石河子垦区连作膜下滴灌棉田盐渍化土壤盐分空间变异性研究

杨未静，虎胆·吐马尔白，米力夏提·米那多拉

(新疆农业大学水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052)

新疆是我国典型的水资源匮乏地区，针对新疆特殊的自然条件，膜下滴灌作为一种具有节水节肥、保墒增温等特点的高效节水灌溉技术，已在新疆推广应用多年且取得了较好的经济社会效益。然而，由于滴灌条件下耕地土壤含盐率大于同样背景条件下的漫灌耕地[1]，且只灌水不排盐，膜下滴灌的长期实施，不但使盐分积累危害作物生长，导致土壤次生盐渍化，且改变了传统的土壤水盐空间分布，使农田土壤水盐有了新的空间分布格局[2,3]。

与此同时，土壤盐渍化正以惊人的速度发展，每年新增的盐渍化土壤面积达100 万hm2[4,5]，土壤的盐渍化和土壤次生盐渍化问题严重制约着干旱区农业发展，成为亟待解决的问题。王巍琦等[6]以石河子垦区为研究区，针对区域内存在的土壤盐渍化等土壤质量问题，利用层次分析法对垦区土壤质量做出综合评价。指出垦区内土壤均有不同程度的盐碱化，少部分地区遭受盐渍化危害较重，大部分区域潜在盐渍化风险较高。王海江等[7]研究了在同一地区重度盐渍化土壤上，综合应用农业改良措施和基于农业改良措施，比较分析了各改良措施3年的土壤盐分含量变化，对比了各措施的脱盐效果。

土壤含盐量在不同时间、不同位置均存在差异，这种空间的非均一性即为土壤盐分的空间变异性。研究土壤盐分的空间变异性及分布特征对土壤盐渍化防治、改良及农业生产具有重要意义[6,8]。目前，国内外关于土壤盐分的空间变异性研究很多，从不同角度不同方面进行了大量的研究[9-16]。姚荣江等[17-20]分别对黄河三角洲地区土壤盐分的空间变异特征、合理采样数目及CoKriging法估值进行了研究，揭示了土壤盐分空间变异的控制因素。Wang等[21]对中国西北部农业绿洲土壤盐分的空间变异性进行了研究。祖皮艳木·买买提等[22]以于田绿洲区为典型研究区，重点分析了该区土壤盐分的空间分布格局，为当地防治土壤次生盐渍化提供了理论依据。

通过对连作膜下滴灌棉田土壤盐分的长期监测发现，随着棉田种植年限的增加，土壤盐分逐年增加，并产生盐分积累区。为探索长期连作膜下滴灌棉田积盐区土壤盐分空间变异规律和空间分布特征，本研究以传统统计学与地统计学为理论基础，选用普通克里金插值法对未取样点的含盐率进行插值估计，结合ArcGIS10.2 软件对膜下滴灌棉田积盐区盐分的空间变异特性进行了分析，以期为土壤盐渍化的防控和改良提供科学依据，为土地可持续利用提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于新疆石河子121团，天山北麓，准噶尔盆地南缘，毗邻古尔班通古特沙漠。地处欧亚大陆腹地(E85°20′～85°48′，N44°45′～44°58′，平均海拔337.1 m)。该地区属典型北温带大陆气候，干旱缺水，多风少雨，光照充足，蒸发强烈，年均日照时间2 864 h，无霜期平均180 d，年平均风速1.5 m/s，年均蒸发量2 036.2 mm，年均降雨量164.3 mm，最高气温曾达43.1 ℃，最低气温可达-42.3 ℃，降水量春夏较多，秋冬较少，降雨量主要集中在春季。研究区土地为沙丘间原始荒地，坡降度在1/1 000～1/15 000，土壤类型主要为砂壤土，平均容重为1.40 g/cm3，地下水埋深3～5 m，田间持水率为20.6%，是连作19年的膜下滴灌棉田，种植模式为一膜三管六行。

1.2 取样点布置与样品测定

选取研究区西南部面积为200×200 m的积盐区，为使研究结果更为精确，在原有的50×50 m的网格取样基础上，在该积盐区内布设沿东西、南北方向的两条基线进行10 m加密取样处理，均按0～20、20～40、40～60、60～80、80～100、100～120 cm深度内6个土层进行土钻取样，取样后土样密封装好，共计取样342个。取样点布置图见图1。

取样后将土样烘干磨碎过2 mm筛，按土水比为1∶5(18 g土与90 g蒸馏水)的比例制取土壤浸提液，使用DDSJ-308A型号电导率仪分别测定电导率。并选取具有代表性的浸提液50个用烘干法测定其盐分含量，分别与对应电导率值进行拟合，得到拟合结果：

Y=0.000 6X-0.028 2

(1)

式中：Y为含盐率，%；X为电导率，μS/cm；R2=0.949，按此结果将所有测得电导率值换算为土壤含盐率值。

2 结果与分析

2.1 土壤盐分统计特征值分析

采用传统统计学方法，结合SPSS19.0软件对50×50 m网格和10 m基线加密50×50 m网格两种取样方式各土层盐分含量数据进行统计特征值分析，并选用Kolmogorov-Smirnov检验法(简称K-S检验)对数据进行正态分布检验(置信区间95%，显著性水平低于0.05)，各土层土壤含盐率统计特征值见表1。

根据新疆土壤盐碱化分级标准[23]，土壤含盐率<3 g/kg，属非盐化土；3～6 g/kg，属轻度盐化土；6～10 g/kg，属中度盐化土；>10 g/kg，属重度盐化土。本研究区域内除表层土壤属轻度盐化土外，其他土层土壤为中度盐化土或重度盐化土，研究区该地块的土壤主要属中度盐化土。

由表1可知，50×50 m网格及10 m基线加密50×50 m网格两种取样方式下土壤含盐率随土层深度的增加而增加，说明在膜下滴灌条件下，由于蒸发量较小，土壤盐分随灌溉、降雨等水分淋洗至深处土层。变异系数Cv反映土壤参数的变异程度，Cv≤0.1呈弱变异性，0.11呈强变异性。各土层含盐率的变异系数均在0.43～0.78之间，呈中等变异性；两种取样方式下含盐率变异系数Cv均由0～20至100～120 cm土层呈递增趋势，说明随着土层深度的增加，含盐率的变异性增强。K-S检验结果显示50×50 m网格60～80 cm土层及10 m基线加密网格60～80、100～120 cm土层经过一次对数转换后符合对数正态分布，其余土层均符合正态分布。

表1 土壤含盐率统计特征值

注：“*”号表示经过一次对数转换后的Sig值。

2.2 土壤盐分空间变异性分析

为正确、合理地对空间采样点数据进行地统计分析和建模，了解数据是否满足克里金插值条件，在对空间采样点数据进行地统计分析之前，应首先对数据的正态分布、是否存在全局趋势、是否存在离群值、是否存在空间自相关等基本统计信息、数据特点等情况分析后，再进行变异函数建模或克里金插值。

运用ArcGIS10.2地统计分析模块对各组数据进行空间数据分析后，所有指标均满足半方差函数的建模条件。选用半方差函数中常用的球状模型(Spherical Model)、指数模型(Exponential Model)、高斯模型(Gaussian Model)3种模型中的最优拟合模型，采用标准平均误差最接近0，标准均方根误差最接近1，平均标准误差最小等的标准选出最优拟合模型进行建模。不同土层含盐率的最优半方差函数拟合模型及其参数见表2。

表2 土壤盐分半方差函数模型及参数

块金值C0的大小反映区域化变量随机性空间变异程度；基台值C0+C的大小反映区域化变量在研究范围内变异的强度；变程a反映土壤含盐率空间自相关范围的大小；块金系数C0/C0+C的大小反映区域化变量由随机部分引起的空间变异性强弱，块金系数越大，其随机变异程度大；块金系数越小，由其内在结构性因素(如母质、土壤类型、地形等)引起的变异程度大。若块金系数C0/C0+C≤0.25，表明具有强烈的空间相关性；在0.250.75，空间相关性较弱。各向异性比为主轴变程与亚轴变程的比值，如果各向异性比等于或接近1，说明变量在各方向上变化为同性即各向同性，否则为各向异性[23,24]。

由表2可知，在50×50 m网格及10 m基线加密两种采样方式中半方差函数拟合模型中高斯模型居多，说明高斯模型较适宜研究区土壤含盐率的半方差函数模型拟合。各土层基台值均为正值，说明存在由采样误差、最小距离内的变异或随机和固有变异引起的正基底效应。两种取样方式下40～60 cm土层块金值最小，说明该土层含盐率空间变异主要受结构性因素影响；80～100及100～120 cm土层块金值较大，说明该两个土层在较小尺度内由取样测量误差、灌溉、施肥等随机因素引起的空间变异较大。10 m基线加密较50×50 m网格20～40 cm土层块金系数明显减小，空间相关性增加，说明由随机性因素引起的土壤含盐率空间变异转为由随机性和结构性因素共同作用引起；40～60 cm土层的块金系数均小于0.25，说明该土层含盐率由随机性因素引起的空间变异较小，结构性因素引起的变异占主体，具有较强的空间相关性；其余土层块金系数均在0.25～0.75之间，均呈中等空间相关性，这是由随机性与结构性因素共同作用的结果；80～100与100～120 cm土层块金系数较其他土层更大，说明土层深度的增大使得土壤含盐率的空间相关性减小，由随机性因素引起的土壤含盐率空间变异性增强。50×50 m网格中变程呈递增趋势，表明空间自相关范围随土层的增大而增大；10 m基线加密尺度下无明显变化规律。各项异性比均大于1，说明各土层在不同方向上均具有随机性或结构性因素引起的空间变异。

2.3 土壤盐分空间分布特征研究

为便于直观的了解该地块各土层含盐率的空间分布格局，将符合正态分布或对数正态分布的数据按阶数剔除全局趋势，选出拟合较好、结构合理的模型后，采用普通克里金插值法，对未取样点的土壤含盐率进行空间插值，得到含盐率空间分布图。各土层含盐率空间分布图如图2和图3所示。

图2 50×50 m网格含盐率空间分布图

图3 10 m基线加密网格含盐率空间分布图

由图2和图3可知，在水平方向上，各土层含盐率整体由南向北递减；0～20 cm土层含盐率较其他土层较低，无明显分布规律，说明此土层含盐率空间分布受外界因素影响及人为干扰较大；0～60 cm深度内土壤含盐率呈斑块状分布，由于该土层为棉花的主要根系层，根系吸水导致土壤盐分分布无明显规律，随机性变异较大；盐分主要积累在80～100及100～120 cm土层内，说明土壤盐分由降雨、灌溉水淋洗下移。垂直方向上，随土层深度的增加，土壤含盐率呈递增趋势；60～80、80～100、100～120 cm 3个土层含盐率高值区均分布在西南、西北，盐分高值区分布在研究地块西北部及南部，变化梯度较明显，并由南向北均呈递减趋势，原因在于该地块西南、东南地势稍高，水源位于研究区北部，滴灌管为南北方向铺设，即棉田由北向南进行灌溉，“盐随水动”使得盐分随水分的运移由南向北递减；然而地形较高的区域，仍有大量的盐分积聚，不能完全由水分带走，形成“水去盐留”的盐分高值区。图3较图2更能清晰地表达该盐分积累区各土层含盐率的空间分布格局，基线上的加密取样为尺度效应的研究提供了基础数据；提高信息利用率并可进行尺度效应研究。

3 讨 论

本研究对新疆石河子121团连作19年膜下滴灌棉田盐分积累区进行了分析研究，由于地势、降雨、灌溉等原因盐分在向西北部及南部的更深土层移动。棉花作为本研究区的主要农作物，虽然具有较强的耐盐性，但含盐率过高依然会严重影响作物生长并降低其产量，建议采取局部大水漫灌、局部施加强酸肥等一定的措施来降低研究区盐分积累区的盐分含量，获得棉花的增产增收，有效防控和改良土壤盐渍化，实现土地可持续利用。研究中对连作膜下滴灌棉田监测数据时期较短，说服力不够，可对其进行长期的监测，以更好地揭示长期连作膜下滴灌棉田水盐空间变异规律。

4 结 语

(1)土壤盐分统计特征值分析表明，研究区内积盐区的土壤主要为中度盐化土；50×50 m网格及10 m加密两种取样方式下土壤含盐率随土层的增加而增加；各土层含盐率的变异系数均在0.43～0.78之间，呈中等变异性，并随着土层深度的增加，含盐率的变异性增强；除个别土层经过一次对数转换符合对数正态分布外，其余均符合正态分布。

(2)土壤盐分空间变异性分析表明，半方差函数拟合模型中高斯模型居多，高斯模型较适宜研究区土壤含盐率的半方差函数模型拟合；各土层基台值均为正值，存在由采样误差、最小距离内的变异或随机和固有变异引起的正基底效应；两种尺度下40～60 cm土层块金值最小，该土层含盐率空间变异主要受结构性因素影响；两种取样方式下80～100及100～120 cm土层块金值较大，该两个土层在较小尺度内由取样测量误差、灌溉、施肥等随机因素引起的空间变异较大。

(3)各土层含盐率空间插值结果显示，在水平方向上，各土层含盐率整体由南向北递减；0～60 cm深度内土壤含盐率呈斑块状分布，根系吸水导致土壤盐分分布无明显规律，盐分主要积累在80～100及100～120 cm土层内；垂直方向上，随土层深度的增加，土壤含盐率呈递增趋势，60～80、80～100、100～120 cm 3个土层含盐率高值区均分布在研究地块西北部及南部，变化梯度较明显，“盐随水动”使得盐分随水分的运移由南向北递减，地形较高的区域，呈现盐分高值区。