王瑞萍，萬(wàn)核洋，陳 帥，夏玉紅，白巧燕，彭遵原，尚松浩

河套灌區(qū)烏拉特灌域春季土壤鹽堿化空間分布特征

王瑞萍1,2，萬(wàn)核洋2，陳 帥2，夏玉紅1，白巧燕3，彭遵原1，尚松浩2※

（1. 巴彥淖爾市水利科學(xué)研究所，巴彥淖爾 015000；2. 清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；3. 巴彥淖爾市水利事業(yè)服務(wù)中心，巴彥淖爾 015000）

鹽堿化狀況是干旱區(qū)灌區(qū)水鹽合理調(diào)控及水土資源合理利用的基礎(chǔ)。為掌握內(nèi)蒙古河套灌區(qū)下游烏拉特灌域春季耕地土壤鹽堿化狀況的空間分布，通過(guò)野外調(diào)查采樣和實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)，對(duì)0～20 cm和20～40 cm土層中的全鹽量（Total Salt，TS）、pH值、CO32-、HCO3-、Cl-、SO42-、Ca2+、Mg2+、K++Na+含量、交換性Na+含量、陽(yáng)離子交換量（Cation Exchange Capacity，CEC）、堿化度（Exchangeable Sodium Percentage，ESP）等反映土壤鹽堿化特征的指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)定和計(jì)算，采用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)、地統(tǒng)計(jì)學(xué)和多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)土壤鹽堿化指標(biāo)的空間分布特征進(jìn)行分析。結(jié)果表明：1）0～20 cm土層中的TS含量更大一些，可溶性鹽分離子主要以HCO3-、SO42-、Cl-、Na+為主。HCO3-、CEC、交換性Na+和ESP的變異系數(shù)在10%～100%之間，屬于中等變異，其中交換性Na+和ESP的變異系數(shù)接近100%；TS、Cl-、SO42-和Na+的變異系數(shù)均大于100%，屬于強(qiáng)變異。2）土壤pH、TS和ESP的空間分布規(guī)律基本一致，在東西方向上，各指標(biāo)西部低，東部高；在南北方向上，中間低，南、北兩側(cè)高。土壤pH值基本在7.5～8.5之間，從TS空間分布來(lái)看，灌域內(nèi)有32%的土壤存在鹽漬化問(wèn)題，且以輕度鹽漬化土為主，約占26%；從ESP分布來(lái)看，有97%的土壤存在堿化問(wèn)題，其中輕度堿化土約占40%，中度堿化土和堿土均約占23%。因此灌域內(nèi)土壤堿化問(wèn)題比鹽化問(wèn)題更為突出。3）通過(guò)因子分析得出TS、Cl-、Na+、交換性Na+、ESP和CEC是烏拉特灌域土壤鹽堿化程度的主要影響因子，公因子綜合得分值在-0.78～3.38之間，公因子綜合得分能排除指標(biāo)間個(gè)體差異，比較客觀地評(píng)價(jià)土壤鹽堿化整體水平。

土壤；鹽堿化；空間分布；克里金插值；因子分析；烏拉特灌域

0 引 言

內(nèi)蒙古河套灌區(qū)是亞洲最大的一首制自流灌區(qū)，地處干旱、半干旱、半荒漠草原地帶，是沒(méi)有灌溉就沒(méi)有農(nóng)業(yè)的地區(qū)，也是中國(guó)西北干旱區(qū)最大的灌區(qū)與生態(tài)脆弱區(qū)。灌區(qū)地勢(shì)平坦，排水不暢，導(dǎo)致原生與次生鹽堿化并存，鹽堿地面積廣、程度重，且鹽分組成復(fù)雜，絕大多數(shù)鹽堿地鹽化和堿化并存，嚴(yán)重影響了灌區(qū)生態(tài)、農(nóng)業(yè)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展[1-3]。河套灌區(qū)屬于季節(jié)性凍土區(qū)，每年11月下旬開(kāi)始封凍，經(jīng)過(guò)速凍、穩(wěn)凍、消融三個(gè)階段，于翌年4月下旬、5月初融通，春季處于土壤消融返鹽期。氣候干旱，多風(fēng)少雨，蒸發(fā)強(qiáng)烈，土壤水分大量散失，深層鹽分向表土聚集，土壤鹽堿化程度嚴(yán)重，因此春季土壤鹽堿化特征更加明顯。烏拉特灌域地處河套灌區(qū)下游，上游、中游的含鹽排水全部經(jīng)過(guò)該灌域進(jìn)入烏梁素海，且在灌區(qū)排水與配套工程建設(shè)、灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造工程等水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)實(shí)施以前，由于農(nóng)田灌溉和渠系滲漏導(dǎo)致地下水埋深較淺，使得烏拉特灌域成為灌區(qū)內(nèi)土壤鹽堿化程度最嚴(yán)重的灌域[4]。

早期土壤鹽堿化研究多采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和采樣分析，隨著經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)、地統(tǒng)計(jì)學(xué)和地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)的發(fā)展，李會(huì)亞等[5]結(jié)合經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)與地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法研究了甘肅民勤綠洲土壤全鹽及鹽基離子的空間變異特征和分布規(guī)律。劉繼龍等[6]利用傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法研究了土壤鹽分在田間尺度和區(qū)域尺度上的空間變異性。張雪等[7-9]運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)、GIS、反演模型等方法在新疆綠洲地區(qū)廣泛開(kāi)展了土壤鹽分特征、變化規(guī)律及空間分布分析研究，并取得了一系列的成果。張蓉蓉等[10]借助地統(tǒng)計(jì)學(xué)和傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，分析了渭北耕地不同層次土壤鹽分和堿化度的空間分布特征。王全九等[11]采用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合的方法分析了新疆包頭湖區(qū)域的土壤水鹽熱參數(shù)的空間分布特征。蒙莉娜等[12]使用普通克里格、地理加權(quán)回歸和隨機(jī)森林相結(jié)合的方法在大尺度上精確地監(jiān)測(cè)了渭干河-庫(kù)車(chē)河綠洲表層土壤鹽分的空間變異性。王瑞燕等[13]在分析不同深度土壤全鹽量、鹽基離子空間變異特征的基礎(chǔ)上，通過(guò)單因素方差分析研究了黃河三角洲入?？诘貐^(qū)土壤鹽分的差異。近幾年，利用遙感技術(shù)來(lái)分析鹽堿化已有大量的研究，盧晶等[14]利用Landsat遙感影像構(gòu)建了改進(jìn)型鹽堿化監(jiān)測(cè)指數(shù)模型，對(duì)河套灌區(qū)沈?yàn)豕嘤蛲寥利}堿化進(jìn)行了定量分析與監(jiān)測(cè)。陳蕾[15]以野外采樣檢測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用遙感影像定量反演了民勤綠洲土壤含鹽量，揭示了民勤綠洲土壤鹽堿化時(shí)空變化和影響因素?；谶b感在研究鹽堿化方面的優(yōu)勢(shì)，在今后也將是研究鹽堿化的重要手段[16]。這些研究分析了土壤鹽堿化的空間分布特征，為鹽堿化土壤的監(jiān)測(cè)、改良和合理利用提供了理論支持。主成分分析是一種將問(wèn)題涉及的多指標(biāo)轉(zhuǎn)化為較少幾個(gè)綜合指標(biāo)的多元統(tǒng)計(jì)方法，分析得到的綜合指標(biāo)是原來(lái)多個(gè)指標(biāo)的線性組合，且綜合指標(biāo)彼此互不相關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)用較少指標(biāo)反映由原來(lái)眾多指標(biāo)所表達(dá)的主要信息，因而被廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域的綜合評(píng)價(jià)中[17-21]，但應(yīng)用于評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)土壤鹽堿化特征的研究相對(duì)較少。

受烏拉特灌域特殊的地理位置、土壤條件、種植結(jié)構(gòu)和灌溉制度等因素的影響，該灌域顯著的特點(diǎn)是鹽堿化程度比較嚴(yán)重。目前針對(duì)烏拉特灌域鹽堿化的研究多是分析一定工程、化學(xué)等措施下的局部地區(qū)鹽分空間分布特征，如竇旭等[22]采用傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)與主成分分析方法探討了烏拉特前旗暗管排水控鹽綜合試驗(yàn)區(qū)的鹽堿化土壤含鹽量與鹽分離子分布規(guī)律，并分析了影響土壤鹽堿化的主導(dǎo)因子。但關(guān)于烏拉特灌域鹽分離子及鹽堿化程度分布特征的研究開(kāi)展較少，且前期研究多是局部或農(nóng)田尺度的研究，在灌域尺度上的土壤鹽堿化離子特點(diǎn)和空間分布特征及其影響因子還需要進(jìn)一步研究。

針對(duì)烏拉特灌域土壤鹽堿化研究中存在的問(wèn)題，本文在田間采樣、化驗(yàn)分析的基礎(chǔ)上，采用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析烏拉特灌域鹽分離子組成特點(diǎn)、空間分布特征，并采用因子分析方法（內(nèi)嵌主成分分析方法）對(duì)鹽堿化程度進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，以揭示灌域土壤鹽堿化的綜合水平和主要影響因子，為烏拉特灌域土壤鹽堿化治理、生態(tài)環(huán)境保護(hù)和水土資源合理利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

烏拉特灌域西起河套灌區(qū)總干渠四閘，東至包頭郊區(qū)，南臨黃河，北接義長(zhǎng)灌域，東西長(zhǎng)約110 km，南北寬約40 km。屬于中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，光照充足，晝夜溫差大，雨水集中，雨熱同期。歷年平均日照時(shí)數(shù)為3 202 h，年平均氣溫為3.5～7.2 ℃，無(wú)霜期100～145 d，年降水量200～250 mm，主要集中在6－9月，占全年降水量的78.9%，20 cm蒸發(fā)皿年蒸發(fā)量1 900～2 300 mm。多年平均引水量4.36億m3，排水量0.85億m3?？菟冢?月份）地下水平均埋深2.38 m，豐水期（11月份）地下水平均埋深1.23 m，多年平均地下水埋深1.79 m。

地下水整體呈弱堿性，地下水主要水化學(xué)類型是Na++Mg2++HCO3-+Cl-型，且研究區(qū)地下水超過(guò)70%屬于綜合危害系數(shù)法評(píng)價(jià)的四級(jí)水質(zhì)，用于灌溉時(shí)需適量，否則容易導(dǎo)致土壤鹽堿化[23]。由于蒸發(fā)強(qiáng)烈和地下水埋深淺，灌域內(nèi)耕地普遍存在鹽堿化現(xiàn)象，種植作物主要為耐鹽堿的向日葵，1998－2009年向日葵平均種植面積為2.24萬(wàn)hm2，占總種植面積的31%；2010－2019年平均種植面積為4.17萬(wàn)hm2，占總種植面積的57%。向日葵生育期不灌水，只有極少部分在現(xiàn)蕾期灌溉一次水。

1.2 點(diǎn)位布設(shè)及采樣方法

在烏拉特灌域內(nèi)（不包括末梢三湖河子灌域）按照2.5 km×2.5 km網(wǎng)格布設(shè)土壤采樣點(diǎn)，以網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)作為采樣點(diǎn)，用經(jīng)緯度坐標(biāo)標(biāo)記采樣點(diǎn)位置，繪制采樣點(diǎn)位分布圖（圖1）。采樣范圍為東經(jīng)108°12′～108°50′，北緯40°42′～41°00′，東西長(zhǎng)約50 km，南北寬約30 km，總面積約732 km2，共計(jì)113個(gè)采樣點(diǎn)。采樣工作在土壤完全消融后、向日葵地塊春灌及播種前、玉米和小麥灌一水前進(jìn)行，采樣時(shí)間為2016年4月30日－5月5日。采樣結(jié)果代表了研究區(qū)主要作物（玉米和向日葵）春播前的農(nóng)田鹽分狀況。

土壤采樣深度為0～40 cm耕作層，分0～20 cm和>20～40 cm兩層采樣，每一個(gè)采樣點(diǎn)利用土鉆打3個(gè)采樣孔，將3個(gè)采樣孔內(nèi)相同土層深度的土樣進(jìn)行混合，混合均勻后采用四分法選出約1 kg土樣，裝入土樣袋密封待用。并選取4個(gè)典型點(diǎn)位進(jìn)行土壤剖面調(diào)查采樣，深度為0～200 cm（或至地下水位），每間隔20 cm為1個(gè)采樣層次。

1.3 分析測(cè)定項(xiàng)目及研究方法

采樣后，土壤樣品統(tǒng)一送到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測(cè)，主要測(cè)定土樣的pH值、全鹽量（Total Salt，TS）、八大離子（CO32-、HCO3-、Cl-、SO42-、Ca2+、Mg2+、K++Na+）含量、交換性Na+含量和陽(yáng)離子交換量（Cation Exchange Capacity，CEC），并對(duì)典型剖面點(diǎn)土壤進(jìn)行顆粒分析。利用pH S-3BW型酸度計(jì)測(cè)定pH值，利用AP1200火焰光度計(jì)測(cè)定交換性Na+含量，利用離心機(jī)測(cè)定CEC，八大離子含量采用滴定管法測(cè)定，TS含量采用離子和計(jì)算法確定。交換性Na+含量占陽(yáng)離子交換量的百分比即為土壤堿化度（Exchangeable Sodium Percentage，ESP）[24]，土壤顆粒分析采用篩分法和比重計(jì)法。采用SPSS 23.0軟件對(duì)土壤鹽堿化指標(biāo)進(jìn)行描述統(tǒng)計(jì)并計(jì)算鹽堿化評(píng)價(jià)指標(biāo)綜合得分，利用ArcGIS軟件結(jié)合克里金插值繪制各指標(biāo)的空間分布圖。

在經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)中，變異系數(shù)是反映變量離散程度的重要指標(biāo)，在一定程度上可用于揭示變量的空間分布特征。根據(jù)變異系數(shù)的大小可將變異性分為不同變異類型，其中變異系數(shù)<10%為弱變異，變異系數(shù)10%～100%為中等變異，變異系數(shù)>100%為強(qiáng)變異[25-26]。

TS、ESP和pH是判斷土壤是否發(fā)生鹽堿化以及鹽堿化程度的重要診斷指標(biāo)[27]，土壤中各離子含量表征了土壤中鹽分組成和類型。根據(jù)TS大小可將土壤分為非鹽漬化土（TS<2 g/kg）、輕度鹽漬化土（2～4 g/kg）、中度鹽漬化土（>4～6 g/kg）、重度鹽漬化土（>6～10 g/kg）和鹽土（TS>10 g/kg）。根據(jù)ESP大小可將土壤分為非堿化土（ESP<5%）、輕度堿化土（5%～10%）、中度堿化土（>10%～15%）、重度堿化土（>15%～20%）和堿土（ESP>20%）。根據(jù)陰離子組成的相對(duì)含量，鹽漬土鹽分組成類型可以劃分為蘇打鹽土（(HCO3-+ CO32-)/(Cl-+SO42-)>4）、蘇打鹽漬土（1<(HCO3-+CO32-)/ (Cl-+SO42-)<4）、氯化物鹽漬土（Cl-/SO42->4）、硫酸鹽?氯化物鹽漬土（1

地統(tǒng)計(jì)學(xué)中的普通克里金方法廣泛應(yīng)用于區(qū)域數(shù)據(jù)的空間變異性分析和空間插值[29]，此次分析采用的是點(diǎn)狀克里金插值。數(shù)據(jù)頻率分布的偏斜往往會(huì)影響克里金法的插值精度，為了改善數(shù)據(jù)的正態(tài)性，對(duì)偏斜明顯的數(shù)據(jù)首先采用對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)化或者box-cox變換，使轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)更接近正態(tài)分布。并采用平均誤差和均方根誤差來(lái)評(píng)價(jià)插值的交叉驗(yàn)證結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤鹽堿化指標(biāo)描述性統(tǒng)計(jì)特征

根據(jù)《美國(guó)制土壤分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》，研究區(qū)代表點(diǎn)位的土壤顆粒組成以0.05～0.002 mm的粉砂粒為主，平均占比在70%以上，小于0.002 mm的黏粒次之，平均占比在10%以上，存在少量0.25～0.1 mm的細(xì)砂和0.1～0.005 mm的極細(xì)砂，土壤類型以粉土和粉壤土為主。

分別對(duì)113個(gè)采樣點(diǎn)兩層土壤的鹽堿化指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（表1），結(jié)果表明0～20 cm土層中TS值更大?？扇苄喳}分離子主要以HCO3-、SO42-、Cl-、Na+為主，可溶性鹽主要包括含鈉的硫酸鹽、氯化鹽和重碳酸鹽等中性鹽和堿性鹽。Ca2+、Mg2+的變異系數(shù)差別較大，其他指標(biāo)的變異系數(shù)差別不明顯。兩土層中pH值的變異系數(shù)均小于10%，屬于弱變異，說(shuō)明灌域內(nèi)土壤酸堿性空間分布均勻。TS、CO32-（只在小部分區(qū)域存在，且含量很?。?、Cl-、SO42-和K++Na+的變異系數(shù)均大于100%，屬于強(qiáng)變異，說(shuō)明這幾項(xiàng)指標(biāo)空間分布很不均勻。0～20 cm土層Mg2+、Ca2+的變異系數(shù)均大于100%，屬于強(qiáng)變異；而20～40 cm土層兩離子的變異系數(shù)在10%～100%之間，屬于中等變異。HCO3-、CEC、交換性Na+和ESP的變異系數(shù)在10%～100%之間，屬于中等變異，其中HCO3-和CEC變異系數(shù)偏小，低于50%，而交換性Na+和ESP的變異系數(shù)偏大，接近100%，說(shuō)明土壤中鹽分離子分布比較復(fù)雜，地塊間的離子組成差異明顯。綜合各離子的變異系數(shù)，HCO3-含量較穩(wěn)定，而SO42-、Cl-、Na+變化特征明顯，導(dǎo)致部分區(qū)域的土壤鹽化特征明顯，部分區(qū)域的堿化特征明顯，鹽堿化分布不均勻。土壤發(fā)生鹽堿化與淺埋地下水中的含鹽量及鹽分類型密切相關(guān)，這與袁宏穎等[23]開(kāi)展的研究區(qū)地下水水化學(xué)離子特征評(píng)價(jià)的結(jié)論一致。

表1 不同土層土壤鹽堿化指標(biāo)描述性統(tǒng)計(jì)特征

注：K++Na+含量中Na+占98%以上，以Na+計(jì)，下同。

Note: Na+is over 98% of K++Na+total content and used to represents K++Na+. The same as below.

不同土層主要鹽堿化指標(biāo)的頻率分布直方圖及核密度曲線見(jiàn)圖2。總體上所有的數(shù)據(jù)都存在一定的左偏斜。pH值的分布最接近正態(tài)，ESP的偏斜性比pH大，但是明顯比其他指標(biāo)要好。所以，在使用克里金法時(shí)，首先使用對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)化或Box-Cox變換的方法，以有效改善數(shù)據(jù)的正態(tài)性。

2.2 土壤鹽堿化指標(biāo)特性及空間分布特征

從各點(diǎn)的離子構(gòu)成來(lái)看，TS含量隨著各離子含量的變化而改變，各離子在TS中所占的百分比是一個(gè)相對(duì)數(shù)，相對(duì)值會(huì)掩蓋絕對(duì)值的部分特征，如相同的某個(gè)離子含量，會(huì)因?yàn)槠渌x子的含量不同而導(dǎo)致其所占比例不同，這就會(huì)擴(kuò)大或減弱該離子的貢獻(xiàn)。利用普通克里金法分別對(duì)鹽堿化指標(biāo)進(jìn)行交叉驗(yàn)證，結(jié)果見(jiàn)表2。在表2中，不同指標(biāo)的插值精度不同，主要和插值數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特征有關(guān)。每個(gè)指標(biāo)插值的平均誤差較小，各離子含量插值結(jié)果的平均誤差在?0.07～0.57 g/kg之間，部分結(jié)果幾乎接近0（如CO32-）；均方根誤差方面，從兩層土平均來(lái)看，Cl-是所有可溶性離子中誤差最大的，SO42-次之。從不同土層來(lái)看，大部分指標(biāo)的誤差相差不大，但是Cl-、SO42-、Ca2+以及Mg2+在>20～40 cm土層的誤差要明顯小于0～20 cm，說(shuō)明了這些指標(biāo)在土壤垂直方向的變異性較大。

表2 不同鹽堿化指標(biāo)的插值交叉驗(yàn)證結(jié)果

在交叉驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，利用普通克里金法繪制0～20 cm和>20～40 cm土層的pH、TS、ESP及主要鹽分離子的空間分布圖，如圖3和圖4所示。從圖3可以看出，兩土層中pH、TS、ESP的空間分布規(guī)律基本一致，在東西方向上，各指標(biāo)西部低，東部高；而在南北方向上，中間低，南、北兩側(cè)高，其中靠近烏梁素海沿線土壤中各指標(biāo)含量較大，在東北角靠近紅圪卜揚(yáng)水站附近各指標(biāo)含量明顯增大，塔布干渠南岸土壤鹽堿化程度存在明顯差異。土壤pH值在灌域內(nèi)呈帶狀分布，pH值基本在7.5～8.5之間，土壤整體呈堿性和強(qiáng)堿性，堿性特征更明顯。從TS的空間分布和面積占比（見(jiàn)表3）來(lái)看，灌域內(nèi)有32%的耕地存在鹽漬化問(wèn)題，0～20 cm土層鹽漬化土壤分布范圍更廣，且以輕度鹽漬化土為主（約占26%），僅八排干以南和東北部分區(qū)域內(nèi)的土壤存在嚴(yán)重的鹽漬化問(wèn)題，其中塔四分干渠（未襯砌）兩側(cè)鹽漬化程度更加突出，TS最大值出現(xiàn)在該區(qū)域內(nèi)。從ESP的分布和面積占比（見(jiàn)表3）來(lái)看，非堿化土壤所占區(qū)域面積較?。ú坏?%），烏拉特灌域從西到東、從南到北廣泛分布著不同程度的堿化土和堿土，其中灌域東北部、東南部、南部的土壤堿化程度較嚴(yán)重。對(duì)比ESP和TS可以看出，灌域內(nèi)堿化土壤分布面積和范圍更大。

從圖4可以看出，各鹽分離子在兩個(gè)土層的空間分布規(guī)律比較一致，在0～20 cm土層中的含量更高。各層土壤中HCO3-含量較大的區(qū)域主要分布在灌域的東北角，即在紅圪卜揚(yáng)水站附近，臨近烏梁素海，說(shuō)明此處土壤堿性特征明顯，且>20～40 cm的土層中HCO3-分布更廣，土壤平均堿性比0～20 cm土層的更大。兩個(gè)土層的CO32-含量較小且僅在少數(shù)區(qū)域有零星分布。兩個(gè)土層中的SO42-和Cl-的分布均呈局部含量較高并發(fā)散的特點(diǎn)，且分別在各土層中的空間分布特征相似。Na+、Mg2+和Ca2+的空間分布與SO42-和Cl-的空間分布規(guī)律基本一致。

各離子在灌域內(nèi)的不同分布特征導(dǎo)致了鹽漬土鹽分組成類型的空間分布（圖5），不同鹽化程度、堿化程度、鹽漬土鹽分組成類型的土壤面積占比見(jiàn)表3。

表3 鹽化、堿化、鹽漬土鹽分組成類型面積占比

從圖5和表3可以看出，0～20 cm和20～40 cm土層的鹽漬土鹽分組成類型的空間分布規(guī)律大致相同，同一位置不同土層深度的鹽漬土鹽分組成類型存在一定差別，相對(duì)20～40 cm土層來(lái)說(shuō)，0～20 cm土層內(nèi)各類鹽漬土的分布范圍更廣，說(shuō)明在垂直方向上，表層土的鹽漬化特征更加明顯。從總體分布來(lái)看，鹽漬土類型以氯化物?硫酸鹽鹽漬土為主（占比19%～23%），其在20～40 cm土層的分布范圍更大一些，其次為硫酸鹽?氯化物鹽漬土（占比7%～12%），其在0～20 cm土層的分布范圍更大一些，另外還分布著一定面積的氯化物鹽漬土、硫酸鹽鹽漬土、蘇打鹽漬土。因此，烏拉特灌域的鹽漬土鹽分組成類型不是單一的，氯化物?硫酸鹽鹽漬土、硫酸鹽?氯化物鹽漬土、氯化物鹽漬土、硫酸鹽鹽漬土等多種類型交叉并存，鹽分組成類型復(fù)雜。

2.3 土壤鹽堿化程度綜合評(píng)價(jià)

土壤的可溶性鹽分離子具有不同的化學(xué)性質(zhì)，各離子之間相互影響和結(jié)合，可組成影響土壤特性的堿性或鹽性化合物。土壤鹽堿化程度可以依據(jù)TS、標(biāo)準(zhǔn)SO42-、標(biāo)準(zhǔn)Cl-等指標(biāo)進(jìn)行劃分，土壤堿化程度可以依據(jù)堿化度、總堿度等指標(biāo)進(jìn)行劃分。土壤中鹽分的組成成分相對(duì)復(fù)雜，僅僅參照一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)劃分土壤的鹽堿化程度，只能反映土壤鹽堿化特征的一個(gè)方面，如當(dāng)土壤質(zhì)地粗、有機(jī)質(zhì)含量低時(shí)，若土壤CEC較低，即使交換性Na+含量不高，而堿化度可能很高[30]（ESP=交換性Na+/ CEC×100%）。在本研究中對(duì)不同采樣點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析也發(fā)現(xiàn)存在類似的問(wèn)題，如土壤質(zhì)地類型以粉土和粉壤土為主的采樣點(diǎn)2#、3#、5#、6#、12#、20#、113#和118#，與CEC、交換性Na+含量相當(dāng)?shù)牟蓸狱c(diǎn)相比，ESP卻比這些點(diǎn)高出30%以上。因此，需要在考慮各指標(biāo)相關(guān)性關(guān)系的基礎(chǔ)上，對(duì)土壤鹽堿化程度進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

對(duì)表征土壤鹽堿化程度的9個(gè)指標(biāo)（pH、TS、Cl-、SO42-、Mg2+、Na+、交換性Na+、CEC、ESP）進(jìn)行Kaiser-Meyer-Olkin（KMO）和巴特利特檢驗(yàn)，KMO>0.6，顯著性sig值小于0.001，適合做因子分析。運(yùn)用因子分析法（內(nèi)嵌主成分分析方法）分析鹽堿化程度綜合得分來(lái)評(píng)價(jià)土壤鹽堿化水平，即根據(jù)各指標(biāo)在公因子中的得分系數(shù)，計(jì)算各公因子及因子綜合得分，評(píng)價(jià)采樣點(diǎn)土壤鹽堿化的綜合狀況。各指標(biāo)公因子特征值及貢獻(xiàn)率結(jié)果見(jiàn)表4，公因子得分系數(shù)見(jiàn)表5。

表4 各指標(biāo)公因子的特征值及貢獻(xiàn)率

表5 公因子得分系數(shù)

從表4可以看出，有三個(gè)公因子的初始特征值大于1，荷載累積百分比為88.581%，說(shuō)明這三個(gè)公因子能解釋九個(gè)變量中的絕大部分信息。第一個(gè)公因子主要反映了TS、Cl-、SO42-、Mg2+、Na+五個(gè)指標(biāo)的信息，這五個(gè)指標(biāo)反映了土壤的鹽化特征，表明土壤鹽堿化的鹽類化合物主要是以鈉鹽或鎂鹽為主的氯化物或氯化物與硫化物的混合物，這與竇旭等[22]取得的研究區(qū)土壤鹽堿化的主導(dǎo)因子是TS、Na+、Cl-、Ca2+、Mg2+的研究結(jié)論有一致的地方。第二個(gè)公因子主要反映了pH、交換性Na+、ESP三個(gè)指標(biāo)的信息，這三個(gè)指標(biāo)是劃分土壤堿化程度的指標(biāo)，在土壤鹽化的基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)土壤堿化做出了說(shuō)明。第三個(gè)公因子主要反映了CEC的信息，這個(gè)指標(biāo)是評(píng)價(jià)土壤保水保肥能力的指標(biāo)，是改良土壤和合理施肥的重要依據(jù)之一，反映了土壤的基礎(chǔ)條件，是對(duì)鹽堿化程度的補(bǔ)充說(shuō)明。各指標(biāo)中公因子的因子荷載較大的指標(biāo)有TS、Cl-、Na+、交換性Na+、ESP和CEC，這幾個(gè)指標(biāo)也是烏拉特灌域土壤鹽堿化程度的重要影響因子。

根據(jù)表5各指標(biāo)的得分系數(shù)可以得出公因子得分的表達(dá)式1、2和3為

式中ENa+為交換性Na+含量，cmol/kg。

根據(jù)各公因子貢獻(xiàn)率，得出其在綜合得分中的權(quán)重（各公因子特征值或荷載分別與公因子特征值之和或公因子累積荷載的比值）[21,31]，綜合得分為

從圖6可以看出，烏拉特灌域鹽堿化程度整體上呈中間輕南北重、西輕東重的趨勢(shì)，越靠近排干、渠道、烏梁素海沿岸土壤鹽堿化程度越大，綜合得分高值區(qū)域主要分布在烏梁素海西岸、紅圪卜揚(yáng)水站周邊、塔四分干渠兩側(cè)的部分區(qū)域。結(jié)合灌域內(nèi)TS、ESP的空間分布，發(fā)現(xiàn)烏梁素海西岸、紅圪卜揚(yáng)水站、十排干上游、塔四分干渠兩側(cè)區(qū)域鹽化特征明顯，東北、東南及塔布干渠南岸區(qū)域堿化特征明顯，烏梁素海西岸、紅圪卜揚(yáng)水站、塔四分干渠兩側(cè)區(qū)域鹽化和堿化特征均比較明顯。不同采樣點(diǎn)土壤鹽堿化程度存在差異，分布不均勻，例如離八排干較近的1#、4#點(diǎn)綜合得分較大，根據(jù)TS含量其屬于輕度鹽漬化土壤，但是堿化度卻很高，屬于堿土，導(dǎo)致堿化度大的原因在于其pH值和交換性Na+含量很高；綜合得分最大的101#點(diǎn)，TS含量很高，屬于鹽土，但是堿化度卻不太高，屬于輕度堿化土；綜合得分為0的13#、14#點(diǎn)，TS含量小于1 g/kg，屬于非鹽漬化土，但是堿化度卻很高，屬于堿土；綜合得分很小的25#點(diǎn)，TS含量較低，屬于非鹽漬土，堿化度為6%，屬于輕度堿化土，觀察其各指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果，導(dǎo)致堿化度大的原因在于其養(yǎng)分水平低。以上結(jié)果進(jìn)一步說(shuō)明了土壤鹽堿化程度判別的復(fù)雜性，僅從一個(gè)指標(biāo)很難準(zhǔn)確評(píng)價(jià)土壤鹽堿化狀況，公因子綜合得分考慮了指標(biāo)之間的相關(guān)性，能比較客觀地對(duì)土壤鹽堿化程度作出評(píng)價(jià)。

依據(jù)公因子的特征值及貢獻(xiàn)率特點(diǎn)，在土壤鹽堿化的治理過(guò)程中首先需要考慮降低土壤鹽分含量，在降低土壤鹽分含量的基礎(chǔ)上通過(guò)改善土壤結(jié)構(gòu)降低土壤堿化度。對(duì)于綜合得分高值區(qū)域首先需要對(duì)產(chǎn)生高值的原因進(jìn)行分析，然后再確定是否有必要通過(guò)措施來(lái)治理土壤鹽堿化；對(duì)于綜合得分低值區(qū)域如果存在TS較低但ESP較高的情況，可通過(guò)改良土壤質(zhì)地來(lái)提高土壤保肥能力，從而提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)值；對(duì)于綜合得分處于中間水平的區(qū)域可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行作物種植結(jié)構(gòu)調(diào)整和鹽堿化治理。

3 結(jié) 論

根據(jù)采樣檢測(cè)結(jié)果分析了烏拉特灌域土壤鹽堿化空間分布特征，得到以下結(jié)論：

1）土壤中可溶性鹽分離子主要以HCO3-、SO42-、Cl-、Na+為主，土壤各層的HCO3-含量較大區(qū)域主要分布在灌域的東北角，且20～40 cm土層HCO3-分布更廣。各層的SO42-、Cl-和Na+的分布均呈局部含量較高并發(fā)散的特點(diǎn)，且空間分布特征相似。HCO3-、陽(yáng)離子交換量（CEC）、交換性Na+和堿化度（ESP）的變異系數(shù)在10%～100%之間，屬于中等變異，交換性Na+和ESP的變異系數(shù)偏大，接近100%，全鹽量TS、Cl-、SO42-和Na+的變異系數(shù)均大于100%，屬于強(qiáng)變異，變化特征明顯，離子分布的變異性不同導(dǎo)致部分區(qū)域的土壤鹽化特征明顯，部分區(qū)域的堿化特征明顯。

2）兩土層中pH、TS、ESP的空間分布規(guī)律基本一致，在東西方向上，各指標(biāo)西部低，東部高；而在南北方向上，中間低，南、北兩側(cè)高。土壤pH值基本在7.5～8.5之間，土壤堿性特征明顯。灌域內(nèi)有32%的耕地存在鹽漬化問(wèn)題，0～20 cm土層鹽漬化土壤分布范圍更廣，且以輕度鹽漬化土為主（約占26%）。有97%的土壤存在堿化問(wèn)題，其中，輕度堿化土約占40%，中度和堿土均約占23%。對(duì)比ESP和TS可以看出，灌域內(nèi)堿化土壤分布面積和范圍更大，土壤堿化問(wèn)題更為突出。

3）耕地土壤鹽堿化程度綜合評(píng)價(jià)結(jié)果表明，公因子綜合得分能排除指標(biāo)間個(gè)體差異，比較全面和客觀地反映土壤鹽堿化的整體水平。各指標(biāo)中公因子的因子荷載較大的指標(biāo)有TS、Cl-、Na+、交換性Na+、ESP和CEC，這幾個(gè)指標(biāo)也是烏拉特灌域土壤鹽堿化程度的重要影響因子，是土壤的鹽化特征、堿化程度、保水保肥能力的綜合反映。公因子的綜合得分值在?0.78～3.38之間，綜合得分越大，代表土壤的鹽堿化程度越高。研究結(jié)果可為今后開(kāi)展水鹽調(diào)控研究、作物種植結(jié)構(gòu)調(diào)整和鹽堿化治理工作提供數(shù)據(jù)支撐和參考。

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Spatial distribution pattern of soil salinization in farmland of Wulate sub-irrigation areas in Hetao Irrigation District in Inner Mongolia in spring

Wang Ruiping1,2, Wan Heyang2, Chen Shuai2, Xia Yuhong1, Bai Qiaoyan3, Peng Zunyuan1, Shang Songhao2※

(1.015000,;2.,100084,;3.015000,)

Soil salinization has posed a great threat to agricultural production and regional development in irrigation districts of arid regions with shallow groundwater tables. Therefore, it is highly demanding to assess the soil salinization-alkalization for rational regulation of soil water and salt regime in high-efficient utilization of water and land resources. In this study, an attempt was made to evaluate the spatial distribution pattern of soil salinization in the farmland of the Wulate sub-irrigation area in the lower reaches of the Hetao irrigation district in spring. An analysis of soil particle size was performed using field sampling combined with laboratory testing. The soil profiles (ground surface to groundwater level) of typical points were determined to measure the salinization indicators at 113 sampling points, including the Total Salt content (TS), pH value, contents of eight major salt ions (CO32-, HCO3-, Cl-, SO42-, Ca2+, Mg2+, and K++Na+), exchangeable Na+content, Cation Exchange Capacity (CEC), and Exchangeable Sodium Percentages (ESP) in 0-20 cm and 20-40 cm soil layers. Classical statistics, geostatistics, and multi-index comprehensive evaluation were applied to obtain the spatial distributions of soil salinization regime using different indicators. The results showed that the content of TS in 0-20 cm soil layer was higher than that in 20-40 cm. The soluble salt ions in the soil were mainly HCO3-, SO42-, Cl-, and Na+. The spatial variability of pH value was weak with the coefficient of variation (CV) less than 10%, those of TS and contents of CO32-, Cl-, SO42-and K++Na+were strong with CV greater than 100%, those of HCO3-, CEC, exchangeable Na+and ESP were medium with 10%

soils; salinization; spatial distribution; kriging; factor analysis; Wulate sub-irrigation area

王瑞萍，萬(wàn)核洋，陳帥，等. 河套灌區(qū)烏拉特灌域春季土壤鹽堿化空間分布特征[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2021，37(15)：105-113.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.15.013 http://www.tcsae.org

Wang Ruiping, Wan Heyang, Chen Shuai, et al. Spatial distribution pattern of soil salinization in farmland of Wulate sub-irrigation areas in Hetao Irrigation District in Inner Mongolia in spring[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(15): 105-113. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.15.013 http://www.tcsae.org

2021-05-18

2021-07-15

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51839006）；清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究課題（2020-KY-01）；清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金課題（sklhse-2020-A-03）

王瑞萍，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)楣?jié)水灌溉、土壤鹽堿化治理等。Email：75114017@qq.com

尚松浩，博士，研究員，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)水文水資源與干旱區(qū)生態(tài)用水。Email：shangsh@tsinghua.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.15.013

S156.4

A

1002-6819(2021)-15-0105-09