張雅莉，塔西甫拉提·特依拜，阿爾達克·克里木，張 東

(1.新疆大學資源與環(huán)境科學學院，烏魯木齊 830046；2.新疆大學綠洲生態(tài)重點實驗室，烏魯木齊 830046)

0 引 言

新疆艾比湖國家自然保護區(qū)是準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，土壤鹽漬化嚴重[3]。土壤鹽漬化影響植被生長，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)植物生長發(fā)育所需水分的唯一來源[5]，鹽分會隨著水分的運動而遷移，而水分也是鹽分遷移的重要載體[6]。因此，開展區(qū)域水鹽時空異質性研究及分析主要影響因素對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，以及對流域的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

土壤信息(如土壤含鹽量、電導率、含水量等)的基本特征就是其在特定的位置上具有時間和空間上的相關性[7]。地統(tǒng)計學可以將時空坐標與土壤屬性值進行組合，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空間變異性的研究中，使之定量化，推動了研究向前發(fā)展。近年來，隨著精準農(nóng)業(yè)的興起和科學技術的發(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研究的前沿熱點之一。國內(nèi)外許多學者都采用不同方法對土壤鹽分、水分、養(yǎng)分和土壤組成等因素的空間異質性進行了研究：胡克林等[10]對河北曲周試驗站兩個時期的土壤鹽分和水分的空間變異性進行了研究，初步探討了應用CoKriging方法進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象，野外采樣與電磁感應儀EM38、EM31的田間測量相結合，綜合運用GIS和地統(tǒng)計學方法對0～1 m土體內(nèi)各個層土壤鹽分含量的空間變異和分布特征進行了定量分析和評價；丁建麗[12]等利用GIS和地統(tǒng)計學方法研究了渭庫綠洲鹽漬化土壤特征的空間變異性特征，得出表層土壤電導率和含鹽量具有較強的空間相關性；金海龍[13]等人探討了艾比湖濕地自然保護區(qū)內(nèi)土壤顆粒組成、水分、pH值、速效養(yǎng)分和有機質含量等土壤理化性狀的空間異質性，結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)象嚴重。

本文運用傳統(tǒng)的地統(tǒng)計學方法對艾比湖自然保護區(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，對評價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艾比湖流域生態(tài)平衡具有重要的現(xiàn)實意義。

1 研究區(qū)概況

艾比湖國家級自然保護區(qū)位于新疆博爾塔拉蒙古自治州境內(nèi)，地理坐標介于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、水文地質以及人類活動等因素的影響使土壤的類型復雜多樣，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艾比湖流域生態(tài)環(huán)境，裸露地表的鹽塵也嚴重危害周邊地區(qū)環(huán)境[15]。

圖1 研究區(qū)和采樣點分布圖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 樣品采集及分析測試

根據(jù)近5年的統(tǒng)計資料，艾比湖國家濕地自然保護區(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間為2013年5月和10月。

研究采用GPS定位技術，在同一個地點的春秋兩季分別挖取63個土壤表層(0～20 cm) 樣點。為考慮研究區(qū)采樣點附近土壤性質相對一致、環(huán)境因子類似和異質性小，對測量單元范圍內(nèi)土壤樣品進行了梅花狀采集，再取這5個點的平均值作為一個單元的鹽分和水分的最終值。將土壤樣本按經(jīng)緯度編號分別裝入鋁盒和采樣袋，帶回實驗室。部分用烘干法，在105 ℃下烘至恒重，測其土壤含水量(%)；把另一部分土壤在實驗室內(nèi)自然風干、磨碎，用0.5 mm孔徑的篩子進行過濾，按水土比5∶1的比例提取浸提液[16]，使用DDS-307A型電導率儀測定其浸出液鹽度，并轉換為土壤含鹽量(g/kg)。

2.2 地統(tǒng)計學方法

采用地統(tǒng)計學方法對土壤鹽分及水分的空間異質性進行分析半方差函數(shù)也稱為半變異函數(shù)，它是地統(tǒng)計學中研究土壤變異性的關鍵函數(shù)。假設區(qū)域化的變量滿足二階平穩(wěn)和本征假設，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為分隔兩樣點的矢量，為步長；N(h)為相距為h的樣點對數(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處的實測值。

r(h)越大則該方向上所有間隔h的亮點的變異性就越大，相關性就越小。

通過模型的比較說明，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為基臺值；a為變程；C為拱高。

2.3 干濕季土壤鹽分和土壤水分數(shù)據(jù)處理

首先利用SPSS19.0軟件，對69個土壤樣品進行描述性統(tǒng)計分析，用頻數(shù)分布圖檢驗土壤鹽分和水分數(shù)據(jù)是否服從正態(tài)分布；其次采用GS+9.0下進行半變異函數(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)計特征分析

在SPSS19.0軟件下對艾比湖濕地的春秋季土壤鹽分和水分的描述性統(tǒng)計特征分析，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)的標準差與其平均數(shù)之比，它是一個相對變異指標，是衡量一組數(shù)據(jù)中各個檢驗值相對離散程度的一種特征數(shù)值[19]，一般認為：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月土壤鹽分質量分數(shù)主要集中在5g/kg以下。依據(jù)新疆土壤鹽堿化的分級標準[21]，屬于中度鹽漬化土壤，因此，對研究區(qū)鹽漬化土壤進行治理、改良，防止土地鹽漬化加劇是一個刻不容緩的問題。

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。對于這些不符合正態(tài)分布的要素，使用GS+9.0軟件對數(shù)據(jù)進行轉換，使其均接近于對數(shù)正態(tài)分布，這樣就可以進一步的進行半方差函數(shù)的計算及克里格插值。

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測數(shù)據(jù)，計算實際半方差值r(h)。以半方差為橫軸，以采樣距離h為縱軸，分別繪制散點圖，結合散點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，所測的土壤鹽分和土壤水分素變異函數(shù)的總趨勢：隨著間隔距離的增加，半變異函數(shù)值也相應增加，然而到達一定距離后云圖就趨向于某一平穩(wěn)值，這表明，超出這個距離后，樣點間不再具有相關關系。

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，可以認定的是其內(nèi)部存在著由采樣誤差、短距離變異、隨機和固有變異引起的正金塊效應[22]?；_值(Sill)代表變量空間變異的結構性方差，表示由土壤母質、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。塊金值和基臺值的比值C0/C0+C(%)表示隨機部分引起的空間異質性占系統(tǒng)總變異的比例，反映土壤性質空間相關性的程度。當比值小于25%時，表現(xiàn)為強空間相關性；當比值在25%～75%時表現(xiàn)為中等空間相關性；比值大于75%時，則表現(xiàn)為弱空間相關性。本研究的春季含鹽量、含水量的空間相關性分別為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%，都具有非常強的空間相關性。這說明由結構性因素(如氣候、地形、土壤類型地形，土壤質地、地下水位等)明顯高于隨機性因素(如灌溉、耕作措施和土壤改良等各種人為活動)的空間異質性。這是由于艾比湖濕地于2000年成立了自然保護區(qū)，因而濕地保護區(qū)內(nèi)部人類活動對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對研究區(qū)0～20 cm的土壤采取kriging最優(yōu)內(nèi)插法，繪制整個研究區(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、南部含鹽量相對較高，湖西部含鹽量相對較低(1.37%～2.74%)。此外，表層土壤鹽分的空間分布受地形、氣候、地下水性質等因素的影響，也導致不同地區(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)的強烈蒸發(fā)和極度干旱條件下，導致該部位表層土壤鹽分的積聚性和空間變異性要明顯強于春季。

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。總體上10月份土壤含水量比5月份的少，這是因為外圍農(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較高，西部和東北部土壤含水量相對較低；10月份東北部沿奎屯河入湖口處含水量相對較高，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，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，部分區(qū)域土壤會季節(jié)性的被水體淹沒，因而部分地區(qū)會出現(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，灌水量過多，又缺乏排水設施，導致地下水位的升高，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

鹽分來源、水分運移和使鹽分向地表運移的機制是土壤發(fā)生鹽漬化形成所具備的三個條件[24]。因此，只要是與這3個條件有關的因素都對土壤鹽漬化的形成起到驅動作用[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，水文地質及人類活動等條件的影響。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，成土母質風化釋放出的可溶性鹽分，無法淋溶，只能隨水分搬運至排水不暢的低平地區(qū)，在強烈的蒸發(fā)作用下，鹽分便聚集于表層土壤內(nèi)，導致土壤鹽漬化。湖盆西北部為著名的大風口----阿拉山口(又名準噶爾門)，全年大風日數(shù)164 d，最多185 d，最大風速55.0 m/s，強風頻繁，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，東部與準噶爾盆地相連，其中艾比湖是準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)地形上來看，艾比湖濕地土壤表層鹽分易累積，不易遷移?！胞}隨水來，鹽隨水去，水去鹽留”，水文過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給主要來源于山區(qū)，是一個封閉性流域。發(fā)源于山區(qū)的河流，由山麓進入平原后，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，由于人口劇增，大規(guī)模的土地開發(fā)，以地表徑流的形式補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幾，直接導致艾比湖水量減少，湖面水位下降，湖水蒸發(fā)強烈，湖水礦化度增高，使得干涸湖底鹽漠化，湖區(qū)周圍地表裸露鹽堿化現(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源。

最后，隨著流域內(nèi)人口的增多，耕地面積的不斷擴大，各類生產(chǎn)對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 論

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

(1)研究證實，地統(tǒng)計學和GIS相結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性性。經(jīng)典統(tǒng)計分析和正態(tài)分布性檢驗表明：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)強相關性。

(2)差值分析結果表明，艾比湖濕地土壤含鹽量春季總體上，湖東南側高于西北側，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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[1] 錢亦兵,吳兆寧,張立運,等. 新疆艾比湖地區(qū)沙塵天氣的地表條件及土壤保持[J]. 資源科學,2006,(5):185-189.

[2] 塔西買買提·阿布拉.新疆艾比湖濕地自然保護區(qū)建設及效益分析[J].干旱環(huán)境監(jiān)測, 2007,21(6):114-115.

[3] 郭振華.基于RS和GIS的艾比湖流域土壤鹽漬化研究[D]. 西安：長安大學,2006.

[4] Farifteh J, Farshad A., George, R J. Assessing salt-affected soils using remote sensing, solute modeling, and geophysics[J]. Geoderma,2006:130:191-206.

[5] 吳雪梅,塔西甫拉提·特依拜,買買提·沙吾提,等.干旱區(qū)綠洲土壤含水量季節(jié)性變異分析----以于田綠洲為例[J].干旱區(qū)地理,2014,(2):349-355.

[6] 曹幫華,吳麗云,宋愛云,等.濱海鹽堿地刺槐(Robinia pseudoacacia)混交林土壤水鹽動態(tài)[J].生態(tài)學報,2008,(3):939-945.

[7] 丁建麗,張 飛,江紅南,等.塔里木盆地北緣綠洲土壤含鹽量和電導率空間變異性研究----以渭干河-庫車河三角洲綠洲為例[J]. 干旱區(qū)地理,2008,(4):624-632.

[8] 鄭袁明,陳 煌,陳同斌,等.北京市土壤中Cr,Ni含量的空間結構與分布特征[J]. 第四紀研究,2003,(4):436-445.

[9] Burgess T M, Webster R. Optimal interpolation and isarithmic mapping of soil properties: The semi Varigram and punctual Kriging[J].Soil Sci,1980,(31):315-331.

[10] 胡克林,李保國,陳德立,等.農(nóng)田土壤水分和鹽分的空間變異性及其協(xié)同克立格估值[J].水科學進展,2001,12(4):460-466.

[11] 姚榮江,楊勁松.基于電磁感應儀的田間土壤鹽漬度及其空間分布定量評估[J].中國農(nóng)業(yè)科學,2008,41(2):460-469.

[12] 金海龍,白 祥.新疆艾比湖濕地自然保護區(qū)土壤空間異質性研究[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2010,(24):150-157.

[13] 秦 璐,呂光輝,張雪妮,等.干旱區(qū)艾比湖濕地土壤呼吸的空間異質性[J].干旱區(qū)地理,2014,(4):704-712.

[14] 張 飛,王 娟,塔西甫拉提·特依拜,等.1998—2013年新疆艾比湖湖面時空動態(tài)變化及其驅動機制[J]. 生態(tài)學報,2015,(9):2 848-2 859.

[15] 劉東偉,吉力力·阿不都外力,王立新.新疆艾比湖地區(qū)鹽塵的沉積銅梁及其物質組成[J].冰川凍土,2014,(2):352-359.

[16] 魯如坤. 土壤農(nóng)業(yè)化學分析方法[M].北京:中國農(nóng)業(yè)科技出版社,1999:59-65.

[17] 王政權.地統(tǒng)計學及其在生態(tài)學中的應用[M].北京:科學出版社,1999:162-192.

[18] 劉廣明,呂真真,楊勁松,等.典型綠洲區(qū)土壤鹽分的空間變異特征[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2012,(16):100-107.

[19] 賈艷紅,趙傳燕,南忠仁.黑河下游地下水波動帶土壤鹽分空間變異特征分析[J]. 干旱區(qū)地理,2008,(3):379-388.

[20] 馬成霞,丁建麗,楊愛霞,等.綠洲區(qū)域土壤鹽漬化主要參數(shù)的空間異質性分析[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2015,(2):144-150.

[21] 新疆農(nóng)業(yè)廳,新疆土壤普查辦公室.新疆土壤[M].北京:科學出版社,1996:151-521.

[22] 王衛(wèi)光,薛緒掌,耿 偉.河套灌區(qū)地下水位的空間變異性及其克里金估值[J]. 灌溉排水學報,2007,(1):18-21.

[23] 陳麗娟,馮 起,成愛芳.民勤綠洲土壤水鹽空間分布特征及鹽漬化成因分析[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2013,(11):99-105.

[24] Peck A J.Note on the role of shallow aquifer in dry land salinity[J].Australian.Journal of Soil Research,1978,16(2):237-240.