趙明亮，李艷紅??，李發(fā)東，3

（1：新疆師范大學地理科學與旅游學院，烏魯木齊830054）（2：新疆維吾爾自治區(qū)重點實驗室；新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源實驗室，烏魯木齊830054）（3：中國科學院地理科學與資源研究所，北京100101）

新疆艾比湖濕地土壤水鹽空間變異性分析?

趙明亮1，2，李艷紅1，2??，李發(fā)東1，2，3

（1：新疆師范大學地理科學與旅游學院，烏魯木齊830054）（2：新疆維吾爾自治區(qū)重點實驗室；新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源實驗室，烏魯木齊830054）（3：中國科學院地理科學與資源研究所，北京100101）

為揭示艾比湖濕地土壤退化程度空間分布特征，在離艾比湖湖濱5～15 km，繞湖一周160 km范圍內，以湖心質點為中心，將艾比湖劃分為東北、東南、西南、西北4個區(qū)域，采用傳統統計學和地統計學相結合的方法對表層（0～20 cm）土壤鹽分、含水量與pH的空間分異特征進行研究.結果表明：繞湖一周不同區(qū)域的土壤鹽分均屬中等變異強度；土壤含水量在西北部屬強變異性，而東北、東南和西南部均屬中等變異強度；土壤pH在不同區(qū)域內均屬弱變異強度.繞湖一周除西北部土壤鹽分的半方差理論模型較符合球狀模型外，其它區(qū)域土壤鹽分、含水量和pH均符合高斯模型；受結構性因素影響，不同區(qū)域土壤鹽分、含水量和pH均具有較強的空間相關性；西南部土壤鹽分、含水量和pH的Moran's I系數比其它區(qū)域的波動大，表明空間相關性較強.艾比湖濕地常年大風、干旱、缺水及沙化鹽化的自然因素與引水圍堰、種植耐鹽堿植物的人為活動造成了采樣區(qū)表層土壤鹽分、含水量和pH的空間分布多呈現不規(guī)則條帶狀格局.艾比湖濕地土壤以鹽土為主，重度鹽化土次之，土壤鹽漬化日益嚴重.

艾比湖濕地；水鹽；半方差；空間變異性

wetland spatial distribution of surface soil salinity，water content and pH.Soil in the Lake Ebinur wetland is mainly of saline-based type，followed by the type of severe salinization and more serious salinization.

?自治區(qū)科技計劃項目（201433115）——艾比湖退化濕地典型植被生態(tài)恢復技術集成與示范研究、國家自然科學基金項目（41561104）和新疆師范大學地理學博士點支撐學科項目（XJNU-DL-201506）聯合資助.2015-11-03收稿；2016-01-04收修改稿.趙明亮（1991～），男，碩士研究生；E-mail：1547884890＠qq.com.

??通信作者；E-mail：lyh0704＠126.com.

土壤水鹽狀況及其空間變異性研究是土壤科學研究的熱點之一，是土壤鹽漬化防控和鹽堿土地資源利用的重要基礎［1］.國外Jordán等對干旱與半干旱地區(qū)土壤鹽分在地質和環(huán)境因素影響下的空間變化進行研究［2］；Herbst等用地統計學模擬和實測模擬對小尺度集水區(qū)的土壤水分空間變異進行了研究［3］；Cemek等對土耳其北部的沖積平原農田土壤鹽分空間變異的研究得出，土壤鹽分的空間變異性主要由地下水位、排水、灌溉系統以及微地形等外因控制［4］.在國內一些學者對黃河三角洲地區(qū)［5］、張掖綠洲［6］、遼河三角洲不同植被類型［7］、塔里木河上游典型綠洲［8］等地的土壤水鹽狀況及空間異質性進行了研究，認為鹽分、含水量的空間變異性與自然環(huán)境和人為因素有關.

艾比湖濕地國家自然保護區(qū)是干旱區(qū)荒漠生態(tài)系統的典型代表，1950s，艾比湖面積有1200 km2，如今湖面已經萎縮至500 km2左右，已成為困擾新疆的第二大生態(tài)問題［9］，湖濱地區(qū)荒漠化程度加劇，成為中國西部沙塵暴主要策源地之一，直接威脅到天山北坡經濟帶的可持續(xù)發(fā)展和新亞歐大陸橋的安全運行.近10年關于艾比湖濕地的鹽分、水分、養(yǎng)分等土壤理化性質［10］、土壤酶活性［11］、土壤呼吸［12］、植物群落［13］以及其之間的相關分析的研究主要集中在艾比湖湖周到綠洲農田、博河下游、精河下游和精河圍堰區(qū)以及阿其克蘇河下游等地，缺乏對艾比湖繞湖一周土壤水鹽的系統研究，因此本文選擇離艾比湖湖濱5～15 km，繞湖一周160 km范圍內為研究區(qū)，對艾比湖濕地不同區(qū)域的土壤水鹽特征及土壤退化程度進行分析，旨在為保護艾比湖地區(qū)生態(tài)環(huán)境安全提供可靠的理論依據.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

艾比湖濕地國家級自然保護區(qū)（44°30′～45°09′N，82°36′～82°50′E）位于新疆維吾爾自治區(qū)精河縣境內，是新疆第一大咸水湖.年平均氣溫5℃，年平均降水量100 mm左右，年蒸發(fā)量1600 mm，屬于典型溫帶大陸性干旱氣候.1972-2011年期間，艾比湖的面積在不斷縮小，共縮小115.03 km2［14］.2012-2015年期間，本課題組通過對艾比湖濕地采樣調研，發(fā)現艾比湖濕地鹽化沙化加劇，土壤平均粒徑在2.63～6.51 μm之間，土壤有機質含量在0.0003%～2.3401%之間，土壤鹽分呈現表聚性，高達85.32 g／kg，pH值在7.52～9.29之間.本文選擇在離艾比湖湖濱5～15 km，繞湖一周160 km范圍內，以湖心質點（44°52′32.77″N，83°2′18.34″E）為中心，將艾比湖劃分為東北、東南、西南、西北4個區(qū)域（圖1）.其中北部的科克巴斯陶管護站區(qū)域海拔低（189 m），有天然泉水外流；東北部桑德庫木管護站和奎屯河下游地區(qū)土壤質地多為沙土，土壤沙化嚴重，主要植被類型為梭梭；東南部鴕鳥管護站、鴨子灣管護站主要植被分布類型有胡楊、鹽角草等耐鹽堿植物，其中沙泉子從2013年起采用滴管方式實施梭梭林人工種植恢復，梭梭林恢復面積為7.3×106m2；西南部在2002年引精河水，實施圍堰和土壤改良工程，現蘆葦濕地恢復面積約2.6×106m2，博河下游采樣區(qū)土壤質地多為石礫，優(yōu)勢種為堿蓬；西北部受阿拉山口大風影響，全年8級以上大風165 d，最大風速可達55 m／s，植物覆蓋度極低，鹽分含量高；在研究區(qū)北部地區(qū)有牧民進行季節(jié)性放牧.

1.2 研究方法

課題組分別在2013、2014和2015年的8月沿著艾比湖濕地國家自然保護區(qū)管護站、博爾塔拉河、精河、阿奇克蘇河、奎屯河等繞湖一周160 km范圍內，設置73個樣地，記錄各樣地的海拔、經緯度、植被類型和土壤質地等要素.共獲取73個剖面，每個剖面取表層（0～20 cm）土樣，并用GPS定位（圖1）.將土壤樣品帶回實驗室，進行自然風干、磨碎，過2 mm篩，制備1∶5的土水質量比浸提液，測定土壤全鹽含量［15］；浸提液pH值采用HANNA公司pH電極（pH 211 Microprocessor pH Meter）進行測定；土壤含水量采用烘干法測定.根據新疆土壤鹽堿化的分級標準［16］，將土壤分為非鹽化土（土壤鹽分＜3 g／kg）、輕鹽化土（土壤鹽分3～6 g／kg）、中度鹽化土（土壤鹽分6～10 g／kg）、重度鹽化土（土壤鹽分10～20 g／kg）和鹽土（土壤鹽分＞20 g／kg），根據此分級標準確定含鹽量級別.采用Excel對數據進行經典統計，運用GS＋9.0進行半方差函數計算，Moran's I系數

分析，Kriging插值以及空間分布圖利用ArcGIS 10.0軟件繪制，相關性分析采用SPSS 19.0軟件.

圖1 研究區(qū)示意圖Fig.1 Research area schematic drawing

2 結果與分析

2.1 土壤鹽分、含水量與pH描述性統計

對不同區(qū)域表層（0～20 cm）土壤鹽分、含水量和pH進行描述性統計分析（表1）可知，鹽分平均含量由大到小表現為西北部＞東南部＞西南部＞東北部；由于采樣期正值旱季，水分蒸發(fā)量強，土壤含水量低，其中東南部含水量最?。?6.454 g／kg），東北部含水量最大（68.625 g／kg）；土壤pH平均值從大到小表現為西北部＞西南部＞東南部＞東北部，且不同區(qū)域pH最大值均超過9.0，這說明該采樣區(qū)在不同區(qū)域上土壤呈現出一定程度的堿化趨勢.

按照變異系數劃分等級，當CV＜10%為弱變異性；10%＜CV＜100%時為中等變異性；CV＞100%時為強變異性［17］.不同區(qū)域土壤鹽分均屬于中等變異強度；東北部、東南部、西南部的土壤含水量屬于中等變異強度，而西北部變異系數達到1.087，屬于強變異性；不同區(qū)域土壤pH均屬于弱變異強度；且同一區(qū)域上的土壤含水量變異系數均大于鹽分和pH值（表1）.一般變異函數的計算要求數據符合正態(tài)分布，否則可能存在比例效應［18］，對數據進行Komlogorow-Smirnow法進行正態(tài)檢驗（P＜0.05），發(fā)現西南部土壤鹽分與西北部土壤含水量不符合正態(tài)分布，經對數轉化后呈正態(tài)分布，變異函數計算采用的數據為對數轉化后的數據.

2.2 土壤鹽分、含水量與pH值的半方差函數分析

根據半方差函數理論及計算模型［19-20］獲得了研究區(qū)的土壤鹽分、含水量與pH的半方差函數模型及其相關參數（表2），可以發(fā)現除了西北部土壤鹽分符合球狀模型外，其它不同區(qū)域土壤鹽分、含水量和pH半方差理論模型都符合高斯模型，且不同區(qū)域土壤鹽分、含水量與pH的塊金值／基臺值變化范圍小于0.25，均表現為較強的空間相關性，這表明不同區(qū)域上的土壤鹽分、含水量與pH的空間分布主要是受結構性因素（如地形、土壤類型、母質、氣候等）影響，其中鹽分變異程度表現為西南部＞東南部＞東北部＞西北部，含水量變異程度表現為東北部＞東南部＞西南部＞西北部，pH變異程度表現為西南部＞東南部＞東北部＞西北部.分維數D表示變異函數曲線的曲率大小，可確定空間結構復雜程度.不同區(qū)域上的土壤鹽分、含水量與pH的分維數范圍在1.033～1.881之間，其中東北部、東南部和西南部土壤鹽分、含水量和pH的分維數均高于西

北部，且相差較大，這說明前三者的空間結構要比西北部較為復雜，這可能是由地形、母質、氣候、土壤類型等導致的.從自相關距看，變程反應區(qū)域化變量空間相關范圍的大小，與觀測尺度以及取樣尺度上影響土壤水鹽的各種生態(tài)過程的相互作用有關.不同區(qū)域上的土壤鹽分的自相關距變化范圍在7320～28450 m之間，含水量自相關距變化范圍在3560～21940 m之間，pH自相關距變化范圍在4420～27220 m之間，且西南部土壤鹽分空間自相關距要明顯小于其它3個區(qū)域，含水量和pH表現出西北部明顯小于其它3個區(qū)域，這是由于西南部進行了引水圍堰工程，西北部大風盛行以及放牧等導致土壤鹽分、含水量和pH的變程較小.

表1 土壤鹽分、含水率和pH的統計特征值?Tab.1 Statistical charactristic values of soil salinity，moisture and pH

表2 土壤鹽分、含水量與pH的半方差函數類型及其參數?Tab.2 Types of semi-variance model and their parameters for soil salinity，moisture and pH

2.3 土壤鹽分、含水量與pH的Moran's I系數分析

Moran's I系數可定量描述研究變量在空間上的依賴關系.I的取值為-1～1，I＞0表示變量在空間上呈現正相關；I＜0表示研究變量在空間上呈現負相關；I＝0表示研究變量在空間依賴性小或空間隨機變異較大.將Moran's I系數與滯后距離尺度相結合，便可得到不同尺度下空間相關關系變化，從而可以看出空間相關性隨尺度的變化［21-22］.東北部土壤鹽分、含水量和pH的空間距離分別在3487.782、7847.509和3487.782 m表現出強的正相關性，隨著距離增大，正相關性減弱負相關性增強，空間距離均增加到12207.238 m時負相關

性達最大，分別為-0.456、-0.385、-0.273，此后隨著空間距離增大負相關性也逐漸減弱（圖2）.東南部和西北部土壤鹽分、含水量和pH隨距離增加與東北部有相似的Moran's I系數變化趨勢，但也有不同，其中西北部的含水量隨著距離的增加均沒有達到負相關性.西南部土壤鹽分、含水量和pH相關性相對較強（I介于-0.921～1.300之間），Moran's I系數波動均較大，空間相關性較強，這與氣候、地貌、微地形、土壤類型和人為活動等因素密切相關.

圖2 土壤鹽分、含水量和pH的Moran's I系數Fig.2 Moran's I analysis of soil salinity，moisture and pH

2.4 土壤水鹽空間分布特征

地統計學可根據半方差分析所確定的理論模型和已有的觀測數據，對未采樣點進行空間插值，其結果平滑了采樣點的數據，使得大值降低、小值增高，以圖形的形式展示性狀的空間異質性，并且能夠有助于辨別空間分布格局［23］.通過普通克里金插值預測得到對離湖濱5～15 km繞湖一周160 km范圍內表層土壤鹽分、含水量與pH的空間分布可以看出（圖3），艾比湖濕地表層土壤鹽分、含水量和pH的空間分布多呈現不規(guī)則條帶狀格局.采樣區(qū)土壤鹽分與pH具有一定程度的同步性，即西北部高于東北部，東南部高于西南部，鹽分高值區(qū)出現在西北部的石頭房子管護站以及西南部阿奇克蘇河下游，低值區(qū)出現在東北部的大部分、南部和西南部的精河和博河入湖河口處；pH高值區(qū)出現在西北部石頭房子管護站和東南部鴕鳥管護站區(qū)域，低值區(qū)出現在東部奎屯河下游區(qū)域；采樣區(qū)土壤含水量北部和西南部明顯要高于東部和西部，高值區(qū)出現在北部的科克巴斯陶管護站區(qū)域以及西南部引水圍堰區(qū)；對艾比湖濕地土壤鹽分和pH進行相關性分析，

可得土壤鹽分與含水量和pH呈正相關，相關性系數分別為0.114和0.270，即在研究區(qū)內土壤鹽分含量隨土壤含水量升高而增多，土壤鹽分含量高會導致土壤pH相應升高，但是，相關系數均較低，并未呈現較好的線性關系，這也說明了土壤鹽分與含水量和pH關系的復雜性.

圖3 土壤鹽分、含水量和pH空間分布Fig.3 Spatial distributions of soil salinity，moisture and pH

參照新疆土壤鹽堿化分級標準，分析研究區(qū)土壤鹽漬化程度（圖4），結果表明艾比湖濕地東南部阿奇克蘇河下游和西北部石頭房子管護站區(qū)域鹽漬化程度最高，已達到鹽土程度；東北部的奎屯河下游、南部沙泉子區(qū)域以及精河入湖河口鹽漬化程度較低，屬于非鹽漬化土.鹽漬化分級鹽土、重度鹽化土、中度鹽化土、輕

度鹽化土和非鹽化土在研究區(qū)所占面積分別為568.394、537.848、319.026、473.306和269.588 km2，可見艾比湖濕地土壤鹽漬化鹽土面積最大，重度鹽化土次之.

圖4 研究區(qū)土壤鹽漬化分級空間分布Fig.4 Spatial distribution of classification of soil salinization in the study area

3 討論

以艾比湖湖心質點為中心，對離湖濱5～15 km繞湖一周160 km范圍內表層土壤水鹽特征進行分析，不同區(qū)域上的土壤鹽分、含水量和pH具有一定的空間變異性，其中不同區(qū)域的土壤鹽分屬于中等變異強度；東北部、東南部、西南部的含水量屬于中等變異強度，而西北部屬于強變異性；不同區(qū)域的土壤pH均屬于弱變異強度，這與貢璐等［8］對干旱區(qū)土壤水鹽空間變異的研究結論相似；不同區(qū)域上土壤鹽分、含水量與pH的塊金值／基臺值小于0.25，與孔德庸等［24］對新疆焉耆盆地土壤鹽分（0～30 cm）空間變異特征研究結論相同，均表現為強的空間相關性，這說明土壤鹽分是結構性因素（如地形、母質、土壤類型和氣候等）起主導作用；而與劉廣明等［25］對新疆準噶爾盆地南緣典型綠洲區(qū)鹽分空間變異研究不同，后者得出土壤鹽分的塊金值／基臺值范圍在0.25～0.75，表現為中等空間相關性，鹽分是由隨機性因素（如灌溉、耕作措施和土壤改良等各種人為活動）和結構性因素（如氣候、地形、土壤類型等）共同主導引起的；艾比湖濕地不同區(qū)域上的土壤鹽分、含水量與pH的分維數D范圍在1.033～1.881之間，這比趙銳鋒等［26］對塔里木河源流區(qū)綠洲土壤0～30 cm含鹽量分維數D要小，當隨機因素差、結構性好，則分維數低，說明艾比湖濕地不同區(qū)域上的土壤鹽分、含水量與pH空間分異主要是由結構性因素引起的.

通過普通克里金插值得到艾比湖濕地土壤水鹽空間分布特征，其中土壤鹽分高值區(qū)出現在西北部的石頭房子管護站以及西南部阿奇克蘇河下游區(qū)域，與土壤pH呈現出一定程度的同步性，西北部臨近阿拉山大風口，常年風沙肆掠，在持續(xù)的強烈蒸發(fā)作用下，下層土壤以及地下水中的可溶性鹽分積聚于表層，導致鹽分升高；東南部處于阿拉山口徑直通道上，鹽塵使得艾比湖東南部原來的濕地景觀演變形成為鹽漠景觀，位于干涸湖底及其周圍，整個剖面的鹽分含量很高［27］，已有研究表明地下水礦化度與土壤表層含鹽量之間存在正相關關系，地下水埋深與土壤表層含鹽量之間存在負相關關系［28］，而東南部阿奇克蘇河和鹽場（6.79 g／L）地下水礦化度較高［29］，在強烈的蒸發(fā)下，土壤表層鹽漬化嚴重，黃昌勇［30］也指出季節(jié)性積鹽和脫鹽交替是土壤堿化和土壤pH變化的重要原因；其次，通過對艾比湖濕地土壤鹽分和pH進行相關性分析，可知土壤鹽分與含水量和pH呈正相關，這與沈浩等［31］對瑪納斯河流域農田土壤水鹽空間分布特征及影響因素的研究中表層土壤水鹽含量呈正相關性相同，即土壤鹽分含量隨土壤含水量升高而增多；此外，土壤鹽分含量的升高是導致土壤pH升高的原因之一，這與楊勁松等［5］對黃河三角洲地區(qū)土壤水鹽空間變異特征研究中土壤pH與鹽分含量呈極顯著負相關不同，這可能是由于艾比湖濕地的地理位置和極端干旱的氣候所致.土

壤鹽分低值區(qū)出現在東北部的大部分、南部和西南部的精河和博河入湖河口處，東北部以及奎屯河下游，主要植物群落為梭梭，沙化較為嚴重，土壤沙化的后果是土壤肥力降低、土壤顆粒變細、土壤鹽分含量減少［32］，土壤含水量低，南部人工種植梭梭的沙泉子，土壤質地以砂礫為主，持水能力差，西南部有季節(jié)性河流精河和博河，且精河下游入湖河口進行的人工引水圍堰工程和養(yǎng)殖水產工程不僅對土壤質地起到了良好的改善作用，使得土壤保水能力加強，鹽分含量相對降低；博河下游含水量較低是由土壤質地差異引起的；土壤含水量高值區(qū)出現在北部的科克巴斯陶管護站區(qū)域以及西南部引水圍堰區(qū)，北部的科克巴斯陶管護站區(qū)域海拔地勢條件較東部地區(qū)要低，有天然泉水外流，含水量較東部高，采樣期8月正值旱季，所以研究區(qū)大部分地區(qū)含水量都比較低.

通過對艾比湖濕地土壤鹽漬化分析可知，研究區(qū)土壤鹽漬化以鹽土面積最大，重度鹽化土次之，這與金海龍等［10］在2009年研究發(fā)現以重度鹽化土為主的艾比湖濕地不同，說明艾比湖濕地近幾年土壤已由重度鹽化土轉向鹽土，土壤鹽漬化日益嚴重.通過研究艾比湖濕地土壤水鹽空間分布特征，可為綠洲土地的合理開發(fā)利用和土壤鹽漬化的防治改良提供理論參考.

4 結論

1）繞湖一周不同區(qū)域的土壤鹽分均屬中等變異強度；土壤含水量在西北部屬強變異性，而東北、東南和西南部均屬中等變異強度；土壤pH在不同區(qū)域內均屬弱變異強度.

2）通過半方差函數分析，除了西北部土壤鹽分比較符合球狀模型外，其它不同區(qū)域土壤鹽分、含水量和pH半方差理論模型都比較符合高斯模型；不同區(qū)域上的土壤鹽分、含水量與pH的空間分布都是由結構性因素（如地形、母質、氣候和土壤類型等）起主導作用；Moran's I系數分析表明西南部土壤鹽分、含水量和pH的Moran's I系數比其它方位的波動較大，空間相關性較強，這與氣候、地貌、微地形、土壤類型等因素密切相關.

3）研究區(qū)表層土壤鹽分、含水量和pH的空間分布多呈現不規(guī)則條帶狀格局.土壤鹽漬化程度以鹽土面積最大，重度鹽化土次之.致謝：感謝張小萌師兄、王盼盼師姐、杜改俊師姐、馬雯在野外采集樣品與室內實驗分析所做的指導與幫助.

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Analysis of the spatial variability of soil moisture and salinity in Ebinur Lake wetlands，Xin?jiang

ZHAO Mingliang1，2，LI Yanhong1，2??&LI Fadong1，2，3
（1：College of Geographic Science and Tourism，Xinjiang Normal University，Urumqi 830054，P.R.China）（2：Key Laboratory of Xinjiang Uygur Autonomous Region；Xinjiang Laboratory of Lake Environment and Resources in Arid Area，Urumqi 830054，P.R.China）（3：Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research，Beijing 100101，P.R.China）

Systematic research of soil water and salt is commonly lack in previous studies for the Lake Ebinur，thus in this study，in order to reveal the spatial distribution characteristics of soil degradation degree in the Lake Ebinur wetland，by taking the lake side of a distance to the Lake Ebinur 5-15 km，a circle area of 160 km2as research area.The spatial variability of soil salinity，pH and moisture in the surface layer（0-20 cm）of in the circle sampling area of Lake Ebinur was analyzed by using traditional statistics and geo-statistics.The results indicated that the variation in salinity was moderate in the different directions.The soil moisture in the Northeast，Southeast and Southwest belongs to the medium variation intensity，while the northwest belongs to strong variability.The soil pH of different directions has weak variation.Except that the soil salinity of northwest follows with the spherical model，soil salinity，water content and pH in other different directions were in line with the Gaussian model.Soil salinity，water content and pH of different directions showed strong spatial autocorrelation，which were mainly affected by structural factors.Moran's I coefficient analysis proved that soil salinity in the southwest，water content and pH was stronger in spatial correlation than that in the other directions.The natural factors including winds，drought，water scarcity，desertification，salinization，and human activities including diversion cofferdam，planting drought-resistant and salt-tolerant plants，were contributed to sampling area of Lake Ebinur

Lake Ebinur wetland；moisture and salt；semi-variance；spatial change ability

J.Lake Sci.（湖泊科學），2016，28（6）：1328-1337

DOI 10.18307／2016.0618

?2016 by Journal of Lake Sciences