河套灌区典型区周年内耕层土壤盐分时空变异研究

化骞寂，冯绍元，葛 洲，徐 英

（扬州大学 水利科学与工程学院，江苏 扬州 225009）

0 引 言

【研究意义】据不完全统计，全球盐碱化土壤面积占陆地面积的7.26%，我国的盐碱化土壤占全国可利用土地面积的4.88%，其中耕地盐渍化面积占全国耕地面积的6.62%[1]。土壤盐碱化是土壤退化和生态环境恶化的重要原因之一，防治土壤盐碱化对于农业和生态环境的可持续发展具有重要意义。掌握土壤盐分时空分布规律是防治土壤盐碱化的重要前提。【研究进展】大量研究[2-4]表明，地统计学是研究土壤时空变异特征有效的方法。但是一般情况下土壤盐分都有“异常值”的存在，数据往往不服从正态分布[5]，指示克立金法（Indicator Kriging Method）以其对区域不确定性估计的合理性成为处理有偏数据的有力工具[6]。目前已有很多学者利用指示Kriging 法对土壤盐碱化的分布规律作出研究，并取得较好的成果。Pouryazdankhah 等[7]利用普通Kriging 和指示Kriging确定了伊朗吉兰省盐分较高的水稻减产区域；Demir等[8]对克孜勒河三角洲灌溉季节（2003 年8 月）到雨季（2004 年4 月）土壤盐分的指示Kriging 分析表明，灌溉季节土壤盐化的风险比雨季大；杨奇勇等[9]揭示了禹城市7 月不同阈值下土壤盐分概率分布规律；姚荣江等[10]认为黄河三角洲地区典型地块上地下水埋深与土壤盐分的概率分布存在空间上的规律性与相似性；周在明等[11]亦得出环渤海低平原区4—5 月（旱季）表层土壤全盐量、地下水位埋深和矿化度三者的概率空间分布呈现相似性、在空间尺度上密切相关的结论；徐英等[12]运用指示Kriging 方法分析确定了河套灌区解放闸灌域夏灌前防治土壤盐碱化的地下水临界埋深。已有研究成果肯定了指示Kriging 法在揭示土壤盐碱化时空变异规律及其与地下水埋深等因素之间空间关系方面的能力，但研究时段主要集中在某个时期，尚无涉及土壤盐分在周年内的时空变异性。【切入点】掌握周年内时空变异规律是分析土壤盐碱化形成机理和盐分归趋的重要组成部分。【拟解决的关键问题】以河套灌区典型研究区为例，运用经典统计和地统计理论相结合的方法揭示研究区土壤耕层盐分在周年内的时空变异规律，成果可为研究区土壤盐碱化形成机理分析和分区防治、时空信息采样点的布置提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

内蒙古河套灌区永济灌域以引黄灌溉为主，属于温带大陆性气候，干旱少雨、蒸发强烈且地下水位埋深较浅，土壤盐碱化严重。研究区多年平均降水量125.2 mm，主要集中在6—9 月，多年平均蒸发量在1 999～2 346 mm 之间，集中在5—6 月，年蒸发量是年降水量的10～30 倍；平均气温为8.3 ℃，年日照时间3 100 h 左右；主要种植作物有小麦、玉米、葵花、瓜菜等。

典型研究区（东经 107°14′—107°20′ ，北纬40°43′—40°50′）位于永济灌域合济渠控制范围内，如图1 所示，南北11 km，东西8 km，临近黄河，面积约5 666 hm2，高程在1 038～1 041 m 之间，区内土壤主要以粉壤土和砂质壤土为主，局部范围有壤质砂土，平均含砂量约为49%。研究区1 a 内灌水6 次，由合济闸控制，第1 次主要是葵花、瓜菜等的播前灌和春小麦分蘖期灌水；第2 次主要灌溉小麦和玉米；第3 次灌溉除葵花外的所有作物；第4 次主要灌溉玉米和小麦；第5 次主要灌溉玉米；第6 次即为以保墒压盐为目的的秋浇，在作物收获之后灌溉所有的耕地。本文研究时段为2018 年秋浇前到2019 年秋浇前，2018 年降雨量为176 mm，接近丰水年，2019 年降雨量为91 mm，为枯水年；研究时段内地下水位平均埋深和矿化度动态变化见表1，2019 年地下水位平均埋深和平均矿化度接近多年平均水平。

表1 研究区地下水位平均埋深和平均矿化度动态变化 Table 1 Dynamic change of average depth and average Salinity of groundwater in the study area

1.2 土样采集与土壤盐分测定

1.2.1 土样采集

1）采样点布置。因研究区耕地、荒地插花分布，为今后探讨地下水对耕、荒地土壤盐分分布的影响，土壤采样点围绕浅层地下水观测井布置，即每眼井附近布置3～4 个采样点，视土地利用情况，尽量覆盖小麦地、玉米地、葵花地和荒地等，采样深度分别为0～10、10～20、20～40 cm（每个采样点重复2 次）。以尽量均匀分布和避开村庄、道路和沟渠等影响为原则，研究区共布设47 眼观测井，其中33 眼设于2018年秋浇前，6 眼增设于2019 年第2 次灌水前，8 眼增设于2019 年第5 次灌水前（2019 年7 月13 日），观测井布置如图1 所示。

图1 研究区域及观测井分布 Fig.1 Distribution of study area and observation well

2）采样时间和数量。为了减小灌水、排水等人类活动对土壤盐分时空分布的影响，取样时间选择在每次灌水之前。本试验共采样7 次，分别为2018 年9 月22 日（即2018 年秋浇前），2019 年4 月27 日（即2019 年第1 次灌水之前，简称一水前）、2019年5 月24 日（即第2 次灌水之前，简称二水前）、2019 年6 月12 日（即第3 次灌水之前，简称三水前）、2019 年7 月1 日（即第4 次灌水之前，简称四水前），2019 年7 月23 日（即第5 次灌水前，简称五水前）、2019 年9 月22 日（即2019 年秋浇前）。根据观测井布置、采样时间和观测井附近土地利用情况，各次采样点数量见表2。由于耕地主要种植作物有小麦、玉米、葵花以及少量瓜菜，为提高耕地土壤平均含盐量的估计精度，耕地采样点数约为荒地的3～4 倍。

1.2.2 盐分的测定与等级划分

1）盐分测定。将土样自然风干、研磨、过2 mm筛，按土水比1∶5 的比例进行土壤浸提、振荡、过滤，测定其电导率，并按（全盐量=2.882×EC1:5（ms/cm）+0.183）换算成土壤全盐量[13]。

2）等级划分。根据内蒙古河套灌区盐化等级标准[14]，把土壤盐分分成4 个等级：全盐量＜1 g/kg，非盐渍土；1～2 g/kg，轻度盐渍土；2～4 g/kg，中度盐渍土；4～6 g/kg，强盐渍土；当＞6 g/kg 时，盐土。

1.3 分析方法

采用SPSS 23.0 分析土壤全盐量统计特征，采用地统计学软件GS+9.0 分析指示变异函数模型，并将其模型参数输入ArcGIS 10.0 绘制土壤盐分概率分布图。

2 结果与分析

2.1 土壤盐分的统计特征分析

2.1.1 研究区土壤盐分总体变化规律

表2 为研究区不同时期0～10、10～20、20～40、0～40 cm 土层盐分的统计特征，图2（a）是研究区各土层土壤平均全盐量动态变化图。表2 和图2（a）表明，各时期各土层平均含盐量在0.888～4.523 g/kg 之间，最大的是2019 年秋浇前的0～10 cm 土层，属于强盐碱土，最小的是一水前20～40 cm 土层，属于非盐碱土；其他时间各土层盐分介于1～4 g/kg 之间，属于轻、中度盐碱土。从2018 年秋浇前到2019 年秋浇前，各土层的盐分均表现为先减小再增大，一水前含盐量最小，说明秋浇压盐效果明显，之后夏灌造成地下水水位抬升、蒸发蒸腾作用增强，耕层土壤逐渐积盐；0～10 cm 土层的土壤盐分增加最为明显，从一水前的1.804 g/kg 增大到秋浇前4.523 g/kg，10～20 cm土层和20～40 cm 土层的土壤盐分变化较平缓，变化趋势也基本上一致。从垂直方向上来看，各时期10～20 cm 与20～40 cm 土层的含盐量较接近，而0～10 cm 土层含盐量约为10～20 cm 和20～40 cm 土层含盐量的2倍，表现为明显的表聚现象。此外，2018 年秋浇前含盐量明显低于2019 年同期，甚至低于2019 年三水前，周年内土壤耕作层处于积盐状态，主要原因是2018 年秋浇前有2 次较大的降雨（9 月1 日58.8 mm，9 月13 日18.6 mm），盐分由于降雨淋洗而减少，特别是荒地盐分明显偏低；其次还可能因为2019 年降雨量较少，荒地积盐比较严重导致的。

表2 土壤盐分统计特征值 Table 2 Statistical characteristic value of soil salt

图2 土壤全盐量随时间的变化 Fig.2 Change of soil salt content with time

2.1.2 耕地和荒地土壤盐分变化的比较

图2（b）和图2（c）是研究区耕、荒地各土层全盐量动态变化图。各时期荒地盐分都明显（P＜0.05）高于同时期耕地；由于上1 年秋浇淋洗，耕地土壤含盐量在一水前最小，之后缓慢地增大，且在2018 年秋浇前到四水前，10～20 cm 和20～40 cm 2 个土层同期土壤含盐量很接近，四水之后盐分上移，20～40 cm 盐分明显小于10～20 cm；除0～10 cm 土层在一水前增加外，荒地各土层含盐量从2018 年秋浇前到三水前变化很小，甚至10～20 cm 和20～40 cm 土层含盐量有下降趋势，之后迅速增加；无论是荒地还是耕地，从下至上各土层积盐速度是逐渐增大的，且荒地积盐速度均明显大于耕地。

2.1.3 土壤盐分变异特征

一般认为，CV≤0.1 时为弱变异性，0.1＜CV＜1时为中等变异性，CV≥1 时为强变异性[15]。由表1可以看出，除了二水前，其余各次灌水前的0～10 cm土壤盐分的变异系数均大于1，属于强变异性，而10～20 cm 和20～40 cm 土层盐分的变异系数都介于0.1～1 之间，属于中等变异性。

此外，从表2 可以看出，土壤盐分的偏度系数和峰度系数都出现了偏离，经过单样本K-S 正态检验，各次灌水前各土层的土壤含盐量均不符合正态分布。采用指示Kriging 法进行空间结构分析和空间分布评价，可以有效削弱有偏数据的影响。

2.2 土壤盐分空间变异结构分析

土壤盐分的空间变异是由结构性因素（气候、地形、土壤母质、水文地质条件等）和随机性因素（灌溉制度、种植结构、耕作措施等）共同引起的，了解其空间变异结构对于分析盐碱化形成机理具有重要意义。表3 是研究区各次灌水前0～40 cm 土层的变异函数理论模型及拟合参数，其中，C0表示块金值，C0+C 表示基台值，a 称为变程，C0/（C+C0）表示块基比（也作块金系数），代表空间变异程度。

表3 土壤盐分（0～40 cm）变异函数模型参数 Table3 Indicator semivariogram models of soil salinity (0～40 cm)

从表3 可以看出，各时期土壤盐分的变异函数均可用球状模型拟合，变程在1 104～1 994 m 之间，各时期均属于中等空间自相关性[16]，说明耕层土壤的空间相关性是结构性因素和随机因素共同作用的结果。块金系数在一水前到五水前变化很小，说明灌溉、施肥和中耕等农业措施对土壤盐分空间变异性的影响没有达到破坏原有空间格局的程度；相较于其他时期，2 次秋浇前的块金系数都比较小、变程较大（变程可一定程度上反应变量空间自相关性的大小），说明秋浇前土壤含盐量的空间结构性更好一些，这可能是由于五水到秋浇前灌水间隔时间较长，人类活动干扰较小，结构性因素的影响增加，而其他时期灌溉、排水、冻融过程等都一定程度上降低了盐分的空间自相关性。

对比研究区各时期土壤盐分变异函数模型（表3）发现，除秋浇前外，一水前到五水前土壤盐分的变异函数模型非常相似，亦即土壤盐分在这段时间（夏灌期）内空间结构变化不大，这一结论对盐分采样点的优化布置非常有利。

2.3 土壤盐碱化风险分析

生产实践中，相对于某一点含盐量的大小，人们通常更关心该点发生盐碱化的风险大小。为揭示 研究区土壤盐分时空分布特征，了解其不同区域发生盐碱化的风险大小或风险分布，本文运用GS+9.0 计算了指示变异函数模型，并借助ArcGIS10.0 绘制了土壤盐分大于某一阈值的概率分布图。

2.3.1 阈值的确定

运用指示Kriging 法绘制概率分布图，首要任务是选择阈值。有关研究[17]指出，河套灌区作物苗期0～40 cm 土层适宜土壤含盐量为0.7 g/kg 以下，结合河套灌区土壤盐碱化等级标准[14]和研究区特点，确定作物生长初期阈值为1.0 g/kg，即认为土壤含盐量大于该阈值时为盐碱化土壤，否则为非盐碱化土壤。指示Kriging 分析中，当某点土壤含盐量大于该阈值时，指示值为1，否则为0。另外，为了将各时期土壤盐分空间分布格局进行比较，虽然作物生长中后期耐盐能力增加，阈值仍然采用1.0 g/kg。

图3 表层0～40 cm 土层含盐量大于1.0 g/kg 的概率分布 Fig.3 Probability distribution of salt content greater than 1.0 g/kg in 0～40 cm soil layer on the surface

2.3.2 各时期土壤盐碱化风险分布

图3 为各时期研究区土壤盐分大于阈值的概率分布。其某点的数值表示该点土壤含盐量大于阈值的概率，亦即发生盐碱化的风险大小。图中颜色越红说明发生盐碱化的风险越大，反之越小。当发生盐碱化的概率＞0.5 时，认为其处于盐碱化高风险区，反之为低风险区。从时间上来看，2019 年一水前土壤盐碱化的高风险区面积比2018 年秋浇前明显缩小，可见秋浇洗盐效果明显，尽管春季返盐强烈，耕层土壤盐碱化风险仍然小于秋浇前；2019 年各时期土壤盐碱化高风险区面积占比分别为26%、60%、59%、76%、90%、89%，即盐碱化高风险区面积随时间逐步增大，一水前到二水前、三水前到五水前高风险区面积增速较快，原因是研究区在研究时段内，地下水矿化度变化不大（表1），土壤盐分随时间的变化主要受地下水埋深和蒸发蒸腾量的影响；一水前到三水前，随着地下水位上升、气温与地温开始逐渐升高，蒸发作用强烈，土壤开始返盐，土壤盐碱化的高风险区面积逐渐增大，但因冻土层尚未完全融通，上层土壤返盐主要受下层土壤水分向上迁移影响，地下水的影响有限，故而二水前迅速返盐，之后返盐面积的增速减慢；第三次灌水之后，冻土层完全融通，且随着大量灌溉，地下水位维持较高水平（表1），加之各种作物逐渐进入生长旺盛期，蒸腾作用强烈，导致地下水和深层土壤中的盐分随水分迅速迁移到上层土壤，三水前到五水前土壤盐碱化高风险区面积显著扩大，逐渐连片；五水前到秋浇前，地下水埋深较大，蒸发作用较弱，随着作物的成熟，蒸腾作用很小，故而返盐较弱，盐碱化高风险区面积基本稳定，但平均含盐量有一定增加（表2）。从空间上来看，2018 年秋浇前、一水前、二水前高风险区主要集中在研究区的中部、中南部和西北部，低风险区主要集中在东南部、西南部、东北边缘；四水前、五水前和2019 年秋浇前与前几次土壤盐碱化高风险区分布格局类似，但面积增大，有的原本零星分布的区域连结成片。要说明的是，三水前土壤盐碱化概率分布格局与其他时期差异较大，原因是采样期间有降雨，导致部分区域（雨后采样的点位）上的盐分发生了重分布。

2.3.3 盐碱化防治分区

虽然各时期盐碱化高风险区面积大小不同，但分布格局却相对固定，各时期土壤发生盐碱化的高、低风险区位置相似。综合各时期土壤盐碱化概率分布图，可以将研究区分为6 个分区（如图4），其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区为盐碱化高风险区，Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ为低风险区。盐碱化风险分区对盐碱化防治有一定参考作用，如根据分区可以调整作物种植结构，盐碱化高风险区种植较耐盐作物，低风险区种植低耐盐的作物，亦可据此确定治理的优先次序，比如优先完善高概率区的排水系统等。

图4 0～40 cm 土壤盐碱化分区 Fig.4 Salt zoning map of 0～40 cm soil layer

3 讨 论

各时期土壤盐分表聚现象明显，原因是研究区处于干旱半干旱地区，受内蒙古低压的影响，雨量少、蒸发强烈，深层土壤以及地下水中的可溶性盐类受包气带毛细水上升作用积聚于表层土壤（0～10 cm）中，这与以往研究成果一致[18]。但研究区耕地各层土壤均表现出从一水前到同年秋浇前含盐量逐渐增加的趋势，这与通常认为的河套灌区土壤盐分呈现的“春返、夏脱、秋积、冬藏”的规律[19]不同，即出现了夏灌期间积盐。在6 月之前，土层未能完全融通，主要由于冻土层以上消融水分向上迁移造成上层土壤积盐，受地下水影响较小，积盐较缓慢。但在6 月（第3 次灌水）以后，尽管灌水量增大、降雨增多，地表40 cm范围内各层土壤盐分没有随着灌水次数的增加变小，反而均匀增加，原因可能是随着灌区引水量的减少、节水灌溉制度的实施，灌水定额减小，使得每次灌水后盐分淋洗不充分，部分暂时下移的盐分，在下次灌水之前又重新随水分迁移至上层土壤，加之受这一时期内高地下水位的影响，土壤耕层积盐速度较快，耕层土壤盐分积累严重，这与田富强等[20]认为的缺乏洗盐水量导致耕层土壤盐碱化加重的观点一致。自从河套灌区节水改造大规模实施（2011—2016 年）以后，整个河套灌区每年的引黄水量从52 亿m3减小到40亿m3[21]，灌水定额较之前有较大幅度减小，原来夏灌期间的土壤短暂脱盐可能不复存在，取而代之的是年内土壤持续积盐，地下水位也有下降趋势。基于此，认为在新的形势下灌溉洗盐更为重要，与之相适应的洗盐定额和洗盐时间（如秋浇压盐）更是有待进一步分析确定。

研究区荒地盐分变化与耕地不同，除0～10 cm 土层一水前增加外，荒地各层土壤含盐量从2018 年秋浇前到三水前变化很小，10～20 cm 和20～40 cm 土层盐分甚至有减小的趋势，之后才迅速增加，这可能是因为荒地冻土层消融速度滞后于耕地，致使夏灌初期下层土壤盐分或地下水位抬升对上层土壤的影响滞后于耕地，一水前和二水前0～10 cm 土层返盐主要由10～40 cm 土层补充，直到三水前（6 月上旬）才在上升的地下水位影响下出现较大幅度增加。无论是荒地还是耕地，从下至上各土层积盐速度是逐渐增加的，且荒地积盐速度均明显大于耕地，说明耕地在向荒地排盐，荒地有一定的积盐能力，这与霍星等[22]、韦芳良等[23]的观点一致。这也充分肯定了研究区荒地旱排盐的能力和重要性。

基于指示Kriging 法绘制的土壤盐分概率分布图，表达了土壤盐碱化风险的空间分布，但其风险分布格局与阈值的选择有很大关系[9]。本文主要从作物苗期最适宜的土壤含盐量角度考虑，阈值选择为1.0 g/kg，对于作物生长中后期来说，这个阈值显然偏小。实际上，对于绘制土壤盐碱化风险分布图来说，阈值的大小不仅与研究区作物种类、生育阶段有关，而且与研究区的气候特征、地下水含盐量及其成分等有关[24]，同时也与研究的目的和要求等有关，所以阈值需谨慎确定，才能发挥其功用。另外，对于较大尺度来说，比如灌区或灌域等尺度，由于不同区域土壤盐碱化主要控制因子不同，在划分盐碱化防治分区时，除依据土壤盐碱化风险分布图，还需要考虑各区域的主控因子，以便更好地为分区防治措施的制定提供支撑。

4 结 论

1）各时期土壤盐分随着土层深度的增加而减小，表聚现象明显；耕地各土层在整个灌溉季节均处于积盐状态，荒地则在三水前变化很小，之后迅速积盐；无论是荒地还是耕地，自下而上各土层积盐速度是逐渐增大的，且荒地积盐速度均明显大于耕地，荒地旱排盐效果显著；各时期0～10 cm 土层土壤盐分几乎均为强变异，10～20 cm 和20～40 cm 则属于中等变异性，且荒地的土壤盐分变异系数几乎都大于耕地。

2）各时期0～40 cm 土层土壤盐分的变异函数均可用球状模型拟合，变程在1 104～1 994 m 之间，且均属于中等空间自相关性，秋浇前土壤的空间结构性略好于其他时期。研究区一水前到五水前土壤盐分的空间结构性变化不大，这对优化采样点的布置非常有利。

3）同年一水前到秋浇前，各时期土壤盐碱化风险分布格局类似，但盐碱化高风险区面积逐渐增大，且一水前到二水前和三水前到五水前高风险区面积增速较快；无论是积盐程度还是盐碱化面积都随时间动态增加，说明节水灌溉制度下灌溉洗盐（特别是秋浇压盐）措施尤为重要。