艾比湖濕地干濕季土壤水分和土壤鹽分空間異質(zhì)性研究

張雅莉，塔西甫拉提·特依拜，阿爾達(dá)克·克里木，張 東

(1.新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830046；2.新疆大學(xué)綠洲生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830046)

0 引 言

新疆艾比湖國(guó)家自然保護(hù)區(qū)是準(zhǔn)噶爾盆地西南緣最低洼地和水鹽匯集中心[1]，它以艾比湖湖體為核心，并有水域、沼澤、草甸等多種自然景觀，被列入“中國(guó)重要濕地”名錄[2]。由于地處內(nèi)陸腹地，受干旱氣候的影響，土壤鹽漬化嚴(yán)重[3]。土壤鹽漬化影響植被生長(zhǎng)，使農(nóng)作物減產(chǎn)或絕收并間接造成生態(tài)環(huán)境惡化，是影響綠洲生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定與安全的重要因素[4]。土壤水分是干旱區(qū)植物生長(zhǎng)發(fā)育所需水分的唯一來(lái)源[5]，鹽分會(huì)隨著水分的運(yùn)動(dòng)而遷移，而水分也是鹽分遷移的重要載體[6]。因此，開(kāi)展區(qū)域水鹽時(shí)空異質(zhì)性研究及分析主要影響因素對(duì)于控制土壤鹽漬化的發(fā)生發(fā)展，艾比湖濕地生態(tài)環(huán)境保護(hù)，以及對(duì)流域的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

土壤信息(如土壤含鹽量、電導(dǎo)率、含水量等)的基本特征就是其在特定的位置上具有時(shí)間和空間上的相關(guān)性[7]。地統(tǒng)計(jì)學(xué)可以將時(shí)空坐標(biāo)與土壤屬性值進(jìn)行組合，為土壤信息處理提供一系列的基本工具和手段[8]。20世紀(jì)80年代，Burgess等[9]將區(qū)域化變量理論和Kriging及CoKriging估值方法引入土壤性質(zhì)空間變異性的研究中，使之定量化，推動(dòng)了研究向前發(fā)展。近年來(lái)，隨著精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的興起和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，土壤鹽分和土壤水分空間變異性研究成為土壤信息科學(xué)研究的前沿?zé)狳c(diǎn)之一。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者都采用不同方法對(duì)土壤鹽分、水分、養(yǎng)分和土壤組成等因素的空間異質(zhì)性進(jìn)行了研究：胡克林等[10]對(duì)河北曲周試驗(yàn)站兩個(gè)時(shí)期的土壤鹽分和水分的空間變異性進(jìn)行了研究，初步探討了應(yīng)用CoKriging方法進(jìn)行鹽分和水分的估值；姚榮江，楊勁松[11]等以黃河三角洲典型土壤為研究對(duì)象，野外采樣與電磁感應(yīng)儀EM38、EM31的田間測(cè)量相結(jié)合，綜合運(yùn)用GIS和地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)0～1 m土體內(nèi)各個(gè)層土壤鹽分含量的空間變異和分布特征進(jìn)行了定量分析和評(píng)價(jià)；丁建麗[12]等利用GIS和地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法研究了渭庫(kù)綠洲鹽漬化土壤特征的空間變異性特征，得出表層土壤電導(dǎo)率和含鹽量具有較強(qiáng)的空間相關(guān)性；金海龍[13]等人探討了艾比湖濕地自然保護(hù)區(qū)內(nèi)土壤顆粒組成、水分、pH值、速效養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)含量等土壤理化性狀的空間異質(zhì)性，結(jié)果表明艾比湖濕地不同類型土壤鹽分存在明顯的表聚現(xiàn)象，土壤鹽化、堿化現(xiàn)象嚴(yán)重。

本文運(yùn)用傳統(tǒng)的地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)艾比湖自然保護(hù)區(qū)典型濕地土壤鹽分和土壤水分干濕季節(jié)的空間變異性進(jìn)行深入的分析和研究，討論影響土壤鹽漬化的主要因素。旨在更進(jìn)一步的揭示其土壤鹽分和水分在干濕季節(jié)里的空間變異規(guī)律，對(duì)評(píng)價(jià)流域土壤鹽漬化的發(fā)生和發(fā)展規(guī)律、合理利用水土資源乃至保護(hù)艾比湖流域生態(tài)平衡具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究區(qū)概況

艾比湖國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)位于新疆博爾塔拉蒙古自治州境內(nèi)，地理坐標(biāo)介于44°31′05″N～45°09′35″N，82°33′47″E～83°53′21″E之間，總面積為2 670.85 km2。該保護(hù)區(qū)屬于典型溫帶大陸性干旱氣候，多年平均降水量在149 mm左右，年均蒸發(fā)量在2 281 mm以上，年平均氣溫為6～8 ℃[14]。干旱區(qū)氣候條件、地形地貌、水文地質(zhì)以及人類活動(dòng)等因素的影響使土壤的類型復(fù)雜多樣，空間分布不一致。研究區(qū)內(nèi)降水量少、蒸發(fā)量大、光熱資源豐富、地下水礦化度高等因素造成土壤大面積的土地退化和鹽漬化。鹽漬化土地的面積和程度不僅決定著整個(gè)艾比湖流域生態(tài)環(huán)境，裸露地表的鹽塵也嚴(yán)重危害周邊地區(qū)環(huán)境[15]。

圖1 研究區(qū)和采樣點(diǎn)分布圖Fig.1 The map of study area and distribution of soil sampling points

2 數(shù)據(jù)源與研究方法

2.1 樣品采集及分析測(cè)試

根據(jù)近5年的統(tǒng)計(jì)資料，艾比湖國(guó)家濕地自然保護(hù)區(qū)基本在4、5月降水量、蒸發(fā)量、河流年徑流量均比10月份的高，因此本研究視5月為豐水期，10月為枯水期。另外，在干旱區(qū)一年有2次普遍而強(qiáng)烈的聚鹽高峰期分別發(fā)生在春季和秋季，因此本研究野外采樣時(shí)間為2013年5月和10月。

研究采用GPS定位技術(shù)，在同一個(gè)地點(diǎn)的春秋兩季分別挖取63個(gè)土壤表層(0～20 cm) 樣點(diǎn)。為考慮研究區(qū)采樣點(diǎn)附近土壤性質(zhì)相對(duì)一致、環(huán)境因子類似和異質(zhì)性小，對(duì)測(cè)量單元范圍內(nèi)土壤樣品進(jìn)行了梅花狀采集，再取這5個(gè)點(diǎn)的平均值作為一個(gè)單元的鹽分和水分的最終值。將土壤樣本按經(jīng)緯度編號(hào)分別裝入鋁盒和采樣袋，帶回實(shí)驗(yàn)室。部分用烘干法，在105 ℃下烘至恒重，測(cè)其土壤含水量(%)；把另一部分土壤在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)自然風(fēng)干、磨碎，用0.5 mm孔徑的篩子進(jìn)行過(guò)濾，按水土比5∶1的比例提取浸提液[16]，使用DDS-307A型電導(dǎo)率儀測(cè)定其浸出液鹽度，并轉(zhuǎn)換為土壤含鹽量(g/kg)。

2.2 地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)土壤鹽分及水分的空間異質(zhì)性進(jìn)行分析半方差函數(shù)也稱為半變異函數(shù)，它是地統(tǒng)計(jì)學(xué)中研究土壤變異性的關(guān)鍵函數(shù)。假設(shè)區(qū)域化的變量滿足二階平穩(wěn)和本征假設(shè)，其半方差函數(shù)r(h)用式(1)表示[10]。

(1)

式中：r(h)為半方差函數(shù)；h為分隔兩樣點(diǎn)的矢量，為步長(zhǎng)；N(h)為相距為h的樣點(diǎn)對(duì)數(shù)目；Z(xi)和Z(xi+h)分別為區(qū)域化變量Z(x)在位置xi和xi+h處的實(shí)測(cè)值。

r(h)越大則該方向上所有間隔h的亮點(diǎn)的變異性就越大，相關(guān)性就越小。

通過(guò)模型的比較說(shuō)明，艾比湖濕地土壤水鹽含量的春秋季變異函數(shù)與球狀模型公式(2)的擬合效果最好。球狀模型的一般公式為：

(2)

式中：C0為塊金值；C0+C為基臺(tái)值；a為變程；C為拱高。

2.3 干濕季土壤鹽分和土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)處理

首先利用SPSS19.0軟件，對(duì)69個(gè)土壤樣品進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析，用頻數(shù)分布圖檢驗(yàn)土壤鹽分和水分?jǐn)?shù)據(jù)是否服從正態(tài)分布；其次采用GS+9.0下進(jìn)行半變異函數(shù)模型擬合，確定理論模型并選擇分析和檢驗(yàn)最優(yōu)擬合曲線；接著根據(jù)土壤鹽分和土壤水分最優(yōu)擬合理論模型及其參數(shù)，利用ArcGIS 9.3軟件進(jìn)行克里格(Kriging)插值，最后生成土壤鹽分和土壤鹽分水分的空間分布圖。

3 結(jié)果與分析

3.1不同季節(jié)下土壤鹽分和土壤水分描述性統(tǒng)計(jì)特征分析

在SPSS19.0軟件下對(duì)艾比湖濕地的春秋季土壤鹽分和水分的描述性統(tǒng)計(jì)特征分析，如表1所示。頻率分布圖如圖2所示。

變異系數(shù)(CV)是一組數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差與其平均數(shù)之比，它是一個(gè)相對(duì)變異指標(biāo)，是衡量一組數(shù)據(jù)中各個(gè)檢驗(yàn)值相對(duì)離散程度的一種特征數(shù)值[19]，一般認(rèn)為：CV≤0.1為弱的變異性；0.1

表1 春秋季土壤含鹽量及含水量的統(tǒng)計(jì)特征值Tab.1 Descriptive satisitcs of soil salt and water content for all sampling poitnts

圖2 2013年5月和2013年10月土壤含水量、含鹽量頻數(shù)分布直方圖Fig.2 Frequency histogram of the soil salt content and soil water content in May and October

由圖2可以看出，5月和10月土壤鹽分質(zhì)量分?jǐn)?shù)主要集中在5g/kg以下。依據(jù)新疆土壤鹽堿化的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[21]，屬于中度鹽漬化土壤，因此，對(duì)研究區(qū)鹽漬化土壤進(jìn)行治理、改良，防止土地鹽漬化加劇是一個(gè)刻不容緩的問(wèn)題。

由圖2可以看出，艾比湖地區(qū)土壤含鹽量與土壤含水量均呈現(xiàn)出向左偏倚的分布特征。對(duì)于這些不符合正態(tài)分布的要素，使用GS+9.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使其均接近于對(duì)數(shù)正態(tài)分布，這樣就可以進(jìn)一步的進(jìn)行半方差函數(shù)的計(jì)算及克里格插值。

3.2 干濕季土壤鹽分和土壤水分空間變異特征分析

根據(jù)不同空間位置上土壤鹽分和土壤水分的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算實(shí)際半方差值r(h)。以半方差為橫軸，以采樣距離h為縱軸，分別繪制散點(diǎn)圖，結(jié)合散點(diǎn)圖球狀模型曲線得到半方差函數(shù)圖(圖3)。

圖3 2013年5月和2013年10月土壤含水量、含鹽量半方差函數(shù)圖Fig.3 The semi-variogram model of soil salt content and soil water content in May and October

從圖3可以看出，所測(cè)的土壤鹽分和土壤水分素變異函數(shù)的總趨勢(shì)：隨著間隔距離的增加，半變異函數(shù)值也相應(yīng)增加，然而到達(dá)一定距離后云圖就趨向于某一平穩(wěn)值，這表明，超出這個(gè)距離后，樣點(diǎn)間不再具有相關(guān)關(guān)系。

表2顯示半方差函數(shù)擬合模型參數(shù)，塊金值(Nugget)用C0表示，反映的是最小抽樣尺度下區(qū)域變量的變異性及測(cè)量誤差。從中可以看出春季秋季土壤含鹽量和含水量的塊金值C0均為正值，可以認(rèn)定的是其內(nèi)部存在著由采樣誤差、短距離變異、隨機(jī)和固有變異引起的正金塊效應(yīng)[22]。基臺(tái)值(Sill)代表變量空間變異的結(jié)構(gòu)性方差，表示由土壤母質(zhì)、地形、地貌、氣候、地表水、地下水埋深和礦化度等因素引起的變異。塊金值和基臺(tái)值的比值C0/C0+C(%)表示隨機(jī)部分引起的空間異質(zhì)性占系統(tǒng)總變異的比例，反映土壤性質(zhì)空間相關(guān)性的程度。當(dāng)比值小于25%時(shí)，表現(xiàn)為強(qiáng)空間相關(guān)性；當(dāng)比值在25%～75%時(shí)表現(xiàn)為中等空間相關(guān)性；比值大于75%時(shí)，則表現(xiàn)為弱空間相關(guān)性。本研究的春季含鹽量、含水量的空間相關(guān)性分別為16.39%和1.74%，秋季含鹽量、含水量的空間相分別為4.41%和1.53%，都具有非常強(qiáng)的空間相關(guān)性。這說(shuō)明由結(jié)構(gòu)性因素(如氣候、地形、土壤類型地形，土壤質(zhì)地、地下水位等)明顯高于隨機(jī)性因素(如灌溉、耕作措施和土壤改良等各種人為活動(dòng))的空間異質(zhì)性。這是由于艾比湖濕地于2000年成立了自然保護(hù)區(qū)，因而濕地保護(hù)區(qū)內(nèi)部人類活動(dòng)對(duì)土壤鹽分和土壤水分影響很小[12]。

表2 春秋季土壤含鹽量及含水量變異函數(shù)模型參數(shù)Tab.2 The theory of soil salinization and water content corresponding parameters

3.3 不同季節(jié)下土壤鹽分和土壤水分的空間分布

為了更直觀地反映整個(gè)艾比湖流域春季、秋季土壤鹽分和土壤水分的空間分布狀況，根據(jù)所得到的半方差函數(shù)模型，利用ArcGis9.3對(duì)研究區(qū)0～20 cm的土壤采取kriging最優(yōu)內(nèi)插法，繪制整個(gè)研究區(qū)土壤鹽分和水分的插值圖(圖4、5)。

圖4 5月和10月土壤含鹽量的空間插值分布圖Fig.6 Spatial interpolation distribution map of soil content of May and October

從圖4上可以看出，研究區(qū)5月份春季，總體上土壤含鹽量大部分為中度鹽漬土(3.68%～5.97%)，湖東部含鹽量高于西部，艾比湖東部土壤含鹽量從湖到外圍，含鹽量逐漸增大，最大值出現(xiàn)在湖東南部的一小塊區(qū)域和精河河流東側(cè)部分，沿奎屯河、博爾塔拉河鹽含量較低。10月份艾比湖湖東部、南部含鹽量相對(duì)較高，湖西部含鹽量相對(duì)較低(1.37%～2.74%)。此外，表層土壤鹽分的空間分布受地形、氣候、地下水性質(zhì)等因素的影響，也導(dǎo)致不同地區(qū)土壤含鹽量存在很大差異，該地區(qū)從東北角向湖中心的坡度變小，在秋季持續(xù)的強(qiáng)烈蒸發(fā)和極度干旱條件下，導(dǎo)致該部位表層土壤鹽分的積聚性和空間變異性要明顯強(qiáng)于春季。

圖5 5月和10月土壤含水量的空間插值分布圖Fig.5 Spatial interpolation distribution map of water content of May and October

由圖5土壤表層含水量的空間分布圖可以看出，艾比湖周邊土壤含水量空間差異較大?？傮w上10月份土壤含水量比5月份的少，這是因?yàn)橥鈬r(nóng)牧用灌溉增加，入湖水量減少而且4-9月蒸發(fā)量占年蒸發(fā)量的86.7～87.8%，10月土壤水分達(dá)到最低。5月份艾比湖南部沿精河下游入湖口土壤含水量以及沿阿齊克蘇河上游含水量相對(duì)較高，西部和東北部土壤含水量相對(duì)較低；10月份東北部沿奎屯河入湖口處含水量相對(duì)較高，河流入湖口及離河流近的區(qū)域含水量高于其他區(qū)域。近年來(lái)，由于氣候條件與人類不合理用水，艾比湖的水下沙隴已露出水面，西北淺水區(qū)慢慢干涸。此外，經(jīng)5月、10月野外考察發(fā)現(xiàn)，湖周由于湖面積的波動(dòng)，部分區(qū)域土壤會(huì)季節(jié)性的被水體淹沒(méi)，因而部分地區(qū)會(huì)出現(xiàn)土壤含水量較高。艾比湖外圍是荒漠區(qū)域，由于土壤蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于大氣降水量，因而土壤含水量較低，主要分布有胡楊、檉柳，梭梭及等旱生植被[7]。

由圖4和圖5可以看出，雖然春、秋季艾比湖周邊土壤含水量空間存在明顯的差異，但是各季節(jié)土壤鹽分和土壤水分的空間分布大體一致，5月土壤含鹽量和土壤含水量都是東南部高于西部，10月土壤含鹽量和含水量都集中在東部，含鹽量高的地方含水量也相對(duì)較高。艾比湖地區(qū)降水量少，蒸發(fā)量大，致使鹽分積聚在土壤表層，灌溉和降雨入滲的水分又將鹽分帶向深層，灌水量過(guò)多，又缺乏排水設(shè)施，導(dǎo)致地下水位的升高，加大蒸發(fā)，使表土鹽分不斷積累，形成次生鹽堿化[23]。

3.4 討 論

鹽分來(lái)源、水分運(yùn)移和使鹽分向地表運(yùn)移的機(jī)制是土壤發(fā)生鹽漬化形成所具備的三個(gè)條件[24]。因此，只要是與這3個(gè)條件有關(guān)的因素都對(duì)土壤鹽漬化的形成起到驅(qū)動(dòng)作用[26]。艾比湖濕地土壤鹽漬化空間變異性大，直接受氣候、地形地貌，水文地質(zhì)及人類活動(dòng)等條件的影響。首先氣候條件是影響艾比湖濕地土壤鹽漬化主要因素之一，艾比湖地區(qū)年均降水量146 mm左右，年均蒸發(fā)量在2 281 mm以上[14]，1月平均氣溫-16.0 ℃， 7月平均氣溫25.0 ℃，極端最低氣溫-36.4 ℃，極端最高氣溫41.3 ℃。艾比湖地區(qū)降水量少，蒸發(fā)量大，季節(jié)及晝夜溫差大，成土母質(zhì)風(fēng)化釋放出的可溶性鹽分，無(wú)法淋溶，只能隨水分搬運(yùn)至排水不暢的低平地區(qū)，在強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用下，鹽分便聚集于表層土壤內(nèi)，導(dǎo)致土壤鹽漬化。湖盆西北部為著名的大風(fēng)口----阿拉山口(又名準(zhǔn)噶爾門(mén))，全年大風(fēng)日數(shù)164 d，最多185 d，最大風(fēng)速55.0 m/s，強(qiáng)風(fēng)頻繁，土壤積鹽速度快，土壤含鹽量很高。

其次，地形地貌影響著土壤鹽分和土壤水分的空間分布。艾比湖流域西、南、北三面環(huán)山，中間為谷地平原，東部與準(zhǔn)噶爾盆地相連，其中艾比湖是準(zhǔn)噶爾盆地西南緣最低洼地和水鹽匯集中心，平均海拔189 m。從研究區(qū)地形上來(lái)看，艾比湖濕地土壤表層鹽分易累積，不易遷移。“鹽隨水來(lái)，鹽隨水去，水去鹽留”，水文過(guò)程也影響著艾比湖濕地土壤鹽漬化。艾比湖流域的地表水補(bǔ)給主要來(lái)源于山區(qū)，是一個(gè)封閉性流域。發(fā)源于山區(qū)的河流，由山麓進(jìn)入平原后，河水不同程度的含有一定量的鹽分，最終都流入艾比湖。艾比湖是內(nèi)陸湖，鹽分不能隨水流排出，鹽分聚積，礦化度也在不斷升高。近年來(lái)，由于人口劇增，大規(guī)模的土地開(kāi)發(fā)，以地表徑流的形式補(bǔ)給湖泊的河流只剩博爾塔拉河和精河兩條河流，奎屯河和阿齊克蘇河所剩無(wú)幾，直接導(dǎo)致艾比湖水量減少，湖面水位下降，湖水蒸發(fā)強(qiáng)烈，湖水礦化度增高，使得干涸湖底鹽漠化，湖區(qū)周?chē)乇砺懵尔}堿化現(xiàn)象明顯，再者高礦化度地下水中的可溶性鹽也是土壤鹽分的重要來(lái)源。

最后，隨著流域內(nèi)人口的增多，耕地面積的不斷擴(kuò)大，各類生產(chǎn)對(duì)水資源的需求量不斷增加，再加上近幾年精河縣大力推行棉花種植，主要河流博爾塔拉河下游和精河在農(nóng)田區(qū)域被截留致使最終匯入湖區(qū)的水量大大減少。

4 結(jié) 論

本文根據(jù)春秋季下的艾比湖地理特征選取土壤樣點(diǎn)，對(duì)艾比湖濕地表層土壤鹽漬化特征的含鹽量和含水量進(jìn)行空間變異性研究，得到如下結(jié)論：

(1)研究證實(shí)，地統(tǒng)計(jì)學(xué)和GIS相結(jié)合的方法能夠很好地描述春季和秋季艾比湖濕地表層土壤含鹽量和含水量的空間相關(guān)性性。經(jīng)典統(tǒng)計(jì)分析和正態(tài)分布性檢驗(yàn)表明：表層土壤鹽分和含水量均服從正態(tài)分布，半方差函數(shù)符合一般的球狀模型。春季和秋季含鹽量的變異系數(shù)分別為16.39%和1.74%， 春季和秋季含水量的變異系數(shù)分別為4.41和0.23。均呈現(xiàn)強(qiáng)相關(guān)性。

(2)差值分析結(jié)果表明，艾比湖濕地土壤含鹽量春季總體上，湖東南側(cè)高于西北側(cè)，秋季東北高于西南；土壤含水量的春秋兩季與含鹽量的春秋兩季分布大致相同，春季集中在東南部，秋季集中在東北部。土壤水鹽空間分布差異大。

(3)艾比湖濕地本身所處的地理位置、氣候條件、水文地質(zhì)等因素直接決定了土壤含鹽量和土壤含水量的空間分布。

□

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