米合熱古麗·塔什卜拉提，塔西甫拉提·特依拜*，買買提·沙吾提，努爾麥麥提江·吾布力卡斯穆，夏 楠

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于田綠洲鹽漬土水、鹽、溫度季節(jié)變化規(guī)律與相關(guān)性研究①

米合熱古麗·塔什卜拉提1,2，塔西甫拉提·特依拜1,2*，買買提·沙吾提1,2，努爾麥麥提江·吾布力卡斯穆1,2，夏 楠1,2

(1新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830046； 2新疆大學(xué)綠洲生態(tài)教育部重點實驗室，烏魯木齊 830046)

以于田綠洲為研究區(qū)，借助 ENVI 5.1、ArcMap 10.2、Origin 8.5、SPSS 20.0，同時結(jié)合野外實測數(shù)據(jù)，對鹽漬土不同土層(0 ~ 20、20 ~ 40、40 ~ 60、60 ~ 80、80 ~ 100 cm)的土壤含水量、溫度、電導(dǎo)率的變化規(guī)律及相關(guān)性進行了研究。結(jié)果表明：研究區(qū)土壤含水量、溫度、電導(dǎo)率從6月到8月呈升高趨勢，綠洲南部和北部地區(qū)的5、8號點在60 ~ 80、80 ~ 100 cm土層的土壤含水量最高，8、22號點表層(0 ~ 20 cm)土壤電導(dǎo)率最高，而南部和西部地區(qū)的5、22號點在40 ~ 60 cm土層的土壤電導(dǎo)率最高；秋季和夏季的土壤含水量、溫度、電導(dǎo)率均高于冬季和春季。研究區(qū)西部的16、22號點各土層的含水量與電導(dǎo)率呈顯著正相關(guān)，在60 ~ 80 cm土層的土壤含水量與電導(dǎo)率的相關(guān)性最強，相關(guān)系數(shù)分別為0.970**、0.987**。

于田綠洲；土壤含水量；土壤電導(dǎo)率；土壤溫度；相關(guān)分析

土壤水分、鹽分、溫度不僅是土壤的重要組分，更是作物生長、發(fā)育的必要條件，且在熱量平衡和土壤水鹽運移中扮演極為關(guān)鍵角色[1]。對鹽漬土而言，土壤鹽分狀況與土壤水分含量、溫度密切相關(guān)，因此，研究干旱區(qū)綠洲土壤水、鹽、溫度的時空分布狀況對綠洲生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定性和農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有十分重大的影響[2]。近些年來隨著人口的增長、經(jīng)濟和技術(shù)水平的提高，大規(guī)模的開荒造田，加上管理不當(dāng)引起土壤發(fā)生次生鹽漬化，給綠洲農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來嚴重的損失。面對嚴峻的綠洲生態(tài)保護形勢，已有學(xué)者運用3S技術(shù)對鹽漬土的空間變異特征開展了相關(guān)的研究。王卓然等[3]分析了黃河三角洲墾利縣土壤水鹽狀況及空間變異規(guī)律，研究指出土壤含鹽量由表層至底層呈上升趨勢，且各層土壤含鹽量呈顯著正相關(guān)性。馬成霞等[4]利用Kriging空間插值法分析了渭庫綠洲土壤3個剖面各土層(0 ~ 10、10 ~ 30、30 ~ 50 cm)的土壤電導(dǎo)率、含水量、含鹽量、pH的空間異質(zhì)性。李從娟等[5]分析了古爾班通古特沙漠土壤水分與化學(xué)性質(zhì)的空間分布及相互關(guān)系，研究認為土壤水分、pH 和電導(dǎo)率隨著土層深度增加而增加。冉啟洋等[6]對塔里木河上游綠洲土壤表層鹽分特征進行了研究，認為在研究區(qū)內(nèi)鹽分指標(biāo)影響最大的是Cl–和Na+。劉國華等[7]、吳雪梅等[8]、宋玉等[9]研究認為于田綠洲土壤表層含鹽量春季到夏季有相同的變化趨勢，在綠洲內(nèi)部含鹽量較低，土壤堿性小，而綠洲外圍地區(qū)含鹽量較高，相應(yīng)的堿性較高。

于田綠洲位于塔里木盆地克里雅河流域，南部為高大的山脈，北部為廣闊的塔克拉瑪干沙漠，受大陸性氣候長期作用和山盆相間地貌格局的影響，發(fā)育著典型的綠洲-荒漠生態(tài)系統(tǒng)[10-11]。近年受人類活動的強烈影響，在開墾后由于不科學(xué)的灌溉方式，導(dǎo)致了土壤鹽漬化程度的加重，進而阻礙了當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟的發(fā)展[12]。從已有的研究成果來看，對于田綠洲土壤鹽分、含水量、電導(dǎo)率、pH的空間變異特征、地下水埋深及礦化度等方面進行了較為單一的分析，很少從土壤水鹽運移的角度探討綠洲生態(tài)安全效應(yīng)，對于田綠洲土壤水、鹽、溫度的相關(guān)性研究也鮮為少見[13]。因此，筆者以于田綠洲為靶區(qū)，在當(dāng)前背景下，分析了綠洲土壤水、鹽、溫度的季節(jié)性變化規(guī)律及相關(guān)性，為于田綠洲生態(tài)環(huán)境規(guī)劃、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展等提供一定的參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

于田綠洲地處新疆和田地區(qū)，屬于暖溫帶內(nèi)陸干旱性沙漠氣候，位于塔克拉瑪干沙漠南緣，昆侖山以北，是以灌溉農(nóng)業(yè)為主的中等小縣[14]，總面積40 320 km2，地勢南高北低，自南向北形成高山、戈壁、沙漠等地貌單元，有典型的冰川、凍土、火山、沙漠等地貌類型。該地區(qū)四季分明，晝夜溫差大，熱量資源豐富，光照充足，降水稀少，蒸發(fā)量大，春夏多風(fēng)沙和沙塵等災(zāi)害天氣；多年平均氣溫為11.6 ℃，年平均降水量47.7 mm，蒸發(fā)量是2 432.1 mm，年平均相對溫度42%，日照率為62%，大部分灌區(qū)多年平均無霜期為213 d[15]。于田縣鹽土面積為5 540 hm2，占土地普查面積的10.8%，鹽漬化主要分布在沖積扇中下部灌溉綠洲所在地，在扇緣帶具有潛水溢出，潛水礦化度較高，鹽漬化土壤主要分布在這一帶，植被種類貧乏，群落結(jié)構(gòu)簡單，自然植被以胡楊、檉柳等耐干旱、耐鹽漬植物為主[16]。

圖1 研究區(qū)示意圖

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)獲取

鹽漬土的發(fā)生受區(qū)域性因素的制約和影響，積鹽脫鹽過程存在差異，對植物和農(nóng)作物生長發(fā)育的影響也不盡相同[17-18]。除此之外，降水稀少的干旱區(qū)，農(nóng)田灌區(qū)主要依靠引水灌溉，由于灌溉和排水的作用，土壤鹽分、水分、溫度呈現(xiàn)季節(jié)性波動[19]。考慮到土壤鹽漬化的地域性和樣品的代表性、土壤鹽分積累狀況、數(shù)據(jù)的完整性，從2014年7月1日至2015年6月30日開展于田綠洲野外考察活動。根據(jù)該地區(qū)的土地利用方式、土壤類型、土壤鹽漬化程度和農(nóng)田水利情況等因素，在農(nóng)田、綠洲與荒漠交錯帶、棄耕地、未利用地等不同土地利用類型中布置采樣點(圖1)，用WET土壤水分溫度電導(dǎo)率速測儀測定深度為0 ~ 20、20 ~ 40、40 ~ 60、60 ~ 80、80 ~ 100 cm土壤剖面的含水量、電導(dǎo)率和溫度。根據(jù)土壤鹽漬化分級標(biāo)準(表1)，各采集樣點的鹽漬化等級及相關(guān)描述見表2。

表1 土壤鹽漬化等級分類

表2 采樣點含鹽量、鹽漬化等級、土地利用類型及地表特征

2.2 數(shù)據(jù)處理

所用數(shù)據(jù)用Microsoft Excel 2010、Origin 8.5、SPSS 20.0軟件系統(tǒng)處理。采用單因素方差分析ANOVA Tukey's HSD (Honestly significant difference)對數(shù)據(jù)進行方差分析和差異顯著性檢驗(<0.05)。采用Pearson 相關(guān)分析法對土壤含水量、溫度、電導(dǎo)率進行相關(guān)分析，同時結(jié)合Origin 8.5和SPSS 20.0進行制圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤含水量、電導(dǎo)率和溫度的垂直變化

研究區(qū)農(nóng)田、綠洲與荒漠交錯帶、棄耕地、未利用地所對應(yīng)的5、8、16、22號采樣點在0 ~ 20、20 ~ 40、40 ~ 60、60 ~ 80、80 ~ 100 cm土層的土壤含水量、溫度、電導(dǎo)率的變化狀況如圖2 ~ 6所示。由圖2 ~ 6可知，各采樣點溫度的變化規(guī)律基本相似，但土壤含水量和電導(dǎo)率變化規(guī)律均存在顯著的差異。在 6—8 月，土壤含水量的變化幅度最大，5、8、22號點(圖2)表層(0 ~ 20 cm)土壤含水量、溫度、電導(dǎo)率從2014年6月至8月均呈升高趨勢，而16號點表層(0 ~ 20 cm)土壤含水量、電導(dǎo)率從2014年6月底開始呈降低趨勢，從2015年3月開始呈升高趨勢。5、16號點(圖3)在20 ~ 40 cm土層的土壤含水量與電導(dǎo)率的變化規(guī)律相似，而研究區(qū)北部的8號點在土層20 ~ 40 cm的土壤含水量與電導(dǎo)率的變化趨勢相反，22號點的土壤含水量低但電導(dǎo)率高。5、8、22號點(圖4)在40 ~ 60 cm土層的土壤含水量和電導(dǎo)率呈降低趨勢，而16號點的土壤含水量與電導(dǎo)率呈逐漸升高趨勢；5、8、16、22號點(圖5、圖6)在60 ~ 80、80 ~ 100 cm土層范圍的含水量最高。總體來看，垂直方向上，土壤含水量在 0 ~ 100 cm 的變化由表層至深層逐漸增加，土壤電導(dǎo)率在垂直方向上的變化與土壤含水量的變化相似[20]。

3.2 土壤含水量、電導(dǎo)率和溫度的季節(jié)變化

圖2 ~ 6顯示了不同土層土壤含水量、溫度、電導(dǎo)率在2014 年7月1日至2015年6月30日的變化。12 月初，由于溫度的降低，土壤表層開始發(fā)生凍結(jié)，凍結(jié)深度隨著時間的推移逐漸加深，土壤水分逐漸降低，并在土壤完全凍結(jié)的時候達到最小值。2 月下旬，氣溫回升，進入土壤的解凍期。土壤消融是從凍結(jié)土體的上部和下部同時消融的，但土壤凍結(jié)深度一般在 80 ~ 100 cm[21]。3月下旬至 9 月下旬，在20 ~ 40、40 ~ 60 cm土層含水量的變化具有類似的趨勢：先降低、再升高、再降低。比較各采樣點，秋季5、22號點(圖6)在80 ~ 100 cm土層的含水量和溫度高于8、16號點，而8、16、22號點不同土層的含水量、溫度和電導(dǎo)率的變化幅度較大。夏季8、16號點(圖2)在0 ~ 20 cm土層的含水量高于5、22號點。5號點(圖4)40 ~ 60 cm土層和8號點(圖2)0 ~ 20 cm土層的土壤電導(dǎo)率冬季和春季高于秋季和夏季，而16號點(圖2)0 ~ 20 cm土層和22號點(圖4)40 ~ 60 cm土層秋季明顯高于冬季、春季和夏季。各采樣點土壤含水量、溫度、電導(dǎo)率年內(nèi)變化趨勢基本一致，表現(xiàn)為先增大后減小，季節(jié)性變化顯著；同時土壤含水量年內(nèi)波動非常劇烈。此外，枯水期土壤含水量整體偏低，豐水期6—8月隨著地下水位的大幅上升，上升毛管水對土壤水的補給量增大，土壤含水量、電導(dǎo)率迅速增加，之后地下水位下降，土壤含水量也逐漸降低。由此可知，土壤含水量、電導(dǎo)率有明顯的季節(jié)性周期變化。

3.3 土壤含水量、電導(dǎo)率和溫度的相關(guān)分析

為了直觀反映于田綠洲土壤剖面鹽漬化特征與鹽漬化主要參數(shù)之間的相互關(guān)系，對各采樣點分不同土層進行Pearson相關(guān)分析，得出土壤含水量、電導(dǎo)率、溫度的相關(guān)性特征及相關(guān)系數(shù)。土壤含水量()與溫度(1)、電導(dǎo)率(2)的回歸系數(shù)置信度為95%，相對誤差在15% 以內(nèi)，對回歸直線進行顯著性檢驗，檢驗的值為2.0-5，可知在顯著水平= 0.01下，可以認為線性關(guān)系顯著[21]，各土層土壤含水量、溫度、電導(dǎo)率的三維散點圖見圖7 ~ 11，變量之間的相關(guān)系數(shù)如表3 ~ 5所示。

在0 ~ 20 cm土層，相關(guān)分析結(jié)果(如表3 ~ 5和圖7)顯示，研究區(qū)西部的16、22號點土壤含水量與電導(dǎo)率呈顯著或極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.934**、0.951**，其相關(guān)性明顯高于5、8號點，5號點的土壤含水量與土壤電導(dǎo)率的相關(guān)系數(shù)為0.628**，而8號點的相關(guān)系數(shù)僅0.049。當(dāng)含水量一定的條件下，土壤的電導(dǎo)率和土壤的溶液電導(dǎo)率存在線性關(guān)系，因此可直接用土壤的電導(dǎo)率來確定溶質(zhì)的含量及遷移，但在含水量變化較大的情況下，土壤體電導(dǎo)率與含水量密切相關(guān)[22]。8、22號點的土壤含水量與溫度呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.916**、0.831**，16號點的土壤含水量與溫度呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)0.665**，而5號點的土壤含水量與溫度呈負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)–0.082。16、22號點的土壤溫度與電導(dǎo)率呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.383**、0.722**，而5、8號點的土壤溫度與電導(dǎo)率呈負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為–0.122、–0.343*。這說明研究區(qū)各采樣點表層土壤溫度和電導(dǎo)率對土壤含水量有顯著影響。

圖2 0 ~ 20 cm土層土壤含水量、溫度和電導(dǎo)率的變化規(guī)律(2014年7月7日—2015年6月30日)

圖3 20 ~ 40 cm土層土壤含水量、溫度和電導(dǎo)率的變化規(guī)律(2014年7月7日—2015年6月30日)

圖4 40 ~ 60 cm土層土壤含水量、溫度和電導(dǎo)率的變化規(guī)律(2014年7月7日—2015年6月30日)

圖5 60 ~ 80 cm土層土壤含水量、溫度和電導(dǎo)率的變化規(guī)律(2014年7月7日—2015年6月30日)

圖6 80 ~ 100 cm土層土壤含水量、溫度和電導(dǎo)率的變化規(guī)律(2014年7月7日—2015年6月30日)

在 20 ~ 40 cm土層，相關(guān)分析結(jié)果(表3 ~ 5和圖8)顯示，5、16、22號點的土壤含水量與電導(dǎo)率呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.774**、0.969**、0.934**，而研究區(qū)北部的8號點土壤含水量與電導(dǎo)率呈顯著負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為–0.627**。16、22號點的土壤含水量與溫度呈顯著或極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.965**、0.924**，8號點的土壤含水量與溫度的相關(guān)系數(shù)為0.178，而5號點的土壤含水量與溫度呈負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為–0.089。16、22號點的土壤溫度與電導(dǎo)率呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.874**、0.745**，而5、8號點的土壤溫度與電導(dǎo)率呈負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為–0.447**、–0.337*。這說明研究區(qū)西部的16、22號點在20 ~ 40 cm土層電導(dǎo)率與溫度對土壤含水量有顯著影響。

在 40 ~ 60 cm土層，相關(guān)分析結(jié)果(表3 ~ 5和圖9)顯示，5、16、22號點的土壤含水量與電導(dǎo)率呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.813**、0.887**、0.996**，8號點的土壤含水量與電導(dǎo)率的相關(guān)系數(shù)為0.171。8、16、22號點的土壤含水量與溫度呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.862**、0.979**、0.744**，而研究區(qū)南部的5號點的土壤含水量與溫度呈負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)–0.273*。16、22號點的土壤溫度與電導(dǎo)率呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.785**、0.713**。5、8號點的土壤溫度與電導(dǎo)率呈負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為–0.357**、–0.341*。由此，研究區(qū)西部的16、22號點在40 ~ 60 cm土層土壤電導(dǎo)率與溫度對含水量有顯著影響。

在 60 ~ 80 cm土層，相關(guān)分析結(jié)果(表3 ~ 5和圖10)顯示，研究區(qū)各采樣點土壤含水量與電導(dǎo)率呈顯著或極顯著正相關(guān)，其中16、22號點的土壤含水量與電導(dǎo)率之間的相關(guān)性較強，相關(guān)系數(shù)為0.970**、0.987**。8、16、22號點的土壤含水量與溫度呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.778**、0.973**、0.733**，而5號點的土壤含水量與溫度的相關(guān)性不明顯，相關(guān)系數(shù)僅0.065。研究區(qū)西部的16、22號點的土壤溫度與電導(dǎo)率呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.895**、0.773**，而5、8號點的土壤溫度與電導(dǎo)率相關(guān)性不明顯，相關(guān)系數(shù)分別為–0.072、0.068。說明研究區(qū)西部的16、22號點在60 ~ 80 cm土層電導(dǎo)率與溫度對土壤含水量有顯著影響。

在 80 ~ 100 cm土層，相關(guān)分析結(jié)果(表3 ~ 5和圖11)顯示，研究區(qū)各采樣點的土壤含水量與電導(dǎo)率、溫度之間呈顯著正相關(guān)，土壤含水量與土壤電導(dǎo)率的相關(guān)系數(shù)分別為0.715**、0.769**、0.890**、0.959**，而8、16號點土壤含水量與溫度的相關(guān)系為數(shù)0.799**、0.953**，且明顯大于5、22號點的相關(guān)系數(shù)。各采樣點的土壤溫度與電導(dǎo)率之間的的相關(guān)系數(shù)分別為0.482**、0.247、0.754**、0.612**。說明隨著土層深度的加深，土壤電導(dǎo)率對土壤含水量的影響比較明顯，而土壤溫度對土壤含水量的影響不太顯著。

圖9 40 ~ 60 cm土層土壤含水量、溫度和電導(dǎo)率的三維散點圖

圖10 60 ~ 80 cm土層土壤的含水量、溫度和電導(dǎo)率的三維散點圖

圖11 80 ~ 100 cm土層土壤含水量、溫度和電導(dǎo)率的三維散點圖

表3 土壤含水量與電導(dǎo)率之間的相關(guān)性

注： *表示在<0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)，**表示在<0.01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)，=53；下同。

表4 土壤含水量與溫度之間的相關(guān)性

表5 土壤溫度與電導(dǎo)率之間的相關(guān)性

4 結(jié)論

研究結(jié)果顯示，在 6 ~ 8 月，研究區(qū)5、8、22號點表層（0 ~ 20 cm）土壤含水量、溫度、電導(dǎo)率呈升高趨勢，而16號點表層（0 ~ 20 cm）土壤含水量和電導(dǎo)率呈降低趨勢，5、8、16、22號點在土層60 ~ 80、80 ~ 100 cm范圍的含水量最高。總體來看，土壤含水量在 0 ~ 100 cm 的變化由表層至深層逐漸增加，土壤電導(dǎo)率在垂直方向上的變化與土壤含水量的變化相似，各采樣點土壤含水量、溫度、電導(dǎo)率年內(nèi)變化趨勢基本一致，表現(xiàn)為先增大后減小，季節(jié)性變化顯著。同時土壤含水量年內(nèi)波動較大。在80 ~ 100 cm土層，研究區(qū)各采樣點的土壤含水量、電導(dǎo)率和溫度之間呈顯著正相關(guān)，土壤含水量與土壤電導(dǎo)率的相關(guān)系數(shù)分別為0.715**、0.769**、0.890**、0.959**，土壤溫度與電導(dǎo)率之間的的相關(guān)系數(shù)分別為0.482**、0.247、0.754**、0.612**。

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On Seasonal Variation and Correlation of Saline Soil Water, Salt, and Temperature in Yutian Oasis of Xinjiang, China

MIHRIGVL Tashpolat1,2, TASHPOLAT Tiyip1,2*, MAMAT Sawut1,2, NURMAMAT Ubulkasim1,2, XIA Nan1,2

(1 College of Resources and Environment Science, Xinjiang University, Urumqi 830046, China; 2 Key Laboratory of Oasis Ecology Ministry of Education, Xinjiang University, Urumqi 830046, China)

This paper quantitatively analyzed the seasonal variation and correlation of saline soil water, salt and temperature inYutian Oasis, located in southern Tarim Basin of Xinjiang by using ENVI 5.1, ArcMap10.2, Origin 8.5 and SPSS 20.0 software and the measured data of soil water contents, electrical conductivities and temperatures in different layers of soil profiles in different sites. The results showed that soil water contents, temperatures and electrical conductivities in all layers of all soil profiles increased gradually from June to August. Water contents was highest in 60–100 cm layers in No.5 and No.8 sampling sites. Electrical conductivities were highest in 0–20 cm layers in No.8 and No. 22 sampling sites and in 40–60 cm layers in No.5 and No.22 sampling sites. Water contents, temperatures and electrical conductivities in all layers of all soil profiles were higher in Autumn and Summer than in Winter and Spring. Soil water contents and electrical conductivities of No.16 and No.22 sampling sites had significantly positive correlations, and the correlation coefficients were the highest in 60–80 cm layers, which were 0.970** and 0.987**, respectively. The above results indicate that the analyses on the seasonal variation and correlation of saline soil water, salt and temperature is helpful for the rapid diagnose of soil salinization, and they can provide the reference and guidance for the sustainable development of ecological environment and agriculture in Yutian Oasis.

Yutian oasis; Soil water content; Soil temperature; Soil electrical conductivity; Correlation analysis

國家自然科學(xué)基金新疆聯(lián)合項目(U1138303)和國家自然科學(xué)基金項目(41561089)資助。

(tash@xju.edu.cn)

米合熱古麗·塔什卜拉提(1990—)，女(維吾爾族)，新疆烏魯木齊人，碩士研究生，主要從事干旱區(qū)資源與環(huán)境遙感應(yīng)用研究。E-mail: 2630768082@qq.com

10.13758/j.cnki.tr.2018.01.022

K90

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