艾比湖湿地干湿季土壤水分和土壤盐分空间异质性研究

张雅莉，塔西甫拉提·特依拜，阿尔达克·克里木，张 东

(1.新疆大学资源与环境科学学院，乌鲁木齐 830046；2.新疆大学绿洲生态重点实验室，乌鲁木齐 830046)

0 引 言

新疆艾比湖国家自然保护区是准噶尔盆地西南缘最低洼地和水盐汇集中心[1]，它以艾比湖湖体为核心，并有水域、沼泽、草甸等多种自然景观，被列入“中国重要湿地”名录[2]。由于地处内陆腹地，受干旱气候的影响，土壤盐渍化严重[3]。土壤盐渍化影响植被生长，使农作物减产或绝收并间接造成生态环境恶化，是影响绿洲生态环境稳定与安全的重要因素[4]。土壤水分是干旱区植物生长发育所需水分的唯一来源[5]，盐分会随着水分的运动而迁移，而水分也是盐分迁移的重要载体[6]。因此，开展区域水盐时空异质性研究及分析主要影响因素对于控制土壤盐渍化的发生发展，艾比湖湿地生态环境保护，以及对流域的可持续发展具有重要意义。

土壤信息(如土壤含盐量、电导率、含水量等)的基本特征就是其在特定的位置上具有时间和空间上的相关性[7]。地统计学可以将时空坐标与土壤属性值进行组合，为土壤信息处理提供一系列的基本工具和手段[8]。20世纪80年代，Burgess等[9]将区域化变量理论和Kriging及CoKriging估值方法引入土壤性质空间变异性的研究中，使之定量化，推动了研究向前发展。近年来，随着精准农业的兴起和科学技术的发展，土壤盐分和土壤水分空间变异性研究成为土壤信息科学研究的前沿热点之一。国内外许多学者都采用不同方法对土壤盐分、水分、养分和土壤组成等因素的空间异质性进行了研究：胡克林等[10]对河北曲周试验站两个时期的土壤盐分和水分的空间变异性进行了研究，初步探讨了应用CoKriging方法进行盐分和水分的估值；姚荣江，杨劲松[11]等以黄河三角洲典型土壤为研究对象，野外采样与电磁感应仪EM38、EM31的田间测量相结合，综合运用GIS和地统计学方法对0～1 m土体内各个层土壤盐分含量的空间变异和分布特征进行了定量分析和评价；丁建丽[12]等利用GIS和地统计学方法研究了渭库绿洲盐渍化土壤特征的空间变异性特征，得出表层土壤电导率和含盐量具有较强的空间相关性；金海龙[13]等人探讨了艾比湖湿地自然保护区内土壤颗粒组成、水分、pH值、速效养分和有机质含量等土壤理化性状的空间异质性，结果表明艾比湖湿地不同类型土壤盐分存在明显的表聚现象，土壤盐化、碱化现象严重。

本文运用传统的地统计学方法对艾比湖自然保护区典型湿地土壤盐分和土壤水分干湿季节的空间变异性进行深入的分析和研究，讨论影响土壤盐渍化的主要因素。旨在更进一步的揭示其土壤盐分和水分在干湿季节里的空间变异规律，对评价流域土壤盐渍化的发生和发展规律、合理利用水土资源乃至保护艾比湖流域生态平衡具有重要的现实意义。

1 研究区概况

艾比湖国家级自然保护区位于新疆博尔塔拉蒙古自治州境内，地理坐标介于44°31′05″N～45°09′35″N，82°33′47″E～83°53′21″E之间，总面积为2 670.85 km2。该保护区属于典型温带大陆性干旱气候，多年平均降水量在149 mm左右，年均蒸发量在2 281 mm以上，年平均气温为6～8 ℃[14]。干旱区气候条件、地形地貌、水文地质以及人类活动等因素的影响使土壤的类型复杂多样，空间分布不一致。研究区内降水量少、蒸发量大、光热资源丰富、地下水矿化度高等因素造成土壤大面积的土地退化和盐渍化。盐渍化土地的面积和程度不仅决定着整个艾比湖流域生态环境，裸露地表的盐尘也严重危害周边地区环境[15]。

图1 研究区和采样点分布图Fig.1 The map of study area and distribution of soil sampling points

2 数据源与研究方法

2.1 样品采集及分析测试

根据近5年的统计资料，艾比湖国家湿地自然保护区基本在4、5月降水量、蒸发量、河流年径流量均比10月份的高，因此本研究视5月为丰水期，10月为枯水期。另外，在干旱区一年有2次普遍而强烈的聚盐高峰期分别发生在春季和秋季，因此本研究野外采样时间为2013年5月和10月。

研究采用GPS定位技术，在同一个地点的春秋两季分别挖取63个土壤表层(0～20 cm) 样点。为考虑研究区采样点附近土壤性质相对一致、环境因子类似和异质性小，对测量单元范围内土壤样品进行了梅花状采集，再取这5个点的平均值作为一个单元的盐分和水分的最终值。将土壤样本按经纬度编号分别装入铝盒和采样袋，带回实验室。部分用烘干法，在105 ℃下烘至恒重，测其土壤含水量(%)；把另一部分土壤在实验室内自然风干、磨碎，用0.5 mm孔径的筛子进行过滤，按水土比5∶1的比例提取浸提液[16]，使用DDS-307A型电导率仪测定其浸出液盐度，并转换为土壤含盐量(g/kg)。

2.2 地统计学方法

采用地统计学方法对土壤盐分及水分的空间异质性进行分析半方差函数也称为半变异函数，它是地统计学中研究土壤变异性的关键函数。假设区域化的变量满足二阶平稳和本征假设，其半方差函数r(h)用式(1)表示[10]。

(1)

式中：r(h)为半方差函数；h为分隔两样点的矢量，为步长；N(h)为相距为h的样点对数目；Z(xi)和Z(xi+h)分别为区域化变量Z(x)在位置xi和xi+h处的实测值。

r(h)越大则该方向上所有间隔h的亮点的变异性就越大，相关性就越小。

通过模型的比较说明，艾比湖湿地土壤水盐含量的春秋季变异函数与球状模型公式(2)的拟合效果最好。球状模型的一般公式为：

(2)

式中：C0为块金值；C0+C为基台值；a为变程；C为拱高。

2.3 干湿季土壤盐分和土壤水分数据处理

首先利用SPSS19.0软件，对69个土壤样品进行描述性统计分析，用频数分布图检验土壤盐分和水分数据是否服从正态分布；其次采用GS+9.0下进行半变异函数模型拟合，确定理论模型并选择分析和检验最优拟合曲线；接着根据土壤盐分和土壤水分最优拟合理论模型及其参数，利用ArcGIS 9.3软件进行克里格(Kriging)插值，最后生成土壤盐分和土壤盐分水分的空间分布图。

3 结果与分析

3.1不同季节下土壤盐分和土壤水分描述性统计特征分析

在SPSS19.0软件下对艾比湖湿地的春秋季土壤盐分和水分的描述性统计特征分析，如表1所示。频率分布图如图2所示。

变异系数(CV)是一组数据的标准差与其平均数之比，它是一个相对变异指标，是衡量一组数据中各个检验值相对离散程度的一种特征数值[19]，一般认为：CV≤0.1为弱的变异性；0.1

表1 春秋季土壤含盐量及含水量的统计特征值Tab.1 Descriptive satisitcs of soil salt and water content for all sampling poitnts

图2 2013年5月和2013年10月土壤含水量、含盐量频数分布直方图Fig.2 Frequency histogram of the soil salt content and soil water content in May and October

由图2可以看出，5月和10月土壤盐分质量分数主要集中在5g/kg以下。依据新疆土壤盐碱化的分级标准[21]，属于中度盐渍化土壤，因此，对研究区盐渍化土壤进行治理、改良，防止土地盐渍化加剧是一个刻不容缓的问题。

由图2可以看出，艾比湖地区土壤含盐量与土壤含水量均呈现出向左偏倚的分布特征。对于这些不符合正态分布的要素，使用GS+9.0软件对数据进行转换，使其均接近于对数正态分布，这样就可以进一步的进行半方差函数的计算及克里格插值。

3.2 干湿季土壤盐分和土壤水分空间变异特征分析

根据不同空间位置上土壤盐分和土壤水分的实测数据，计算实际半方差值r(h)。以半方差为横轴，以采样距离h为纵轴，分别绘制散点图，结合散点图球状模型曲线得到半方差函数图(图3)。

图3 2013年5月和2013年10月土壤含水量、含盐量半方差函数图Fig.3 The semi-variogram model of soil salt content and soil water content in May and October

从图3可以看出，所测的土壤盐分和土壤水分素变异函数的总趋势：随着间隔距离的增加，半变异函数值也相应增加，然而到达一定距离后云图就趋向于某一平稳值，这表明，超出这个距离后，样点间不再具有相关关系。

表2显示半方差函数拟合模型参数，块金值(Nugget)用C0表示，反映的是最小抽样尺度下区域变量的变异性及测量误差。从中可以看出春季秋季土壤含盐量和含水量的块金值C0均为正值，可以认定的是其内部存在着由采样误差、短距离变异、随机和固有变异引起的正金块效应[22]。基台值(Sill)代表变量空间变异的结构性方差，表示由土壤母质、地形、地貌、气候、地表水、地下水埋深和矿化度等因素引起的变异。块金值和基台值的比值C0/C0+C(%)表示随机部分引起的空间异质性占系统总变异的比例，反映土壤性质空间相关性的程度。当比值小于25%时，表现为强空间相关性；当比值在25%～75%时表现为中等空间相关性；比值大于75%时，则表现为弱空间相关性。本研究的春季含盐量、含水量的空间相关性分别为16.39%和1.74%，秋季含盐量、含水量的空间相分别为4.41%和1.53%，都具有非常强的空间相关性。这说明由结构性因素(如气候、地形、土壤类型地形，土壤质地、地下水位等)明显高于随机性因素(如灌溉、耕作措施和土壤改良等各种人为活动)的空间异质性。这是由于艾比湖湿地于2000年成立了自然保护区，因而湿地保护区内部人类活动对土壤盐分和土壤水分影响很小[12]。

表2 春秋季土壤含盐量及含水量变异函数模型参数Tab.2 The theory of soil salinization and water content corresponding parameters

3.3 不同季节下土壤盐分和土壤水分的空间分布

为了更直观地反映整个艾比湖流域春季、秋季土壤盐分和土壤水分的空间分布状况，根据所得到的半方差函数模型，利用ArcGis9.3对研究区0～20 cm的土壤采取kriging最优内插法，绘制整个研究区土壤盐分和水分的插值图(图4、5)。

图4 5月和10月土壤含盐量的空间插值分布图Fig.6 Spatial interpolation distribution map of soil content of May and October

从图4上可以看出，研究区5月份春季，总体上土壤含盐量大部分为中度盐渍土(3.68%～5.97%)，湖东部含盐量高于西部，艾比湖东部土壤含盐量从湖到外围，含盐量逐渐增大，最大值出现在湖东南部的一小块区域和精河河流东侧部分，沿奎屯河、博尔塔拉河盐含量较低。10月份艾比湖湖东部、南部含盐量相对较高，湖西部含盐量相对较低(1.37%～2.74%)。此外，表层土壤盐分的空间分布受地形、气候、地下水性质等因素的影响，也导致不同地区土壤含盐量存在很大差异，该地区从东北角向湖中心的坡度变小，在秋季持续的强烈蒸发和极度干旱条件下，导致该部位表层土壤盐分的积聚性和空间变异性要明显强于春季。

图5 5月和10月土壤含水量的空间插值分布图Fig.5 Spatial interpolation distribution map of water content of May and October

由图5土壤表层含水量的空间分布图可以看出，艾比湖周边土壤含水量空间差异较大。总体上10月份土壤含水量比5月份的少，这是因为外围农牧用灌溉增加，入湖水量减少而且4-9月蒸发量占年蒸发量的86.7～87.8%，10月土壤水分达到最低。5月份艾比湖南部沿精河下游入湖口土壤含水量以及沿阿齐克苏河上游含水量相对较高，西部和东北部土壤含水量相对较低；10月份东北部沿奎屯河入湖口处含水量相对较高，河流入湖口及离河流近的区域含水量高于其他区域。近年来，由于气候条件与人类不合理用水，艾比湖的水下沙陇已露出水面，西北浅水区慢慢干涸。此外，经5月、10月野外考察发现，湖周由于湖面积的波动，部分区域土壤会季节性的被水体淹没，因而部分地区会出现土壤含水量较高。艾比湖外围是荒漠区域，由于土壤蒸发量远大于大气降水量，因而土壤含水量较低，主要分布有胡杨、柽柳，梭梭及等旱生植被[7]。

由图4和图5可以看出，虽然春、秋季艾比湖周边土壤含水量空间存在明显的差异，但是各季节土壤盐分和土壤水分的空间分布大体一致，5月土壤含盐量和土壤含水量都是东南部高于西部，10月土壤含盐量和含水量都集中在东部，含盐量高的地方含水量也相对较高。艾比湖地区降水量少，蒸发量大，致使盐分积聚在土壤表层，灌溉和降雨入渗的水分又将盐分带向深层，灌水量过多，又缺乏排水设施，导致地下水位的升高，加大蒸发，使表土盐分不断积累，形成次生盐碱化[23]。

3.4 讨 论

盐分来源、水分运移和使盐分向地表运移的机制是土壤发生盐渍化形成所具备的三个条件[24]。因此，只要是与这3个条件有关的因素都对土壤盐渍化的形成起到驱动作用[26]。艾比湖湿地土壤盐渍化空间变异性大，直接受气候、地形地貌，水文地质及人类活动等条件的影响。首先气候条件是影响艾比湖湿地土壤盐渍化主要因素之一，艾比湖地区年均降水量146 mm左右，年均蒸发量在2 281 mm以上[14]，1月平均气温-16.0 ℃， 7月平均气温25.0 ℃，极端最低气温-36.4 ℃，极端最高气温41.3 ℃。艾比湖地区降水量少，蒸发量大，季节及昼夜温差大，成土母质风化释放出的可溶性盐分，无法淋溶，只能随水分搬运至排水不畅的低平地区，在强烈的蒸发作用下，盐分便聚集于表层土壤内，导致土壤盐渍化。湖盆西北部为著名的大风口----阿拉山口(又名准噶尔门)，全年大风日数164 d，最多185 d，最大风速55.0 m/s，强风频繁，土壤积盐速度快，土壤含盐量很高。

其次，地形地貌影响着土壤盐分和土壤水分的空间分布。艾比湖流域西、南、北三面环山，中间为谷地平原，东部与准噶尔盆地相连，其中艾比湖是准噶尔盆地西南缘最低洼地和水盐汇集中心，平均海拔189 m。从研究区地形上来看，艾比湖湿地土壤表层盐分易累积，不易迁移。“盐随水来，盐随水去，水去盐留”，水文过程也影响着艾比湖湿地土壤盐渍化。艾比湖流域的地表水补给主要来源于山区，是一个封闭性流域。发源于山区的河流，由山麓进入平原后，河水不同程度的含有一定量的盐分，最终都流入艾比湖。艾比湖是内陆湖，盐分不能随水流排出，盐分聚积，矿化度也在不断升高。近年来，由于人口剧增，大规模的土地开发，以地表径流的形式补给湖泊的河流只剩博尔塔拉河和精河两条河流，奎屯河和阿齐克苏河所剩无几，直接导致艾比湖水量减少，湖面水位下降，湖水蒸发强烈，湖水矿化度增高，使得干涸湖底盐漠化，湖区周围地表裸露盐碱化现象明显，再者高矿化度地下水中的可溶性盐也是土壤盐分的重要来源。

最后，随着流域内人口的增多，耕地面积的不断扩大，各类生产对水资源的需求量不断增加，再加上近几年精河县大力推行棉花种植，主要河流博尔塔拉河下游和精河在农田区域被截留致使最终汇入湖区的水量大大减少。

4 结 论

本文根据春秋季下的艾比湖地理特征选取土壤样点，对艾比湖湿地表层土壤盐渍化特征的含盐量和含水量进行空间变异性研究，得到如下结论：

(1)研究证实，地统计学和GIS相结合的方法能够很好地描述春季和秋季艾比湖湿地表层土壤含盐量和含水量的空间相关性性。经典统计分析和正态分布性检验表明：表层土壤盐分和含水量均服从正态分布，半方差函数符合一般的球状模型。春季和秋季含盐量的变异系数分别为16.39%和1.74%， 春季和秋季含水量的变异系数分别为4.41和0.23。均呈现强相关性。

(2)差值分析结果表明，艾比湖湿地土壤含盐量春季总体上，湖东南侧高于西北侧，秋季东北高于西南；土壤含水量的春秋两季与含盐量的春秋两季分布大致相同，春季集中在东南部，秋季集中在东北部。土壤水盐空间分布差异大。

(3)艾比湖湿地本身所处的地理位置、气候条件、水文地质等因素直接决定了土壤含盐量和土壤含水量的空间分布。

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