李寶富 ，熊黑鋼 ，龍 桃 ，張建兵

(1.新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊830046;2.北京聯(lián)合大學(xué)應(yīng)用文理學(xué)院，北京100083;3.新疆綠洲生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊830046)

土壤凍融過(guò)程中，土壤鹽分在垂直剖面上的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律復(fù)雜多樣。而且其造成的鹽堿化對(duì)作物的危害十分嚴(yán)重[1-2]。因此，引起國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注。國(guó)外對(duì)土壤凍融的研究多側(cè)重于融雪水的入滲[3-6]，而國(guó)內(nèi)的起步則較晚。20世紀(jì)80年代以來(lái)，許多研究者在凍融條件下水鹽運(yùn)移規(guī)律、凍融土壤特征曲線、地下水埋深和地表不同覆蓋對(duì)季節(jié)性凍融土壤入滲規(guī)律的影響、凍融期氣溫與土壤水鹽運(yùn)移特征以及水-熱-鹽耦合及預(yù)測(cè)模型等方面做了較多研究[7-16]。20世紀(jì)70年代以來(lái)，土壤特性的空間變異或其它農(nóng)田特征變異定量化研究一直是關(guān)注的熱點(diǎn)[17]。多數(shù)學(xué)者著重討論了土壤物理性質(zhì)、土壤水分和鹽分在非凍融期的空間變化問(wèn)題，均取得一定的成果[18-20]。目前，對(duì)凍融期土壤含鹽量的空間變異研究，特別是結(jié)合秋澆，討論鹽分在凍融季節(jié)的變化規(guī)律、脫鹽、積鹽狀況等方面尚需深入研究。

本文通過(guò)對(duì)比研究?jī)鋈谇?秋灌前)、后土壤鹽分的空間變異性及其變化特征，可為合理灌溉、防止次生鹽漬化及土地資源的利用管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

新疆奇臺(tái)縣位于天山北麓，準(zhǔn)噶爾盆地東南緣，地處東經(jīng) 89°13′-91°22′，北緯 43°25′-49°29′，全縣面積1.93萬(wàn)km2，其中山地、丘陵占31.4%，平原占15.04%，沙漠、戈壁占53.56%。農(nóng)區(qū)年平均氣溫為4.7℃，7月極端最高氣溫43℃，1月極端氣溫為-42.6℃。年平均降水量為176 mm，蒸發(fā)潛力2 141 mm，無(wú)霜期平均156 d，年日照時(shí)數(shù)2 840～3 230 h。夏季炎熱，冬季寒冷，四季分明，屬于中溫帶大陸性干旱氣候。

研究區(qū)位于古爾班通古特沙漠邊緣的奇臺(tái)縣一中萬(wàn)木春林場(chǎng)。這里處于綠洲與沙漠交錯(cuò)地帶，土壤鹽漬化嚴(yán)重，土壤pH值較高(＞8.0)，堿性較強(qiáng)。土壤質(zhì)地為砂土。耕層有機(jī)質(zhì)平均含量29 g/kg，全氮含量1.4 g/kg，全磷含量1.1 g/kg。目前非灌溉期地下水位一般在1.1～4.0 m。地下水平均礦化度為2.2 g/L，pH 值為7～8。植物群落結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，覆蓋度不高，以梭梭(Haloxylon ammodendron)、紅柳(Tamari x chinensis Lour)、苦豆子(Sophora alopecuroides)、芨芨草(Achnatherum splendens)、花花柴(Karelinia caspica)、豬毛菜(Salsola collina)等旱生耐鹽植物為主。

2 材料與方法

2008年9月26日(凍融前)，在農(nóng)田選擇6 m×80 m的試驗(yàn)區(qū)，以2 m×10 m為間距，用土鉆法采集36個(gè)土壤剖面，并對(duì)打鉆點(diǎn)位進(jìn)行準(zhǔn)確標(biāo)記。每一剖面以 20 cm 為一層，分別在 0-20，20-40，40-60，60-80，80-100 cm 五個(gè)層次取樣。9月 27日，對(duì)試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行了秋灌，灌水量為264 m3，即 5 500 m3/hm2。這是為了模擬新疆農(nóng)田常用的灌溉方法——大水漫灌，以便使研究結(jié)果更符合實(shí)際。2009年4月10日(凍融后)，分別在原有標(biāo)記點(diǎn)附近進(jìn)行取樣，采樣方法同凍融前。兩次取樣共采集360個(gè)樣品。采集的土樣在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)自然風(fēng)干、分散、過(guò)1 mm篩。將制備好的土壤樣品以1∶5土水比制備成浸提液，用殘?jiān)娓煞y(cè)定可溶性總鹽含量。

本文試驗(yàn)數(shù)據(jù)主要運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。并通過(guò)狄克松(Dixson)法，P=0.01水平下的異常值檢驗(yàn)。繪圖及分析主要在Surfer 8.0和GS+V7等軟件上進(jìn)行。

地統(tǒng)計(jì)學(xué)是研究區(qū)域化變量空間分布結(jié)構(gòu)特征規(guī)律的有效手段，它的基本工具——變異函數(shù)可以反映和刻畫區(qū)域化變量的許多性質(zhì)[21]。理論變異函數(shù)的模型有3個(gè)重要的參數(shù)，其中塊金常數(shù)Co的大小可反映區(qū)域化變量隨機(jī)性大小;基臺(tái)值Co+C可以反映變量變化幅度或系統(tǒng)的總變異程度;變程a表明變量自相關(guān)變化的尺度。塊金值與基臺(tái)值之比Co/(Co+C)表示由隨機(jī)因素引起的空間變異占系統(tǒng)總變異的比例，可反映變量的空間相關(guān)程度。當(dāng)比例小于25%，說(shuō)明變量具有強(qiáng)烈的空間自相關(guān)性;25%～75%之間，變量具有中等的空間相關(guān)性，大于75%時(shí)，變量空間相關(guān)性很弱[18]。

一般對(duì)變異系數(shù)Cv值的評(píng)估如下:當(dāng)Cv≤0.1時(shí)，稱弱變異性;當(dāng)0.1＜Cv≤1.0時(shí)，稱中等變異性;當(dāng)Cv＞1.0時(shí)，呈強(qiáng)變異性[22]。

3 結(jié)果與分析

3.1 凍融前、后剖面土壤鹽分統(tǒng)計(jì)特征

凍融前，0-40 cm深度土壤鹽分服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，而40 cm以下各層及剖面平均土壤含鹽量均服從正態(tài)分布(表1)，表明所測(cè)數(shù)據(jù)均滿足地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析的要求。土壤含鹽量以表層(0-20 cm)最低，60-80 cm深度最高。除80-100 cm深度外，其它各層鹽分含量均隨土層深度的增加而逐漸增大。這主要是因?yàn)檗r(nóng)田經(jīng)多年耕作、多次灌溉，表層脫鹽效果最好。

各層及剖面平均土壤含鹽量的變異系數(shù)較大，介于0.37～0.83之間，均屬中等變異性。另外，0-40 cm深度的土壤鹽分的變異系數(shù)明顯高于40 cm深度以下，表明前者的變異性高于后者。

凍融后，各層及剖面平均土壤含鹽量的分布類型未變(表1)。表層(0-20 cm)土壤含鹽量由最低(凍融前)轉(zhuǎn)為最高，表明凍融過(guò)程中，鹽分的表聚現(xiàn)象明顯。而其它各層及剖面平均土壤含鹽量均呈減少趨勢(shì)，說(shuō)明秋灌洗鹽效果顯著。

各層及剖面平均土壤含鹽量的變異性未發(fā)生變化，但變異系數(shù)均增大(除40-60 cm深度外)。體現(xiàn)了凍融季節(jié)土壤鹽分的再分配加大了鹽分的變異程度。另外，40 cm深度以下的土壤含鹽量仍低于40 cm深度以上。

表1 土壤鹽分的統(tǒng)計(jì)特征值

3.2 凍融前、后土壤鹽分的變化特征

凍融后，剖面平均土壤含鹽量減少量為0.012%(表1)，減少率達(dá)8.16%。表明秋季大水漫灌對(duì)于土壤春季返鹽有明顯的抑制效果。

凍融前后，各層土壤含鹽量的變化各不相同(圖1)。凍融后，表層(0-20 cm)土壤含鹽量增加0.033%，積鹽率達(dá)30.0%。而20 cm以下各層土壤積鹽率均為負(fù)值。表明春季土壤返鹽以表層(0-20 cm)最為強(qiáng)烈。另外，60 cm深度以上各層土壤含鹽量減少率明顯低于60 cm深度以下。其中，60-80 cm深度的土壤含鹽量(0.141%)最高，而其減少率也最大，為20.79%(圖1)。一方面可推知，返鹽現(xiàn)象主要發(fā)生在60 cm以上;另一方面表明，秋季灌溉的洗鹽效果顯著，洗鹽深度大于100 cm。

圖1 凍融前、后各層土壤含鹽量及其變化率

3.3 凍融前、后土壤含鹽量的空間變異特征

3.3.1 剖面平均土壤含鹽量的空間變異性 凍融前后，剖面平均土壤含鹽量的理論模型均為高斯模型(表2)。其Co/(Co+C)值小于25%，表明具有強(qiáng)烈的空間自相關(guān)性。土壤含鹽量的變程變化(0.21)較小。說(shuō)明其自相關(guān)距變化不大。

分維數(shù)D的大小，表示變異函數(shù)曲線的曲率，D=(4-m)/2，式中，m為變異函數(shù)λ(h)和抽樣間距h雙對(duì)數(shù)線性回歸的斜率，D隨著變異函數(shù)對(duì)數(shù)曲線斜率的增加而減少，斜率越陡(m越大)，D越小，格局變異的空間依賴性越強(qiáng)，反之，由隨機(jī)因素引起的異質(zhì)性占有較大的比重[19]。凍融后，剖面平均含鹽量的分維數(shù)均略有減小(0.02)，但凍融前后的分維數(shù)均大于1.90，一方面說(shuō)明隨機(jī)因素的影響作用稍減，因?yàn)閮鋈谇?，受人類活?dòng)(如灌溉、耕作及管理方式等)和植被等因素的影響較大;另一方面表明其空間分布由隨機(jī)因素引起的空間異質(zhì)性較大。

3.3.2 剖面各層土壤含鹽量的空間變異性 凍融前，剖面上部(60 cm以上)土壤含鹽量(除0-20 cm外)主要為指數(shù)模型，而剖面下部(60-100 cm)為高斯模型。20-40 cm土壤含鹽量具有中等空間自相關(guān)性，而其它各層土壤含鹽量均具有強(qiáng)烈的空間自相關(guān)性。各層土壤含鹽量的變程不大，介于2.13～12.14 m之間。但60 cm深度以上(＞5.2 m)土壤含鹽量的變程明顯大于60 cm深度以下(＜2.6 m)，一是因?yàn)槠拭嫦虏客寥纼?nèi)部結(jié)構(gòu)的變化較為復(fù)雜多樣，二是人類灌溉、耕種等活動(dòng)對(duì)剖面上部的影響強(qiáng)度大于下部，從一定程度上削弱了土壤鹽分分布的變異性。

0-40 cm深度的土壤含鹽量的分維數(shù)(≤1.87)明顯小于40 cm深度以下(≥1.94)。其中，以20-40 cm深度土壤含鹽量的分維數(shù)(1.82)最小，60-80 cm深度的分維數(shù)(1.98)最大。反映出剖面上部由隨機(jī)性因素引起的空間異質(zhì)性大于下部。

以上結(jié)果顯示，土壤含鹽量的變程與分維數(shù)的大小呈現(xiàn)相反的變化態(tài)勢(shì)。土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，土壤含鹽量的空間自相關(guān)距就越小，而其分維數(shù)就越大。

凍融后，剖面上部(0-80 cm)土壤含鹽量均變?yōu)楦咚鼓Ｐ停撞?80-100 cm)轉(zhuǎn)為球狀模型。土壤含鹽量的中等空間自相關(guān)性由20-40 cm擴(kuò)大至0-40 cm。而其它各層的土壤含鹽量仍具有強(qiáng)烈的空間自相關(guān)性。40 cm深度以上的土壤含鹽量的變程明顯增加，其中以表層(0-20 cm)最為顯著，近為凍融前的6倍，而40 cm深度以下變化較小。而且剖面上部(0-40 cm)的土壤含鹽量的變程明顯大于下部(40-100 cm)，前者為后者的7～20倍。一方面由于凍融季節(jié)人類停止干擾活動(dòng)(如灌溉、耕作等管理方式)，剖面上部受到人類活動(dòng)等各種隨機(jī)性因素的影響減弱程度高;另一方面因?yàn)閮鋈诤蠓e雪融水在入滲而帶動(dòng)鹽分運(yùn)移的過(guò)程中，削弱了剖面上部土壤鹽分分布的差異性，對(duì)剖面下部的影響較小;而剖面下部隨機(jī)性因素的作用強(qiáng)度變化相對(duì)較小，且土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)性因素的變化也不大，故其變程變化較小。

各層(除80-100 cm外)土壤含鹽量的分維數(shù)均有所減小，但減小幅度(介于0～0.02之間)不大，表明隨機(jī)性因素的影響強(qiáng)度稍減。

表2 土壤含鹽量的理論半方差函數(shù)模型及其參數(shù)

3.4 凍融前、后土壤含鹽量的空間分布特征

利用克里格法對(duì)凍融前、后土壤剖面各層含鹽量進(jìn)行插值，得到其二維空間分布圖。各層土壤含鹽量的等值線圖直觀地反映了其空間分布格局及其差異性(圖2)。

凍融前，土壤鹽分的等值線的密集和復(fù)雜程度由大到小依次為:20-40 cm＞0-20 cm＞40-60 cm＞60-80 cm＞80-100 cm?；倦S著土層深度的增加(20-40 cm除外)，鹽分空間分布的復(fù)雜性逐漸減弱。其中，20-40 cm深度的土壤鹽分的空間分布最為復(fù)雜，等值線密集且出現(xiàn)多個(gè)封閉小圓，表明鹽分的分布隨機(jī)性高，出現(xiàn)的極值點(diǎn)多，且相互之間存在較大差異，從而導(dǎo)致其密集的等值線，這也體現(xiàn)了其高空間變異性(變異系數(shù)為0.83)。這可能是由于作物根系在此層對(duì)土壤鹽分的吸收、吸附等重要作用，致使其空間分布變化多端。表層(0-20 cm)土壤鹽分的等值線圖較20-40 cm深度稀疏，但比40 cm深度以下各層密集。其中，以底層(80-100 cm)等值線最為疏散。原因是剖面上部(40 cm深度以上)人類耕作活動(dòng)、氣候條件等隨機(jī)性因素對(duì)鹽分分布的影響強(qiáng)度較大，而剖面下部(40 cm深度以下)土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)起主導(dǎo)作用。另外，表層在坐標(biāo)值(0-30 dm，30-60 m)范圍內(nèi)的等值線分布最為密集，且含鹽量較高，這可能與微地形有關(guān)，因?yàn)榇俗鴺?biāo)范圍內(nèi)的區(qū)域高于其它區(qū)域(最大高度差約為10 cm)。在坐標(biāo)值(0-60 dm，0-20 m)范圍內(nèi)，40 cm深度以上土壤含鹽量明顯小于其它區(qū)域。原因是此區(qū)域靠近灌溉入水口，農(nóng)田進(jìn)行多次灌溉的水量大，洗鹽效果好。同時(shí)，也進(jìn)一步反映出人類的土地經(jīng)營(yíng)管理方式對(duì)土壤鹽分空間分布的影響。

圖2 凍融前后土壤含鹽量(%)空間分布及等值線圖

凍融后，0-20 cm和20-40 cm深度的土壤鹽分在坐標(biāo)值(0-60 dm，20-80 m)范圍內(nèi)等值線的密集程度明顯增大，而在坐標(biāo)值(0-60 dm，0-20 m)范圍內(nèi)卻減小。一方面說(shuō)明當(dāng)土壤含鹽量較高時(shí)，凍融季節(jié)雖然人類干擾活動(dòng)減弱，但其它外界氣候條件等隨機(jī)性因素增強(qiáng)，致使剖面上部鹽分的空間分布更為復(fù)雜;另一方面表明當(dāng)土壤含鹽量較低時(shí)，凍融過(guò)程卻使其分布差異性減小。但在40 cm深度以下，各層土壤含鹽量的等值線的密集和復(fù)雜程度減弱。一是因?yàn)閮鋈诩竟?jié)剖面下部沒(méi)有人類灌溉等活動(dòng)的影響;二是由于外界氣候等因子對(duì)其影響強(qiáng)度較弱。

4 結(jié)論

(1)凍融前，剖面上部(40 cm深度以上)土壤含鹽量服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，而下部(40 cm深度以下)及剖面平均土壤鹽分均服從正態(tài)分布。由于多次灌溉洗鹽效應(yīng)，各層(80-100 cm深度除外)土壤含鹽量與土層深度成正比。各層土壤含鹽量均屬中等變異性，且剖面上部的變異性顯著高于下部。凍融后，各層及剖面平均土壤含鹽量的分布類型及變異性未變，但變異系數(shù)增大(40-60 cm除外)。

(2)秋灌洗鹽效果顯著，剖面平均土壤含鹽量的減少率為8.16%。洗鹽深度超過(guò)100 cm。春季返鹽現(xiàn)象明顯，主要發(fā)生在0-60 cm深度。其中，以表層(0-20 cm)積鹽現(xiàn)象最為嚴(yán)重，積鹽率達(dá)30.0%。

(3)凍融前，土壤含鹽量的理論模型由剖面上部的球狀和指數(shù)模型轉(zhuǎn)為下部的高斯模型。凍融后，剖面中上部土壤含鹽量均變?yōu)楦咚鼓Ｐ?，底部轉(zhuǎn)為球狀模型。而剖面平均土壤含鹽量的理論模型(高斯模型)保持不變。土壤含鹽量具有中等空間自相關(guān)性的層由20-40 cm擴(kuò)大為0-40 cm。而其它各層及剖面平均土壤含鹽量的空間自相關(guān)性(強(qiáng)烈)未變。剖面上部(40 cm深度以上)土壤含鹽量的變程顯著增大，而下部變化不大。另外，剖面平均及各層土壤含鹽量的分維數(shù)稍減，但減小幅度(介于0～0.02之間)不大。

(4)凍融前，土壤鹽分空間分布的復(fù)雜性(20-40 cm除外)與土層深度成反比。原因是剖面上部土壤鹽分主要受人類活動(dòng)(如耕作、灌溉方式等)、氣候及微地形等隨機(jī)性因素的影響，而下部主控于土壤內(nèi)部結(jié)構(gòu)。凍融后，剖面上部鹽分較高區(qū)域(0-60 dm，20-80 m)土壤含鹽量的等值線的密集及復(fù)雜程度增大，而鹽分較低區(qū)域(0-60 dm，0-20 m)及剖面下部均減小。

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