河套灌區(qū)典型示范區(qū)土壤鹽分和有機質(zhì)空間變異特征

馬貴仁，屈忠義，王麗萍，賈詠霖，劉祖汀

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018）

河套灌區(qū)屬于典型鹽漬化灌區(qū)，整個灌區(qū)耕地存在不同程度鹽漬化，其中輕度、中度和重度鹽堿地分別占耕地總面積的29.8%、17.2%和9.2%［1］（劃分標準參照全鹽含量在0.3%以內(nèi)為輕度鹽堿地，在0.3%～0.6%之間為中度鹽堿地，在0.6以上為重度鹽堿地［2］），嚴重威脅引黃灌區(qū)生態(tài)環(huán)境安全和農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展［3］。土壤中存儲一定的鹽分和有機質(zhì)有利于作物的正常生長［4-5］，而鹽分含量過高不僅會抑制作物正常生長，而且會加重土壤鹽漬化。土壤中的有機質(zhì)除了為作物的生長提供條件外，在改善土壤理化性質(zhì)方面也發(fā)揮著重要作用，是評價土壤肥力和土壤質(zhì)量的重要指標之一［6］。土壤鹽分含量在一定程度上能反映土壤植被根層內(nèi)的鹽漬化程度和狀態(tài)，土壤有機質(zhì)含量在一定程度上能反映土壤熟化程度與供肥能力［7-8］，土壤鹽分和有機質(zhì)含量的空間變異特征是指土壤中二者的含量在不同空間位置中所表現(xiàn)出的差異性及趨勢性［9］。在灌區(qū)自然因素和人為因素的影響下，二者含量在空間上呈非均勻分布。因此，本研究基于河套灌區(qū)五原縣隆興昌鎮(zhèn)“3333 hm2鹽堿地改良試驗示范”項目，研究河套灌區(qū)大規(guī)模鹽堿地改良前后的土壤鹽分和有機質(zhì)含量空間變異特征?？蔀榻窈蠛犹坠鄥^(qū)開展大規(guī)模鹽堿地改良工作提供數(shù)據(jù)參考和實踐依據(jù)，同時，基于土壤性質(zhì)空間變異性和相關(guān)性的研究，對掌握大規(guī)模鹽堿地改良前后土壤元素的空間分布規(guī)律及實現(xiàn)河套灌區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有一定的現(xiàn)實意義，特別是對提高干旱區(qū)的土地利用效率和改善鹽漬化程度等具有重要的理論意義和現(xiàn)實意義［10］。

20世紀60年代以來，地統(tǒng)計學(xué)不斷完善發(fā)展并被成功應(yīng)用于土壤性質(zhì)研究，使人們對土壤的結(jié)構(gòu)特性和空間特性有了更進一步的認識［11-12］，其中，土壤水溶性鹽和有機質(zhì)的定量分析是研究土壤動態(tài)、確定土壤鹽漬化程度以及進行鹽漬化灌區(qū)土壤改良應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。地統(tǒng)計學(xué)分析已經(jīng)被證明是研究土壤空間結(jié)構(gòu)和分布的有效方法［13-16］。至今，國內(nèi)外已有諸多學(xué)者采用地統(tǒng)計學(xué)方法對土壤鹽分、有機質(zhì)含量進行空間變異性研究。Emadi等［17］采用地統(tǒng)計學(xué)方法研究了伊朗北部沿海地區(qū)土壤pH和鹽分的分布規(guī)律，李會亞等［18］研究了民勤綠洲灌區(qū)表層土壤鹽分的空間變化規(guī)律，朱金糴等［19］對天津濱海開發(fā)區(qū)綠地土壤鹽分的時空變異特征進行了研究，為當?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展及土壤鹽漬化的防治改良提供參考。也有很多學(xué)者對土壤有機質(zhì)在空間上的分布格局及變異特征進行了研究，F(xiàn)u等［20］以愛爾蘭牧草地為研究區(qū)進行了土壤養(yǎng)分的空間變化及其對場地肥料施用影響的研究，Lionel等［21］基于地統(tǒng)計學(xué)方法對加拿大東部農(nóng)田中的土壤有機質(zhì)空間分布特征進行分析，朱洪芬等［22］以太原盆地為研究區(qū)進行了土壤有機質(zhì)與影響因子的空間多尺度關(guān)系研究，趙明松等［23］以蘇中平原南部為研究區(qū)進行了土壤有機質(zhì)空間變異特征研究。前人通過分析土壤有機質(zhì)在空間上的分布格局及變異特征，為更加準確地評估土壤肥力及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的增值提供基礎(chǔ)資料。但現(xiàn)有成果中對黃河流域鹽漬化灌區(qū)土壤鹽分和有機質(zhì)含量空間變異特征的研究較少，本研究通過區(qū)域土壤信息定點監(jiān)測，選取149個采樣點，獲得各層土壤樣本，基于地統(tǒng)計學(xué)和GIS空間差值方法分析不同深度土壤下二者的相關(guān)關(guān)系，使用半方差函數(shù)描述其空間變異規(guī)律，通過克里格空間插值法對研究區(qū)進行土壤鹽分和有機質(zhì)空間分布的研究，以探究干旱區(qū)土壤鹽分與有機質(zhì)含量的空間變異特征。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處河套平原腹地，南臨黃河，與鄂爾多斯市相望，北依陰山山脈。于2019年4至10月在內(nèi)蒙古西部巴彥淖爾市五原縣（河套灌區(qū)下游）3333 hm2試驗區(qū)（107°35′70″～108°37′50″E，40°46′30″～41°16′45″N，海拔1019.97～1023.96 m）進行土壤改良試驗，研究區(qū)東西寬約5.76 km，南北長約9.07 km，試驗區(qū)總面積3333 hm2（圖1）。北邊界為110國道、南邊界為孟王栓西中海、西邊界為S212省道、東邊界為研究區(qū)義通排干溝，界限劃分明確，封閉性較好，水土環(huán)境受外圍影響較小。研究區(qū)耕地利用面積約2833 hm2，鹽堿土類型有硫酸鹽氯化物鹽土、氯化物硫酸鹽鹽土、蘇打鹽土、堿化土4個類型，耕地多以砂壤土為主，灌溉以春灌（4～6月）和秋澆（10～11月）為主，大面積種植向日葵、玉米，小面積種植水稻、牧草、高粱，南部靠近湖側(cè)為小部分鹽荒地，僅有雜草生長。

圖1 研究區(qū)地理位置和采樣點分布示意圖

研究區(qū)氣候?qū)儆谥袦貛Т箨懶詺夂颍哂泄饽茇S富、日照充足、干燥多風、降水量少的特點。太陽年平均輻射總量6.42×102kJ/cm2，僅次于西藏、青海；全年日照時數(shù)3100～3300 h，平均氣溫6.1 ℃，≥10℃積溫3362.5 ℃；無霜期117～136 d，年均降水量170 mm，大多集中在夏秋兩季，雨熱同季，對農(nóng)作物生長十分有利。根據(jù)當?shù)貧庀笳窘邓抠Y料顯示，年降水量最大為235.4 mm，最小為56.3 mm。由于受季風的影響，灌區(qū)降水量在年內(nèi)分配極不均衡，夏秋兩季（6～11月）降水量占全年降水量的85%以上，夏季（6～8月）降水量占全年降水量63%～70%，春季降水量占10%～20%。月平均最高氣溫和最低氣溫分別在7和1月。冬季嚴寒少雪，夏季高溫干旱，平均相對濕度為40%～50%。灌區(qū)多風且風力強，最大月平均風速2.96 m/s，春冬兩季為本區(qū)風季，冬季風力強，統(tǒng)計得到2019年作物生育期內(nèi)的月基礎(chǔ)氣象數(shù)據(jù)，結(jié)果見表1。

表1 研究區(qū)2019年作物生育期氣象數(shù)據(jù)月均值

1.2 研究方法

1.2.1 樣本采集與測定

以2018年4月研究區(qū)的Landsat 8 OLI遙感影像的多光譜和全色波段融合圖像為參考，遵循均勻隨機布點原則，將研究區(qū)網(wǎng)格化，依據(jù)地類分布情況調(diào)整樣點，在鹽堿地、沙地、林地、耕地等附近布設(shè)相應(yīng)點位，最終確定布設(shè)149個土壤監(jiān)測點，具體如圖1所示。結(jié)合改良示范項目期限，于2018年4月（改良前）和2019年10月（改良后）對研究區(qū)進行覆蓋采樣，利用手持GPS定位儀確定預(yù)設(shè)采樣點位置后，結(jié)合實際地塊情況在預(yù)設(shè)采樣點周圍確定實際采樣點，并記錄樣點的位置以方便下次在其周圍取樣，采用土壤取樣機分3層（0～20、20～40、40～60 cm）依次進行分層取樣，采集60 cm深度土壤。共采集447個土壤樣本，并將土壤樣本裝于自封袋帶回實驗室，晾干碾碎，過2 mm篩，以1∶5的土水比配置測定溶液，測定土壤八大離子及土壤鹽分含量，具體測定方法參考《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》［24］，土壤有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法測定［24］。

1.2.2 研究區(qū)改良現(xiàn)狀及措施

按照村社界限、主要干渠、排溝路等標志性標的物將研究區(qū)約3333 hm2鹽堿化耕地劃分成11個田塊區(qū)域，同時結(jié)合田間規(guī)劃路、渠等條田布局，以6.67 hm2左右為單元劃分成小單元進行精細化治理（圖2）。鹽堿化耕地按照土壤鹽漬化程度及鹽分類型對研究區(qū)內(nèi)的硫酸鹽氯化物鹽土、氯化物硫酸鹽鹽土、蘇打鹽土、堿化土在主要的核心技術(shù)上進行排列組合，按照不同的工程量、劑量、成分等方面采取不同的配置方式，在2018和2019年春耕時（即每年5月前后）進行改良材料（不同種類有機肥）的投入及其他配套改良措施的實施，有針對性、因地制宜地實施改良，詳見表2。截至2019年10月，研究區(qū)改良輕度、中度、重度和鹽荒地等不同鹽漬化程度的鹽堿地，總面積共3498.93 hm2。實施改良凈耕地面積3157.33 hm2，其中輕度鹽堿化耕地1593.00 hm2，中度鹽堿化耕地550.67 hm2，重度鹽堿化耕地1013.67 hm2（表3）。

表2 研究區(qū)鹽堿化耕地材料投入明細表

表3 研究區(qū)鹽堿化耕地改良前面積明細表（hm2）

圖2 研究區(qū)區(qū)域劃分布置圖

1.3 處理方法

將采集測定的土壤鹽分和有機質(zhì)含量進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，剔除異常值，運用Minitab 19.0進行土壤數(shù)據(jù)的描述性統(tǒng)計分析、正態(tài)性驗證及相關(guān)性分析，并對其進行K-S檢驗，判定其是否符合正態(tài)分布，對不符合正態(tài)分布的屬性值進行對數(shù)變換，之后運用地統(tǒng)計學(xué)方法構(gòu)建適宜的半方差函數(shù)理論模型［25-26］。

地統(tǒng)計學(xué)是以半變異函數(shù)為主要工具的分析方法［6］。半變異函數(shù)的表達式為：

式中，y（h）為變異函數(shù)；h為步長，表示樣點空間間隔距離；N（h）為相隔距離為矢量h的所有點對數(shù)；Z（xi）和Z（xi + h）分別為區(qū)域化變量在xi和xi + h上的實測值。根據(jù)不同土壤指標因子的數(shù)據(jù)在地統(tǒng)計分析軟件GS+7.0中構(gòu)建擬合適宜的半方差函數(shù)理論模型，對土壤鹽分和土壤有機質(zhì)含量進行基于變程、基臺值、塊金值的地統(tǒng)計分析。從而得到 4 個基本參數(shù)｛塊金值（C0）、基臺值（C0+C）、空間結(jié)構(gòu)比［C0/（C0+C）］和變程（A0）｝，然后對土壤數(shù)據(jù)的空間特征進行分析［31］。在ArcGIS 10.2中進行研究區(qū)矢量化及采樣點繪制；2D數(shù)據(jù)差值利用ArcGIS 10.2的地統(tǒng)計分析模塊完成，最終得到鹽分及有機質(zhì)空間分布圖，并采用交叉驗證的方法對差值精度進行檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤鹽分和有機質(zhì)描述性統(tǒng)計特征分析

對研究區(qū)內(nèi)0～60 cm土壤鹽分和有機質(zhì)實測值進行常規(guī)統(tǒng)計分析和K-S正態(tài)性檢驗。表4結(jié)果顯示：改良前各土層土壤鹽分及有機質(zhì)含量最大值分別為56.778、47.218 g/kg，最小值分別為0.730、0.015 g/kg，改良后各土層土壤鹽分及有機質(zhì)含量最大值分別為22.378、32.907 g/kg，最小值分別為0.648、2.067 g/kg，其中各土層鹽分含量變化幅度較大，而有機質(zhì)含量變化相對平緩。研究區(qū)改良前后各土層平均土壤鹽分含量在2.249～5.570 g/kg之間，表層土壤鹽分含量均高于深層土壤，且與深層土壤差異明顯，隨土層深度的增加，土壤鹽分含量逐漸減少，整體呈現(xiàn)鹽分表聚。改良后表層土壤鹽分含量降低22.23%，表層土壤取得較好的改良效果，20～40、40～60 cm土層土壤鹽分含量小幅度上升，各土層土壤鹽分含量平均降幅為5.43%，改良后深層土壤鹽分含量改善效果不顯著；改良前后各土層的有機質(zhì)含量均值為7.293～11.263 g/kg，各土層土壤有機質(zhì)含量均有一定幅度的提升，且隨土層加深，有機質(zhì)含量逐漸降低。垂直方向上土壤鹽分的變異性強于有機質(zhì)的變異性。

表中變異系數(shù)（CV）可以反映土壤鹽分含量和有機質(zhì)含量數(shù)據(jù)間的離散程度，其定義為標準差與平均值之比，CV＜10%為弱變異性，10%≤CV≤100%為中等變異性，CV＞100%為強變異性［24］。由表4可知，改良前0～20 cm土層土壤鹽分屬于強變異性；20～40和40～60 cm土層土壤鹽分屬中等空間變異性，改良后各土層土壤鹽分均屬于中等變異；改良前后0～60 cm各土層土壤有機質(zhì)均屬于中等變異。偏度和峰度系數(shù)是反映樣本正態(tài)分布特點的基本指標，K-S檢驗P＞0.05時，認為數(shù)據(jù)資料服從正態(tài)分布［6］，經(jīng)檢驗改良前后土壤各層數(shù)據(jù)均符合正態(tài)布（P＞0.05），可進行普通克里格插值。

表4 土壤鹽分和有機質(zhì)的描述性統(tǒng)計和K-S檢驗

2.2 改良前后土壤鹽分和有機質(zhì)相關(guān)性分析

不同時期不同深度土壤鹽分含量與有機質(zhì)含量的相關(guān)關(guān)系如表5所示。從相同土層角度來分析，0～20 cm土層土壤鹽分含量和有機質(zhì)含量在改良前后均呈負相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為-0.016和-0.030，沒有達到顯著相關(guān)的水平，且改良后相關(guān)系數(shù)絕對值減小，說明表層土壤鹽分對有機質(zhì)含量影響很小，且影響在改良后有所下降；20～40、40～60 cm土層土壤鹽分與有機質(zhì)含量在改良前后均呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，且隨著土層深度的增加，土壤有機質(zhì)含量與土壤鹽分含量的相關(guān)性逐漸增加；20～40 cm土層土壤有機質(zhì)含量與鹽分含量呈弱相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.143、0.150；40～60 cm土層土壤有機質(zhì)含量與鹽分含量呈極顯著相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.319、0.265；20～40、40～60 cm土層的土壤鹽分含量和有機質(zhì)含量相關(guān)性強于0～20 cm土層，說明在深層土壤間鹽分對有機質(zhì)含量的影響大于表層，且在40～60 cm土層影響最顯著。

表5 各土層深度土壤鹽分和有機質(zhì)的相關(guān)性分析

從不同土層角度來分析，改良前后0～20 cm土層土壤鹽分與各土層有機質(zhì)含量相關(guān)系數(shù)均小于0.115，變化不大，說明表層土壤鹽分含量只能在較小的程度上影響有機質(zhì)含量；20～40 cm土層土壤鹽分與各土層有機質(zhì)含量在改良前后各層之間相關(guān)系數(shù)變幅不大。在垂直角度上，隨土層深度變化相關(guān)系數(shù)逐漸增大，且在20～40 cm土層鹽分對40～60 cm土層有機質(zhì)影響最顯著，改良前后相關(guān)系數(shù)分別為0.226、0.206，呈顯著相關(guān)，說明20～40 cm土層土壤鹽分對40～60 cm土層土壤有機質(zhì)存在一定的影響力。從改良前后不同土層的土壤鹽分含量與有機質(zhì)之間的相關(guān)性可以看出，無論是表層還是底層的土壤鹽分都有可能對有機質(zhì)在空間上的分布特征產(chǎn)生影響。

2.3 改良前后土壤鹽分和有機質(zhì)空間結(jié)構(gòu)分析

由上述經(jīng)典統(tǒng)計分析得到適于空間預(yù)測的數(shù)據(jù)集。為研究改良前后空間范圍上的土壤有機質(zhì)和鹽分空間變異特性，利用地統(tǒng)計學(xué)方法進行半方差函數(shù)的計算、模擬、分析和檢驗，結(jié)果如表6所示。

表6 半方差函數(shù)模型參數(shù)統(tǒng)計

半方差函數(shù)在圖上表現(xiàn)為散點圖，需要利用最小二乘法對其進行擬合。常見的變異函數(shù)擬合模型有球狀模型、指數(shù)模型、高斯模型和線性模型4種。在用變異模型進行空間結(jié)構(gòu)分析時，用塊金數(shù)（C0）、空間結(jié)構(gòu)比［C0/（C0+C）］和變程（A0）作為表示土壤鹽分和有機質(zhì)空間異質(zhì)性程度的指標［19，27-28］。Co表示當間距h=0 時的半方差值，表征由實驗誤差和隨機因素（人為耕作等）引起的變異。半方差值隨著間距 h 的增加而增加，當觀測點h間距大于臨界值后，該值趨于穩(wěn)定。其穩(wěn)定值即為基臺值（C0+C），代表系統(tǒng)內(nèi)的總變異。臨界值即為變程A0，用來判斷隨機變量在空間上的自相關(guān)尺度，h≥A0時，變量間可認為互相獨立，h＜A0時，表明變量間存在一定的空間相關(guān)性，也意味著空間內(nèi)插的極限?？臻g結(jié)構(gòu)比C0/（C0+C）表示隨機因素引起的空間變異占系統(tǒng)總變異的比例。該比值越小說明結(jié)構(gòu)性因素（自然因素）引起的空間變異性程度越大；相反，則由隨機部分（人為因素）引起的空間變異性程度較大，當該比值接近1時，說明該變量在整個尺度上具有恒定的變異。C0/（C0+C）值同時可以判斷系統(tǒng)變量的空間相關(guān)程度，該值大于75%時，表示變量相關(guān)程度弱；當介于25%～75%之間時，表示變量具有中等相關(guān)性，受結(jié)構(gòu)性和隨機性因素共同作用；當比值小于25%時，表示變量具有顯著的空間相關(guān)性，主要受結(jié)構(gòu)性因素的影響［29］。

經(jīng)過正態(tài)分布檢驗的數(shù)據(jù)，選用不同的函數(shù)模型對各個土層鹽分和有機質(zhì)進行擬合對比，由表6可知，從半方差模型的相應(yīng)參數(shù)看，不同土層深度的鹽分和有機質(zhì)適用的半方差函數(shù)最優(yōu)模型不同，各模型模擬決定系數(shù)都大于0.142，理論上各模型的擬合效果均可接受，決定系數(shù)均在0.142～0.476之間，理論模型整體擬合度較好。根據(jù)決定系數(shù)和殘差平方和來選擇最佳的擬合模型，得到模型擬合的特征參數(shù)，最后判斷土壤鹽分的最優(yōu)半方差函數(shù)模型為球狀模型，土壤有機質(zhì)的最優(yōu)半方差函數(shù)模型為高斯模型。改良前后各土層土壤鹽分含量和有機質(zhì)的塊金值（Co）和基臺數(shù)（Co+C）均為正值，由隨機因素、固有變異及采樣誤差引起的變異不容忽視。改良前土壤鹽分和有機質(zhì)塊金值分別位于0.025～0.100、0.200～0.620之間，表明改良前土壤有機質(zhì)受外界干擾影響大于土壤鹽分，且表層土壤鹽分和有機質(zhì)受外界干擾大，各土層土壤鹽分空間結(jié)構(gòu)比分別為0.10%、2.13%、7.10%，各層土壤有機質(zhì)結(jié)構(gòu)比分別為2.92%、3.20%、9.90%，隨土層深度增加，土壤鹽分和有機質(zhì)結(jié)構(gòu)性增強，空間相關(guān)性增強，各土層土壤空間結(jié)構(gòu)比均在25%以下，呈顯著空間相關(guān)性；改良后土壤鹽分和有機質(zhì)塊金值分別位于0.130～0.260、0.095～0.530之間，土壤鹽分和有機質(zhì)改良后總變異在增加，表明二者受人為因素的影響在增加，與實際情況符合；改良后各土層土壤鹽分空間結(jié)構(gòu)比分別為2.45%、8.85%、9.04%，各層土壤有機質(zhì)空間結(jié)構(gòu)比分別為6.50%、7.13%、2.98%，隨深度增加，土壤鹽分結(jié)構(gòu)性增強，空間相關(guān)性增強。表層土壤有機質(zhì)結(jié)構(gòu)性增強，空間相關(guān)性較改良前增強，各層土壤空間結(jié)構(gòu)比均在25%以下，呈顯著空間相關(guān)性。

鹽堿地改良措施實施后，各土層土壤鹽分空間結(jié)構(gòu)比分別上升2.35、6.72、1.94個百分點，0～20、20～40 cm土壤有機質(zhì)空間結(jié)構(gòu)比分別上升3.58、3.93個百分點，改良后各土層土壤鹽分和有機質(zhì)結(jié)構(gòu)比整體較改良前呈上升趨勢，受改良措施干預(yù)的影響，土壤鹽分和有機質(zhì)空間變異性增強，但是二者的空間分布主要受氣候、植被覆蓋、土壤質(zhì)地等結(jié)構(gòu)性因素影響較大。

2.4 改良前后土壤鹽分和有機質(zhì)空間分布格局分析

為了更加直觀準確地展現(xiàn)研究區(qū)改良前后不同深度土壤鹽分和有機質(zhì)的空間格局，本研究利用各土層土壤屬性的分析數(shù)據(jù)，基于最優(yōu)半方差函數(shù)模型及相關(guān)參數(shù)，采用ArcGIS 10.2的空間分析模塊對研究區(qū)土壤鹽分和有機質(zhì)進行IDW空間插值，繪制出改良前后不同時期、不同深度土壤鹽分和有機質(zhì)的空間分布圖，如圖3、4所示。

圖3 土壤鹽分空間分布圖

2.4.1 改良前后土壤鹽分空間分布格局

改良前后土壤鹽分空間分布如圖3所示，從時間尺度看，改良后表層（0～20 cm）土壤鹽分較改良前明顯下降（圖3a、d），4.0～10.0 g/kg土壤鹽分分布面積由65.63%減小至32.37%，20～40 cm土層土壤鹽分含量高值區(qū)多集中在研究區(qū)中部（圖3b、e），且由改良前分散放射狀演變?yōu)楦牧己髼l帶狀、斑點狀分布，鹽分高值（＞6.0 g/kg）分布面積有小幅度增加。研究區(qū)中部區(qū)域有一條未經(jīng)襯砌的排水溝貫穿經(jīng)過，滲漏嚴重，補給地下水，致使地下水埋深常年較淺，在強烈蒸發(fā)作用下，把深層土壤以及地下水中的鹽分帶到土壤表層，使此區(qū)域土壤表層鹽分含量較高，對于40～60 cm土層土壤，改良前后土壤鹽分值大于4.0 g/kg的區(qū)域分布面積由10.21%增加至21.68%（圖3c、f），說明改良期內(nèi)土壤鹽分向深層土壤（40～60 cm）運移，分析認為是由于春灌和改良措施雙重壓鹽的影響。

從空間尺度看，研究區(qū)土壤鹽分含量與深度成反比，改良前不同深度的鹽分變化均呈現(xiàn)隨土壤深度的增加鹽分含量逐層遞減（圖3a、b、c），尤其改良前土壤鹽分多聚集在0～20 cm表層，20～40 cm土層大于4.0 g/kg的鹽分分布面積占研究區(qū)總面積的9.71%，40～60 cm土層大于4.0 g/kg的鹽分分布面積占研究區(qū)總面積的5.86%，鹽分表聚明顯，且向深層遞減趨勢明顯。而改良后，在各土層土壤鹽分分布區(qū)域平均（圖3d、e、f），說明表層鹽分在改良措施作用下向深層運移，表聚現(xiàn)象減弱，且隨土層深度增加鹽分分布變異性減弱，土壤鹽分環(huán)境向利于作物生長的方向變化。

研究區(qū)不同程度鹽堿地改良前后面積變化如表7所示，輕度鹽堿地面積由改良前的1593.00 hm2增加至1946.76 hm2，中、重度鹽堿地面積減小，其中中度鹽堿地減小35.10 hm2，重度鹽堿地減小318.67 hm2，主要原因為研究區(qū)針對不同鹽漬化程度的耕地、荒地進行了大規(guī)模土地平整及深層旋耕，使表層鹽分明顯降低，利于作物生長。

表7 研究區(qū)鹽堿地改良前后面積對比表 （hm2）

2.4.2 改良前后土壤有機質(zhì)分布格局

從時間尺度看，改良后表層（0～20 cm）土壤有機質(zhì)較改良前明顯上升（d），＞10.0 g/kg 有機質(zhì)分布面積由62.48%增加至89.14%（圖4a、d），20～40 cm土層＞10.0 g/kg有機質(zhì)分布面積由27.78%增 加 至53.51%（圖4b、e），40～60 cm土層＞10.0 g/kg 有機質(zhì)分布面積由16.98%增加至26.35%（圖4c、f），由于表層土壤的有機質(zhì)含量來源相對較廣泛，且在研究區(qū)域內(nèi)的部分土壤表層有生物結(jié)皮現(xiàn)象，腐殖質(zhì)較多，所以具有明顯的表聚現(xiàn)象。研究區(qū)整體有機質(zhì)含量上升明顯，主要原因為研究區(qū)針對不同鹽漬化程度的耕地進行了大規(guī)模有機肥的施加，使有機質(zhì)含量明顯升高，利于作物生長；改良前后0～20 cm土壤有機質(zhì)含量改善明顯的區(qū)域主要集中在西南區(qū)域和東北區(qū)域，高值區(qū)也集中在研究區(qū)這些區(qū)域（圖4d），就有機質(zhì)含量而言，研究區(qū)取得了較好的改良效果，0～40 cm土層土壤碳環(huán)境改善明顯。

圖4 土壤有機質(zhì)空間分布圖

從空間分布特征可以看出，土壤有機質(zhì)含量空間分布特征具有相似性，隨土層深度的增大而減小，有機質(zhì)含量由西向東逐漸減小。土壤有機質(zhì)含量以東南部含量最低，其他區(qū)域含量較高；東南區(qū)域靠近研究區(qū)排水湖，湖水補給地下水嚴重，導(dǎo)致地下水埋深很淺，加之受河套灌區(qū)強蒸發(fā)作用的影響，致使此區(qū)域鹽漬化比較嚴重，土壤有機質(zhì)環(huán)境差，不利于作物生長，此區(qū)域為多年撂荒地，土壤有機質(zhì)改良效果不明顯。

由圖3、4可知，改良前土壤有機質(zhì)含量的整體空間分布狀況較為一致，土壤鹽分各層空間變異性強于土壤有機質(zhì)各層空間變異性，改良后土壤鹽分各層空間變異性弱于土壤有機質(zhì)各層空間變異性，表明沒有改良措施干預(yù)下的鹽分在空間上的變異性強于有機質(zhì)，隨改良措施干預(yù)對土壤鹽分的空間分布影響力大于土壤有機質(zhì)；改良前后0～20 cm土層土壤鹽分和有機質(zhì)含量分布格局變異性較大，且趨勢向好。在規(guī)?；}堿地改良措施下研究區(qū)土壤鹽分表聚現(xiàn)象減少，有機質(zhì)含量向利于作物生長方向變化。

2.4.3 反距離插值精度交叉驗證

對土壤鹽分含量和有機質(zhì)含量進行反距離插值，獲得改良前后0～60 cm土層土壤鹽分和有機質(zhì)空間分布圖（圖3、4）。為對二者插值精度進行檢驗，采用交叉驗證的方法評判反距離插值的精度。由表8可知，均值誤差絕對值處于0.0059～0.0931之間，均接近于0，均方根誤差處于0.5476～1.0218 g/kg之間，并且決定系數(shù)均在0.500以上，說明插值圖的交叉驗證參數(shù)達到了插值圖精度的要求，認為反距離插值模型描述土壤鹽分含量和有機質(zhì)空間特征時具有較好的精確度。

表8 插值精度交叉驗證參數(shù)

3 討論

3.1 半方差函數(shù)擬合與反距離權(quán)重空間插值精度

根據(jù)文獻［18］發(fā)現(xiàn)，將ArcGIS和地統(tǒng)計學(xué)方法結(jié)合可以有效監(jiān)測分析區(qū)域土壤鹽分和有機質(zhì)的空間變異及分布格局，基于區(qū)域化變量理論進行半方差函數(shù)擬合，結(jié)果顯示土壤鹽分的最優(yōu)半方差函數(shù)模型為球狀模型，土壤有機質(zhì)的最優(yōu)半方差函數(shù)模型為高斯模型。隨著土層深度的增加，土壤鹽分和有機質(zhì)結(jié)構(gòu)性增強，空間相關(guān)性增強，與文獻［28］研究結(jié)果一致。但有研究表明，采用空間結(jié)構(gòu)比進行空間相關(guān)性分析穩(wěn)定性不足［30-31］，史海濱等［32］在鹽漬化灌區(qū)節(jié)水改造后土壤鹽分時空變化規(guī)律研究中引入應(yīng)用莫蘭指數(shù)和空間聯(lián)系局域指標集聚圖進行土壤鹽分空間自相關(guān)性變化量化分析，發(fā)現(xiàn)隨秋澆水量減少，土壤鹽分空間相關(guān)性程度減弱。與采用空間結(jié)構(gòu)比進行空間相關(guān)性分析得到的結(jié)果一致，所以認為采用傳統(tǒng)地統(tǒng)計方法進行空間相關(guān)性分析可信度較高。本文在以上結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上進行了交叉驗證，得出應(yīng)用反距離權(quán)重空間插值方法繪制土壤鹽分和有機質(zhì)空間分布圖精度較高，直觀地反映了區(qū)域和局部的變化趨勢。結(jié)果顯示，改良后耕層土壤鹽漬化程度得到改善，作物生長安全區(qū)增加，各層土壤有機質(zhì)含量增加，更利于作物生長?？臻g上，土壤鹽分高值多位于地下水淺埋區(qū)的中部和東南部區(qū)域，有機質(zhì)含量高值多位于易改良的鹽漬化程度較低的西南部區(qū)域。

3.2 土壤鹽分及有機質(zhì)空間變異特征及影響因素

灌區(qū)作為典型引黃灌溉干旱區(qū)，土壤有機質(zhì)含量相對較少，加之灌區(qū)全年降水蒸發(fā)比達到1/10，導(dǎo)致整個河套灌區(qū)常年處在積鹽狀態(tài)，土壤肥力逐年下降，土壤鹽分和有機質(zhì)含量越來越成為影響灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要因素。

本研究中研究區(qū)鹽堿地改良措施力度大，采用工程措施、生物措施、農(nóng)藝措施多措并舉進行綜合改良，改良面積占比達到研究區(qū)總面積的90%，改良達到一定規(guī)模，且改良區(qū)屬于輕中度鹽漬化區(qū)域，鹽堿地類型在河套灌區(qū)具有較強的代表性，故以此區(qū)域為研究對象，分析在規(guī)模化鹽堿地改良措施下土壤鹽分及有機質(zhì)空間變異規(guī)律影響更具代表性，而此方面相關(guān)研究較少。馬利芳等［6］從不同深度土壤出發(fā)研究鹽分和有機質(zhì)含量的空間變異特征得出深度為0～20 cm土層土壤易積累較多的有機物質(zhì)，且隨著土層深度的增加，有機質(zhì)含量減少，均與本研究結(jié)果一致。在這些基礎(chǔ)上本研究通過分析空間結(jié)構(gòu)和空間分布格局深入研究了規(guī)?；}堿地改良措施下土壤鹽分及有機質(zhì)空間變異特征，結(jié)果表明，綜合改良措施實施前土壤鹽分各土層分布格局的變異性強于土壤有機質(zhì)各土層分布格局變異性，改良后土壤鹽分各土層分布格局的變異性弱于土壤有機質(zhì)各土層分布格局變異性，表明沒有改良措施干預(yù)下鹽分在空間上的變異性強于有機質(zhì)，隨改良措施的干預(yù)，對土壤鹽分空間分布的影響大于土壤有機質(zhì)。另外，有文獻研究表明土壤鹽分含量與有機質(zhì)含量之間呈負相關(guān)關(guān)系［33-34］，但從本文的研究結(jié)果來看，在規(guī)?；}堿地改良區(qū)土壤鹽分含量和有機質(zhì)的相關(guān)性既與各土層深度有關(guān)，又與人為的改良措施有關(guān)。且無論是表層還是底層的土壤鹽分，都有可能影響各層有機質(zhì)含量的分布。研究中還發(fā)現(xiàn)土壤鹽分和有機質(zhì)受鹽堿地改良措施、灌溉制度、地下水埋深、土地利用類型等多維因素的影響，本文未進行充分的發(fā)掘討論，有待進一步研究，在今后研究中還可針對河套灌區(qū)地勢低洼-地下水淺埋區(qū)域進行深入研究，以探求水土環(huán)境脆弱區(qū)域水鹽調(diào)控的有效手段，以推動黃河流域河套灌區(qū)生態(tài)保護與高質(zhì)量發(fā)展。

4 結(jié)論

規(guī)?；}堿地改良背景下，研究區(qū)改良后整體土壤鹽分含量平均降幅為5.43%，土壤有機質(zhì)含量平均增幅為2.16%，表層土壤鹽分降低，各土層土壤有機質(zhì)含量增加，作物生長安全區(qū)增大?？臻g上，土壤鹽分高值區(qū)（＞6 g/kg）多位于地下水淺埋區(qū)的中部和東南部區(qū)域，有機質(zhì)含量高值區(qū)（＞13 g/kg）多位于易于改良、鹽漬化程度較低的西南部區(qū)域。改良后，研究區(qū)中部土壤鹽分集聚特征仍十分顯著，存在鹽漬化加劇的風險，仍是鹽堿地改良防治的重點區(qū)域。

同層土壤間，表層土壤鹽分對有機質(zhì)含量影響較弱，隨著土壤深度的增加，土壤有機質(zhì)含量與土壤鹽分含量的相關(guān)性逐漸增加。改良前后40～60 cm土層土壤有機質(zhì)含量與鹽分含量相關(guān)系數(shù)分別為0.319、0.265（P＜0.01）；深層土壤鹽分對有機質(zhì)含量的影響大于表層，且在40～60 cm土層影響最顯著；不同土層土壤間，隨土層深度增加相關(guān)系數(shù)逐漸增大，20～40 cm土層土壤鹽分對40～60 cm土層有機質(zhì)影響最顯著，改良前后相關(guān)系數(shù)分別為0.226、0.206（P＜0.05），呈顯著相關(guān)；深層土壤鹽分對深層土壤有機質(zhì)含量存在一定影響。

研究區(qū)各土層土壤鹽分的最優(yōu)半方差函數(shù)模型為球狀模型，土壤有機質(zhì)的最優(yōu)半方差函數(shù)模型為高斯模型。改良前，各層土壤結(jié)構(gòu)比均在25%以下，均表現(xiàn)出強烈的空間相關(guān)性。隨土層深度增加，土壤鹽分和有機質(zhì)結(jié)構(gòu)性增強，空間相關(guān)性增強，主要受結(jié)構(gòu)性因素的影響。改良后，土壤鹽分和有機質(zhì)空間變異性增強，改良后各層土壤鹽分空間結(jié)構(gòu)比分別上升2.35、6.72、1.94個百分點，0～20、20～40 cm土壤有機質(zhì)結(jié)構(gòu)比分別上升3.54、3.93個百分點，各層土壤鹽分和有機質(zhì)結(jié)構(gòu)比整體較改良前呈上升趨勢，土壤鹽分結(jié)構(gòu)性增強，空間相關(guān)性增強，表層土壤有機質(zhì)結(jié)構(gòu)性增強，空間相關(guān)性增強，垂直方向上土壤鹽分變異性強于有機質(zhì)變異性。

綜上所述，本文運用經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)方法，結(jié)合空間插值和交叉驗證方法繪制鹽堿地改良前后土壤鹽分和有機質(zhì)空間分布圖，較為準確和直觀地反映了典型示范區(qū)各層土壤鹽分和有機質(zhì)在改良前后的空間分布格局和土壤鹽漬化顯著程度的變異特征，并探尋了不同時空區(qū)域土壤鹽分和有機質(zhì)的變異規(guī)律，為鹽漬化灌區(qū)鹽堿地改良示范工作的分區(qū)、管理和合理利用提供了理論指導(dǎo)，同時也為后期制定鹽堿地綜合改良舉措、管理制度等提供了參考依據(jù)。