layer in Wuliangsuhai basin

从图2、图3可见整个乌梁素海流域0～5 cm、5～10 cm、10～20 cm、20～30 cm土体深度的盐化和碱性的局部和全局的空间变异状况.

2.2 土壤pH值空间分布结果分析

从空间尺度看，各层土壤碱性大部分地区也表现出相似的空间分布格局，碱性含量高的地区相反的恰恰是盐分含量相对较低的地区，但是也是呈明显的从中心向四周扩散的分布格局.其中强碱性的土壤的分布极少，主要是银定图、草地和芨芨草地区.大部分都是碱性土壤，分布较广.碱性和强碱性土壤主要分布于研究区的东北部，从东北向西南具有间接性递减的趋势.研究区主要作物是小麦、玉米和向日葵，它们的适宜pH值范围是6.5～7.5[7]，即中性至微碱性土壤，不符合要求的土壤将会导致作物的生长受限制，因此必须进行土壤改良.乌梁素海流域土壤总体上呈现的是碱性和强碱性.

从垂直分布看，各层土壤之间土壤pH值很接近(从表2也可以得出此结论).主要原因也是因为本次研究采集样品深度太浅，本研究采集深度相对于180 cm土层，就像是表层土壤一样，所以垂直变化不是特别明显.但是明显的可以看出表层土壤pH值高的地区相应的下层土壤pH值也相对较高.

表2 乌梁素海流域各层pH值统计特征Tab.2 Statistical characteristics of pH of each soil layer in Wuliangsuhai basin

2.3 讨论

导致研究区土壤盐分和pH值的这种空间分布格局是由很多因素共同作用的.首先，研究区气候干燥和土壤母质含盐.积盐的根本原因是该研究区日照强烈，年平均蒸发量大，导致深层土壤和地下水的盐分随着蒸发不断的向上富集，使得研究区表层土壤盐分含量相对较大，深层土壤盐分含量相对较小.而且强烈的蒸发和浓缩导致盐分中的离子比例发生变化，导致钠离子富集，且在表层的富集更多，造成表层的土壤碱性较强.另外，影响河套灌区夏灌前土壤盐分含量的另一个重要因素就是秋浇.本研究区在每年的秋冬季节，即土壤封冻之前会进行灌溉，而且灌溉的水量非常的大，导致灌溉水携带的大量的可溶性盐都被冻结在土壤中，当春天来临，土壤开始消融时，强烈的蒸发导致盐分向裸露的地表富集，所以下层土壤的盐分含量相对较小.但是该研究区主要的种植作物是葵花、玉米、小麦等作物，灌溉水主要是黄河水，黄河水通过灌区进入农田，最后再排入黄河，导致研究区的大部分地区长期处于脱盐过程，使得大部分土壤属于非盐化土壤，但是碱性较强.

总体来说，乌梁素海流域土壤盐碱化现象依然严重，应加强研究与治理改良.河套灌区独特的地形、气候、土壤和地下水等自然条件，造成盐分在土壤中积累和土壤溶液中钠离子相对浓度的增大，因此导致研究区大部分区域在未开发之前即是一片原生土壤盐碱化土地[14].为了使研究区得到开发和利用，每年都必须引黄灌溉保证充足的农业水源，同时淋洗土壤中的盐分.但是黄河水本身的含盐量较大[15]，加之粗放的灌溉和耕作技术，使得盐分又在土壤中累积，导致土壤此生盐碱化的发生.另外深层土壤和地下水中的盐分，会由于排水不畅在地下水位上升和强蒸发的情况下再次回到表层土壤.所以仅仅依靠灌溉淋洗是不能从根本上治理研究区的盐碱化问题.因此要想彻底治理盐碱化状态，首先要改善灌溉方式，合理的控制灌溉水量，在盐碱化严重的地区适当多灌溉，对于非盐碱化及轻盐碱化地区就要少灌溉.其次要提高耕作技术，对于不同程度的盐碱化地区选择不同的盐碱性作物.而且对于盐碱化较为严重的地区应使用化学改良剂等治理措施，从根本上治理盐碱化土地.所以应该坚持多方控制的原则来治理盐碱化问题.

土壤盐分的空间分布与研究尺度密切相关[16,17].但是本研究取样的面积较大，所以采样点的间距也较大，导致盐碱土的描述不够精确.通过查阅参考大量前辈们的研究成果[18,19]，表明该文的研究具有实际意义.为了能精确的研究乌梁素海流域土壤的盐碱化，仍然需要在局部地区进行详细的研究.另外，土壤盐碱化还受地下水运动、气候和人类灌排等因素的影响，所以要想可持续的利用该地区的土地资源，就必须对该地区的盐碱化动态进行监测、预报及调控.

3 结 论

乌梁素海流域表层土壤全盐含量和pH值差异不显著，但是变异系数都很高，所以土壤全盐含量与pH的空间变异性很明显.乌梁素海流域土壤盐分和pH含量较高的地区主要分布在乌梁素海流域的局部地区，呈明显的从中心向四周扩展的分布格局.在垂直上表现为随着土层的加深，呈逐步递减的趋势.乌梁素海流域土壤总体属于轻度盐化土和重碱化土类型，从西向东就有间接性减小的趋势；总体来说，乌梁素海流域的土壤盐碱化从西南向东北具有间歇性增加的趋势，并且碱性非常严重，所以应该加强研究土壤盐碱化治理和改良的新举措.

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Investigation of Spatial Distribution Pattern of Soil Salinity and pH in the Wuliangsuhai Basin

SUN Li-hua1a， LIU Hua-min1b， WANG Shi-dong2， CHEN Xiu-li3，LIU Dong-wei1a， QING Hua1a， ZHUO Yi1a， WANG Li-xin1a,4

( 1. a. College of Environment and Resources, b. College of Life Sciences, Inner Mongolia University, Hohhot 010021, China;2. National Secondary Occupation School, Xilingol Vocational College, Xilinhaote, 026000, China; 3. Faculty of Biological Science and Technology, Baotou Normal College, Baotou 014030, China; 4. Sino-US Center for Conservation, Energy,and Sustainability Science, Inner Mongolia University, Hohhot 010020, China)

Soil salinization is one of the most important bottlenecks for the sustainable development of agriculture in the Wuliangsuhai basin. Focusing on the spatial complexity and recurrence of soil salinization in Wuliangsuhai basin, this paper has collected layered samples from 0 cm to 30 cm from 20 representative sampling points according to the characteristics of vegetation there. The total salinity and pH of the soil were determined with the method of conductivity and potentiometry. Meanwhile, the spatial distribution of soil salinity and pH in this researched area was obtained from the Surfer Software (Kriging). The results show that the soil salinity and pH have a remarkable tendency of gathering on the surface in the spatial distribution. What’s more, the soil salinization tends to decrease along with the deepening of soil layer. As a whole, the soil salinization is a rather serious problem in Wuliangsuhai basin. Apart from controlling salinity in spring, some other measures are needed, such as irrigation and the use of chemical modifier.3figs.,1tab.,19refs.

GIS; soil salinization; spatial distribution pattern; Wuliangsuhai basin

2014-07-18

国家科技支撑计划项目(编号：2011BAC02B03)；内蒙古应用研发项目(编号：20110522)

孙丽华(1989-)，女，内蒙古赤峰人，硕士生，研究方向：环境生态学. *通讯作者,E-mail:Lx_wimu@163.com.

2095-7300(2014)03-001-07

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