盐碱地土壤养分和盐分含量的空间变异特征研究

姜右锦，张松林，刘 阳

(西北师范大学 地理与环境科学学院，甘肃 兰州 730070)

盐渍土是我国重要的后备农业土地资源。目前，我国西北、东北和滨海地区的盐碱撂荒地和盐碱障碍耕地面积超过3 333万hm2；其中，具有农业潜力的盐碱地面积1 333万hm2，约占全国耕地总面积的10%[1]。西北干旱区盐碱地面积占全国耕地总面积的1/3以上，已成为制约该地区农业可持续发展的重要因素[2-5]。土壤养分与盐分的含量对植物生长起关键性作用，直接影响植物群落的组成与生理能力，决定着生态系统的结构、功能和生产力水平[6-7]。土壤盐分含量过高影响植物吸收利用养分以及微生物活动[8-9]，限制土壤肥力。

土壤养分和盐分的空间变异受自然和人为因素的共同影响[6,10-12]，增施有机肥料不但可以增加土壤养分，还可以抑制盐分含量的不断上升[13]，有利于改良盐碱土壤理化性质。土壤养分与盐分含量的空间分布及影响因素分析是掌握两者在迁移过程中的空间变化，合理改良土壤的基础。NOURZADEH等[14]对伊朗哈马丹省农田土壤养分和盐分空间部分的研究表明，掌握土壤中养分和盐分的空间异质性可以为区域农田土壤管理和作物生产提供更好的指导。马志敏等[15]对西北干旱区绿洲农田土壤养分和盐分空间变异的研究表明，土地利用方式的改变对土壤中养分含量变化有重要的影响，长期耕作使耕地土壤养分含量降低，导致地力退化并增加盐碱化风险。张兆永等[16]对艾比湖流域农田土壤养分的空间分布和盐渍化风险评价的研究表明，增加土壤养分元素含量，改善土壤结构，可提高作物产量。酒泉市深处西北内陆，高温少雨、蒸发量大等独特的气候特征，以及农业生产过程中化肥大量施用等不合理的耕作活动，对该地区农业生产产生了极大的影响，并使得土壤盐碱化程度加剧，因此，研究土壤中养分和盐碱化状况之间的关系对农业生产产生的影响，具有重要的现实意义。鉴于此，基于酒泉市土壤测土配方施肥研究中获得的土壤养分与盐分含量数据，运用地统计学和GIS理论研究土壤养分与盐分含量空间变异特征，从地形、土壤类型与土地利用类型方面分析土壤养分与盐分含量的影响因素，旨在为西北干旱区盐碱地土壤改良和合理施肥以及农业利用管理提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

酒泉市位于92°14′～100°20′E、37°58′～42°50′N，甘肃省河西走廊西端、祁连山北麓缓坡荒漠干旱草原地带，三面环山，中间为走廊平原，东南部海拔较高、盆地相间，地势南高、中低、北稍高(图1)；北部地区为平坦的戈壁滩，蒸发强烈，降水量极少，植被稀少。酒泉市属于典型大陆性温带干旱气候区，年平均气温7.9 ℃，年均降雨量84 mm，年蒸发量2 141 mm；温差大、降水时空分布不均，由西到东、从北到南递增。酒泉市耕地总面积15.3万hm2，其中，盐碱地8.5万 hm2，占全市总耕地面积的55.2%。主要土壤类型为发育在不同母质上的灌漠土，有机质含量低，pH值偏高(8.35)。盐碱地土壤中含有大量可溶性盐，以硫酸盐为主，并有一部分硫酸盐-氯化物盐化土壤[17]。

图1 酒泉市地势Fig.1 Geographic map of Jiuquan City

1.2 数据来源

研究使用的酒泉市土壤养分(有机质、碱解氮、速效磷和速效钾)与盐分含量数据，为《酒泉市耕地质量评价》中测土配方项目12 843个样点的实测数据[18]。

1.3 数据处理

采用地统计学方法，以区域化变量理论为基础，以变异函数为主要工具，研究具有空间相关和依赖性的耕地土壤养分与盐分含量的空间变异性及其互动机制，公式[19-20]：

式中，γ(h)为变异函数；h为步长，表示样点空间间隔距离；N(h)为抽样间隔h时的点对数；Z(xi)和Z(xi+h)分别是变量Z在空间位置xi和(xi+h)上的取值。

采用SPSS 20.0对土壤养分与盐分含量进行描述性统计分析；在GS+7.0软件中完成地统计学分析，用上述公式对土壤养分与盐分含量进行空间自相关性和半变异函数分析；对所有参与计算的数据进行预处理，将不符合正态分布的变量进行对数变换，使其符合正态分布。利用ArcGIS 10.5中Geostatiscal Analyst的克里金(Kriging)空间插值方法绘制盐碱地土壤养分和盐分含量的空间分布图。土壤养分与盐分含量空间分布格局影响因素由Origin 2018绘图。

2 结果与分析

2.1 盐碱地土壤养分与盐分含量的统计特征值

盐碱地土壤养分与盐分含量的统计特征值如表1所示。经单样本K-S方法检验，有机质、速效磷、速效钾含量均呈正态分布，碱解氮、盐分含量呈对数正态分布，符合地统计学分析要求。参考甘肃省第二次土壤普查土壤肥力分级标准[21]，有机质、速效钾含量均为Ⅴ级，碱解氮、速效磷含量分别为Ⅵ和Ⅳ级。依据NIELSEN分级标准[22]，耕地5种土壤指标的变异系数均在10%～100%，故均属于中等变异强度。其中，盐分含量的变异程度最大，表明在不同采样点土壤中盐分含量差别较大。

表1 盐碱地土壤养分、盐分含量的统计特征值Tab.1 The statistical characteristic values of nutrient and salt content of saline-alkali land soil

2.2 盐碱地土壤养分、盐分含量的空间变异性分析

运用半方差函数模型分析，获得了盐碱地土壤养分、盐分含量的空间变异情况(表2)。结果表明，盐碱地土壤养分、盐分含量参数均具有明显的空间结构特征。其中，有机质、碱解氮含量符合Spherical模型，决定系数分别为0.82、0.65；速效磷、速效钾含量均符合Exponential模型，决定系数分别为0.84、0.86；盐分含量符合Gaussian模型，决定系数为0.67。各拟合模型决定系数均在0.65以上，表明各个模型具有较好的拟合效果。块金值(C0)表示由随机因素引起的变异，即由试验误差或小于试验取样尺度所引起的变异[23]。有机质、碱解氮、速效磷、速效钾、盐分含量的C0值分别为8.83、102.70、53.70、148.00、3.23，说明在采样尺度范围内存在采样样品、采样范围的误差以及施肥耕作措施及政治制度等随机性因素引起的变异[24]。

表2 盐碱地土壤养分、盐分含量的空间变异Tab.2 Spatial variability of nutrient and salt content of saline-alkali land soil

变程(R)指半方差函数达到基台值需要的距离，反映土壤性状空间相关的有效距离[25]。研究区土壤指标的变程存在明显差异，有机质含量R值最大，说明其空间异质性在较大尺度上受环境因素制约。速效磷含量R值最小，可能是由于施肥、养分残留量或形态的不同所致。此影响因素在不同尺度上产生不同作用效果。

块金系数[C0/(C0+C)]表示由随机部分引起的空间异质性占比。若块金系数<0.25，说明具有强空间相关性；若0.25<块金系数<0.75，为中等空间相关性；若块金系数>0.75，则说明具有较弱空间相关性[26-28]。由表2可知，土壤有机质、碱解氮、速效磷、速效钾、盐分含量的块金系数均<0.25，表现为较强的空间相关性，各因子空间异质性主要由成土母质、地形、气候与植被覆盖度等结构性因素引起，不易受人类活动影响。土壤有机质、盐分含量的块金系数很接近，说明两者存在较强的空间相关性。

2.3 盐碱地土壤养分、盐分含量的空间分布格局

为了更准确而直观地反映盐碱地土壤养分、盐分含量的空间结构分布状况，根据拟合的半方差函数模型，利用普通Kriging插值绘制出盐碱地土壤养分、盐分含量的空间分布格局(图2)。可见，土壤养分、盐分含量的空间分布均具有斑块状分布特征。总的来说，有机质、碱解氮、速效钾含量的空间分布均为南高北低的阶梯状，主要因为北部是戈壁滩且土壤盐渍化较严重，作物与植被相对不易生长。速效磷、盐分含量的空间分布结构大致相似，东部与中部较高，由东到西先高后低交替分布。土壤有机质与碱解氮含量整体由北向南逐渐增加。中北部地区的土壤有机质含量<15 g/kg，耕地面积占比32%的中南部土壤有机质含量相对较高，适宜农作物种植，原因可能是中北部气候干旱、植被稀少和地势较低所导致的水分蒸发强烈，土壤表层盐分积聚。

图2 盐碱地土壤养分、盐分含量的空间分布格局Fig.2 Spatial distribution pattern of nutrients and salt content of saline-alkali land soil

2.4 盐碱地土壤养分、盐分含量的相关性

盐碱地土壤养分、盐分含量的相关性分析表明(表3)，有机质含量与碱解氮含量之间呈极显著正相关，有机质含量与速效钾含量之间呈显著正相关，解释了其空间分布的相似性(图2)，有机质含量与速效磷含量之间呈负相关，说明土壤速效磷主要受母质及成土作用影响，而其他养分含量在自然条件受有机质影响作用显著，同时有机质可能与氮、磷、钾之间存在着一定的衍生关系和动态平衡。盐分含量和有机质、碱解氮含量之间呈极显著负相关，可能是由于盐分含量影响土壤生物量以及微生物活性，进而减缓有机质的矿化效果；反之，增加土壤有机质、碱解氮含量有助于降低土壤盐分含量，减轻土壤盐碱化危害程度。盐分含量与速效磷含量之间呈显著正相关，说明两者的变化在一定程度上具有显著同步性。土壤速效磷、有机质、碱解氮含量的变化显著或极显著影响盐分含量的变化，表明有可能通过改变土壤养分状况治理土壤盐碱化。

表3 盐碱地土壤养分、盐分含量的相关性Tab.3 Correlation between nutrient and salt contents of saline-alkali land soil

注：*表示相关性显著(P<0.05)；**表示相关性极显著(P<0.01)。
Note:* indicates significant level of correlation (P<0.05);** indicates extremely significant level of correlation(P<0.01).

2.5 盐碱地土壤养分、盐分含量空间分布格局的影响因素

盐碱地土壤养分、盐分含量的空间分布格局受自然和人为因素的共同影响。盐碱化土壤养分含量的空间分布格局与地势高低有关(图1)。酒泉市东南部海拔较高、盆地相间，有机物堆积，有利于有机质的分解与矿化，故土壤的营养元素含量较丰富；凋落物和植被覆盖使土壤中含有较多的植物残留物，使东南地区土壤有机质、磷、钾元素含量较高。而北部地区为平坦的戈壁滩，蒸发强烈，降水量极少，植被稀少，使土壤养分含量较低、盐分含量较高。

不同土壤类型的土壤养分含量有所差异(图3)。有机质、碱解氮含量的表现趋势相似，由高到低为灰棕漠土>灌漠土>潮土>草甸土>风沙土。速效磷含量的变化趋势由高到低为风沙土>盐土>潮土>灌漠土>灰棕漠土>草甸土，速效钾含量的变化趋势为灰棕漠土>盐土>灌漠土>风沙土>潮土>草甸土。速效磷、速效钾含量的变化对盐分含量具有一定的影响，说明土壤类型中养分含量的变化会使得盐分含量发生一定程度的变化，这与二者之间的相关性具有一致性。

不同小写字母表示各土壤类型间差异显著(PThe different lowercase indicates significant difference among different soil type(P图3 不同土壤类型养分含量特征Fig.3 Characteristics of nutrient content in different soil types

各土壤养分的空间分布格局与土地利用类型(图4)有关。土地利用类型主要为设施农用地、水浇地和园地，其中碱解氮含量在园地中最高，有机质、速效磷、速效钾含量均在水浇地中最高。由于当地的气候问题，水浇地的灌溉程度相对较大，使其水分蒸发减少，盐分含量降低，土壤养分含量相对较高。园地的耕作管理主要是浅耕、旋耕综合使用，使其达到土壤养分充分被植物利用的目的。

图4 不同土地利用类型土壤养分的含量特征Fig.4 Characteristics of soil nutrient content in different land use types

3 结论与讨论

盐碱地土壤养分、盐分含量高低及其空间分布是影响干旱区农业发展的重要因素。基于干旱区自然与人为因素对土壤养分、盐分含量的共同作用，保持土壤肥力和降低盐渍化程度是盐碱地土壤改良的途径之一。

研究区土壤养分分级总体属于中等水平。有机质、速效磷、速效钾含量相对较高，碱解氮含量相对较低。不同土壤类型养分含量的影响因素不同[29]。有机质、碱解氮、速效磷、速效钾、盐分含量的空间变异程度中等，空间相关性较强。由于存在衍生关系，碱解氮含量与有机质含量的空间分布格局具有较高的相似性。酒泉市主要种植冬小麦、玉米和马铃薯等喜氮作物，作物吸收消耗而导致土壤碱解氮含量降低。酒泉市土壤速效磷含量处于中等水平，东部和中部地区相对较高，与精准农业中合理施肥与耕作活动有关。对于速效钾含量空间分布不均，处于较低水平的区域，农业生产时应多施氮肥和钾肥，适度施加有机肥和磷肥。

土壤养分与盐分含量的空间变异性分析表明，其均具有良好的空间结构，土壤4类养分因子与盐分含量的块金系数均<0.25，表明土壤养分和盐分含量的空间变异受气候、母质、地形和土壤类型等结构性因素的影响。土壤有机质、盐分含量的块金系数相近，说明两者之间的空间变异存在相关性；但是两者的变程却显著不同，有机质含量R值为2.05 km，盐分含量R值为1.04 km，说明盐分含量受随机影响较小，造成空间自相关的范围较大。不同作物与施肥管理的差异可能减弱土壤养分、盐分含量的空间自相关性，使其空间尺度减小。

盐碱地土壤养分、盐分含量的空间分布多呈阶梯状与斑块状结构，其有机质、碱解氮、速效钾含量均南高北低，速效磷与盐分含量由东向西高低交替分布。地势相对较高地区的土壤有机质含量相对较高，表明其空间异质性受到地势的影响较明显。与此相反，杨煜岑等[28]认为土壤有机质高值区域主要集中在地势低平、坡度缓和和湿度适中的农耕区，地势较高的山区有机质含量低。土壤有机质、碱解氮、速效钾含量的空间分布一致，相互之间呈正相关。还有学者研究表明，当海拔升高时，碱解氮更易于积累，其含量相对较高[29]。土壤有机质、速效磷含量之间呈负相关，是由于碱性土壤中沉淀反应形成的羟基磷灰石稳定性较强[30]，不利于提高磷的有效性。

Pearson相关分析发现，土壤盐分含量与有机质、碱解氮含量之间呈极显著负相关，佐证了它们之间空间分布相反的状况，说明土壤盐分增加在一定程度上制约着土壤有机质和碱解氮的积累和转化，使作物吸收养分和新陈代谢过程等受到限制。这与前人的研究结果一致[31-35]。土壤盐分、速效磷含量之间呈显著正相关，与速效钾含量之间呈正相关。土壤养分与土壤微生物的活动密切相关，而土壤盐分会明显降低土壤微生物的活性[36]。因此，合理施用化肥和农家肥，增强土壤微生物的活性，可能会减缓盐碱化程度。