河套灌区典型示范区土壤盐分和有机质空间变异特征

马贵仁，屈忠义，王丽萍，贾咏霖，刘祖汀

（内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，内蒙古 呼和浩特 010018）

河套灌区属于典型盐渍化灌区，整个灌区耕地存在不同程度盐渍化，其中轻度、中度和重度盐碱地分别占耕地总面积的29.8%、17.2%和9.2%［1］（划分标准参照全盐含量在0.3%以内为轻度盐碱地，在0.3%～0.6%之间为中度盐碱地，在0.6以上为重度盐碱地［2］），严重威胁引黄灌区生态环境安全和农业高质量发展［3］。土壤中存储一定的盐分和有机质有利于作物的正常生长［4-5］，而盐分含量过高不仅会抑制作物正常生长，而且会加重土壤盐渍化。土壤中的有机质除了为作物的生长提供条件外，在改善土壤理化性质方面也发挥着重要作用，是评价土壤肥力和土壤质量的重要指标之一［6］。土壤盐分含量在一定程度上能反映土壤植被根层内的盐渍化程度和状态，土壤有机质含量在一定程度上能反映土壤熟化程度与供肥能力［7-8］，土壤盐分和有机质含量的空间变异特征是指土壤中二者的含量在不同空间位置中所表现出的差异性及趋势性［9］。在灌区自然因素和人为因素的影响下，二者含量在空间上呈非均匀分布。因此，本研究基于河套灌区五原县隆兴昌镇“3333 hm2盐碱地改良试验示范”项目，研究河套灌区大规模盐碱地改良前后的土壤盐分和有机质含量空间变异特征。可为今后河套灌区开展大规模盐碱地改良工作提供数据参考和实践依据，同时，基于土壤性质空间变异性和相关性的研究，对掌握大规模盐碱地改良前后土壤元素的空间分布规律及实现河套灌区农业可持续发展具有一定的现实意义，特别是对提高干旱区的土地利用效率和改善盐渍化程度等具有重要的理论意义和现实意义［10］。

20世纪60年代以来，地统计学不断完善发展并被成功应用于土壤性质研究，使人们对土壤的结构特性和空间特性有了更进一步的认识［11-12］，其中，土壤水溶性盐和有机质的定量分析是研究土壤动态、确定土壤盐渍化程度以及进行盐渍化灌区土壤改良应用的关键环节之一。地统计学分析已经被证明是研究土壤空间结构和分布的有效方法［13-16］。至今，国内外已有诸多学者采用地统计学方法对土壤盐分、有机质含量进行空间变异性研究。Emadi等［17］采用地统计学方法研究了伊朗北部沿海地区土壤pH和盐分的分布规律，李会亚等［18］研究了民勤绿洲灌区表层土壤盐分的空间变化规律，朱金籴等［19］对天津滨海开发区绿地土壤盐分的时空变异特征进行了研究，为当地农业生产的可持续发展及土壤盐渍化的防治改良提供参考。也有很多学者对土壤有机质在空间上的分布格局及变异特征进行了研究，Fu等［20］以爱尔兰牧草地为研究区进行了土壤养分的空间变化及其对场地肥料施用影响的研究，Lionel等［21］基于地统计学方法对加拿大东部农田中的土壤有机质空间分布特征进行分析，朱洪芬等［22］以太原盆地为研究区进行了土壤有机质与影响因子的空间多尺度关系研究，赵明松等［23］以苏中平原南部为研究区进行了土壤有机质空间变异特征研究。前人通过分析土壤有机质在空间上的分布格局及变异特征，为更加准确地评估土壤肥力及农业生产的增值提供基础资料。但现有成果中对黄河流域盐渍化灌区土壤盐分和有机质含量空间变异特征的研究较少，本研究通过区域土壤信息定点监测，选取149个采样点，获得各层土壤样本，基于地统计学和GIS空间差值方法分析不同深度土壤下二者的相关关系，使用半方差函数描述其空间变异规律，通过克里格空间插值法对研究区进行土壤盐分和有机质空间分布的研究，以探究干旱区土壤盐分与有机质含量的空间变异特征。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区地处河套平原腹地，南临黄河，与鄂尔多斯市相望，北依阴山山脉。于2019年4至10月在内蒙古西部巴彦淖尔市五原县（河套灌区下游）3333 hm2试验区（107°35′70″～108°37′50″E，40°46′30″～41°16′45″N，海拔1019.97～1023.96 m）进行土壤改良试验，研究区东西宽约5.76 km，南北长约9.07 km，试验区总面积3333 hm2（图1）。北边界为110国道、南边界为孟王栓西中海、西边界为S212省道、东边界为研究区义通排干沟，界限划分明确，封闭性较好，水土环境受外围影响较小。研究区耕地利用面积约2833 hm2，盐碱土类型有硫酸盐氯化物盐土、氯化物硫酸盐盐土、苏打盐土、碱化土4个类型，耕地多以砂壤土为主，灌溉以春灌（4～6月）和秋浇（10～11月）为主，大面积种植向日葵、玉米，小面积种植水稻、牧草、高粱，南部靠近湖侧为小部分盐荒地，仅有杂草生长。

图1 研究区地理位置和采样点分布示意图

研究区气候属于中温带大陆性气候，具有光能丰富、日照充足、干燥多风、降水量少的特点。太阳年平均辐射总量6.42×102kJ/cm2，仅次于西藏、青海；全年日照时数3100～3300 h，平均气温6.1 ℃，≥10℃积温3362.5 ℃；无霜期117～136 d，年均降水量170 mm，大多集中在夏秋两季，雨热同季，对农作物生长十分有利。根据当地气象站降水量资料显示，年降水量最大为235.4 mm，最小为56.3 mm。由于受季风的影响，灌区降水量在年内分配极不均衡，夏秋两季（6～11月）降水量占全年降水量的85%以上，夏季（6～8月）降水量占全年降水量63%～70%，春季降水量占10%～20%。月平均最高气温和最低气温分别在7和1月。冬季严寒少雪，夏季高温干旱，平均相对湿度为40%～50%。灌区多风且风力强，最大月平均风速2.96 m/s，春冬两季为本区风季，冬季风力强，统计得到2019年作物生育期内的月基础气象数据，结果见表1。

表1 研究区2019年作物生育期气象数据月均值

1.2 研究方法

1.2.1 样本采集与测定

以2018年4月研究区的Landsat 8 OLI遥感影像的多光谱和全色波段融合图像为参考，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、林地、耕地等附近布设相应点位，最终确定布设149个土壤监测点，具体如图1所示。结合改良示范项目期限，于2018年4月（改良前）和2019年10月（改良后）对研究区进行覆盖采样，利用手持GPS定位仪确定预设采样点位置后，结合实际地块情况在预设采样点周围确定实际采样点，并记录样点的位置以方便下次在其周围取样，采用土壤取样机分3层（0～20、20～40、40～60 cm）依次进行分层取样，采集60 cm深度土壤。共采集447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盐分含量，具体测定方法参考《土壤农业化学分析方法》［24］，土壤有机质含量采用重铬酸钾容量法测定［24］。

1.2.2 研究区改良现状及措施

按照村社界限、主要干渠、排沟路等标志性标的物将研究区约3333 hm2盐碱化耕地划分成11个田块区域，同时结合田间规划路、渠等条田布局，以6.67 hm2左右为单元划分成小单元进行精细化治理（图2）。盐碱化耕地按照土壤盐渍化程度及盐分类型对研究区内的硫酸盐氯化物盐土、氯化物硫酸盐盐土、苏打盐土、碱化土在主要的核心技术上进行排列组合，按照不同的工程量、剂量、成分等方面采取不同的配置方式，在2018和2019年春耕时（即每年5月前后）进行改良材料（不同种类有机肥）的投入及其他配套改良措施的实施，有针对性、因地制宜地实施改良，详见表2。截至2019年10月，研究区改良轻度、中度、重度和盐荒地等不同盐渍化程度的盐碱地，总面积共3498.93 hm2。实施改良净耕地面积3157.33 hm2，其中轻度盐碱化耕地1593.00 hm2，中度盐碱化耕地550.67 hm2，重度盐碱化耕地1013.67 hm2（表3）。

表2 研究区盐碱化耕地材料投入明细表

表3 研究区盐碱化耕地改良前面积明细表（hm2）

图2 研究区区域划分布置图

1.3 处理方法

将采集测定的土壤盐分和有机质含量进行数据预处理，剔除异常值，运用Minitab 19.0进行土壤数据的描述性统计分析、正态性验证及相关性分析，并对其进行K-S检验，判定其是否符合正态分布，对不符合正态分布的属性值进行对数变换，之后运用地统计学方法构建适宜的半方差函数理论模型［25-26］。

地统计学是以半变异函数为主要工具的分析方法［6］。半变异函数的表达式为：

式中，y（h）为变异函数；h为步长，表示样点空间间隔距离；N（h）为相隔距离为矢量h的所有点对数；Z（xi）和Z（xi + h）分别为区域化变量在xi和xi + h上的实测值。根据不同土壤指标因子的数据在地统计分析软件GS+7.0中构建拟合适宜的半方差函数理论模型，对土壤盐分和土壤有机质含量进行基于变程、基台值、块金值的地统计分析。从而得到 4 个基本参数｛块金值（C0）、基台值（C0+C）、空间结构比［C0/（C0+C）］和变程（A0）｝，然后对土壤数据的空间特征进行分析［31］。在ArcGIS 10.2中进行研究区矢量化及采样点绘制；2D数据差值利用ArcGIS 10.2的地统计分析模块完成，最终得到盐分及有机质空间分布图，并采用交叉验证的方法对差值精度进行检验。

2 结果与分析

2.1 土壤盐分和有机质描述性统计特征分析

对研究区内0～60 cm土壤盐分和有机质实测值进行常规统计分析和K-S正态性检验。表4结果显示：改良前各土层土壤盐分及有机质含量最大值分别为56.778、47.218 g/kg，最小值分别为0.730、0.015 g/kg，改良后各土层土壤盐分及有机质含量最大值分别为22.378、32.907 g/kg，最小值分别为0.648、2.067 g/kg，其中各土层盐分含量变化幅度较大，而有机质含量变化相对平缓。研究区改良前后各土层平均土壤盐分含量在2.249～5.570 g/kg之间，表层土壤盐分含量均高于深层土壤，且与深层土壤差异明显，随土层深度的增加，土壤盐分含量逐渐减少，整体呈现盐分表聚。改良后表层土壤盐分含量降低22.23%，表层土壤取得较好的改良效果，20～40、40～60 cm土层土壤盐分含量小幅度上升，各土层土壤盐分含量平均降幅为5.43%，改良后深层土壤盐分含量改善效果不显著；改良前后各土层的有机质含量均值为7.293～11.263 g/kg，各土层土壤有机质含量均有一定幅度的提升，且随土层加深，有机质含量逐渐降低。垂直方向上土壤盐分的变异性强于有机质的变异性。

表中变异系数（CV）可以反映土壤盐分含量和有机质含量数据间的离散程度，其定义为标准差与平均值之比，CV＜10%为弱变异性，10%≤CV≤100%为中等变异性，CV＞100%为强变异性［24］。由表4可知，改良前0～20 cm土层土壤盐分属于强变异性；20～40和40～60 cm土层土壤盐分属中等空间变异性，改良后各土层土壤盐分均属于中等变异；改良前后0～60 cm各土层土壤有机质均属于中等变异。偏度和峰度系数是反映样本正态分布特点的基本指标，K-S检验P＞0.05时，认为数据资料服从正态分布［6］，经检验改良前后土壤各层数据均符合正态布（P＞0.05），可进行普通克里格插值。

表4 土壤盐分和有机质的描述性统计和K-S检验

2.2 改良前后土壤盐分和有机质相关性分析

不同时期不同深度土壤盐分含量与有机质含量的相关关系如表5所示。从相同土层角度来分析，0～20 cm土层土壤盐分含量和有机质含量在改良前后均呈负相关关系，相关系数分别为-0.016和-0.030，没有达到显著相关的水平，且改良后相关系数绝对值减小，说明表层土壤盐分对有机质含量影响很小，且影响在改良后有所下降；20～40、40～60 cm土层土壤盐分与有机质含量在改良前后均呈现正相关关系，且随着土层深度的增加，土壤有机质含量与土壤盐分含量的相关性逐渐增加；20～40 cm土层土壤有机质含量与盐分含量呈弱相关关系，相关系数分别为0.143、0.150；40～60 cm土层土壤有机质含量与盐分含量呈极显著相关关系，相关系数分别为0.319、0.265；20～40、40～60 cm土层的土壤盐分含量和有机质含量相关性强于0～20 cm土层，说明在深层土壤间盐分对有机质含量的影响大于表层，且在40～60 cm土层影响最显著。

表5 各土层深度土壤盐分和有机质的相关性分析

从不同土层角度来分析，改良前后0～20 cm土层土壤盐分与各土层有机质含量相关系数均小于0.115，变化不大，说明表层土壤盐分含量只能在较小的程度上影响有机质含量；20～40 cm土层土壤盐分与各土层有机质含量在改良前后各层之间相关系数变幅不大。在垂直角度上，随土层深度变化相关系数逐渐增大，且在20～40 cm土层盐分对40～60 cm土层有机质影响最显著，改良前后相关系数分别为0.226、0.206，呈显著相关，说明20～40 cm土层土壤盐分对40～60 cm土层土壤有机质存在一定的影响力。从改良前后不同土层的土壤盐分含量与有机质之间的相关性可以看出，无论是表层还是底层的土壤盐分都有可能对有机质在空间上的分布特征产生影响。

2.3 改良前后土壤盐分和有机质空间结构分析

由上述经典统计分析得到适于空间预测的数据集。为研究改良前后空间范围上的土壤有机质和盐分空间变异特性，利用地统计学方法进行半方差函数的计算、模拟、分析和检验，结果如表6所示。

表6 半方差函数模型参数统计

半方差函数在图上表现为散点图，需要利用最小二乘法对其进行拟合。常见的变异函数拟合模型有球状模型、指数模型、高斯模型和线性模型4种。在用变异模型进行空间结构分析时，用块金数（C0）、空间结构比［C0/（C0+C）］和变程（A0）作为表示土壤盐分和有机质空间异质性程度的指标［19，27-28］。Co表示当间距h=0 时的半方差值，表征由实验误差和随机因素（人为耕作等）引起的变异。半方差值随着间距 h 的增加而增加，当观测点h间距大于临界值后，该值趋于稳定。其稳定值即为基台值（C0+C），代表系统内的总变异。临界值即为变程A0，用来判断随机变量在空间上的自相关尺度，h≥A0时，变量间可认为互相独立，h＜A0时，表明变量间存在一定的空间相关性，也意味着空间内插的极限。空间结构比C0/（C0+C）表示随机因素引起的空间变异占系统总变异的比例。该比值越小说明结构性因素（自然因素）引起的空间变异性程度越大；相反，则由随机部分（人为因素）引起的空间变异性程度较大，当该比值接近1时，说明该变量在整个尺度上具有恒定的变异。C0/（C0+C）值同时可以判断系统变量的空间相关程度，该值大于75%时，表示变量相关程度弱；当介于25%～75%之间时，表示变量具有中等相关性，受结构性和随机性因素共同作用；当比值小于25%时，表示变量具有显著的空间相关性，主要受结构性因素的影响［29］。

经过正态分布检验的数据，选用不同的函数模型对各个土层盐分和有机质进行拟合对比，由表6可知，从半方差模型的相应参数看，不同土层深度的盐分和有机质适用的半方差函数最优模型不同，各模型模拟决定系数都大于0.142，理论上各模型的拟合效果均可接受，决定系数均在0.142～0.476之间，理论模型整体拟合度较好。根据决定系数和残差平方和来选择最佳的拟合模型，得到模型拟合的特征参数，最后判断土壤盐分的最优半方差函数模型为球状模型，土壤有机质的最优半方差函数模型为高斯模型。改良前后各土层土壤盐分含量和有机质的块金值（Co）和基台数（Co+C）均为正值，由随机因素、固有变异及采样误差引起的变异不容忽视。改良前土壤盐分和有机质块金值分别位于0.025～0.100、0.200～0.620之间，表明改良前土壤有机质受外界干扰影响大于土壤盐分，且表层土壤盐分和有机质受外界干扰大，各土层土壤盐分空间结构比分别为0.10%、2.13%、7.10%，各层土壤有机质结构比分别为2.92%、3.20%、9.90%，随土层深度增加，土壤盐分和有机质结构性增强，空间相关性增强，各土层土壤空间结构比均在25%以下，呈显著空间相关性；改良后土壤盐分和有机质块金值分别位于0.130～0.260、0.095～0.530之间，土壤盐分和有机质改良后总变异在增加，表明二者受人为因素的影响在增加，与实际情况符合；改良后各土层土壤盐分空间结构比分别为2.45%、8.85%、9.04%，各层土壤有机质空间结构比分别为6.50%、7.13%、2.98%，随深度增加，土壤盐分结构性增强，空间相关性增强。表层土壤有机质结构性增强，空间相关性较改良前增强，各层土壤空间结构比均在25%以下，呈显著空间相关性。

盐碱地改良措施实施后，各土层土壤盐分空间结构比分别上升2.35、6.72、1.94个百分点，0～20、20～40 cm土壤有机质空间结构比分别上升3.58、3.93个百分点，改良后各土层土壤盐分和有机质结构比整体较改良前呈上升趋势，受改良措施干预的影响，土壤盐分和有机质空间变异性增强，但是二者的空间分布主要受气候、植被覆盖、土壤质地等结构性因素影响较大。

2.4 改良前后土壤盐分和有机质空间分布格局分析

为了更加直观准确地展现研究区改良前后不同深度土壤盐分和有机质的空间格局，本研究利用各土层土壤属性的分析数据，基于最优半方差函数模型及相关参数，采用ArcGIS 10.2的空间分析模块对研究区土壤盐分和有机质进行IDW空间插值，绘制出改良前后不同时期、不同深度土壤盐分和有机质的空间分布图，如图3、4所示。

图3 土壤盐分空间分布图

2.4.1 改良前后土壤盐分空间分布格局

改良前后土壤盐分空间分布如图3所示，从时间尺度看，改良后表层（0～20 cm）土壤盐分较改良前明显下降（图3a、d），4.0～10.0 g/kg土壤盐分分布面积由65.63%减小至32.37%，20～40 cm土层土壤盐分含量高值区多集中在研究区中部（图3b、e），且由改良前分散放射状演变为改良后条带状、斑点状分布，盐分高值（＞6.0 g/kg）分布面积有小幅度增加。研究区中部区域有一条未经衬砌的排水沟贯穿经过，渗漏严重，补给地下水，致使地下水埋深常年较浅，在强烈蒸发作用下，把深层土壤以及地下水中的盐分带到土壤表层，使此区域土壤表层盐分含量较高，对于40～60 cm土层土壤，改良前后土壤盐分值大于4.0 g/kg的区域分布面积由10.21%增加至21.68%（图3c、f），说明改良期内土壤盐分向深层土壤（40～60 cm）运移，分析认为是由于春灌和改良措施双重压盐的影响。

从空间尺度看，研究区土壤盐分含量与深度成反比，改良前不同深度的盐分变化均呈现随土壤深度的增加盐分含量逐层递减（图3a、b、c），尤其改良前土壤盐分多聚集在0～20 cm表层，20～40 cm土层大于4.0 g/kg的盐分分布面积占研究区总面积的9.71%，40～60 cm土层大于4.0 g/kg的盐分分布面积占研究区总面积的5.86%，盐分表聚明显，且向深层递减趋势明显。而改良后，在各土层土壤盐分分布区域平均（图3d、e、f），说明表层盐分在改良措施作用下向深层运移，表聚现象减弱，且随土层深度增加盐分分布变异性减弱，土壤盐分环境向利于作物生长的方向变化。

研究区不同程度盐碱地改良前后面积变化如表7所示，轻度盐碱地面积由改良前的1593.00 hm2增加至1946.76 hm2，中、重度盐碱地面积减小，其中中度盐碱地减小35.10 hm2，重度盐碱地减小318.67 hm2，主要原因为研究区针对不同盐渍化程度的耕地、荒地进行了大规模土地平整及深层旋耕，使表层盐分明显降低，利于作物生长。

表7 研究区盐碱地改良前后面积对比表 （hm2）

2.4.2 改良前后土壤有机质分布格局

从时间尺度看，改良后表层（0～20 cm）土壤有机质较改良前明显上升（d），＞10.0 g/kg 有机质分布面积由62.48%增加至89.14%（图4a、d），20～40 cm土层＞10.0 g/kg有机质分布面积由27.78%增 加 至53.51%（图4b、e），40～60 cm土层＞10.0 g/kg 有机质分布面积由16.98%增加至26.35%（图4c、f），由于表层土壤的有机质含量来源相对较广泛，且在研究区域内的部分土壤表层有生物结皮现象，腐殖质较多，所以具有明显的表聚现象。研究区整体有机质含量上升明显，主要原因为研究区针对不同盐渍化程度的耕地进行了大规模有机肥的施加，使有机质含量明显升高，利于作物生长；改良前后0～20 cm土壤有机质含量改善明显的区域主要集中在西南区域和东北区域，高值区也集中在研究区这些区域（图4d），就有机质含量而言，研究区取得了较好的改良效果，0～40 cm土层土壤碳环境改善明显。

图4 土壤有机质空间分布图

从空间分布特征可以看出，土壤有机质含量空间分布特征具有相似性，随土层深度的增大而减小，有机质含量由西向东逐渐减小。土壤有机质含量以东南部含量最低，其他区域含量较高；东南区域靠近研究区排水湖，湖水补给地下水严重，导致地下水埋深很浅，加之受河套灌区强蒸发作用的影响，致使此区域盐渍化比较严重，土壤有机质环境差，不利于作物生长，此区域为多年撂荒地，土壤有机质改良效果不明显。

由图3、4可知，改良前土壤有机质含量的整体空间分布状况较为一致，土壤盐分各层空间变异性强于土壤有机质各层空间变异性，改良后土壤盐分各层空间变异性弱于土壤有机质各层空间变异性，表明没有改良措施干预下的盐分在空间上的变异性强于有机质，随改良措施干预对土壤盐分的空间分布影响力大于土壤有机质；改良前后0～20 cm土层土壤盐分和有机质含量分布格局变异性较大，且趋势向好。在规模化盐碱地改良措施下研究区土壤盐分表聚现象减少，有机质含量向利于作物生长方向变化。

2.4.3 反距离插值精度交叉验证

对土壤盐分含量和有机质含量进行反距离插值，获得改良前后0～60 cm土层土壤盐分和有机质空间分布图（图3、4）。为对二者插值精度进行检验，采用交叉验证的方法评判反距离插值的精度。由表8可知，均值误差绝对值处于0.0059～0.0931之间，均接近于0，均方根误差处于0.5476～1.0218 g/kg之间，并且决定系数均在0.500以上，说明插值图的交叉验证参数达到了插值图精度的要求，认为反距离插值模型描述土壤盐分含量和有机质空间特征时具有较好的精确度。

表8 插值精度交叉验证参数

3 讨论

3.1 半方差函数拟合与反距离权重空间插值精度

根据文献［18］发现，将ArcGIS和地统计学方法结合可以有效监测分析区域土壤盐分和有机质的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，结果显示土壤盐分的最优半方差函数模型为球状模型，土壤有机质的最优半方差函数模型为高斯模型。随着土层深度的增加，土壤盐分和有机质结构性增强，空间相关性增强，与文献［28］研究结果一致。但有研究表明，采用空间结构比进行空间相关性分析稳定性不足［30-31］，史海滨等［32］在盐渍化灌区节水改造后土壤盐分时空变化规律研究中引入应用莫兰指数和空间联系局域指标集聚图进行土壤盐分空间自相关性变化量化分析，发现随秋浇水量减少，土壤盐分空间相关性程度减弱。与采用空间结构比进行空间相关性分析得到的结果一致，所以认为采用传统地统计方法进行空间相关性分析可信度较高。本文在以上结构分析的基础上进行了交叉验证，得出应用反距离权重空间插值方法绘制土壤盐分和有机质空间分布图精度较高，直观地反映了区域和局部的变化趋势。结果显示，改良后耕层土壤盐渍化程度得到改善，作物生长安全区增加，各层土壤有机质含量增加，更利于作物生长。空间上，土壤盐分高值多位于地下水浅埋区的中部和东南部区域，有机质含量高值多位于易改良的盐渍化程度较低的西南部区域。

3.2 土壤盐分及有机质空间变异特征及影响因素

灌区作为典型引黄灌溉干旱区，土壤有机质含量相对较少，加之灌区全年降水蒸发比达到1/10，导致整个河套灌区常年处在积盐状态，土壤肥力逐年下降，土壤盐分和有机质含量越来越成为影响灌区农业生产的重要因素。

本研究中研究区盐碱地改良措施力度大，采用工程措施、生物措施、农艺措施多措并举进行综合改良，改良面积占比达到研究区总面积的90%，改良达到一定规模，且改良区属于轻中度盐渍化区域，盐碱地类型在河套灌区具有较强的代表性，故以此区域为研究对象，分析在规模化盐碱地改良措施下土壤盐分及有机质空间变异规律影响更具代表性，而此方面相关研究较少。马利芳等［6］从不同深度土壤出发研究盐分和有机质含量的空间变异特征得出深度为0～20 cm土层土壤易积累较多的有机物质，且随着土层深度的增加，有机质含量减少，均与本研究结果一致。在这些基础上本研究通过分析空间结构和空间分布格局深入研究了规模化盐碱地改良措施下土壤盐分及有机质空间变异特征，结果表明，综合改良措施实施前土壤盐分各土层分布格局的变异性强于土壤有机质各土层分布格局变异性，改良后土壤盐分各土层分布格局的变异性弱于土壤有机质各土层分布格局变异性，表明没有改良措施干预下盐分在空间上的变异性强于有机质，随改良措施的干预，对土壤盐分空间分布的影响大于土壤有机质。另外，有文献研究表明土壤盐分含量与有机质含量之间呈负相关关系［33-34］，但从本文的研究结果来看，在规模化盐碱地改良区土壤盐分含量和有机质的相关性既与各土层深度有关，又与人为的改良措施有关。且无论是表层还是底层的土壤盐分，都有可能影响各层有机质含量的分布。研究中还发现土壤盐分和有机质受盐碱地改良措施、灌溉制度、地下水埋深、土地利用类型等多维因素的影响，本文未进行充分的发掘讨论，有待进一步研究，在今后研究中还可针对河套灌区地势低洼-地下水浅埋区域进行深入研究，以探求水土环境脆弱区域水盐调控的有效手段，以推动黄河流域河套灌区生态保护与高质量发展。

4 结论

规模化盐碱地改良背景下，研究区改良后整体土壤盐分含量平均降幅为5.43%，土壤有机质含量平均增幅为2.16%，表层土壤盐分降低，各土层土壤有机质含量增加，作物生长安全区增大。空间上，土壤盐分高值区（＞6 g/kg）多位于地下水浅埋区的中部和东南部区域，有机质含量高值区（＞13 g/kg）多位于易于改良、盐渍化程度较低的西南部区域。改良后，研究区中部土壤盐分集聚特征仍十分显著，存在盐渍化加剧的风险，仍是盐碱地改良防治的重点区域。

同层土壤间，表层土壤盐分对有机质含量影响较弱，随着土壤深度的增加，土壤有机质含量与土壤盐分含量的相关性逐渐增加。改良前后40～60 cm土层土壤有机质含量与盐分含量相关系数分别为0.319、0.265（P＜0.01）；深层土壤盐分对有机质含量的影响大于表层，且在40～60 cm土层影响最显著；不同土层土壤间，随土层深度增加相关系数逐渐增大，20～40 cm土层土壤盐分对40～60 cm土层有机质影响最显著，改良前后相关系数分别为0.226、0.206（P＜0.05），呈显著相关；深层土壤盐分对深层土壤有机质含量存在一定影响。

研究区各土层土壤盐分的最优半方差函数模型为球状模型，土壤有机质的最优半方差函数模型为高斯模型。改良前，各层土壤结构比均在25%以下，均表现出强烈的空间相关性。随土层深度增加，土壤盐分和有机质结构性增强，空间相关性增强，主要受结构性因素的影响。改良后，土壤盐分和有机质空间变异性增强，改良后各层土壤盐分空间结构比分别上升2.35、6.72、1.94个百分点，0～20、20～40 cm土壤有机质结构比分别上升3.54、3.93个百分点，各层土壤盐分和有机质结构比整体较改良前呈上升趋势，土壤盐分结构性增强，空间相关性增强，表层土壤有机质结构性增强，空间相关性增强，垂直方向上土壤盐分变异性强于有机质变异性。

综上所述，本文运用经典统计学方法，结合空间插值和交叉验证方法绘制盐碱地改良前后土壤盐分和有机质空间分布图，较为准确和直观地反映了典型示范区各层土壤盐分和有机质在改良前后的空间分布格局和土壤盐渍化显著程度的变异特征，并探寻了不同时空区域土壤盐分和有机质的变异规律，为盐渍化灌区盐碱地改良示范工作的分区、管理和合理利用提供了理论指导，同时也为后期制定盐碱地综合改良举措、管理制度等提供了参考依据。