不同土质灌区土壤盐分与物理特性空间变异规律及协同关系研究

韩金旭，谷晓伟，程春晓，张凤燃，韦 昊

(1.黄河水利委员会黄河水利科学研究院，郑州 450003；2.水利部黄土高原水土流失过程与控制重点实验室，郑州 450003；3.黄河水资源保护科学研究院，郑州 450003)

盐渍化一直是困扰我国农业生产的重要问题，据统计中国的盐渍化土壤面积约3 600 万hm2，占全国可利用土地的4.88%[1]。土壤性质受到母质、气候、生物、地形等自然及人为因素的共同作用，表现出高度的空间异质性，属不均一变化的连续体[2]。土壤盐分运动受到多种或多层次结构的叠加影响，常表现出复杂的空间变异性[3]。不同类型土壤物理性质和水热状况均有所差别，其对盐分运动的影响一直是研究热点[3-9]。樊会敏[9]、毛海涛等[7]研究了新疆及渭北地区土壤岩性组成、团聚体、土壤容重、质地等对土壤盐分含量及剖面运动的影响；王雅琴等[10]分析了石河子垦区农田不同类型土壤膜下滴灌盐分变化规律，这些研究在室内试验及田间尺度上给出了土壤结构与盐分运动之间的关系。刘继龙[3, 11]、王全九[5]等分析了不同尺度土壤机械组成、水热性质及盐分变化的空间异质性，但未对不同土壤质地下盐分与多因素的空间关系进行深入分析。

受空间异质性影响，随着空间尺度的放大，灌区土壤盐分与土壤质地、水热特征间的响应关系往往与田间及室内试验结果不完全一致。鄂尔多斯黄河南岸灌区属于典型的干旱绿洲灌区，长期受到土壤盐渍化威胁。以灌区不同土质的两个灌域为研究对象，利用地统计学方法研究表层土壤盐分在灌域尺度上的空间变异特征，分析土壤盐分与土壤颗粒组成、容重、水、热等物理特性参数间的空间关系，成果可为区域土壤盐分防控和分区管理等提供技术依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

黄河南岸灌区位于鄂尔多斯市北缘的黄河冲积平原，灌区东西长约412 km，南北宽2～40 km，由自流、扬水、井灌区组成，灌溉面积约9.31 万hm2。研究区位于南岸灌区中和西灌域(E 109°3′44″～110°42′30″，N 40°19′8″～40°32′32″)和吉格斯太灌域(E 109°13′24″～110°33′29″，N 40°18′25″～40°26′19″)。其中，吉格斯太灌域位于灌区东侧尾端，东以呼斯太河为界，西以东柳沟为界，为井渠结合灌域，总灌溉面积约6 800 hm2。取样范围选取11号扬黄泵站控制区域及周边部分井灌区，面积约2 500 hm2，设置采样点29个。中河西灌域位于灌区中部，东以卜尔嘎色太沟为界，西至毛布拉格孔兑，总面积约8 600 hm2，本次取样范围约3 100 hm2，设置采样点22个。两灌域直线距离约120 km，为完全独立的灌排单元。

1.2 样点布设及样品采集

观测试验按网格化设置采样点，并根据土地利用类型局部调整，于春灌结束后10日人工采集0～20 cm土样。土壤干容重及含水量采用环刀法测定。土样经风干过2 mm筛测定颗粒组成并按水土比5:1配置土壤溶液，利用电导率仪测定电导率。

图1 采样点分布图Fig.1 Distribution of sampling points

根据分析结果，吉格斯太灌域(以下称砂土灌域)土壤容重在1.40～1.79 g/cm3，砂粒含量占比86.58%～96.68%，粉粒占比2.65%～13.17%，黏粒占比0.16%～3.03%。按照国际土壤质地分类，29个采样点全部为砂土。中河西灌域(以下称沙壤土灌域)土壤容重1.37～1.74 g/cm3，砂粒含量占比18.13%～94.12%，粉粒占比3.66%～55.74%，黏粒占比0.50%～7.78%。按照国际土壤质地分类，22个采样点中有2个样点为沙土，其余为沙壤土～壤土，灌区综合土壤质地为沙壤土。

表1 不同灌域土壤物理特性参数统计表Tab.1 Statistical table of soil physical characteristics parameters in different sub-districts

1.3 数据分析方法

本次从空间相关性角度分析灌域尺度0～20 cm土壤盐分与土壤物理特性参数间的关系。根据样品采集情况，物理特性参数选择土壤干容重、黏粒、粉粒、砂粒含量、体积含水量、导热率与热容量等指标。根据两灌域土壤质地，土壤导热率采用改进Campbell[4]公式计算，导热率和热容量计算方法具体参见参考文献[12]。

采用经典统计学方法计算样本统计特征值，采用地统计学方法分析土壤盐分的空间变化，采用互相关函数法分析土壤物理特性与土壤盐分的空间分布关系。数据处理、样本描述及相关性分析等采用SPSS 23.0完成，各变量的空间异质性分析、空间分布图绘制采用GS+9.0和Surfer12.0完成，空间相关性分析采用Matlab编程计算。

(1)经典统计学方法。

(1)

(2)地统计学方法。地统计学通常采用半方差函数表示变量的空间变异结构：

(2)

式中：γ(h)为变量半方差函数值；h为两样本点空间距离；Z(xi)和Z(xi+h)分别为xi和xi+h处变量观测值；N(h)为滞后距离为h时的样本对数。文中半方差函数主要采用高斯模型进行拟合，模型公式如下：

(3)

式中：C0为块金值；a为变程，km；C为拱高；C0+C为基台值。地统计学中一般用块基比(C0/(C0+C))表示随机变异占总变异的大小。块基比0～25%表明随机性因素对变量空间分布的影响较小，变量具有较强的空间相关性；块基比在25%～75%则变量为中等空间相关性，75%～100%为弱空间相关性。

(3)互相关函数法。互相关函数对一定范围内两变量空间相关性具有更直观的表达能力[5, 12-14]，本次采用该方法研究土壤盐分与物理特性参数的空间相关性，计算公式如下：

(4)

2 土壤电导率变异分析

2.1 土壤电导率统计分析

土壤电导率统计特征值如表2所示。参考相关成果[15]，土壤盐化程度划分标准如下：电导率<570 μS/cm为非盐化土；570～760 μS/cm为轻度盐化土；760～1 240 μS/cm为中度盐化土；1 240～1 920 μS/cm为重度盐化土。由表2可知，砂土灌域土壤电导率在121～645 μS/cm，为非～轻度盐化土；沙壤土灌域土壤电导率在245～2 690 μS/cm，结合采样情况来看，属轻～中度局部重度盐化土，盐渍化程度高于砂土灌域。根据颗粒分析数据，沙壤土灌域细颗粒含量明显高于砂土灌域，土壤透水性较差，盐分易于累积，盐渍化程度较高，与前人结论基本一致[9]。从变异情况看，砂土灌域土壤电导率Cv值为0.41，属中等变异程度；沙壤土灌域土壤电导率Cv值为0.83，变异程度明显强于砂土灌域。

表2 不同灌域土壤电导率统计特征值Tab.2 Statistical characteristic values of soil electrical conductivity in different sub-districts

2.2 土壤电导率空间变异分析

根据表2中偏度、峰度及k-s检验结果，经对数处理后土壤电导率近似服从正态分布，可采用地统计学方法进行分析。土壤电导率半方差分析结果如表3所示。根据表3，两灌域土壤电导率均可采用高斯模型较好拟合。作为区域化变量，土壤盐分的空间变异是由结构性因素和随机性因素共同引起的，气候、地形等结构性因素是变量具有空间连续性的原因，而耕作、灌溉等随机因素则会弱化其空间连续性[1]。根据表3，砂土灌域土壤电导率块基比为33.6%，高于25%，属中等空间相关性；土壤电导率变程为9.85 km，表明在该范围内电导率具有空间相似性。沙壤土灌域土壤电导率块基比为9.9%，表明该灌域土壤电导率空间连续性较强，结构性因素是影响盐分空间分布的主要因素；灌域土壤电导率变程为2.25 km，表明电导率在该范围内具有空间相似性。

表3 不同灌域土壤电导率半方差函数参数Tab.3 Parameters of semi-variance function of soil electrical conductivity in different sub-districts

2.3 土壤物理特性参数空间分布特征

基于Kringing插值法绘制不同灌域土壤电导率及物理特性参数空间分布如图2和图3所示。由土壤电导率空间分布来看，砂土灌域[图2(a)]土壤电导率变化表现出较明显的斑块性，总体自西北向东南逐渐减小，高值区存在极值点，电导率值普遍较低，灌域呈非～轻度盐渍化状态。沙壤土灌域[图3(a)]土壤电导率斑块性较沙土灌域有所减弱，除东南边缘电导率高值区达到重度盐渍化外，其余大部分区域在中度盐渍化程度以下。

分析比较土壤颗粒组成、导热率、热容量来看，不同灌域土壤物理特性与电导率空间分布的一致性存在差异。由图2可见，沙土灌域各物理特性参数的空间分布具有较好的相似性，表明各参数间存在响应关系。土壤物理特性参数[图2(b)～(f)]与电导率图斑分布较一致，导热率、热容量、容重较大的区域一般与电导率高值区相协调；砂粒含量较高的区域，土壤电导率则普遍较低。但从极值分布来看，电导率与物理特性参数空间分布不完全重合，存在异位性，表明土壤性质对盐分的影响具有空间滞后性。分析图3可见，沙壤土灌域土壤物理特性与电导率的空间分布也存在一定的协调性，但与沙土灌域相比，除热容量外，其他参数仅在极值区与电导率空间协调性稍好，不同参数间空间异位更加明显。

图2 砂土灌域土壤电导率与主要物理特性参数空间分布Fig.2 Spatial distribution of soil electrical conductivity and main physical parameters in sand sub-district

图3 沙壤土灌域土壤电导率与主要物理特性参数空间分布Fig.3 Spatial distribution of soil electrical conductivity and main physical parameters in sandy loam sub-district

3 土壤电导率与土壤物理特性参数相关性分析

根据前述分析结果，土壤物理特性与电导率空间分布之间存在一致性和异位响应，且随灌域的不同而有所差异。两灌域土壤电导率与物理特性参数的相关性分析结果如表4所示。由表4可知，砂土灌域土壤电导率与物理特性参数间的相关性均不显著；沙壤土灌域土壤电导率与含水量、热容量之间显著相关，但与土壤导热率等参数相关性不显著。因受到立地条件及人类活动的共同作用，土壤盐分与物理性质之间的响应关系在不同区域有所差异。结合已有成果，刘继龙[3]在杨凌地区开展的研究认为不同尺度0～20 cm土壤电导率与土壤容重及机械组成相关性均不显著，与本次结论相一致；但樊会敏[7]在渭北地区则发现黏壤土0～20 cm土壤盐分与土壤机械组成显著相关。

相关性分析只能反映两个随机变量间的相关关系，难以体现变量在空间上的关联程度。互相关函数可以较好地表达区域化变量在空间上的相互关联性[5, 12, 13]。采用互相关函数分析土壤电导率与物理特性参数的空间关系如图4～5所示。图中虚线为95%置信线，相关函数值超过置信线即为相关达到显著，否则不显著。

表4 土壤电导率与土壤物理特性参数相关性Tab.4 Correlation between soil electrical conductivity and soil physical properties

从砂土灌域[图4(a)]来看，土壤盐分与黏粒含量、容重在2～6 km范围内显著正相关，与砂粒含量在2.5～4 km范围内显著负相关，与粉粒含量未达显著相关级别，表明在上述空间尺度范围内土壤含盐量随黏粒含量、容重的增加而增大，随砂粒含量增加而减小。由图4(b)可知，土壤水热特性与土壤盐分的空间分布相关程度较高，在2～6 km范围内均与土壤含盐量显著正相关。上述分析表明，沙土灌域土壤含盐量与物理特性参数的空间分布具有协同性，物理特性对土壤电导率存在空间滞后影响，结论与图2基本一致。

图4 砂土灌域土壤电导率与物理特性参数空间相关性Fig.4 Spatial correlation between soil electrical conductivity and physical parameters in sand sub-district

从图5(a)来看，沙壤土灌域土壤质地与电导率间空间相关性不明显，其中与土壤容重的相关性未达显著级别，与颗粒组成间只在个别点略高于置信线。从水热参数来看[图5(b)]，土壤导热率在6～12 km范围内与电导率达到显著相关级别；含水量及热容量除0点附近外，与土壤电导率的相关性均未达到显著级别。从前期成果来看，王全九[5]对新疆沙壤土～粉壤土灌区的研究发现灌区土壤盐分空间分布与含水量、热容量及导热率等参数的空间关系不显著，与本次研究结论相一致。对比分析结果可见，不同土质灌域土壤盐分与物理特性参数的空间响应关系存在差异。

图5 沙壤土灌域土壤电导率与物理特性参数空间相关性Fig.5 Spatial correlation between soil electrical conductivity and physical parameters in sandy loam sub-district

表4与图4、图5采用不同方法对土壤电导率与物理特性的相关性进行了分析，两分析结果存在差异，但并不矛盾。当滞后距离为0时，互相关函数与双因子相关性分析结果一致；当滞后距离>0时，互相关函数值即为该空间尺度范围内两变量间的相关程度。空间相关关系达到显著水平，表明在该滞后距离范围内变量间具有空间分布的协同性。

4 结 论

通过对不同土质灌域土壤电导率与土壤物理特性参数间的关系进行分析研究，结果显示：

(1)砂土灌域为非盐渍化～轻度盐渍化土，表层土壤电导率属中等变异程度；砂壤土灌域为轻度～中度局部重度盐渍化土，土壤电导率为中等偏强变异程度。

(2)土壤表层电导率在一定范围内具有空间结构特性，可采用高斯模型进行拟合。砂土灌域土壤电导率为中等强度空间变异，砂壤土灌域为弱空间变异，随机因素占总变异程度的比重较小。

(3)不同土质灌域土壤盐分与物理特性 参数的空间响应关系存在差异。根据空间相关性分析结果，砂土灌域土壤电导率与黏粒含量、土壤容重、土壤含水量、导热率及热容量在2～6km范围内显著正相关；与砂粒含量在2.5～4km显著负相关，物理特性对土壤盐分的影响具有空间滞后性。砂壤土灌域土壤电导率与物理特性分布之间相关性均较低。

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