賀 靜， 吉力力·阿不都外力， 馬 龍， Galymzhan SAPAROV，Gulnura ISSANOVA

（1.新疆大學資源與環(huán)境科學學院，新疆 烏魯木齊 830046；2.中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所荒漠與綠洲生態(tài)國家重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830011；3.中國科學院中亞生態(tài)與環(huán)境研究中心，新疆 烏魯木齊 830011；4.中國科學院大學，北京 100049；5.哈薩克斯坦土壤與農(nóng)業(yè)化學研究所，哈薩克斯坦 阿拉木圖 050060；6.哈薩克斯坦國立大學地理與環(huán)境科學學院，哈薩克斯坦 阿拉木圖 050040）

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中復雜的非均質部分，它不僅是連接其他環(huán)境元素的樞紐，也是無機物與生物相結合的中心環(huán)節(jié)［1］，它主要是由成土母質經(jīng)過一系列的物理、化學及生物作用的過程而形成［2］。土壤粒度作為土壤最重要的物理屬性之一［3］，它對土壤的持水性［4］、土壤養(yǎng)分［5］、土壤侵蝕［6］及土壤風蝕［7］等都具有明顯的影響，同時土壤粒度還是表征土壤荒漠化的指標之一［8］。土壤粒度作為時空連續(xù)的變異體，具有較強的空間異質性［9-10］，土壤顆粒大小的空間變化決定了土壤粒度的異質性［11］，隨著地統(tǒng)計學方法的不斷完善，地統(tǒng)計學方法被認為是研究各土壤屬性空間異質性最有效的方法［12］，主要是通過考慮變量的自相關性和隨機性因素來精確地評價變量的空間變異性，并已廣泛地應用于土壤水分、土壤化學性質、土壤理化性質的分布特征及空間異質性的研究。近些年，國內外許多學者利用地統(tǒng)計學方法對土壤粒度進行了大量的研究，Dang 等［6］研究了烏蘭布和沙漠白刺灌叢風蝕土壤顆粒的空間異質性，得出各粒徑土壤顆?？臻g自變異性主要是由結構因素引起的；樊立娟等［13］對河西走廊斑塊植被區(qū)表層土壤粒徑的空間變異性特征進行了研究，得出粗砂和細砂含量具有較強的空間自相關性，中砂和粉砂含量具有弱的空間自相關性；Hu等［14］研究了河西走廊荒漠綠洲過渡帶表層土壤顆粒組成特征及其空間異質性，結果表明不同粒徑土壤顆粒具有不同的空間異質性。

自20 世紀60 年代開始，蘇聯(lián)在錫爾河流域哈薩克斯坦境內開展了大規(guī)模的農(nóng)業(yè)活動，農(nóng)田面積急速增加，長期的人類活動可能對研究區(qū)的土壤粒度組成分布產(chǎn)生了影響，而目前關于錫爾河流域土壤的研究主要集中在土壤水分［15］、土壤中重金屬分布特征［16］及土壤元素的組成特征［17］等方面，對于錫爾河流域哈薩克斯坦境內農(nóng)田土壤粒度的特征及空間異質性的研究卻鮮有文獻報道。本文以錫爾河流域哈薩克斯坦境內農(nóng)田土壤作為研究區(qū)域，結合描述性統(tǒng)計方法和地統(tǒng)計學方法來研究該區(qū)域土壤粒度特征及空間異質性，為進一步研究該地區(qū)其他土壤屬性提供參考，同時也為該地區(qū)農(nóng)田土壤的合理利用以及農(nóng)業(yè)結構的調整提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

錫爾河（Syr Darya River）是中亞第二大河流，總面積超5×105km2，同時也是咸海主要補給河流之一，它是由起源于吉爾吉斯坦的納倫河和卡拉達里亞河支流匯合而成，最終流入咸海［18］。錫爾河中下游主要包括烏茲別克斯坦、哈薩克斯坦及吉爾吉斯斯坦3個國家，人口大約為1.5×107［19］。研究區(qū)具體位置在哈薩克斯坦的南部區(qū)域，位于錫爾河流域的中下游地區(qū)，主要占據(jù)著哈薩克斯坦的南哈薩克斯坦州（South Kazakhstan）和克孜勒奧爾達州（Kyzylorda），錫爾河流域中下游區(qū)域平均海拔較低，夏季炎熱干燥，冬季寒冷少雪，四季和晝夜溫差較大，屬于典型的干旱大陸性氣候。

根據(jù)農(nóng)田灌溉區(qū)的地理位置及地形情況，將研究區(qū)域劃分為3 個子研究區(qū)（圖1）。在錫爾河中游的薩達拉（Shardara）等地區(qū)，農(nóng)田分布較為集中，將位于薩達拉等地的研究區(qū)命名為子區(qū)1，子區(qū)1年總降水量約為343.2 mm，平均氣溫為15.8 ℃［20］，主要以種植棉花為主［21］，根據(jù)世界土壤數(shù)據(jù)庫（HWSD v1.2）［22］分類標準，子區(qū)1土壤為人為土和潛育土；下游的克孜勒奧爾達市（Kyzylorda）等地的研究區(qū)農(nóng)田灌溉區(qū)命名為子區(qū)2，年總降水量約為138.7 mm，平均氣溫為11.6 ℃［20］，子區(qū)2的土壤主要為潛育土［22］。下游的卡扎雷（Kazaly）等地的研究區(qū)農(nóng)田灌溉區(qū)命名為子區(qū)3，子區(qū)3 年總降水量約為127.8 mm，平均氣溫為10.7 ℃［20］，子區(qū)3的土壤為沙土和鈣積土［22］；下游的2 個農(nóng)田灌溉區(qū)（子區(qū)2 和子區(qū)3）主要以種植水稻為主［23-24］。3 個子區(qū)的年總降水量和平均氣溫均取2011—2020 年多年平均值。研究區(qū)土地利用分類（圖1）從全球陸地覆蓋數(shù)據(jù)（Globcover2009）（http://due.esrin.esa.int/page_globcover.php）中獲取。

圖1 土地利用分類和采樣點位置Fig.1 Land use classification and location map of sampling points

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集與測定 從錫爾河中下游3個集中的農(nóng)田灌溉區(qū)內共采集表層0～20 cm 土壤樣品218份，其中，子區(qū)1 84 份，子區(qū)2 44 份，子區(qū)3 90 份。將采集的土壤樣品裝入密封袋帶回實驗室，去除樣品中的碎石以及雜物，然后再經(jīng)過風干、除去有機質、脫鈣處理后，過1 mm篩后，采用移液管法測定土壤粒度，并將土壤粒度劃分為6 個等級，即1.0～0.25 mm、0.25～0.05 mm、0.05～0.01 mm、0.01～0.005 mm、0.005～0.001 mm、＜0.001 mm。土壤粒度的測量在哈薩克斯坦土壤與農(nóng)業(yè)化學研究所完成。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理與分析 地統(tǒng)計學方法被認為是研究土壤屬性空間異質性最有效的方法，半方差函數(shù)作為地統(tǒng)計學方法的基本工具，是描述土壤性質空間變異結構的函數(shù)［25］，用半方差函數(shù)計算不同粒徑土壤顆粒含量的最佳理論模型及相關參數(shù)，其計算公式為：

本文使用SPSS 26.0 軟件對土壤粒度進行描述性統(tǒng)計分析及數(shù)據(jù)檢驗，采用GS+9.0軟件對數(shù)據(jù)進行半方差函數(shù)計數(shù)及模型擬合，利用克里格插值法對未采樣地區(qū)進行插值，并繪制空間分布圖。

2 結果與分析

2.1 土壤粒度空間分布統(tǒng)計特征描述

描述性統(tǒng)計分析能夠反映土壤粒度總體的空間變異特征，但不能對土壤粒度空間結構的變異進行分析，但描述性統(tǒng)計分析是進一步分析土壤粒度空間異質性的前提［13］。在了解土壤粒度的空間結構前，首先需要利用經(jīng)典統(tǒng)計方法對數(shù)據(jù)進行分析，以便掌握土壤粒度的基本特征；最小值、最大值、平均值、標準差和變異系數(shù)能夠很好地描述土壤粒度的可變性［2］。利用SPSS 26.0 軟件計算出各土壤樣品不同粒徑土壤顆粒的最小值、最大值、平均值、標準差，計算結果見表1。

根據(jù)表1的統(tǒng)計結果表明，3個子研究區(qū)土壤粒度組成較為相似，對于3 個子研究區(qū)而言，粒徑為0.25～0.05 mm和0.05～0.01 mm土壤顆粒平均值含量最大，這兩種粒徑土壤顆粒含量占總組成的60%左右，表明研究區(qū)農(nóng)田土壤中主要以粒徑為0.25～0.05 mm 和0.05～0.01 mm 土壤顆粒為主，其中粒徑為0.25～0.05 mm 土壤顆粒的平均值含量最大，占35%左右，粒徑為0.05～0.01 mm 土壤顆粒平均值含量在21.20%～30.40%；其次是粒徑為＜0.001 mm和0.005～0.001 mm 土壤顆粒，其中粒徑＜0.001 mm 土壤顆粒平均值含量在17.28%～19.30%，粒徑為0.005～0.001 mm土壤顆粒平均值含量在11.75%～15.81%；最后依次是粒徑為0.01～0.005 mm 和1.0～0.25 mm 的土壤顆粒，其中粒徑為1.0～0.25 mm 土壤顆粒平均值含量最小，其含量的平均值在0.42%～2.30%。在3 個子研究區(qū)內，不同粒徑土壤顆粒平均值含量相差較小，表明3個子研究區(qū)的土壤粒度組成相似。

表1 0～20 cm土層不同粒徑土壤顆粒的描述性統(tǒng)計特征Tab.1 Descriptive statistical characteristics of soil particles with different particle sizes in 0-20 cm soil layer

變異系數(shù)（Cv）是各粒徑土壤顆粒含量的標準差與平均值之間的百分比，能有效反映土壤顆粒含量的相對變異，即區(qū)域化隨機變量的離散程度［14］。在土壤學研究中，將土壤性質的變異強弱分為以下3種：Cv＜10%為弱變異，10%＜Cv＜100%為中等變異性，Cv＞100%為強變異性［27］。除子區(qū)3 中粒徑為1.0～0.25 mm土壤顆粒含量的變異系數(shù)Cv＞100%，具有強的變異性，其他粒徑土壤顆粒含量的變異系數(shù)均在10%～100%，具有中等程度的變異性。

根據(jù)土壤粒徑分級標準，粒徑1.0～0.05 mm為砂粒，0.05～0.005 mm為粉粒，＜0.005 mm為黏粒［28］。按照這個土壤粒徑分級標準，子區(qū)1 中農(nóng)田表層0～20 cm 土壤中砂粒：粉粒：黏粒=34.76%：36.21%：29.03%，子區(qū)2 中土壤顆粒砂粒：粉粒：黏粒=36.67%：31.34%：31.98%，子區(qū)3 中土壤顆粒砂粒：粉粒：黏粒=37.3%：29.33%：33.35%，3個子研究區(qū)中砂粒、粉粒和黏粒含量相差都不太大，分別占30%左右。根據(jù)Funakawa等［29］在1990s時期對錫爾河流域的農(nóng)田土壤的研究表明，子區(qū)1 中的農(nóng)田種植區(qū)域表層0～20 cm 土壤中主要以砂粒和粉粒（39.9%，42.5%）為主，對比可以發(fā)現(xiàn)，砂粒和粉粒含量明顯減少，黏粒含量增加；在子區(qū)3中的農(nóng)田種植區(qū)域表層0～14 cm 土壤中以粉粒和黏粒（50.7%，43.8%）為主，比較可以發(fā)現(xiàn)，粉粒和黏粒含量明顯減少，砂粒含量增加。錫爾河中游的子區(qū)1地區(qū)土壤質地主要是以粉砂質黏壤土、砂質黏壤土和黏壤土為主，下游的子區(qū)2土壤質地主要是以砂質黏土和黏壤土為主，下游的子區(qū)3土壤質地主要是土壤質地以黏土、黏土壤和砂質黏土為主。

對不同粒徑土壤顆粒含量進行空間變異分析時，需要對原始數(shù)據(jù)進行正態(tài)分布檢驗。對不服從正態(tài)分布的實驗數(shù)據(jù)進行對數(shù)轉換和平方根轉換后，然后再利用SPSS 26.0 軟件中的Kolmogorov-Smirmov（K-S）方法對轉換后的數(shù)據(jù)進行正態(tài)分布檢驗，檢驗結果證明均服從正態(tài)分布。

2.2 土壤粒度空間異質性及其影響因素研究

塊金值（C0）、基臺值（C0+C）及變程（A）組成變異函數(shù)曲線［30］，塊金值（C0）與基臺值（C0+C）的比值稱為塊金系數(shù)（C0/C0+C），塊金系數(shù)的大小能夠有效的表明土壤顆粒含量的空間自相關性程度，當塊金系數(shù)＜25%時，表明變量具有較強的空間自相關性，變異主要是由結構性因素（地形、降水、氣候、母質類型等非人為因素）所引起，當塊金系數(shù)在25%～75%范圍內，表明變量具有中等程度的空間自相關性，當塊金系數(shù)＞75%時，表明變量具有弱的空間自相關性，變異主要是隨機因素（耕作方式、灌溉、土壤改良等人為因素）所引起［2,31］。從表2 可知，在子區(qū)1中，粒徑為1.0～0.25 mm 和0.25～0.05 mm 土壤顆粒含量的塊金系數(shù)為100%，表明這兩種粒徑土壤顆粒的空間自相關性完全是由隨機性因素引起；粒徑為0.01～0.005 mm 和0.005～0.001 mm 土壤顆粒含量的塊金系數(shù)分別為38.26%和36.09%，說明這兩種粒徑土壤顆粒具有中等程度的空間自相關性；粒徑為0.05～0.01 mm 和＜0.001 mm 土壤顆粒含量的塊金系數(shù)分別為0.18%和18.36%，表明這兩種粒徑土壤顆粒的空間自相關性非常強。在子區(qū)2 中，粒徑為1.0～0.25 mm、0.05～0.01 mm 和0.005～0.001 mm 土壤顆粒含量的塊金系數(shù)均小于25%，因此該粒徑土壤顆粒的空間變異主要是由結構性因素引起，其他粒徑范圍土壤顆粒含量的塊金系數(shù)值均在25%～75%范圍以內，表明它們具有中等程度的空間自相關性。在子區(qū)3中，粒徑為0.05～0.01 mm和＜0.001 mm土壤顆粒含量的塊金系數(shù)分別為37.85%和71.20%，表明這兩種粒徑土壤顆粒具有中等程度的空間自相關性；剩余粒徑土壤顆粒含量的塊金系數(shù)均小于25%，表明這些粒徑土壤顆粒具有較強的空間自相關性。土壤顆粒含量的空間異質性是由結構性因素和隨機性因素共同作用所導致，從本研究可以推斷，隨機性因素是導致土壤顆粒空間異質性的主要因素，因此，進一步說明在長期的人為因素（耕作方式、灌溉、土壤改良等）的作用下，已經(jīng)使各子研究區(qū)土壤顆粒含量空間自相關性受到不同程度的影響。

表2 0～20 cm土層中不同粒徑范圍土壤顆粒的變異函數(shù)理論模型及相關參數(shù)Tab.2 Oretical model of variation function and related parameters of soil particles with different particle size ranges in 0-20 cm soil layer

2.3 空間插值分析

通過克里格插值方法，對不同粒徑土壤顆粒含量進行空間插值。在子區(qū)1（圖2），1.0～0.25 mm 土壤顆粒含量從中心到外圍呈現(xiàn)增長的帶狀閉合曲線，低值區(qū)出現(xiàn)在西北和東南位置；0.25～0.05 mm土壤顆粒含量的空間分布表現(xiàn)出從南到北呈增長的趨勢，與0.05～0.01 mm 土壤顆粒含量空間分布相反；0.01～0.005 mm 土壤顆粒含量高值區(qū)位于南部，顆粒的分布從南部向四周逐漸減少；0.005～0.001 mm 和＜0.001 mm 土壤顆粒含量的空間分布表現(xiàn)出從東往西呈減少的趨勢。

圖2 子區(qū)1表層土壤不同粒徑范圍土壤顆?？死锝鸩逯礔ig.2 Kriging interpolation of soil particles in different particle size ranges of topsoil in subzone 1

在子區(qū)2（圖3），1.0～0.25 mm 土壤顆粒含量的空間分布，從西南向東北位置逐漸減少，高值區(qū)分布在西南位置；0.25～0.05 mm 土壤顆粒含量高值區(qū)主要分布在西北和中部，從西北和中部向四周逐漸減少；0.05～0.01 mm 土壤顆粒含量高值區(qū)主要分布在東南位置，并從東南部向西北部呈減少趨勢；0.01～0.005 mm 土壤顆粒含量的高值區(qū)分布在北部某一小塊區(qū)域，分布趨勢從四周向中間減少；0.005～0.001 mm和＜0.001 mm土壤顆粒含量的高值區(qū)分布在西北部的某一小塊區(qū)域，低值區(qū)占據(jù)了該區(qū)域大部分面積。

圖3 子區(qū)2表層土壤不同粒徑范圍土壤顆粒克里金插值Fig.3 Kriging interpolation of soil particles in different particle size ranges of topsoil in subzone 2

在子區(qū)3（圖4），1.0～0.25 mm 土壤顆粒含量高值區(qū)分布在中部，0.25～0.05 mm 土壤顆粒含量高值區(qū)分布在西南位置和北部的某一小塊區(qū)域，0.05～0.01 mm 土壤顆粒含量高值區(qū)分布在中部和東部，這3種粒徑土壤顆粒含量的分布都是從高值區(qū)向四周逐漸減少；0.01～0.005 mm土壤顆粒含量的空間分布從西南向東北逐漸減少；0.005～0.001 mm 和＜0.001 mm 土壤顆粒含量的高低值區(qū)則分布在東南位置，而低值區(qū)分布較為分散。

圖4 子區(qū)3表層土壤不同粒徑范圍土壤顆粒克里金插值Fig.4 Kriging interpolation of soil particles in different particle size ranges of topsoil in subzone 3

3 討論

本研究通過分析得出，子區(qū)1 農(nóng)田灌溉區(qū)主要以種植棉花為主；子區(qū)2 和子區(qū)3 農(nóng)田灌溉區(qū)主要以種植水稻為主，在3 個子研究區(qū)中砂粒、粉粒、黏粒分別占30%左右，表明土壤粒度組成受植被種植類型的影響不大；從變異系數(shù)而言，研究區(qū)土壤粒度組成分布具有中等程度變異；從塊金系數(shù)比值可以了解到，研究區(qū)土壤粒度組成具有中等程度的空間自相關性，已經(jīng)受到了不同程度隨機性因素的影響。通過與Funakawa等［29］在1990s時期對研究區(qū)土壤粒度組成研究進行比較得出，在子區(qū)1中，砂粒和粉粒降低，黏粒含量增加，從20 世紀80 年代初，中亞地區(qū)棉花和水稻種植迅速增加，南哈薩克斯坦州作為該國主要且唯一的棉花種植區(qū)［21］，棉花的種植有可能使研究區(qū)的土壤粒度組成發(fā)生了改變，因為植物根系能夠分泌一種改變土壤理化性質的有機酸，它能提高土壤黏結性以及土壤結構的穩(wěn)定性，在植物根系作用下會使土壤顆粒細化［32］，從而使表層土壤中黏粒含量增加；而在子區(qū)3中，土壤中砂粒含量顯著增加，黏粒含量顯著減少，當土壤中砂粒和黏粒比增加時，表明土壤風蝕沙漠化現(xiàn)象已經(jīng)逐漸突出，錫爾河下游的克孜勒奧爾達州主要是以種植水稻為主，且該國90%的水稻種植在于克孜勒奧爾達州［23］，長期的水稻種植可能使該地區(qū)土壤粒度組成發(fā)生了改變，因為土壤耕作年限的增加會破壞

土壤的自我調節(jié)功能，從而使土壤不斷砂化，根據(jù)買合皮熱提·吾拉木等［33］研究結果表明，隨著種植年限的增加，使表層土壤中砂粒含量值增加，粉粒和黏粒含量值逐漸降低，這表明種植年限的增加可能使研究區(qū)的土壤逐漸砂化。

土壤粒度組成是影響土壤鹽分離子在土壤中分布的重要因素，由于土壤粒度組成決定了土壤的孔隙大小以及土壤結構類型，從而影響土壤中鹽分的遷移，根據(jù)Wang等［34］研究表明，土壤粒度組成發(fā)生改變會直接影響土壤中鹽濃度的分布，土壤中的粉粒和黏粒含量能夠影響表層土壤中的鹽離子的分布，而砂粒含量能夠影響深層土壤中的鹽離子分布。由于砂粒顆粒較粗，顆粒間的孔隙較大，滲透性和排水性較好，因此有助于土壤的脫鹽，但保水能力和保肥能力較低；而黏粒的顆粒較細，具有較強的吸附性，孔隙多孔徑小，通氣和滲透能力較差，在強蒸發(fā)作用下會使鹽分積聚在地表，因此黏粒含量對土壤鹽分分布影響更大，根據(jù)杜金龍等［35］研究表明，土壤中鹽分離子的分布主要是受黏粒含量的影響，而對于鹽分較高的鹽漬土，土壤中鹽分離子的分布主要是受砂粒含量的影響。克孜勒奧爾達州100%的灌溉區(qū)和南哈薩克斯坦州67.8%的地區(qū)屬于中度鹽漬化和高鹽漬化［36］，因此在研究區(qū)進行土壤粒度研究有助于為該研究區(qū)土壤鹽漬化防治和土壤肥力控制提供理論依據(jù)。

4 結論

以錫爾河流域哈薩克斯坦境內農(nóng)田土壤為研究區(qū)，通過野外采樣和實驗分析相結合的方法，對研究區(qū)表層土壤粒度特征及空間異質性進行研究，研究結果表明：

（1）各子研究區(qū)域表層土壤粒度組成在流域尺度上表現(xiàn)出相似的分布特征，主要以0.25～0.05 mm和0.05～0.01 mm 粒徑顆粒為主，占土壤粒度組成的60%左右，除子區(qū)3中1.0～0.25 mm的土壤顆粒具有較強的變異性，其他粒徑土壤顆粒均具有中等程度的變異性。

（2）通過變異函數(shù)計算結果表明，3個子研究區(qū)各粒徑土壤顆粒含量符合不同的變異函數(shù)理論模型，并且具有不同程度的空間自相關性。除子區(qū)1中粒徑為1.0～0.05 mm 土壤顆粒含量受隨機性因素的影響具有弱的空間自相關性，各子研究區(qū)內不同粒徑土壤顆粒含量具有中等或較強的空間自相關性。研究區(qū)土壤粒度組成由于受到隨機性因素如農(nóng)田耕作的影響，使研究區(qū)土壤粒度組成發(fā)生了改變，農(nóng)田耕作可能是影響研究區(qū)土壤粒度組成空間異質性的重要因素。

（3）土壤粒度組成的空間插值表明，在各子研究區(qū)內不同粒徑土壤顆粒含量的空間分布格局差異較大，不同粒徑土壤顆粒含量的空間分布呈現(xiàn)出無規(guī)則的帶狀和斑塊狀分布，高值區(qū)和低值區(qū)分布較為分散，無明顯的分布規(guī)律。