基于指示Kriging法的土壤鹽漬化與地下水埋深關系研究

徐 英，葛 洲，王 娟，李 偉，馮紹元※

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基于指示Kriging法的土壤鹽漬化與地下水埋深關系研究

徐 英1，葛 洲1，王 娟1，李 偉2，馮紹元1※

（1. 揚州大學水利與能源動力工程學院，揚州 225009；2. 鎮(zhèn)江市工程勘測設計研究院，鎮(zhèn)江 212003）

在北方干旱、半干旱的地下水淺埋區(qū)，土壤鹽漬化是土地資源退化的主要原因，防治土壤鹽漬化是農業(yè)和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的重要保障。該文以內蒙古河套灌區(qū)解放閘灌域為例，運用指示Kriging法繪制并比較了不同閾值下地下水位埋深和土壤表層含鹽量的概率分布圖，從概率空間分布的角度分析研究了土壤鹽漬化與地下水位埋深之間的關系，從而將這方面的研究從通常的農田尺度擴大到灌域尺度。結果表明：1）土壤鹽分和地下水位埋深空間變異強度均為中等，且具有中等的空間自相關性，球狀模型擬合變異函數的效果較好；2）在灌域尺度上，解放閘灌域4月底土壤表層發(fā)生中度、輕度鹽漬化時地下水位臨界埋深分別為2.0、2.5 m，西南及中東部地下水位埋深小于臨界埋深的概率較大，是土壤返鹽的高風險區(qū)；3）3月底地下水位埋深對土壤返鹽的影響比4月底更大一些，這表明地下水位埋深對土壤返鹽的影響具有一定滯后效應，只有地下水位埋深小于臨界深度的狀態(tài)維持一段時間，才會造成土壤中度或輕度鹽漬化。

土壤；鹽漬化；模型；地下水位埋深；空間分布；指示Kriging；解放閘灌域

0 引 言

據聯合國教科文組織和糧農組織的不完全統(tǒng)計，全球鹽漬化土壤面積達9.54′108hm2，占陸地面積的7.26%。中國的鹽漬化土壤分布廣泛，面積約為3.6′107hm2，占全國可利用土地面積的4.88%，其中耕地鹽漬化面積達到9.21′106hm2，占全國耕地面積的6.62%[1]。土壤鹽漬化是造成土地資源退化的主要原因之一，鹽漬化不僅對土地資源可持續(xù)利用、農業(yè)可持續(xù)發(fā)展和糧食安全造成重大威脅，也會使生態(tài)環(huán)境變得更加脆弱或進一步惡化。因此，防治土壤鹽漬化對于農業(yè)和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

土壤鹽漬化在任何氣候條件下都可能發(fā)生，但世界上主要的鹽漬化土壤大多分布在干旱或半干旱區(qū)，且這些區(qū)域通常地勢低平，排水不暢，地下水位較高[2-4]。在這種條件下，地下水排泄方式以垂向蒸發(fā)為主，含鹽的淺埋地下水位的變化是造成鹽分向土表集聚的主要因素[3,5]。地下水作為鹽分傳輸、累積和排泄的主要載體，土壤鹽分受地下水位影響顯著，當地下水位埋深小于臨界深度時，地下水中的鹽分會隨上升毛管水不斷遷移到作物根層和地表，這時地下水位埋深越淺發(fā)生土壤鹽漬化的風險越高[6-10]。因此，控制地下水位在合理的深度是防治土壤鹽漬化發(fā)生的重要途徑[5-6,10]。

關于防治土壤鹽漬化地下水臨界埋深的確定，目前主要采用土壤毛管水上升高度法、野外調查統(tǒng)計法等[9,11]，其次研究的重點是通過采樣試驗探討土壤鹽分與地下水位埋深的數量關系[3,12-13]。這些成果實際反映的是某些特定觀測點或典型小區(qū)（某土壤類型）防治土壤鹽漬化的地下水臨界深度，或地下水位埋深與土壤鹽分的關系，卻很難表達整個灌區(qū)（或區(qū)域）范圍內地下水埋深對土壤鹽漬化程度的影響。為此，有人研究了地下水埋深、土壤鹽分等變量的空間分布規(guī)律和相互關系，如Wang等[6]運用地質統(tǒng)計學、GIS和經典統(tǒng)計理論分析了北疆內陸河流域綠洲土壤含鹽量空間分布規(guī)律，及其與地下水埋深和土地利用的關系；姚榮江等[14]運用指示Kriging對黃河三角洲地區(qū)地下水位埋深與土壤鹽分（所選閾值分別為1.80 m和6.0 g/kg）進行空間分析，得出地下水位埋深與土壤鹽分的概率空間分布存在相似性的規(guī)律；周在明等[15]用單元指示Kriging法對環(huán)渤海低平原區(qū)表層土壤全鹽量、地下水位埋深和礦化度（所選閾值分別為1 g/kg、3.0 m以及2 g/L）進行空間變異性分析，同樣得出地下水礦化度、地下水位埋深和土壤含鹽量概率空間分布呈現一致性、在空間尺度上三者存在關聯性的結論。這些研究成果雖然深入地探討了土壤表層鹽漬化與地下水埋深的空間分布規(guī)律，肯定了它們在區(qū)域或灌區(qū)空間分布上的關聯性，卻仍未從灌區(qū)或區(qū)域尺度上探討防治土壤鹽漬化的臨界地下水埋深。

本文的主要目的是以河套灌區(qū)解放閘灌域為例，運用指示Kriging方法分析其地下水位埋深與土壤表層含鹽量的空間分布規(guī)律，評價二者的空間分布關系，并進一步確定灌域尺度上滿足鹽漬化防治要求的地下水位臨界埋深。這一研究從空間分布格局角度，解析了灌域（或灌區(qū)）尺度上土壤表層鹽漬化所對應的地下水位臨界深度，可為較大范圍內調控地下水埋深，防治土壤鹽漬化提供理論依據，亦為區(qū)域或灌區(qū)尺度的土壤鹽漬化成因與防控研究提供了新的思路。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

解放閘灌域位于內蒙古河套灌區(qū)的上游（106°43￠～107°27￠E，40°34￠～41￠°14￠N），總面積為2.157× 105hm2，其中灌溉面積1.543×105hm2。該灌域屬于溫帶大陸性氣候，干旱少雨，蒸發(fā)強烈，年平均降水138.2 mm，且70%以上發(fā)生在7到9月份，年平均蒸發(fā)量2096.4 mm（20 cm蒸發(fā)皿），是典型的灌溉農業(yè)區(qū)。該灌域年平均氣溫5.6～7.8℃，日照3100～3300 h；上游以粉砂質壤土、壤土和黏壤土為主，中、下游土質主要為黏壤土。灌溉作物包括糧食作物和經濟作物，糧食作物以夏玉米和春小麥為主，經濟作物包括向日葵、蔬菜、瓜果等，從2000年到2013年糧經比呈減小趨勢，且在0.75～1.75之間變化。

灌域以引黃河水灌溉為主，年引水量約10億～12億m3。每年灌水7次，以畦灌為主，包括6次作物生育期灌水和1次以壓鹽、保墑為目的的秋澆，每年約在4月中下旬開灌，到11月中下旬秋澆結束。大量引黃灌溉造成地下水位埋深淺，同時也引入大量鹽分，加之地形平緩（坡度約0.02%），側向徑流不暢，排泄方式以強烈的垂向蒸發(fā)為主，土壤鹽漬化成為制約灌域農業(yè)發(fā)展的主要因素之一。據統(tǒng)計，2000—2013年地下水位埋深時空變化范圍為0.46～8.12 m，隨著節(jié)水工程逐年實施，灌域地下水位呈下降趨勢；返鹽激烈的3月底到4月底年平均地下水埋深也從2.28 m下降到2.30 m，且空間各點上最大地下水位埋深為2.60 m，最小地下水位埋深為1.71 m；2000—2013年地下水礦化度時空變化范圍為250～41000 mg/L，且隨時間變化較小，空間變異系數大于1.0，達到中等變異程度。截止2015年井灌區(qū)灌溉面積約為6 600 hm2，不足灌溉面積的5%，其對地下水影響較小。

1.2 數據采集

在灌域共布置有41個土壤鹽分采樣點和53眼地下水位觀測井，采樣點與觀測井以盡量均勻布置為原則，并包括荒地和耕地（玉米、小麥、葵花等），土壤鹽分采樣點同時考慮覆蓋不同鹽漬化程度的土壤，土壤鹽分采樣點和地下水觀測井布置如圖1。于2012年4月26—27日采集0～10、10～20、20～40和40～60 cm范圍內土樣（每個采樣點3個重復），在實驗室內自然風干、研磨、過2 mm篩后，按1:5土水比配制浸提液，測定其電導率，并按當地常用的土壤全鹽量和浸提液電導率之間的換算關系（全鹽量=0.288 2′電導率+0.018 3）轉換成土壤全鹽量。53眼觀測井是由河套灌區(qū)管理總局統(tǒng)一布設，用于長期監(jiān)測該灌域地下水埋深，每個月用皮尺與測繩測定6次（1日、5日、11日、16日、21日、26日，每次每個觀測井重復觀測3次）。本文采用春季返鹽激烈的3月底（26日）和4月底（26日）的地下水位埋深數據，探討其與4月底表層土壤（0～20 cm）平均含鹽量之間的關系。

圖1 研究區(qū)樣本點分布圖

1.3 分析方法

指示Kriging法(Indicator Kriging）是Journel提出的一種非參數估計方法[16]，以其對區(qū)域不確定性估計的合理性成為處理有偏數據的有力工具。該方法的另一重要用途是估計滿足給定閾值的指示變量條件概率，繪制相應的概率空間分布圖，或稱為風險分布圖。

本文采用地統(tǒng)計學軟件GS+7.0確定不同閾值下土壤含鹽量或地下水位埋深的變異函數模型，并將其模型參數輸入ArcGIS10.0進行指示變量插值估計，進而繪制不同閾值下土壤鹽分及地下水位埋深概率分布圖。

2 結果與分析

2.1 統(tǒng)計特征值的分析

通過統(tǒng)計特征值分析，土壤含鹽量的均值為1.47 g/kg，變異系數為0.59；3月底和4月底地下水位埋深均值分別為2.72 m和2.53 m，變異系數分別為0.43和0.53。土壤含鹽量及地下水位埋深的變異系數值均在0.1～1之間，屬于中等變異。單樣本K-S正態(tài)檢驗結果表明，土壤鹽分及地下水位埋深均不服從正態(tài)分布，同時又存在特異值（變異函數有“長尾”現象），為了抑制兩者對變異函數穩(wěn)健性的影響，本文選用指示Kriging法分析土壤表層鹽分與地下水位埋深的空間分布特征。

2.2 指示Kriging分析

2.2.1 閾值的選擇

指示Kriging法的關鍵是閾值的合理確定。根據中國鹽漬土劃分標準[17]，在半濕潤和半干旱地區(qū)，輕度和中度鹽漬化土所對應的耕作層（地表0～20 cm土層）土壤含鹽量分別為1～2 g/kg和2～4 g/kg，在干旱和漠境地區(qū)，所對應的含鹽量分別為2～3 g/kg和3～5 g/kg，結合解放閘灌域氣候條件、土壤含鹽量、作物種類與耐鹽能力[18-19]，并參考相關研究成果[20-21]，分別選取2 g/kg和3 g/kg作為土壤含鹽量閾值，即認為土壤含鹽量大于2g/kg時達到輕度鹽漬化以上，大于3 g/kg達到中度鹽漬化以上。參考類似灌區(qū)有關研究[9-10,12,15,17]，再綜合解放閘灌域的氣候特征、水文地質條件以及地形地貌等多方面因素，選取1.5、2.0、2.5和3.0 m等作為地下水位埋深指示Kriging分析的閾值。

2.2.2 土壤表層鹽分與地下水位埋深的概率空間分布及其關系

1）土壤表層鹽分與地下水位埋深指示變異函數模型

指示變異函數是用指示函數計算得到的，指示函數及指示Kriging的有關理論參見文獻[21]。本例中，當土壤鹽分（0～20 cm）大于閾值（2 g/kg或3 g/kg）時，指示變換值為1，否則為0，當地下水位埋深小于閾值（1.5、2.0、2.5或3.0 m）時，指示變換值為1，否則為0。計算中所有的指示變換值1（或0）對變異函數的貢獻都是一樣的，因此，不受特異值和偏態(tài)分布的影響。

土壤區(qū)域化變量的空間變異是由結構性因素和隨機性因素引起的，結構性因素（氣候、地形、土壤母質、水文地質條件等非人為因素）是變量具有空間連續(xù)性（或結構性）的原因，而隨機因素（地下水利用、灌溉制度、種植結構、耕作措施等人為活動）則會破壞這種空間連續(xù)性，從而弱化變量的空間自相關性。（指示）變異函數是刻畫區(qū)域化變量空間結構的重要工具，其變程0反映變量的自相關范圍的大?。粔K金值與基臺值的比值0則反映變量的空間自相關程度。表1是不同閾值下土壤含鹽量和地下水位埋深的指示變異函數模型及0。從此表可看出，各種情況下，地下水位埋深和土壤含鹽量的指示變異函數均可用球狀模型模型擬合，變程在7.2～28.5 km之間，說明兩變量自相關范圍均不大（約為灌域最大直線范圍的1/10到1/3），且地下水位埋深的空間自相關范圍大于土壤表層鹽分；不同閾值下，3月底和4月底地下水位埋深、4月底表層土壤含鹽量的0/都大于25%，且小于或等于75%，所以均呈中等程度的空間自相關性，亦即其變異是結構性因素和隨機性因素共同作用的結果。3月底，由于春季的強烈蒸發(fā)，地下水位雖因春季消融回補有一定上升，但仍然接近于一年中最低，地下水位埋深小于1.5 m和2.0 m的區(qū)域較少，分別為4%和22%（按采樣點均勻分配計算而來），其變異受隨機因素干擾較大，致使這一時期閾值為1.5 m和2.0 m的指示變異函數結構性較差，特別是閾值為1.5 m時，空間自相關性較弱（0/>75%），自相關范圍較小（變程為13.4 m）。4月底凍土層基本融通，逐漸回補的水量使地下水位有所回升（平均埋深由2.73 m減小到2.53 m），且閾值為1.5 m和2.0 m情況下，其空間自相關性比3月底有所提高（0/值降低到70%以下），自相關范圍也有所增加，表明此時地下水位埋深的空間分布對隨機因素影響的敏感性降低。無論3月底還是4月底，閾值為2.5 m和3.0 m時，地下水位埋深的空間自相關程度均比閾值較小時有所提高，表明隨著閾值的增加，結構性因素對變異函數的控制逐漸增加。需注意的是，閾值為3.0 m時，地下水位埋深的空間自相關程度雖然增加了，但自相關范圍卻減小了。與地下水位埋深相比，土壤鹽分的空間自相關程度較弱，自相關范圍也較小，說明土壤鹽分空間變異受隨機因素的影響較大。

表1 不同閾值下土壤含鹽量和地下水位埋深的指示變異函數理論模型

2）土壤表層鹽分與地下水位埋深的空間概率分布特征

將變異函數模型參數輸入ArcGIS10.0中進行指示Kriging插值，得到土壤鹽分和地下水位埋深滿足相應閾值的概率空間分布圖（圖2和圖3）。圖2為土壤處于輕度鹽漬化（>2 g/kg）和中度鹽漬化（>3 g/kg）的概率分布圖。發(fā)生中度鹽漬化的高風險區(qū)（概率在0.4以上）基本均包含在輕度鹽堿化高風險區(qū)范圍內，且高風險區(qū)主要集中在研究區(qū)的西北、西南和東南邊緣一帶，與圖1對照可以看出，這些地方基本在水鹽匯集的區(qū)域，亦即在排水干溝的中下游區(qū)域和總排干附近。研究區(qū)輕度或中度鹽漬化的高風險區(qū)和低風險區(qū)界限較分明，高風險區(qū)零星分布、空間上連續(xù)性弱于地下水埋深，這可能是由于前一年不同作物的交錯種植、耕荒地插花分布以及灌水不均勻等一定程度上破壞了鹽分空間分布的結構性。

圖3為不同閾值下地下水位埋深的概率分布，圖中顏色越深，表明該處地下水位埋深小于等于該閾值的概率越大，反之則越小。不同閾值概率分布圖的共同特點是：西南部是高概率（概率在0.4以上）集中分布區(qū)，低概率區(qū)主要集中在東北至西北邊緣部和南腹部。當地下水位埋深閾值為1.5 m時，研究區(qū)地下水位埋深概率分布區(qū)間主要在0.0～0.2低概率之間，除了西南部其他都是低概率分布區(qū)；當地下水位埋深的閾值為2.0 m時，西南部高概率區(qū)面積變大，中東部出現高概率區(qū)；當地下水位埋深閾值為2.5 m時，西南部及中東部的高概率區(qū)面積變大，大部分在0.8～1.0高概率區(qū)間內，隨著閾值的增加，高概率風險區(qū)繼續(xù)增加，在地下水位埋深閾值為3.0 m時，整個西南部和中東部都是0.8～1.0高概率分布區(qū)。分析不同閾值下地下水位埋深概率圖，發(fā)現小閾值的高概率區(qū)包含在大閾值的高概率區(qū)，其分布區(qū)域隨閾值的增大而逐漸增大和擴散。

圖2 不同閾值條件下研究區(qū)2012年4月底土壤含鹽量（0~20 cm）概率空間分布

3）土壤表層鹽分與地下水位埋深的空間概率分布關系

大量研究表明，對于地下水埋深較淺的干旱或半干旱區(qū)，地下水位埋深越小，發(fā)生土壤鹽漬化的可能性越大[3,12-13]，那么，就存在這樣的臨界埋深，當地下水位埋深小于該臨界值時，土壤表層發(fā)生鹽漬化的風險就大，反之亦然。為了從空間分布格局的角度探討土壤表層鹽分含量與地下水位埋深的關系，進而找到這一地下水位臨界埋深，本文將不同閾值下的鹽分概率分布圖（圖2）和地下水位埋深概率分布圖（圖3）進行了對比分析。對比發(fā)現，地下水位埋深小于2.0 m時的概率空間分布圖與土壤含鹽量>3 g/kg的概率空間分布圖有較大相似性，地下水位埋深小于2.0 m的高概率（概率在0.4以上）區(qū)集中在西南側和中東部邊緣，土壤含鹽量>3 g/kg（以下稱中度鹽漬化）的高風險區(qū)（概率在0.4以上）絕大部分包含在地下水位埋深小于2.0 m的高概率區(qū)內。地下水位埋深小于2.5 m時的概率空間分布圖與土壤含鹽量>2 g/kg（以下稱輕度鹽漬化）的概率空間分布圖具有較高的相似度，地下水位埋深小于2.5 m的高概率（概率在0.4以上）區(qū)基本覆蓋了輕度鹽漬化的高概率（概率在0.4以上）區(qū)。可見，若某空間點上地下水位埋深小于2.0 m或2.5 m的概率較高（概率在0.4以上），則通常發(fā)生輕度或中度鹽漬化風險就大（概率在0.4以上），因而，可以初步斷定土壤表層發(fā)生中度鹽漬化的地下水位埋深臨界值是2.0 m，發(fā)生輕度鹽漬化的地下水位埋深臨界值是2.5 m。當然，2種概率空間分布圖不能完全吻合，這是因為影響土壤鹽漬化的因素除地下水位埋深之外，還有礦化度、土壤質地、人類活動等諸多因素對土壤鹽漬化的形成產生影響，地下水埋深不是唯一主要影響因素[22-23]。

圖3 研究區(qū)2012年3月底地下水位埋深在不同閾值條件下的概率空間分布

圖2采用的是研究區(qū)4月底的土壤鹽分數據，而圖3中地下水位埋深用的是3月底的數據，之所以這樣，是因為考慮到地下水位埋深對土壤表層返鹽的影響具有“滯后”作用[24]。為了證明此“滯后”作用的存在，下面對與土壤鹽分同時期的4月底地下水位埋深數據進行指示Kriging插值，得到地下水位埋深分別小于2.0 m和2.5 m時的概率空間分布圖（見圖4）。3月底（圖3b、3c）和4月底（圖4a、4b）相同閾值的地下水位埋深概率空間分布圖對比顯示，2個時期概率空間分布圖仍存在很高的相似性，高概率區(qū)大致均分布在西南側的中間部分和東側靠北一帶，只是高概率區(qū)面積灌水后比灌水前有所增加；大致呈三角形的研究區(qū)，其南側一角基本均處于低概率區(qū)。圖3、4和圖2對比分析表明：① 3月底和4月底地下水位埋深小于閾值（2.0m和3.0 m）的高概率區(qū)，基本與土壤表層返鹽的高風險區(qū)相對應，說明西南及中東部區(qū)域是地下水位淺埋區(qū)，地下水位埋深小于返鹽臨界埋深的概率較大，土壤返鹽風險大；研究區(qū)南側一角是地下水位埋深的低概率區(qū)，同時也是土壤返鹽的低風險區(qū)；這一結論充分也說明上述從空間分布格局角度確定的地下水位臨界埋深是合理的；②在西北邊緣零星分布著土壤鹽分高概率區(qū)，但是對應的地下水位埋深并不屬于高概率區(qū)，可能原因：一是大量鹽分隨水沖到下游，致使其土壤積鹽，但總排干卻降低了這些區(qū)域的地下水位，二是這些返鹽高風險區(qū)附近基本都存在地下水位埋深小于臨界值的高概率區(qū)，地下水位淺埋的高概率區(qū)通常是由于灌水量較大造成的，大量灌水就會將鹽分淋洗或壓入附近區(qū)域；③ 3月底地下水位埋深概率空間分布圖與土壤表層含鹽量概率分布圖的相似程度要略高于4月底的概率分布圖，特別是高概率區(qū)吻合度較高，這證明了地下水位埋深對土壤返鹽的影響具有一定滯后效應，前期地下水位埋深對土壤返鹽的作用更大一些，原因是鹽分隨水分遷移至地表需要一定時間。但不能忽略的是3月底和4月底相同閾值的地下水位埋深概率分布圖相似度是較高的，這說明土壤返鹽是一個過程，只有地下水位埋深小于臨界深度的狀態(tài)維持一段時間，才會造成土壤中度或輕度鹽漬化。

4）地表鹽分空間分布與地下水位埋深的關系

為進一步驗證上文關于防止土壤鹽漬化的地下水位埋深臨界值的結果，考慮用2001年、2006年和2012年地下水位埋深數據，應用指示Kriging法進行插值，將所得概率空間分布圖（以閾值2.0 m為例）與蘇濤2013年用遙感數據反演的解放閘灌域（僅為該灌域的一部分，即北以總排干為界，南以總干渠為界的部分灌域）鹽漬化土壤類型分布圖進行逐年對比。關于鹽分數據的反演過程參見文獻[20]）。圖5和圖6分別是不同時期研究區(qū)地下水位埋深小于2.0 m的概率空間分布圖和與地下水位埋深同期的表層土壤鹽漬化類型分布圖。

圖4 研究區(qū)2012年4月底地下水位埋深在不同閾值條件下的概率空間分布

在2001年地下水位埋深概率空間分布圖內，地下水位埋深小于2.0 m的高概率（概率在0.4以上）區(qū)域主要集中在研究區(qū)的西南部和北部一帶，低概率區(qū)的區(qū)域主要占據著研究區(qū)的中部地區(qū)；同時期的鹽漬化土壤類型分布圖中，研究區(qū)西南部、中部以北和北部區(qū)域處于中度和重度鹽漬化，與地下水位埋深小于2.0 m的高概率區(qū) 有較高的對應關系；而中部地區(qū)處于輕度鹽漬化的范圍也較大，與地下水位埋深的低概率區(qū)亦在一定程度上相 吻合。

圖5 不同時期研究區(qū)地下水位埋深小于2m的概率空間分布

圖6 不同時期研究區(qū)土壤鹽漬化類型分布

在2006年，地下水位埋深概率空間分布圖內，高概率區(qū)（概率在0.4以上）的面積相對于2001年有所減小，低概率區(qū)的范圍逐漸擴大，高概率區(qū)主要分布于西南和西北一帶；地下水位埋深的高、低概率區(qū)空間分布與同期土壤鹽漬化程度的空間分布吻合較好，如西南與西北的高概率區(qū)鹽漬化程度也比較嚴重，而東北角和南部一角的低概率區(qū)鹽漬化程度也比較輕。在2012年地下水位埋深概率空間分布圖內，高概率所占比例進一步縮小，主要以0.6以下的概率區(qū)為主，0.6以上的僅在研究區(qū)西南部和東部殘存有小部分；而同期的鹽漬化土壤類型分布圖中，鹽漬化危害得到明顯的改善，但灌域內仍舊零星分布著中度以上鹽漬化土壤，其分布與地下水位埋深的概率空間分布圖也有一定程度的相似性。就總體來看，從2001年到2012年地下水位埋深小于2.0 m的高概率比例逐漸減小（2001、2006與2012年高概率區(qū)所占比例大致分別為0.89、0.64和0.52），相應的鹽漬化土壤類型分布圖中中度以上鹽漬化（土壤表層含鹽量大于3 g/kg）土壤的比例也在降低，二者動態(tài)變化規(guī)律亦昰一致的?？梢?，從發(fā)生土壤中度鹽漬化角度看，地下水位埋深臨界值取為2.0 m具有一定合理性。

3 討 論

前述分析及有關文獻表明，2001年到2012年解放閘灌域地下水位總體呈下降趨勢[25]，鹽漬化程度逐漸減輕[20]；除2001年外，近似于三角形（西南邊、東南邊和西北邊）的灌域，其地下水位西南側中部區(qū)域和東南側中部偏北區(qū)域地下水位埋深小于2.0 m的概率較大，且沿西南至中東部的軸線向兩側地下水位有逐漸降低的趨勢，而土壤鹽分在西南側、東南側中部偏北區(qū)域含量亦較高，變化趨勢與地下水埋深概率分布圖也有較高的相似度；2000年4月底大部分區(qū)域處于地下水埋深小于2.0 m的高概率區(qū)，同時期的鹽漬化程度達到輕度以上的區(qū)域約占總面積的65%以上。就總體趨勢而言，本文得到的輕度和中度鹽漬化對應的臨界埋深是合理的，但是相應閾值的地下水埋深概率分布圖與土壤含鹽量概率分布圖或遙感反演的鹽漬化類型分布圖都不可能完全吻合。淺埋地下水中的鹽分隨上升毛管水不斷遷移至作物根層和地表是造成是灌域土壤鹽漬化的主要原因，但由于土壤的空間變異、各種作物插花種植以及非耕地點綴其中，使得灌域內各點的蒸發(fā)蒸騰量各不相同，即使是同樣的地下水埋深，隨水分遷移至地表的鹽分數量亦可能有很大差異；另一方面，灌域內地下水礦化度亦有較強的空間變異 性[26]，加之地形條件、氣象條件、灌水和前期凍融等的影響，都會破壞地下水位、土壤含鹽量的連續(xù)性，也影響了二者之間的關系；此外，因各級排干相對處于排水的下游，其附近地下水接納的通常是降雨或灌溉后鹽分濃度較高的淋洗水，造成其地下水含鹽量相對較高[27]，故而盡管地下水位低于2.0 m的概率不高，但歷年土壤鹽漬化類型分布圖上，各級排干附近，特別是總排干兩側積鹽卻較嚴重。

盡管有諸多結構性和隨機性因素的影響，本文得出的關于灌域尺度上防治土壤鹽漬化的地下水臨界埋深，與前人從試驗（定點研究）[28-29]、數值模擬[30]等方法得到的結論是相協(xié)調的，如，孔繁瑞等[28]的坑測法試驗表明從鹽漬化控制角度看，河套灌區(qū)地下水埋深宜控制在2.0 m左右為宜；張義強等[29]通過野外試驗對內蒙古河套灌區(qū)葵花進行鹽漬化與地下水的規(guī)律研究，得出葵花以控制地下水埋深2.0～2.5 m最佳；楊會峰等[30]利用HYDRUS軟件模擬了河套灌區(qū)荒地不同時段的不同控制地下水埋深條件下包氣帶水鹽變化規(guī)律，定量確定了4月份防治鹽漬化的地下水埋深臨界值大于2.4～2.7 m。這些研究成果說明本文提出的灌域尺度上防治土壤鹽漬化的地下水臨界埋深是可靠的，用指示克立格法研究灌區(qū)或區(qū)域尺度上地下水臨界埋深是合理的。

土壤鹽分的空間分布與采樣尺度關系密切[31]，本次解放閘灌域取樣面積較大，采樣間距也較大，加之灌域土壤變異、地形條件、氣象條件、灌溉排水、種植結構等的影響，要真正探明整個灌域不同尺度上的鹽漬化形成規(guī)律，仍需在不同尺度上進一步開展研究。另外，對于河套灌區(qū)這種干旱地區(qū)來說，過度控制地下水位很可能打破其脆弱的生態(tài)平衡，如何從灌區(qū)的可持續(xù)發(fā)展角度，將地下水位的調控與各影響因素集成考慮，從而同時達到控制土壤鹽漬化和荒漠化的目的，仍有待進一步研究。

4 結 論

對內蒙古河套灌區(qū)解放閘灌域地下水位埋深與土壤鹽分空間變異特征進行分析，采用指示Kriging估值得到不同閾值的地下水位埋深和土壤鹽分概率分布圖，通過鹽漬化風險分布圖及地下水位埋深概率分布圖對比分析得出以下結論：

1）土壤鹽分和地下水位埋深均屬中等變異，其指示變異函數理論模型均為球狀模型，且不同閾值下，兩變量均呈中等強度的空間自相關性。與地下水位埋深相比，土壤鹽分的空間自相關程度較弱，自相關范圍也較小，說明土壤鹽分空間變異受隨機因素的影響較大。

2）從地下水位埋深和土壤表層含鹽量的空間分布格局分析，4月底土壤表層發(fā)生中度鹽漬化（土壤表層含鹽量大于3 g/kg）時地下水位臨界埋深為2.0 m，發(fā)生輕度鹽漬化（土壤表層含鹽量大于2 g/kg）時地下水位臨界埋深為2.5 m，這一結論可為解放閘灌域大范圍內調控地下水埋深，防治土壤鹽漬化提供理論依據。

3）解放閘灌域的西南側中部區(qū)域和東南側中部偏北區(qū)域是地下水位淺埋區(qū)，地下水位埋深小于臨界埋深的概率較大，土壤返鹽風險大。地下水位埋深對土壤返鹽的影響具有一定滯后效應，前期地下水位埋深對土壤返鹽的作用更大一些；土壤返鹽是一個過程，只有地下水位埋深小于臨界深度的狀態(tài)維持一段時間，才會造成土壤中度或輕度鹽漬化。

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Study on relationship between soil salinization and groundwater table depth based on indicator Kriging

Xu Ying1, Ge Zhou1, Wang Juan1, Li Wei2, Feng Shaoyuan1※

(1.225009,;2.212003,

Soil salinization is the most important land degradation processes in many arid and semi-arid areas with shallow groundwater table depth. Preventing and controlling soil salinization is an important guarantee of the sustainable development of agricultural and ecological environment. Due to an arid and semi-arid continental climate with low rainfall, high evaporation and shallow groundwater table, the Hetao irrigation district (HID), located along the Yellow River in Inner Mongolia, is a typical secondary salinized area in the north of China. In order to understand the relationship between soil salinization and groundwater table at district scale, the Jiefangzha sub-district, the second largest sub-district in HID, was selected as the study area. A total 53 groundwater observation wells and 41 soil salinity monitoring sites were installed in the sub-district. The depth of groundwater level was measured at the ends of March and April in 2012, and the soil salt content was measured at the depths of 0-0.1, 0.1-0.2, 0.2-0.4, 0.4-0.6 m of soil salinity monitoring sites at the end of April in 2012. The probability maps of the critical groundwater table depth and the soil salinity were generated by the indicator Kriging technique with low salinity threshold (2 g/kg), moderate salinity threshold (3 g/kg), and 4 groundwater table depth thresholds of 1.5, 2.0, 2.5 and 3.0 m. Spatial distributions of the soil salinity probability for each of the thresholds were compared with each of groundwater table depth thresholds, and the relationship between soil salinity and groundwater table depth were evaluated on the basis at the district scale. The results showed as following: 1) Surface soil salinity and groundwater table depth exhibited moderate spatial variability and moderate spatial dependence. The spherical model was the best-fitted model for the indicator semivariograms of soil salt and groundwater depth with different thresholds. 2) The spatial distribution of moderate salinization risk was greatly similar to that of the probability of groundwater depth less than 2.0 m, and the spatial distribution of low salinization risk was greatly similar to that of the probability of groundwater depth less than 2.5 m. Especially, the high salinization risk areas were usually corresponding to that of the high probability areas with groundwater depth less than the critical depth of 2.0 or 2.5 m. Meanwhile, the spatial distribution of the probability of groundwater depth less than 2.0 m was greatly similar to the spatial distributions of soil salinization types based on remote sensing inversion at the end of April in 2001, 2006 and 2012. These indicated that the critical depths of groundwater at the district scale were 2.0 and 2.5 m when the low and moderate salinization occurred on the surface soil in the Jiefangzha sub-district at the end of April, respectively. In the sub-district, the high probability area that the groundwater depth did not exceed the critical values gradually decreased from 2001 to 2012. These soils were mainly located in the area of east central and south west of the sub-district, and were corresponding to the soil of the high salinization risk area. 3) Compared with the probability map of groundwater table depth at the end of April, that at the end of March had higher degree of similarity with the spatial distribution of salinization risk of surface soil, which indicated that there was a certain lag effect of the groundwater table depth on soil salinization, and the low or moderate salinization risk would increase when the groundwater depth was less than the critical depth and maintained for a period of time. These results could be useful for the administrator to control groundwater table depth and prevent soil salinization at the district scale. The article also provides a reference for studying causes and regulation of secondary soil salinization at the district scale.

soils; salinization; models; groundwater table depth; spatial distribution; indicator Kriging; Jiefangzhairrigation sub-district

2018-07-13

2018-11-26

國家重點研發(fā)計劃項目（2017YFC0403301）；國家自然科學基金（51609209）；江蘇省自然科學基金（BK20160471）

徐 英，副教授，博士，主要從事農業(yè)水土環(huán)境與灌排理論等方面教學與科研工作。Email: xuying@yzu.edu.cn

馮紹元，博士，教授，博士生導師，主要從事農業(yè)水資源與水環(huán)境及節(jié)水灌溉技術等方面教學與科研工作。Email: syfeng@yzu.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.01.015

S156.4

A

1002-6819(2019)-01-0123-08

徐 英，葛 洲，王 娟，李 偉，馮紹元. 基于指示Kriging法的土壤鹽漬化與地下水埋深關系研究[J]. 農業(yè)工程學報，2019，35(1)：123－130. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.01.015 http://www.tcsae.org

Xu Ying, Ge Zhou, Wang Juan, Li Wei, Feng Shaoyuan. Study on relationship between soil salinization and groundwater table depth based on indicator Kriging[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(1): 123－130. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.01.015 http://www.tcsae.org