塔里木河下游灌区春季土壤盐分空间变异特征——以新疆第二师三十一团灌区为例

丁邦新,白云岗,刘雪艳,陈星星,刘洪波,肖 军

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

土壤盐渍化是世界各国普遍存在的问题，尤其在低降雨量和高蒸发量的干旱、半干旱地区盐渍化问题更为严重[1]。新疆地处中国的西北部，极端干旱的气候使得新疆成为了土壤盐渍化大区，盐碱土种类繁多，被称为世界盐碱土的博物馆[2]。盐碱危害造成新疆部分土地退化，植被衰退，形成大量中、低产田，使大面积土壤资源难以利用，农业综合生产能力下降，严重影响了农业的可持续发展。新疆盐碱化耕地约133.33万hm2，近1/3耕地盐碱化，其中80%以上为土壤次生盐碱化，除伊犁河谷、阿勒泰地区和塔城部分地区土壤盐碱化较轻之外， 其他地区土壤均有不同程度盐碱化， 天山南麓、塔里木盆地西部各灌区最为严重，一些耕地由于次生盐碱化加重而被弃耕[3]。

塔里木河下游段位于塔克拉玛干沙漠东北部，包括恰拉水库以下至台特马湖的区域[4]。由于地处典型的极端干旱区，生态环境十分脆弱，加之长期以来人类对中、上游流域自然资源的不合理利用，导致地处流域尾闾的下游沿岸灌区生态环境急剧恶化[5-6]，土壤次生盐渍化问题十分突出。近年来，关于塔里木河下游流域的研究主要集中在输水工程后地下水特征分析[7]、生态恢复等方面[8]，已有的土壤盐渍化相关研究也主要是针对塔里木河下游流域尺度来开展的[9-11]，对沿岸灌区尺度土壤盐分空间变异特征的研究较少，并且春季是作物播种出苗的季节，棉花易受盐害，影响出苗和生长，对农业生产造成较大的影响，掌握灌区春季土壤的盐渍化程度对农业生产调控具有重大意义。因此，本研究采用地统计学与GIS技术相结合，对塔里木河下游新疆第二师三十一团绿洲灌区春季土壤盐分空间变异特征进行研究，以期为合理的管理和调控土壤水盐提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

新疆第二师三十一团位于塔克拉玛干沙漠东北边缘的塔里木河与孔雀河下游冲积平原，地处新疆巴州尉犁县境内，地理坐标为85°24′E～88°30′E，39°30′N～42°20′N。西与尉犁县塔里木乡接壤，东与三十三团相邻，北以孔雀河南岸的沙包起伏区为界，南以塔里木河为界。海拔高度820～1 100 m，属暖温带大陆性荒漠气候，光热资源丰富，降雨稀少且四季分布不均，昼夜温差大，多风沙和浮尘天气。夏季炎热而干燥，降雨量年际变化大，多年平均降雨量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。三十一团现有灌溉面积0.75万hm2，大部分耕地处于卡拉水库下游，以种植棉花和香梨为主，灌区内土壤质地较轻，以壤土、沙壤土为主，土壤类型主要为风沙土、盐土和碱土。灌区内的土地构成呈耕地和荒地相间分布格局，塔里木河原支流卡拉河曾蜿蜓穿过团场中部，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，中部分布着许多土包起伏区，地形复杂，土地利用率低，不利于整体规划。另外三十一团地处塔克拉玛干沙漠与库木塔格沙漠之间，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，土壤盐渍化、次生盐渍化程度高。

1.2 样品采集与测定

依据研究区的地理环境特征，于2018年3月中旬在三十一团范围内布设土壤取样点45处(图1)。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。土样的采集采用人工挖掘的方式，每个位置土壤采样层次分为0～20，20～40，40～60，60～80，80～100 cm。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。

土样的测定方法：总盐采用残渣烘干质量法；SO2-4采用EDTA间接滴定法测定；Cl-采用AgNO3滴定法测定；CO2-3，HCO-3采用双指示剂中和法测定；Ca2+，Mg2+采用EDTA络合滴定法测定；K++Na+采用阴阳离子平衡法计算而得。

1.3 研究方法

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。半方差函数拟合采用地统计学软件GS+9.0进行，并根据拟合的模型及其参数，在Arcgis地理信息系统软件的Geostatistical analyst模块进行Kriging插值，生成二维空间分布图。土壤盐分的垂直分布图使用Surfer 11进行处理及分析。

2 结果与分析

2.1 土壤盐分及离子的统计特征分析

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之间，且膜下滴灌的最大湿润范围也在60 cm左右，故本研究的分析以根域层土壤(0～60 cm)和深层土壤(60～100 cm)进行特征值的统计。从本次样品测定值来看，0～60 cm土层及60～100 cm土层内土壤盐分含量差异较小，因此使用0～20、20～40、40～60 cm土壤盐分含量的均值表示根域层土壤盐分含量，60～80、80～100 cm土壤盐分含量的均值来表示深层土壤(60～100 cm)盐分含量。根据经典统计学方法，不同层次土壤盐分、离子含量的统计特征值列于表1。

图1 研究区及土壤样点分布示意图Fig.1 Location and distribution map of soil samples in the study area

变异系数(CV)反映的是相对变异，即随机变量的离散程度。雷志栋等[12]研究表明，CV<0.1呈弱变异性，0.1≤CV≤1呈中等变异性，CV≥1呈强变异性；研究区不同深度土层土壤含盐量及盐分离子含量多属于中等变异性，变异系数介于0.229～0.757之间，仅Ca2+离子在0～60 cm土层中表现出强变异性；从离子来看，0～60 cm土层的HCO-3、Cl-、SO2-4含量分别占阴离子总量的19.5%、23.9%、56.5%，Ca2+、Mg2+、K++Na+含量分别占阳离子总量的24.8%、7.6%、67.5%；60～100 cm土层的HCO-3、Cl-、SO2-4含量分别占阴离子总量的18.9%、23.9%、57.2%，Ca2+、Mg2+、K++Na+含量分别占阳离子总量的9.9%、24.7%、65.3%；各土层中阴离子均以SO2-4为主，阳离子均以K+和Na+为主。从偏度和峰度两项指标可以看出，研究区不同深度土层土壤盐分含量、离子含量的正偏差值较大，均呈现右偏态和尖顶峰。不同深度土层的土壤盐分、盐分离子变异系数差别不大，主要阴、阳离子也相同。土壤pH值范围在8.02～8.51之间，总体上呈微碱性；土壤理化性质数据的正态分布检验是进行半方差函数计算和Kriging插值的前提，根据K-S非参数检验的P值可知，HCO-3、K++Na+服从正态分布，土壤盐分、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO2-4符合经过对数转换后的正态分布。

表1 研究区不同层次土壤盐分统计特征值(N=45)

注：*为对数转换后的结果。 Note: * Indicates the result after logarithmic conversion.

2.2 土壤盐分及离子的空间变异特征

使用SPSS 19.0软件进行分析，用K-S检验对数据的正态分布进行了检验，并将不符合正态分布的数据在GS+地统计学软件中进行了对数转换，转换后的数据均符合正态分布，土壤盐分的空间变异分析选取根域层和深层进行分析，盐基离子的空间变异分析只选择根域层来进行分析。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，不同层次土壤的盐分含量、根域层离子含量的半方差模拟模型及拟合参数见表2，地统计学分析的半方差函数见图2。深层土壤盐分含量、HCO-3、SO2-4含量符合指数模型，根域层土壤盐分含量、Ca2+、Cl-含量符合高斯模型，Mg2+、K++Na+含量符合球状模型。

表2 不同层次土壤的盐分和根域层离子含量的半方差函数模型及相关参数

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

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[13]。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。C0+C为基台值，是半方差函数随间距递增到一定程度后出现的平稳值，表示系统内总的变异[7]。由表2可知，土壤盐分含量及各离子含量的块金值、基台值均为正值，范围分别在0.005～0.151、0.0406～0.5160之间，说明存在着由采样误差或最小取样距离内土壤特性变异或固有变异引起的各种正基底效应。但总盐及各离子C0均较小，说明研究区由随机变异、采样误差及距离误差所引起的变量变异程度不大。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，说明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，如果该比值接近1，则说明该变量在整个尺度上具有恒定的变异[14]。当块金方差与基台值的比值小于25% 时，表现为强空间相关性；若在25%～75% 时则表现为中等程度空间相关性；比值大于75% 时则表现为弱空间相关性[15]。仅K+和Na+在整体上表现出较强的空间相关性，盐分含量及其它各离子含量块金方差与基台值的比在27%～46%之间，表现出中等程度的空间相关性。各变量的变程值A在1.21～31.1 km之间，除根域层盐分和SO2-4外，其它离子的变程彼此间相差较小，各变量的空间自相关范围具有很大的相似性。根域层土壤盐分和SO2-4的变程值为31.1 km，相比其它离子具有更大范围的空间自相关性。

2.3 土壤总盐及离子的空间分布特征

2.3.1 土壤盐分及离子含量的水平分布 为准确直观地描述各土层土壤含盐量在空间上的分布特征，根据半方差函数的拟合模型及其参数绘制了盐分含量及各离子含量的空间分布图，如图3所示。

研究区内根域层(0～60 cm)的土壤盐分在西北部的含量较低，东南部的含量较高，变化范围在2.28～3.27 g·kg-1。灌区的西北部处于恰拉水库正下方，且离研究区西南部的边界塔里木河较近。深层(60～100 cm)土壤盐分含量的分布特征与根域层土壤盐分含量刚好相反，西北部的含量较高，而东南部的含量较低，变化范围在2.31～4.63 g·kg-1。研究区东北部土壤盐分含量在根域层和深层的差异不大，东北部靠近荒漠，远离河道，呈现荒地与耕地相间分布的布局，人为干扰相对较少。

Cl-含量在整个研究区内普遍较高，呈现从东北部到西南部逐渐增加的趋势。HCO-3含量在整体上表现为东南部含量较高，西北部含量较低，与根域层的土壤盐分含量分布特征有一定的相似性，Ca2+、SO2-4含量无明显变化规律。Mg2+的高值区主要出现研究区西南边界，总体上呈不规则的“斑块”状分布。K+和Na+的高值区也出现在灌区的西南边界处，总体上表现为西北部的含量较高，东南部的含量较低。

2.3.2 土壤盐分含量的垂直分布 依据研究区地理特征，选取了从西北至东南大致一条直线上的11个采样点，绘制了土壤盐分含量在垂直方向的等值线图，如图4所示。由图4可知，研究区春季土壤盐分垂直分布的总趋势大致相同，根域层土壤含盐量与深层土壤含盐量差异不大。受土壤母质、地形、地貌和人为因素的影响，不同土壤剖面间各层土壤盐分含量有所不同。

3 讨 论

本研究对库尔勒三十一团绿洲灌区土壤盐分和各离子进行了经典统计分析和地统计分析，结果表明0～60 cm土层土壤含盐量范围在1.35～7.84 g·kg-1之间，60～100 cm土层土壤含盐量范围在1.35～7.91 g·kg-1之间，不同深度土层盐分含量和各离子含量的变化范围差异不大，与王丹丹[16]、赵锐峰[14]、吕娜娜等[17]的研究结果有所差异，盐分及各离子并没有随着土层深度的变化出现升高或降低的趋势。这主要是因为本研究是以春季土壤盐分的空间变异特征为研究目标，土样的采集是在春季3月中旬进行。盐分运动受水分运动影响明显，周年盐分动态可以分为春季强烈蒸发—积盐阶段、灌溉淋洗—稳定阶段、雨季淋溶—脱盐阶段、秋季蒸发—积盐阶段和冬季相对稳定阶段五个阶段[18]。研究区土壤盐渍化问题严重，当地普遍会在入冬时进行冬灌或者第二年春季进行春灌来压盐洗盐，朱延凯等[19]研究表明，春灌对绿洲棉田有较强的淋洗作用，能起到保水压盐效果。春灌、冬灌的冰层融化以及冰雪融化对土壤产生了较强的淋洗作用，因此不同深度土层的盐分和各离子的变化范围差异不大，这也与图4土壤盐分的垂直分布相印证。在人工挖掘采样的过程中，发现研究区的春季地下水埋深大致在1.2～1.6 m之间，沈丽娜[20]等研究表明塔河下游土壤盐分含量与地下水存在明显的函数关系，地下水埋深越深，土壤盐分含量越小，地下水埋深越浅，土壤盐分含量越大。这也说明了为什么在冬灌和春灌的淋洗作用下，研究区土壤盐分含量范围仍在1.35～7.91 g·kg-1之间，土壤处于轻、中度盐渍化状态[21]。研究区内不同深度土层土壤盐分、离子的变异系数多属于中等变异性，Ca2+离子在0～60 cm土层中表现出强变异性，主要是因为频繁的人为农业活动加快盐分的积累[22]，农业活动改变了土壤盐分原有的分布格局，在一定程度上促进了其空间分布的复杂性[23]，并且研究区处于典型的荒漠地带，气候干旱，降雨稀少，蒸发强烈，北与孔雀河南岸的沙包起伏区相邻，南与塔克拉玛干沙漠相邻，灌区内部分地区耕地与荒地相间分布。

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

图4 研究区土壤盐分含量等值线图/(g·kg-1)Fig.4 Contour map of soil sample salt content in study area

三十一团灌区根域层土壤盐分含量呈现由西北部向东南部逐渐升高的趋势。深层土壤盐分含量分布与根域层土壤盐分含量的分布特征刚好相反，土壤盐分含量呈现由西北部向东南部逐渐降低的趋势。盐分含量随塔里木河和恰拉水库下游输水干渠的走向表现出区域性的变化，这可能是由于研究区的西北部靠近水库和塔里木河，水源充足，盐分随水分向土壤深层运动，深层土壤盐分较高，而研究区东南部水量相对较少，且上游的部分灌溉水、冬闲水和废弃水经各干渠、支渠、斗渠流向下游，导致研究区东南部根域层的盐分含量相对于西北部较高。各盐分离子除HCO-3含量在整体上与根域层的土壤盐分含量分布特征有一定的相似性，其余离子均呈现不同的分布特征，这还是因为盐分空间分布的复杂性所导致的。总盐和各离子的空间变异性程度大多表现为中等程度的空间相关性，C0/(C0+C)的范围在27%～46%之间，仅K+和Na+在整体上表现出强烈的空间相关性，这与巩玉红[24]、胡佳楠[25]等的研究结果干旱区土壤盐分离子会表现出强烈空间相关性有所不同，除了最小取样距离内土地利用、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以外，选取的土层深度也会对空间变异程度造成一定的影响。

4 结 论

1)灌区内土壤总体呈碱性，各土层阴离子均以SO2-4为主，阳离子均以K+和Na+为主；土壤盐分、离子的变异多属于中等变异，变异系数介于0.229～0.757之间，仅Ca2+离子在0～60 cm土层中表现出强变异性。

2)灌区内深层土壤盐分、HCO-3、SO2-4含量的半方差函数模型符合指数模型，根域层土壤盐分、Ca2+、Cl-符合高斯模型，Mg2+、K++Na+符合球状模型。除K+和Na+在整体上表现为强烈的空间相关性，其余各离子和总盐表现为中等程度的空间相关性，自相关范围在1.21～31.1 km之间，各变量的空间自相关范围差异较大。

3)土壤盐分及离子的水平分布表明，研究区根域层(0～60 cm)土壤盐分含量呈现由西北部向东南部逐渐升高的趋势,变化范围在2.28～3.27 g·kg-1之间。深层(60～100 cm)土壤盐分含量呈现由西北部向东南部逐渐降低的趋势,变化范围在2.31～4.63 g·kg-1之间。HCO-3含量在整体上与根域层(0～60 cm)土壤盐分含量分布特征相同，其它各离子含量无明显变化规律，Mg2+的高值区主要出现研究区西南边界，总体上呈不规则的“斑块”状分布， K+和Na+的高值区也出现在灌区的西南边界处，总体上表现为西北部的含量较高，东南部的含量较低。

4)研究区土壤盐分垂直分布的总趋势大致相同，表层土壤含盐量与深层土壤含盐量差异不大，不同土壤剖面间各层土壤盐分含量有所不同。