烏拉特灌域表層土壤鹽分空間變異及季節(jié)性分布特征

王 波，楊樹青，袁宏穎，鄭 彥，張 晶

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

土壤鹽漬化的空間分布和變化對農(nóng)業(yè)資源利用起至關(guān)重要的作用［1-2］。據(jù)不完全統(tǒng)計，河套灌區(qū)鹽漬化土壤占耕地的68.73%，影響了糧食的生產(chǎn)效率［3-4］，而烏拉特灌域位于河套灌區(qū)最下游，土壤鹽漬化較為嚴重，導(dǎo)致人口、糧食、資源、環(huán)境間的矛盾［5-6］；有研究表明，鹽分空間變異性是研究土壤鹽漬化程度的有效方法［7-10］，鹽漬化程度主要由地形位置、土壤質(zhì)地、氣候類型、人類活動等因素決定［11-12］。目前許多學者已經(jīng)對土壤鹽漬化空間分布特征及其鹽分組成等相關(guān)方面做了大量研究［13-16］。王維維等［17］、張飛等［18］利用土壤含鹽量、電導(dǎo)率和pH研究了新疆地區(qū)土壤鹽漬化程度；劉雅清等［19］以全鹽量和pH為土壤影響因子，研究了寧夏河套灌區(qū)土壤鹽化特征，而對其他影響因子對土壤鹽漬化起主導(dǎo)作用的研究尚需加強；丁邦新等［20］探討了春季塔里木河下游灌區(qū)土壤鹽分空間變異特征；部分學者探討了夏季干旱半干旱地區(qū)土壤鹽分空間分布特征［21-22］；崔昆等［23］從大田、地塊、壟間小尺度研究土壤鹽分變異特征。這些研究在環(huán)境因子方面，大多只考慮了單因子（全鹽量、pH）對土壤性質(zhì)的影響，在時間維度上，大多以單一季節(jié)為主，對鹽分變化的季節(jié)性研究相對較少，在空間尺度上，以田間尺度研究較多。本文選取灌域尺度，基于主成分分析、Kriging插值法探討了烏拉特灌域土壤鹽分離子組成及其之間的數(shù)量關(guān)系與土壤鹽漬化的季節(jié)性分布特征，旨在研究土壤鹽分特征，揭示影響鹽漬化土壤的主控鹽分因子，為烏拉特灌域的農(nóng)業(yè)發(fā)展和土壤資源的可持續(xù)利用提供指導(dǎo)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

選取河套灌區(qū)最下游的烏拉特灌域（108°06′12″～109°39′43″E，40°27′39″～41°10′15″N）為研究區(qū)。研究區(qū)西北與義長灌域毗鄰，東北接烏梁素海，南邊界與黃河流向平行，東與包頭相鄰，面積為2035.7 km2；地處干旱、半干旱地帶，年降水量200～250 mm，主要集中在6～9月，占全年降水量的70%；年潛在蒸發(fā)量1900～2300 mm，年平均氣溫為7.2 ℃，無霜期較短，為100～130 d，屬于典型的溫帶大陸性氣候。研究區(qū)日照充足，晝夜溫差大，整體地勢平坦，呈西高東低、北高南低，坡降小，主要種植作物有小麥、玉米、向日葵、枸杞、西葫蘆等。

1.2 試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)采集

利用ArcGIS采取棋盤式分布在研究區(qū)均勻布置55個取樣點，取樣點之間間隔5 km，每個點取3次重復(fù)，均勻混合后作為一個點的代表性樣品。根據(jù)地理坐標野外實地確定取樣點，用手持GPS對其進行定位（圖1）。土鉆法取樣，從上到下分為0～20、20～40 cm兩層。取樣時間為2019年春季（3月25日～4月10日）、夏季（6月25日～7月10日）、秋季（10月1日～10月15日），共采集土壤樣品330個。將采集的土壤樣品自然風干，碾碎，經(jīng)過1 mm篩剔除雜質(zhì)后，制備5∶1水土質(zhì)量比浸提液，溶液制備完成后靜置8 h，通過上海三信SX-650型筆式電導(dǎo)率儀和SX-620型筆式pH計來測定土壤電導(dǎo)率和pH；全鹽量采用殘渣烘干質(zhì)量法測定；SO42-采用EDTA間接滴定法測定；Cl-采用AgNO3滴定法測定；CO32-、HCO3-采用雙指示劑中和法測定；Ca2+、Mg2+采用EDTA絡(luò)合滴定法測定；K++Na+采用陰陽離子平衡法測定［24］。

圖1 研究區(qū)位置及采樣點分布圖

1.3 數(shù)據(jù)處理

本研究利用Excel 2007對數(shù)據(jù)進行基本處理與制圖，利用SPSS 19.0進行主成分分析，利用ArcGIS 10.5繪制土壤全鹽量的空間分布圖。

變異系數(shù)（CV）是反映數(shù)據(jù)變異程度的一個統(tǒng)計量，一般CV＜10%為弱變異性，10%≤CV≤100%為中等變異性，CV＞100%為強變異性。

土壤鹽分含量與鹽基離子空間變異性較強，但其分布特征與定量描述較差，以及難以確定影響土壤鹽漬化的因素，故采用主成分分析法對土壤全鹽量、pH、HCO3-、Cl-、SO42-、Ca2+、Mg2+、K++Na+8個變量進行分析，提取特征值大于1的主成分為主導(dǎo)因子；主成分因子載荷是主成分因子與原始變量因子之間的相關(guān)系數(shù)。

根據(jù)土壤全鹽量從低到高可以將研究區(qū)土壤分為5類［25］，分別為：非鹽化土（＜1 g/kg）、輕度鹽化土（1～2 g/kg）、中度鹽化土（2～4 g/kg）、重度鹽化土（4～6 g/kg）、鹽土（＞6 g/kg），利用Kriging插值法得到不同季節(jié)土壤鹽分空間分布特征，并計算不同類型鹽化土的面積及所占總面積的比例。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤全鹽量與pH的傳統(tǒng)統(tǒng)計特征

由表1可以看出，春夏秋季0～20 cm土壤全鹽量變化范圍在0.758～19.495g/kg之間，20～40 cm土壤全鹽量變化范圍在0.673～10.320 g/kg之間，全鹽量均值在2 g/kg以上，屬于中度鹽化土，有些達到重度鹽化土和鹽土程度。0～20 cm土壤全鹽量比20～40 cm土壤高0.807 g/kg，是全鹽量的積累層，這主要由于河套灌區(qū)氣溫高，降雨少，蒸發(fā)強烈等自然因素的影響，導(dǎo)致研究區(qū)下層土壤全鹽量通過蒸發(fā)作用上升到表層，在地表形成全鹽量高值區(qū)。從季節(jié)變化來看，0～20 cm土壤全鹽量春季（3.953 g/kg）＞秋季（3.544 g/kg）＞夏季（2.524 g/kg），20～40 cm土壤全鹽量春季（2.690 g/kg）＞秋季（2.638 g/kg）＞夏季（2.271 g/kg），春季處于積鹽狀態(tài)，夏季屬于脫鹽狀態(tài)。春季0～20 cm土層土壤變異系數(shù)為117.784%，大于100%，屬強變異性；20～40 cm土層土壤變異系數(shù)為75.576%，位于10%～100%，屬中等變異性。夏秋兩季各層土壤全鹽量變異系數(shù)處于55.724%～99.326%之間，符合10%≤CV≤100%，均屬于中等變異性。整個研究區(qū)各層土壤pH變化范圍為春季7.380～8.450、夏季7.250～8.590、秋季7.690～8.630，均呈堿性。不同季節(jié)各層土壤pH的變異系數(shù)均小于10%，為弱變異性，說明研究區(qū)土壤pH的離散程度較小。

表1 不同季節(jié)土壤全鹽量與pH的統(tǒng)計特征

2.2 土壤鹽基離子分布特征

由圖2可知，各層土壤陽離子以K++Na+為主，占陽離子總量的69.56%，其次為Ca2+和Mg2+，分別占陽離子總量的18.29%和12.15%；土壤陰離子以SO42-和Cl-為主，分別占陰離子總量的46.22%和43.13%，HCO3-次之，占陰離子總量的10.64%。研究區(qū)陰離子主要以氯化物和硫酸鹽為主，陽離子主要以鉀鈉鹽為主。從季節(jié)變化來看，各層土壤鹽基離子表現(xiàn)為春季＞秋季＞夏季，在垂直方向上，0～20 cm土層土壤鹽基離子含量高于20～40 cm土層；從變異系數(shù)來看，陽離子中Mg2+和K++Na+變異系數(shù)分別在111.48%～191.20%、114.65%～147.64%之間，均大于100%，屬強變異性，表明Mg2+和K++Na+在春夏秋季分布不均勻；Ca2+變異系數(shù)隨著季節(jié)的變化，在夏季出現(xiàn)最小值（99.73%），在秋季出現(xiàn)最大值（159.04%），具有較強變異性；陰離子中SO42-和Cl-變異系數(shù)分別在116.75%～156.75%、116.79%～193.78%之間，表現(xiàn)出極強的變異性；HCO3-在春夏秋季變異系數(shù)均介于10%～100%之間，分別為春季29.485%、夏季33.89%、秋季26.62%，具有中等變異性，表明該離子在不同季節(jié)相對其他鹽基離子的空間異質(zhì)性較弱。

圖2 不同季節(jié)土壤鹽基離子分布特征

2.3 土壤鹽漬化的主導(dǎo)因子

根據(jù)主成分分析可知，8個變量可用2個主成分代表，結(jié)果如表2所示。前2個因子特征值均大于1，第一主成分的特征值為5.544，第二主成分的特征值為1.228，所對應(yīng)的方差貢獻率分別為69.305%、15.349%，累積方差貢獻率為84.655%，代表前2個因子包含了所有變量的主要信息。

表2 主成分分析的特征值與方差貢獻率

由表3可知，全鹽量、Cl-、SO42-、Mg2+、Ca2+、K++Na+在第一主成分上的因子載荷較大，分別為0.966、0.920、0.949、0.906、0.850、0.884，這6個變量與土壤鹽漬化關(guān)系密切，是土壤鹽漬化的主要影響因子，代表了土壤鹽漬化狀況，說明影響研究區(qū)土壤鹽漬化的陰離子主要以氯化物和硫酸鹽為主，陽離子以鉀鈉鹽和鈣鹽為主，故第一主成分代表全鹽量、Cl-、SO42-、Mg2+、Ca2+、K++Na+6個因子的作用。土壤中pH和HCO3-載荷量的大小直接反映土壤的堿度，第二主成分分析中pH和HCO3-載荷量分別為0.663和0.771，且高于其他因子，表明第二主成分主要影響土壤的堿度，表征土壤的堿性特征，堿性特征可以進一步表征土壤的鹽漬化特征。故根據(jù)各因子與主成分之間的密切相關(guān)性，可將全鹽量、Cl-、SO42-、Mg2+、Ca2+、K++Na+作為表征土壤鹽漬化的特征因子。

表3 主成分因子的載荷矩陣與得分系數(shù)矩陣

為清楚地表達出初始變量與主成分之間的關(guān)系，以第一和第二主成分作為新的變量，建立線性方程，根據(jù)表2、3中各主成分的特征值和各變量在相應(yīng)主成分上的因子載荷，求得8個指標向量，將兩個主成分與8個指標向量進行線性組合，獲得函數(shù)表達式如下：

式中，TS為全鹽量。

2.4 土壤鹽分的時空分布格局

圖3～5、表4為土壤鹽分的時空分布情況。研究區(qū)0～20、20～40 cm土層分別僅有0.04%、0.13%的土壤面積未遭受鹽漬化危害。

表4 不同季節(jié)各等級土壤全鹽量的面積及其占總面積的比例

圖3 春季土壤全鹽量空間分布

在空間上，土壤全鹽量呈斑塊狀分布，整體趨勢表現(xiàn)為西高東低，其主要原因是灌域東部為井渠雙灌地區(qū)，地下水位低且引黃水量少，引鹽量及返鹽量均較??；在時間上，夏季土壤含鹽量年內(nèi)最低，秋季次之，春季最高，充分體現(xiàn)了河套灌區(qū)土壤鹽分的春返、夏脫、秋積現(xiàn)象。春季土壤全鹽量主要集中在2～6 g/kg之間，且2～4 g/kg的土壤面積占比最大；0～20 cm土層土壤全鹽量在2～4g/kg的面積為936.1 km2，占總面積的45.99%，2～6 g/kg的面積占總面積的75%以上，屬于中重度鹽化土，主要分布在西北地區(qū)和東部地區(qū)，鹽土面積為327.0 km2，占總面積的16.06%，分布在西部地區(qū)；20～40 cm土層在1～4 g/kg的面積占總面積的99%，屬于輕中度鹽化土，其中度鹽化土面積為1540.3 km2，占總面積的75.66%。與春季相比，夏季輕中度鹽化土的面積占比達到90%以上，主要分布在北部和中部地區(qū)；0～20 cm土層重度鹽化土面積為116.9 km2，占總面積的5.74%，分布在中部地區(qū)，20～40 cm土層重度鹽化土面積僅0.1 km2，占總面積的0.01%。秋季不同類型土壤鹽化程度面積占比與春季相似，中度鹽化土面積占總面積的75%以上，主要分布在北部、西部和中部地區(qū)；0～20 cm土層鹽土面積為40.4 km2，占總面積的1.98%，分布在東北地區(qū)；20～40 cm土層鹽土面積僅為0.4 km2，占總面積的0.02%。

圖4 夏季土壤全鹽量空間分布

圖5 秋季土壤全鹽量空間分布

總結(jié)上述分析，結(jié)合圖3～5可以看出，春夏秋季輕中度鹽化土面積最大，4與10月在研究區(qū)東部存在少量的輕度鹽化土，且10月大于4月，7月的輕度鹽化土面積最大，這主要由4月是蒸發(fā)積鹽的季節(jié)，鹽分在表層積聚，因此其鹽漬化程度較高，而7月為雨季，有淋洗作用使表層鹽分洗至下層，所以較其他季節(jié)鹽漬化程度低。

3 討論

3.1 土壤全鹽量、pH和鹽基離子分布特征

土壤全鹽量、pH和鹽基離子組成是研究鹽漬化土壤基本的特征，也是區(qū)域土壤鹽漬化特征及改良的重要依據(jù)。河套灌區(qū)主要受氣候、地質(zhì)、地貌、地形等環(huán)境因素的影響，導(dǎo)致鹽漬化土壤在區(qū)域內(nèi)分布廣泛，嚴重影響著農(nóng)業(yè)建設(shè)的發(fā)展；土壤鹽漬化是河套灌區(qū)亟待解決的問題。因此，已有許多學者對鹽漬化土壤鹽分組成及時空分布進行了大量的研究。竇旭等［5］研究表明春季土壤含鹽量的空間異質(zhì)性高于秋季，土壤鹽基離子的變異強度為春季大于秋季?；q寂等［26］選取河套灌區(qū)典型區(qū)域?qū)χ苣陜?nèi)土壤鹽分變化、鹽堿化面積變化進行研究，結(jié)果表明各時期土壤鹽分表聚現(xiàn)象明顯，并隨時間的變化鹽堿化面積增大。孫亞楠等［27］以河套灌區(qū)永濟灌域為例構(gòu)建了支持向量機模型，對土壤全鹽量進行模擬，具有很好的定量預(yù)測能力。周曉夢等［28］利用“上棉下漁”的模式對沿黃鹽堿地土壤進行改良，結(jié)果表明開發(fā)2年后，土壤堿度變化不大，20年后，土壤堿度由2.004×10-3mol/L下降到0.631×10-3mol/L，說明土壤堿度改良難度較大；劉國鋒等［29］采用沖水洗鹽的方式對西北內(nèi)陸硫酸鹽型鹽堿地土壤表層鹽堿離子做消減研究，相關(guān)分析表明土壤堿度不是單純的受土壤中CO32-、HCO3-的影響，而是受土壤中Mg2+、Na+、SO42-等離子組成與含量的綜合影響。本文對土壤堿度的分析只局限于對第二主成分pH和HCO3-載荷量大小的分析，表明載荷量大、土壤堿度高，與劉國鋒等［29］的研究一致。影響土壤鹽漬化的因素較多，為了明確土壤鹽漬化的主導(dǎo)因子，利用主成分分析法，可在相對較多的變量中提取少數(shù)不相關(guān)的綜合因子，來確定土壤鹽漬化的主導(dǎo)因子［30］。呂真真等［31］利用此方法研究得出SO42-、Ca2+、Mg2+和土壤鹽分含量是瑪納斯河流域土壤鹽漬化的主導(dǎo)因子，鄭明等［32］利用此方法分析了新疆土壤鹽分分布特征，為治理該區(qū)域土壤鹽堿化提供了參考依據(jù)。

3.2 鹽漬化土壤的改良與利用

鹽堿地是我國重要的土地資源之一，面積約為36萬km2，占全國可利用土地面積的4.88%，嚴重影響著我國農(nóng)業(yè)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境的修復(fù)，因此鹽堿地改良與利用成為一種有效增加農(nóng)業(yè)產(chǎn)值的方式［33］。鹽堿地的改良與利用是一個復(fù)雜的過程，影響因素也相對較多。近年來，有較多的學者在河套灌區(qū)開展了鹽堿地改良技術(shù)研究。王佳麗等［34］提出加強多學科交叉融合的研究，強調(diào)農(nóng)戶技術(shù)選擇行為的研究，增強研究方法的科學性對鹽堿地可持續(xù)利用有指導(dǎo)意義；楊勁松等［35］研究重點突破咸水/微咸水等多水源綜合利用高效節(jié)水控鹽技術(shù)，建立基于現(xiàn)代化技術(shù)的水鹽實時監(jiān)測系統(tǒng)，制定配套的節(jié)水控鹽灌溉制度，實現(xiàn)灌區(qū)地表水-地下水多水源聯(lián)動與精量灌溉水鹽均衡調(diào)控對鹽堿地改良有積極作用；劉瑞敏等［36］研究了改良產(chǎn)品對鹽堿地改良的效果，結(jié)果表明，丹路菌肥在提高葵花出苗率、保苗率及增產(chǎn)方面效果最佳，在土壤脫鹽及降低土壤堿性方面也較為突出，磷石膏處理在土壤脫鹽及降低土壤堿性方面效果最佳，故將丹路菌肥和磷石膏作為鹽堿地改良的有效產(chǎn)品；高鴻永等［37］研究得出控制地下水位、深翻曬地、平整土地、合理灌溉、中耕等是鹽堿地改良與利用的有效途徑。與以上學者研究相比，本文以烏拉特灌域為研究尺度，選取土壤含鹽量、pH、鹽分離子共8個變量作為初始變量，能客觀地代表研究區(qū)土壤鹽漬化特征的總體情況，并分析土壤含鹽量的季節(jié)性分布特征，可制定合理的灌溉制度，有效控制地下水埋深，為烏拉特灌域鹽堿地改良與利用提供指導(dǎo)意見。

4 結(jié)論

研究區(qū)春夏秋季以中度鹽化土為主；0～20 cm土層土壤含鹽量明顯高于20～40 cm土層，是鹽分的積累層；春季0～20 cm土層土壤變異系數(shù)為117.784%，屬強變異性，20～40 cm土層土壤變異系數(shù)為75.576%，屬于中等變異性；夏秋兩季各層土壤變異系數(shù)為55.724%～99.326%，均屬中等變異性。不同季節(jié)各層土壤pH的變異系數(shù)均小于10%，說明研究區(qū)土壤pH的離散程度較小。

研究區(qū)土壤陽離子以K++Na+為主，陰離子以SO42-和Cl-為主。各層土壤鹽基離子含量表現(xiàn)為春季＞秋季＞夏季；陽離子Mg2+、K++Na+和Ca2+具有較強的變異性；陰離子中SO42-和Cl-表現(xiàn)出極強的變異性；在不同季節(jié)HCO3-的空間異質(zhì)性較弱。

主成分分析結(jié)果表明，可將全鹽量、Cl-、SO42-、Mg2+、Ca2+、K++Na+作為表征研究區(qū)土壤鹽漬化的主導(dǎo)因子。

0～20和20～40 cm土層非鹽化土面積占總面積的比例分別為0.04%和0.13%；春夏秋季輕中度鹽化土面積最大，占總面積的75%以上，4與10月在研究區(qū)東部存在少量的輕度鹽化土，且10月大于4月，7月的輕度鹽化土面積最大。