盧響軍，盛建東，武紅旗，王新軍，李美婷

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆烏魯木齊830052）

基于空間分析的北疆殘余鹽土鹽分變異性研究

盧響軍，盛建東，武紅旗＊，王新軍，李美婷

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆烏魯木齊830052）

應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)與空間分析相結(jié)合的方法，對北疆典型殘余鹽土區(qū)不同土層土壤鹽分的空間分布特征及其變化規(guī)律進(jìn)行對比分析。結(jié)果顯示，隨著土層深度的增加土壤鹽分依次增大，底聚現(xiàn)象比較明顯；30 cm以下土壤鹽分相關(guān)性較強(qiáng)，土壤母質(zhì)等結(jié)構(gòu)性因素成為影響土壤鹽分空間變異的主導(dǎo)因素；表層土壤鹽分之間的自相關(guān)距明顯大于中、底層；隨著土層深度的增加，土壤鹽分間的Moran′s I系數(shù)增大，高－高聚集區(qū)域明顯增大，主要集中在荒地區(qū)域。該研究結(jié)果將為北疆殘余鹽土區(qū)域土壤鹽漬化改良及農(nóng)業(yè)管理提供理論依據(jù)。

瑪納斯河；殘余鹽土；空間自相關(guān)；地統(tǒng)計(jì)學(xué)；Moran′s I系數(shù)

新疆土壤鹽漬化問題已成為制約作物產(chǎn)量和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要問題，有效地改良和利用鹽漬化土地對農(nóng)業(yè)可持續(xù)利用具有重要意義。由于不同區(qū)域土壤的形成過程和類型有所不同，掌握土壤鹽漬化程度和變化特征將成為改良及合理利用鹽漬化土壤的前提條件。空間關(guān)聯(lián)度是地理分析的基本定律之一，自1950年Moran等提出空間自相關(guān)分析以來，許多學(xué)者使用該方法進(jìn)行相關(guān)領(lǐng)域的研究并取得了一定的成果［1］。目前，空間自相關(guān)分析多應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)［2－4］、人口［5］和土壤重金屬［6，7］等方面的研究，而對土壤理化性質(zhì)的研究比較少，尤其是對土壤鹽分的研究很少涉及。

殘余鹽土是指在地質(zhì)歷史時期積鹽過程形成的各種鹽土基礎(chǔ)上，因地殼上升或侵蝕基面下切，地下水位大幅度下降而不再參與現(xiàn)代積鹽成土過程，在一些地下水位很低的情況下，土壤鹽分仍較高，但其最大積鹽層一般處于亞表層或心土層部位的鹽漬化土壤［8］。本研究以新疆瑪納斯河流域沖洪積扇中下游殘余鹽土區(qū)土壤鹽分為研究對象，采用統(tǒng)計(jì)學(xué)與空間自相關(guān)分析相結(jié)合的方法，對不同土層土壤剖面鹽分變化特征進(jìn)行了對比研究，為該地區(qū)鹽漬化土壤的快速、合理、有效改良和利用提供依據(jù)。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于新疆瑪納斯河流域，天山北麓中段，準(zhǔn)噶爾盆地南緣（北緯43°27′～45°21′，東經(jīng)85°01′～86°32′），地形南北狹長，從南至北依次為山地、平原、盆地、沙漠。該區(qū)域?yàn)榈湫蜕脚杞Y(jié)構(gòu)，平均海拔300～500 m，冬季長而嚴(yán)寒，夏季短而炎熱，年均氣溫7.5～8.2℃，無霜期147～191 d，年降雨量180～270 mm，年蒸發(fā)量1 000～1 500 mm，呈現(xiàn)典型的溫帶大陸性干旱半干旱氣候特征。本實(shí)驗(yàn)區(qū)設(shè)在瑪納斯縣新疆農(nóng)科院實(shí)驗(yàn)基地（北緯44°18′，東經(jīng)86° 22′），為洪積沖積扇形成的山前傾斜平原，土壤類型為鹽化灰漠土［9］，地下水埋深大于3 m。

1.2 數(shù)據(jù)來源

通過調(diào)查該殘余鹽土區(qū)域土壤鹽分及作物生長狀況，確定采樣時間為2011年4月下旬（作物種植之前），采用差分GPS定位技術(shù)對瑪納斯河流域的殘余鹽土地塊以100 m×100 m的網(wǎng)格交點(diǎn)處為采樣點(diǎn)位，共布設(shè)80個采樣點(diǎn)，每個采樣點(diǎn)分別以0～30 cm、30～60 cm、60～100 cm進(jìn)行分層采樣，共采集240個土樣；土樣樣品經(jīng)室內(nèi)自然風(fēng)干、磨碎，過1 mm篩，以1∶5的土水比對每個土樣制備浸提液，使用上海雷磁公司生產(chǎn)的DDSJ－308A型電導(dǎo)儀測定電導(dǎo)率，采用干殘?jiān)娓煞y量鹽分。通過224個土壤鹽分與浸提液電導(dǎo)率數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析，得到其間的換算關(guān)系：

式中：St為土壤鹽分（g／kg）；EC1∶5為1∶5土水比土壤浸提液電導(dǎo)率（μs／cm）。采用干殘?jiān)娓煞y定土壤鹽分時要求浸提液必須是澄清液，由于16個土樣的浸提液經(jīng)過濾離心后仍顯渾濁，故只測定了其電導(dǎo)率，通過式（1）計(jì)算出土壤鹽分。

1.3 研究方法

本研究采用SPSS 13.0軟件進(jìn)行經(jīng)典統(tǒng)計(jì)分析，同時采用GS＋FOR Windows 5.0軟件進(jìn)行半方差模型擬合和Moran′s I系數(shù)的地統(tǒng)計(jì)分析，探討了該殘余鹽土區(qū)不同層次土壤鹽分變化。采用空間數(shù)據(jù)探索分析方法（ESDA）——全局自相關(guān)分析與局域自相關(guān)分析相結(jié)合的方法，探索在該采樣方式下土壤鹽分的空間分布特征及變化規(guī)律。目前用于全局空間自相關(guān)分析的統(tǒng)計(jì)量主要包括Moran′s I、Geary′s C和Getis′G，通常使用Moran′s I［10］，公式為：

局域自相關(guān)分析計(jì)算公式為：

式中：N為樣點(diǎn)數(shù)目；Xi、Xj分別為樣點(diǎn)在i、j處的觀測值為所有觀測值的平均值；Wij為空間權(quán)重矩陣，i與j相鄰時Wij＝1，反之，Wij＝0。為使土壤鹽分空間分布規(guī)律圖更直觀，本研究在局域分析中首先采用GEODA進(jìn)行土壤鹽分聚類分析并進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，然后將屬性數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcGIS中完成制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤鹽分分層統(tǒng)計(jì)特征

對該區(qū)域不同層次的土壤含鹽量進(jìn)行經(jīng)典統(tǒng)計(jì)分析。從表1可以看出，土壤鹽分的極差值由表層（0～30 cm）的28.85 g／kg顯著增加到底層（60～100 cm）的45.8 g／kg，土壤鹽分平均值從表層的5.61 g／kg增加到底層的12.73 g／kg，說明總體上土壤鹽分分布呈現(xiàn)底聚型，原因可能是該區(qū)域進(jìn)行農(nóng)業(yè)土地開發(fā)導(dǎo)致地下水開采水位下降，地下水基本不參與現(xiàn)代積鹽過程，同時由于地質(zhì)歷史時期的積鹽過程，因而該區(qū)域土地仍屬中度至重度鹽化土類型。此外，從表層至底層土壤鹽分的變異系數(shù)依次為87.7%、80.0%、72.0%，均呈現(xiàn)中等變異強(qiáng)度（10%＜Cv＜100%）［11］，即隨著土層深度的增加變異系數(shù)依次減小，說明從表層到底層土壤鹽分的變異程度逐步減弱。該區(qū)域土地是由荒地和不同時期開墾的地塊鑲嵌而成，不同開墾區(qū)域存在不同的微地形變化、種植作物、耕作及灌溉措施等人為因素的影響。

表1 各土層土壤鹽分統(tǒng)計(jì)特征值Table 1 The statistic characteristics of soil salt in every layers

2.2 土壤鹽分空間變異特征分析

為了對該區(qū)域不同層次的鹽分進(jìn)行半方差函數(shù)運(yùn)算，使其數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布［12］，對數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)各層次數(shù)據(jù)均不符合正態(tài)分布，對表層和中層數(shù)據(jù)進(jìn)行對數(shù)轉(zhuǎn)換、底層進(jìn)行平方根轉(zhuǎn)換后均符合正態(tài)分布，達(dá)到地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析的要求。

本研究采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件對土壤鹽分的空間變異特征進(jìn)行模型擬合。結(jié)果顯示（表2），各層次半方差函數(shù)均在殘差最小的前提下決定系數(shù)達(dá)到顯著水平，理論模型為指數(shù)模型。自相關(guān)距（Range）表示樣本之間存在相關(guān)性的最大距離，表層、中層和底層土壤鹽分的自相關(guān)距存在較大差異，變化范圍為591～ 2 601 m，其距離遠(yuǎn)大于采樣點(diǎn)間距，表明采樣方式滿足采樣要求。C0／（C0＋C）為塊金值／基臺值，表示土壤性質(zhì)空間相關(guān)性程度，比值小于25%表示空間相關(guān)性強(qiáng)，在25%～75%之間表示空間相關(guān)性中等，大于75%表示空間相關(guān)性弱［13］。從計(jì)算結(jié)果可以看出，自表層至底層土壤鹽分塊金值／基臺值分別為46.5%、18.6%、19.6%，表明表層土壤鹽分空間相關(guān)性中等，而中、底層土壤鹽分空間相關(guān)性較強(qiáng)。因?yàn)楸韺訛楦鲗?，受灌溉、耕作等人為活動的影響比較強(qiáng)烈，即受到結(jié)構(gòu)因素和隨機(jī)因素的雙重影響，而中、底層土壤鹽分變異主要受土壤母質(zhì)、地形地貌等結(jié)構(gòu)性的影響。

表2 土壤鹽分半方差函數(shù)指數(shù)模型的相應(yīng)參數(shù)Table 2 Semi－variogram model and correlative parameters of soil salt

為了研究在水平尺度隨著距離變化土壤鹽分之間的相關(guān)性，采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件計(jì)算不同水平距離土壤鹽分的相關(guān)性系數(shù)。Moran′s I系數(shù)可定量描述一定范圍內(nèi)變量之間的相互依賴程度，1＞I＞0表示變量在空間上呈正相關(guān)，－1＜I＜0表示變量在空間上呈負(fù)相關(guān)，I＝0表示變量之間不存在相關(guān)性，即相互依賴程度最小［14］。由不同層次土壤鹽分的Moran′s I系數(shù)可知（圖1），在水平尺度上當(dāng)研究點(diǎn)位與鄰近點(diǎn)位的距離為0～87.85 m時Moran′s I系數(shù)最大，可認(rèn)為距離在0～87.85 m時各層次土壤鹽分相關(guān)性最強(qiáng)，且呈不同程度的正相關(guān)性，中層（0.377）＞底層（0.329）＞表層（0.239）。在土壤表層，當(dāng)研究點(diǎn)位與鄰近點(diǎn)位的距離為355.14 m時Moran′s I系數(shù)為0，中、底層系數(shù)在221.65 m時均為0，表層相關(guān)性減小的速率明顯小于中、底層?？梢姡韺?、中層和底層土壤鹽分間的正相關(guān)性隨著樣點(diǎn)間水平距離增加而減小，表明表層受到人為因素的干擾強(qiáng)于中、底層，形成表層土壤鹽分之間的正相關(guān)距明顯大于中、底層。隨著樣點(diǎn)間空間距離的增大，三層土壤鹽分的Moran′s I系數(shù)曲線第二次與X軸相交，表層Moran′s I系數(shù)在BC范圍內(nèi)呈負(fù)相關(guān)，中、底層在AC范圍內(nèi)呈負(fù)相關(guān)。隨著樣點(diǎn)水平距離的增大，三層土壤鹽分的Moran′s I系數(shù)均呈現(xiàn)震蕩分布，系數(shù)趨于0。

圖1 不同層次土壤鹽分的Moran′s I系數(shù)變化Fig.1 The plot of Moran indexes change of soil salt in every layers

2.3 不同土層土壤鹽分全局空間差異

為了全局自相關(guān)分析中單位與標(biāo)準(zhǔn)偏差相一致，對其變量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，標(biāo)準(zhǔn)化后的Moran散點(diǎn)分布如圖2。圖2中4個象限表示土壤鹽分含量的自相關(guān)關(guān)系，即該點(diǎn)與周圍點(diǎn)的空間聯(lián)系，包括高－高（第一象限）、低－低（第三象限）、低－高（第二象限）和高－低（第四象限）4種相關(guān)類型，其中高－高表示該調(diào)查點(diǎn)位土壤鹽分高同時其周圍值也高，其他類型以此類推［15］。由圖2可知，不同層次土壤鹽分的散點(diǎn)主要集中在第一、三象限，表明該殘余鹽土區(qū)域土壤鹽分高－高和低－低聚集性比較明顯，同時該區(qū)域也存在高－低和低－高聚集的斑塊狀結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)為孤立區(qū)。Moran′s I系數(shù)從表層（0～30 cm）的0.2593增加至底層（60～100 cm）的0.2808，表明隨著土層深度增加土壤鹽分自相關(guān)性增強(qiáng)，同時中層土壤鹽分聚集點(diǎn)比較集中，而表層、底層土壤鹽分聚集點(diǎn)比較分散。高－高聚集的離散點(diǎn)距離增大，即土壤鹽分高－高聚集的現(xiàn)象更加明顯，隨土層深度的增加土壤鹽分自相關(guān)性增強(qiáng)。

2.4 不同土層土壤鹽分局域空間特征

圖2 不同層次土壤鹽分含量Moran散點(diǎn)圖Fig.2 The plot of Moran scatter of soil salt in every layers

為了更加清楚的判斷土壤鹽分的空間分布規(guī)律，本研究采用局域自相關(guān)分析（Lisa聚類圖）進(jìn)一步分析了該殘余鹽土區(qū)域土壤鹽分的自相關(guān)性。H－H（高－高）、L－L（低－低）表示土壤鹽分之間存在正相關(guān)關(guān)系，而L－H（低－高）、H－L（高－低）表示土壤鹽分之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。由圖3可知，從表層到底層H－H聚集點(diǎn)位依次為7、10、11，L－L聚集點(diǎn)位依次為16、8、4，表明隨著土層深度的增加，土壤鹽分呈現(xiàn)向底層聚集的趨勢，即該研究區(qū)域土壤鹽分呈現(xiàn)典型的底聚分布類型；隨著土層深度的增加，L－L空間聚集區(qū)逐步靠近H－H聚集區(qū)域，H－L聚集區(qū)主要集中在L－L周圍，L－H聚集區(qū)主要分布在H－H附近；隨著土層深度增加，H－H聚集區(qū)域增大，呈現(xiàn)由北向南移動的趨勢，L－L聚集區(qū)域減小。該殘余鹽土區(qū)域是由不同開墾年限的土地組成，H－H聚集區(qū)正好分布在未開墾的荒地區(qū)，即荒地成為土壤鹽分的主要聚集區(qū)。

圖3 不同層次土壤鹽分聚類Fig.3 Clustering plot of soil salt in every layers

3 結(jié)論與討論

研究區(qū)不同層次土壤鹽分在空間分布上均存在一定的變化規(guī)律，在0～100 cm剖面內(nèi)，隨著土層深度的增加土壤鹽分逐漸增大，底聚現(xiàn)象比較明顯。該研究結(jié)果與“土壤鹽分呈現(xiàn)表聚積鹽的研究結(jié)果”［16］相反，其主要原因是該區(qū)域地下水位已超過3 m，基本停止了鹽分向上積聚的過程；同時由于在地質(zhì)歷史時期該區(qū)域曾經(jīng)進(jìn)行過強(qiáng)烈的積鹽過程，因此荒地和新開墾耕地土壤鹽分均達(dá)到重度鹽化類型。隨著近幾年地膜及滴灌技術(shù)的推廣，土壤表層鹽分被淋洗到中、底層，地膜阻斷了水分蒸發(fā)，減弱了鹽分向表層聚集的速度，因此該區(qū)域基本處于脫鹽狀況。為了確保該區(qū)域農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，避免造成次生鹽漬化，對于灌溉水質(zhì)的要求將越來越高；合理開發(fā)利用殘余鹽土將有利于土壤向作物正常生長的方向演變。

表層土壤鹽分空間變異性受結(jié)構(gòu)性因素影響的同時，也不能忽視人為等隨機(jī)性因素的影響，而30 cm以下土壤母質(zhì)、地形等結(jié)構(gòu)性因素對土壤鹽分的空間變異性起主導(dǎo)作用。從表層到底層土壤鹽分自相關(guān)性依次降低，高－高聚集點(diǎn)數(shù)量增加，即出現(xiàn)土壤鹽分向底層聚集的趨勢；在0～87.85 m各層次土壤鹽分自相關(guān)性最強(qiáng)；表層在0～355.14 m之間存在空間聚集，而中、底層在0～221.65 m之間存在空間聚集。土壤鹽分高－高聚集區(qū)鑲嵌在低－高聚集區(qū)的中心，成為孤立的斑塊狀結(jié)構(gòu)，從而該區(qū)域呈現(xiàn)出部分鹽斑狀結(jié)構(gòu)，致使土壤鹽分較高，造成每年作物枯死、絕收現(xiàn)象。針對鹽斑進(jìn)行改良將是該區(qū)域未來合理治理土壤鹽漬化的重點(diǎn)。

本研究只對0～100 cm深度的土層進(jìn)行了采樣調(diào)查，僅分析了土壤鹽分的變化特征，該區(qū)域從表層至地下水埋深處土壤鹽分是否也呈現(xiàn)底聚現(xiàn)象？今后會繼續(xù)進(jìn)行不同采樣尺度下更深層次土壤屬性的調(diào)查分析，進(jìn)一步掌握殘余鹽土區(qū)土壤的屬性特征。

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Abstract：Spatial distributing characteristics and change pattern of salt at different soil layers for typical residual solonchak in the northern Xinjiang were compared，through the methods of combining statistics with spatial analysis.The results showed that the soil salinity was significantly increasing with the extension of soil depth.The phenomenon of bottom gathering was very evident.Relativity of soil salt was rather significant in the soil layer under 30 cm；soil parent materials related to structural factors became a main factor affecting spatial variance of soil salt.Autocorrelation distance between soil salts on the surface layer was obviously bigger than mid－under layer.Moran indexes became bigger with the extension of soil depth."High－High"spatial aggregated extents for soil salt became larger，and mainly congregated the unreclaimed tract.The study results will provide scientific evidence to improve agricultural manage ment of salinity land for residual solonchak areas in the northern Xinjiang.

Key words：Manas River；residual solonchak；spatial autocorrelation；geostatistics；Moran indexes

Research on Soil Salt Heterogeneity for Residual Solonchak Based on Spatial Analysis in the Northern of Xinjiang

LU Xiang－jun，SHENG Jian－dong，WU Hong－qi，WANG Xin－jun，LI Mei－ting
（College of Grassland and Environmental Sciences，Xinjiang Agriculture University，Urumqi 830052，China）

P934；S156.4＋1

A

1672－0504（2012）04－0075－04

2011－12－02；

2012－03－29

國家公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目（200903001－3）；新疆土壤學(xué)重點(diǎn)學(xué)科基金項(xiàng)目

盧響軍（1985－），男，碩士研究生，主要從事土壤質(zhì)量時空演變方面的研究。＊通訊作者E－mail：hqwu7475＠126.com