南疆典型灌区土壤盐渍化参数空间变异性分析

2021-10-28王友年

水利规划与设计 2021年11期

王友年，李升

(1.新疆水利水电勘测设计研究院，新疆乌鲁木齐 830000；2.新疆大学地质与矿业工程学院，新疆乌鲁木齐 830047)

土壤含水率、含盐量、pH等作为土壤盐渍化的主要参数，常用来分析及研究土壤质量的好坏及土壤盐渍化程度[1]。有研究表明，受各类因素的综合作用这些参数具有高度的空间变异性，且呈现出地域性特点[2]。阿克苏河流域位于我国西北干旱半干旱区，由于流域内独特的天然气候条件、不合理的农田灌概方式及排水、盐设施的不完善，使得下游地下水埋藏较浅的区域，耕地发生大面积盐渍化。同时，随着区域农业开发力度的加大，当地常采用大规模的漫灌以实现土壤脱盐及确保农作物正常生长。而灌溉水的蒸发及入渗在造成耕地土壤盐渍化的同时，还使得区域自然植被遭到破坏，对农作物生长及人类生产生活构成了严重威胁[3]。

近年来，土壤盐渍化参数的空间变异性分析已逐渐成为国内外诸多学者的研究重点。从最初土壤质地及属性的空间变异性到土壤盐渍化主要参数的空间变异性[4- 10]分析，已逐渐形成了较为系统和全面的理论体系。如Bruland等[4]使用空间明晰设计对土壤理化特性的空间变异性模式进行探讨，发现土地利用方式及地形因素等对其影响较大。丁泽远等[5]通过野外取样结合室内分析发现，研究区浅层土壤盐分在春季达到最大值，夏季为脱盐期，秋、冬季则表现为积盐期，而这与灌溉水量及水质等密切相关。寇薇[6]通过对内蒙古河套灌区土壤水盐空间变异性进行研究发现，灌区土壤属性及土壤水盐的空间变异性分布特征受外界条件影响具有一定的差异。R.Isla等[7]对盐渍土的平面空间分布特征进行探索及研究，发现土壤盐分的空间分布特征在平面上具有一定的规律，为后续研究提供了方向。韩丽娜[8]将遥感数据与土壤水盐参数相结合，分析研究了灌区土壤盐分的空间变异性，并得出研究区不同土壤盐渍化的面积。丁建丽等[9]结合多种方法及手段对南北疆盐渍化的空间变异性进行研究，其中以渭库平原为例，定量化的分析了土壤水盐时空的异质性。

以往研究大多集中在土壤水盐[6- 10]及pH[11]等参数的空间变异性及分布特征将三者相结合进行研究相对较少。针对剖面土壤水盐参数空间变异性及分布特征的研究也相对较少。为进一步查明灌区土壤盐渍化参数的空间分布特征，本文以阿克苏河流域下游灌区为研究区，基于野外取样及室内测试获取区内土壤盐渍化资料，运用传统统计学和地统计学理论，分析灌区平面及剖面的土壤盐渍化参数的空间分布特征。

1 研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于天山南麓阿克苏河流域冲积平原上，研究区位置如图1所示。经统计，近年来区内各气象站多年平均气温在11.2～12.2℃之间，降雨量为60.5～98.2mm，日照时数可达2761～2827.7h。本次依托项目收集资料，发现区内土壤岩性主要为冲积、洪积、风积等作用形成的卵砾石、砂、粘性土等。研究区水文地质条件由山前带倾斜砾质平原区单一结构潜水分布逐渐过渡为缓倾斜细土平原区及沙漠平原区潜水、承压水的互层结构。地下水总体运移方向由北向南，基本沿地形坡降运移，含水层颗粒由粗变细。

图1 研究区位置图及取样点示意图

灌区内主要种植棉花、瓜果、小麦、玉米等作物，种植制度为一年一熟制，耕作层土壤类型主要为粘质及砂质土。结合灌区气象水文、水土资源、作物组成等因素，灌区灌溉方式及灌水量存在一定的差异。经调查发现研究区南部区域由于地下水位埋深较浅，潜水矿化度较大，加之蒸发强烈，导致盐渍化程度较重。在垂向上受特定的自然条件和农业灌溉模式影响，土壤盐分主要集中在0～40cm深度的表层土壤中[16]。

1.2 取样及测试

为更精确的分析土壤盐渍化参数的空间变异性及分布特征，本次取样于2020年4月进行，此时蒸发强烈导致土壤盐渍化程度较高，且田间管理措施较少，对土壤空间变异性的影响较小。取样时根据调查、收集及实测资料，综合研究区土地利用类型、地下水位埋深、农作物类型等因素，设计取样间隔为10km。按表层(0～30 cm)、亚表层(30～50 cm)、深层(50～80 cm)共取样75个。取样后土壤含水率用WET-sensor传感器现场测定；土壤含盐量及pH按GB/T 50123—2019《土工试验方法标准》在新疆岩土中心检测。

1.3 研究方法

1.3.1空间变异理论

为进一步分析区内土壤盐渍化参数的空间分布特征是受结构性还是随机性因素影响，引入以变异函数为基本工具的空间变异理论[17]。其中变异函数能够反映变量的空间变化特征，其计算公式为[18]：

(1)

式中，γ(h)—变异函数；h—滞后距，m；N(h)—距离等于h的点对数；Z(xi)—处于点xi变量处的实测值；Z(xi+h)—与点xi距离h处变量的实测值。变异函数模型主要分为有基台值和无基台值模型两大类，本文分析时主要考虑常用的有基台值的理论模型，即球状、高斯和指数模型。

1.3.2克里格插值分析

为分析土壤水盐空间分布特征，引入以空间自相关性为基础，以原始数据结合空间变异理论得出的半方差函数的结构性插值方法—克里格方法[19]。一般来说，根据研究目的及需求，常采用普通克里格方法，其实质是求取实测值局部估计的加权平均值，该方法可利用ArcGIS软件实现。

2 结果与分析

2.1 土壤盐渍化参数统计学分析

运用统计学方法，提取出计算空间信息的统计值，结果见表1。受各取样点处土地利用类型、农作物及灌溉等多重因素影响，从均值反映出灌区各层土壤盐渍化参数变化较小，但从极值反映的变化幅度来看土壤盐渍化参数差别较大。各层土壤含水率在3.20%～45.80%之间，pH在7.6～8.8之间，含盐量在0.66～23.37 g/kg之间变化。灌区土壤整体上以中性及弱碱性土壤为主[20]，根据王遵亲等[21]对我国干旱、半干旱区盐渍化分级标准可以看出，研究区土壤盐渍化从非盐土(含盐量<0.1%)到盐土(含盐量>1%)变化较大，表明研究区盐渍化空间差异较大。

通过反映单位均值离散程度的变异系数Cv可以看出，灌区各层土壤含水率变异系数在0.1～1之间，均属中等变异性；pH变异系数均<1，属弱变异性；含盐量变异系数均>1，属强变异性[22]。分析是由于受到地质结构、地形、土地利用方式以及灌溉方式等多重因素影响，研究区土壤水盐空间变异程度均比较复杂。同时流域下游的区域由于大面积灌溉造成下游水位普遍升高，有的地方水位埋深较浅，甚至可达1.5m，灌溉水矿化度高，有的可达2.1g/L，加之排水设施的不完善导致排水不畅，盐渍化逐渐加重，使得区内土壤盐分的分布及变化更为复杂。

运用地质统计学研究区域化变量时，要求所研究的变量均需服从正态或近似于正态分布，否则可能会存在比例效应[23]。本文利用Kolmogorov-Smirnova检验方法对实测数据进行正态检验，将不服从正态分布的数据，经对数及Box-Cox[24]转化后使其呈正态分布。检验结果见表1最后一列。

表1 灌区土壤盐渍化参数统计结果

2.2 土壤盐渍化参数空间变异性分析

根据上述分析结果，本次区域内土壤水盐参数最优变异函数模型选用GS+9.0软件对模型中参数进行计算。其中计算参数包括反映变量在一定范围内具有空间相关性的变程；反映区域化变量空间连续性强弱的块金值C0；反映区域化变量在研究范围内变异的强度的基台值(C0+C)等。其结果见表2，如图2—4所示。

图2 各层土壤含水率变异函数与理论模型拟合图

据表2、图2所示，研究区各层土壤含水率最优函数拟合模型主要为球状及高斯模型；分别在8070 m、10912 m、11709 m范围内存在空间相关性；块金基台比分别为0.997、0.999、0.998，其值均大于75%，表明土壤含水率的空间相关性较弱，受随机性因素影响较大；各层土壤含水率变程随着取样深度的增加逐渐增加，变异性逐渐减小，空间相关性逐渐增强。这表明，研究区表层土壤含水率更易受到外界因素影响。从块金基台比值反映出灌区内土壤含水率易受到随机性因素即人类活动、灌溉及土地利用类型等影响，这与我们实际调查结果反映一致。

表2 土壤水盐参数变异函数参数计算表

据表2、图3所示，研究区各层土壤pH最优函数拟合模型主要为高斯及球状模型；分别在10514m、14185 m、20510 m范围内存在空间相关性；各层块金基台比分别为0.997、0.810、0.824，其值均大于75%，表明土壤pH的空间相关性较弱，受随机性影响因素较大。各层土壤pH变程与含水率一致，随着取样深度的增加逐渐增加，变异性逐渐减小，空间相关性逐渐增强。且土壤pH变程较土壤含水率及含盐量均大，表明其空间连续性较强，而这也与前文统计结果表明土壤pH为弱变异性一致。结合块金基台比深层最小，表明深层土壤pH更易受结构性因素影响，这与贡璐等[2]研究结果一致。

图3 各层土壤pH变异函数与理论模型拟合图

据表2、图4所示，研究区各层土壤含盐量最优函数拟合模型均为高斯模型，分别在9544m、12453 m、8348m范围内存在空间相关性，块金基台比分别为0.671、0.458、0.692，其值在25%与75%之间，表明土壤含盐量的空间相关性属中度相关，易受到结构性因素及随机性因素共同影响。各层土壤含盐量变程随着深度的增加表现为先增大后减小。进一步表明了土壤含盐量空间变异性的复杂。这与陈星星等[25]研究结果相同。

图4 各层土壤含盐量变异函数与理论模型拟合图

2.3 空间插值分析

2.3.1土壤盐渍化参数的平面分布特征

为更清楚的认识和了解灌区土壤盐渍化参数的空间分布特征，在最优变异函数模型拟合与参数计算的基础上，对土壤盐渍化参数进行克里金最优值理论插值分析，其结果如图5—7所示。

由图5可以看出，灌区土壤含水率整体变化较为规律，尤其是表层由北向南含水率逐渐增加。因为表层含水率主要受到区域内自然条件如地形地貌、降雨及蒸发等影响，其变化较小，具有一定的规律性；而亚表层及深层含水率在阿瓦提县南部出现低值区，因为南部属于阿克苏流域农业较发达区，耕地多为常年耕种，土质疏松且在四月未进行灌溉无水分补充，受蒸发影响后土壤含水率随之减小形成低值区。通过灌区土壤水盐平面空间分布特征研究，可对灌区盐渍化进行分区治理，并结合实际情况制定更加合理的灌溉制度，以达到节约水资源的目的。

图5 不同深度土壤含水率空间插值分布图

由图6可以看出，灌区各层土壤pH分布杂乱无明显规律，存在多个低值区及高值区。但可以发现土壤pH的值在阿瓦提县及周围乡镇较大，土壤多呈碱性。而这是因为阿瓦提县及周围乡镇农业活动较为发达，人类活动较频繁加之农药、化肥的大量使用，使得土壤碱性程度加大，土壤pH出现高值。

图6 不同深度土壤pH空间插值分布图

由图7可以看出，研究区各层土壤含盐量整体表现为由北向南逐渐增加，分析是因为由北向南水位埋深逐渐减小，且区内蒸发强烈，造成“水走盐留”导致含盐量较高，这与我们实际调查情况相符。同时发现，随着土层深度的增加，各层土壤盐渍化空间分布的复杂性逐渐减小，结合上述分析结果表明，表层土壤含盐量的分布易受外界条件及人类活动等因素影响，如地表微地形、气候及人类农业生产等。这是因为随着土层深度的增加，地形、气候及人类活动等因素对盐分空间分布的影响逐渐削弱[26]。因此，导致深层土壤含盐量相差不大，变化较小，这从变异性分析中也得到了解释。而且可以看出，研究区轻度盐渍化土壤主要分布在南部有耕地分布区域，土壤盐渍化程度较重的区域则主要分布在东、西方向的荒地，表明土壤含盐量还受到人类农田管理措施及土地利用类型的影响。

图7 不同深度土壤含盐量空间插值分布图

2.3.2土壤盐渍化参数的剖面分布特征

为更加直观的了解并分析土壤盐渍化参数的空间分布情况，本次根据野外取样结果，沿南北向选取部分取样点构建区域剖面土壤盐渍化参数等值线图，如图8所示。

由图8可以看出，在剖面上研究区南北向土壤含水率与pH空间分布相似较为杂乱，具有多个低值区及高值区，这与各取样点农作物类型、灌溉方式、灌溉水量及人类活动影响有关。而土壤含盐量则具有一定的规律性，整体变现为由北向南逐渐增加。结合前文分析，平面与剖面土壤含盐量变化规律具有一致性，北部含盐量属低值区变化较小，而南部属高值区变化较大。但从等值线结果发现，在数值上并未反映出灌溉对于剖面盐分的影响，结合前文研究成果及实际调查分析是由于土壤剖面盐分除受灌溉作用外，还受土壤母质、地形地貌、气候等其他随机性和结构性因素共同影响。综上，研究区含水率与pH易受灌溉等人为因素影响，而剖面含盐量则易受土壤质地、地形地貌、灌溉等结构性及随机性因素共同影响，这也与前文空间变异性分析结果一致。