焉耆盆地農(nóng)田耕層土壤鹽分的空間變異及分布格局

王維維，麥麥提吐爾遜·艾則孜, 2，艾提業(yè)古麗·熱西提，艾尼瓦爾·買買提

(1. 新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830054；2. 新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源實驗室，新疆 烏魯木齊 830054；3.新疆大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046)

土壤鹽分是限制農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要因素，土壤鹽分含量過高不僅影響農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，還會導(dǎo)致土壤肥力下降，土地退化，并對區(qū)域生態(tài)安全構(gòu)成潛在風(fēng)險[1]，因而是一個關(guān)鍵性的生態(tài)問題[2]。土壤鹽漬化是指易溶性鹽分在自然和人為作用下不斷在土壤表層累積以至超過某一限度的現(xiàn)象或過程[3]。當(dāng)前，鹽漬化已成為全球性的問題之一，尤其在干旱半干旱地區(qū)極為顯著[4]。由土壤鹽漬化引起的土地退化已成為干旱區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的最大障礙[5]，危及綠洲生態(tài)的穩(wěn)定性與環(huán)境的安全性。因而，對干旱區(qū)農(nóng)田土壤鹽分的研究顯得尤為重要[6]。

根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織統(tǒng)計，全世界鹽漬化土壤面積約9.5×108hm2，其中中國鹽漬土面積約為 3.6×107hm2[7]，而新疆又是我國鹽堿化土地分布面積最廣、土壤積鹽最嚴重的地區(qū)，被稱為“世界鹽堿土的博物館”[8]。土壤鹽漬化已成為新疆農(nóng)業(yè)發(fā)展的最大障礙，也是影響整個綠洲生態(tài)安全的因素[9]。新疆焉耆盆地是天山主脈與其支脈之間的斷陷盆地，盆地內(nèi)有我國最大的內(nèi)陸淡水湖,湖周圍地勢低, 是上游河水的天然鹽分積聚地, 加之多年不合理的灌溉方式和耕作方式, 使得下游土壤鹽漬化現(xiàn)象嚴重,生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)發(fā)展受到影響[10]。要了解研究區(qū)農(nóng)田土壤鹽漬化的分布情況，就需要獲取土壤pH值、含鹽量或電導(dǎo)率的信息，這是進行鹽漬土改良治理必不可少的基礎(chǔ)性資料。

國內(nèi)的一些學(xué)者對土壤鹽漬化的研究多基于地統(tǒng)計法和空間自相關(guān)法，如趙明亮等[11]利用地統(tǒng)計法和空間自相關(guān)法對新疆艾比湖濕地土壤水鹽空間變異性進行了分析，陳英等[12]對秦安縣郭嘉鎮(zhèn)耕作層土壤養(yǎng)分含量的空間自相關(guān)進行分析，鄧寶山等[13]利用地統(tǒng)計法對克里雅綠洲地下水埋深與土壤鹽分時空分異及耦合進行了分析，均得到了較好的效果。因此,本論文以焉耆盆地典型農(nóng)田土壤為樣區(qū)，以土壤pH值、電導(dǎo)率和含鹽量作為評價土壤鹽漬化程度的主要指標，采用地統(tǒng)計學(xué)方法探討土壤含鹽量空間分異特征，結(jié)合空間自相關(guān)法闡釋土壤鹽分的關(guān)系，了解土壤含鹽量的變異性與分布規(guī)律，以期為焉耆盆地土地資源的合理利用、土壤生態(tài)系統(tǒng)的保護和提高農(nóng)作物產(chǎn)量提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

新疆焉耆盆地(86°10′～86°54′E，41°52′～42°22′N)位于塔里木盆地的東北側(cè)，北依天山主脈的依連哈比爾尕山及其支脈科克鐵克山、霍拉山中間的蒙爾賓山，南傍庫魯克塔格山，是天山主脈與其支脈之間的中生代斷陷盆地，在行政區(qū)劃上包括新疆維吾爾自治區(qū)和碩、和靜、焉耆和博湖縣(圖1)，總面積約278 045 hm2，是新疆綠洲經(jīng)濟發(fā)展的核心示范區(qū)之一。研究區(qū)氣候?qū)儆谂瘻貛Т箨懶愿珊祷哪畾夂颍０? 050～1 450 m，多年平均降水量約68 mm，多年平均蒸發(fā)量約2 500 mm，多年平均氣溫約8.8℃。因受博斯騰湖水域的調(diào)節(jié)，冷熱變化相對和緩，日照時間長，熱量較豐富，≥10℃的年積溫約3 700℃，農(nóng)作物生長期為4-9月。農(nóng)作物以辣椒、番茄、小麥、棉花和玉米等為主，是新疆辣椒種植與加工的主要產(chǎn)地[14]，加工辣椒種植面積約1.8萬hm2，辣椒的生產(chǎn)與加工已成為當(dāng)?shù)剞r(nóng)民增收的重點產(chǎn)業(yè)之一。研究區(qū)土壤類型主要為灌耕草甸土、灌耕棕漠土、灌耕沼澤土、灌漠土、灌耕石質(zhì)土、灌耕風(fēng)沙土、鹽土等。

1.2 樣品采集與測定

于2016年5-8月在焉耆盆地采集表層(0～20 cm)耕地土壤樣品195個。采用10 m×10 m內(nèi)“梅花形”布設(shè)5個子樣點，每個子樣點采集土壤200 g左右，充分混合后室溫下風(fēng)干，剔除沙礫及植物殘體等雜物，將其碾碎后，通過100目尼龍篩混勻后備用。采集的195個土壤樣品中包括蔬菜地(辣椒、西紅柿、甜菜、南瓜、蔥)、小麥地、玉米地、向日葵地和新墾地。稱量20 g土壤樣品與100 mL去離子水配制成水土比為5∶1的土壤溶液，使用Orion 115+A儀測定土壤含鹽量和電導(dǎo)率，pH Meter酸度計測定pH值[15]。

圖1 焉耆盆地位置及采樣點分布Fig.1 The location of the Yanqi Basin and sampling location

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 19.0對數(shù)據(jù)進行經(jīng)典統(tǒng)計、Kolmogorov-Smirnov(K-S)檢驗和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，運用GS+7.0進行半方差函數(shù)計算和Moran’s I系數(shù)分析，采用ArcGIS 10.3 軟件繪制空間分布圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤pH值、電導(dǎo)率和含鹽量特征分析

焉耆盆地農(nóng)田土壤pH值、電導(dǎo)率和含鹽量的統(tǒng)計結(jié)果見表1。由表1可知，土壤pH值介于7.90～9.50，電導(dǎo)率介于0.06～3.47 mS·cm-1，含鹽量介于0.60～54.00 g·kg-1之間。K-S檢驗表明，土壤pH值呈正態(tài)分布，電導(dǎo)率和含鹽量呈對數(shù)分布。對于電導(dǎo)率和含鹽量，使用SPSS 19.0軟件對其數(shù)據(jù)進行正態(tài)分布轉(zhuǎn)換，使其達到進行半方差函數(shù)計算及空間插值的要求。所有因子的數(shù)據(jù)分布與正態(tài)曲線相比均為正偏，其中含鹽量的偏斜程度最大；電導(dǎo)率和含鹽量的峰度系數(shù)較大，表明其含量高于均值的采樣點較多。

變異系數(shù)(Coefficient of Variation, CV)是用以比較不同樣本離散程度的指標，當(dāng)CV<10%為弱變異性，CV在10%～100%之間為中等變異性，CV>100%為強變異[16]。研究區(qū)土壤pH值的變異系數(shù)為0.036，呈現(xiàn)弱變異，表明土壤pH值分布均勻；電導(dǎo)率的變異系數(shù)達到1.102，屬于強變異，主要受施肥、灌溉、蒸發(fā)及地表微地形等干擾因素的影響[17]；含鹽量的變異系數(shù)為0.617，呈現(xiàn)中等變異。

2.2 土壤pH值、電導(dǎo)率和含鹽量的空間變異

由半方差函數(shù)理論及計算模型結(jié)果可知(表2，圖2)，焉耆盆地農(nóng)田土壤pH值和電導(dǎo)率的理論模型符合指數(shù)模型，含鹽量符合高斯模型。土壤pH值、電導(dǎo)率和含鹽量的有效變程(a)存在較大的差異，介于0.084～5.997 km之間，其中土壤pH值和含鹽量的有效變程明顯大于電導(dǎo)率，表明電導(dǎo)率的空間格局相對復(fù)雜，可能受小尺度隨機因素的影響較大。所有元素的決定系數(shù)(R2)均大于0.576，殘差(RSS)較小，說明本研究中理論模型的選取符合進行地統(tǒng)計分析的基本要求。

表2中Co為塊金值；Co+C為基臺值，Co/(Co+C)為基底效應(yīng)，可以表明土壤性質(zhì)空間相關(guān)性的程度。如果Co/(Co+C)小于25%，表現(xiàn)為強空間相關(guān)性；在25%～75%之間為中等的空間相關(guān)性；大于75%，空間相關(guān)性很弱[18]。研究區(qū)土壤電導(dǎo)率的基底效應(yīng)大于0.75，表明其空間分布以隨機性變異為主；pH值和含鹽量的基底效應(yīng)介于0.25～0.75之間，呈中等的空間相關(guān)性，表明其空間分布可能受到較明顯的人為、自然因素的共同影響。分維數(shù)D是描述變異函數(shù)曲線曲率大小的量，可作為隨機變異的量度，其值越小說明空間依賴性越強。研究區(qū)農(nóng)田土壤鹽分因子的分維數(shù)從大到小順序依次為電導(dǎo)率>pH值>含鹽量，盡管分維數(shù)相差不大，但仍然可以看出空間異質(zhì)性程度的不同。

表1 研究區(qū)土壤pH值、電導(dǎo)率和含鹽量的數(shù)據(jù)分析

表2 研究區(qū)土壤pH值、電導(dǎo)率和含鹽量的半方差函數(shù)類型和模型參數(shù)

2.3 土壤pH值、電導(dǎo)率和鹽分的相關(guān)性

由農(nóng)田土壤pH值、電導(dǎo)率及含鹽量的相互關(guān)系(圖3)可知，土壤pH值與電導(dǎo)率呈現(xiàn)相反的趨勢，pH值越大電導(dǎo)率越小，pH值越小電導(dǎo)率越大。pH值和電導(dǎo)率呈負的相關(guān)性，回歸方程為y=-0.0099x+8.6224(R2=0.1008，n=195)。從pH值和含鹽量的變化趨勢來看，土壤pH值與含鹽量呈現(xiàn)相反的趨勢，回歸方程為y=-0.5889x+5.5325(R2=0.1156，n=195)。土壤含鹽量和電導(dǎo)率呈正相關(guān)性，即隨著含鹽量的升高電導(dǎo)率也升高，其回歸方程為y=0.0427x+0.2104(R2=0.7464，n=195)。

2.4 土壤pH值、電導(dǎo)率和含鹽量的Moran’s I系數(shù)分析

Moran’s I系數(shù)可定量反映變量在空間的依賴程度。自相關(guān)系數(shù)I的范圍在[-1，1]之間，I>0表示變量在空間上呈正的相關(guān)性；I<0表示變量在空間上呈負的相關(guān)性；I=0表示變量在空間上依賴性小或隨機變異較大。Z表示Moran’s I轉(zhuǎn)換為標準正態(tài)分布的值，當(dāng)Zscore>1.96或Zscore<-1.96(a=0.05)時，表明在空間上存在顯著的空間自相關(guān)性；當(dāng)Zscore位于區(qū)間[-1.96,1.96]時，觀測值呈獨立的隨機分布[19]。

研究區(qū)農(nóng)田土壤pH值、電導(dǎo)率及含鹽量的Moran’s I指數(shù)分別為0.1317、-0.0060、-0.0382。土壤pH值Moran’s I系數(shù)大于0，表示在空間上呈正的相關(guān)性，即空間相似值之間表現(xiàn)出空間集聚性；電導(dǎo)率和含鹽量Moran’s I系數(shù)小于0，在空間上呈負的相關(guān)性，且接近于0，可認為其在空間上依賴小或隨機變異大。土壤pH值、電導(dǎo)率及含鹽量的Z值依次為4.7450、-0.0226、-1.3335。pH值Z值大于1.96，在空間內(nèi)存在顯著的空間自相關(guān)性，表示某采樣點與周圍樣點類似，即呈空間集聚；電導(dǎo)率和含鹽量位于-1.96～1.96之間，表示某采樣點與周圍樣點值差別大，即呈現(xiàn)孤立的隨機分布。

利用GS+平臺對研究區(qū)農(nóng)田土壤中pH值、電導(dǎo)率和含鹽量在不同水平距離尺度下的Moran’s I空間自相關(guān)性界線進行分析(圖4)。由圖4可知，土壤pH值、電導(dǎo)率和含鹽量的空間距離在0.04 km表現(xiàn)出強的正相關(guān)性，但隨著距離增大，正相關(guān)性減弱，負相關(guān)性增強。pH值和含鹽量的空間距離在0.62 km時負相關(guān)性最強(I分別為-0.0494和-0.0624)；電導(dǎo)率的空間距離在0.67 km時負相關(guān)性最強(I=-0.0627)。研究區(qū)土壤pH值、電導(dǎo)率和含鹽量的Moran’s I分別介于-0.0494～0.2585、-0.0627～0.1406和-0.0624～0.0702，其中電導(dǎo)率和含鹽量的變異范圍較窄，這說明土壤鹽分和電導(dǎo)率的空間變異主要受隨機性因素影響。土壤pH值和電導(dǎo)率隨空間距離的增加表現(xiàn)出相似的Moran’s I系數(shù)變化趨勢。

2.5 土壤pH值、電導(dǎo)率和含鹽量的空間分布特征

通過ArcGIS利用Kriging空間插值法得到pH值、土壤電導(dǎo)率和含鹽量的空間分布格局(圖5)。由圖5可知，土壤pH值高值區(qū)主要分布在博斯騰湖西南部湖濱濕地北部的農(nóng)田；土壤電導(dǎo)率高值區(qū)主要分布于博斯騰湖沿岸及和靜縣南部的農(nóng)田土壤；含鹽量高值區(qū)主要位于博斯騰湖湖濱低洼區(qū)和開都河、黃水溝、清水河、曲惠河和烏拉斯臺河下游并呈條帶狀分布，離河道越近，鹽分含量越高。

圖2 土壤pH值、電導(dǎo)率和含鹽量的半方差函數(shù)Fig.2 Semi-variance of soil pH,electrical conductivity and soil salinity

圖3 土壤pH值、電導(dǎo)率及含鹽量的相互關(guān)系Fig.3 The dependency pertinence of soil pH,electrical conductivity and salinity

圖4 土壤pH值、電導(dǎo)率及含鹽量的Moran’s I系數(shù)Fig.4 Moran’s I analysis of soil pH,electrical conductivity and salinity

圖5 焉耆盆地土壤pH值、電導(dǎo)率和含鹽量的空間分布概率Fig.5 The probability of spatial distribution of soil pH,electrical conductivity and salinity in Yanqi Basin

參照新疆土壤鹽堿化分級標準[20]，分析了研究區(qū)土壤鹽漬化程度(圖6)，結(jié)果表明焉耆盆地農(nóng)田土壤以非鹽漬化土和輕度鹽漬化土為主，主要分布于開都河中上游地區(qū)。和靜縣城南的農(nóng)田、和碩縣城東南的農(nóng)田及博湖縣以東的農(nóng)田鹽漬化程度最高，已達到鹽土程度。研究區(qū)非鹽化土、輕度鹽化土、中度鹽化土、重度鹽化土和鹽土面積分別為139 300.54、59 390.62、16 960.86、22 660.91 hm2和39 705.39 hm2。

圖6 焉耆盆地土壤鹽漬化分級空間分布Fig.6 Spatial distribution and classification of soil salinization in Yanqi Basin

2.6 土壤鹽分的風(fēng)險性評價

為了進一步了解焉耆盆地農(nóng)耕表層土壤(0～20 cm)含鹽量的空間分布特點，本研究基于ArcGIS 10.3軟件，采用概率Kriging空間插值法，對土壤含鹽量在不同含量水平下的概率分布做了風(fēng)險性評價。

農(nóng)田土壤含鹽量的風(fēng)險性評價如圖7所示，從整體看，含鹽量≤2 g·kg-1的平均概率為0.3154，其概率區(qū)間以0～0.2和0.8～1.0的分布最廣(圖7a)，面積分別為85 816.36、75 518.39 hm2，分別占整個研究區(qū)面積的30.86%和27.16%；含鹽量≤4 g·kg-1的平均概率為0.5469，空間分布以0.6～0.8的概率為主(圖7b)，面積為106 311.32 hm2，占整個研究區(qū)面積的38.24%；含鹽量>4 g·kg-1的平均概率為0.1335，空間分布以0.4～0.6和0.8～1.0的概率為主(圖7c)，面積分別為96 711.30、78 577.93 hm2，分別占整個研究區(qū)面積的34.78%和28.26%。這部分田塊為含鹽量的高值區(qū)。因此，進行含鹽量的風(fēng)險性研究，可以從區(qū)域大尺度上發(fā)現(xiàn)鹽分分布的情況，為焉耆盆地農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境管理提供理論支持。

圖7 焉耆盆地不同土壤含鹽量水平下的概率分布Fig.7 Probability distribution of soil salinity at different levels in Yanqi Basin

3 討 論

以焉耆盆地耕層土壤為研究對象，對該區(qū)域內(nèi)農(nóng)田土壤pH值、電導(dǎo)率和含鹽量特征進行分析，pH值、電導(dǎo)率和含鹽量具有一定的空間變異性。土壤pH值變異系數(shù)小于10%，呈弱的變異性，這與貢璐等[21]對塔里木盆地典型綠洲土壤水鹽空間特征的研究結(jié)論相似，說明pH值受人類活動、土地利用和河水灌溉等隨機因素的影響小。土壤電導(dǎo)率的變異系數(shù)大于100%，呈強變異；含鹽量的變異系數(shù)位于10%～100%之間，呈中等變異。電導(dǎo)率的基地效應(yīng)大于0.75，表明其空間變異以灌溉、施肥、種植制度、耕作制度等隨機性影響為主；土壤pH值和含鹽量的基地效應(yīng)介于0.25～0.75之間，表現(xiàn)為中等空間相關(guān)性，這說明土壤pH值和含鹽量是由隨機性因素和結(jié)構(gòu)性因素共同影響的結(jié)果。康璇等[22]對渭干河-庫車河三角洲土壤pH值的空間變異特征中發(fā)現(xiàn)土壤pH值呈中等的空間相關(guān)性，劉廣明等[23]對典型綠洲區(qū)土壤鹽分空間變異特征研究中發(fā)現(xiàn)土壤鹽分呈中等的空間相關(guān)性，這與本文的研究一致。

通過空間插值得到的焉耆盆地農(nóng)田土壤鹽分因子的分布特征，其中含鹽量高值區(qū)主要位于博斯騰湖湖濱低洼區(qū)和開都河、黃水溝、清水河、曲惠河和烏拉斯臺河沿岸，呈條帶狀分布，與電導(dǎo)率變化趨勢呈現(xiàn)一定的相似性。土壤pH值高值區(qū)主要分布在博斯騰湖西南部湖濱濕地北部的農(nóng)田，可能與該區(qū)地下水埋深較淺且礦化度較大有關(guān)，這與麥麥提吐爾遜·艾則孜等[24]研究結(jié)果一致。土壤pH值和含鹽量的相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，兩者呈負相關(guān)，這與孟超然等[25]對干旱區(qū)長期膜下滴灌農(nóng)田耕層土壤鹽分變化的研究得出的結(jié)論一致，可能與長期大量施用化肥有關(guān)。李宗杰等[26]在研究武威市降水pH值和電導(dǎo)率的相互關(guān)系時發(fā)現(xiàn)，pH值與電導(dǎo)率呈顯著的負相關(guān)，這與本文的研究結(jié)果一致。以往研究表明[27-28]，土壤電導(dǎo)率與含鹽量具有較好的相關(guān)性，本研究區(qū)域土壤電導(dǎo)率與含鹽量的相關(guān)性同樣顯著。

在對研究區(qū)土壤中鹽分風(fēng)險性評價時，分布概率圖中臨界值的確定是一個值得探討的問題。本研究是借鑒新疆土壤鹽堿化程度分級標準，并結(jié)合研究區(qū)實際的鹽分含量分布設(shè)定該臨界值的。但是，臨界值多大才可能危及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)？這與土壤性質(zhì)、生態(tài)環(huán)境及人類活動有關(guān)，對其準確值的確定，還需要進一步研究。

通過對焉耆盆地土壤鹽漬化情況分析得知，研究區(qū)土壤鹽漬化以非鹽漬化土和輕度鹽漬化土為主。孔德庸等[29]在2009年研究焉耆盆地鹽漬化情況時發(fā)現(xiàn)其以鹽土和中度鹽漬化土為主，說明研究區(qū)近些年土壤已由鹽土、中度鹽漬化土轉(zhuǎn)向非鹽漬化土和輕度鹽漬化土，其中向非鹽漬化土轉(zhuǎn)化的面積最大，土壤鹽漬化現(xiàn)象減輕。研究焉耆盆地農(nóng)田土壤鹽分因子空間分布特征，可為灌耕綠洲土地的合理開發(fā)利用及土壤鹽漬化的防治改良提供理論依據(jù)。

4 結(jié) 論

1)研究區(qū)農(nóng)田土壤pH值介于7.90～9.50，電導(dǎo)率介于0.06～3.47 mS·cm-1，含鹽量介于0.60～54.00 g·kg-1之間。研究區(qū)土壤pH值、電導(dǎo)率和含鹽量的變異系數(shù)分別為0.036、1.102、0.617，電導(dǎo)率和含鹽量的變異較明顯，土壤pH值的變異較小。

2)通過半方差函數(shù)分析，焉耆盆地農(nóng)田土壤中pH和電導(dǎo)率的理論模型符合指數(shù)模型，含鹽量符合高斯模型。pH值的空間變異以結(jié)構(gòu)性變異為主，電導(dǎo)率和含鹽量的空間變異以隨機性變異為主。土壤pH值Moran’s I系數(shù)大于0，在空間上呈正的相關(guān)性，電導(dǎo)率和含鹽量Moran’s I系數(shù)小于0，在空間上呈負的相關(guān)性。電導(dǎo)率和含鹽量的Moran’s I系數(shù)波動較小，空間自相關(guān)均較弱；而pH值的Moran’s I系數(shù)波動較大，空間自相關(guān)均較強。

3)研究區(qū)表層土壤pH值高值區(qū)主要分布在博斯騰湖西南部湖濱濕地北部的農(nóng)田，含鹽量和電導(dǎo)率高值區(qū)分布于博斯騰湖沿岸及和靜縣南部的農(nóng)田土壤，并沿河道呈條帶狀分布，離河道越近，鹽分越高；離河道越遠，鹽分越低。研究區(qū)農(nóng)田土壤以非鹽化土和輕度鹽化土為主。