塔河下游典型绿洲灌区土壤盐分空间变异特征

丁邦新，刘雪艳，白云岗，刘洪波，丁 平，肖 军

(1.新疆农业大学草业与环境科学学院，乌鲁木齐 830052；2.新疆水利水电科学研究院，乌鲁木齐 830049)

0 引 言

【研究意义】干旱、半干旱地区土壤盐渍化是一种常见的土地退化问题，土壤盐分含量过高在引起土壤肥力降低的同时还会严重影响作物的正常生长。新疆土壤盐渍化问题已经成为限制新疆农业可持续发展的主要因素[1-2]。土壤盐分的空间变异状态在一定程度上反映了土壤的盐渍化程度与分布状况[3]。对新疆的伊犁河谷察南灌区、渭干河-库车河三角洲、以及渭干河绿洲等部分地区的土壤盐渍化分布状况进行了分析和评价，而新疆盐渍化区域分布广泛，为了更全面了解新疆绿洲灌区的盐渍化状态，还需对其它灌区进行深入的研究和分析。掌握认知区域内自然与人为活动“二元”环境因素影响下的土壤盐分空间变异特征，对于新疆水土资源的科学管理和农业可持续发展具有重要的意义。【前人研究进展】土壤是一个历史的生命连续体，存在着时间和空间上的变异，不论在大尺度上还是小尺度上，土壤空间异质性均存在[4]为了更好分析土壤特性空间分布特征及其变异规律，采用区域变量理论的地统计学方法被认为是最有效的方法之一[5-6]。近年来随着地统计学和GIS技术的不断发展，土壤盐分空间变异方面的研究逐渐得到了越来越多学者的关注。如刘迁迁等[7]运用地统计学结合GIS技术对伊犁河谷察南灌区土壤盐分空间变异进行了研究，揭示了察南灌区土壤盐分的变异规律，为该地区的土壤盐渍化治理和分区提供了参考。王雪梅等[8]对渭干河-库车河三角洲土壤盐分空间变异和人为驱动力进行了研究，探讨了该区域盐渍化的成因，为评估盐渍化对作物的影响提供了理论依据。王丹丹等[9]对渭干河绿洲不同土地利用类型土壤盐分的变化特征进行了分析，阐明了渭干河绿洲不同土地利用类型盐分的变化特征和土壤盐渍化的分布格局。【本研究切入点】塔里木河下游沿岸灌区不仅是新疆非常重要的农业生产区域之一，也是盐渍化问题较为严重的区域[10-12]，但目前针对该区域土壤盐分空间变异的相关研究较少。研究不同深度土壤的盐渍化特征和空间分布状况。【拟解决的关键问题】以塔里木河下游31团灌区为例，采用地统计学与GIS技术相结合的方法，研究灌区的盐渍化特征与空间分布格局，为该地区农业生产过程中的水盐调控和塔里木河下游流域盐渍化土壤的综合治理提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

研究区位于新疆兵团第二师31团，地处塔克拉玛干沙漠东北边缘的塔里木河与孔雀河下游的冲积平原上，地理坐标为85°24′～88°30′E，39°30′～42°20′N，整个地形自西北向东南倾斜，地势起伏和缓。属大陆性暖温带、极端干旱沙漠性气候，光热资源丰富，降水稀少且四季分布不均，昼夜温差大，多风沙和浮尘天气，降水量年际变化大，多年平均降水量53.3～62.7 mm，多年平均蒸发量2 273～2 788 mm，日照时数3 036.2 h，≥10℃的年积温4 121℃，无霜期191 d，生态环境极为脆弱，是我国最干旱的地区之一。31团现有灌溉面积0.75×104hm2(11.32万亩),作物以棉花和香梨为主，大部分耕地处于恰拉水库下游，部分区域地下水位较高，土壤次生盐渍化问题严重。土壤类型主要有灌溉草甸土、风沙土、盐土、沼泽土等。自然植被以荒漠河岸稀疏植被为主，乔木主要为胡杨(Populuseuphratica)；灌木主要为多种柽柳(Tamarixspp.)、铃铛刺(Halimodendronhalodendron)、黑刺(Lyciumruthenicum)、盐穗木(Halostachyscaspica)等；草本植物主要有芦苇(Phragmitesaustralis)、胀果甘草(Glycyrrhizainflata)、花花柴(Kareliniacaspica)、罗布麻(Poacynumhendersonii)、疏叶骆驼刺(Alhagisparsifolia)等[13]。塔里木河原支流卡拉河曾蜿蜓穿过31团团场中部，把场区切割成南北两半，形成许多“半岛”，并且卡拉河周期性洪水冲刷，使区内形成许多曲折的大小干沟和洼地，地形较为复杂，灌区内形成耕地与荒地相间分布的格局，盐分易于积聚，土壤盐渍化、次生盐渍化问题非常严重。

研究区种植的主要作物为棉花，采用膜下滴灌的方式，棉花根系的生长深度在0～60 cm，且膜下滴灌的最大湿润范围也在60 cm左右，故研究分析以根域层土壤(0～60 cm)和深层土壤(60～100 cm)进行特征值的统计；土壤空间变异特征选取根域层土壤盐分和深层土壤盐分进行分析，土壤中的盐分离子选取根域层的各离子进行分析。

1.2 方 法

1.2.1 样品测定

2018年9月中旬在31团范围内布设土壤取样点40处，使用GPS定点取样，并根据实际情况做适当调整。土壤取样点总体按从水库出口沿水渠流向布设，同时考虑土壤类型以及在作物种植集中区域加密布点原则。土壤样品使用土钻采集，每个位置土壤采样层次分为0～20、20～40、40～60、60～80和80～100 cm，共取得200个样品。将采集的土样分别装入袋中并做好标记，挑出杂物后，风干、研磨、过筛备用。图1

1.2.2 地统计学

地统计学是以区域化变量理论为基础，以半方差函数为主要工具的空间分析方法，主要用来揭示属性变量在空间上的分布、变异和相关特征。

半方差函数是在任意方向上，相距为h的2个区域化变量Z(x)和Z(x+h)增量的方差，在满足二阶平稳假设的条件下，变异函数γ(h)的离散计算公式为：

式中：Z(x)是系统某属性Z在空间位置x处的值，h为2样本点空间分隔距离，Z(xi)和Z(xi+h)分别是区域化变量Z(x)在空间位置xi和xi+h处的实测值。

图1 研究区及样点分布示意

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

克立格(Kriging)法，又称空间局部估计或空间局部插值法，是地质统计学的主要内容之一，建立在变异函数理论及结构分析基础之上的，它是在有限区域内对区域化变量的取值进行无偏最优估计的一种方法，以无偏和估计方差最小为准则，对每个样点属性赋予权重，最后加权平均对未知区域进行预测。根据待估样本点有限邻域内若干已测定的样本点数据，对待估样本点值进行估计，其优点是考虑了样本点的形状、大小和空间相互位置关系，及与待估样本点的相互空间位置关系。

1.2.3 数据分级

根据新疆土壤盐碱化的分级标准[17]对盐分进行分级。

1.3 数据处理

试验数据使用SPSS 17.0进行描述性统计分析，并对数据进行Kolmogorov-Smirnov(K-S)检验，判断数据是否符合正态分布，对不符合正态分布的数据进行对数转换，转换完成后再次检验；半方差函数拟合采用地统计软件GS+9.0进行，经过选择不同步长进行拟合，比较不同模型下的决定系数与残差平方和，选出了R2最大且RSS最小的最佳理论模型，并根据拟合的模型及其参数，在ArcGIS软件中的Geostatistical Analyst模块进行Kriging插值，通过对采样点的取样分析、数据的地统计学分析和Kriging插值，生成二维空间分布图。

2 结果与分析

2.1 土壤样品的统计特征

表1 研究区不同层次土壤盐分及离子的特征值

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

土壤属性Soilproperties土层深度Soillayer(cm)分布类型Distri-butiontype最小值Minimum(g/kg)最大值Maximum(g/kg)平均值Average(g/kg)标准差Standarddeviation变异系数Coeffi-cientofvariation偏度Coeffi-cientofvariation峰度KurtosisP(K-S)总盐Saltcontent0～60正态∗1.7158.898.65412.9991.501.556∗1.848∗0.067∗60～100正态∗1.209.633.8381.9750.510.603∗0.471∗0.234∗HCO-30～60正态0.290.700.4260.1080.250.654-0.3740.52160～100正态0.250.700.4080.1030.250.5970.0710.468Ca2+0～60正态∗0.072.090.4070.5401.331.069∗0.101∗0.064∗60～100正态∗0.060.740.1450.5403.721.516∗3.181∗0.472∗Mg2+0～60正态∗0.011.620.2220.3421.540.577∗0.637∗0.825∗60～100正态0.020.340.0860.0630.732.0345.7450.267Cl-0～60正态∗0.2024.542.3785.0392.121.339∗1.309∗0.199∗60～100正态∗0.163.750.7520.7921.050.694∗0.225∗0.773∗SO2-40～60正态∗0.5318.092.9753.5411.191.017∗1.052∗0.084∗60～100正态0.332.981.5260.5350.350.8061.3190.352CO2-30～100---------K++Na+0～60正态∗0.3116.121.6042.9151.821.7022.7230.05260～100正态∗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：*表示对数转换后的值

Note:*indicates logarithmically converted value

2.2 土壤盐分及离子的空间变异特征

表2 半方差函数模型及相关参数

Table 2 Semi-variance function model and related parameters

项 目Project理论模型Theoreticalmodel块金值C0Nugget基台值C0+CSillvalueC0/(C0+C)(%)决定系数R2残差平方和Residualerror总盐Totalsalt(0～60cm)指数模型0.23100.930024.80.6060.373总盐Totalsalt(60～100cm)高斯模型0.06980.238629.20.5260.024HCO-3(0～60cm)球状模型0.02690.057147.10.1912.323E-03Ca2+(0～60cm)球状模型0.36001.253028.70.7440.389Mg2+(0～60cm)指数模型0.31800.637049.90.2150.215Cl-(0～60cm)指数模型0.46901.71827.30.3290.920SO2-4(0～60cm)指数模型0.33400.761043.80.4760.0504K++Na+(0～60cm)高斯模型0.30300.983030.80.4170.665

图2 土壤全盐及各离子的半方差函数拟合

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

2.3 土壤总盐及离子的空间分布特征

图3 土壤全盐和各离子含量的Kriging插值分布

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

表3 研究区不同层次土壤含盐量的面积与比例

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

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

3 讨 论

研究区0～100 cm深度的土壤绝大部分处于不同程度的盐渍化状态，灌区内土壤盐渍化问题十分严重。灌区内的土壤盐渍化主要是受气候、地理环境、人为因素和土壤类型的影响较大。研究区北以孔雀河南岸的沙包起伏区为界，与库木塔格沙漠相邻，南以塔里木河为界，与塔克拉玛干沙漠相邻，位于两大沙漠之间，降雨稀少，蒸发强烈，多年平均降水量在53.3～62.7 mm，而多年平均蒸发量在2 273～2 788 mm，独特的气候条件为盐分的聚集提供了条件。另外研究区处于塔里木河下游段，上、中游生活用水和农业灌溉用水的增加，导致下游地表水和地下水都受到一定的影响，并且塔里木河和孔雀河两河下游河床历史上多次改道，使古河道在垦区蜿蜓分布，荒漠植被稀少，风沙活动异常强烈，致使垦区广泛分布着大小沙丘和成片垄岗洼地，地形起伏不平，部分区域积盐严重。灌区内不合理的灌溉和人类活动，也是造成土壤盐渍化的原因之一，赵锐锋等[18]在新疆岳普湖绿洲研究的结果显示，各层土壤盐分的高值区主要集中分布在人类活动强烈、靠近河渠水源和地势较为低洼区域，农业生产过程中盲目的引水及灌溉会提高地下水位，使其超过临界深度，在干旱环境强烈的蒸发作用下，随着潜水不断蒸发，盐分大量聚集于地表[19]，灌区内土壤受塔里木河冲积和风积影响，经过多年垦殖熟化，现耕作层土壤质地多为沙壤和轻壤，疏松易碎，孔隙多，通气透水性好，土质沙性大，易于脱盐的同时，在强烈的蒸发下地表积盐现象也十分严重。

由研究区各土层土壤盐分含量的水平分布图以及盐分特征值统计可以看出根域层土壤盐分要远大于深层土壤盐分，这与巩玉红[20]、何子建[21]等在干旱地区的研究结果一致，秋季的蒸发积盐阶段水分将深层土壤中的盐分带到地表并积聚。根域层土壤大部分处于轻、中度盐渍化状态，重度盐渍化区域主要集中在研究区中部，这是因为中部区域集中分布一定数量的盐碱地和荒草地，其盐分和离子含量较高，并且由于当地不合理的灌排将灌溉排水排入荒地，导致盐分离子不断向外扩散，加剧了中部区域土壤的盐分积累。秋季土壤中盐分和各离子的相对变异程度较高，这是由于研究区处于典型的荒漠地带，气候条件独特，加上人类频繁的农业活动，使得土壤具有了空间分布的复杂性。土壤盐分的空间变异受土地利用、灌溉、施肥、管理水平等随机因素和土壤母质、地形、地貌、气候等非人为的结构性因素的共同影响，在半方差函数模型中，块金值C0是由最小取样距离内土地利用、灌溉、施肥、管理水平等随机因素共同引起的变异。C为结构方差，由土壤母质、地形、地貌、气候等非人为的结构性因素引起的变异[22]。块金方差与基台值的比C0/(C0+C)表示空间变异性的程度，是指由随机性因素引起的空间变异占系统总变异的比例，该值越高，由随机分布引起的空间变异性程度较大，相反则说明由结构性因素引起的空间变异性程度较大[23]。根据块金方差与基台值的比C0/(C0+C)来看，根域层土壤盐分受随机因素的影响较大，深层土壤盐分及其它各离子受结构性因素影响较大，这主要是与根域层土壤所受的扰动更加频繁有关。

4 结 论

4.3 研究区不同深度的土壤均处于不同程度的盐渍化状态。根域层土壤盐分大部分处于中度盐渍化状态，中度盐渍化区域主要分布在研究区东北部和南部，轻度盐渍化区域主要分布研究区的西北部和东部，重度盐渍化区域主要集中在研究区的中部，靠近塔里木河的位置，荒漠化程度高、地形复杂。深层土壤盐分大部分处于轻度盐渍化状态，土壤盐分受季节影响，变化范围较小，分布较为均匀。