徐存東，張 銳，王榮榮，高懿偉，程 昱，田俊姣，劉 輝

(1.華北水利水電大學(xué)，水利學(xué)院，河南 鄭州 450045；2.水資源高效利用與保障工程河南省協(xié)同創(chuàng)新中心， 河南 鄭州 450046；3. 河南天池抽水蓄能有限公司，河南 南陽 473000)

0 引 言

我國西北等干旱半干旱區(qū)通過發(fā)展引水提灌工程以開發(fā)大量荒蕪的土地資源，然而，隨著工程不斷上水運(yùn)行，誘發(fā)了大面積的土壤鹽漬化[1]。干旱灌區(qū)下墊面和水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、土壤的空間變異性以及人類活動的不確定性致使土壤鹽漬化呈現(xiàn)空間異質(zhì)性， 當(dāng)前，在我國西北等鹽漬化干旱灌區(qū)，由引黃灌溉造成的次生鹽漬化和土壤鹽漬化問題已成為該地區(qū)的主要生態(tài)環(huán)境問題[2]。開展我國西北等干旱灌區(qū)的土壤鹽漬化特征研究，具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。國內(nèi)外學(xué)者針對土壤鹽分空間分異及鹽漬化特征做了大量研究。史曉霞等通過構(gòu)建CA動態(tài)模型對土壤鹽漬化時(shí)空演變進(jìn)行模擬[3]。范曉梅等采用灰色關(guān)聯(lián)度模型，分析了不同鹽漬化類型主導(dǎo)的環(huán)境要素，得出土壤中鹽分積累的過程是一系列作用于不同尺度上自然和人為因素相互疊加的結(jié)果[4]。史海濱等綜合運(yùn)用描述性統(tǒng)計(jì)、表聚系數(shù)、地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)和聚類分析，系統(tǒng)地研究了節(jié)水改造前后河套灌區(qū)土壤剖面鹽分特征和空間分布規(guī)律[5]。R Aragüés等將灌區(qū)土壤鹽度與物理特征及灌溉管理建立聯(lián)系得出鹽漬化治理的有效方法[6]。KZ Jadoon等通過多組分電磁干擾聯(lián)合反演，定量估算了土壤鹽分的分布規(guī)律，且對土壤鹽分分布格局進(jìn)行了初步的探索[7]。這些研究為土壤鹽漬化的形成機(jī)理及空間分異的揭示提供了有益指導(dǎo)。目前，雖有學(xué)者利用不同的方法分析了干旱區(qū)土壤全鹽量、電導(dǎo)率、鹽離子的關(guān)系[8-11]，但是在區(qū)域土壤鹽漬化所主導(dǎo)的特征因子等方面的研究尚顯不足。

本研究以景泰川電力提灌灌區(qū)(以下稱“景電灌區(qū)”)為研究區(qū)，應(yīng)用主成分分析法對灌區(qū)內(nèi)土壤鹽漬化特征進(jìn)行研究，探明研究區(qū)內(nèi)各鹽分離子與全鹽量之間的相關(guān)關(guān)系以及主導(dǎo)鹽漬化的特征因子。研究成果可為我國西北等干旱半干旱區(qū)的土地可持續(xù)利用提供理論依據(jù)，并對類似區(qū)域土壤鹽漬化治理和調(diào)控提供有益參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

景電灌區(qū)地處我國西北干旱荒漠區(qū)，地理區(qū)域?yàn)闁|經(jīng)103°20′～104°04′，北緯37°26′～38°41′之間，是連接甘、寧、蒙三省的交界地帶，其特殊的地理位置和特定的自然環(huán)境，決定了該區(qū)域的水土環(huán)境問題直接關(guān)系到阻止沙漠南移和防止周邊土地的深度荒漠化等區(qū)域環(huán)境安全問題。灌區(qū)多年平均降雨量185.6mm，多年平均蒸發(fā)量2 365.92 mm，灌區(qū)總控制灌溉面積約6.51 萬hm2，耕地表層為100～150 cm的風(fēng)成黃土，含鹽量較高，其下為紅色砂巖，在黃土與砂礫之間有一層厚約30～50 cm的紅銹色泥質(zhì)膠結(jié)砂層，這層泥質(zhì)膠結(jié)砂層結(jié)構(gòu)較密，隔水性強(qiáng)，阻止了鹽分隨水下滲，導(dǎo)致土壤鹽分向表層聚集，造成大量耕地出現(xiàn)嚴(yán)重的次生鹽漬化問題[12]。干旱的氣候條件、低平封閉的地形、土壤母質(zhì)含鹽量高和不合理的耕作、灌溉、施肥措施等是土壤鹽漬化形成的主要原因[13]。

圖1 研究區(qū)位置圖Fig.1 Research area location map

1.2 土樣采集與分析

1.2.1 典型采樣點(diǎn)選取

本文采用GIS定位技術(shù)，以研究區(qū)土壤類型圖及灌區(qū)圖作為參考依據(jù)進(jìn)行采集，在選取典型采樣點(diǎn)時(shí)，綜合考慮了土地利用類型、土壤、氣候條件、植被覆蓋類型以及土壤鹽漬化程度等因素。本實(shí)驗(yàn)以景泰縣上沙窩鎮(zhèn)紅耀村作為典型采樣區(qū)，該區(qū)域內(nèi)土地的覆蓋類型以及植被類型均較為齊全，為丘陵溝谷區(qū)，便于采集且代表性較強(qiáng)，選取的典型采樣點(diǎn)位置見圖2。

圖2 采樣點(diǎn)位置圖Fig.2 The sampling location map

1.2.2 土樣采集與分析

土壤樣品采集的時(shí)間為2016年10月10日至20日，該時(shí)間段土壤鹽分的變化相對穩(wěn)定，基本不會受到灌水和凍融的影響，能夠代表整個(gè)采樣點(diǎn)耕地土壤鹽漬化狀況。

土樣采集首先要確定采樣點(diǎn)，采樣點(diǎn)的選取必須滿足土壤的理化性質(zhì)能夠在整個(gè)采樣點(diǎn)范圍內(nèi)具有一定代表性。本實(shí)驗(yàn)采樣點(diǎn)主要布設(shè)在新開墾鹽堿荒地、輕度鹽漬化耕地、重度鹽漬化耕地以及棄耕后的鹽堿荒地，并采用分層隨機(jī)取樣的現(xiàn)場取樣方法，采樣時(shí)運(yùn)用GPS對每個(gè)樣本點(diǎn)的位置進(jìn)行定位，在每個(gè)樣本點(diǎn)范圍內(nèi)分0～10，10～20，20～40，40～60，60～80，80～100 cm 6個(gè)土層進(jìn)行采樣，每個(gè)土層采集5個(gè)樣本，將相同土層的土樣混合均勻后作為該樣本點(diǎn)的土樣。每個(gè)樣本點(diǎn)均有6個(gè)土樣，共采集土樣90個(gè)。

1.3 主成分分析法

主成分分析是一種通過求解主成分，將原始指標(biāo)重新組成一組新的互相無關(guān)的幾個(gè)綜合指標(biāo)來代替原始指標(biāo)，利用幾個(gè)較少的綜合指標(biāo)反映原始指標(biāo)的一種多元統(tǒng)計(jì)學(xué)方法。假設(shè)有n個(gè)樣本，每個(gè)樣本p個(gè)指標(biāo)，記為X1，X2，…，Xp，主成分分析主要計(jì)算步驟如下：

(1)建立原始數(shù)據(jù)資料庫。

(2)將原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，用Z-score法對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)變化。

(1)

(2)

(4)

式中：xij為第i個(gè)分區(qū)第j個(gè)指標(biāo)的值；xj、Sj為第j個(gè)指標(biāo)的樣本均值和樣本標(biāo)準(zhǔn)差。

(3)求相關(guān)系數(shù)矩陣。

R=(rjk)p×p(j,k=1,2,…,p)

(5)

式中：rjk為指標(biāo)j和指標(biāo)k的相關(guān)系數(shù)。

(4)求相關(guān)矩陣R特征值和特征向量，確定主成分。若特征值記為：λ1≥λ2≥…≥λm≥0，相應(yīng)的單位特征向量為：

(6)

將標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)變量轉(zhuǎn)換為主成分：

Zi=α1iC1+α2iC1+…+αpiCp(i=1,2,…,p)

(7)

式中：Z1為第一主成分，Z2為第二個(gè)主成分，…，Zp為第p主成分。

2 結(jié)果與分析

2.1 TS垂直分布特征

研究區(qū)內(nèi)各土層土壤中土壤TS及變異系數(shù)分布特征見圖3。

圖3 土壤TS及其在剖面中的分布特征Fig.3 Soil salt content and vertical variation in soil profile

由圖3知，0～100 cm土壤深度內(nèi)各土層TS平均值均高于4.5 g/kg，表明研究區(qū)內(nèi)各個(gè)土層均處于鹽化狀態(tài)。由圖中土壤TS的變化趨勢來看，研究區(qū)內(nèi)0～40 cm土層中含鹽量隨著土壤深度的增加而呈現(xiàn)出降低趨勢，40～80 cm土層中含鹽量隨著土壤深度的增加而呈現(xiàn)出增加趨勢。從整個(gè)土壤剖面來看，土壤TS呈現(xiàn)出明顯的“S”型曲線分布。

變異系數(shù)是體現(xiàn)變量離散程度的重要指標(biāo)[17]，在一定程度上能夠揭示出變量的空間分布特性。按照變異系數(shù)大小可以對土壤變異程度進(jìn)行分級：當(dāng)變異系數(shù)<10%時(shí)，土壤呈現(xiàn)出弱變異性；當(dāng)變異系數(shù)在10%～100%之間時(shí)，土壤呈現(xiàn)出中等強(qiáng)度變異性；當(dāng)變異系數(shù)>100%時(shí)，土壤呈現(xiàn)出強(qiáng)變異性。土壤剖面TS的變異系數(shù)均介于75%～150%之間，說明土壤各層含鹽量均具有很強(qiáng)的變異性。表明了灌區(qū)內(nèi)鹽漬化耕地的土壤含鹽量極不均勻，具有較強(qiáng)的空間異質(zhì)性[18]。0～10 cm和60～80 cm土層的變異系數(shù)要明顯高于其他土層，這一現(xiàn)象主要是由灌區(qū)內(nèi)耕地制度以及土地利用方式存在的差異所導(dǎo)致。10～60 cm土層的變異系數(shù)值逐漸減小并趨于穩(wěn)定。

2.2 土壤鹽離子垂直分布特征

(1)陽離子分布特征。研究區(qū)內(nèi)各土層土壤中主要陽離子含量及其在剖面中的分布特征見圖4。

圖4 土壤中主要陽離子含量及其在剖面中的分布特征Fig.4 Major cations and vertical variation in soil profile

由圖4(a)知，在各土層中，Na+含量最高，在陽離子總量中所占比例介于37.98%～46.42%之間；Ca2+次之， Mg2+在陽離子總量中所占比例介于13.06%～23.22%之間；K+含量最低，僅占陽離子總量的8%左右。從陽離子在整個(gè)土壤剖面的分布趨勢來看，Na+、Mg2+、Ca2+含量在剖面中的分布態(tài)勢與TS的分布態(tài)勢基本一致，均呈出表層和底層高、中層低的趨勢。其中Na+、Ca2+含量最大值出現(xiàn)在60～80 cm土層，Mg2+含量最大值出現(xiàn)在80～100 cm土層，三種離子的最小值均出現(xiàn)在40～60 cm。另外，Na+、Ca2+含量的另一次峰值出現(xiàn)在0～10 cm土層，與TS一致，而Mg2+含量的另一次峰值出現(xiàn)在10～20 cm土層。K+含量在各土層間變化不大，在土壤垂直剖面上的分布趨勢較為穩(wěn)定。

由圖4(b)知，Na+、Ca2+、Mg2+的變異系數(shù)均介于95.61%～211.94%之間，表現(xiàn)出中高強(qiáng)度的空間變異性。其中Na+的變異系數(shù)呈現(xiàn)上層和中層高、下層低的趨勢，最大值出現(xiàn)在0～10 cm土層，最小值出現(xiàn)在60～80 cm土層；Ca2+的變異系數(shù)沒有明顯的規(guī)律性，最大值出現(xiàn)在20～60 cm土層，最小值與Na+相同，均出現(xiàn)在60～80 cm土層；而Mg2+的變異系數(shù)呈現(xiàn)出表層和底層高、中層低的趨勢，最大值出現(xiàn)在0～10 cm土層，最小值出現(xiàn)在40～60 cm土層；K+各土層的變異系數(shù)變化不大，介于34.34%～43.51%之間，空間變異強(qiáng)度較小，呈現(xiàn)弱變異性。 (2)陰離子分布特征。研究區(qū)內(nèi)各土層土壤中主要陰離子含量及其在剖面中的分布特征見圖5。

圖5 土壤剖面中主要陰離子含量及其在剖面中的分布特征Fig.5 Major anions and vertical variation in soil profile

2.3 土壤pH剖面分布

研究區(qū)內(nèi)各土層土壤中pH平均值及其變異系數(shù)分布特征見圖6。

圖6 土壤pH及其在剖面中的分布特征Fig.6 Soil pH and vertical variation in soil profile

由圖6知，研究區(qū)內(nèi)各土層土壤pH平均值均超過8.3，說明土壤鹽化特征比較明顯；從pH在整個(gè)土壤剖面中的分布趨勢可以看出，pH平均值呈現(xiàn)出由上至下逐層遞減的趨勢，但總體變化不大。研究區(qū)內(nèi)整個(gè)土壤剖面pH的變異系數(shù)均不高，均介于2.12%～2.91%之間，說明灌區(qū)內(nèi)土壤pH的空間變異性較小，分布較均勻。

2.4 0～10 cm土層各指標(biāo)間相關(guān)性分析

根據(jù)主成分分析法可得出0～10 cm土層剖面各指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)矩陣，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 0～10 cm土層各指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)矩陣Tab.1 The related coefficient matrix between the various indicators in 0～10 cm

注：*. 在 0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。**. 在0.01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。n=15。

2.5 0～10 cm土層各指標(biāo)間主成分分析

表2 0～10 cm土層鹽漬化主成分的特征根與方差貢獻(xiàn)率Tab.2 Eigenvalues and variance contributions of the principal components of soil salinization in 0～10 cm

表3 0～10 cm土層主成分的因子載荷矩陣(特征向量)Tab.3 Eigenvectors of the principal components in 0～10 cm

3 結(jié) 論

(1)研究區(qū)內(nèi)土壤鹽分呈現(xiàn)表聚和底聚的分布特征，整個(gè)土壤剖面鹽分表現(xiàn)為“S型”曲線分布特征，0～40 cm土層TS變化最為劇烈，40～100 cm土層TS表現(xiàn)為先增加后減小的趨勢；各土層TS均具有很強(qiáng)的變異性。

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