莫索湾灌区土壤剖面盐分空间分布特征

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摘要：以新疆莫索湾灌区为研究区域，运用经典统计学和地统计学的分析方法，研究不同土层（0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm）土壤盐分含量的空间变异特征，并绘制了土壤剖面盐分含量分布图。结果表明，研究区土壤剖面盐分含量随着土层深度增加逐渐增大，具有一定的低聚特征，表层土壤平均含盐量最低，60～100 cm的土层含盐量最高；各土层土壤盐分均符合对数正态分布，但整个研究区土壤盐分含量最大值出现在表层，0～40 cm的土层盐分属于强变异性，40～100 cm的土层盐分是中等变异性；研究区各层土壤盐分均属于中等空间自相关，0～20、20～40 cm土层的块金系数分别为0.698和0.653，空间相关性低于底层；克里格插值分析表明，各土层含盐量均呈斑状、块状分布，研究区的土壤盐分南部高于北部，东部高于西部。

关键词：灌区；土壤剖面；盐分；空间分布

中图分类号：S153 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2016）10-2488-04

DOI：10.14088/ki.issn0439-8114.2016.10.011

Abstract：In order to analyze the spatial variation characteristics of salinity of different soil layers（0～20，20～40，40～60，60～80，80～100 cm），Mosuowan irrigated area in Xinjiang was chosen as study area， and classical statistics and geostatistics were used to obtain the salinity distribution map of the soil profile. The results showed that the salinity in soil profile increased gradually with the increase of soil depth in the study area. The average soil salinity of surface soil was the lowest， whereas it was the highest in soil layer of 60～100 cm. The soil salinity of each soil layer conformed to logarithmic normal distribution， but the maximum value of soil salinity in the study area appeared in the surface layer. The soil salinity of 0～40 cm showed strong variability， and the soil salinity of 40～100 cm showed medium variability. The soil salinity of each layer in the study area was of moderate spatial autocorrelation，the nugget coefficient of 0～20 cm and 20～40 cm soil layer were 0.698 and 0.653， and spatial correlation was lower than the underlying. The Kriging interpolation analysis showed that， the distribution of soil salinity was porphyritic or nubby， and the soil salinity was higher in the south and east than in the north and west of the study area.

Key words： irrigated area； soil profile； salinity； spatial distribution

土壤盐渍化是干旱、半干旱、半湿润地区土壤的普遍特征，也是土壤退化最主要的表现之一。全国约有31.1%的耕地受到盐渍化的威胁，主要是由于随着土壤和水资源不合理的开发利用，导致灌区局部蓄水量持续增大，地下水位居高不下，土壤盐分在表层聚集，严重影响和制约了农业发展和资源的可持续利用[1，2]。

近年来，许多国内外学者就土壤盐渍化这一问题展开积极深入的研究，Cemek等[3]对土耳其北部冲击平原的土壤盐分进行了研究，提出地下水位、微地形、灌溉系统和排水是影响土壤盐分空间变异性的主要因素。Eldeiry等[4]将地理信息系统和遥感以及空间模型相结合改进的克里格模型应用于土壤盐碱化的遥感估算，结果表明，将具有较强统计分析特性的地理信息系统和遥感相结合，能够大大提高土壤盐分空间分布的研究精度。张源沛等[2]对银川平原的土壤盐分及盐渍土的空间分布格局进行研究，表明土壤的空间相关性主要受到区域因素（地下水运动）的影响。刘广明等[5]的研究则表明典型绿洲区土壤盐分质量分数的空间分布是由随机性因素（如灌溉、耕作措施和土壤改良等各种人为活动）和结构性因素（如气候、地形、土壤类型等）共同作用引起的。王红等[6]研究了黄河三角洲的不同尺度、深度土壤盐分的变异系数和空间相关性，揭示了形成这种空间变异的地貌因素。孙艳伟等[7]对流动沙漠人工绿地的表层、亚表层的空间分布进行了研究，得出土壤表层盐分含量远高于亚表层且具有一定的表聚性。莫冶新等[8]对塔里木河中下游表层土壤盐分进行了研究，得出表层土壤的空间变异性较小且盐分性质较为单一。颜安等[9]对玛纳斯河流域表层的土壤盐分空间变异进行了研究，得出土壤的盐分分布为中等变异性并具有强烈的空间相关性。纵观国内外已有的研究，大多研究结果只对土壤表层的盐分空间分布进行了分析，得出土壤表层盐分的空间分布主要受地下水位、排水、灌溉系统、耕作措施、气候和地形等因素共同影响，但是土壤是具有剖面性质的，所以本研究以莫索湾灌区为研究对象，结合经典统计学、地统计学和克里格分析方法，对该地区土壤剖面的盐分空间分布进行讨论。

1 研究区概况及研究方法

1.1 研究区概况

研究区地处北纬45°01′、东经86°06′，是玛纳斯县灌区、老沙湾灌区、农八师石河子市和古尔班通古特大沙漠的中心。灌区总面积为1 326.15 km2，分别由147团、148团、149团和150团组成。平均海拔346.0 m，降水稀少，蒸发强烈，日照时间长，夏季炎热，冬季寒冷，属于典型的大陆性干旱半干旱气候，年平均气温6.6 ℃，年平均降水量123.2 mm，年平均蒸发量1 979.5 mm，年平均日照时数2 774.1 h。土壤受地形地貌、气候、水文条件和成土母质影响，可分为壤土、中壤土、沙土。该灌区农作物灌溉的主要方式为大水灌溉，由于大水灌溉，地形和人为因素的影响导致地下水位抬升，土壤的次生盐渍化加剧，盐碱化程度加深。

1.2 样品采集与分析方法

1.2.1 样品采集 本研究于2014年春季根据当地的土壤特征、植被类型、土壤利用方式等因素来确定研究区采样点的位置，应用GPS定位技术在研究区内选择典型位置进行采样，共267个采样点。在每个采样点相邻不同的3钻土样经混合后用四分法组成该点的待测样品，每个土样均先剔除地表面明显的植物碎屑和枯落物，用土钻进行5层分层采样，采样层次为0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm，同时对采样点周围的地形地貌、植被类型、植被覆盖度、土地利用方式、灌溉系统、土壤类型等要素进行描述，并用GPS记录各个采样点的地理坐标。

1.2.2 样品处理 采集的土壤样品在实验室里进行自然风干、研磨，过0.25 mm的筛后装入密封袋，以备后续试验。所有的土壤样品均制备1∶5土水质量比浸提液，测定样品的电导率。共275个采样点，1 375个样品，应用电导率仪（梅特勒S230）测定电导率，测定方法参考文献[10]。

1.2.3 数据处理 数据处理采用了Microsoft Excel 2010和地统计学软件GS+9.0，土壤盐分空间分布图均采用ArcGIS 10.0软件。

2 结果分析

2.1 土壤盐分的统计特征值

表1分别对0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm的土层进行了描述性统计。各土层土壤均较好地符合对数正态分布且各土层特征值具有明显的差异。60～80 cm土层的土壤平均含盐量最高，为0.71 dS/m；0～20 cm土层土壤平均含盐量最低，为0.48 dS/m；随着土层深度的增加，土层盐分含量逐渐增大；土壤含盐量最大值是0～20 cm土层的6.03 dS/m，最小值是40～60 cm土层的0.03 dS/m，土壤剖面盐分空间分布具有一定的低聚性。变异系数是反映数据离散程度的绝对值，各土层的变异系数随着土层的加深逐渐降低，分别为1.17、1.01、0.87、0.83、0.81，0～20、20～40 cm的土层属于强变异性，40～60、60～80、80～100 cm的土层是中等变异性。这或许是因为盐离子具有随水分迁移的特点，春季冰雪快速融化，一部分盐离子随水分沿着土壤毛细管下渗到土壤深处，一部分水分蒸发到空气中，导致土壤0～40 cm的土层变化最大，所以该土层的盐分变异性最强。40～100 cm的土层盐分则主要是由于地下水位的影响，春季地下水位抬升，盐离子随水分沿土壤毛细管运动，在土层中积累使40～100 cm的土层表现出中等变异性[2，5]。

2.2 土壤盐分空间相关性分析

采用GS+9.0对各土层盐分进行反复拟合，从而选取最优拟合模型（图1）。最优拟合模型标准为相关系数R2最大，残差系数SS最小。C0表示块金值，也叫块金方差，通常表示由试验误差和小于试验抽样尺度引起的变异，较大的块金方差表明较小尺度上的某种生态过程是不容忽视的[2]，C0+C表示基台值，C0/（C0+C）表示土壤空间自相关性的强度，当C0/（C0+C）

2.3 克里格插值分析

图2运用ArcGIS 10.0对各土层进行了克里格插值分析，显示出各土层土壤的盐分空间分布。从整体来看，研究区的土壤盐分南部高于北部，东部高于西部，且各土层的土壤盐分存在着较强的空间相关性。不同土层深度的东北部和南部都明显高于其他部位，或许是该地区位于冲积扇缘的泉水溢出带，地下水埋深较浅，盐分随水分蒸发在土壤中累积。从空间尺度来看，土壤盐分均呈斑状、块状分布，其最低值（0.10～0.40 dS/m）主要分布在中心部位，沿东南方向含盐量逐渐升高，中心部位周围的盐分含量上升和下降的梯度较为明显，北部区域的周边与沙漠接壤，人为开垦的农田长期灌溉使盐分不断向区域边缘累积，农田土壤含盐量随耕种年限的增长而逐渐降低[12]，因此中间部位明显低于四周的土壤盐分。但随着土层深度的增加，土壤盐分含量逐渐增加，在60～80、80～100 cm的土层区域大小一致，是因为采样点大都是农田，上层土壤盐分随灌溉淋洗到底层。从局部来看，土壤含盐量最低的是40～60 cm的土层，最高的是20～40 cm的土层，60～80 cm的土层次之，这或许是因为积雪融化的表层盐分淋洗和地表强烈蒸发促使下层盐分上移的共同作用，0～20 cm的土层盐分空间变异性最高，含盐量最高点在东部和西部，其余各处的土壤盐分含量变化较为平缓，这与描述性统计结果一致。随着土层的加深，地下水对土壤盐分空间分布的影响越来越明显[11]，因此60～80、80～100 cm的土壤盐分明显高于40～60 cm的土层。因此莫索湾灌区的土壤盐分空间分布主要受地形地貌、人类耕种、灌溉和地下水位因素的影响。

3 小结

本研究以莫索湾灌区为研究区，采用经典统计学和地统计学相结合的方法，研究出不同土层的盐分空间分布，主要有以下3点结论：

1）经典统计学表明，土壤剖面盐分分布具有一定的低聚性，0～20 cm土层的含盐量最低，60～100 cm土层的含盐量最高，各土层土壤盐分均符合对数正态分布，0～20、20～40 cm的土层属于强变异性，40～60、60～80、80～100 cm的土层是中等变异性。

2）空间结构分析表明，各土层含盐量在一定区域具有明显的空间结构特征，0～20、60～80 cm的土层都较好地符合了高斯模型，20～40、40～60、80～100 cm则较好地符合了指数模型，各层的土壤盐分具有中等空间相关性。

3）从克里格插值结果来看，各土层含盐量均呈斑状、块状分布，研究区的土壤盐分南部高于北部，东部高于西部，总体表现与地下水分布具有相似的空间分异规律，影响表层土壤盐分空间分布的因素是地形地貌、人为耕作和灌溉，而底层的土壤盐分空间分布主要与地形有关。

参考文献：

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[2] 张源沛，胡克林，李保国，等.银川平原土壤盐分及盐渍土的空间分布格局[J].农业工程学报，2009，25（7）：19-24.

[3] CEMEK B，GULER M，KILIC K， et al. Assessment of spatial variability in some soil properties as related to soil salinity and alkalinity in Bafra plain in northern Turkey[J]. Environmental Monitoring and Assessment，2007，124（1）：223-234.

[4] ELDEIRY A A， GARCIA L A. Detecting soil salinity in alfalfa fields using spatial modeling and remote sensing[J]. Soil Science Society of America Journal，2008，72（1）：201-211.

[5] 刘广明，吕真真，杨劲松，等.典型绿洲区土壤盐分的空间变异特征[J].农业工程学报，2012，28（16）：100-107.

[6] 王 红，宫 鹏，刘高焕.黄河三角洲多尺度土壤盐分的空间分异[J].地理研究，2006，25（4）：649-658.

[7] 孙艳伟，李生宇，徐新文，等.流动沙漠人工绿地土壤盐分空间分异特征[J].土壤通报，2010，41（3）：700-705.

[8] 莫冶新，尹林克，文启凯.塔里木河中下游表层土壤盐分空间变异性研究[J].干旱区研究，2004，21（3）：250-253.

[9] 颜 安，蒋平安，盛建东，等.玛纳斯河流域表层土壤盐分空间变异特征研究[J].土壤学报，2014，51（2）：410-414.

[10] 鲍士旦.土壤农化分析[M].北京：中国农业出版社，2000.

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