玛河灌区膜下滴灌棉田表层土壤盐分空间变异性

辛明亮，吕廷波，何新林，曹玉斌，王萌萌

(1.石河子大学水利建筑工程学院， 新疆 石河子 832000；2.现代节水灌溉兵团重点试验室， 新疆 石河子 832000)

玛河灌区膜下滴灌棉田表层土壤盐分空间变异性

辛明亮1,2，吕廷波1,2，何新林1,2，曹玉斌1,2，王萌萌1,2

(1.石河子大学水利建筑工程学院， 新疆 石河子 832000；2.现代节水灌溉兵团重点试验室， 新疆 石河子 832000)

应用区域采样点数据，结合地统计学与空间简单克里金插值等分析方法，分析了玛纳斯河流域中游平原灌区膜下滴灌棉田表层土壤盐分的空间变异性。结果表明：棉花采收后表层土壤含盐量变异系数为35.617%，表现为中等强度变异性，服从正态分布；具有强二阶趋势效应，灌区中部趋势影响力变化剧烈；块金系数小于25%，具有很强的空间相关性，其变异主要受空间结构性因素的影响；沿等高线方向表现为各向异性，垂直等高线方向表现为各向同性；棉花采收后表层土壤含盐量具有明显的连续变化，灌区内不存在盐土、重度盐化土和中度盐化土，轻度盐化土在整个灌区占主导地位并广泛分布于各子灌区，非盐化土主要分布在南部山前地区和东北局部地区。

玛河灌区；膜下滴灌；表层土壤盐分；空间变异性；半方差函数

水资源短缺和土壤盐渍化是制约灌区农业可持续发展的重要因素，玛纳斯河流域中游平原灌区(以下简称玛河灌区)地表水主要源自河川径流，年内各河径流量在时间上分配极不均衡，灌区常出现春秋缺水情况，每年有不少面积的作物受到干旱的危害[1]；为解决资源型水资源匮乏难题，发展节水高效型农业，推广应用多种节水灌溉技术，但是一些不合理灌溉导致地下水位抬升致使土壤发生次生盐碱化。膜下滴灌技术集地膜覆盖与滴灌技术的优点于一身，采用高频率小定额的灌水，仅湿润作物的根区，不产生深层渗漏，创造了有利于作物生长发育的水、盐等环境；玛河灌区自1996年开始引进该技术，经过20年的实验、示范和推广，特别是在原生盐碱地改良和预防土壤次生盐渍化的成功应用，使其成为最普遍的灌溉方式，取得了节水、抑盐、增产的良好效益。膜下滴灌阻碍了土壤与大气的水汽联系，改变了土壤湿润范围，使得盐分在土壤中重新分布，受其影响土壤盐分在空间上发生变异，其中应用膜下滴灌后表层土壤盐分的变异较为明显。

土壤含盐量在同一时刻不同空间位置上存在差异，在同一空间位置不同时刻也明显不同，这种空间的非均一性即为土壤盐分的空间变异性。近年来，国内外学者从不同尺度、不同景观、不同时间以及不同环境因素条件对土壤盐分的空间变异性进行了大量的探索[2-5]，利用经典统计学、地统计学、“3S”技术、分形理论等方法结合不同空间插值方法[6-7]，对土壤盐分的空间变异进行描述和归类，取得了很多成果。其中，利用地统计方法来研究土壤盐分的空间变异是土壤科学研究的热点之一，克里金插值法应用最广泛[8]。但对灌区尺度膜下滴灌条件下土壤盐分空间变异性的研究较少，棉花采收后是灌区棉田应用膜下滴灌技术的末状态，了解该时期土壤盐分空间分布的变异特征对明确灌溉与农田土壤盐分的响应关系具有直接的联系。

基于此，本文应用地统计学方法分析了玛河灌区棉田棉花采收后土壤盐分的空间变异性，采用简单克里金插值法绘制了分布格局图，并借助土壤盐化分级标准对棉田进行评价，旨为掌握长期应用膜下滴灌灌区农田土壤盐分累积状况及膜下滴灌后土壤盐分空间分布差异提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

玛纳斯河流域位于新疆天山北麓，准葛尔盆地南缘，属于特殊山盆系统的干旱内陆河流域。本研究选择人类活动集中的玛河灌区(85°00′～86°32′E，44°10′～45°14′N)，包括安集海灌区、金沟河灌区、玛纳斯灌区、莫索湾灌区、石河子灌区、下野地灌区和新湖总场灌区，总面积为8.40×103km2。灌区内地貌复杂多变，具有明显的垂直地带性。年平均气温6℃～6.9℃，无霜期160～180 d，年降水量160～210 mm，年蒸发量1 500～2 100 mm，属于典型的温带大陆性气候[9]。

1.2 样品采集与分析

以新疆兵团第八师石河子市玛纳斯河流域管理处提供的第八师石河子垦区水系图为基础底图，设计10 km×10 km的采样点网格。采用GPS定位技术于2014年10月中下旬(棉花采收后)进行土壤样品采集，为确保每个采样点均为膜下滴灌棉田，对设计采样点进行复核调整，实际采样点共64个，如图1所示；采样时地块内棉花均已收获，棉秆尚未拔出，地膜尚未揭取。

图1 玛河灌区土壤样品采集点位图

Fig.1 Soil sampling sites of Manas River basin irrigated areas

棉花采收后土样采集垂直于地膜铺设方向，以滴灌带下、膜间、膜内、行间设置4个取土点，共计256个取土点；地块内每个取土点采集表层0～20 cm土壤样品，按照相同比例均匀混合各取土点表层土壤样品，用密封袋装好作为试验分析土样，共计64个。

土壤样品室内自然风干，磨碎、过2 mm筛，然后以1∶5的土水比进行抽滤浸提，土壤浸出液电导率使用DDSJ-308A型电导率仪。土壤可溶性盐含量(Y)与土壤浸出液电导率(X)之间存在显著相关性，土壤可溶性盐含量(以下简称土壤含盐量)采用前期基础试验所得转化公式Y=0.0712X0.5768(R2=0.9583，P<0.01，N=110)进行计算[10]。

1.3 研究方法

半方差函数是地统计学所特有的基本工具，能够描述区域化变量的结构性变化和随机性变化，是地统计学计算的基础[8]。假设区域化变量Z(x)满足二阶平稳假设，半方差函数可定义为区域化变量Z(x)和Z(x+h)增量的方差，计算式为：

式中，γ(h)为半方差函数；Z(x)为变量Z在空间位置x处的取值；Z(x+h)是在x+h处取值的一个区域化变量；N(h)是取样间隔为h时的样本对总数。

克里金插值又称空间局部估计，是建立在半方差函数理论及结构分析的基础上，在有限区域内对区域化变量的取值进行线性无偏最优估计的一种方法。由于研究目的和条件不同，继而产生了多种克里金插值法，简单克里金插值(Simple Kriging)属于线性平稳地统计学范畴，它假设数据变化呈正态分布，区域化变量的数学期望是已知的，其插值过程类似于加权滑动平均，权重值的确定来自于空间数据分析结果[8]。

1.4 数据处理

应用SPSS20.0软件对土壤盐分数据进行描述性统计分析和正态分布检验；半方差函数模型拟合采用地统计学软件GS+9.0；趋势分析、简单克里金插值、相关信息提取、图形的编辑以及输出在ArcGIS10.2软件中完成。

2 结果与分析

2.1 表层土壤盐分的描述性统计分析

由表1可知，棉花采收后表层土壤含盐量在1.146～4.093 g·kg-1范围内变化；其中土壤含盐量在1.500～2.000 g·kg-1的频率最大，为39.06%，71.875%的采样点土壤含盐量在1.000～2.500 g·kg-1(见图2)。棉花采收后表层土壤含盐量变异系数为35.617%，表现为中等程度变异性(0.1≤CV≤1)，这与谭帅等[11]研究膜下滴灌后表层土壤含水量的变异系数结果相一致，说明土壤水盐变异性与运移规律相吻合。与刘广明[6]、沈浩[9]等在相似研究区的研究结果存在差异，其结果均为表层土壤含盐量具有强变异性，与之不同的原因是采样点位、采样时间的选择不同，本研究采样点为长期应用膜下滴灌棉田，已有试验证明该条件下土壤含盐量已降至5 g·kg-1以下[12]，采样点位于灌区其他作物农田、荒地、田边等土壤含盐量存在显著差异；8月中下旬棉田应用膜下滴灌灌水基本结束，土壤盐分受其影响小且变化趋于稳定，其他时间点采样土壤盐分受灌水影响较大。

表1 表层土壤盐分含量数据描述性统计

图2 表层土壤盐分含量频率分布

Fig.2 Frequency distribution histogram of surface soil salinity

偏度、峰度和K-S检验(渐进显著性系数大于0.05)结果表明，棉花采收后表层土壤含盐量数据均符合正态分布的要求，数据可以直接运用ArcGIS地统计模块进行空间插值。

2.2 表层土壤含盐量的趋势分析

受自然条件和人类活动的影响，区域土壤盐分的空间格局呈现趋势分布和异向性特征，为了在空间插值时免受数据趋势效应的干扰，应将趋势剔除。运用 ArcGIS10.2软件的地统计分析模块，获得表层土壤盐分的趋势效应特征(图3)。趋势效应一般分为0阶(没有趋势效应)、常量(区域化变量沿一定方向呈常量增加或者减少)、一阶(区域化变量沿一定方向呈直线变化)、二阶或多阶(区域化变量沿一定方向呈多项式变化)[13]。图3中X轴表示正东方向，Y轴表示正北方向，Z轴表示各点的土壤含盐量的大小，考虑各向异性的情况下选择旋转0°、45°、90°、135°进行分析。

图3 表层土壤含盐量趋势分析

Fig.3 Trend analysis of surface soil salinity

从图3中可以看出，研究区棉花采收后表层土壤含盐量均存在二阶趋势，各向异性情况下旋转0°和90°、45°和135°趋势一致。在东西方向、南北方向、东北至西南方向和东南至西北方向二阶趋势均显著，东西方向呈现“U”字形，中间趋势的影响力低，两边趋势的影响力高；南北方向呈现倒“U”字形，中间趋势的影响力高，两边趋势的影响力低；东北至西南方向呈现“U”字形，中间趋势的影响力低，两边趋势的影响力高；东南至西北方向呈现倒“U”字形，中间趋势的影响力高，两边趋势的影响力低。

总体上棉花采收后表层土壤含盐量具有强二阶趋势效应，中部趋势影响力变化剧烈。玛河灌区中部修建了很多平原水库，库容较大且相对集中分布，尽管水库或多或少都进行了防渗漏处理，但随着使用年限的增加，水库渗漏致使周边地区地下水埋深较浅，石总场5连邻近夹河子水库月平均地下水埋深3.63 m，142团19连邻近安集海水库月平均地下水埋深3.32 m，受潜水蒸发的影响土壤含盐量增高，使得中部表层土壤含盐量的变化大，影响了土壤盐分的分布格局和趋势，这与张添佑等[14]利用遥感影像分析玛河灌区土壤盐碱化演变的成因相一致。

2.3 表层土壤盐分的半方差函数分析

2.3.1 各向同性半方差函数分析 各向同性是指半方差函数在计算时仅依赖空间距离，而假定区域化变量在各个方向上的性质变化相同。经最优拟合发现棉花采收后表层土壤含盐量可用球状模型进行拟合，其RSS很小，说明理论模型可以较好地反映表层土壤盐分各向同性空间结构特征。

表2 表层土壤盐分各向同性半方差函数理论模型及相关参数

块金值的大小反映区域化变量的随机性大小，基台值的大小反映区域化变量在研究范围内变异的强度。空间变异性强弱可根据块金值与基台值的比值，即块金系数进行划分。块金系数表示由随机部分引起的空间变异性占总体变异的比例，若块金系数<25%，说明变量有很强的空间相关性，25%～50%说明变量有明显的空间自相关，50%～75%时变量有中等空间自相关，>75%时变量空间自相关弱，变异主要由随机变异组成[8]。表2中，棉花采收后表层土壤含盐量块金系数<25%，表明变量具有很强的空间相关性，其变异主要受结构性因素(如气候、成土母质、地形、土壤类型等)的影响，这与沈浩等[11]的研究结果相一致。

变程能够反映土壤含盐量空间自相关范围的大小，在变程范围内土壤含盐量具有空间自相关性，反之则是独立的。棉花采收后表层土壤含盐量的变程为28.500 km，大于取样点平均间距10 km，因此进行空间内插是有效的。分维数越大由空间自相关部分引起的空间异质性越高，棉花采收后表层土壤含盐量的分维数比较高，更好地说明土壤含盐量空间变异性主要由空间自相关构成。

2.3.2 各向异性半方差函数分析 各向异性是指半方差函数在各个方向上区域化变量的性质变化不同，是空间异质性程度的重要部分。各向异性比为主轴变程与亚轴变程的比值，如果各向异性比等于或接近1，说明变量在各方向上变化是同性的，为各向同性，否则称为各向异性[15]。

表3 表层土壤盐分各向异性半方差函数理论模型及相关参数

注：角度容差为45°，正东-西方向为0°。 Note: the allowance of angle is 45°，east-west direction is 0°。

由表3可知，棉花采收后表层土壤含盐量在0°方向上的各向异性比为3.246，表明在该方向上差异显著，表现为各向异性；在45°和90°方向上各向异性比为1.000，表明在这两个方向上差异不明显，表现为各向同性；在135°方向上各向异性比为1.104，说明在这个方向上存在一定程度的各向异性。

通过研究区高程(图1)可以看出，0°方向大部分沿等高线，45°和135°方向部分沿等高线，90°方向垂直于等高线，因而棉花采收后表层土壤含盐量在沿等高线方向表现为各向异性，在垂直等高线方向表现为各向同性。

2.4 表层土壤盐分的空间分布格局

基于采样点含盐量，结合简单克里金插值方法，剔除二阶趋势，应用半方差函数理论模型及相关参数获得了玛河灌区棉花采收后表层土壤盐分的空间分布格局(图4)。根据土壤盐化的分级标准将土壤分为非盐化土(土壤含盐量<2 g·kg-1)、轻度盐化土(土壤含盐量2～4 g·kg-1)、中度盐化土(土壤含盐量4～6 g·kg-1)、重度盐化土(土壤含盐量6～10 g·kg-1)和盐土(土壤含盐量>10 g·kg-1)，据此确定含盐量级别及插值分类临界值[16]。

由图4可知，研究区不存在盐土、重度盐化土和中度盐化土。棉花采收后轻度盐化土在整个灌区占主导，广泛分布于各子灌区，面积为6 035.247 km2，占灌区总面积的比例最大，为71.846%；非盐化土主要分布在南部山前地区，莫索湾灌区局部地区，面积为2 365.041 km2，所占比例为28.154%。李明思等在田间尺度研究长期应用膜下滴灌棉田土壤湿润锋处的盐分积累不会造成整个土层的盐分含量增高[12]，进一步验证灌区尺度膜下滴灌棉田土壤属于非盐化土和轻度盐化土；地下水埋深是影响研究区土壤盐分空间分布的一个重要因素[9]，研究区南部山前地区(如143团16连月平均地下水埋深128.13 m)、东北部莫索湾灌区(如148团气象站月平均地下水埋深25.55 m)地下水埋深较深，远大于北疆地下水临界埋深2.5 m[17]，不利于土壤盐分向表层迁移；中部平原水库周围(如141团3连月平均地下水埋深2.98 m)及玛纳斯河下游地区(121团良繁连月平均地下水埋深3.91 m)地下水埋深浅，虽未达到临界埋深，但井灌区年内变幅较大，非灌溉季节地下水位上升极易达到临界埋深，此时土壤盐分表聚现象加重，造成表层土壤盐分具有明显的连续变化。

图4 表层土壤盐分的空间分布格局

Fig.4 Spatial distribution patterns of surface soil salinity

3 结 论

1) 描述性统计分析和正态分布性检验表明：棉花采收后表层土壤含盐量表现为中等强度变异性，采样点位、采样时间的选择对土壤盐分变异性有较大影响；表层土壤含盐量符合正态分布的要求，可以进行地统计学分析。

2) 趋势分析表明：棉花采收后表层土壤含盐量具有强二阶趋势效应，中部趋势影响力变化剧烈。究其原因是中部平原水库渗漏，导致地下水位抬升，土壤含盐量增高，增大了中部表层土壤盐分的变化，影响了土壤盐分的分布格局和趋势。

3) 各向同性半方差函数分析表明：棉花采收后表层土壤含盐量可用球状模型进行拟合，块金系数<25%，具有很强的空间相关性，其变异主要受空间结构性因素的影响。各向异性半方差函数分析表明：棉花采收后表层土壤含盐量沿等高线方向表现为各向异性，在垂直等高线方向表现为各向同性。

4) 空间分布格局显示：棉花采收后研究区表层土壤盐分具有明显的连续变化，不存在盐土、重度盐化土和中度盐化土；轻盐化土在整个灌区占主导地位并广泛分布于各子灌区，所占比例为71.846%，非盐化土主要分布在南部山前地区和东北局部地区，所占比例为28.154%。

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Spatial variation of surface soil salinity in under-film drip irrigating of cotton field in irrigated areas of Manas River Basin

XIN Ming-liang1,2, LU Ting-bo1,2, HE Xin-lin1,2, CAO Yu-bin1,2, WANG Meng-meng1,2

(1.CollegeofWaterConservancy&ArchitecturalEngineering,ShiheziUniversity,Shihezi,Xinjiang832000,China; 2.KeyLaboratoryofModernWater-SavingIrrigatedofXinjiangBingtuan,Shihezi,Xinjiang832000,China)

Using the methods of geostatistics and simple Kriging interpolation, this research investigated the spatial variation of surface soil salinity in the under-film drip irrigated of cotton field in plain irrigation areas of middle reaches of Manas River. The results showed that the variation coefficient of surface soil salinity after harvesting was 35.62%, presenting the moderate-intensity variability and following the normal distribution, meanwhile exhibiting a strong second-order trend effect especially for the midland. Isotropic semivariogram showed that Nugget coefficient was less than 25%, indicating that soil salinity had a strong spatial correlation under the influence of structural factors. Surface soil salinity after harvesting showed an anisotropy along the contour line and the isotropy perpendicular to the contour line, respectively. The spatial distribution of surface soil salinity after harvesting presented an obviously and continuously changing trend, and the moderate salinized soil, heavy salinized soil and saline soil were not detected in the research region. The mild salinized soil dominated the subsidiary irrigated areas, while the non-salinized soil was mainly located in the northeast region and mountain front area of southern region.

manas river basin irrigated areas; under-film drip irrigated; surface soil salinity; spatial variability； semi-variogram

1000-7601(2017)04-0074-06

10.7606/j.issn.1000-7601.2017.04.12

2016-05-20

NSFC-新疆联合基金项目(U1203282)；国家自然科学基金(51669030)；石河子大学优秀青年项目(2013ZRKXYQ17)

辛明亮(1990—)，男，河南舞阳人，硕士研究生，研究方向为农业高效用水理论与新技术。 E-mail：xml8521fblwzy@163.com。

吕廷波(1978—)，男，山东临朐人，副教授，研究方向为节水灌溉理论与新技术。 E-mail：lvtingbo@126.com。

S156.4

A