穆耶賽爾·肉孜，王雪梅,2*

(1.新疆師范大學(xué) 地理科學(xué)與旅游學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830054；2.新疆維吾爾自治區(qū)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830054)

土壤鹽漬化是世界范圍內(nèi)面臨的重要生態(tài)環(huán)境問題，了解區(qū)域鹽漬土的分布狀及鹽漬化程度，對科學(xué)指導(dǎo)鹽漬土改良，提高土地生產(chǎn)力具有重要意義。國內(nèi)外一些學(xué)者對區(qū)域土壤水鹽時(shí)空分異開展了相關(guān)的工作，并取得了豐富的研究成果。如T.Panagopoulos等[1]以地中海區(qū)域?yàn)檠芯繀^(qū)，采用GIS和地統(tǒng)計(jì)學(xué)等方法開展了區(qū)域土壤鹽分變異性研究；姚榮江等[2]以黃河三角洲地區(qū)為研究對象，運(yùn)用GIS和地統(tǒng)計(jì)學(xué)的原理與方法，從空間尺度對不同分區(qū)的地下水礦化度與耕層土壤積鹽規(guī)律進(jìn)行了定量分析；王云強(qiáng)等[3]采用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合的方法，系統(tǒng)分析了黃土高原區(qū)域尺度土壤水分的分布規(guī)律和變異特征；李彬等[4]以內(nèi)蒙古河套灌區(qū)為背景，將地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)和經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)理論相結(jié)合，評(píng)價(jià)試驗(yàn)場土壤表層鹽分的空間分布特征及其變異性。目前，地統(tǒng)計(jì)學(xué)法被廣泛應(yīng)用于對土壤屬性空間分布的預(yù)測，尤其是在土壤鹽漬化的研究中起到了舉足輕重的作用[5-6]。為了提高模型的模擬精度，眾多學(xué)者嘗試采用反距離加權(quán)(IDW)、局部多項(xiàng)式(LP)、普通克里金(OK)和徑向基函數(shù)(RBF)等多種方法，并借助遙感影像的光譜信息或者其他環(huán)境變量，增加采樣點(diǎn)的空間相關(guān)性，從而取得了較為理想的效果[7-8]。Emadi等[9]采用反距離比加權(quán)、普通克里金和條件模擬方法對伊朗北部地區(qū)3種土層深度的土壤pH值和電導(dǎo)率進(jìn)行空間異質(zhì)性分析，比較認(rèn)為反距離比加權(quán)和普通克里金插值結(jié)果優(yōu)于條件模擬。徐存東等[10]使用反距離加權(quán)法、樣條函數(shù)法、趨勢面法以及普通克里金法對甘肅景泰川電力提灌區(qū)土壤全鹽量進(jìn)行空間插值分析，結(jié)果表明，使用反距離加權(quán)方法插值精度最高，與實(shí)際調(diào)查結(jié)果最為一致。由于土壤鹽漬化受多種自然因素和人為因素的影響，相關(guān)學(xué)者進(jìn)一步對土壤水鹽空間異質(zhì)性的影響因素進(jìn)行了深入研究。葛廣華等[11]通過對塔里木河上游荒漠河岸林土壤水鹽空間分布進(jìn)行研究，得出土壤水鹽的時(shí)空變化受植被覆蓋度和季節(jié)影響。魏玉濤等[12]研究發(fā)現(xiàn)極端干旱氣候、地下水埋深、距河流遠(yuǎn)近、地形以及土壤質(zhì)地等自然因素對敦煌西湖國家保護(hù)區(qū)表層土壤含鹽量的空間變異特征具有顯著影響。柳菲等[13]對民勤綠洲不同土地利用類型的土壤水鹽空間分布特征進(jìn)行分析，認(rèn)為不同土地利用類型下土壤水鹽的垂直分布差異十分顯著。綜上分析認(rèn)為，探究區(qū)域土壤水鹽空間異質(zhì)性及其影響因素，可為土壤鹽漬化的科學(xué)防治以及土地資源的合理利用提供重要依據(jù)。

渭干河-庫車河三角洲綠洲(以下簡稱渭-庫綠洲)是新疆典型的荒漠綠洲區(qū)，其土壤受到自然因素和人為因素的影響而逐年退化，主要包括土壤的鹽漬化、沙漠化，以及林草地過度放牧等，故對渭-庫綠洲土壤水鹽空間分布特征及其影響因素進(jìn)行分析則顯得尤為重要。為探索渭-庫綠洲的土壤水鹽空間分異和影響因素，以綠洲耕層土壤作為研究對象，通過野外調(diào)查、采樣分析和數(shù)據(jù)處理，運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)方法對該區(qū)土壤水鹽指標(biāo)的空間變化規(guī)律及影響因素進(jìn)行研究，旨在為干旱區(qū)綠洲土壤改良和農(nóng)田生態(tài)治理提供指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

渭-庫綠洲位于81°28′30″-84°05′06″E，39°29′51″-42°38′01″N，新疆南部的塔里木盆地北緣，是我國西北干旱區(qū)的典型荒漠綠洲。該區(qū)海拔940～1 300 m，總體地勢北高南低，為完整而典型的扇形洪積、沖積傾斜平原(圖1)。該綠洲為大陸性暖溫帶干旱氣候，年均氣溫為10.5～15.4℃，年均降水量50.0～66.5 mm，年均蒸發(fā)量平均1 990～2 865 mm，降水稀少且空間分布不均，蒸發(fā)強(qiáng)烈，生態(tài)環(huán)境十分脆弱。渭-庫綠洲的主要農(nóng)作物為棉花(Gossypiumhirsutum)、玉米(Zeamays)，經(jīng)濟(jì)作物為核桃(Juglansregia)、棗樹(Zizyphusjujuba)和蘋果(Maluspumila)等，另有胡楊(Populuseuphuratica)、駱駝刺(Alhagisparsifolia)、檉柳(Tamarixlaxa)和花花柴(Karelinacaspica)等荒漠植被。土地利用類型主要以耕地、林地、草地、裸地等為主。

圖1 研究區(qū)采樣點(diǎn)分布

1.2 數(shù)據(jù)采集與研究方法

1.2.1 采樣方案設(shè)計(jì) 本研究以數(shù)字高程地圖和遙感影像數(shù)據(jù)為輔助信息，于2019年7月中旬，采用GPS定位技術(shù)在渭-庫綠洲調(diào)查98個(gè)樣點(diǎn)。每個(gè)樣點(diǎn)在0～20 cm(耕層)進(jìn)行取樣。在采樣時(shí)，對樣點(diǎn)周圍的環(huán)境狀況及土樣特征做詳細(xì)記錄。主要包括海拔高度、經(jīng)緯度坐標(biāo)、植被覆蓋度與植被種類、土壤顏色、質(zhì)地以及進(jìn)行樣點(diǎn)周圍環(huán)境的景觀拍照等。

1.2.2 室內(nèi)分析與數(shù)據(jù)處理 將土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，參照中國科學(xué)院南京土壤研究所編寫的《土壤理化性質(zhì)分析》，采用經(jīng)典土壤農(nóng)化分析方法，通過烘干法測得土壤含水量；同時(shí)對土壤進(jìn)行自然風(fēng)干，剔出雜質(zhì)，研磨過篩并充分混合均勻。采用土水比1∶5浸提，用pH計(jì)測定土壤pH值，用電導(dǎo)儀測定電導(dǎo)率和土壤總鹽。

運(yùn)用SPSS 22.0軟件進(jìn)行土壤各指標(biāo)的經(jīng)典統(tǒng)計(jì)分析，為避免數(shù)據(jù)存在比例效應(yīng)，采用單樣本的K-S檢驗(yàn)方法檢驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)是否呈正態(tài)分布。通過比較檢測變量的P值，當(dāng)P>0.05，說明與正態(tài)性沒有顯著差異，故變量呈正態(tài)分布；若P<0.05則認(rèn)為變量不服從正態(tài)分布，需進(jìn)行對數(shù)轉(zhuǎn)換再檢驗(yàn)，若P>0.05，故認(rèn)為服從對數(shù)正態(tài)分布[14]；利用ArcGIS 10.5軟件的地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析模塊對土壤含水量、pH值、電導(dǎo)率和土壤總鹽進(jìn)行不同插值方法的比較，最終得到最優(yōu)的空間插值結(jié)果；在ArcGIS 10.5軟件的空間分析模塊下提取研究區(qū)海拔高度分級(jí)圖，同時(shí)使用ENVI5.3軟件的監(jiān)督分類方法對2019年7月的Landsat8 OLI影像進(jìn)行土地利用分類圖的制作(圖3)。

1.2.3 地統(tǒng)計(jì)學(xué)空間插值 地統(tǒng)計(jì)學(xué)空間插值是通常被用來研究土壤參數(shù)的空間自相關(guān)和空間變異的一種方法，主要表現(xiàn)在特定空間里土壤中各種參數(shù)的地理分布。主要包含反距離加權(quán)(IDW)、局部多項(xiàng)式(LP)、普通克里金(OK)和徑向基函數(shù)(RBF)[15-17]。其中反距離加權(quán)(IDW)是一種常用而簡便的空間插值方法，它以插值點(diǎn)與樣本點(diǎn)間的距離為權(quán)重進(jìn)行加權(quán)平均，離插值點(diǎn)越近的樣本點(diǎn)賦予的權(quán)重越大。設(shè)平面上分布一系列離散點(diǎn)，已知其坐標(biāo)(Xi，Yi)和值Zi(i=1,2,…,n)通過距離加權(quán)值求Z點(diǎn)值。IDW通過對鄰近區(qū)域的每個(gè)采樣點(diǎn)值平均運(yùn)算獲得內(nèi)插單元，要求離散點(diǎn)均勻分布，并且樣點(diǎn)密度要滿足可反映局部表面變化分析。

通過交叉檢驗(yàn)的方法，對不同插值結(jié)果進(jìn)行精度評(píng)價(jià)，交叉檢驗(yàn)使用所有的數(shù)據(jù)對趨勢和自相關(guān)模型進(jìn)行估計(jì)。評(píng)價(jià)指標(biāo)主要采用均方根誤差(root mean square error，RMSE)、平均相對誤差(mean relative error，MRE)和平均絕對誤差(mean absolute error，MAE)。除了用這3個(gè)誤差評(píng)價(jià)指標(biāo)外，還結(jié)合了決定系數(shù)(R2)對不同的插值方法的精度水平進(jìn)行評(píng)價(jià)。其中，RMSE反映預(yù)測值的靈敏度和極值情況，MRE反映預(yù)測值對觀測值的準(zhǔn)確度，MAE則反映預(yù)測值的誤差范圍，R2用于評(píng)估預(yù)測值與觀測值的符合程度，其計(jì)算公式如下所示：

(1)

(2)

(3)

(4)

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水鹽的描述性統(tǒng)計(jì)分析

從表1可以看出，研究區(qū)耕層土壤含水量和pH值在0.31%～37.86%、6.94～9.68變動(dòng)，電導(dǎo)率和土壤總鹽的變化范圍為0.11～50.65 ms·cm-1和0.53～462.93 g·kg-1；4項(xiàng)指標(biāo)的平均值分別為12.23%、7.83、6.53 ms·cm-1和38.19 g·kg-1。由于受人工灌溉影響，表層土壤含水量變動(dòng)幅度較大，而pH值的變幅相對最小。研究區(qū)受干旱氣候影響，降水稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，土壤鹽分表聚現(xiàn)象明顯，加之在綠洲農(nóng)業(yè)發(fā)展過程中不合理的灌溉和施肥方式使得表層土壤的次生鹽漬化程度較高，同時(shí)地表覆被不同，電導(dǎo)率和土壤總鹽在空間上具有較大的變動(dòng)幅度[18]。研究區(qū)內(nèi)不同土壤指標(biāo)的空間變異程度各不相同，土壤含水量、pH值、電導(dǎo)率和土壤總鹽的變異系數(shù)分別為56.99%、6.77%、161.10%和207.86%，變異程度由大到小依次為土壤總鹽>電導(dǎo)率>含水量>pH值，根據(jù)變異系數(shù)的大小，可知pH值屬于弱變異，土壤含水量屬于中度變異，電導(dǎo)率和土壤總鹽為強(qiáng)空間變異，在人類活動(dòng)和自然因素的影響下，電導(dǎo)率和土壤總鹽具有較強(qiáng)的空間變異性[13]。由單樣本K-S檢驗(yàn)結(jié)果可知，土壤含水量和pH值的P值均>0.05，結(jié)合偏度系數(shù)和峰度系數(shù)來看，土壤含水量和pH值近似服從正態(tài)分布；而電導(dǎo)率和土壤總鹽經(jīng)對數(shù)轉(zhuǎn)換后，其單樣本K-S檢驗(yàn)結(jié)果表明，P值>0.05，故認(rèn)為這2個(gè)指標(biāo)為對數(shù)正態(tài)分布。

表1 土壤表層(0～20 cm)水鹽特征統(tǒng)計(jì)

2.2 土壤水鹽的空間分布格局

分別采用反距離加權(quán)、徑向基函數(shù)、局部多項(xiàng)式和普通克里金這4種空間插值方法對土壤含水量、pH值、電導(dǎo)率和土壤總鹽進(jìn)行空間插值并得到交叉驗(yàn)證結(jié)果(表2)。分析認(rèn)為這4種插值方法對于渭-庫綠洲土壤水鹽指標(biāo)都有較高的預(yù)測精度，模擬效果較好，并且4種插值結(jié)果的決定系數(shù)R2，除了局部多項(xiàng)式和普通克里金外都>0.9，即通過交叉驗(yàn)證得到的預(yù)測值和實(shí)測值較為接近。通過比較發(fā)現(xiàn)反距離加權(quán)、局部多項(xiàng)式和徑向基函數(shù)插值的RMSE、MAE、MRE這3種誤差指標(biāo)較普通克里金插值誤差小，并且結(jié)合決定系數(shù)R2來看，反距離加權(quán)的決定系數(shù)最高，4項(xiàng)土壤指標(biāo)的決定系數(shù)均在0.99以上。通過對4種插值方法進(jìn)行精度比較，可以得出插值精度從高到低依次為反距離加權(quán)插值>徑向基函數(shù)插值>普通克里金插值>局部多項(xiàng)式插值。因此，可以得出在渭-庫綠洲土壤水鹽插值模擬過程中，反距離加權(quán)插值結(jié)果的精度是最高的，與其他3種插值方法相比具有更為準(zhǔn)確的預(yù)測結(jié)果。綜上分析，本研究選擇反距離加權(quán)插值方法對渭-庫綠洲土壤水鹽空間分布格局進(jìn)行分析，其插值結(jié)果最為準(zhǔn)確、可靠。

表2 空間插值交叉驗(yàn)證結(jié)果

通過對土壤含水量、pH值、電導(dǎo)率和土壤總鹽進(jìn)行反距離加權(quán)插值結(jié)果分析(圖2)，研究區(qū)耕層土壤含水量在0.312%～37.855%變化，含水量整體由東向西遞增；pH值在6.940～9.669變化，其含量由東向西呈遞減趨勢；電導(dǎo)率和土壤總鹽也呈現(xiàn)出較為明顯的由東向西條帶狀遞減的分布規(guī)律，其含量分別在0.120～50.442 ms·cm-1和0.627～461.092 g·kg-1變動(dòng)。結(jié)合野外調(diào)查結(jié)果進(jìn)行分析，電導(dǎo)率和土壤總鹽的空間分布為東部高西部低，位于庫車市東部和沙雅縣東南部的區(qū)域土壤鹽分表聚現(xiàn)象十分明顯。同時(shí)，該區(qū)域夏季氣溫高蒸發(fā)旺盛，地下水埋深淺，不合理的灌溉方式導(dǎo)致地表積水造成的土壤次生鹽漬化程度較為嚴(yán)重，并呈現(xiàn)出東高西低的空間分布特征[18]。

注：a：含水量；b：pH值；c：電導(dǎo)率；d：土壤總鹽。

2.3 基于不同海拔高度與土地利用類型下的土壤水鹽特征

由圖3可知，研究區(qū)海拔高度呈現(xiàn)出西北高東南低的空間分布格局，耕地主要分布在960～1 300 m海拔范圍內(nèi)，海拔<960 m的區(qū)域主要為荒漠區(qū)域。由于該區(qū)域土壤鹽漬化嚴(yán)重不適合農(nóng)業(yè)耕作，以草地和裸地為主要地表覆被類型。林地主要集中在綠洲內(nèi)部和塔里木河附近。位于研究區(qū)內(nèi)部的渭干河和庫車河，為該綠洲農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供了充裕水源，形成了分布范圍較廣，占地面積最大的耕地；建設(shè)用地主要分布在綠洲內(nèi)部，而綠洲邊緣地帶的沙漠化和鹽漬化現(xiàn)象較為嚴(yán)重。

利用ArcGIS 10.5軟件的空間分析模塊將圖2和圖3分別進(jìn)行空間疊加分析，并統(tǒng)計(jì)分析得到表3。由表3可知，耕層土壤含水量在較高海拔下具有高含量，而pH值、電導(dǎo)率和土壤總鹽則表現(xiàn)為海拔越高含量越低的特點(diǎn)，即區(qū)域土壤鹽堿化程度由高到低依次為海拔<960 m的區(qū)域>960～1 000 m區(qū)域>1 000～1 300 m區(qū)域，且在不同海拔高度下呈現(xiàn)出顯著的差異(P<0.05)。在不同土地利用類型下，土壤含水量表現(xiàn)為林地土壤水分最高，耕地次之，裸地表層土壤水分最低。pH值、電導(dǎo)率和土壤總鹽在不同土地利用類型下則表現(xiàn)為較為一致的變化規(guī)律，即裸地的土壤pH值、電導(dǎo)率和土壤總鹽均為最高，草地次之，耕地土壤鹽堿化程度最輕，且不同土地利用下的土壤鹽堿化呈顯著差異(P<0.05)。通過上述分析認(rèn)為，海拔高度和土地利用類型對耕層土壤水鹽的空間變異具有十分顯著的影響，海拔越低，地下水埋深越淺，土壤鹽堿化越嚴(yán)重。同時(shí)，該區(qū)域土壤鹽堿化的程度也決定了土地利用方式。在高鹽堿土壤環(huán)境下，植被生長受到抑制，農(nóng)作物難以生長，該區(qū)域只能生長耐鹽堿的鹽生植被，植被覆蓋度較低，土地利用方式主要以裸地和低覆蓋度草地為主。在土壤鹽漬化程度較輕的區(qū)域，主要發(fā)展綠洲農(nóng)業(yè)，土地利用方式主要以耕地和林地為主。

圖3 研究區(qū)海拔和土地利用分類

表3 不同海拔和土地利用類型下的土壤水鹽含量

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

通過野外實(shí)地調(diào)查，采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)和空間分析方法對渭-庫綠洲耕層土壤水鹽空間分異特征進(jìn)行研究，可得到以下結(jié)論：研究區(qū)耕層土壤含水量、pH值、電導(dǎo)率和土壤總鹽在0.31%～37.86%、6.94～9.68、0.11～50.65 ms·cm-1和0.53～462.93 g·kg-1發(fā)生變動(dòng)。其中，pH值的變動(dòng)幅度相對最小，而土壤總鹽具有最大的變動(dòng)幅度。空間變異程度由高到低依次為土壤總鹽>電導(dǎo)率>含水量>pH值，pH值屬于弱空間變異，土壤含水量屬于中等程度的空間變異，而電導(dǎo)率和土壤總鹽具有很強(qiáng)的空間變異性。

使用反距離加權(quán)、局部多項(xiàng)式、徑向基函數(shù)和普通克里金這四種插值方法對渭-庫綠洲耕層土壤水鹽空間變化進(jìn)行模擬。通過比較插值結(jié)果發(fā)現(xiàn)，反距離加權(quán)和徑向基函數(shù)插值的誤差指標(biāo)RMSE、MAE和MRE較小，結(jié)合決定系數(shù)R2來看，反距離加權(quán)方法的擬合效果最好，預(yù)測結(jié)果更為準(zhǔn)確。

由研究區(qū)耕層土壤含水量、pH值、電導(dǎo)率和土壤總鹽的空間插值結(jié)果顯示，土壤含水量整體由東向西遞增，而pH值、電導(dǎo)率和土壤總鹽由東向西遞減，均呈現(xiàn)出較為明顯的條帶狀分布特征。耕層土壤含水量在較高海拔下具有高含量，而pH值、電導(dǎo)率和土壤總鹽則表現(xiàn)為海拔越高越低的特點(diǎn)。不同土地利用類型下的耕層土壤水鹽空間分布特征有明顯變化，土壤鹽漬化程度影響了土地利用方式。在不同海拔高度和土地利用類型下，土壤水鹽呈現(xiàn)出顯著的含量差異(P<0.05)。

3.2 討論

通過地統(tǒng)計(jì)學(xué)空間插值的方法可以準(zhǔn)確預(yù)測土壤水鹽空間分布特征，但地統(tǒng)計(jì)學(xué)空間插值是基于大量實(shí)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，因此如何獲取足夠數(shù)量的實(shí)測數(shù)據(jù)是研究的基礎(chǔ)。同時(shí)，采用何種地統(tǒng)計(jì)學(xué)空間插值方法改變隨機(jī)因素對預(yù)測結(jié)果的影響，以及降低預(yù)測結(jié)果的不確定性，使模擬結(jié)果更為準(zhǔn)確是目前相關(guān)研究的難點(diǎn)問題[19]。相關(guān)研究表明，在地理要素的空間插值中，由于研究區(qū)域和時(shí)間尺度的不同，并不存在絕對的最優(yōu)方法，在實(shí)際應(yīng)用過程中可根據(jù)預(yù)測結(jié)果選擇最合適的插值方法[20]。本研究通過多次試驗(yàn)，通過采用4種地統(tǒng)計(jì)學(xué)空間插值方法對渭-庫綠洲土壤含水量、pH值、電導(dǎo)率和土壤總鹽進(jìn)行空間模擬，結(jié)果顯示，反距離加權(quán)插值方法可更為真實(shí)模擬該區(qū)域土壤水鹽的空間分布特征，該結(jié)果與徐存東等[10]研究結(jié)果具有高度一致性。

作為典型的干旱區(qū)綠洲，由于受極端干旱氣候影響，該區(qū)域土壤鹽漬化普遍發(fā)生，北高南低的沖洪積扇地形地貌特征使得渭-庫綠洲東部及東南部扇緣地帶的土壤鹽漬化現(xiàn)象特別嚴(yán)重。同時(shí)，土地利用方式和水文條件的差異形成了土壤鹽漬化在綠洲內(nèi)部較輕，而綠洲外緣程度持續(xù)加重的特點(diǎn)，土壤水鹽空間分布差異十分顯著。土壤水鹽的空間異質(zhì)性直接影響了綠洲植被的生長和分布，而植被的生長狀況及空間分布特征對土壤水鹽也有一定的影響[13,21]。因此，研究土壤水鹽的空間分布特征及其影響因素，可為土壤鹽漬化的防治以及合理利用土地資源提供依據(jù)。通過了解鹽漬化土壤的形成條件，合理調(diào)整種植結(jié)構(gòu)和耐鹽作物，制定科學(xué)的灌溉與排水制度，以及鹽漬地改良工程等重要舉措的具體實(shí)施都將會(huì)科學(xué)改良鹽漬化土壤[22-24]。