荒漠-湿地生态系统区盐渍土特征及空间变异性

魏玉涛，刘德玉，张 伟，喻生波，吴耀坤

(1.甘肃省地质环境监测院，甘肃 兰州 730050；2.甘肃省地下水工程及地热资源重点实验室，甘肃 兰州 730050)

土壤盐渍化是干旱半干旱地区常见的一种生态环境问题[1-2]，盐渍化程度与土壤中的盐分含量、分布及运移特征密切相关。土壤盐分具有高度的时空变异性和复杂性[3]，国内学者们针对不同区域尺度、不同土地类型的土壤盐分空间变异性开展了深入研究。赵宣等[4]对毛乌素沙漠与黄土高原过渡带的土壤盐渍化空间异质性及影响因素进行了探讨，明确了该区域土壤全盐含量具有强烈的空间自相关性，影响因素以地形及水文地质条件为主；李会亚等[5]对民勤绿洲灌区表层土壤盐分的空间变异性进行了研究，经分析发现民勤绿洲的土壤全盐及主要离子均表现出强烈的空间相关性，空间分布均呈现出西南和北部中心偏低、中部偏东和东北部偏高的斑块状分布格局；刘普幸、张克新等[6-8]分析了敦煌西湖保护区胡杨林下的土壤水盐空间变化特征，揭示了研究区内的土壤全盐量具有明显的表聚作用且变异明显，属于中强度变异。以上学者均通过传统的土钻法分层取样，然后室内测试土壤全盐量，最后采用经典统计学与地统计学相结合的方法研究土壤全盐的空间变异特征和分布规律。姚远等[9]采用新颖的电磁感应技术测定土壤盐分，利用地统计学方法分析了塔里木盆地北缘绿洲区的土壤盐分空间变异性，并分析得出研究区内的土壤含盐量属于强空间相关性。传统的采样、测试方法易受人力、物力、时间等因素的限制且所获取的数据量偏少，而电磁感应技术具有非接触直读式，测量速度快、数据获取量大的优点，适用于大面积的土壤盐渍化监测、调查和评估工作。

敦煌西湖国家级自然保护区地处甘肃省河西走廊的最西端，主要保护对象为湿地生态系统、荒漠生态系统以及野生动植物，是典型的生态环境脆弱区。保护区内的湿地和植被有效阻挡了库姆塔格沙漠东扩，是保卫敦煌绿洲的强有力生态屏障，其重要性不言而喻。然而，近年来，受西北气候暖干化[10]以及上游建坝截流的影响，保护区内地下水位持续下降，湿地面积萎缩，植被退化，土地荒漠化、盐渍化程度加剧[11-12]。目前国内对该地区的盐渍化土问题研究程度很低，尤其是与西部库姆塔格沙漠接壤的哈拉奇一带，因地处荒漠戈壁无人区，交通不便，自然环境条件恶劣，为研究空白区。本文通过采用野外调查、采样测试、传统统计学与地统计分析相结合的方式研究了保护区内(包括哈拉奇)0～120 cm深度区间的土壤盐分特征及空间变异性，揭示了表层土壤盐分的空间分布规律及主要影响因素，填补了该区域的研究空白,旨在为该区域及相似地区的土壤盐渍化防治及生态环境保护提供科学依据和参考。

1 研究区概况

敦煌西湖国家级自然保护区位于甘肃省敦煌市西部，距敦煌市约120 km。保护区西邻库姆塔格沙漠和罗布泊，南接阿克赛哈萨克族自治县，北连新疆维吾尔族自治区(图1)。保护区总面积66×104hm2,湿地面积9.8×104hm2，保护区四周均被沙漠、戈壁所隔绝，地势总体南高北低，最高海拔2 359 m，最低海拔820 m。保护区气候极端干旱，属于典型的大陆性气候，年平均气温9.9 ℃，最高气温40 ℃，最低气温-30 ℃。年均降水量39.9 mm，蒸发量2 486 mm。保护区内的天然植被有柽柳、胡杨、骆驼刺、芦苇、红砂、梭梭等。

保护区内的主要河流为党河及疏勒河。党河是疏勒河的主要支流，发源于甘肃北部祁连山团结峰，靠冰雪融水补给，于甘肃北部党城湾出祁连山。受地质构造影响，双塔—三危山中间隆起，水流受阻转向。河流出山后，沿隆起带向西径流，在沙枣园附近向东北折转进入敦煌盆地，最终汇入疏勒河，河流全长390 km，流域面积14 325 km2。自1958 年疏勒河上游修建双塔水库用于截流灌溉之后，流入保护区内的水量急剧减少并最终断流，目前河道已干涸。在夏季洪水期间，保护区南部出现多条源自阿尔金山和祁连山的季节性河流，自西向东分别为外留图泉、八龙沟、小多坝沟、多坝沟以及崔木土沟等河流。

西湖自然保护区地处敦煌盆地冲湖积平原潜水—承压水带，地下水补给来源主要为阿尔金山东段的冰雪融水及降水，其次为党河水系的地表水下渗形成的地下水，少部分来源于南部沟谷季节性河流入渗补给。含水层为中、上更新统粉细砂夹粗砂，与亚砂土、亚黏土构成多层结构，水位埋深小于10 m，含水层厚度0～30 m。单井涌水量小于1 000 m3/d，TDS超过3 g/L。在后坑—哈拉诺尔一线地下水溢出形成大量小面积的塘湖。在地下水位浅埋区，地下水主要靠强烈的蒸发及植物蒸腾垂直排泄。

图1 研究区及采样点位置图Fig.1 Location of the study area and sampling sites

2 研究方法

2.1 土壤样品采集及测定

2.2 数据处理

(1)采用SPSS 19.0软件对数据进行描述性统计分析并采用K-S法做正态分布检验；

(2)采用GS+9.0计算并选择最优半方差函数理论模型和参数；

(3)采用上一步拟合的最优模型及参数在ArcGIS 10.0地统计模块中用Kriging方法进行数据的内插计算，并绘制表层0～10 cm深度的土壤盐分空间分布图。

3 结果与分析

3.1 土壤含盐量垂直变化特征分析

从采样点土壤平均含盐量随深度的变化(图2)可以看出，含盐量总体呈现随深度增加而降低的趋势。表层0～10 cm的平均含盐量为188.29～348.33 g/kg，远大于其它深度的含盐量，差异性显著，盐分分布具有明显的表聚性特征。其中，后坑的平均含盐量最大，其次为清水梁、湾腰、小马迷兔、哈拉齐、大马迷兔。10～30 cm土层的平均含盐量较0～10 cm快速下降，该层段变幅最大。其中，后坑的降幅最大，为311.96 g/kg，大马迷兔的降幅最小，为125.70 g/kg。在30 cm以下的土层平均含盐量变幅呈现逐渐下降的趋势，30～60 cm的变幅为8.55～29.22 g/kg，60～90 cm的变幅为2.53～8.58 g/kg，90～120 cm的变幅为3.01～7.38 g/kg，其中，哈拉齐在90～120 cm的平均含盐量较60～90 cm略微升高，升幅1.76 g/kg。总体上，深度60 cm以下土壤的平均含盐量变幅较小，随深度增加缓慢下降。

图2 不同采样深度的土壤平均含盐量Fig.2 Average soil salt content at different sampling depths

3.2 盐渍化土类型划分

参考疏勒河中下游地区盐碱化土类型划分方法及标准[13]，将研究区0～120 cm深度的土壤平均含盐量按照表1划分为中盐土和重盐土，其中后坑土壤平均含盐量为84 g/kg，属于重盐土；大马迷兔、小马迷兔、湾腰、后坑、哈拉齐以及清水梁均为中盐土，土壤平均含盐量分别为65 g/kg、61 g/kg、69 g/kg、53 g/kg、71 g/kg。

表1 盐渍化土分类标准Table 1 Classification standard for the salinized soil

3.3 土壤盐分的统计特征分析

由于土壤含盐量在不同深度上表现出了一定的变异特征，可用样本变异系数CV反映该特征。变异系数是描述变量特征的重要参数，反映了变量的离散程度[16]。对变异系数的计算一般要求数据满足正态分布，否则可能存在比例效应[17]。对于不符合要求的数据做对数变换，使其满足正态分布后再计算CV值。经K—S法检验，0～120 cm土层含盐量数据均呈对数正态分布。当样本的变异系数CV>100%，说明其为强变异性；10%≤CV≤100%，说明其为中等变异性；CV<10%，说明其为弱变异性[18-21]。经计算得出(表2)，研究区0～120 cm深度的土层含盐量均表现为中等变异性。总体上，随深度增加，0～60 cm土层含盐量的变异系数呈现降低趋势，说明变异性逐渐减弱；60～120 cm土层含盐量的变异系数呈现小幅上升趋势，说明变异性逐渐增强；0～30 cm土层含盐量的变异系数较大，为中强度变异，反映出表层土壤含盐量变异性较强，受气候、地形、地表植被类型、盖度、土壤质地等多种因素干扰。

表2 不同深度下的土壤含盐量统计特征值Table 2 Statistical characteristics of the soil salt content at different depths

3.4 土壤盐分特征的空间变异性分析

对土壤盐分的传统统计分析只能在一定程度上反映样本全体，不能定量地刻画土壤盐分的随机性和结构性、独立性和相关性[22]。在此需要引入地统计学中的半方差函数分析和探索土壤盐分的空间变异性。一般选择决定系数R2最高，残差RSS最低的拟合模型为最优半方差函数理论模型。在半方差函数中，块金值C0代表变量的随机性变异，C代表变量的结构性变异，基台值C0+C代表系统总的变异，块金值与基台值的比值C0/(C0+C)代表变量的空间自相关性，反映系统的空间异质性[23-26]。若C0/(C0+C)<25%，说明变量具有强烈的空间相关性；C0/(C0+C)在25%～75%之间，说明具有中等空间相关性；C0/(C0+C)>75%，说明空间相关性很弱。变程A是衡量空间变异程度的另一个重要参数，代表变量的空间相关范围。在变程之内，变量具有空间自相关性，反之则是独立的[16]。

通过计算得出(表3)，0～30 cm土层含盐量的最优半方差函数理论模型为指数模型，30～90 cm为球状模型，90～120 cm为高斯模型。0～10 cm土层含盐量的C0/(C0+C)值为38.77%，具有中等空间相关性，说明随机性和结构性因素共同控制变量的空间变异性，但是由结构性因素引起的空间变异性程度相对较高，占61.23%；10～120 cm土层含盐量的C0/(C0+C)值均小于13%，表现出强烈的空间相关性，说明变量的空间变异性主要由地形、土壤质地、地下水位埋深、溶解性总固体等结构性因素控制。

表3 不同深度下的土壤含盐量半方差函数模型及参数Table 3 Semi-variance function model and parameters of the soil salt conten at different depths

各土层含盐量的变程值A在1.35～29.63 km，其中10～120 cm土层含盐量的变程差异较小，说明其空间自相关范围具有很大相似性；0～10 cm土层含盐量的变程最大，说明表层土壤含盐量具有更大的空间自相关性。

3.5 表层土壤盐分的空间分布特征

在0～10 cm深度内，土壤盐分呈现出明显的表聚性特征，且变异性较强。为直观描述表层土壤盐分在空间上的分布状况，在ArcGIS10.0地统计模块中采用最优无偏估计Kriging内插法并结合上一步拟合的最优半方差函数理论模型及参数绘制表层土壤盐分空间分布图(图3)。

从图中可看出，表层土壤含盐量具有明显的空间分布变化规律，总体呈现出西南低，东北高的特征。低值区位于哈拉齐南部一带的区域，高值区位于后坑中心一带区域。自西向东方向上，土壤含盐量空间变化特征可划分为三段，第一段沿着哈拉齐到清水梁、湾腰一带，土壤含盐量逐渐升高；第二段从清水梁、湾腰到大马迷兔及小马迷兔一带，土壤含盐量逐渐降低；第三段沿着大、小马迷兔到后坑一带，土壤含盐量又呈现逐渐升高的趋势。

图3 表层土壤盐分空间分布图Fig.3 Spatial distribution of the surface soil salinity

4 讨论

研究发现，研究区的土壤盐分具有明显的表聚作用，在30～60 cm以下的土壤平均含盐量具有随深度增加而缓慢减小的特征，而且表层土壤含盐量呈现出西南低，东北高的空间分布规律。张克新、刘普幸[8]于2007年5月及2009 年9月分别在敦煌西湖保护区胡杨林内选择后坑、大马迷兔、疏勒河河床、湾腰、火烧湖作为采样点，按照0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm、100～120 cm深度分别采集土样，进行土壤盐分测试分析：土壤全盐含量变化表浅层较高，从40～60 cm以下全盐含量的变化随深度增加逐渐减少；土壤全盐含量存在明显的空间差异性，表现出西南低、东北高的空间分布规律。以上结论与本次研究结果一致。

研究区的表层含盐量在后坑、哈拉齐、湾腰、清水梁、大马迷兔、小马迷兔等不同地段具有显著差异性，而进一步分析探讨造成该差异的影响因素，对于认识研究区盐渍土的形成过程以及指导盐渍土的防治工作都具有重要的意义。刘普幸通过研究得出[6]：影响研究区土壤盐分空间变化的自然因素主要有极端干旱的气候条件以及地下水位埋深，但本次研究认为还应补充距离河流远近、地势高低以及土壤质地类型3个影响因素，以上因素相互关联，综合作用于研究区的土壤盐分及植被生长分布格局。

后坑位于保护区最东侧，距北侧的疏勒河古河道较近，地下水可接受疏勒河地下潜流补给。后坑中心一带地势低洼，汇水条件好，表层土壤质地主要为亚黏土，渗透性能较差，地下水径流滞缓，排泄不畅，地下水位埋藏浅，埋深小于1 m。在气候干燥、蒸发量大、地下水埋藏较浅的地区，地下水中的盐分随着土壤水分的蒸发不断向地表迁移聚集[27-28]，导致表层土壤含盐量升高，呈现出表聚性特征。在野外调查中发现，后坑中心一带分布有沼泽湿地，喜湿的芦苇植物生长茂盛。裸露地块的表层多见白色盐壳，盐壳下部土壤较为潮湿。这说明后坑中心一带具有地下水位埋深浅，表层含盐量高的特点。

哈拉齐位于保护区最西侧，紧邻库姆塔格沙漠，表层土壤含盐量自北向南，自东向西呈现逐渐降低的趋势。这主要是由于地下水位埋深的不同以及土壤质地类型的差异导致的。随着距离北侧疏勒古河道越远，从北到南，地下水位埋深由1～2 m逐渐加深到5～8 m，表层土壤含盐量越来越低。在野外调查中发现，自北向南，植被显著减少，地表裸露面积大；离西侧库姆塔格沙漠越近，表层土壤质地类型由亚黏土逐渐过渡为细砂，颗粒粒径逐渐由细变粗，毛细作用减弱，毛细水上升高度降低，携带盐分的能力减弱，表层土壤含盐量降低。有研究显示[29]，亚黏土的毛细水上升高度为300～350 cm，细砂的毛细水上升高度为35～120 cm。在野外调查中发现，在哈拉齐与沙漠接触地带，呈现荒漠景观，地表植被覆盖度极低，零星可见红砂、骆驼刺等耐旱植被。

湾腰位于保护区中南部，是区内海拔最低的地方，低洼的地形有利于地下水的汇集，在夏季洪水期间可接受来自南部山区的小多坝沟以及多坝沟的季节性河流补给，地下水位埋深约1 m，表层土壤含盐量较高；清水梁距离疏勒河古河道较近，可接受疏勒河地下潜流补给。地下水位埋深约1～1.3 m，相对较浅，表层土壤含盐量较高；大马迷兔及小马迷兔距疏勒河古河道较远，接受地下水补给量有限，地下水位埋深约1.5～2 m，但小马迷兔在洪水期间可以接受来自南部山区多坝沟以及崔木土沟的季节性河流补给，水位埋深较大马迷兔稍浅，表层土壤含盐量相对较高。

后坑、哈拉齐、湾腰、清水梁、大马迷兔、小马迷兔地处无人区，地表无排水沟，地下水主要靠强烈的蒸发及植物蒸腾垂直排泄。

5 结论

(1)研究区内的土壤含盐量总体呈现随深度增加而降低的趋势，具有明显的表聚性特征；土壤盐渍化类型为重盐土—中盐土，土壤化学类型为硫酸盐—氯化物型以及氯化物—硫酸盐型。

(2)0～120 cm深度内的土壤含盐量具有中等变异性；受地形、土壤质地、地下水位埋深、矿化度等结构性因素主导，土壤含盐量总体呈现出中—强空间相关性。

(3)表层土壤含盐量具有明显的空间分布变化规律，总体呈现出西南低，东北高的特征。低值区位于哈拉齐南部一带的区域，高值区位于后坑中心一带区域。自西向东方向上，土壤含盐量表现出升高到降低再到升高的趋势。

(4)研究区表层土壤含盐量除受极端干旱的气候条件影响外，还与区域地下水位埋深以及土壤质地类型密切相关，其中地下水位埋深还受到距离河流远近以及地势高低的影响。