干旱区绿洲土壤pH值与电导率的空间变异研究

康 璇，王雪梅,2*，赵 枫,2

(1.新疆师范大学地理科学与旅游学院，新疆 乌鲁木齐 830054；2.新疆维吾尔自治区重点实验室“新疆干旱区湖泊环境与资源实验室”，新疆 乌鲁木齐 830054)



干旱区绿洲土壤pH值与电导率的空间变异研究

康 璇1，王雪梅1,2*，赵 枫1,2

(1.新疆师范大学地理科学与旅游学院，新疆 乌鲁木齐 830054；2.新疆维吾尔自治区重点实验室“新疆干旱区湖泊环境与资源实验室”，新疆 乌鲁木齐 830054)

本文以渭干河-库车河三角洲绿洲为研究对象，通过野外样品采集，室内分析及统计分析对土壤pH值与电导率的空间变异性进行研究，结果表明：①研究区土壤pH值在20～40 cm土层具有较大变幅，且值大于0～20 cm土层，而电导率在0～20 cm土层变化显著，且数值高于20～40 cm土层。②土壤电导率和20～40 cm土层pH值的空间分异是由结构性因素和随机性因素共同作用的结果；而0～20 cm的土壤pH值主要受随机性因素的影响，造成土壤pH值具有一定程度的空间变异性。③研究区土壤电导率的高值集中分布在东部，土壤电导率由渭-库绿洲冲、洪积扇平原的中部向外递增。在0～20 cm土层中，研究区北部、东北部及东部的土壤偏碱性，在20～40 cm土层中，西北部、南部土壤偏碱性，研究区中部及其他大部分区域均偏中性。通过对渭干河库车河三角洲绿洲土壤pH值与电导率空间变异的研究，可对绿洲土壤盐渍化特征及其空间格局分布规律进行有效评价，以期为维护绿洲生态系统健康及盐碱地的改良提供参考依据。

空间变异；土壤pH值与电导率；渭干河-库车河三角洲绿洲

土壤在成土过程中，由于受不同的物理、化学、生物等因素的影响，使得土壤性质具有高度的空间异质性和不确定性。因此，对土壤属性进行空间定量分析已成为土壤学研究发展的必然。地统计学分析方法则是研究土壤属性空间分布特征和变异规律的有效方法，目前已被广泛应用。李子忠等应用经典统计学和地统计学方法对土壤的含水量及电导率的空间变异性进行了对比分析。结果表明，应用地统计学方法采样效率比经典统计学方法高6～8倍[1]。在我国，利用GIS技术的地统计学方法进行土壤特性空间变异的研究较多。石淑芹等以松嫩平原土壤养分与地理坐标、土壤类型和微量元素等相关性为基础，对土壤养分分别进行协同克里格和普通克里格估值，认为协同克里格对区域尺度土壤属性空间模拟的效果要优于普通克里格[2]。郭旭东基于GIS和地统计学研究了河北省遵化市土壤表层(0～20 cm)碱解氮、全氮、速效钾、速效磷和有机质等5种养分要素的空间变异规律[3]。范夫静等采用经典统计学和地统计学方法，研究了西南峡谷型喀斯特坡地土壤养分的空间异质性和分布格局，结果表明：峡谷型喀斯特坡地土壤养分含量为中等和强变异，pH值表现为弱变异，有机质表现为中等程度的变异[4]。

相关研究表明，土壤溶液含盐量与电导率在一定浓度范围内呈正相关，当土壤溶液中盐基离子的比值比较固定时，可用电导率值准确表征土壤溶液中的总盐分浓度，也就是说土壤溶液电导率越大，土壤中的盐分含量越高[5]。根据土壤盐分含量与电导率的这种关系，可以用溶液电导率的大小来间接地反映土壤盐分的实际状况。同时，与测定土壤含盐量相比，电导率的测定更可靠、经济和快速。土壤pH值是土壤理化性质的综合反应，受土壤母质、生物、气候、人为措施以及盐基离子饱和度的影响较大，对土壤肥力和作物生长具有重要影响[6]。前期研究显示，渭干河-库车河三角洲绿洲土壤pH值与电导率呈极显著的相关关系(P<0.01)，且土壤pH值的平均值大于8，土壤偏碱性，说明土壤溶液中钾钠离子的含量相对较高[7]。因此，本文采用土壤pH值与电导率这两个盐渍化参数对渭干河-库车河三角洲绿洲土壤盐渍化特征及其空间格局分布规律进行有效评价，以期为该地区盐碱地的改良和区域土地资源的合理开发利用提供参考。

1 研究区概况

渭干河-库车河三角洲绿洲位于新疆天山山脉与塔里木盆地之间，介于80°37′～83°59′ E，41°06′～42°40′ N。行政区域上包括新和县的全部和库车、沙雅县的大部分绿洲范围，为一典型而完整的扇形洪、冲积倾斜平原。渭-库绿洲属于大陆性暖温带干旱气候，蒸发强烈，降水稀少，平原区多年平均降水量为46.5 mm，山区多年平均降水量为243.0 mm，年均蒸降比为38.6。由于特殊的地形条件，地下水埋深较浅，在强烈的蒸发作用下，该三角洲绿洲土壤盐渍化现象普遍，在古河道、河漫滩等地下水浅埋区，分布着大面积的盐渍化土和盐土。在土地利用方面，该三角洲绿洲为典型的绿洲农业区，以农业、经济林及小规模渔业为主。植被分布以玉米、棉花、枣园、核桃园等为主，另有芦苇、骆驼刺、花花柴、柽柳等荒漠盐生植被。

2 材料与方法

2.1 调查取样

在前期布点的基础上，利用GPS于2013年10月13日至19日在渭-库绿洲进行定位选点采样。依据典型性和代表性原则，在不同的土地利用方式下，选取了78个样点(图1)，涵盖了主要的4种土地利用类型(耕地、林地、荒漠灌丛和盐碱草地)。每个取样点设3个重复，并在0～20和20～40 cm深度土层分层取样。在采样的同时，采用实地测量和农户走访等多种形式，详细调查该样点所在的坡度、坡向、土层厚度、土地利用方式、植被类型、耕作制度及人为干扰情况等信息，并填写土壤样点调查表[8]。

2.2 室内分析和统计分析

将采集的土样在实验室进行自然风干，剔出土壤以外的植物残茬、石粒、砖块等侵入体，通过适当磨细过筛，充分混合均匀进行室内分析。参照中国科学院南京土壤研究所编写的《土壤理化性质分析》中的经典分析方法，按照土水比1∶5浸提后，使用pH计和电导率仪测定土壤pH值和电导率[9]。

图1 研究区及采样点分布Fig.1 The distribution of sampling points in study area

取样深度(cm)特征值pH值电导率(ms·cm-1)0～20变幅7.63～8.900.06～2.73平均值8.251.49中位数8.251.77标准差0.300.98变异系数(%)3.6565.69偏度系数0.20-0.24峰度系数-0.80-1.5920～40变幅7.41～9.100.03～2.66平均值8.391.13中位数8.341.17标准差0.360.84变异系数(%)4.3374.22偏度系数-0.080.26峰度系数-0.82-1.22

室内分析数据经整理后，采用SPSS20.0统计分析软件，首先对土壤pH值和电导率进行描述性统计分析和正态性检验。并利用GS+9.0地统计分析软件进行半方差函数理论模型的拟合和参数的选择，最后使用ArcGIS10.2软件的地统计分析模块对样本数据进行空间插值。

3 结果与分析

3.1 描述性统计分析

从表1可知，土壤pH值在20～40 cm土层具有较大变幅，电导率在0～20 cm土层变化显著。从平均值和中位数来看，20～40 cm土层的pH值大于0～20 cm土层，而电导率则呈相反的变化规律：0～20 cm土层的盐分含量高于20～40 cm土层的盐分含量。从变异系数来看，pH值为弱空间变异(变异系数≤10 %)，电导率为中等空间变异性(10 %<变异系数<100 %)。表中偏度系数和峰度系数进一步显示所采土壤样本的pH值和电导率近似服从正态分布。

3.2 地统计学分析

3.2.1 正态分布检验 研究结果表明土壤属性评价的可靠性与其数据分布特征有密切关系。如果进行空间变异分析所需数据不服从正态分布，其变异函数可能产生比例效应[10]。因此，一般情况下要求数据符合正态分布或者近似正态分布。利用SPSS 20.0软件的单样本K-S检验法对pH值和电导率进行非参数检验(表2)，进一步研究表明，pH值和电导率均符合正态分布(P>0.05)。

3.2.2 半方差函数分析 选择最佳的半方差函数模型是有效分析土壤养分空间变异结构的关键。本文利用地统计学处理软件GS+9.0软件，对土壤pH值和电导率进行半方差函数模型拟合。以决定系数(R2)最大，残差(RSS)最小为选择原则，最终确定出土壤pH值和电导率的最优半方差函数拟合模型，研究其空间变异性。

对渭干河-库车河三角洲绿洲土壤pH值和电导率进行半方差分析，结果(表3)表明，土壤pH值和电导率在0～20和20～40 cm土层中的最适模型均为Spherical(球状模型)，决定系数R2均大于0.7，残差(RSS)小于0.1。

表2 非参数检验(单样本K-S)

注：P>0.05，检验分布型为正态分布。

表3 半方差函数参数

pH值的块金值均较小，最小为0.0723，表明由实验误差和小于实验取样尺度耕作、施肥等随机因素所引起的土壤pH值含量变化分异较小；电导率的块金值较大，最大为0.7186，这说明在小于试验取样尺度下，影响土壤电导率的随机因素造成的空间变异相对较强。C0+C是基台值，可以反应土壤属性值在研究区域内总的空间变异程度，土壤pH值的基台值在0.095～0.137，土壤电导率的基台值在0.740～1.194，说明土壤电导率的空间变异性要强于土壤pH值。土壤电导率和20～40 cm土层pH值的结构方差比[C0/(C0+C)]在25 %～75 %，表明土壤属性值具有中等空间相关性，说明土壤电导率和20～40 cm土层pH值的空间分异是由结构性因素(母质、地形、土壤类型等自然因素)和耕作、施肥、作物栽培管理等随机性因素共同作用的结果；而0～20 cm的土壤pH值大于75 %，表明其空间相关性较弱，说明主要受随机性因素如耕作、施肥、水资源管理等人为活动的影响，造成土壤pH值具有一定程度的空间变异性。

变程(A)是使半方差达到基台值时的样本间距，即最大相关距离，表明土壤属性空间自相关范围的大小。从变程(A)来看，土壤pH值和电导率的空间变化范围在0.178～1.079 km，电导率具有较大范围的空间自相关性，土壤pH值的空间自相关范围则相对较小。

3.2.3 空间格局分析 为了更直观地了解研究区土壤pH值和电导率的空间格局分布特征，在半方差函数理论模型分析的基础上，利用ArcGIS10.2软件的地统计分析模块对0～20和20～40 cm土层深度的土壤pH值和电导率采用普通克立格插值法进行空间插值，并绘制研究区pH值和电导率的空间分布图(图2～3)。

土壤pH值和电导率在空间分布上呈现出明显的片状、条带状和斑块状格局。结合研究区的地形特点进行分析，土壤电导率的高值集中分布在研究区的东部，且正东方向、东北、东南部的含量明显高于西部及西北部，即土壤含盐量由渭-库绿洲冲、洪积扇平原的中部向外递增。pH值的空间分布情况在不同深度的土壤中有所区别，在0～20 cm深度的土壤中，研究区北部、东北部及东部的土壤呈现片状、条带状的偏碱性，土壤溶液中钾钠离子的含量相对较高，西部有零星斑块状呈碱性的土壤，中部、南部及西南部大部分土壤偏中性，在西偏南方向出现最小值；在20～40 cm深度的土壤中，西北部、南部土壤呈片状、斑块状的偏碱性，研究区中部及其他大部分区域均偏中性，大体上来说，土壤pH值在渭-库绿洲冲积扇扇顶处较大，向周围递减直至冲积扇南部又呈现出递增的趋势。

图2 0～20 cm深度土壤pH值与电导率空间分布Fig.2 The distribution of soil pH value and conductivity in 0-20 cm depth

图3 20～40 cm深度土壤pH值与电导率空间分布Fig.3 The distribution of soil pH value and conductivity in 20-40 cm depth

4 讨论和结论

(1)研究区土壤pH值在20～40 cm土层具有较大变幅，且值大于0～20 cm土层。电导率在0～20 cm土层变化显著，且盐分含量高于20～40 cm。从变异系数来看，pH值为弱空间变异，电导率为中等空间变异。所采土壤样本的pH值和电导率近似服从正态分布。

(2)由土壤pH值和电导率在0～20和20～40 cm土层中的最适模型Spherical(球状模型)得出，土壤电导率和20～40 cm土层pH值的空间分异是由结构性因素(母质、地形、土壤类型等自然因素)和耕作、施肥、作物栽培管理等随机性因素共同作用的结果；而0～20 cm的土壤pH值主要受随机性因素如耕作、施肥、水资源管理等人为活动的影响，造成土壤pH值具有一定程度的空间变异性。电导率具有较大范围的空间自相关性，土壤pH值的空间自相关范围则相对较小。

(3)由研究区pH值和电导率的空间分布情况得出，土壤电导率的高值集中分布在研究区的东部，土壤含盐量由渭干河-库车河三角洲绿洲冲、洪积扇平原的中部向外递增。在0～20 cm深度的土壤中，研究区北部、东北部及东部的土壤呈现片状、条带状的偏碱性，在20～40 cm深度的土壤中，土壤pH值在渭-库绿洲冲积扇扇顶处较大，偏碱性，向周围递减直至冲积扇南部又呈现出递增的趋势。

由于土壤是受自然因素(母质、气候、生物、地形与时间)以及人为因素共同作用而形成的，不同地区土壤具有许多不同的土壤特性，即使在同一块田地的不同位置，土壤特性也会具有明显差异[11]。土壤的变异是许多因素相互作用的结果，具有尺度上的相关性[12]，渭干河-库车河三角洲绿洲的土壤pH值较高，大部分土地表现出较强的碱性。而能反映土壤含盐量高低的电导率，其空间分异是由土壤母质、所在区域地形、土壤类型等结构性因素和耕作、施肥、作物栽培管理及水资源的利用方式等随机性因素共同作用的结果。大量的研究也表明，土壤pH值及电导率的数值变化和形态分布不仅与气候、成土母质、成土过程以及土壤类型质地有关，还受耕作制度、水资源利用方式、施用化肥和种植作物类型等人为因素影响[13-15]。通过对土壤pH值及电导率的空间变异研究，掌握土壤pH值及盐分空间分布规律可为研究区盐渍化的防止及盐渍土的合理利用提供依据。

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(责任编辑 李山云)

Study on Spatial Variability of Soil pH Value and Conductivity in Arid Oases

KANG Xuan1, WANG Xue-mei1, 2*, ZHAO Feng1, 2

(1.College of Geography Science and Tourism, Xinjiang Normal University, Xinjiang Urumqi 830054，China;2.Xinjiang Uygur Autonomous Region Key Laboratory ‘Xinjiang Laboratory of Lake Environment and Resources in Arid Zone’, Xinjiang Urumqi 830054，China)

Taking Weigan-Kuqa River Delta Oasis as the object of study, through the field samples, laboratory and statistical analysis of the spatial variation of soil pH value and conductivity were carried out. The results show that(i) The soil pH values in the study area had a large variation in 20-40 cm soil layer, and the value was greater than that of 0-20 cm, while the electrical conductivity of the soil layer in 0-20 cm was significantly higher than that in 20-40 cm soil layer.(ii) The spatial variation of soil electrical conductivity and pH values of 20-40 cm soil layer was determined by the structural factors and random factors, while the soil pH values of 0-20 cm were mainly influenced by random factors, which resulted in the spatial variability of soil pH values.(iii) The study area of soil electrical conductivity high concentration distribute in the East, soil electrical conductivity by the Weigan-Kuqa River Oasis alluvial plain in the middle of the outward increments. In the 0-20 cm soil layer, the soil in the north, northeast and east of the study area is alkaline, and in the 20-40 cm soil layer, the soil in the northwest and south of the soil is alkaline, and the middle part of the study area and most of the other regions are neutral. The study of the soil pH value and conductivity in Weigan-Kuqa River Delta Oasis can effectively evaluate the oasis soil salinization characteristics and spatial pattern of distribution, in order to provide reference for the maintenance the healthy of oasis ecosystem and the improve soil salinization.

Spatial variation； Soil pH；Conductivity； Weigan-Kuqa River Delta Oasis

1001-4829(2016)11-2660-05

10.16213/j.cnki.scjas.2016.11.027

2015-12-13

国家自然科学基金“新疆渭干河流域土地利用/土地覆盖生态风险及预警研究”(41261051)；国家自然科学基金“塔里木盆地北缘绿洲-荒漠过渡带植被对土壤盐渍化的响应研究”( 41561051)；新疆维吾尔自治区重点实验室“新疆干旱区湖泊环境与资源实验室”开放基金(XJDX0909-2013-04)

康 璇(1991- ) ，女，山西岢岚人，在读研究生，研究方向：资源环境地理信息系统，E-mail：429448570@qq.com，*为通讯作者：王雪梅(1976-)，女，江苏铜山人，博士，副教授，硕士生导师，研究方向：干旱区资源环境“3S”技术应用研究，E-mail：502529672@qq.com。

S156.4+1

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