渭-库绿洲土壤盐渍化空间分布特征研究

依克丽曼·阿布都米提，买买提·沙吾提,2,3，马春玥

(1. 新疆大学资源与环境科学学院，乌鲁木齐 830046；2. 新疆大学绿洲生态教育部重点实验室，乌鲁木齐 830046；3. 新疆智慧城市与环境建模普通高校重点实验室，乌鲁木齐 830046)

0 引 言

土壤盐渍化是干旱、半干旱地区极为重要的土壤退化类型和过程，也是造成土地荒漠化的重要原因之一[1]，土壤盐渍化已成为世界100多国家和地区均存在的环境灾害与生态问题[2-3]。据全国第二次土壤普查数据表明，新疆盐碱地比重大，各类盐渍化土地面积可达1 336.1 万hm2，占全国盐碱地面积的36.8%，其中盐渍化耕地面积可达126.39 万hm2，占新疆耕地面积的30.85%，由于分布区域广，类型众多，被称为世界盐碱土的博物馆[4]。

近年来，国内外学者基于GIS技术并结合野外采样，采用多元统计法[5,6]、主成分分析[7,8]，BP神经网络、空间分析[8,9]等方法，对土壤盐渍化状况及其变异性方面进行了大量研究。如：国外ONKWARE等[13]利用变异函数探讨了不同深度土壤盐分的空间变异性。Akramkhanov A 等[14]根据环境预测因子来模拟高灌溉景观中土壤盐分的空间分布。姚荣江[5]等运用地统计学和聚类分析相结合的方法解释了黄河三角洲土壤含盐量的在水平和垂直方向的分布特征及规律；杨帆[6]等对松嫩平原苏打盐渍化旱田的土壤表观电导率空间变异进行研究，结果表明利用大地电导率仪测定结合田间采样，通过典型统计和地统计相结合的方法，可以对土壤盐渍化进行快速评估。该研究结果与姚荣江等对黄河三角洲典型地块表观电导率的空间变异研究结果基本相同。另外，樊丽琴等[7]，利用相关分析和主成分分析法来研究导致宁夏平罗县西大滩土壤盐碱危害的主要盐分离子；杜军等应用统计学方法和普通Kriging法，揭示了内蒙古河套灌区层地下水埋深和矿化度的年内时空分布规律。上述研究成果对于土壤盐渍化监测方面积累了重要的理论和实践经验，也有着良好的精确度和参考价值，这些方法都能使土壤盐分空间变异研究变得更加多元化和精准化。

渭-库绿洲是新疆重要的绿洲农业区，干旱区的典型缩影，独特的地质、地貌、气候条件造就了该区域土壤盐渍化严重[15,16]。目前，该绿洲土壤盐渍化研究主要集中于利用遥感手段对土壤盐渍化现状进行评估和土壤盐分反演方面[17-21]。对于土壤盐分特征及空间分布规律方面虽然张飞、王雪梅和丁建丽等人有了一定的研究[22-26]，但是对土壤盐分及其离子在空间上的聚集规律、关联模式等分布特征的定量研究尚显不足，而这种研究对揭示土壤水盐运移及其变化特征与机制很重要[27]。鉴于此，本研究以渭-库绿洲为例，在野外采样的数据基础上，应用变异函数，冗余分析和空间自相关分析(Moran`sI指数)等分析方法，定量研究不同剖面层土壤盐渍化主要参数的空间变异特征及变化规律，揭示研究区土壤含盐量空间分布规律，以便为该绿洲水盐调控和科学灌溉提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

渭干河—库车河三角洲绿洲(以下简称渭-库绿洲)位于塔里木盆地北部，辖阿克苏地区的库车、新和、沙雅3个县，地理坐标东经80°37′～83°59′，北纬41°06′～41°40′间(图1)，是典型的山前冲洪积扇平原，是阿克苏地区最大的灌溉区及新疆重要的产棉区之一[21]。本绿洲位于中纬度地区，年均气温10.5～11.4 ℃，降水 50.5～66. 5 mm ，年均蒸发量2 000. 7～2 092. 0 mm，具有气候干旱，降水稀少，风沙频繁等特点。该区域属典型的绿洲农业区，区域内主要有渭干河、库车河、塔里木河，农作物生长全靠灌溉。渭-库绿洲地下水埋深较浅并且地下水矿化度偏高，土壤质地以轻壤和沙壤为主，中壤，重壤，黏土有少量分布，土壤pH值为7.9～8.0，土壤构成物颗粒细，透水性差，因而造成该区域的土壤的盐渍化。

图1 土壤采样点分布示意图Fig.1 Distributing of soil sampling site in Ugan-kuqa River

1.2 样品采集与处理

1.3 研究方法

2 结果分析

2.1 土壤含盐量和空间分布特征

对不同剖面的土壤盐分指标进行统计分析，结果见表1。从变幅来看：土壤剖面中，表层土壤盐分TS含量的最大值与最小值的差别较大，变幅为69.7 g/kg，而表层以下土层的差别较小，分别为41和35.9 g/kg。表层土壤盐分的变幅要明显高于其他两个土层，随着土壤深度的增加，盐分变化幅度减少，呈表聚趋势。另外，pH值和电导率EC的变幅变化趋势与盐分的变幅变化趋势相似，随着土壤深度的增加，变化幅度减少，呈表聚趋势。

表1 土壤含盐量TS、电导率EC和pH值统计表Tab.1 Descriptive statistics of salt contents, EC and PH in soil samples

从含盐量的平均值来看，研究区各层土壤盐分均值存在一定的差异。表层的土壤含盐量均值较高，为22.21 g/kg，根据新疆土壤盐碱化的分级标准[4]，属于重盐渍地(盐分含量大于16.0 g/kg)；中间层和低层的均值分别为4.28和3.48 g/kg，属于非盐渍地(盐分含量小于7.0 g/kg)。整体来看，随土壤深度的增加含盐量逐渐减少，呈重盐渍化到非盐渍化趋势，说明研究区的盐分分布具有一定的表聚性。各层土壤pH值总体变化不大，从表层开始依次为7.61，7.77，8.03，其中底层的pH值最高。电导率EC的均值从表层开始依次为36 890.41、6 925.76、5 322.5 μS/cm，其中表层的电导率值最高。

从变异系数来看，研究区各层土壤盐分的变异系数分别为：89.72%、60.03%和64.94%。根据变异系数分级标准[28 ](变异系数<10%为弱变异性；变异系数10%～100%为中等变异性；变异系数>100%为强变异性)，各土层盐分变异系数均小于100%，属于中等变异，其中表层土壤盐分的变异系数要明显高于其他两个土层的变异系数。造成这种现象的原因在于研究区地形、土地利用方式的差异，加上人类不合理的灌溉及水分的蒸发，促使盐分随水上移到土壤表层，导致研究区盐分表聚强烈。随着土层深度增加，土壤受这些因素影响减少，导致盐分变异强度趋弱。各土层土壤pH值的变异系数分别为：7.62%、5.19%、6.23%，各土层pH值在水平方向上呈弱变异强度，其随土壤深度而变化的趋势跟土壤盐分变化趋势相似。

对土壤含盐量的传统统计分析只在一定程度上反映总体状况，必然在局部土壤特征上缺少反映，更不能反映土壤盐分分布的随机性和结构性、独立性和相关性。地统计学已证明是分析土壤属性空间分布特征及其变化规律最为有效的方法之一，因此本文选取地统计学方法对研究区域土壤变异性进行分析和探讨，其中半方差函数是研究变异性的关键函数[29]。

通过半方差函数拟合参数可以看出(表2)，表层和中间层盐分的理论半方差函数均比较符合球状(Spherical)模型，而底层盐分的理论半方差函数符合高斯模型(Gaussian)，而且除中层土壤含盐模型的决定系数低于0.6，其余各模型的决定系数都超过0.6，表明研究区表层和底层土壤属性半方差模型拟合精度普遍较高。各土层含盐量块金值C0均为正值，说明存在着由采样误差、短距离的变异、随机和固有变异引起的各种正基底效应。各土层含盐量的块金值/基台值变化分别为50%、54.4%、80.1%，表层和中间层表现为中等的空间相关性，表明土壤含盐量的空间变异是内在因子(结构性因素，如气候、母质、地形、土壤类型等)和外在因子(随机性因素，如施肥、耕作措施、种植制度等各种人为活动)共同作用的结果；底层土壤表现为弱等的空间相关性。

本研究中采用普通克里格插值方法，分析土壤中盐分含量的空间分布格局。由不同土层盐分的空间分布图(图2)看，总体上，研究区土壤含盐量东部高于西部，各土层盐分分布呈现出一定的区域差异性。与其他两层相比较, 表层土壤盐分相对较高，含盐量较高区域均分布在研究区的东北部和东南部以及靠近荒漠土壤中，分布较破碎，其余两层土壤含盐量分布比较均匀，以点状和面状分布为主。

表2 各土层含盐量空间变异特征值Tab.2 Spatial feature values of soil salinity in different soil layers

图2 研究区各土层含盐量的空间分布图(单位：g/kg)Fig.2 Spatial distribution maps of soil salinity for all depth

2.2 土壤盐分离子分析

图3 研究区土壤离子Radial图Fig.3 Radial figure of soil ions in study area

图4 研究区土壤离子组成Durov图(单位：g/L)Fig.4 Durov figure of soil ions in study area

Wilcox图，根据美国农业部(USDA)提出来的背景值来形成的，表示盐渍化危害与钠危害之间的关系，如图5所示。Wilcox图的横坐标表示盐渍化危害度EC(μS/cm)，0～250 μS/cm范围表示低危害，250～750 μS/cm范围表示中危害，750～2 250 μS/cm范围表示重危害，2 250～5 000 μS/cm范围表示高危害)，纵坐标表示钠危害SAR，SAR线的位置是由以下几个直线方程决定：

S1y=-1.581 6×10-3x+10.158 16
S2y=-2.295 6×10-3x+18.229 59
S3y=-3.010 2×10-3x+26.301 02

小于S1表示低钠危害、S2与S2之间是中钠危害、S2与S3之间是重钠危害，大于S3是高钠危害。本研究区的三层全都落在高盐渍化危害和高钠危害范围，在此范围内危害程度从小到大依次为中间层、底层、表层，说明研究区的土壤属于高盐渍化危害和高钠危害。

图5 研究区土壤含盐量Wilcox图Fig.5 Wilcox figure of soil salinity in study area钠(碱)危害：S1：轻；S2：中；S3：重；S4：高；含盐量危害：C1：轻；C2：中；C3：重；C4：高

2.3 盐渍土的冗余分析

图6 各土层盐分的RDA排序Fig.6 RDA sort of soil content at different depth

2.4 土壤盐分的空间自相关分析

本文局部空间自相关指标Moran散点图和LISA集聚图相结合的方法，进行局部空间自相关分析，结果如图7所示。由图7可见，散点图定性地区分出每个格网单元与周围邻近单元单含盐量的相互关系，研究区各个土层的空间自相关系数Moran`sI均为正，且大于0.9，表明研究区土壤含盐量分布空间相关性较高；在变化趋势上,Moran`sI指数最高是低层(Moran`sI=0.972)，其次为表层(Moran`sI=0.945)，最低是中间层(Moran`sI=0.93)。研究区域土壤含盐量散点主要分布在第一和第三象限，第二和第四象限散点分布较少，说明研究区土壤含盐量的空间分布并非表现出完全随机性，而是表现出空间相似值之间的空间聚集，即土壤含盐量较高的区域趋于和土壤含盐量较高的区域相邻，土壤含盐量较低的区域也趋于和土壤含盐量较低的相邻；全部土层第一和第三象限的分布较为集中，表明在土壤含盐量较高的区域和较低的区域各格网间差异不大。

图7 研究区各土层土壤含盐量的Moran 散点图Fig.7 Moran scatter of soil salinity in soil depth in research area

鉴于Moran散点图不能判断各区域的局部相关类型及其聚集区是否在统计意义上显著，利用Geode生成聚集图LISA (图8)，旨在更为直观的观察研究区域土壤含盐量的空间分布情况。观察图8可知，研究区土壤含盐量较高的区域和土壤含盐量较低的区域呈现出两极集聚，这进一步印证了Moran`s I散点图所揭示的研究区土壤含盐量的空间相关性。研究区土壤含盐量高值聚集区随土层的深度而逐渐集中并向研究区西部移动，低值区主要集中在随土层的深度逐渐分散并从渭干河上游向渭干河下游移动，这类区域在空间范围上呈连片连绵趋势，空间分布格局上基本保持稳定[29]。研究区没有出现高低聚集区和低高集聚区。

图8 研究区各土层土壤含盐量LISA聚集图Fig.8 The LISA cluster graph of soil salinity in soil depth in research area

3 结论及讨论

通过本文的研究，可以得出以下结论：

(1)研究区域表层(0～10 cm)土壤含盐量均值较高，为22.21 g/kg，属于重盐渍地；呈由西北至东南逐渐升高趋势；中间层(10～30 cm)均值为4.28 g/kg属于非盐渍地，盐分从周围到中间逐渐升高趋势；底层(30～50 cm)的土壤含盐量，大部分属于非盐渍土，均值为3.48 g/kg，由西北之东南逐渐降低趋势。整体来看，随土壤深度的增加含盐量逐渐减少，呈重盐渍化到非盐渍化趋势，说明研究区的盐分分布具有一定的表聚性。

(2)各土层含盐量的块金值/基台值变化分别为50%，54.4%，80.1%，表层和中间层表现为中等的空间相关性，表明土壤盐分的空间变异是内在因子和外在因子共同作用的结果；底层土壤表现为弱等的空间相关性。

(5)研究区各个土层的空间自相关系数Moran`s I均为正，且大于0.9，表明研究区土壤含盐量分布空间相关性较高；在变化趋势上，Moran`sI指数最高是低层(Moran`sI=0.972)，其次为表层(Moran`sI=0.943)，最低是中间层(Moran`sI=0.93)；研究区土壤含盐量较高的区域和土壤含盐量较低的区域呈现出两极集聚，这进一步印证了Moran`sI散点图所揭示的研究区土壤含盐量的空间相关性。

从研究结果可以看出，表层土壤含盐量均呈由西北至东南逐渐升高趋势，属于盐渍地，反映渭干河流域，库车河以及研究区的特殊地形特征对土壤盐渍化格局的影响，体现渭-库绿洲土壤含盐量高的特点。另外，中间层从周围到中间逐渐减弱趋势，底层的土壤含盐量由西北之东南逐渐降低趋势，大部分属于非盐渍土，这与马成霞[36]对该渭-库绿洲土壤盐渍化研究获得的结论基本一致。

需要说明的是，虽然本研究采用多种统计分析方法比较好地反映了研究区土壤盐分在空间上的聚集规律、关联模式等分布特征[31-37]，但仍存在许多问题需要进一步研究和探讨。例如，土壤盐渍化是一定的气候、地形、水文地质等自然条件共同对水盐运动产生影响的结果。本研究对盐渍化影响因素的分析缺乏定量化，需待进一步提高。另外，由于资料限制，本研究只对研究区域盐渍化土壤的空间变化进行了较为详细分析，但是对于时间变化特征缺乏研究，今后需要加强土壤盐渍化动态监测研究。

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