玛纳斯河流域不同绿洲生态系统棉田土壤水分-盐分-养分空间变异特征

2022-12-01陈图峥李艳红李发东何新林

农业资源与环境学报 2022年6期

陈图峥，李艳红*，李发东，3，4，何新林

（1.新疆师范大学地理科学与旅游学院，乌鲁木齐 830054；2.新疆维吾尔自治区重点实验室“新疆干旱区湖泊环境与资源实验室”，乌鲁木齐 830054；3.中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101；4.中国科学院大学资源与环境学院，北京 100190；5.石河子大学水利建筑工程学院，新疆石河子 832000）

土壤的空间变异性是地质、地形、气候和土地利用等因素间综合作用的结果[1]，并随着时间的推移而发生变化。干旱区典型的山盆体系造成干旱区气候与水文以及土壤等的梯度分布，决定了天然绿洲的规模及范围，影响了人工绿洲的发展潜力[2]。受河流与地形地貌以及人类农业活动等的影响，绿洲农田生态系统表现出显著的土壤物理和化学性质的空间变异性。目前，学者广泛运用统计学、地统计学和地理信息系统相结合的方法研究农田土壤性质的空间变异性以及影响因素。关于干旱区土壤空间变异的研究主要集中在河流中下游的绿洲农田，如国外学者在摩洛哥的乌梅拉比河灌溉农田[3]、伊朗中部河流下游的绿洲农田[4]、约旦河下游的农田[5]和蒙古阿尔泰山河绿洲农田[6]发现土壤颗粒、pH、盐分和土壤有机质等性质受内在因素和外在因素的影响，变异强度属于中等或强变异。国内学者针对干旱区的黑河中下游绿洲农田[7]、三工河流域中上游绿洲农田[8]、塔里木河中下游绿洲农田[9]、艾比湖流域[10]和玛纳斯河流域中下游农田[11]的土壤水盐、养分以及其他理化性质的空间变异性进行研究，认为越靠近荒漠土壤盐分含量越高，土壤理化性质的空间变异性与结构性因素与人为干扰活动有关。目前玛纳斯河流域的土壤空间变异研究多集中在绿洲内部、不同土壤质地、农田重金属和土壤水盐等方面[12-14]。如沈浩等[15]和阿依古丽·买买提等[16]分析了5 月的玛纳斯河流域中下游东部的农田土壤含水量和有机质，发现南部的山前平原土壤含水量和有机质均高于北部的荒漠过渡带；WANG等[17]研究发现4 月的玛纳斯河流域上中下游的表层土壤全盐量呈现增加的趋势；李玉义等[18]和陈接华等[19]研究玛纳斯河流域冲积洪积扇、冲积平原和干三角洲3 种主要地貌类型的土壤空间变异，发现土壤盐分在冲积洪积扇含量最低，土壤水分和有机质呈现冲积洪积扇＞冲积平原＞干三角洲的分布趋势。一般认为，玛纳斯河流域农田的物理化学性质由南向北存在空间变异性，这是山盆体系、人为耕种、地下水利用等因素共同影响的结果。膜下滴灌尽管在很大程度上提高了水分和养分的利用效率，但在长期、大面积使用后该水肥一体技术带来的盐分和硝态氮累积效应有待深入研究，且集约化种植区可能因施用大量氮肥导致硝态氮污染更为严重[20]。关于玛纳斯河流域山前绿洲、人工平原绿洲和绿洲与荒漠过渡带尺度上的农田土壤水盐、铵态氮和硝态氮的空间变异特征以及土壤性质季节变化尚未清晰。本研究以玛纳斯河流域山前绿洲、人工绿洲、绿洲与荒漠过渡带为研究对象，利用地统计学的半变异函数分析不同生态系统土壤水分-盐分-养分时间变化特征和空间分布格局，有助于土地的合理利用和农田的可持续发展。

1 研究区概况与方法

1.1 研究区概况

研究区位于玛纳斯河流域，属典型的温带大陆性干旱半干旱气候。依据海拔和实地调查情况，将玛纳斯河流域由南向北划分为山前绿洲（400～600 m）、人工平原绿洲（300～400 m）和绿洲与荒漠过渡带（200～300 m）三个区域，山前绿洲主要在玛纳斯河流域南部，靠近天山山麓，人工平原绿洲主要在135 团10 连—149 团一线以南、142 团—玛纳斯电厂一线以北区间，绿洲与荒漠过渡带主要在玛纳斯河流域北部，靠近古尔班通古特沙漠（图1）。山前绿洲、人工平原绿洲和绿洲荒漠过渡带的土壤、降水量、蒸发量等自然因子存在差异[21]（表1）。玛纳斯河流域作为新疆最大的绿洲农耕区和我国第四大灌溉农业区，也是荒漠-绿洲交错带的生态敏感区，山前绿洲开发利用时间较为悠久，人工平原绿洲和绿洲与荒漠过渡带主要在20世纪50年代以后大力开发。玛纳斯河流域自20世纪50年代开始植棉，为新疆北疆主要植棉区，棉花种植面积占灌区耕地面积85%～90%，实行膜下滴灌制度已有20多年，长年连作现象普遍[14]。

图1 研究区位置及采样点分布Figure 1 Location of the study area and the sampling point distribution

表1 玛纳斯河流域不同绿洲生态系统特征Table 1 Characteristics of oasis ecosystems in Manas River

1.2 研究方法

1.2.1 样品采集与测定

于2019 年5、8、10 月在玛纳斯河流域山前绿洲、人工平原绿州和绿洲与荒漠过渡带的膜下滴灌棉田进行采样和调查，土壤采样深度为0～5、5～10、10～20、20～40、40～60 cm，共5 层。每次采样点均为24 个，分别为山前平原6 个，人工平原12 个，绿洲与荒漠过渡带6 个，每个采样点3 次重复采样，共采集样品1 080个。采集的土样迅速寄往中国科学院禹城综合试验站，鲜土用1 mol·L-1的氯化钾浸提，土水比1∶5。土壤硝态氮采用双波长紫外比色法测定，土壤铵态氮采用靛酚蓝比色法测定，土壤水分采用烘干法测量，土壤盐分使用电导法测定。

1.2.2 数据处理

本研究中的描述统计分析在Excel中完成，由于样本量较小且大多为非正态分布，在SPSS 25使用非参数检验对显著性进行分析，空间变异采用GS+for Window软件进行半方差函数分析，使用Arcmap 10.2绘制玛纳斯河流域土壤水分-盐分-养分的分布图。

2 结果与分析

2.1 土壤水分-盐分-养分的季节变化特征

对不同区域的土壤含水量、盐分、铵态氮和硝态氮进行描述性统计分析，玛纳斯河流域棉田土壤的水分、盐分、铵态氮和硝态氮存在明显的季节变化（图2）。在山前绿洲和绿洲与荒漠过渡带，土壤含水量从5、8月到10月总体呈现逐渐下降的趋势，人工平原绿洲的土壤含水量则呈现5 月＞10 月＞8 月。在山前绿洲和绿洲与荒漠过渡带，土壤盐分呈现8 月＞10 月＞5月，人工平原绿洲呈现5 月＞10 月＞8 月。土壤铵态氮含量在山前绿洲和绿洲与荒漠过渡带表现为8 月＞5月＞10 月，人工平原绿洲表现为10 月＞8 月＞5 月。土壤硝态氮含量在山前绿洲土壤表现为8 月＞5 月＞10月，人工平原绿洲为8 月＞10 月＞5 月，绿洲与荒漠过渡带为10 月＞5 月＞8 月。使用非参数检验分析发现，不同区域的土壤性质在季节间差异不显著。在垂直剖面上，山前绿洲、人工平原绿洲和绿洲与荒漠过渡带土壤含水量和盐分总体上呈现出由表层至深层逐渐增加的趋势，土壤铵态氮和硝态氮含量在各个土层分布较均匀，变化趋势不明显。0～60 cm 的土壤含水量表现为绿洲与荒漠过渡带（12.89%）＞人工平原绿洲（12.80%）＞山前绿洲（12.55%），土壤盐分含量呈现人工平原绿洲（3.44 g·kg-1）＞绿洲与荒漠过渡带（2.69 g·kg-1）＞山前绿洲（1.93 g·kg-1），人工平原绿洲和山前绿洲土壤盐分存在显著差异（P＜0.05），人工平原绿洲土壤属于轻度盐渍化。土壤铵态氮含量表现为绿洲与荒漠过渡带（3.77 mg·kg-1）＞人工平原绿洲（3.53 mg·kg-1）＞山前绿洲（3.46 mg·kg-1），土壤硝态氮含量表现为山前绿洲（2.02 mg·kg-1）＞人工平原绿洲（1.90 mg·kg-1）＞绿洲与荒漠过渡带（0.77 mg·kg-1）。按照变异系数划分等级：当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[22]。整体上，不同区域的各土层土壤水盐和养分均属于中等或者强变异强度，不同区域的土壤水盐与养分的变异在夏秋季节大于春季，不同区域土壤含水量的变异强度弱于土壤盐分和养分（表2）。

表2 不同绿洲生态系统土壤水分、盐分和养分的变异系数Table 2 Variation coefficients of soil moisture，salinity and nutrients in different oasis ecosystems

图2 不同区域土壤水分、盐分、铵态氮和硝态氮的季节变化Figure 2 Seasonal changes of soil moisture，salinity，ammonium nitrogen and nitrate nitrogen in different regions

续图2 不同区域土壤水分、盐分、铵态氮和硝态氮的季节变化Continued figure 2 Seasonal changes of soil moisture，salinity，ammonium nitrogen and nitrate nitrogen in different regions

2.2 土壤水分-盐分-养分空间变异特征

原始数据多为非正态性分布，将数据对数转换符合正态分布后（表3），据半方差函数理论及计算模型得出山前绿洲、人工平原绿洲和绿洲与荒漠过渡带0～60 cm 的土壤水分、盐分和养分的变异函数模型及相关参数（表4）。块金值与基台值的比值为块金系数，系数值的大小表示土壤性质空间相关性的程度高低。块金系数小于0.25，说明因素之间具有强空间相关性，主要受结构性因素影响；在0.25～0.75 之间说明具有中等空间相关性，受结构性与随机性因素影响；若大于0.75，说明空间相关性较弱，主要受随机性因素影响；若接近于1，说明在整个尺度上具有恒定的变异[23]。整体上，山前绿洲、人工平原绿洲和绿洲与荒漠过渡带的土壤水分、盐分和养分的块金系数小于0.25，说明空间变异主要受结构因素的影响，但也存在块金系数等于1 的情况，说明不同区域存在由随机因素和结构性因素造成的恒定的变异。5、8 月和10月的山前绿洲、人工平原绿洲和绿洲与荒漠过渡带的土壤含水量、盐分和养分大多符合高斯模型和线性模型。从决定系数来看，山前绿洲和绿洲与荒漠过渡带的土壤盐分、铵态氮和硝态氮拟合度较高，人工平原绿洲拟合效果欠佳。

表3 不同区域土壤性质数据（0～60 cm）正态性检验（S-W）Table 3 Shapiro-Wilk test of soil property data in different region（0～60 cm）

表4 不同绿州生态系统土壤水分、盐分和养分半方差函数类型及其参数Table 4 Semivariogram types and parameters of soil moisture，salinity and nutrients in different oasis ecosystems

2.3 玛纳斯河流域膜下滴灌棉田土壤水分-盐分-养分空间分布格局

空间插值方法不存在绝对的最优插值方法，而是需要根据研究区的自身样本数据特征和地理环境特征进行选择[24]。考虑到研究区实测数据样本的特点，采用反距离权重法对土壤含水量、盐分、铵态氮和硝态氮进行插值，精度误差分析表明效果较好（表5），进而绘制土壤水盐及养分空间分布图（图3）。玛纳斯河流域山前绿洲、人工平原绿洲和绿洲与荒漠过渡带土壤水分-盐分-养分由山前绿洲到绿洲与荒漠过渡带呈现条带状分布。土壤水分和铵态氮由山前绿洲经人工平原绿洲到绿洲与荒漠过渡带依次递减，土壤硝态氮由山前绿洲经人工平原绿州到绿洲与荒漠过渡带依次递增。人工平原绿洲土壤盐分高，山前绿洲和绿洲与荒漠过渡带盐分低。土壤含水量高值区和低值区均在山前绿洲地区，土壤盐分高值区在绿洲与荒漠过渡带，低值区在山前绿洲；土壤铵态氮高值区主要分布在绿洲与荒漠过渡带，低值区主要分布在山前绿洲；土壤硝态氮高值区主要分布在山前绿洲，低值区主要分布在绿洲与荒漠过渡带。根据《新疆土壤》中土壤干旱程度分级标准[25]，山前绿洲、人工平原绿洲和绿洲与荒漠过渡带的土壤整体处于轻旱程度。根据《新疆土壤》中土壤盐分分级标准，山前绿洲土壤属于非盐渍化，人工平原绿洲土壤整体属于轻度盐渍化，绿洲与荒漠过渡带北部靠近沙漠部分属于中度盐渍化。山前绿洲、人工平原绿洲和绿洲与荒漠过渡带的土壤铵态氮和硝态氮含量均偏低。

图3 土壤含水量、盐分与铵态氮、硝态氮含量空间分布Figure 3 Spatial distribution of soil moisture，salinity，ammonium nitrogen and nitrate nitrogen contents

表5 反距离权重法插值结果误差分析Table 5 Error analysis of interpolation results of inverse distance weight method

3 讨论

3.1 土壤水分-盐分-养分空间变异影响因素

研究结果显示，不同区域棉田的土壤水盐与养分呈强的空间自相关或是存在恒定的变异，这主要受山盆体系造成的结构性因素以及人为耕种管理等随机因素影响。整体来看，山前绿洲、人工平原绿洲和绿洲与荒漠过渡带土壤水盐与养分变异的主导因素是土壤类型和地下水条件，棉田的滴灌和施肥是影响土壤水盐与养分最重要的人为因素。玛纳斯河流域是典型的山盆结构体系（图4），山前绿洲、人工平原绿洲和绿洲荒漠过渡带的土壤、地下水位和气候等明显不同[18]。河流在出山口进入山前平原后流速减慢，携带的泥沙等逐渐沉积。山前平原是老绿洲的主要分布地，开发时间悠久，土壤成熟度高，土壤含盐量低；人工平原绿洲是水库主要分布地，地下水位较高，这一区域主要分布着新老绿洲，膜下滴灌技术推广后，棉田面积扩张迅速，膜下滴灌技术并未将盐分带走，因此人工平原绿洲土壤盐分较高，达到轻度盐渍化程度；绿洲与荒漠过渡带位于河流下游，靠近沙漠，质地以沙壤土和沙土为主，地下水位低，此区域主要是新中国成立后开发的新绿洲，土壤盐分比山前平原绿洲高[26-28]。

图4 玛纳斯河流域概况图Figure 4 Overview of Manas River basin

3.2 不同绿洲生态系统土壤水盐与养分差异性分析

研究表明，山前平原绿洲和绿洲与荒漠过渡带的土壤水盐和铵态氮含量季节变化性一致，人工平原绿洲则与两个区域不一致，这与气候、灌溉和地下水位变化有关。山前平原绿洲和绿洲与荒漠过渡带的土壤盐分表现为8月＞10月＞5月。在8月，气温高，蒸发强，土壤水上升旺盛，盐分随之增加；在10 月，地膜遭受破坏，地表裸露，蒸发量加大，造成土壤盐分在土壤表层集聚。这与赵永成等[29]在玛纳斯河流域农八师121 团研究得到的棉田土壤盐分在5 月上旬、7 月中旬、9 月中旬呈现积盐趋势的结果相似。然而，人工平原绿洲土壤盐分的变化趋势为5 月＞10 月＞8 月，这可能是因为人工平原绿洲的年内地下水埋深变化已呈现开采型，在7、8 月，地下水下降迅速，地下水位低于绿洲与荒漠过渡带[30]，地下水埋深变深和7、8 月农业灌溉频繁使得人工平原绿洲8 月的土壤盐分下降[31]。本研究表明人工平原绿洲和绿洲与荒漠过渡带面临盐渍化威胁，土壤铵态氮高值区主要分布在绿洲与荒漠过渡带，土壤硝态氮高值区主要分布在山前绿洲。这与李玉义等[18]、陈接华等[19]对玛纳斯河流域不同地貌类型的土壤盐分和养分的研究结果一致。

不同流域的绿洲，由于土壤类型、气候条件、地下水水位、开发历史与利用方式以及人为采样的差异，土壤的水盐与养分的含量有所不同。与其他绿洲相比（表6），玛纳斯河流域的土壤含水量为0.11%～29.46%，低于我国塔里木河流域绿洲，与黑河流域和艾比湖流域绿州相近；土壤含盐量为0.29～20.34 g·kg-1，高于我国塔里木河流域绿洲、石羊河和艾比湖流域绿州，玛纳斯河流域的人工平原绿洲多在盐碱土的基础上开发利用，也是最先开展膜下滴灌的区域，土壤盐分没有其他渠道排走，因此盐分较高；玛纳斯河流域绿洲土壤硝态氮含量为0.07～29.08 mg·kg-1，明显低于黑河流域绿洲，玛纳斯河流域农田以种植棉花为主，黑河流域农田以种植玉米为主，种植品类和浇水施肥方式的不同是造成土壤硝态氮差异的主要原因。综上，玛纳斯河流域绿洲农田相对于黑河流域、塔里木河流域和艾比湖流域等农田，土壤盐分较高、速效养分较低。