韓金旭，谷曉偉，程春曉，張鳳燃，韋 昊

(1.黃河水利委員會黃河水利科學(xué)研究院，鄭州 450003；2.水利部黃土高原水土流失過程與控制重點實驗室，鄭州 450003；3.黃河水資源保護(hù)科學(xué)研究院，鄭州 450003)

鹽漬化一直是困擾我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要問題，據(jù)統(tǒng)計中國的鹽漬化土壤面積約3 600 萬hm2，占全國可利用土地的4.88%[1]。土壤性質(zhì)受到母質(zhì)、氣候、生物、地形等自然及人為因素的共同作用，表現(xiàn)出高度的空間異質(zhì)性，屬不均一變化的連續(xù)體[2]。土壤鹽分運動受到多種或多層次結(jié)構(gòu)的疊加影響，常表現(xiàn)出復(fù)雜的空間變異性[3]。不同類型土壤物理性質(zhì)和水熱狀況均有所差別，其對鹽分運動的影響一直是研究熱點[3-9]。樊會敏[9]、毛海濤等[7]研究了新疆及渭北地區(qū)土壤巖性組成、團(tuán)聚體、土壤容重、質(zhì)地等對土壤鹽分含量及剖面運動的影響；王雅琴等[10]分析了石河子墾區(qū)農(nóng)田不同類型土壤膜下滴灌鹽分變化規(guī)律，這些研究在室內(nèi)試驗及田間尺度上給出了土壤結(jié)構(gòu)與鹽分運動之間的關(guān)系。劉繼龍[3, 11]、王全九[5]等分析了不同尺度土壤機(jī)械組成、水熱性質(zhì)及鹽分變化的空間異質(zhì)性，但未對不同土壤質(zhì)地下鹽分與多因素的空間關(guān)系進(jìn)行深入分析。

受空間異質(zhì)性影響，隨著空間尺度的放大，灌區(qū)土壤鹽分與土壤質(zhì)地、水熱特征間的響應(yīng)關(guān)系往往與田間及室內(nèi)試驗結(jié)果不完全一致。鄂爾多斯黃河南岸灌區(qū)屬于典型的干旱綠洲灌區(qū)，長期受到土壤鹽漬化威脅。以灌區(qū)不同土質(zhì)的兩個灌域為研究對象，利用地統(tǒng)計學(xué)方法研究表層土壤鹽分在灌域尺度上的空間變異特征，分析土壤鹽分與土壤顆粒組成、容重、水、熱等物理特性參數(shù)間的空間關(guān)系，成果可為區(qū)域土壤鹽分防控和分區(qū)管理等提供技術(shù)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

黃河南岸灌區(qū)位于鄂爾多斯市北緣的黃河沖積平原，灌區(qū)東西長約412 km，南北寬2～40 km，由自流、揚水、井灌區(qū)組成，灌溉面積約9.31 萬hm2。研究區(qū)位于南岸灌區(qū)中和西灌域(E 109°3′44″～110°42′30″，N 40°19′8″～40°32′32″)和吉格斯太灌域(E 109°13′24″～110°33′29″，N 40°18′25″～40°26′19″)。其中，吉格斯太灌域位于灌區(qū)東側(cè)尾端，東以呼斯太河為界，西以東柳溝為界，為井渠結(jié)合灌域，總灌溉面積約6 800 hm2。取樣范圍選取11號揚黃泵站控制區(qū)域及周邊部分井灌區(qū)，面積約2 500 hm2，設(shè)置采樣點29個。中河西灌域位于灌區(qū)中部，東以卜爾嘎色太溝為界，西至毛布拉格孔兌，總面積約8 600 hm2，本次取樣范圍約3 100 hm2，設(shè)置采樣點22個。兩灌域直線距離約120 km，為完全獨立的灌排單元。

1.2 樣點布設(shè)及樣品采集

觀測試驗按網(wǎng)格化設(shè)置采樣點，并根據(jù)土地利用類型局部調(diào)整，于春灌結(jié)束后10日人工采集0～20 cm土樣。土壤干容重及含水量采用環(huán)刀法測定。土樣經(jīng)風(fēng)干過2 mm篩測定顆粒組成并按水土比5:1配置土壤溶液，利用電導(dǎo)率儀測定電導(dǎo)率。

圖1 采樣點分布圖Fig.1 Distribution of sampling points

根據(jù)分析結(jié)果，吉格斯太灌域(以下稱砂土灌域)土壤容重在1.40～1.79 g/cm3，砂粒含量占比86.58%～96.68%，粉粒占比2.65%～13.17%，黏粒占比0.16%～3.03%。按照國際土壤質(zhì)地分類，29個采樣點全部為砂土。中河西灌域(以下稱沙壤土灌域)土壤容重1.37～1.74 g/cm3，砂粒含量占比18.13%～94.12%，粉粒占比3.66%～55.74%，黏粒占比0.50%～7.78%。按照國際土壤質(zhì)地分類，22個采樣點中有2個樣點為沙土，其余為沙壤土～壤土，灌區(qū)綜合土壤質(zhì)地為沙壤土。

表1 不同灌域土壤物理特性參數(shù)統(tǒng)計表Tab.1 Statistical table of soil physical characteristics parameters in different sub-districts

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

本次從空間相關(guān)性角度分析灌域尺度0～20 cm土壤鹽分與土壤物理特性參數(shù)間的關(guān)系。根據(jù)樣品采集情況，物理特性參數(shù)選擇土壤干容重、黏粒、粉粒、砂粒含量、體積含水量、導(dǎo)熱率與熱容量等指標(biāo)。根據(jù)兩灌域土壤質(zhì)地，土壤導(dǎo)熱率采用改進(jìn)Campbell[4]公式計算，導(dǎo)熱率和熱容量計算方法具體參見參考文獻(xiàn)[12]。

采用經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)方法計算樣本統(tǒng)計特征值，采用地統(tǒng)計學(xué)方法分析土壤鹽分的空間變化，采用互相關(guān)函數(shù)法分析土壤物理特性與土壤鹽分的空間分布關(guān)系。數(shù)據(jù)處理、樣本描述及相關(guān)性分析等采用SPSS 23.0完成，各變量的空間異質(zhì)性分析、空間分布圖繪制采用GS+9.0和Surfer12.0完成，空間相關(guān)性分析采用Matlab編程計算。

(1)經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)方法。

(1)

(2)地統(tǒng)計學(xué)方法。地統(tǒng)計學(xué)通常采用半方差函數(shù)表示變量的空間變異結(jié)構(gòu)：

(2)

式中：γ(h)為變量半方差函數(shù)值；h為兩樣本點空間距離；Z(xi)和Z(xi+h)分別為xi和xi+h處變量觀測值；N(h)為滯后距離為h時的樣本對數(shù)。文中半方差函數(shù)主要采用高斯模型進(jìn)行擬合，模型公式如下：

(3)

式中：C0為塊金值；a為變程，km；C為拱高；C0+C為基臺值。地統(tǒng)計學(xué)中一般用塊基比(C0/(C0+C))表示隨機(jī)變異占總變異的大小。塊基比0～25%表明隨機(jī)性因素對變量空間分布的影響較小，變量具有較強的空間相關(guān)性；塊基比在25%～75%則變量為中等空間相關(guān)性，75%～100%為弱空間相關(guān)性。

(3)互相關(guān)函數(shù)法?；ハ嚓P(guān)函數(shù)對一定范圍內(nèi)兩變量空間相關(guān)性具有更直觀的表達(dá)能力[5, 12-14]，本次采用該方法研究土壤鹽分與物理特性參數(shù)的空間相關(guān)性，計算公式如下：

(4)

2 土壤電導(dǎo)率變異分析

2.1 土壤電導(dǎo)率統(tǒng)計分析

土壤電導(dǎo)率統(tǒng)計特征值如表2所示。參考相關(guān)成果[15]，土壤鹽化程度劃分標(biāo)準(zhǔn)如下：電導(dǎo)率<570 μS/cm為非鹽化土；570～760 μS/cm為輕度鹽化土；760～1 240 μS/cm為中度鹽化土；1 240～1 920 μS/cm為重度鹽化土。由表2可知，砂土灌域土壤電導(dǎo)率在121～645 μS/cm，為非～輕度鹽化土；沙壤土灌域土壤電導(dǎo)率在245～2 690 μS/cm，結(jié)合采樣情況來看，屬輕～中度局部重度鹽化土，鹽漬化程度高于砂土灌域。根據(jù)顆粒分析數(shù)據(jù)，沙壤土灌域細(xì)顆粒含量明顯高于砂土灌域，土壤透水性較差，鹽分易于累積，鹽漬化程度較高，與前人結(jié)論基本一致[9]。從變異情況看，砂土灌域土壤電導(dǎo)率Cv值為0.41，屬中等變異程度；沙壤土灌域土壤電導(dǎo)率Cv值為0.83，變異程度明顯強于砂土灌域。

表2 不同灌域土壤電導(dǎo)率統(tǒng)計特征值Tab.2 Statistical characteristic values of soil electrical conductivity in different sub-districts

2.2 土壤電導(dǎo)率空間變異分析

根據(jù)表2中偏度、峰度及k-s檢驗結(jié)果，經(jīng)對數(shù)處理后土壤電導(dǎo)率近似服從正態(tài)分布，可采用地統(tǒng)計學(xué)方法進(jìn)行分析。土壤電導(dǎo)率半方差分析結(jié)果如表3所示。根據(jù)表3，兩灌域土壤電導(dǎo)率均可采用高斯模型較好擬合。作為區(qū)域化變量，土壤鹽分的空間變異是由結(jié)構(gòu)性因素和隨機(jī)性因素共同引起的，氣候、地形等結(jié)構(gòu)性因素是變量具有空間連續(xù)性的原因，而耕作、灌溉等隨機(jī)因素則會弱化其空間連續(xù)性[1]。根據(jù)表3，砂土灌域土壤電導(dǎo)率塊基比為33.6%，高于25%，屬中等空間相關(guān)性；土壤電導(dǎo)率變程為9.85 km，表明在該范圍內(nèi)電導(dǎo)率具有空間相似性。沙壤土灌域土壤電導(dǎo)率塊基比為9.9%，表明該灌域土壤電導(dǎo)率空間連續(xù)性較強，結(jié)構(gòu)性因素是影響鹽分空間分布的主要因素；灌域土壤電導(dǎo)率變程為2.25 km，表明電導(dǎo)率在該范圍內(nèi)具有空間相似性。

表3 不同灌域土壤電導(dǎo)率半方差函數(shù)參數(shù)Tab.3 Parameters of semi-variance function of soil electrical conductivity in different sub-districts

2.3 土壤物理特性參數(shù)空間分布特征

基于Kringing插值法繪制不同灌域土壤電導(dǎo)率及物理特性參數(shù)空間分布如圖2和圖3所示。由土壤電導(dǎo)率空間分布來看，砂土灌域[圖2(a)]土壤電導(dǎo)率變化表現(xiàn)出較明顯的斑塊性，總體自西北向東南逐漸減小，高值區(qū)存在極值點，電導(dǎo)率值普遍較低，灌域呈非～輕度鹽漬化狀態(tài)。沙壤土灌域[圖3(a)]土壤電導(dǎo)率斑塊性較沙土灌域有所減弱，除東南邊緣電導(dǎo)率高值區(qū)達(dá)到重度鹽漬化外，其余大部分區(qū)域在中度鹽漬化程度以下。

分析比較土壤顆粒組成、導(dǎo)熱率、熱容量來看，不同灌域土壤物理特性與電導(dǎo)率空間分布的一致性存在差異。由圖2可見，沙土灌域各物理特性參數(shù)的空間分布具有較好的相似性，表明各參數(shù)間存在響應(yīng)關(guān)系。土壤物理特性參數(shù)[圖2(b)～(f)]與電導(dǎo)率圖斑分布較一致，導(dǎo)熱率、熱容量、容重較大的區(qū)域一般與電導(dǎo)率高值區(qū)相協(xié)調(diào)；砂粒含量較高的區(qū)域，土壤電導(dǎo)率則普遍較低。但從極值分布來看，電導(dǎo)率與物理特性參數(shù)空間分布不完全重合，存在異位性，表明土壤性質(zhì)對鹽分的影響具有空間滯后性。分析圖3可見，沙壤土灌域土壤物理特性與電導(dǎo)率的空間分布也存在一定的協(xié)調(diào)性，但與沙土灌域相比，除熱容量外，其他參數(shù)僅在極值區(qū)與電導(dǎo)率空間協(xié)調(diào)性稍好，不同參數(shù)間空間異位更加明顯。

圖2 砂土灌域土壤電導(dǎo)率與主要物理特性參數(shù)空間分布Fig.2 Spatial distribution of soil electrical conductivity and main physical parameters in sand sub-district

圖3 沙壤土灌域土壤電導(dǎo)率與主要物理特性參數(shù)空間分布Fig.3 Spatial distribution of soil electrical conductivity and main physical parameters in sandy loam sub-district

3 土壤電導(dǎo)率與土壤物理特性參數(shù)相關(guān)性分析

根據(jù)前述分析結(jié)果，土壤物理特性與電導(dǎo)率空間分布之間存在一致性和異位響應(yīng)，且隨灌域的不同而有所差異。兩灌域土壤電導(dǎo)率與物理特性參數(shù)的相關(guān)性分析結(jié)果如表4所示。由表4可知，砂土灌域土壤電導(dǎo)率與物理特性參數(shù)間的相關(guān)性均不顯著；沙壤土灌域土壤電導(dǎo)率與含水量、熱容量之間顯著相關(guān)，但與土壤導(dǎo)熱率等參數(shù)相關(guān)性不顯著。因受到立地條件及人類活動的共同作用，土壤鹽分與物理性質(zhì)之間的響應(yīng)關(guān)系在不同區(qū)域有所差異。結(jié)合已有成果，劉繼龍[3]在楊凌地區(qū)開展的研究認(rèn)為不同尺度0～20 cm土壤電導(dǎo)率與土壤容重及機(jī)械組成相關(guān)性均不顯著，與本次結(jié)論相一致；但樊會敏[7]在渭北地區(qū)則發(fā)現(xiàn)黏壤土0～20 cm土壤鹽分與土壤機(jī)械組成顯著相關(guān)。

相關(guān)性分析只能反映兩個隨機(jī)變量間的相關(guān)關(guān)系，難以體現(xiàn)變量在空間上的關(guān)聯(lián)程度?；ハ嚓P(guān)函數(shù)可以較好地表達(dá)區(qū)域化變量在空間上的相互關(guān)聯(lián)性[5, 12, 13]。采用互相關(guān)函數(shù)分析土壤電導(dǎo)率與物理特性參數(shù)的空間關(guān)系如圖4～5所示。圖中虛線為95%置信線，相關(guān)函數(shù)值超過置信線即為相關(guān)達(dá)到顯著，否則不顯著。

表4 土壤電導(dǎo)率與土壤物理特性參數(shù)相關(guān)性Tab.4 Correlation between soil electrical conductivity and soil physical properties

從砂土灌域[圖4(a)]來看，土壤鹽分與黏粒含量、容重在2～6 km范圍內(nèi)顯著正相關(guān)，與砂粒含量在2.5～4 km范圍內(nèi)顯著負(fù)相關(guān)，與粉粒含量未達(dá)顯著相關(guān)級別，表明在上述空間尺度范圍內(nèi)土壤含鹽量隨黏粒含量、容重的增加而增大，隨砂粒含量增加而減小。由圖4(b)可知，土壤水熱特性與土壤鹽分的空間分布相關(guān)程度較高，在2～6 km范圍內(nèi)均與土壤含鹽量顯著正相關(guān)。上述分析表明，沙土灌域土壤含鹽量與物理特性參數(shù)的空間分布具有協(xié)同性，物理特性對土壤電導(dǎo)率存在空間滯后影響，結(jié)論與圖2基本一致。

圖4 砂土灌域土壤電導(dǎo)率與物理特性參數(shù)空間相關(guān)性Fig.4 Spatial correlation between soil electrical conductivity and physical parameters in sand sub-district

從圖5(a)來看，沙壤土灌域土壤質(zhì)地與電導(dǎo)率間空間相關(guān)性不明顯，其中與土壤容重的相關(guān)性未達(dá)顯著級別，與顆粒組成間只在個別點略高于置信線。從水熱參數(shù)來看[圖5(b)]，土壤導(dǎo)熱率在6～12 km范圍內(nèi)與電導(dǎo)率達(dá)到顯著相關(guān)級別；含水量及熱容量除0點附近外，與土壤電導(dǎo)率的相關(guān)性均未達(dá)到顯著級別。從前期成果來看，王全九[5]對新疆沙壤土～粉壤土灌區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)灌區(qū)土壤鹽分空間分布與含水量、熱容量及導(dǎo)熱率等參數(shù)的空間關(guān)系不顯著，與本次研究結(jié)論相一致。對比分析結(jié)果可見，不同土質(zhì)灌域土壤鹽分與物理特性參數(shù)的空間響應(yīng)關(guān)系存在差異。

圖5 沙壤土灌域土壤電導(dǎo)率與物理特性參數(shù)空間相關(guān)性Fig.5 Spatial correlation between soil electrical conductivity and physical parameters in sandy loam sub-district

表4與圖4、圖5采用不同方法對土壤電導(dǎo)率與物理特性的相關(guān)性進(jìn)行了分析，兩分析結(jié)果存在差異，但并不矛盾。當(dāng)滯后距離為0時，互相關(guān)函數(shù)與雙因子相關(guān)性分析結(jié)果一致；當(dāng)滯后距離>0時，互相關(guān)函數(shù)值即為該空間尺度范圍內(nèi)兩變量間的相關(guān)程度?？臻g相關(guān)關(guān)系達(dá)到顯著水平，表明在該滯后距離范圍內(nèi)變量間具有空間分布的協(xié)同性。

4 結(jié) 論

通過對不同土質(zhì)灌域土壤電導(dǎo)率與土壤物理特性參數(shù)間的關(guān)系進(jìn)行分析研究，結(jié)果顯示：

(1)砂土灌域為非鹽漬化～輕度鹽漬化土，表層土壤電導(dǎo)率屬中等變異程度；砂壤土灌域為輕度～中度局部重度鹽漬化土，土壤電導(dǎo)率為中等偏強變異程度。

(2)土壤表層電導(dǎo)率在一定范圍內(nèi)具有空間結(jié)構(gòu)特性，可采用高斯模型進(jìn)行擬合。砂土灌域土壤電導(dǎo)率為中等強度空間變異，砂壤土灌域為弱空間變異，隨機(jī)因素占總變異程度的比重較小。

(3)不同土質(zhì)灌域土壤鹽分與物理特性 參數(shù)的空間響應(yīng)關(guān)系存在差異。根據(jù)空間相關(guān)性分析結(jié)果，砂土灌域土壤電導(dǎo)率與黏粒含量、土壤容重、土壤含水量、導(dǎo)熱率及熱容量在2～6km范圍內(nèi)顯著正相關(guān)；與砂粒含量在2.5～4km顯著負(fù)相關(guān)，物理特性對土壤鹽分的影響具有空間滯后性。砂壤土灌域土壤電導(dǎo)率與物理特性分布之間相關(guān)性均較低。

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