姜右錦，張松林，劉 陽

(西北師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

鹽漬土是我國重要的后備農(nóng)業(yè)土地資源。目前，我國西北、東北和濱海地區(qū)的鹽堿撂荒地和鹽堿障礙耕地面積超過3 333萬hm2；其中，具有農(nóng)業(yè)潛力的鹽堿地面積1 333萬hm2，約占全國耕地總面積的10%[1]。西北干旱區(qū)鹽堿地面積占全國耕地總面積的1/3以上，已成為制約該地區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素[2-5]。土壤養(yǎng)分與鹽分的含量對植物生長起關(guān)鍵性作用，直接影響植物群落的組成與生理能力，決定著生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和生產(chǎn)力水平[6-7]。土壤鹽分含量過高影響植物吸收利用養(yǎng)分以及微生物活動[8-9]，限制土壤肥力。

土壤養(yǎng)分和鹽分的空間變異受自然和人為因素的共同影響[6,10-12]，增施有機(jī)肥料不但可以增加土壤養(yǎng)分，還可以抑制鹽分含量的不斷上升[13]，有利于改良鹽堿土壤理化性質(zhì)。土壤養(yǎng)分與鹽分含量的空間分布及影響因素分析是掌握兩者在遷移過程中的空間變化，合理改良土壤的基礎(chǔ)。NOURZADEH等[14]對伊朗哈馬丹省農(nóng)田土壤養(yǎng)分和鹽分空間部分的研究表明，掌握土壤中養(yǎng)分和鹽分的空間異質(zhì)性可以為區(qū)域農(nóng)田土壤管理和作物生產(chǎn)提供更好的指導(dǎo)。馬志敏等[15]對西北干旱區(qū)綠洲農(nóng)田土壤養(yǎng)分和鹽分空間變異的研究表明，土地利用方式的改變對土壤中養(yǎng)分含量變化有重要的影響，長期耕作使耕地土壤養(yǎng)分含量降低，導(dǎo)致地力退化并增加鹽堿化風(fēng)險。張兆永等[16]對艾比湖流域農(nóng)田土壤養(yǎng)分的空間分布和鹽漬化風(fēng)險評價的研究表明，增加土壤養(yǎng)分元素含量，改善土壤結(jié)構(gòu)，可提高作物產(chǎn)量。酒泉市深處西北內(nèi)陸，高溫少雨、蒸發(fā)量大等獨特的氣候特征，以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中化肥大量施用等不合理的耕作活動，對該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生了極大的影響，并使得土壤鹽堿化程度加劇，因此，研究土壤中養(yǎng)分和鹽堿化狀況之間的關(guān)系對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生的影響，具有重要的現(xiàn)實意義。鑒于此，基于酒泉市土壤測土配方施肥研究中獲得的土壤養(yǎng)分與鹽分含量數(shù)據(jù)，運用地統(tǒng)計學(xué)和GIS理論研究土壤養(yǎng)分與鹽分含量空間變異特征，從地形、土壤類型與土地利用類型方面分析土壤養(yǎng)分與鹽分含量的影響因素，旨在為西北干旱區(qū)鹽堿地土壤改良和合理施肥以及農(nóng)業(yè)利用管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

酒泉市位于92°14′～100°20′E、37°58′～42°50′N，甘肅省河西走廊西端、祁連山北麓緩坡荒漠干旱草原地帶，三面環(huán)山，中間為走廊平原，東南部海拔較高、盆地相間，地勢南高、中低、北稍高(圖1)；北部地區(qū)為平坦的戈壁灘，蒸發(fā)強(qiáng)烈，降水量極少，植被稀少。酒泉市屬于典型大陸性溫帶干旱氣候區(qū)，年平均氣溫7.9 ℃，年均降雨量84 mm，年蒸發(fā)量2 141 mm；溫差大、降水時空分布不均，由西到東、從北到南遞增。酒泉市耕地總面積15.3萬hm2，其中，鹽堿地8.5萬 hm2，占全市總耕地面積的55.2%。主要土壤類型為發(fā)育在不同母質(zhì)上的灌漠土，有機(jī)質(zhì)含量低，pH值偏高(8.35)。鹽堿地土壤中含有大量可溶性鹽，以硫酸鹽為主，并有一部分硫酸鹽-氯化物鹽化土壤[17]。

圖1 酒泉市地勢Fig.1 Geographic map of Jiuquan City

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究使用的酒泉市土壤養(yǎng)分(有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷和速效鉀)與鹽分含量數(shù)據(jù)，為《酒泉市耕地質(zhì)量評價》中測土配方項目12 843個樣點的實測數(shù)據(jù)[18]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用地統(tǒng)計學(xué)方法，以區(qū)域化變量理論為基礎(chǔ)，以變異函數(shù)為主要工具，研究具有空間相關(guān)和依賴性的耕地土壤養(yǎng)分與鹽分含量的空間變異性及其互動機(jī)制，公式[19-20]：

式中，γ(h)為變異函數(shù)；h為步長，表示樣點空間間隔距離；N(h)為抽樣間隔h時的點對數(shù)；Z(xi)和Z(xi+h)分別是變量Z在空間位置xi和(xi+h)上的取值。

采用SPSS 20.0對土壤養(yǎng)分與鹽分含量進(jìn)行描述性統(tǒng)計分析；在GS+7.0軟件中完成地統(tǒng)計學(xué)分析，用上述公式對土壤養(yǎng)分與鹽分含量進(jìn)行空間自相關(guān)性和半變異函數(shù)分析；對所有參與計算的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，將不符合正態(tài)分布的變量進(jìn)行對數(shù)變換，使其符合正態(tài)分布。利用ArcGIS 10.5中Geostatiscal Analyst的克里金(Kriging)空間插值方法繪制鹽堿地土壤養(yǎng)分和鹽分含量的空間分布圖。土壤養(yǎng)分與鹽分含量空間分布格局影響因素由Origin 2018繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽堿地土壤養(yǎng)分與鹽分含量的統(tǒng)計特征值

鹽堿地土壤養(yǎng)分與鹽分含量的統(tǒng)計特征值如表1所示。經(jīng)單樣本K-S方法檢驗，有機(jī)質(zhì)、速效磷、速效鉀含量均呈正態(tài)分布，堿解氮、鹽分含量呈對數(shù)正態(tài)分布，符合地統(tǒng)計學(xué)分析要求。參考甘肅省第二次土壤普查土壤肥力分級標(biāo)準(zhǔn)[21]，有機(jī)質(zhì)、速效鉀含量均為Ⅴ級，堿解氮、速效磷含量分別為Ⅵ和Ⅳ級。依據(jù)NIELSEN分級標(biāo)準(zhǔn)[22]，耕地5種土壤指標(biāo)的變異系數(shù)均在10%～100%，故均屬于中等變異強(qiáng)度。其中，鹽分含量的變異程度最大，表明在不同采樣點土壤中鹽分含量差別較大。

表1 鹽堿地土壤養(yǎng)分、鹽分含量的統(tǒng)計特征值Tab.1 The statistical characteristic values of nutrient and salt content of saline-alkali land soil

2.2 鹽堿地土壤養(yǎng)分、鹽分含量的空間變異性分析

運用半方差函數(shù)模型分析，獲得了鹽堿地土壤養(yǎng)分、鹽分含量的空間變異情況(表2)。結(jié)果表明，鹽堿地土壤養(yǎng)分、鹽分含量參數(shù)均具有明顯的空間結(jié)構(gòu)特征。其中，有機(jī)質(zhì)、堿解氮含量符合Spherical模型，決定系數(shù)分別為0.82、0.65；速效磷、速效鉀含量均符合Exponential模型，決定系數(shù)分別為0.84、0.86；鹽分含量符合Gaussian模型，決定系數(shù)為0.67。各擬合模型決定系數(shù)均在0.65以上，表明各個模型具有較好的擬合效果。塊金值(C0)表示由隨機(jī)因素引起的變異，即由試驗誤差或小于試驗取樣尺度所引起的變異[23]。有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀、鹽分含量的C0值分別為8.83、102.70、53.70、148.00、3.23，說明在采樣尺度范圍內(nèi)存在采樣樣品、采樣范圍的誤差以及施肥耕作措施及政治制度等隨機(jī)性因素引起的變異[24]。

表2 鹽堿地土壤養(yǎng)分、鹽分含量的空間變異Tab.2 Spatial variability of nutrient and salt content of saline-alkali land soil

變程(R)指半方差函數(shù)達(dá)到基臺值需要的距離，反映土壤性狀空間相關(guān)的有效距離[25]。研究區(qū)土壤指標(biāo)的變程存在明顯差異，有機(jī)質(zhì)含量R值最大，說明其空間異質(zhì)性在較大尺度上受環(huán)境因素制約。速效磷含量R值最小，可能是由于施肥、養(yǎng)分殘留量或形態(tài)的不同所致。此影響因素在不同尺度上產(chǎn)生不同作用效果。

塊金系數(shù)[C0/(C0+C)]表示由隨機(jī)部分引起的空間異質(zhì)性占比。若塊金系數(shù)<0.25，說明具有強(qiáng)空間相關(guān)性；若0.25<塊金系數(shù)<0.75，為中等空間相關(guān)性；若塊金系數(shù)>0.75，則說明具有較弱空間相關(guān)性[26-28]。由表2可知，土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀、鹽分含量的塊金系數(shù)均<0.25，表現(xiàn)為較強(qiáng)的空間相關(guān)性，各因子空間異質(zhì)性主要由成土母質(zhì)、地形、氣候與植被覆蓋度等結(jié)構(gòu)性因素引起，不易受人類活動影響。土壤有機(jī)質(zhì)、鹽分含量的塊金系數(shù)很接近，說明兩者存在較強(qiáng)的空間相關(guān)性。

2.3 鹽堿地土壤養(yǎng)分、鹽分含量的空間分布格局

為了更準(zhǔn)確而直觀地反映鹽堿地土壤養(yǎng)分、鹽分含量的空間結(jié)構(gòu)分布狀況，根據(jù)擬合的半方差函數(shù)模型，利用普通Kriging插值繪制出鹽堿地土壤養(yǎng)分、鹽分含量的空間分布格局(圖2)。可見，土壤養(yǎng)分、鹽分含量的空間分布均具有斑塊狀分布特征?？偟膩碚f，有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效鉀含量的空間分布均為南高北低的階梯狀，主要因為北部是戈壁灘且土壤鹽漬化較嚴(yán)重，作物與植被相對不易生長。速效磷、鹽分含量的空間分布結(jié)構(gòu)大致相似，東部與中部較高，由東到西先高后低交替分布。土壤有機(jī)質(zhì)與堿解氮含量整體由北向南逐漸增加。中北部地區(qū)的土壤有機(jī)質(zhì)含量<15 g/kg，耕地面積占比32%的中南部土壤有機(jī)質(zhì)含量相對較高，適宜農(nóng)作物種植，原因可能是中北部氣候干旱、植被稀少和地勢較低所導(dǎo)致的水分蒸發(fā)強(qiáng)烈，土壤表層鹽分積聚。

圖2 鹽堿地土壤養(yǎng)分、鹽分含量的空間分布格局Fig.2 Spatial distribution pattern of nutrients and salt content of saline-alkali land soil

2.4 鹽堿地土壤養(yǎng)分、鹽分含量的相關(guān)性

鹽堿地土壤養(yǎng)分、鹽分含量的相關(guān)性分析表明(表3)，有機(jī)質(zhì)含量與堿解氮含量之間呈極顯著正相關(guān)，有機(jī)質(zhì)含量與速效鉀含量之間呈顯著正相關(guān)，解釋了其空間分布的相似性(圖2)，有機(jī)質(zhì)含量與速效磷含量之間呈負(fù)相關(guān)，說明土壤速效磷主要受母質(zhì)及成土作用影響，而其他養(yǎng)分含量在自然條件受有機(jī)質(zhì)影響作用顯著，同時有機(jī)質(zhì)可能與氮、磷、鉀之間存在著一定的衍生關(guān)系和動態(tài)平衡。鹽分含量和有機(jī)質(zhì)、堿解氮含量之間呈極顯著負(fù)相關(guān)，可能是由于鹽分含量影響土壤生物量以及微生物活性，進(jìn)而減緩有機(jī)質(zhì)的礦化效果；反之，增加土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮含量有助于降低土壤鹽分含量，減輕土壤鹽堿化危害程度。鹽分含量與速效磷含量之間呈顯著正相關(guān)，說明兩者的變化在一定程度上具有顯著同步性。土壤速效磷、有機(jī)質(zhì)、堿解氮含量的變化顯著或極顯著影響鹽分含量的變化，表明有可能通過改變土壤養(yǎng)分狀況治理土壤鹽堿化。

表3 鹽堿地土壤養(yǎng)分、鹽分含量的相關(guān)性Tab.3 Correlation between nutrient and salt contents of saline-alkali land soil

注：*表示相關(guān)性顯著(P<0.05)；**表示相關(guān)性極顯著(P<0.01)。
Note:* indicates significant level of correlation (P<0.05);** indicates extremely significant level of correlation(P<0.01).

2.5 鹽堿地土壤養(yǎng)分、鹽分含量空間分布格局的影響因素

鹽堿地土壤養(yǎng)分、鹽分含量的空間分布格局受自然和人為因素的共同影響。鹽堿化土壤養(yǎng)分含量的空間分布格局與地勢高低有關(guān)(圖1)。酒泉市東南部海拔較高、盆地相間，有機(jī)物堆積，有利于有機(jī)質(zhì)的分解與礦化，故土壤的營養(yǎng)元素含量較豐富；凋落物和植被覆蓋使土壤中含有較多的植物殘留物，使東南地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)、磷、鉀元素含量較高。而北部地區(qū)為平坦的戈壁灘，蒸發(fā)強(qiáng)烈，降水量極少，植被稀少，使土壤養(yǎng)分含量較低、鹽分含量較高。

不同土壤類型的土壤養(yǎng)分含量有所差異(圖3)。有機(jī)質(zhì)、堿解氮含量的表現(xiàn)趨勢相似，由高到低為灰棕漠土>灌漠土>潮土>草甸土>風(fēng)沙土。速效磷含量的變化趨勢由高到低為風(fēng)沙土>鹽土>潮土>灌漠土>灰棕漠土>草甸土，速效鉀含量的變化趨勢為灰棕漠土>鹽土>灌漠土>風(fēng)沙土>潮土>草甸土。速效磷、速效鉀含量的變化對鹽分含量具有一定的影響，說明土壤類型中養(yǎng)分含量的變化會使得鹽分含量發(fā)生一定程度的變化，這與二者之間的相關(guān)性具有一致性。

不同小寫字母表示各土壤類型間差異顯著(PThe different lowercase indicates significant difference among different soil type(P圖3 不同土壤類型養(yǎng)分含量特征Fig.3 Characteristics of nutrient content in different soil types

各土壤養(yǎng)分的空間分布格局與土地利用類型(圖4)有關(guān)。土地利用類型主要為設(shè)施農(nóng)用地、水澆地和園地，其中堿解氮含量在園地中最高，有機(jī)質(zhì)、速效磷、速效鉀含量均在水澆地中最高。由于當(dāng)?shù)氐臍夂騿栴}，水澆地的灌溉程度相對較大，使其水分蒸發(fā)減少，鹽分含量降低，土壤養(yǎng)分含量相對較高。園地的耕作管理主要是淺耕、旋耕綜合使用，使其達(dá)到土壤養(yǎng)分充分被植物利用的目的。

圖4 不同土地利用類型土壤養(yǎng)分的含量特征Fig.4 Characteristics of soil nutrient content in different land use types

3 結(jié)論與討論

鹽堿地土壤養(yǎng)分、鹽分含量高低及其空間分布是影響干旱區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要因素?；诟珊祬^(qū)自然與人為因素對土壤養(yǎng)分、鹽分含量的共同作用，保持土壤肥力和降低鹽漬化程度是鹽堿地土壤改良的途徑之一。

研究區(qū)土壤養(yǎng)分分級總體屬于中等水平。有機(jī)質(zhì)、速效磷、速效鉀含量相對較高，堿解氮含量相對較低。不同土壤類型養(yǎng)分含量的影響因素不同[29]。有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀、鹽分含量的空間變異程度中等，空間相關(guān)性較強(qiáng)。由于存在衍生關(guān)系，堿解氮含量與有機(jī)質(zhì)含量的空間分布格局具有較高的相似性。酒泉市主要種植冬小麥、玉米和馬鈴薯等喜氮作物，作物吸收消耗而導(dǎo)致土壤堿解氮含量降低。酒泉市土壤速效磷含量處于中等水平，東部和中部地區(qū)相對較高，與精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中合理施肥與耕作活動有關(guān)。對于速效鉀含量空間分布不均，處于較低水平的區(qū)域，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)時應(yīng)多施氮肥和鉀肥，適度施加有機(jī)肥和磷肥。

土壤養(yǎng)分與鹽分含量的空間變異性分析表明，其均具有良好的空間結(jié)構(gòu)，土壤4類養(yǎng)分因子與鹽分含量的塊金系數(shù)均<0.25，表明土壤養(yǎng)分和鹽分含量的空間變異受氣候、母質(zhì)、地形和土壤類型等結(jié)構(gòu)性因素的影響。土壤有機(jī)質(zhì)、鹽分含量的塊金系數(shù)相近，說明兩者之間的空間變異存在相關(guān)性；但是兩者的變程卻顯著不同，有機(jī)質(zhì)含量R值為2.05 km，鹽分含量R值為1.04 km，說明鹽分含量受隨機(jī)影響較小，造成空間自相關(guān)的范圍較大。不同作物與施肥管理的差異可能減弱土壤養(yǎng)分、鹽分含量的空間自相關(guān)性，使其空間尺度減小。

鹽堿地土壤養(yǎng)分、鹽分含量的空間分布多呈階梯狀與斑塊狀結(jié)構(gòu)，其有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效鉀含量均南高北低，速效磷與鹽分含量由東向西高低交替分布。地勢相對較高地區(qū)的土壤有機(jī)質(zhì)含量相對較高，表明其空間異質(zhì)性受到地勢的影響較明顯。與此相反，楊煜岑等[28]認(rèn)為土壤有機(jī)質(zhì)高值區(qū)域主要集中在地勢低平、坡度緩和和濕度適中的農(nóng)耕區(qū)，地勢較高的山區(qū)有機(jī)質(zhì)含量低。土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效鉀含量的空間分布一致，相互之間呈正相關(guān)。還有學(xué)者研究表明，當(dāng)海拔升高時，堿解氮更易于積累，其含量相對較高[29]。土壤有機(jī)質(zhì)、速效磷含量之間呈負(fù)相關(guān)，是由于堿性土壤中沉淀反應(yīng)形成的羥基磷灰石穩(wěn)定性較強(qiáng)[30]，不利于提高磷的有效性。

Pearson相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，土壤鹽分含量與有機(jī)質(zhì)、堿解氮含量之間呈極顯著負(fù)相關(guān)，佐證了它們之間空間分布相反的狀況，說明土壤鹽分增加在一定程度上制約著土壤有機(jī)質(zhì)和堿解氮的積累和轉(zhuǎn)化，使作物吸收養(yǎng)分和新陳代謝過程等受到限制。這與前人的研究結(jié)果一致[31-35]。土壤鹽分、速效磷含量之間呈顯著正相關(guān)，與速效鉀含量之間呈正相關(guān)。土壤養(yǎng)分與土壤微生物的活動密切相關(guān)，而土壤鹽分會明顯降低土壤微生物的活性[36]。因此，合理施用化肥和農(nóng)家肥，增強(qiáng)土壤微生物的活性，可能會減緩鹽堿化程度。