丁邦新,白云崗,劉雪艷,陳星星,劉洪波,肖 軍

(1.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；2.新疆水利水電科學(xué)研究院，新疆 烏魯木齊 830049)

土壤鹽漬化是世界各國普遍存在的問題，尤其在低降雨量和高蒸發(fā)量的干旱、半干旱地區(qū)鹽漬化問題更為嚴(yán)重[1]。新疆地處中國的西北部，極端干旱的氣候使得新疆成為了土壤鹽漬化大區(qū)，鹽堿土種類繁多，被稱為世界鹽堿土的博物館[2]。鹽堿危害造成新疆部分土地退化，植被衰退，形成大量中、低產(chǎn)田，使大面積土壤資源難以利用，農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力下降，嚴(yán)重影響了農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。新疆鹽堿化耕地約133.33萬hm2，近1/3耕地鹽堿化，其中80%以上為土壤次生鹽堿化，除伊犁河谷、阿勒泰地區(qū)和塔城部分地區(qū)土壤鹽堿化較輕之外， 其他地區(qū)土壤均有不同程度鹽堿化， 天山南麓、塔里木盆地西部各灌區(qū)最為嚴(yán)重，一些耕地由于次生鹽堿化加重而被棄耕[3]。

塔里木河下游段位于塔克拉瑪干沙漠東北部，包括恰拉水庫以下至臺特馬湖的區(qū)域[4]。由于地處典型的極端干旱區(qū)，生態(tài)環(huán)境十分脆弱，加之長期以來人類對中、上游流域自然資源的不合理利用，導(dǎo)致地處流域尾閭的下游沿岸灌區(qū)生態(tài)環(huán)境急劇惡化[5-6]，土壤次生鹽漬化問題十分突出。近年來，關(guān)于塔里木河下游流域的研究主要集中在輸水工程后地下水特征分析[7]、生態(tài)恢復(fù)等方面[8]，已有的土壤鹽漬化相關(guān)研究也主要是針對塔里木河下游流域尺度來開展的[9-11]，對沿岸灌區(qū)尺度土壤鹽分空間變異特征的研究較少，并且春季是作物播種出苗的季節(jié)，棉花易受鹽害，影響出苗和生長，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成較大的影響，掌握灌區(qū)春季土壤的鹽漬化程度對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)調(diào)控具有重大意義。因此，本研究采用地統(tǒng)計學(xué)與GIS技術(shù)相結(jié)合，對塔里木河下游新疆第二師三十一團綠洲灌區(qū)春季土壤鹽分空間變異特征進行研究，以期為合理的管理和調(diào)控土壤水鹽提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

新疆第二師三十一團位于塔克拉瑪干沙漠東北邊緣的塔里木河與孔雀河下游沖積平原，地處新疆巴州尉犁縣境內(nèi)，地理坐標(biāo)為85°24′E～88°30′E，39°30′N～42°20′N。西與尉犁縣塔里木鄉(xiāng)接壤，東與三十三團相鄰，北以孔雀河南岸的沙包起伏區(qū)為界，南以塔里木河為界。海拔高度820～1 100 m，屬暖溫帶大陸性荒漠氣候，光熱資源豐富，降雨稀少且四季分布不均，晝夜溫差大，多風(fēng)沙和浮塵天氣。夏季炎熱而干燥，降雨量年際變化大，多年平均降雨量53.3～62.7 mm，多年平均蒸發(fā)量2 273～2 788 mm，日照時數(shù)3 036.2 h，≥10℃的年積溫4 121℃，無霜期191 d。三十一團現(xiàn)有灌溉面積0.75萬hm2，大部分耕地處于卡拉水庫下游，以種植棉花和香梨為主，灌區(qū)內(nèi)土壤質(zhì)地較輕，以壤土、沙壤土為主，土壤類型主要為風(fēng)沙土、鹽土和堿土。灌區(qū)內(nèi)的土地構(gòu)成呈耕地和荒地相間分布格局，塔里木河原支流卡拉河曾蜿蜓穿過團場中部，把場區(qū)切割成南北兩半，形成許多“半島”。并且卡拉河周期性洪水沖刷，使區(qū)內(nèi)形成許多曲折的大小干溝和洼地，中部分布著許多土包起伏區(qū)，地形復(fù)雜，土地利用率低，不利于整體規(guī)劃。另外三十一團地處塔克拉瑪干沙漠與庫木塔格沙漠之間，塔里木河和孔雀河兩河下游河床歷史上多次改道，使古河道在墾區(qū)蜿蜓分布，荒漠植被稀少，風(fēng)沙活動異常強烈，致使墾區(qū)廣泛分布著大小沙丘和成片壟崗?fù)莸?，地形起伏不平，土壤鹽漬化、次生鹽漬化程度高。

1.2 樣品采集與測定

依據(jù)研究區(qū)的地理環(huán)境特征，于2018年3月中旬在三十一團范圍內(nèi)布設(shè)土壤取樣點45處(圖1)。土壤取樣點總體按從水庫出口沿水渠流向布設(shè)，同時考慮土壤類型以及在作物種植集中區(qū)域加密布點原則。土樣的采集采用人工挖掘的方式，每個位置土壤采樣層次分為0～20，20～40，40～60，60～80，80～100 cm。將采集的土樣分別裝入袋中并做好標(biāo)記，挑出雜物后，風(fēng)干，研磨，過篩備用。

土樣的測定方法：總鹽采用殘渣烘干質(zhì)量法；SO2-4采用EDTA間接滴定法測定；Cl-采用AgNO3滴定法測定；CO2-3，HCO-3采用雙指示劑中和法測定；Ca2+，Mg2+采用EDTA絡(luò)合滴定法測定；K++Na+采用陰陽離子平衡法計算而得。

1.3 研究方法

試驗數(shù)據(jù)使用SPSS 17.0進行描述性統(tǒng)計分析，并對數(shù)據(jù)進行Kolmogorov-Smirnov(K-S)檢驗，判斷數(shù)據(jù)是否符合正態(tài)分布。半方差函數(shù)擬合采用地統(tǒng)計學(xué)軟件GS+9.0進行，并根據(jù)擬合的模型及其參數(shù)，在Arcgis地理信息系統(tǒng)軟件的Geostatistical analyst模塊進行Kriging插值，生成二維空間分布圖。土壤鹽分的垂直分布圖使用Surfer 11進行處理及分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤鹽分及離子的統(tǒng)計特征分析

研究區(qū)種植的主要作物為棉花，采用膜下滴灌的方式。棉花根系的生長深度在0～60 cm之間，且膜下滴灌的最大濕潤范圍也在60 cm左右，故本研究的分析以根域?qū)油寥?0～60 cm)和深層土壤(60～100 cm)進行特征值的統(tǒng)計。從本次樣品測定值來看，0～60 cm土層及60～100 cm土層內(nèi)土壤鹽分含量差異較小，因此使用0～20、20～40、40～60 cm土壤鹽分含量的均值表示根域?qū)油寥利}分含量，60～80、80～100 cm土壤鹽分含量的均值來表示深層土壤(60～100 cm)鹽分含量。根據(jù)經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)方法，不同層次土壤鹽分、離子含量的統(tǒng)計特征值列于表1。

圖1 研究區(qū)及土壤樣點分布示意圖Fig.1 Location and distribution map of soil samples in the study area

變異系數(shù)(CV)反映的是相對變異，即隨機變量的離散程度。雷志棟等[12]研究表明，CV<0.1呈弱變異性，0.1≤CV≤1呈中等變異性，CV≥1呈強變異性；研究區(qū)不同深度土層土壤含鹽量及鹽分離子含量多屬于中等變異性，變異系數(shù)介于0.229～0.757之間，僅Ca2+離子在0～60 cm土層中表現(xiàn)出強變異性；從離子來看，0～60 cm土層的HCO-3、Cl-、SO2-4含量分別占陰離子總量的19.5%、23.9%、56.5%，Ca2+、Mg2+、K++Na+含量分別占陽離子總量的24.8%、7.6%、67.5%；60～100 cm土層的HCO-3、Cl-、SO2-4含量分別占陰離子總量的18.9%、23.9%、57.2%，Ca2+、Mg2+、K++Na+含量分別占陽離子總量的9.9%、24.7%、65.3%；各土層中陰離子均以SO2-4為主，陽離子均以K+和Na+為主。從偏度和峰度兩項指標(biāo)可以看出，研究區(qū)不同深度土層土壤鹽分含量、離子含量的正偏差值較大，均呈現(xiàn)右偏態(tài)和尖頂峰。不同深度土層的土壤鹽分、鹽分離子變異系數(shù)差別不大，主要陰、陽離子也相同。土壤pH值范圍在8.02～8.51之間，總體上呈微堿性；土壤理化性質(zhì)數(shù)據(jù)的正態(tài)分布檢驗是進行半方差函數(shù)計算和Kriging插值的前提，根據(jù)K-S非參數(shù)檢驗的P值可知，HCO-3、K++Na+服從正態(tài)分布，土壤鹽分、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO2-4符合經(jīng)過對數(shù)轉(zhuǎn)換后的正態(tài)分布。

表1 研究區(qū)不同層次土壤鹽分統(tǒng)計特征值(N=45)

注：*為對數(shù)轉(zhuǎn)換后的結(jié)果。 Note: * Indicates the result after logarithmic conversion.

2.2 土壤鹽分及離子的空間變異特征

使用SPSS 19.0軟件進行分析，用K-S檢驗對數(shù)據(jù)的正態(tài)分布進行了檢驗，并將不符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)在GS+地統(tǒng)計學(xué)軟件中進行了對數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)均符合正態(tài)分布，土壤鹽分的空間變異分析選取根域?qū)雍蜕顚舆M行分析，鹽基離子的空間變異分析只選擇根域?qū)觼磉M行分析。經(jīng)過選擇不同步長進行擬合，比較不同模型下的決定系數(shù)與殘差平方和，選出了R2最大且RSS最小的最佳理論模型，不同層次土壤的鹽分含量、根域?qū)与x子含量的半方差模擬模型及擬合參數(shù)見表2，地統(tǒng)計學(xué)分析的半方差函數(shù)見圖2。深層土壤鹽分含量、HCO-3、SO2-4含量符合指數(shù)模型，根域?qū)油寥利}分含量、Ca2+、Cl-含量符合高斯模型，Mg2+、K++Na+含量符合球狀模型。

表2 不同層次土壤的鹽分和根域?qū)与x子含量的半方差函數(shù)模型及相關(guān)參數(shù)

圖2 土壤全鹽及各離子的半方差函數(shù)擬合Fig.2 Semi-variance function curves of total salt and all ions

在半方差函數(shù)模型中，塊金值C0是由最小取樣距離內(nèi)土地利用、灌溉、施肥、管理水平等隨機因素共同引起的變異[13]。C為結(jié)構(gòu)方差，由土壤母質(zhì)、地形、地貌、氣候等非人為的結(jié)構(gòu)性因素引起的變異。C0+C為基臺值，是半方差函數(shù)隨間距遞增到一定程度后出現(xiàn)的平穩(wěn)值，表示系統(tǒng)內(nèi)總的變異[7]。由表2可知，土壤鹽分含量及各離子含量的塊金值、基臺值均為正值，范圍分別在0.005～0.151、0.0406～0.5160之間，說明存在著由采樣誤差或最小取樣距離內(nèi)土壤特性變異或固有變異引起的各種正基底效應(yīng)。但總鹽及各離子C0均較小，說明研究區(qū)由隨機變異、采樣誤差及距離誤差所引起的變量變異程度不大。塊金方差與基臺值的比C0/(C0+C)表示空間變異性的程度，是指由隨機性因素引起的空間變異占系統(tǒng)總變異的比例，該值越高，說明由隨機分布引起的空間變異性程度較大，相反則說明由結(jié)構(gòu)性因素引起的空間變異性程度較大，如果該比值接近1，則說明該變量在整個尺度上具有恒定的變異[14]。當(dāng)塊金方差與基臺值的比值小于25% 時，表現(xiàn)為強空間相關(guān)性；若在25%～75% 時則表現(xiàn)為中等程度空間相關(guān)性；比值大于75% 時則表現(xiàn)為弱空間相關(guān)性[15]。僅K+和Na+在整體上表現(xiàn)出較強的空間相關(guān)性，鹽分含量及其它各離子含量塊金方差與基臺值的比在27%～46%之間，表現(xiàn)出中等程度的空間相關(guān)性。各變量的變程值A(chǔ)在1.21～31.1 km之間，除根域?qū)欲}分和SO2-4外，其它離子的變程彼此間相差較小，各變量的空間自相關(guān)范圍具有很大的相似性。根域?qū)油寥利}分和SO2-4的變程值為31.1 km，相比其它離子具有更大范圍的空間自相關(guān)性。

2.3 土壤總鹽及離子的空間分布特征

2.3.1 土壤鹽分及離子含量的水平分布 為準(zhǔn)確直觀地描述各土層土壤含鹽量在空間上的分布特征，根據(jù)半方差函數(shù)的擬合模型及其參數(shù)繪制了鹽分含量及各離子含量的空間分布圖，如圖3所示。

研究區(qū)內(nèi)根域?qū)?0～60 cm)的土壤鹽分在西北部的含量較低，東南部的含量較高，變化范圍在2.28～3.27 g·kg-1。灌區(qū)的西北部處于恰拉水庫正下方，且離研究區(qū)西南部的邊界塔里木河較近。深層(60～100 cm)土壤鹽分含量的分布特征與根域?qū)油寥利}分含量剛好相反，西北部的含量較高，而東南部的含量較低，變化范圍在2.31～4.63 g·kg-1。研究區(qū)東北部土壤鹽分含量在根域?qū)雍蜕顚拥牟町惒淮?，東北部靠近荒漠，遠離河道，呈現(xiàn)荒地與耕地相間分布的布局，人為干擾相對較少。

Cl-含量在整個研究區(qū)內(nèi)普遍較高，呈現(xiàn)從東北部到西南部逐漸增加的趨勢。HCO-3含量在整體上表現(xiàn)為東南部含量較高，西北部含量較低，與根域?qū)拥耐寥利}分含量分布特征有一定的相似性，Ca2+、SO2-4含量無明顯變化規(guī)律。Mg2+的高值區(qū)主要出現(xiàn)研究區(qū)西南邊界，總體上呈不規(guī)則的“斑塊”狀分布。K+和Na+的高值區(qū)也出現(xiàn)在灌區(qū)的西南邊界處，總體上表現(xiàn)為西北部的含量較高，東南部的含量較低。

2.3.2 土壤鹽分含量的垂直分布 依據(jù)研究區(qū)地理特征，選取了從西北至東南大致一條直線上的11個采樣點，繪制了土壤鹽分含量在垂直方向的等值線圖，如圖4所示。由圖4可知，研究區(qū)春季土壤鹽分垂直分布的總趨勢大致相同，根域?qū)油寥篮}量與深層土壤含鹽量差異不大。受土壤母質(zhì)、地形、地貌和人為因素的影響，不同土壤剖面間各層土壤鹽分含量有所不同。

3 討 論

本研究對庫爾勒三十一團綠洲灌區(qū)土壤鹽分和各離子進行了經(jīng)典統(tǒng)計分析和地統(tǒng)計分析，結(jié)果表明0～60 cm土層土壤含鹽量范圍在1.35～7.84 g·kg-1之間，60～100 cm土層土壤含鹽量范圍在1.35～7.91 g·kg-1之間，不同深度土層鹽分含量和各離子含量的變化范圍差異不大，與王丹丹[16]、趙銳峰[14]、呂娜娜等[17]的研究結(jié)果有所差異，鹽分及各離子并沒有隨著土層深度的變化出現(xiàn)升高或降低的趨勢。這主要是因為本研究是以春季土壤鹽分的空間變異特征為研究目標(biāo)，土樣的采集是在春季3月中旬進行。鹽分運動受水分運動影響明顯，周年鹽分動態(tài)可以分為春季強烈蒸發(fā)—積鹽階段、灌溉淋洗—穩(wěn)定階段、雨季淋溶—脫鹽階段、秋季蒸發(fā)—積鹽階段和冬季相對穩(wěn)定階段五個階段[18]。研究區(qū)土壤鹽漬化問題嚴(yán)重，當(dāng)?shù)仄毡闀谌攵瑫r進行冬灌或者第二年春季進行春灌來壓鹽洗鹽，朱延凱等[19]研究表明，春灌對綠洲棉田有較強的淋洗作用，能起到保水壓鹽效果。春灌、冬灌的冰層融化以及冰雪融化對土壤產(chǎn)生了較強的淋洗作用，因此不同深度土層的鹽分和各離子的變化范圍差異不大，這也與圖4土壤鹽分的垂直分布相印證。在人工挖掘采樣的過程中，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)的春季地下水埋深大致在1.2～1.6 m之間，沈麗娜[20]等研究表明塔河下游土壤鹽分含量與地下水存在明顯的函數(shù)關(guān)系，地下水埋深越深，土壤鹽分含量越小，地下水埋深越淺，土壤鹽分含量越大。這也說明了為什么在冬灌和春灌的淋洗作用下，研究區(qū)土壤鹽分含量范圍仍在1.35～7.91 g·kg-1之間，土壤處于輕、中度鹽漬化狀態(tài)[21]。研究區(qū)內(nèi)不同深度土層土壤鹽分、離子的變異系數(shù)多屬于中等變異性，Ca2+離子在0～60 cm土層中表現(xiàn)出強變異性，主要是因為頻繁的人為農(nóng)業(yè)活動加快鹽分的積累[22]，農(nóng)業(yè)活動改變了土壤鹽分原有的分布格局，在一定程度上促進了其空間分布的復(fù)雜性[23]，并且研究區(qū)處于典型的荒漠地帶，氣候干旱，降雨稀少，蒸發(fā)強烈，北與孔雀河南岸的沙包起伏區(qū)相鄰，南與塔克拉瑪干沙漠相鄰，灌區(qū)內(nèi)部分地區(qū)耕地與荒地相間分布。

圖3 土壤全鹽和各離子含量的Kriging插值分布Fig.3 Kriging interpolation distribution map of salinity and ions content

圖4 研究區(qū)土壤鹽分含量等值線圖/(g·kg-1)Fig.4 Contour map of soil sample salt content in study area

三十一團灌區(qū)根域?qū)油寥利}分含量呈現(xiàn)由西北部向東南部逐漸升高的趨勢。深層土壤鹽分含量分布與根域?qū)油寥利}分含量的分布特征剛好相反，土壤鹽分含量呈現(xiàn)由西北部向東南部逐漸降低的趨勢。鹽分含量隨塔里木河和恰拉水庫下游輸水干渠的走向表現(xiàn)出區(qū)域性的變化，這可能是由于研究區(qū)的西北部靠近水庫和塔里木河，水源充足，鹽分隨水分向土壤深層運動，深層土壤鹽分較高，而研究區(qū)東南部水量相對較少，且上游的部分灌溉水、冬閑水和廢棄水經(jīng)各干渠、支渠、斗渠流向下游，導(dǎo)致研究區(qū)東南部根域?qū)拥柠}分含量相對于西北部較高。各鹽分離子除HCO-3含量在整體上與根域?qū)拥耐寥利}分含量分布特征有一定的相似性，其余離子均呈現(xiàn)不同的分布特征，這還是因為鹽分空間分布的復(fù)雜性所導(dǎo)致的?？傷}和各離子的空間變異性程度大多表現(xiàn)為中等程度的空間相關(guān)性，C0/(C0+C)的范圍在27%～46%之間，僅K+和Na+在整體上表現(xiàn)出強烈的空間相關(guān)性，這與鞏玉紅[24]、胡佳楠[25]等的研究結(jié)果干旱區(qū)土壤鹽分離子會表現(xiàn)出強烈空間相關(guān)性有所不同，除了最小取樣距離內(nèi)土地利用、灌溉、施肥、管理水平等隨機因素和土壤母質(zhì)、地形、地貌、氣候等非人為的結(jié)構(gòu)性因素以外，選取的土層深度也會對空間變異程度造成一定的影響。

4 結(jié) 論

1)灌區(qū)內(nèi)土壤總體呈堿性，各土層陰離子均以SO2-4為主，陽離子均以K+和Na+為主；土壤鹽分、離子的變異多屬于中等變異，變異系數(shù)介于0.229～0.757之間，僅Ca2+離子在0～60 cm土層中表現(xiàn)出強變異性。

2)灌區(qū)內(nèi)深層土壤鹽分、HCO-3、SO2-4含量的半方差函數(shù)模型符合指數(shù)模型，根域?qū)油寥利}分、Ca2+、Cl-符合高斯模型，Mg2+、K++Na+符合球狀模型。除K+和Na+在整體上表現(xiàn)為強烈的空間相關(guān)性，其余各離子和總鹽表現(xiàn)為中等程度的空間相關(guān)性，自相關(guān)范圍在1.21～31.1 km之間，各變量的空間自相關(guān)范圍差異較大。

3)土壤鹽分及離子的水平分布表明，研究區(qū)根域?qū)?0～60 cm)土壤鹽分含量呈現(xiàn)由西北部向東南部逐漸升高的趨勢,變化范圍在2.28～3.27 g·kg-1之間。深層(60～100 cm)土壤鹽分含量呈現(xiàn)由西北部向東南部逐漸降低的趨勢,變化范圍在2.31～4.63 g·kg-1之間。HCO-3含量在整體上與根域?qū)?0～60 cm)土壤鹽分含量分布特征相同，其它各離子含量無明顯變化規(guī)律，Mg2+的高值區(qū)主要出現(xiàn)研究區(qū)西南邊界，總體上呈不規(guī)則的“斑塊”狀分布， K+和Na+的高值區(qū)也出現(xiàn)在灌區(qū)的西南邊界處，總體上表現(xiàn)為西北部的含量較高，東南部的含量較低。

4)研究區(qū)土壤鹽分垂直分布的總趨勢大致相同，表層土壤含鹽量與深層土壤含鹽量差異不大，不同土壤剖面間各層土壤鹽分含量有所不同。