渭-库绿洲耕层土壤水盐空间分异特征研究

穆耶赛尔·肉孜，王雪梅,2*

(1.新疆师范大学 地理科学与旅游学院，新疆 乌鲁木齐 830054；2.新疆维吾尔自治区重点实验室/新疆干旱区湖泊环境与资源实验室，新疆 乌鲁木齐 830054)

土壤盐渍化是世界范围内面临的重要生态环境问题，了解区域盐渍土的分布状及盐渍化程度，对科学指导盐渍土改良，提高土地生产力具有重要意义。国内外一些学者对区域土壤水盐时空分异开展了相关的工作，并取得了丰富的研究成果。如T.Panagopoulos等[1]以地中海区域为研究区，采用GIS和地统计学等方法开展了区域土壤盐分变异性研究；姚荣江等[2]以黄河三角洲地区为研究对象，运用GIS和地统计学的原理与方法，从空间尺度对不同分区的地下水矿化度与耕层土壤积盐规律进行了定量分析；王云强等[3]采用经典统计和地统计学相结合的方法，系统分析了黄土高原区域尺度土壤水分的分布规律和变异特征；李彬等[4]以内蒙古河套灌区为背景，将地质统计学和经典统计学理论相结合，评价试验场土壤表层盐分的空间分布特征及其变异性。目前，地统计学法被广泛应用于对土壤属性空间分布的预测，尤其是在土壤盐渍化的研究中起到了举足轻重的作用[5-6]。为了提高模型的模拟精度，众多学者尝试采用反距离加权(IDW)、局部多项式(LP)、普通克里金(OK)和径向基函数(RBF)等多种方法，并借助遥感影像的光谱信息或者其他环境变量，增加采样点的空间相关性，从而取得了较为理想的效果[7-8]。Emadi等[9]采用反距离比加权、普通克里金和条件模拟方法对伊朗北部地区3种土层深度的土壤pH值和电导率进行空间异质性分析，比较认为反距离比加权和普通克里金插值结果优于条件模拟。徐存东等[10]使用反距离加权法、样条函数法、趋势面法以及普通克里金法对甘肃景泰川电力提灌区土壤全盐量进行空间插值分析，结果表明，使用反距离加权方法插值精度最高，与实际调查结果最为一致。由于土壤盐渍化受多种自然因素和人为因素的影响，相关学者进一步对土壤水盐空间异质性的影响因素进行了深入研究。葛广华等[11]通过对塔里木河上游荒漠河岸林土壤水盐空间分布进行研究，得出土壤水盐的时空变化受植被覆盖度和季节影响。魏玉涛等[12]研究发现极端干旱气候、地下水埋深、距河流远近、地形以及土壤质地等自然因素对敦煌西湖国家保护区表层土壤含盐量的空间变异特征具有显著影响。柳菲等[13]对民勤绿洲不同土地利用类型的土壤水盐空间分布特征进行分析，认为不同土地利用类型下土壤水盐的垂直分布差异十分显著。综上分析认为，探究区域土壤水盐空间异质性及其影响因素，可为土壤盐渍化的科学防治以及土地资源的合理利用提供重要依据。

渭干河-库车河三角洲绿洲(以下简称渭-库绿洲)是新疆典型的荒漠绿洲区，其土壤受到自然因素和人为因素的影响而逐年退化，主要包括土壤的盐渍化、沙漠化，以及林草地过度放牧等，故对渭-库绿洲土壤水盐空间分布特征及其影响因素进行分析则显得尤为重要。为探索渭-库绿洲的土壤水盐空间分异和影响因素，以绿洲耕层土壤作为研究对象，通过野外调查、采样分析和数据处理，运用地统计方法对该区土壤水盐指标的空间变化规律及影响因素进行研究，旨在为干旱区绿洲土壤改良和农田生态治理提供指导。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

渭-库绿洲位于81°28′30″-84°05′06″E，39°29′51″-42°38′01″N，新疆南部的塔里木盆地北缘，是我国西北干旱区的典型荒漠绿洲。该区海拔940～1 300 m，总体地势北高南低，为完整而典型的扇形洪积、冲积倾斜平原(图1)。该绿洲为大陆性暖温带干旱气候，年均气温为10.5～15.4℃，年均降水量50.0～66.5 mm，年均蒸发量平均1 990～2 865 mm，降水稀少且空间分布不均，蒸发强烈，生态环境十分脆弱。渭-库绿洲的主要农作物为棉花(Gossypiumhirsutum)、玉米(Zeamays)，经济作物为核桃(Juglansregia)、枣树(Zizyphusjujuba)和苹果(Maluspumila)等，另有胡杨(Populuseuphuratica)、骆驼刺(Alhagisparsifolia)、柽柳(Tamarixlaxa)和花花柴(Karelinacaspica)等荒漠植被。土地利用类型主要以耕地、林地、草地、裸地等为主。

图1 研究区采样点分布

1.2 数据采集与研究方法

1.2.1 采样方案设计 本研究以数字高程地图和遥感影像数据为辅助信息，于2019年7月中旬，采用GPS定位技术在渭-库绿洲调查98个样点。每个样点在0～20 cm(耕层)进行取样。在采样时，对样点周围的环境状况及土样特征做详细记录。主要包括海拔高度、经纬度坐标、植被覆盖度与植被种类、土壤颜色、质地以及进行样点周围环境的景观拍照等。

1.2.2 室内分析与数据处理 将土壤样品带回实验室，参照中国科学院南京土壤研究所编写的《土壤理化性质分析》，采用经典土壤农化分析方法，通过烘干法测得土壤含水量；同时对土壤进行自然风干，剔出杂质，研磨过筛并充分混合均匀。采用土水比1∶5浸提，用pH计测定土壤pH值，用电导仪测定电导率和土壤总盐。

运用SPSS 22.0软件进行土壤各指标的经典统计分析，为避免数据存在比例效应，采用单样本的K-S检验方法检验样本数据是否呈正态分布。通过比较检测变量的P值，当P>0.05，说明与正态性没有显著差异，故变量呈正态分布；若P<0.05则认为变量不服从正态分布，需进行对数转换再检验，若P>0.05，故认为服从对数正态分布[14]；利用ArcGIS 10.5软件的地统计学分析模块对土壤含水量、pH值、电导率和土壤总盐进行不同插值方法的比较，最终得到最优的空间插值结果；在ArcGIS 10.5软件的空间分析模块下提取研究区海拔高度分级图，同时使用ENVI5.3软件的监督分类方法对2019年7月的Landsat8 OLI影像进行土地利用分类图的制作(图3)。

1.2.3 地统计学空间插值 地统计学空间插值是通常被用来研究土壤参数的空间自相关和空间变异的一种方法，主要表现在特定空间里土壤中各种参数的地理分布。主要包含反距离加权(IDW)、局部多项式(LP)、普通克里金(OK)和径向基函数(RBF)[15-17]。其中反距离加权(IDW)是一种常用而简便的空间插值方法，它以插值点与样本点间的距离为权重进行加权平均，离插值点越近的样本点赋予的权重越大。设平面上分布一系列离散点，已知其坐标(Xi，Yi)和值Zi(i=1,2,…,n)通过距离加权值求Z点值。IDW通过对邻近区域的每个采样点值平均运算获得内插单元，要求离散点均匀分布，并且样点密度要满足可反映局部表面变化分析。

通过交叉检验的方法，对不同插值结果进行精度评价，交叉检验使用所有的数据对趋势和自相关模型进行估计。评价指标主要采用均方根误差(root mean square error，RMSE)、平均相对误差(mean relative error，MRE)和平均绝对误差(mean absolute error，MAE)。除了用这3个误差评价指标外，还结合了决定系数(R2)对不同的插值方法的精度水平进行评价。其中，RMSE反映预测值的灵敏度和极值情况，MRE反映预测值对观测值的准确度，MAE则反映预测值的误差范围，R2用于评估预测值与观测值的符合程度，其计算公式如下所示：

(1)

(2)

(3)

(4)

2 结果与分析

2.1 土壤水盐的描述性统计分析

从表1可以看出，研究区耕层土壤含水量和pH值在0.31%～37.86%、6.94～9.68变动，电导率和土壤总盐的变化范围为0.11～50.65 ms·cm-1和0.53～462.93 g·kg-1；4项指标的平均值分别为12.23%、7.83、6.53 ms·cm-1和38.19 g·kg-1。由于受人工灌溉影响，表层土壤含水量变动幅度较大，而pH值的变幅相对最小。研究区受干旱气候影响，降水稀少，蒸发强烈，土壤盐分表聚现象明显，加之在绿洲农业发展过程中不合理的灌溉和施肥方式使得表层土壤的次生盐渍化程度较高，同时地表覆被不同，电导率和土壤总盐在空间上具有较大的变动幅度[18]。研究区内不同土壤指标的空间变异程度各不相同，土壤含水量、pH值、电导率和土壤总盐的变异系数分别为56.99%、6.77%、161.10%和207.86%，变异程度由大到小依次为土壤总盐>电导率>含水量>pH值，根据变异系数的大小，可知pH值属于弱变异，土壤含水量属于中度变异，电导率和土壤总盐为强空间变异，在人类活动和自然因素的影响下，电导率和土壤总盐具有较强的空间变异性[13]。由单样本K-S检验结果可知，土壤含水量和pH值的P值均>0.05，结合偏度系数和峰度系数来看，土壤含水量和pH值近似服从正态分布；而电导率和土壤总盐经对数转换后，其单样本K-S检验结果表明，P值>0.05，故认为这2个指标为对数正态分布。

表1 土壤表层(0～20 cm)水盐特征统计

2.2 土壤水盐的空间分布格局

分别采用反距离加权、径向基函数、局部多项式和普通克里金这4种空间插值方法对土壤含水量、pH值、电导率和土壤总盐进行空间插值并得到交叉验证结果(表2)。分析认为这4种插值方法对于渭-库绿洲土壤水盐指标都有较高的预测精度，模拟效果较好，并且4种插值结果的决定系数R2，除了局部多项式和普通克里金外都>0.9，即通过交叉验证得到的预测值和实测值较为接近。通过比较发现反距离加权、局部多项式和径向基函数插值的RMSE、MAE、MRE这3种误差指标较普通克里金插值误差小，并且结合决定系数R2来看，反距离加权的决定系数最高，4项土壤指标的决定系数均在0.99以上。通过对4种插值方法进行精度比较，可以得出插值精度从高到低依次为反距离加权插值>径向基函数插值>普通克里金插值>局部多项式插值。因此，可以得出在渭-库绿洲土壤水盐插值模拟过程中，反距离加权插值结果的精度是最高的，与其他3种插值方法相比具有更为准确的预测结果。综上分析，本研究选择反距离加权插值方法对渭-库绿洲土壤水盐空间分布格局进行分析，其插值结果最为准确、可靠。

表2 空间插值交叉验证结果

通过对土壤含水量、pH值、电导率和土壤总盐进行反距离加权插值结果分析(图2)，研究区耕层土壤含水量在0.312%～37.855%变化，含水量整体由东向西递增；pH值在6.940～9.669变化，其含量由东向西呈递减趋势；电导率和土壤总盐也呈现出较为明显的由东向西条带状递减的分布规律，其含量分别在0.120～50.442 ms·cm-1和0.627～461.092 g·kg-1变动。结合野外调查结果进行分析，电导率和土壤总盐的空间分布为东部高西部低，位于库车市东部和沙雅县东南部的区域土壤盐分表聚现象十分明显。同时，该区域夏季气温高蒸发旺盛，地下水埋深浅，不合理的灌溉方式导致地表积水造成的土壤次生盐渍化程度较为严重，并呈现出东高西低的空间分布特征[18]。

注：a：含水量；b：pH值；c：电导率；d：土壤总盐。

2.3 基于不同海拔高度与土地利用类型下的土壤水盐特征

由图3可知，研究区海拔高度呈现出西北高东南低的空间分布格局，耕地主要分布在960～1 300 m海拔范围内，海拔<960 m的区域主要为荒漠区域。由于该区域土壤盐渍化严重不适合农业耕作，以草地和裸地为主要地表覆被类型。林地主要集中在绿洲内部和塔里木河附近。位于研究区内部的渭干河和库车河，为该绿洲农业的发展提供了充裕水源，形成了分布范围较广，占地面积最大的耕地；建设用地主要分布在绿洲内部，而绿洲边缘地带的沙漠化和盐渍化现象较为严重。

利用ArcGIS 10.5软件的空间分析模块将图2和图3分别进行空间叠加分析，并统计分析得到表3。由表3可知，耕层土壤含水量在较高海拔下具有高含量，而pH值、电导率和土壤总盐则表现为海拔越高含量越低的特点，即区域土壤盐碱化程度由高到低依次为海拔<960 m的区域>960～1 000 m区域>1 000～1 300 m区域，且在不同海拔高度下呈现出显著的差异(P<0.05)。在不同土地利用类型下，土壤含水量表现为林地土壤水分最高，耕地次之，裸地表层土壤水分最低。pH值、电导率和土壤总盐在不同土地利用类型下则表现为较为一致的变化规律，即裸地的土壤pH值、电导率和土壤总盐均为最高，草地次之，耕地土壤盐碱化程度最轻，且不同土地利用下的土壤盐碱化呈显著差异(P<0.05)。通过上述分析认为，海拔高度和土地利用类型对耕层土壤水盐的空间变异具有十分显著的影响，海拔越低，地下水埋深越浅，土壤盐碱化越严重。同时，该区域土壤盐碱化的程度也决定了土地利用方式。在高盐碱土壤环境下，植被生长受到抑制，农作物难以生长，该区域只能生长耐盐碱的盐生植被，植被覆盖度较低，土地利用方式主要以裸地和低覆盖度草地为主。在土壤盐渍化程度较轻的区域，主要发展绿洲农业，土地利用方式主要以耕地和林地为主。

图3 研究区海拔和土地利用分类

表3 不同海拔和土地利用类型下的土壤水盐含量

3 结论与讨论

3.1 结论

通过野外实地调查，采用地统计学和空间分析方法对渭-库绿洲耕层土壤水盐空间分异特征进行研究，可得到以下结论：研究区耕层土壤含水量、pH值、电导率和土壤总盐在0.31%～37.86%、6.94～9.68、0.11～50.65 ms·cm-1和0.53～462.93 g·kg-1发生变动。其中，pH值的变动幅度相对最小，而土壤总盐具有最大的变动幅度。空间变异程度由高到低依次为土壤总盐>电导率>含水量>pH值，pH值属于弱空间变异，土壤含水量属于中等程度的空间变异，而电导率和土壤总盐具有很强的空间变异性。

使用反距离加权、局部多项式、径向基函数和普通克里金这四种插值方法对渭-库绿洲耕层土壤水盐空间变化进行模拟。通过比较插值结果发现，反距离加权和径向基函数插值的误差指标RMSE、MAE和MRE较小，结合决定系数R2来看，反距离加权方法的拟合效果最好，预测结果更为准确。

由研究区耕层土壤含水量、pH值、电导率和土壤总盐的空间插值结果显示，土壤含水量整体由东向西递增，而pH值、电导率和土壤总盐由东向西递减，均呈现出较为明显的条带状分布特征。耕层土壤含水量在较高海拔下具有高含量，而pH值、电导率和土壤总盐则表现为海拔越高越低的特点。不同土地利用类型下的耕层土壤水盐空间分布特征有明显变化，土壤盐渍化程度影响了土地利用方式。在不同海拔高度和土地利用类型下，土壤水盐呈现出显著的含量差异(P<0.05)。

3.2 讨论

通过地统计学空间插值的方法可以准确预测土壤水盐空间分布特征，但地统计学空间插值是基于大量实测数据的基础上，因此如何获取足够数量的实测数据是研究的基础。同时，采用何种地统计学空间插值方法改变随机因素对预测结果的影响，以及降低预测结果的不确定性，使模拟结果更为准确是目前相关研究的难点问题[19]。相关研究表明，在地理要素的空间插值中，由于研究区域和时间尺度的不同，并不存在绝对的最优方法，在实际应用过程中可根据预测结果选择最合适的插值方法[20]。本研究通过多次试验，通过采用4种地统计学空间插值方法对渭-库绿洲土壤含水量、pH值、电导率和土壤总盐进行空间模拟，结果显示，反距离加权插值方法可更为真实模拟该区域土壤水盐的空间分布特征，该结果与徐存东等[10]研究结果具有高度一致性。

作为典型的干旱区绿洲，由于受极端干旱气候影响，该区域土壤盐渍化普遍发生，北高南低的冲洪积扇地形地貌特征使得渭-库绿洲东部及东南部扇缘地带的土壤盐渍化现象特别严重。同时，土地利用方式和水文条件的差异形成了土壤盐渍化在绿洲内部较轻，而绿洲外缘程度持续加重的特点，土壤水盐空间分布差异十分显著。土壤水盐的空间异质性直接影响了绿洲植被的生长和分布，而植被的生长状况及空间分布特征对土壤水盐也有一定的影响[13,21]。因此，研究土壤水盐的空间分布特征及其影响因素，可为土壤盐渍化的防治以及合理利用土地资源提供依据。通过了解盐渍化土壤的形成条件，合理调整种植结构和耐盐作物，制定科学的灌溉与排水制度，以及盐渍地改良工程等重要举措的具体实施都将会科学改良盐渍化土壤[22-24]。