区域盐渍化土壤表层水盐变化特征及空间变异分析

赵文娟， 黄凌

(1.宁夏大学土木与水利工程学院，宁夏银川 750021； 2.宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心，宁夏银川 750021)



区域盐渍化土壤表层水盐变化特征及空间变异分析

赵文娟1，2， 黄凌1，2

(1.宁夏大学土木与水利工程学院，宁夏银川 750021； 2.宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心，宁夏银川 750021)

摘要表层土壤水盐的变化特征和空间变异性是研究改良土壤盐渍化的基础。将试验与统计学结合，分析宁夏银北试验区0~25 cm土层的水盐变化、空间变异性。结果表明，春夏季表层土壤水分含量、盐分含量总体随时间逐渐增大；水分变异系数处于中等变异，盐分变异系数处于弱变异区间内。通过统计计算，认为试验测定数目是达到精度要求的。利用Matlab软件拟合半方差函数求参，显示出土壤水分的空间自相关程度要明显高于土壤盐分。

关键词区域化变量；空间变异；盐渍土；土壤表层

Characteristics and Spatial Variability of Surface Soil Salinity and Moisture in Saline Area

ZHAO Wen-juan1,2, HUANG Ling1,2(1.School of Civil and Hydraulic Engineering, Ningxia University, Yinchuan, Ningxia 750021; 2.Ningxia Research Center of Technology on Water Saving Irrigation and Water Resources Regulation, Yinchuan, Ningxia 750021)

Abstract The characteristics and spatial distribution of surface saline soil is important to study in Yinbei area of Ningxia Province.This paper uses the methods of geographic statistics to analyze the variation of soil water(0-25 cm) and salt, spatial variability in experimental plots.The results show that surface soil moisture content and salt content was gradually increased over time in summer.Second, the coefficient of variation of soil moisture is higher than the soil salt’s.According to statistical calculation, the number of test measurement is to achieve the required precision.Last, the spatial autocorrelation of soil moisture level is significantly higher than that of soil salinity through adopting Matlab software parameters by fitting semivariogram.

Key words Regionalized variables; Spatial variability; Saline soil; Topsoil

宁夏银北地区位于宁夏回族自治区银川平原的北部和鄂尔多斯台地西缘的高阶地上，属于冲湖积平原潜水-承压水区。由于地形低洼、地下水位高以及人为的农业生产方式，该地区形成大面积的盐渍化土地。盐分通常积聚在25 cm以上的土层中。深翻土层、大水沟灌及优化施肥等传统降盐措施无法完全解决现阶段的土壤盐渍化问题，所以掌握土壤水盐的分布特征和时空变异可为制定合理的土壤盐渍化调控模式提供参考[1]。笔者就研究区耕作层土壤在春夏季的水分和盐分含量变化进行比较，分析不同时期表层土壤水盐的演变过程，为后续的土壤水盐运移数值模拟研究提供可靠的试验数据。

1材料与方法

1.1试验区域概述土壤水盐监测区域位于宁夏省银川市贺兰县南梁台子铁西村。贺兰县属于温带干旱气候区，夏季受东南暖湿气流的影响，雨水较多，蒸发强烈[2]。监测时段为2012年5~10月，平均气温为18.77 ℃，月平均降水量为41.2 mm，水面蒸发量为124.00 mm，月平均地下水埋深为1.32 m。使用HJ16-TFC-1BⅢ型土肥测试仪，对试验区土壤的化学性质进行测定，发现全盐量平均值为1.42 g/kg，pH为8.56。

试验区为一条形区，面积约1 000 m2, 以五行十列布置形式将50根TDR(Time Delay Reflectometry，简称TDR)探测管埋设土层内。将时间延迟反射仪与TDR管配合使用，分时段监测该试验区的50个测点0~25处土壤含水率和电阻值。TDR探测管是用特殊塑料制成，需使用支架、土钻、固定钢管、防振锤对其进行施工安装。探管安装图见图1。

1.2监测方法将TDR探头放置于地表10 cm深的探测管内，可直接获得土壤含水率和土壤电导率。通过多点测到的土壤含水率变异系数均小于10%，认为该测定值是可靠的。通过TDR设备可以测定出土壤含水率和一个与电导率相关的参数LEVEL值，但不能直接获得土壤的含盐量值。所以，需要建立参数LEVEL值、土壤含水率与土壤电导率三者的函数关系，通过显著性经验最终确定上述3个值的线性函数关系式[3]。

Y=1.326 4+2.125 4X1-0.006 9X2

(1)

式中，Y为土壤含盐量；X1为TDR所测土壤体积含水率；X2为TDR所测 LEVEL值。

2结果分析

2.1土壤表层水盐变化特征表层土壤平均含水率在监测期以7月最低，以9月最高。月平均含水率最大差值为8.6%，随着时间的迁移呈由高到底而后逐渐增加的变化特征。各月平均全盐量最高值出现在8月份，最低值则出现在5月份。结合监测期内不同月份的平均蒸发量、降雨量，与土壤全盐量、含水率进行对比分析。由图2可知，7月份降雨量达到最高，蒸发量达到最低，此时土壤水分含量也达到最低，并且土壤内部开始积盐；随着蒸发量的逐渐增加，降雨减少，土壤内部的盐分含量在8月达到最大，随后蒸发量逐渐减少，降雨又有所增加，土壤盐分含量随之降低，但横断面上全盐量未出现明显的回落。

2.2不同时间土壤水盐统计特征值由表1可知，5个采样时间的土壤含水率最小值与最大值相差范围在48%~71%。变化量逐月增加，到8月28日土壤表层含水率最大值为38%，最小值为19.9%，且整个横断面的平均土壤含水率达到最高值。土壤样本的变异系数是样本的标准值与平均数的百分比。将变异系数分为不同的区间范围，用于反映样本的变异程度，即0~15%为弱变异，16%~35%为中等变异，大于36%为强变异[4]。从变异系数来看，5个时期的土壤水分变异系数中只有7月26日监测的数值为弱变异强度，其他时期土壤含水率的变异系数在0.2~0.4之间，属于中等变异强度；秋末土壤水分的变异系数大于36%，变异性达到最强，说明数据受土壤含水率影响较大。从取样数目看，当计算精度为5%时，土壤表层含水率的合理取样数目在9~18个。

表1　20 cm深土层不同采样时间土壤水分的统计特征值

由表2可知，土壤全盐量变幅比土壤含水率变幅大，范围在20%~70%，土壤全盐量在7月26日的监测值变幅最小，标准差也是5个时期的最小值，且土壤表层全盐量变异系数为0.084，属于弱变异强度。变异系数高值也出现在秋末，但属于中度变异强度的范围。土壤含水率的变异系数在不同时期均高于土壤全盐量的变异系数，说明土壤盐分的变异性弱于土壤含水率。土壤表层全盐量的取样数目大于含水率的合理取样数目，约为48个，可见测点数目满足取样精度。

表2　20 cm深土层不同采样时间土壤盐分的统计特征值

2.3半方差函数的结构半方差函数是描述土壤特性空间变异结构的一个函数[5]，其基本方程为：

(2)

式中，h为土壤样本之间的距离；γ(h)为半方差,用于描述h和γ(h)之间函数关系；Z(xi)为土壤样本在xi处的测定值;Z(xi+h)为在距离为xi+h处的测定值；n为以h为间距的所有监测点的成对数目(若取样点有m个, 则n=m-1)。

半方差函数可以通过变差图来表示。该图中存在3个重要的参数，分别是基台值C0(sill)、范围值α(Range)和块金值C(Nugget)。上述参数决定了半方差函数的结构。基台值是指监测点间隔距离不同时半方差函数的稳定值；块金值是监测间隔为0时的半变异函数值；范围值是块金值达到基台值的横坐标差值。C0/(C0+C)为样本特性参数的空间差异性强度，表示可度量空间随机因素引起的变异所占的比例。当空间差异性强度C0/(C0+C)值小于0.25，属于强空间相关性；当C0/(C0+C)处于0.25～0.75之间，属于中等空间相关性；当C0/(C0+C)大于0.75，属于弱空间相关性[6]。半方差函数的非负性确定了现阶段只可采用理论模型进行拟合求参。常用模型有线性模型(Linear)、球状模型(Spherical)、指数模型(Exponential)、高斯模型(Gaussian)等[5]。球状模型对拟合浅层土壤含水率和全盐量是最为常用的[7-10]，因此该研究通过调用Matlab软件中非线性曲线拟合函数Isqcurvefit对球状模型进行拟合求参(表3)。

从空间相关性来看，6月和7月土壤全盐量的C0/(C0+C)值在0.25～0.75之间，属于中等强度的空间自相关性；5月、8月及9月的C0/(C0+C)值均小于0.25，则具有较强的空间自相关性；9月土壤含水量的C0/(C0+C)值为0.33，其余各月C0/(C0+C)的值均小于0.25。由此可知，在夏季，表层土壤含水率的空间自相关程度要明显高于土壤全盐量。随时间的推移，土样含水率自相关性逐渐变弱，而土壤全盐量的空间自相关性呈现出由强到弱再到强的变化态势。从相关距离上看，不同时期的含水率的自相关范围均处在26m；土壤全盐量处于8～25m，监测期土壤含水率的自相关距离大于土壤全盐量的，说明表层含水率受到外界的影响因素多于表层全盐量。

表3　20 cm深土层不同采样时间土壤含水率和全盐量半方差函数拟合参数

3结论

以宁夏银北地区的盐渍土水盐分布为研究对象，着重分析夏季浅层土壤含水率、全含量的变化特征及空间变异性。研究表明，该地区土壤表层含水率在8月、9月较高，浅层土壤全盐量随着时间的迁移而逐渐增加，其值随着降雨量的增加又会降低；不同时期土壤含水率的变异系数均高于土壤全盐量，其合理取样次数低于土壤全盐量的取样次数；采用球状模型拟合半方差函数所得参数表明，表层盐渍土含水率的空间变异程度高于土壤全盐量的，盐分的变异强度以中等变异为主，水分的变异强度以弱变异为主；土壤含水率的自相关距离对受外界因素的影响较大。

参考文献

[1] 邢旭光,赵文刚, 马孝义，等.覆膜滴灌条件下棉花根层土壤盐分时间稳定性研究[J].农业机械学报，2015,46(7):146-154.

[2] 杜历,周华.浅层地下水利用与盐碱地治理[M].银川:宁夏人民出版社,2003.

[3] 马文敏,康金虎.TDR在土壤盐分测试中的试验研究[J].中国农村水利水电，2006(6):10-13.

[4] 管孝艳,王少丽,高占义，等.盐渍化灌区土壤盐分的时空变异特征及其与地下水埋深的关系[J].生态学报,2012,32(4):1202-1210．

[5] 徐建华.现代地理学中的数学方法[M].北京:高等教育出版社,2002.

[6] CAMBARDELLA C A，MOORMAN T B，NOVAK J M, et al.Field-scale variability of soil properties in central low a soils[J].Soil Sci Soc Am J,1994, 58: 1501-1511.

[7] 史文娟,马媛,徐飞，等.不同微尺度膜下滴灌棉田土壤水盐空间变异特性[J].水科学进展,2014,25(4):287-596.

[8] 于淑会,白璐,刘慧涛，等.河北滨海平原土壤盐分空间异质性与淋排均质化作用研究[J].土壤,2014,46(6): 1135-1141.

[9] 周在明,张光辉, 王金哲.环渤海微咸水区土壤盐分及盐渍化程度的空间格局[J].农业工程学报,2010,26(10):15-20.

收稿日期2015-10-19

作者简介赵文娟(1980- )，女，宁夏银川人，讲师，博士，从事旱区水资源与调控方面的研究。

基金项目国家自然科学基金资助项目(91230111)；宁夏高等学校科学技术研究项目(NGY2014005)。

中图分类号S 152.7

文献标识码A

文章编号0517-6611(2015)33-204-03