蘇打鹽堿化草原土壤水鹽時(shí)空變異分析

黃　彥，司振江，孟　巖，滕　云

(黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

蘇打鹽堿化草原土壤水鹽時(shí)空變異分析

黃彥，司振江，孟巖，滕云

(黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

摘要：松嫩平原由于自然因素和人為因素的影響，鹽堿化草原面積在逐年遞增，生態(tài)環(huán)境惡化、生物多樣性減少。由于蘇打鹽堿土存在著透水性差、牧草鹽漬害影響強(qiáng)等問(wèn)題，提出采用振動(dòng)深松集成技術(shù)改善土壤的物理性質(zhì)，提高土壤通透性。本文運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)，以地理信息系統(tǒng)ArcGIS為平臺(tái)，研究了采用振動(dòng)深松集成技術(shù)改良1～5 a的鹽堿化草原土壤鹽分和物理性質(zhì)的時(shí)空變異規(guī)律。數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，土壤含鹽量由改良前5.6 g/L下降到2.84 g/L，表層土壤硬度和容重較改良前平均分別降低了21.4%和17.6%，土壤含水量平均增加6%，至改良第五年各項(xiàng)指標(biāo)仍好于改良前，證明振動(dòng)深松集成技術(shù)是改良鹽堿化草原的有效手段，且一次改良至少受益五年。

關(guān)鍵詞：蘇打鹽堿化草原；地統(tǒng)計(jì)學(xué)；土壤水鹽；時(shí)空變異

松嫩平原是蘇打鹽堿土集中分布區(qū)之一，鹽堿化草原面積達(dá)160萬(wàn)hm2[1-3]。解放初期，以羊草為優(yōu)勢(shì)的牧草平均高度為80～85 cm，覆蓋度平均為85%～90%，到20世紀(jì)60年代初，草的高度平均為60～65 cm，覆蓋度為70%～80%。近年來(lái)，因過(guò)度放牧、墾殖農(nóng)田、開采石油、環(huán)境污染等不合理的利用制度和方式，草原鹽堿化現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，鹽堿化草原面積已占草原總面積的2/3，并且每年仍以一定的速率遞增，草高僅為5～15 cm，覆蓋度為10%～20%。產(chǎn)草量由20世紀(jì)60年代的4500～6000 kg/hm2下降到現(xiàn)在的1000～1500 kg/hm2，鹽堿化草原中有近25%的面積寸草不生，基本失去了利用的價(jià)值[4]。草場(chǎng)生產(chǎn)能力低下，區(qū)域生態(tài)環(huán)境惡化，已經(jīng)嚴(yán)重制約了當(dāng)?shù)匦竽翗I(yè)的發(fā)展和松嫩平原農(nóng)牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

為了解決鹽堿土透水性差，鹽分在表層聚集，使牧草受到鹽漬害影響而無(wú)法生長(zhǎng)等問(wèn)題，提出采用振動(dòng)深松集成技術(shù)改善土壤的物理性質(zhì)，提高土壤通透性，使表層鹽分向下層淋洗，為牧草的生長(zhǎng)創(chuàng)造條件。本文運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)法，以地理信息系統(tǒng)ArcGIS為平臺(tái)，研究了采用振動(dòng)深松集成技術(shù)改良1～5 a的鹽堿化草原土壤鹽分、物理性質(zhì)、生物量的時(shí)空變異規(guī)律，充分證明了該技術(shù)改良鹽堿化草原效果顯著。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)選在黑龍江省安達(dá)市，地處哈大齊經(jīng)濟(jì)帶的中心，位于松嫩平原腹地。該市共有草原18.13萬(wàn)hm2，其中嚴(yán)重退化草原5.33萬(wàn)hm2。屬中溫帶半干旱季風(fēng)氣候區(qū)，年平均降雨量430 mm，年平均蒸發(fā)量1645 mm，年蒸發(fā)量為年降水量的3～4倍，≥10 ℃年積溫在2400～2900 ℃，無(wú)霜期110～140 d，年平均風(fēng)速為4～5 m/s，年平均相對(duì)濕度在60%～70%，年日照總時(shí)數(shù)2600～2900 h。該區(qū)為內(nèi)陸型鹽漬土，含可溶性鹽、堿、硝等有害物質(zhì)，為松嫩平原蘇打鹽堿土典型區(qū)。

研究區(qū)選在安達(dá)市萬(wàn)寶山鎮(zhèn)，為重度鹽堿化草原，經(jīng)測(cè)定，土壤含鹽量高達(dá) 11.2 g/kg，pH值為 7.39～10.48[4]。研究區(qū)采用新型土壤改良技術(shù)——振動(dòng)深松集成技術(shù)。振動(dòng)深松技術(shù)其深松土壤深度可達(dá)40～50 cm，不擾亂土壤上下層位，為含蓄天然降雨及鹽分淋洗創(chuàng)造了條件。對(duì)于重度鹽堿化草原輔以施用生化土壤改良劑7.5 kg/hm2，播種牧草種量45 kg/hm2，改良劑用以降低表層鹽分濃度，減少鹽分對(duì)種子發(fā)芽和生長(zhǎng)的鹽漬害影響，牧草選用羊草和披堿草混播。

1.2測(cè)定指標(biāo)及方法

(1)在采用振動(dòng)深松集成技術(shù)改良1～5 a的試驗(yàn)區(qū)分別選取1 hm2作為研究區(qū)域，用25 m×25 m的網(wǎng)格在研究區(qū)內(nèi)均勻布點(diǎn)，在網(wǎng)格交叉處采樣，每個(gè)區(qū)共取25個(gè)樣點(diǎn)。每個(gè)采樣點(diǎn)分成三層采樣，即0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm，測(cè)定日期為每年牧草收割前。

(2)測(cè)定指標(biāo)有土壤含水量、容重、鹽分、硬度、株高、產(chǎn)量。由于土壤含水量與土壤質(zhì)地有著密切的聯(lián)系，因此將土壤容重、硬度列在研究指標(biāo)中[5]。土壤含水量和土壤容重分別采用烘干法、環(huán)刀法，在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定；土壤硬度和土壤鹽分分別采用山中土壤硬度計(jì)和原位電導(dǎo)率儀，在現(xiàn)場(chǎng)直接測(cè)定；牧草株高采用三點(diǎn)平均法用卷尺測(cè)量；牧草產(chǎn)量為樣方法，稱重后換算為標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)量。

1.3空間變異研究方法

地統(tǒng)計(jì)學(xué)是研究區(qū)域化變量空間分布結(jié)構(gòu)特征規(guī)律的有效手段。20世紀(jì)70年代，國(guó)外對(duì)土壤特性的空間變異性研究出現(xiàn)了高潮。我國(guó)自20世紀(jì)80年代在土壤水資源方面應(yīng)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)法，在土壤水分、土壤入滲率、土壤水鹽等方面開展了大量的研究[6-10]。

本文運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)開展鹽堿化草原土壤水鹽時(shí)空變異規(guī)律研究，變異規(guī)律分析包括結(jié)構(gòu)分析和空間局部估計(jì)，首先建立變異函數(shù)理論模型，定量描述區(qū)域化變量的隨機(jī)性和結(jié)構(gòu)性，其次為區(qū)域化變量做出最優(yōu)的插值結(jié)果，做區(qū)域化變量空間分布圖，分析各指標(biāo)時(shí)空變異分布規(guī)律。

2結(jié)果與分析

2.1數(shù)據(jù)審議及統(tǒng)計(jì)分析

在進(jìn)行地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析前，為了保證分析結(jié)果的科學(xué)性、可靠性，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查和預(yù)處理，剔除特異值的影響，進(jìn)行數(shù)據(jù)審議。采用平均值加標(biāo)準(zhǔn)差法對(duì)特異值進(jìn)行識(shí)別和處理，上下限等于數(shù)據(jù)的平均值加減二倍標(biāo)準(zhǔn)差。當(dāng)實(shí)測(cè)值超出上下限時(shí)即作為可疑特異值進(jìn)行檢查核對(duì)。分別對(duì)對(duì)照區(qū)(CK)、振動(dòng)深松改良第一年(ZSK-1)、振動(dòng)深松改良第二年(ZSK-2)、振動(dòng)深松改良第三年(ZSK-3)、振動(dòng)深松改良第四年(ZSK-4)、振動(dòng)深松改良第五年(ZSK-5)去除特異值后的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，詳見表1。

表1　土壤水鹽指標(biāo)去除特異值的統(tǒng)計(jì)表

續(xù)表1

變異系數(shù)(C.V)是反映數(shù)據(jù)的離散程度，當(dāng)C.V<10%呈現(xiàn)弱變異；10%100%，呈現(xiàn)為強(qiáng)變異[11]。由表1數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，土壤容重C.V值在3.41%～9.33%區(qū)間，為弱變異，證明試驗(yàn)區(qū)土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，質(zhì)地均勻；CK區(qū)和ZSK-1區(qū)株高和生物量為強(qiáng)變異性，原因是鹽堿化草原堿斑面積大，植被覆蓋率低，且改良恢復(fù)需要很長(zhǎng)一段時(shí)間；其余指標(biāo)均為中等變異。本文采用偏度峰度聯(lián)合檢驗(yàn)法，去除特異值后數(shù)據(jù)的均值與中值差值變小，變異系數(shù)也相對(duì)降低，峰度系數(shù)和偏度系數(shù)值更加接近于0，數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布。

2.2半方差函數(shù)模型

半方差函數(shù)是地統(tǒng)計(jì)學(xué)中研究土壤變異性的關(guān)鍵函數(shù)，根據(jù)步長(zhǎng)與組數(shù)乘積等于采樣點(diǎn)最大距離一半的原則[12-13]，確定步長(zhǎng)為50 m。運(yùn)用GS+軟件進(jìn)行計(jì)算，得出各指標(biāo)塊金值、基臺(tái)值、變程等，見表2。

表2　土壤水鹽半方差函數(shù)模型參數(shù)

半方差函數(shù)是研究土壤水鹽空間變異性的關(guān)鍵函數(shù)，包括塊金值、基臺(tái)值和變程三個(gè)參數(shù)。塊金值是在間隔距離小于采樣間距時(shí)的空間變異和測(cè)量誤差引起，若塊金值為正數(shù)，證明采樣存在誤差，同時(shí)也存在小尺度的空間變異。由表2數(shù)據(jù)可以看出，產(chǎn)量和株高塊金值、基臺(tái)值變幅略大，其余土壤水分、鹽分、硬度、容重的塊金值均趨于0，采樣點(diǎn)變程最小值為28.0 m，表明了設(shè)定的步長(zhǎng)合理，滿足精度要求。

塊金基臺(tái)比為系統(tǒng)變量空間的變異特征，比值小于25%，呈強(qiáng)烈空間相關(guān)性；比值為25%～75%，呈中等空間相關(guān)性，大于75%，空間相關(guān)性較弱[2]。由計(jì)算可知，僅有7%的比值在25%～75%之間，為中等空間相關(guān)性，其余各區(qū)均小于25%，具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性，表明各指標(biāo)差異內(nèi)在因子控制占主要因素。

2.3空間變異性分析

運(yùn)用ArcGIS的Geostatilstical Analyst擴(kuò)展功能模塊進(jìn)行空間變異性研究，采用克里格空間插值法，建立半方差函數(shù)模型，繪制土壤鹽分、水分、容重、硬度等變量空間分布圖，見圖1-圖4。

圖1為CK區(qū)和ZSK區(qū)改良第一年至第五年土壤含鹽量圖。由圖1可以看出，CK區(qū)0～40 cm土壤平均含鹽量達(dá)5.6 g/L，表層局部含鹽量增大，最高值達(dá)到8.2 g/L，主要是因?yàn)樘K打鹽堿土表層地表積有0.5～2.0 cm厚的鹽結(jié)皮，使鹽分都聚集在表層，也是牧草難以生存的主要原因之一。而ZSK-1區(qū)表層土壤含鹽量較CK區(qū)減少了30.2%，土壤由重度鹽堿化土變?yōu)橹卸塞}堿化土，從改良區(qū)土壤剖面來(lái)看，因采用振動(dòng)深松技術(shù)后土壤疏松，遇降雨時(shí)使表層鹽分向下運(yùn)移，即出現(xiàn)了鹽分上低下高的現(xiàn)象。隨著時(shí)間的推移，改良區(qū)的鹽分指標(biāo)由重度鹽堿化變?yōu)檩p度鹽堿化，為牧草生長(zhǎng)創(chuàng)造了良好的條件。

鹽隨水來(lái)，鹽隨水走，其二者關(guān)系十分密切。由圖2土壤水分空間分布圖表明，因鹽堿土土質(zhì)粘重，滲透性差，降雨很難被充分利用，而多半數(shù)降雨產(chǎn)生徑流，CK區(qū)土壤表層含水量?jī)H為17.1%。ZSK-1～ZSK-5區(qū)表層含水量較CK區(qū)增加了20%～34%，且各層含水量基本一致，為牧草種子發(fā)芽生長(zhǎng)創(chuàng)造了條件。

圖2　土壤含水量空間分布圖

圖3　土壤容重空間分布圖

圖4　土壤硬度空間分布圖

圖5　牧草株高空間分布圖

土壤容重和硬度是土壤的兩個(gè)重要結(jié)構(gòu)特征，也是牧草生長(zhǎng)好壞的外因。采用振動(dòng)深松集成技術(shù)后改良當(dāng)年0～40 cm土壤容重平均為1.32 g/cm3，較CK區(qū)土壤容重降低了8%，表層容重降低了25%。由硬度空間分布圖來(lái)看，CK區(qū)土壤硬度較大，平均在10 kg/cm2以上。而下層土壤硬度值減小，主要是因蘇打鹽堿土特殊性質(zhì)，表層易出現(xiàn)較硬的鹽結(jié)皮，致使表層土壤硬度較高，但改良后，打破了土壤原有的結(jié)構(gòu)，土壤硬度變小，尤其表層因牧草生長(zhǎng)使有機(jī)質(zhì)含量增加硬度變化更加明顯，疏松的土壤為牧草的生長(zhǎng)和鹽分的淋洗創(chuàng)造了條件。土壤下層隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加和牧草根系的充分生長(zhǎng)，土壤容重和硬度呈逐年加大的趨勢(shì)，到改良第五年時(shí)，10～20 cm土壤硬度要大于CK區(qū)。

草原生態(tài)修復(fù)的重要表現(xiàn)是牧草生物量。由逐年株高、產(chǎn)量變量趨勢(shì)來(lái)看(見圖5、圖6)，CK區(qū)株高均值僅為3 cm，多為牛羊不食的堿蓬草，且植株僅占采樣空間的一半。改良當(dāng)年，先鋒草種披堿草首先生長(zhǎng)，株高均值為26.87 cm，產(chǎn)量達(dá)到2738.1 kg/hm2，隨著改良時(shí)間的增加，披堿草帶動(dòng)本土草種——羊草的生長(zhǎng)，使株高和產(chǎn)量逐年增長(zhǎng)，在改良第三年牧草生長(zhǎng)進(jìn)入了旺盛期，產(chǎn)量達(dá)到了7976.9 kg/hm2，成為了優(yōu)質(zhì)采草場(chǎng)，之后產(chǎn)量逐年遞減，其原因主要是羊草為無(wú)性繁殖，根莖生長(zhǎng)較快，密度大，但產(chǎn)量仍達(dá)到了優(yōu)質(zhì)草原的水平。

圖6　牧草產(chǎn)量空間分布圖

3結(jié)論

(1)地統(tǒng)計(jì)學(xué)是分析鹽堿化草原水鹽時(shí)空變異規(guī)律的有效方法之一。通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，采用振動(dòng)深松技術(shù)改良重度鹽堿化草原效果顯著，土壤含鹽量由改良前5.6 g/L下降到2.84 g/L，表層土壤硬度和容重較改良前平均分別降低了21.4%和17.6%，隨著時(shí)間的推移，土壤容重和硬度也逐漸增加，但仍好于改良前。

(2)運(yùn)用變異系數(shù)、塊金基臺(tái)比分別對(duì)改良1～5 a的鹽堿化草原土壤水鹽指標(biāo)劃分，確定:土壤容重呈現(xiàn)弱變異，土壤水鹽等指標(biāo)呈現(xiàn)中等變異。土壤容重的變異性較小表明土壤質(zhì)地均勻，振動(dòng)深松作業(yè)均勻度高，土壤疏松，同一時(shí)期深松區(qū)較對(duì)照區(qū)含水量平均增加6%，為牧草生長(zhǎng)提供充足的水分。

(3)本文對(duì)土壤水鹽及容重、硬度等指標(biāo)進(jìn)行時(shí)空變異分析，由分布圖可以看出，振動(dòng)深松集成技術(shù)對(duì)改善鹽堿化草原生態(tài)環(huán)境效果顯著，同時(shí)由改良第五年數(shù)據(jù)顯示表明，改良一次至少受益五年。

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Spatial variation analysis of salinealkaline grassland soil water salt

HUANG Yan,SI Zhenjiang,MENG Yan,TENG Yun

(HeilongjiangProvincialHydraulicResearchInstitute,Harbin150080，China)

Abstract：Salinization grassland area has been increasing year by year because of natural factors and artificial factors in Song-Nen Plain，ecological environment deteriorating and biodiversity reducing.According to the poor permeability of soda saline alkaline soil and harmful effects etc,proposed vibrating subsoiling integration technology that improve soil physical properties and permeability.This paper apply the geo-statistics and take ArcGIS as a platform to study the temporal and spatial variation of soil salinity and physical properties by vibrating subsoiling integration technology improved 1～5 years of saline alkaline grassland.the data analysis results show that the soil salt content modified anterior 5.6 g/L down to 2.84 g/L,surface soil hardness and bulk density are average decrease 21.4% and 17.6% than before,soil water content average increases 6% at the same time,and the five year indicator are all better than before,it improves that vibrating subsoiling integration technology is the effective method to improve the saline alkaline grassland,and benefit for five years modified once at least.

Key words：saline alkaline grassland;geo-statistics;soil water salt;spatial variation

基金項(xiàng)目：水利部“948”計(jì)劃項(xiàng)目(201425)

作者簡(jiǎn)介：黃彥(1980-)，女，高級(jí)工程師，主要從事土壤改良與農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境研究工作。

中圖分類號(hào)：S156

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2096-0506(2016)06-0001-08