王 波，楊樹青，袁宏穎，鄭 彥，張 晶

（內蒙古農業(yè)大學水利與土木建筑工程學院，內蒙古 呼和浩特 010018）

土壤鹽漬化的空間分布和變化對農業(yè)資源利用起至關重要的作用［1-2］。據不完全統(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、土壤質地、氣候類型、人類活動等因素決定［11-12］。目前許多學者已經對土壤鹽漬化空間分布特征及其鹽分組成等相關方面做了大量研究［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量關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，為烏拉特灌域的農業(yè)發(fā)展和土壤資源的可持續(xù)利用提供指導依據。

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 試驗設計與數據采集

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，均勻混合后作為一個點的代表性樣品。根據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，經過1 mm篩剔除雜質后，制備5∶1水土質量比浸提液，溶液制備完成后靜置8 h，通過上海三信SX-650型筆式電導率儀和SX-620型筆式pH計來測定土壤電導率和pH；全鹽量采用殘渣烘干質量法測定；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 數據處理

本研究利用Excel 2007對數據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（CV）是反映數據變異程度的一個統(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系數。

根據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土層土壤變異系數為117.784%，大于100%，屬強變異性；20～40 cm土層土壤變異系數為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；從變異系數來看，陽離子中Mg2+和K++Na+變異系數分別在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+變異系數隨著季節(jié)的變化，在夏季出現最小值（99.73%），在秋季出現最大值（159.04%），具有較強變異性；陰離子中SO42-和Cl-變異系數分別在116.75%～156.75%、116.79%～193.78%之間，表現出極強的變異性；HCO3-在春夏秋季變異系數均介于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 土壤鹽漬化的主導因子

根據主成分分析可知，8個變量可用2個主成分代表，結果如表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。故根據各因子與主成分之間的密切相關性，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矩陣

為清楚地表達出初始變量與主成分之間的關系，以第一和第二主成分作為新的變量，建立線性方程，根據表2、3中各主成分的特征值和各變量在相應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?。辉跁r間上，夏季土壤含鹽量年內最低，秋季次之，春季最高，充分體現了河套灌區(qū)土壤鹽分的春返、夏脫、秋積現象。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

總結上述分析，結合圖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。河套灌區(qū)主要受氣候、地質、地貌、地形等環(huán)境因素的影響，導致鹽漬化土壤在區(qū)域內分布廣泛，嚴重影響著農業(yè)建設的發(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性高于秋季，土壤鹽基離子的變異強度為春季大于秋季。化騫寂等［26］選取河套灌區(qū)典型區(qū)域對周年內土壤鹽分變化、鹽堿化面積變化進行研究，結果表明各時期土壤鹽分表聚現象明顯，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陸硫酸鹽型鹽堿地土壤表層鹽堿離子做消減研究，相關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因子，利用主成分分析法，可在相對較多的變量中提取少數不相關的綜合因子，來確定土壤鹽漬化的主導因子［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。

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%，嚴重影響著我國農業(yè)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境的修復，因此鹽堿地改良與利用成為一種有效增加農業(yè)產值的方式［33］。鹽堿地的改良與利用是一個復雜的過程，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研究。王佳麗等［34］提出加強多學科交叉融合的研究，強調農戶技術選擇行為的研究，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，建立基于現代化技術的水鹽實時監(jiān)測系統(tǒng)，制定配套的節(jié)水控鹽灌溉制度，實現灌區(qū)地表水-地下水多水源聯動與精量灌溉水鹽均衡調控對鹽堿地改良有積極作用；劉瑞敏等［36］研究了改良產品對鹽堿地改良的效果，結果表明，丹路菌肥在提高葵花出苗率、保苗率及增產方面效果最佳，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意見。

4 結論

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土層土壤變異系數為117.784%，屬強變異性，20～40 cm土層土壤變異系數為75.576%，屬于中等變異性；夏秋兩季各層土壤變異系數為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-表現出極強的變異性；在不同季節(jié)HCO3-的空間異質性較弱。

主成分分析結果表明，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。