盐渍化灌区节水改造后土壤盐分时空变化规律研究

史海滨 吴 迪 闫建文 李仙岳 朱 科 迟碧璇

(内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院， 呼和浩特 010018)

0 引言

河套灌区是典型盐渍化灌区，轻度、中度和重度盐渍化耕地分别占总面积的29.8%、17.2%和9.2%[1]。由于灌溉方式不合理及渠系水渗漏导致地下水位上升，又由于潜水蒸发强烈，下层盐分向表层聚集，增大了土壤盐渍化风险[2]，威胁灌区农业可持续发展和生态环境安全[3]。因此，自1998年以来河套灌区实施了大规模续建配套与节水改造工程，推广节水灌溉，提高渠道防渗作用，年均净引水量由52亿m3减少到47亿m3[4]，使得灌区水循环和地下水埋深发生巨大变化，导致土壤盐分重新分布。在水权改革试点工作[5]中，沈乌灌域是黄河干流水权盟市间转让工程重要试点，根据《黄河水权转让管理实施办法》其转让水权指标为1.2万m3，工程实施后渠道衬砌长度为1 522.2 km，渠道衬砌率达100%，节水改造工程实施力度大，引水量减少，对该区域生态环境也产生较大影响[6-7]。土壤盐分是评价作物安全生长的重要指标，也是农田生态环境的重要指标，在区域、空间和时间尺度上对灌区节水改造后土壤盐渍化演变规律进行深入分析[8]很有必要。

针对区域土壤盐分时空变化特征的相关研究颇多，文献[9-10]应用地质统计和经典统计方法尝试探索农田尺度上盐度方差结构与空间变异的关系，文献[11-12]则提出了一个基于地统计学的土壤盐分空间动态模型方法框架，应用GIS技术，量化土壤性质空间变化尺度和强度。随着土壤盐分空间动态预测评估模型的逐步成熟，CEMEK等[13]将该方法应用于灌区土壤盐分时空变异评价中，文献[14-15]分析了不同土层土壤盐分空间变异特征，使得土壤盐分时空变异研究在水平和垂直尺度上得到延伸。多位学者研究证明，使用空间插值方法进行土壤盐分预测精度较好[16-20]，但量化空间自相关程度存在短板。近年来空间聚类识别方法逐渐应用于土壤属性热点分析研究中，如Getis’G指数[21]、空间扫描统计[22]和Tango’C指数[23]，使用最多的是Moran’sI指数[24-25]。Moran’sI指数能够很好地反映整体空间相关程度和检查独立位置显著情况。但是，在节水改造工程实施条件下对盐渍化区域不同土层土壤盐分时空变化特征及规律的相关研究鲜有报道。李彬等[26]在农田尺度下研究河套灌区中游节水改造前后土壤盐分剖面和空间分布规律，但并没有在宏观尺度上分析土壤盐分时空演变规律和准确地量化空间自相关程度。

本文以水权转换重要试点——河套灌区上游沈乌灌域为研究区域，研究引黄水量和秋浇水量减少及渠系防渗作用增强的节水改造条件下，土壤盐分时空变异和演变规律特征，评估土壤盐分空间分布格局，并采用Moran’sI指数评估空间自相关程度，通过缓冲区分析不同节水改造年限区域土壤盐分变化差异，探明区域、空间和时间尺度上土壤盐渍化分布情况，以期为后续沈乌灌域的农业发展、秋浇制度管理和节水改造措施的实施提供指导依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

沈乌灌域位于内蒙古河套灌区最西端，西南临乌兰布和沙漠，东南起三盛公水利枢纽引水口，东北处河套平原区，总面积1 860 km2。沈乌灌域呈由东南向西北倾斜的地势，海拔在968～1 154 m之间。温带大陆性干旱气候，干燥多风，日照时间长，多年平均气温6～8℃，平均相对湿度40%～50%，年均降水量146.4 mm，年均蒸发量2 200 mm，多年平均蒸降比为15.03。沈乌灌域内土壤类型有灌淤土、盐土、风砂土、灰漠土、棕钙土、草甸土6个类型，灌域内耕地多以砂壤土和壤砂土为主，分别占总耕地的46.60%和46.83%。土地利用方式以草地为主，面积为838.28 hm2；其次是597.56 hm2的水浇耕地，还有123.80 hm2的水域，以及防风林带、道路、居民区、祼地等。2013—2018年，沈乌灌域种植的作物以玉米和葵花为主，二者种植比例超过56%，其他主要种植作物为小麦、蕃茄、瓜类及其他杂粮。沈乌灌域位于河套灌区上游，以夏灌(4—9月)和秋浇(10—11月)为主，没有春灌。沈乌灌域多年(1998—2018年)地下水埋深和地下水矿化度分别为1.82 m和1.50 g/L。截止2017年，内蒙古黄河干流水权盟市间转让河套灌区沈乌灌域试点水权转换工程基本实施完毕，灌域斗级以上渠道衬砌率和渠系建筑物配套率分别由5.80%和3.07%均提高到100%。2018年灌域总引水量3.768万m3，与试点现状年引水量5.587万m3(2009—2012年平均)相比减少1.819万m3。

1.2 样本采集与测定

以2015年4月沈乌灌域的Landsat 8 OLI遥感影像(分辨率为30 m)的多光谱和全色波段融合图像为参考资料，遵循均匀随机布点原则，将研究区网格化，依据地类分布情况调整样点，在盐碱地、沙地、湖泊、林地、耕地等附近布设相应点位，且节水改造以渠道衬砌为主要形式，因此多数点位布设在其主要骨干渠道附近，最终确定布设40个土壤盐分监测点，具体如图1所示，其中土地利用分类图来源于FROM-GLC网站。自2015年内蒙古黄河干流水权盟市间转让，河套灌区沈乌灌域试点项目实施，2015、2018年9月和10月进行野外采样，使用取土钻分层(0～10 cm、10～30 cm、30～50 cm)采集120个土壤样本，并将土壤样本装于自封袋带回实验室，晾干碾碎，过2 mm筛，以1∶5的土水比配置测定溶液，测定土壤八大离子及土壤含盐量[27]。采用GPS定位技术确定各采样点的相对坐标，并于采样期间记录各采样点周围地形地质、灌溉条件等情况。2015、2018年降雨量基本与平水年(145.47 mm)降水水平持平，由于沈乌灌域没有春灌，主要进行大面积的秋浇，9月正处于河套灌区夏灌结束秋浇未开始时期，一方面夏灌结束后，受灌溉水影响的土壤盐分再分配基本稳定，节水改造工程措施对灌溉水的影响进而对土壤盐分的影响也基本结束，在这段时间采集的土样能充分反映节水改造对灌区土壤盐分的影响，并且此时也是地下水动态的相对稳定期; 另一方面，通过对此时土壤盐分的分析，能够有针对性地指导秋浇。故以2015年9月(秋浇前期)和10月(秋浇后期)作为节水改造前基准年，探究水权转换背景下，节水改造后(2018年9、10月)土壤盐分相较于基准年的时空变异及时空分布规律。

图1 研究区采样点位布置图

1.3 研究方法

1.3.1数理统计

将采集的土壤含盐量进行数据预处理，剔除异常值，运用经典统计方法分析土壤盐分特征变化，并对其进行K-S检验土壤含盐量是否符合正态分布，对不符合正态分布的属性值进行对数变换，之后构建和拟合适宜的半方差函数理论模型[28-30]，分析土壤盐分空间异质性。在ArcGIS 10.4空间分析模块进行缓冲区分析，根据不同节水改造年限条件，选取东风分干渠(节水改造时间为2017年3月10日—2017年12月20日)和一干渠渠首(节水改造时间：上游，2014年1月20日—6月20日；中游，2015年3月2日—2016年8月24日；下游，2016年6月20日—2017年11月30日)两区域进行典型对比，分析不同改造年限区域沿渠道不同距离缓冲区内土壤盐分变化情况。

1.3.2空间自相关

为进一步研究沈乌灌域土壤盐渍化水平的不平衡性和全局空间自相关程度，采用Moran’sI指数评估全局空间集聚特征，LISA集聚图评价区域高低显著热点水平位置和范围。空间自相关系数(Moran’sI指数)定义为[32]

(1)

式中xi——样点i的空间属性观测值

xj——样点j的空间属性观测值

n——观测点位个数

wij——样点i和j之间空间邻近度的权重系数

其中，Moran’sI大于0表示空间正相关性，其值越大，空间相关性越明显。Moran’sI小于0表示空间负相关性，其值越小，空间差异越大，否则，Moran’sI等于0，空间呈随机性。计算Z值对其进行检验。为进行局部空间自相关分析，检查独立位置显著情况，绘制LISA集聚图，样点LISA集聚图表示该点与邻近点属性值空间集聚特性，将全局空间相关系数分解到各样点的空间自相关性[24,32-33]。

1.3.3反距离插值法

反距离插值法(IDW)是一种简单快速、易于计算的常用的空间插值方法[16,28,34]，应用IDW空间插值方法绘制土壤盐分空间分布图，相比Kriging插值法可以更直观地反映区域和局部变化趋势[16,28,30]，是一种根据已知数据集假定评估任意点s0预测值的线性插值器，其定义为[34]

(2)

其中

(3)

Z(si)——已知点位的实测值

λi——权重

d(si,s0)——样点和样点之间的欧氏距离

p——指定幂值，一般1

随着p值增加，s0距离si越远，则权重越小。采用均值误差(ME)和均方根误差(RMSE)判断反距离插值法所得的预测结果，其中均值误差接近0，均方根误差越小越好。空间分析的精度使用交叉验证法进行检验。

1.4 数据处理方法

采用GS+7.0拟合适宜不同土层土壤含盐量的半方差函数理论模型，在ArcGIS 10.4中计算Moran’sI指数和Z值，使用Geoda软件空间分析模块分别绘制 Moran’sI指数散点图和LISA 聚集图。利用ArcGIS 10.4软件进行反距离空间插值，获得沈乌灌域土壤盐分空间分布图。进行缓冲区分析，获得不同节水改造年限典型渠道剖面土壤盐分变化图。

2 结果与分析

2.1 土壤盐分描述性统计特征

对土壤含盐量进行K-S检验均为偏态分布，经过对数变换后，由表1可看出，其偏度和峰度(经过对数变换后计算得到)较小，符合正态分布。

表1 土壤盐分特征统计

沈乌灌域两年各土层平均土壤含盐量在1.39～3.43 g/kg之间，属于轻中度盐渍化灌域。节水改造前，秋浇前表层土壤含盐量最大，为3.43 g/kg，与深层差异明显，垂直方向上土壤盐分变异性大；秋浇后各层土壤含盐量分别降低28.9%、28.6%、20.8%，表明土壤盐分淋洗效果良好。

节水改造后，秋浇前表层土壤盐渍化程度减轻5.69%，10～30 cm和30～50 cm土层土壤含盐量分别下降了10.82%和5.37%，各土层土壤含盐量平均降幅为7.30%，同时2018年灌域平均地下水水位较2015年下降了0.44 m；此外，秋浇水量减少了8 690 m3，秋浇后表层盐分含量减轻程度变化不显著，10～30 cm和30～50 cm土层土壤含盐量分别下降9.71%和18.70%。研究发现，节水改造后秋浇前土壤整体含盐量平均降幅7.30%，此外，秋浇水量减少，秋浇后土壤盐分淋洗效果减弱9.26%。

变异系数CV反映土壤含盐量数据间的离散程度，其定义为标准差与平均值之比[35]。CV<10%为弱变异性，10%≤CV≤100%为中等变异性，CV>100%为强变异性[27]。由表1可知，0～10 cm土层土壤盐分属于强变异性，10～30 cm和30～50 cm土层土壤盐分属中等变异性。

2.2 土壤盐分空间结构分析

由上述经典统计分析得到适于空间预测的数据集。为研究节水改造后沈乌灌域空间范围的土壤盐分空间变异特性，利用地统计学理论进行半方差函数的计算、模拟、分析和检验，如表2所示。

表2 半方差函数模型参数统计

由表2可知，由于决定系数R2在0.450～0.785之间，理论模型拟合度较好，表明各土层土壤盐分的半方差函数均适用Exponential模型。用块金数Co、空间结构比Co/(Co+C)和变程表示土壤盐分空间异质性程度[36-39]。其中Co/(Co+C)<25%，为强空间相关性，主要受结构性因素影响；25%≤Co/(Co+C)≤75%，为中等空间相关性，受结构性和随机性因素共同作用；Co/(Co+C)>75%，为弱空间相关性，受随机因素影响大。由表2可知，节水改造前后各层土壤含盐量的块金数Co和基台数(Co+C)均为正值，受随机因素、固有变异及采样误差引起的变异不容忽视。节水改造后，秋浇前耕层(0～30 cm)土壤盐分结构比下降15.92个百分点，但结构比均在25%以上，始终受结构性和随机因素共同作用，深层(30～50 cm)土壤盐分结构比下降7.97个百分点，结构比均在25%以下，受结构性因素影响，说明节水改造后土壤盐渍化状况得到改善，土壤空间变异性减弱，而大量荒地复垦，随机性因素使土壤盐分空间相关性减弱，土壤属性朝均一化方向发展。秋浇后各层土壤盐分结构比均较改造前同期规律性出现差异，改造前秋浇后期各土层土壤盐分结构比平均下降7.30个百分点，各层空间相关性增强，而改造后0～10 cm和30～50 cm土层土壤盐分结构比分别增加了3.94个百分点和29.18个百分点，10～30 cm土层结构比下降了0.53个百分点。说明秋浇水量减少，0～10 cm和30～50 cm土层土壤盐分空间变异性增强。

2.3 土壤盐分空间自相关

由于小空间范围内计算的结构比均较大，空间变异性大，影响对其空间自相关性的判断，而Moran’sI指数则是更为稳健的方法[39-41]。故为进一步研究沈乌灌域土壤盐渍化空间依赖程度和局部分布格局，用Moran’sI指数作为衡量土壤盐分空间自相关性的指标，将沈乌灌域以10 km×10 km的规模进行格网化，提高研究精度，如图2所示。

图2 沈乌灌域土壤盐分格网化点位布置图

由表3可知，沈乌灌域整体土壤盐分Z值大于0，P<0.05，各土层均呈显著空间正相关，空间依赖性强。节水改造前，表层(0～10 cm)土壤盐分秋浇前Moran’I指数最小，为0.431，Z值为3.885；深层(30～50 cm)土壤盐分秋浇后Moran’sI最大，为0.656，Z值为5.639，秋浇后土壤盐分空间相关性增强。节水改造后，秋浇前各土层土壤盐分Moran’sI指数平均增幅为5%，说明节水改造后渠道衬砌率增加，地下水水位下降，土壤盐分空间相关性增强；秋浇后较秋浇前0～10 cm和30～50 cm土层土壤含盐量Moran’sI指数和Z值减少幅度在3%以下，10～30 cm两指标增幅为0.09%，各土层土壤盐分Moran’sI指数和Z值降幅变化不显著。由图3可知，节水改造前绝大多数样点在散点图上均落于1、3象限，空间上呈集聚态势，节水改造后秋浇前沈乌灌域土壤盐分空间异质性减弱，秋浇后局部空间集聚逐渐向离散状态转变。

表3 土壤盐分Moran’s I主要空间参数

图3 土壤盐分Moran’s I散点图

根据上述统计分析可知，表层土壤盐分空间变异性较强，其受农田管理和气象条件的影响较为明显，故选取0～50 cm土层的土壤含盐量进行热点分析，进一步摸清盐渍化风险区域集聚情况。由图4可知，节水改造前，秋浇前沈乌灌域南部处于盐渍化高值集聚区；根据统计分析可知，秋浇后整体平均土壤含盐量有所下降，建设三分干和建设四分干发生盐渍化风险可能性降低，东风分干渠和一干渠渠首的高-高显著盐渍化风险评估范围扩张，意味着尽管该区域土壤盐分得到淋洗，但仍有很大可能发生盐渍化风险。节水改造后，秋浇前0～50 cm土层南部高-高显著热点向不显著和高-低点位转变，北部局部出现盐渍化风险异常点；秋浇后南部土壤盐分高-高显著热点减少，但集聚特征仍十分显著。总体上，南部土壤盐分具有较高的相似性，呈现高-高集聚态势，该区域出现土壤盐分高值概率高，西部即土壤盐分呈现低-低集聚，该区域不易产生土壤盐渍化，与地处沙区的土地利用类型有关；西北和东北方向盐分分布比较随机。由此可知，沈乌灌域南部是土壤盐分含量的高-高集聚区，存在潜在的盐渍化风险，在节水改造变化环境下仍是盐渍化治理的重点区域。局部盐渍化风险地区建议采用暗管排水和化学改良剂等方式进行专项治理。

图4 0～50 cm土层土壤盐分LISA集聚图

2.4 土壤盐分空间分布格局

为了更加直观地展现沈乌灌域盐渍化分布格局和程度，利用ArcGIS 10.4的空间分析模块进行IDW插值，又由空间变异性分析可知，0～10 cm和10～30 cm空间变异程度相似，且土壤耕层多以30 cm为界线，故将土层分为耕层(0～30 cm)和深层(30～50 cm)进行空间分析，主要研究耕层土壤盐分分布格局对中度耐盐作物的生长状况影响和深层土壤盐渍化分布情况。沈乌灌域耕层和深层土壤盐分空间分布如图5所示。综合考虑中度耐盐农作物的生长状况和主要土壤盐分组成类型，根据盐渍化土壤的划分标准[42-44]，将土壤分为非盐渍土(含盐量小于2 g/kg，即作物生长安全区：作物发育良好，不缺苗，产量正常)、轻度盐渍土(含盐量2～3 g/kg，即作物轻度抑制区：植物缺苗，产量降低10%～20%)、中度盐渍土(含盐量3～6 g/kg，即作物中度抑制区：植物缺苗，产量降低20%～50%)、重度盐渍土(含盐量6～10 g/kg，即作物重度抑制区：植物缺苗，产量降低50%～80%)、盐土(含盐量大于10 g/kg，即作物盐害区：个别植株成活，实际无收成)。

图5 土壤盐分空间分布图

2.4.1插值精度交叉验证

由式(2)对土壤含盐量进行反距离插值，获得沈乌灌域耕层和深层土壤盐分空间分布图(图5)。为了对插值精度进行检验，采用交叉验证的方法评判反距离插值精度。由表4可知，均值误差(ME)均接近于0，均方根误差(RMSE)处于0.647 6～1.028 9 g/kg之间，并且决定系数R2均在0.500以上，这说明插值图的交叉验证参数达到了插值图精度要求，认为反距离插值模型描述土壤含盐量具有较好的精确度。

2.4.2耕层(0～30 cm)土壤盐分空间分布格局

改造前，沈乌灌域主要种植作物以玉米和向日葵为主，分别是中度耐盐作物和重度耐盐作物[45]。针对中度耐盐作物，秋浇前耕层作物生长安全区、作物轻度抑制区、作物中度抑制区、作物重度抑制区和作物盐害区分别占总面积的49.66%、18.65%、22.47%、6.61%和2.61%(表5)，说明沈乌灌域中度耐盐作物多受轻中度土壤盐分抑制作用，而向日葵所受盐害面积较小。由图5可知，空间上，土壤盐分高值(大于6 g/kg)位于东风分干渠和一干渠渠首上游区域。如图6所示，2015年两区域大部分地下水埋深较浅，分别在0.59～3.53 m和1.41～6.54 m之间，加之蒸发强烈，土壤盐分借助毛细作用逐步得到累积。其余区域多为沙地，地下水埋深处于3.90～9.20 m之间，土壤盐分受地下水影响较小，空间差异不大；秋浇后作物生长安全区面积比例增加14.18个百分点，其他作物抑制区中，中度抑制区面积比例减少最多，减少6.99个百分点。

改造后，秋浇前作物生长安全区面积比例增加4.82个百分点，西南和东部区域低值(小于2 g/kg)片状范围扩张，一干渠渠首北部盐分下降明显，这是由于局部盐荒地复垦等人为活动作用；秋浇后作物生长安全区和作物轻度抑制面积比例分别增加了9.16、3.71个百分点，较改造前同期安全区面积增幅下降5.02个百分点。改造后南部引水口地下水埋深加大了0～40 cm，且秋浇后盐分淋洗效果明显，而一干渠中游出现高值斑点，与秋浇水量减少有关。

表4 插值精度交叉验证参数

表5 沈乌灌域不同盐渍化程度土壤面积及比例

图6 沈乌灌域地下水埋深空间分布图

2.4.3深层(30～50 cm)土壤盐分空间分布格局

由表5可知，改造前，秋浇前深层非盐渍土、轻度盐渍土、中度盐渍土、重度盐渍土和盐土分别占总面积的71.57%、15.87%、10.84%、1.27%和0.45%，深层较耕层盐渍化面积比例少21.91个百分点。由图5可知，空间上，土壤盐分高值区(6 g/kg)主要分布于东风分干渠中游和一干渠渠首上游区域，与耕层分布状态基本一致；秋浇后非盐渍土面积比例增加6.62个百分点，增幅小于深层。

改造后，秋浇前非盐渍土和轻度盐渍土面积比例分别增加了1.85、2.83个百分点，深层土壤盐渍化变化并不显著。因改造后处于盐荒区的东风分干渠下游地下水水位升高了0.05 m，毛细作用增强，土壤盐分略升高，而一干渠地下水水位下降0.17 m，其上游区域土壤盐渍化程度减轻，土壤盐分表聚现象产生改变，与空间结构分布规律一致。秋浇后非盐渍土增加了1.55个百分点，较改造前同期非盐渍土面积比例增幅下降了5.07个百分点。

2.5 不同节水改造年限渠道剖面土壤盐分变化

由上述土壤盐分空间自相关性和空间分布格局分析可知，一干渠渠首和东风分干渠两区域土壤盐渍化风险较高，且两区域节水改造年限不同，故选取两典型区进一步研究不同改造年限盐渍化区域土壤盐分变化差异。将一干渠渠首视为长期(3～5年)改造区，东风分干渠视为短期(1～2年)改造区。典型区域布置图见图7、8。

图7 短期改造区沿渠道监测点位布置图

图8 长期改造区沿渠道监测点位布置图

为了分析渠道衬砌对区域土壤盐分变化的影响，以主要渠道为中心研究对象，利用缓冲区分析，产生距离中心研究对象0.1、0.3、0.5、0.7、1.0、1.3、1.5 km间隔组合的环状缓冲区，分析节水改造前后随着与渠道距离的增加，平均土壤含盐量的变化过程。

图9 长期改造区不同距离缓冲区平均土壤盐分变化曲线

由图9可知，长期改造区节水改造前，秋浇前缓冲区范围内0～30 cm和30～50 cm土层土壤含盐量均值分别在3.65～3.39 g/kg和2.05～1.92 g/kg之间，不同距离缓冲区内平均土壤盐分含量线性回归分析结果表明，0～50 cm土层秋浇前受渠道影响的半径为1.5 km，可划分为1.0 km以内和1.0 km以外两个范围，1.0 km以外比1.0 km以内的土壤盐分下降速率更为平缓。秋浇后缓冲区范围内0～30 cm和30～50 cm土层土壤含盐量均值分别在2.98～2.84 g/kg和2.30～2.19 g/kg之间。节水改造后，秋浇前0～30 cm和30～50 cm土层在1.5 km范围内的缓冲区平均土壤含盐量下降速率分别为每年0.050 96 g/kg和0.017 45 g/kg。秋浇后，0～30 cm土层在秋浇水量减少的条件下土壤盐分淋洗效果平均减弱0.32 g/kg，而30～50 cm土层土壤盐分含量较改造前同期出现升高的状况，可能是因为一干渠2018年无秋浇水量，高值区从上游逐渐向中游低值区扩散。

由图10可知，短期改造区节水改造前，秋浇前缓冲区范围内0～30 cm和30～50 cm土层土壤含盐量均值分别在5.44～5.19 g/kg和2.98～2.82 g/kg之间，不同土层土壤盐分差异性大，不同距离缓冲区内平均土壤盐分含量线性回归分析结果表明，0～50 cm土层秋浇前受渠道影响的半径为0.7 km，可划分为0.3 km以内和0.3 km以外的两个范围，0.3 km以外比0.3 km以内的土壤盐分下降速率更为平缓。秋浇后缓冲区范围内0～30 cm和30～50 cm土层土壤含盐量均值分别在4.23～3.78 g/kg和2.43～2.17 g/kg之间，0～50 cm土层秋浇后受渠道影响的半径扩张到1.5 km。节水改造后，秋浇前0～30 cm和30～50 cm土层在0.7 km范围内的缓冲区平均土壤含盐量下降速率分别为每年0.018 51 g/kg和0.014 63 g/kg。秋浇后，两土层缓冲区对土壤含盐量的解释能力增强，秋浇能够有效减轻土壤盐分表聚作用。

图10 短期改造区不同距离缓冲区平均土壤盐分变化曲线

综上所述，由不同距离缓冲区内的平均土壤盐分含量线性回归分析显示R2在0.10～0.94之间，说明不同距离缓冲区对平均土壤盐分含量的解释能力较强。此外长期改造区和短期改造区受渠道影响半径分别为1.5 km和0.7 km， 30～50 cm比0～30 cm土层缓冲区内平均土壤盐分含量随距离下降幅度更为平缓。随着节水改造工程的实施，长期改造区缓冲区内平均土壤含盐量下降速率高于短期改造区，均一化程度较高，长期改造区秋浇水量减少的条件下，高值区由上游逐渐向下中游低值区扩散，土壤盐分淋洗效果减弱。

3 讨论

沈乌灌域节水改造实施力度大，渠道衬砌率高达100%，且属于轻中度盐渍化区域，故以沈乌灌域为研究对象，分析节水改造对土壤盐分时空变化规律影响更具代表性，而此方面相关研究甚少，李彬等[26]仅从农田尺度分析河套灌区中游典型区土壤盐分时空分布变化，发现节水改造后典型区整体土壤盐分下降，与本研究结果一致。在此基础上本研究通过缓冲区分析深入研究了不同节水改造年限下区域土壤盐分变化差异，结果表明，区域受渠道影响半径和缓冲区内平均土壤含盐量下降速率呈现长期改造区大于短期改造区的规律，但由于长期改造区秋浇水量减少，高值区由上游逐渐向中游低值区扩散，土壤盐分淋洗效果减弱。步怀亮[4]将研究尺度放大，以沈乌灌域为研究对象，但由于工程实施于2017年年末完成，其监测时期较短，改造后土壤盐分变化状况并不明确。另外，文献[4,26]均未考虑节水改造条件下秋浇水量减少对土壤盐分淋洗效果的影响，而本研究综合考虑渠道衬砌和秋浇水量减少情况下沈乌灌域土壤盐分时空变化规律和淋洗效果影响。

文献[4,17-20]发现，将ArcGIS和地统计学结合方法可以有效监测区域土壤盐分空间变异及分布格局，基于区域化变量理论进行半方差函数拟合，结果显示土壤含盐量适宜于Exponential模型，表层和深层土壤盐分分别属强和中等空间变异性，与文献[15-16,37]研究结果一致。但有研究[39-41]表明采用结构比进行空间相关性分析稳定性不足，故本文引入Moran’sI指数进行节水改造条件下土壤盐分空间自相关性变化量化分析，发现改造后秋浇前期各土层土壤盐分空间相关性增强4.82个百分点，秋浇水量减少，秋浇影响土壤盐分空间相关性程度减弱。由LISA集聚图分析可知南部改造后仍是盐渍化高风险区域。说明应用Moran’sI指数和LISA集聚图可以更好地反映土壤盐分空间自相关程度和局部热点区域位置和范围[46-47]。在以上结构分析的基础上进行交叉验证，应用IDW空间插值方法绘制土壤盐分空间分布图精度较高，直观地反映区域和局部变化趋势[16,28,30]，结果显示改造后，秋浇前耕层和深层土壤盐渍化程度得到改善，作物生长安全区增加，秋浇后，耕层作物生长安全区面积增幅下降。空间上，土壤盐分高值多位于地下水埋深较浅的东北部和南部区域，土壤盐分低值多位于西南沙区，土壤盐分与地下水埋深、土地利用类型和地形等影响因素有关[6,8,11,14]。经过进一步深入分析，本研究验证了节水改造条件下区域整体土壤盐分下降[4,26]，作物生长安全区面积增加，表聚作用减弱[4,26]的变化规律，此外还发现秋浇水量减少的条件下，土壤盐分淋洗效果减弱。综上所述，本文运用经典统计学方法，结合空间插值和热点聚类识别方法绘制节水改造前后土壤盐分空间分布和LISA集聚图，可准确和直观地反映节水改造条件下各层土壤盐分的空间分布格局和土壤盐渍化显著程度，并探寻不同节水改造年限区域的土壤盐分时空变化规律，为盐渍化灌区——沈乌灌域的土壤盐渍化土地的分区、管理和合理利用提供了理论指导，同时也为后期制定节水改造举措、管理秋浇制度和发展农业提供了参考依据。

4 结论

(1)节水改造工程建设背景下，沈乌灌域渠系防渗效果良好，秋浇前土壤整体含盐量平均降幅为7.30%，但由于引黄水量减少，秋浇水量骤减，秋浇后土壤盐分淋洗效果减弱9.26%。空间上，土壤盐分高值区(大于6 g/kg)多位于地下水埋深较浅的东风分干渠和一干渠渠首区域，低值区(小于2 g/kg)位于西南和东部沙区。

(2)沈乌灌域各土层土壤盐分半方差函数采用Exponential模型拟合度较好，验证了各土层土壤含盐量在空间上存在一定的相关性，采用空间自相关系数进一步研究发现，沈乌灌域各土层土壤盐分Z值大于0，P<0.05，均呈显著空间正相关。耕层土壤盐分属强空间变异性，受结构性和随机性因素共同作用，深层土壤盐分属中度变异性，主要受结构性因素影响。改造后，秋浇前各土层结构比下降，Moran’sI指数增加，空间相关性增强；秋浇后0～10 cm和30～50 cm土层土壤盐分结构比增加，Moran’sI指数降幅在3%以内，秋浇水量减少，秋浇作用对土壤盐分空间相关影响度减弱。另由LISA集聚分析可知，改造后、秋浇前南部高-高显著区向不显著和高-低区转变，秋浇后南部集聚特征仍十分显著，存在盐渍化风险，改造后仍是盐渍化防治重点区域。

(3)针对中度耐盐作物，秋浇前耕层作物生长安全区、作物轻度抑制区、作物中度抑制区、作物重度抑制区和作物盐害区分别占总面积的49.66%、18.65%、22.47%、6.61%和2.61%，说明沈乌灌域中度耐盐作物作物多受轻中度土壤盐分抑制作用，而向日葵所受盐害面积较小。深层土壤较耕层盐渍化面积少21.91个百分点。改造后，秋浇前期耕层作物生长安全区和深层非盐渍土分别增加4.82、1.85个百分点，秋浇后耕层作物生长安全区面积增幅下降5.02个百分点，深层变化不显著。

(4)不同距离缓冲区对平均土壤盐分含量的解释能力较强，长期改造区和短期改造区受渠道影响半径分别为1.5 km和0.7 km，长期改造区缓冲区内平均土壤含盐量下降速率高于短期改造区，均一化程度较高。由于长期改造区秋浇水量减少，高值区由上游逐渐向下中游低值区扩散，土壤盐分淋洗效果减弱。

(5)节水改造工程实施后，土壤盐渍化程度减轻，作物生长安全区面积增加，表聚作用弱化，秋浇水量减少，土壤盐分淋洗效果减弱，土壤环境有所改善。此外节水改造年限越长，其区域均布化程度越高。