乌拉特灌域表层土壤盐分空间变异及季节性分布特征

王 波，杨树青，袁宏颖，郑 彦，张 晶

（内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，内蒙古 呼和浩特 010018）

土壤盐渍化的空间分布和变化对农业资源利用起至关重要的作用［1-2］。据不完全统计，河套灌区盐渍化土壤占耕地的68.73%，影响了粮食的生产效率［3-4］，而乌拉特灌域位于河套灌区最下游，土壤盐渍化较为严重，导致人口、粮食、资源、环境间的矛盾［5-6］；有研究表明，盐分空间变异性是研究土壤盐渍化程度的有效方法［7-10］，盐渍化程度主要由地形位置、土壤质地、气候类型、人类活动等因素决定［11-12］。目前许多学者已经对土壤盐渍化空间分布特征及其盐分组成等相关方面做了大量研究［13-16］。王维维等［17］、张飞等［18］利用土壤含盐量、电导率和pH研究了新疆地区土壤盐渍化程度；刘雅清等［19］以全盐量和pH为土壤影响因子，研究了宁夏河套灌区土壤盐化特征，而对其他影响因子对土壤盐渍化起主导作用的研究尚需加强；丁邦新等［20］探讨了春季塔里木河下游灌区土壤盐分空间变异特征；部分学者探讨了夏季干旱半干旱地区土壤盐分空间分布特征［21-22］；崔昆等［23］从大田、地块、垄间小尺度研究土壤盐分变异特征。这些研究在环境因子方面，大多只考虑了单因子（全盐量、pH）对土壤性质的影响，在时间维度上，大多以单一季节为主，对盐分变化的季节性研究相对较少，在空间尺度上，以田间尺度研究较多。本文选取灌域尺度，基于主成分分析、Kriging插值法探讨了乌拉特灌域土壤盐分离子组成及其之间的数量关系与土壤盐渍化的季节性分布特征，旨在研究土壤盐分特征，揭示影响盐渍化土壤的主控盐分因子，为乌拉特灌域的农业发展和土壤资源的可持续利用提供指导依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

选取河套灌区最下游的乌拉特灌域（108°06′12″～109°39′43″E，40°27′39″～41°10′15″N）为研究区。研究区西北与义长灌域毗邻，东北接乌梁素海，南边界与黄河流向平行，东与包头相邻，面积为2035.7 km²；地处干旱、半干旱地带，年降水量200～250 mm，主要集中在6～9月，占全年降水量的70%；年潜在蒸发量1900～2300 mm，年平均气温为7.2 ℃，无霜期较短，为100～130 d，属于典型的温带大陆性气候。研究区日照充足，昼夜温差大，整体地势平坦，呈西高东低、北高南低，坡降小，主要种植作物有小麦、玉米、向日葵、枸杞、西葫芦等。

1.2 试验设计与数据采集

利用ArcGIS采取棋盘式分布在研究区均匀布置55个取样点，取样点之间间隔5 km，每个点取3次重复，均匀混合后作为一个点的代表性样品。根据地理坐标野外实地确定取样点，用手持GPS对其进行定位（图1）。土钻法取样，从上到下分为0～20、20～40 cm两层。取样时间为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），共采集土壤样品330个。将采集的土壤样品自然风干，碾碎，经过1 mm筛剔除杂质后，制备5∶1水土质量比浸提液，溶液制备完成后静置8 h，通过上海三信SX-650型笔式电导率仪和SX-620型笔式pH计来测定土壤电导率和pH；全盐量采用残渣烘干质量法测定；SO42-采用EDTA间接滴定法测定；Cl-采用AgNO3滴定法测定；CO32-、HCO3-采用双指示剂中和法测定；Ca2+、Mg2+采用EDTA络合滴定法测定；K++Na+采用阴阳离子平衡法测定［24］。

图1 研究区位置及采样点分布图

1.3 数据处理

本研究利用Excel 2007对数据进行基本处理与制图，利用SPSS 19.0进行主成分分析，利用ArcGIS 10.5绘制土壤全盐量的空间分布图。

变异系数（CV）是反映数据变异程度的一个统计量，一般CV＜10%为弱变异性，10%≤CV≤100%为中等变异性，CV＞100%为强变异性。

土壤盐分含量与盐基离子空间变异性较强，但其分布特征与定量描述较差，以及难以确定影响土壤盐渍化的因素，故采用主成分分析法对土壤全盐量、pH、HCO3-、Cl-、SO42-、Ca2+、Mg2+、K++Na+8个变量进行分析，提取特征值大于1的主成分为主导因子；主成分因子载荷是主成分因子与原始变量因子之间的相关系数。

根据土壤全盐量从低到高可以将研究区土壤分为5类［25］，分别为：非盐化土（＜1 g/kg）、轻度盐化土（1～2 g/kg）、中度盐化土（2～4 g/kg）、重度盐化土（4～6 g/kg）、盐土（＞6 g/kg），利用Kriging插值法得到不同季节土壤盐分空间分布特征，并计算不同类型盐化土的面积及所占总面积的比例。

2 结果与分析

2.1 土壤全盐量与pH的传统统计特征

由表1可以看出，春夏秋季0～20 cm土壤全盐量变化范围在0.758～19.495g/kg之间，20～40 cm土壤全盐量变化范围在0.673～10.320 g/kg之间，全盐量均值在2 g/kg以上，属于中度盐化土，有些达到重度盐化土和盐土程度。0～20 cm土壤全盐量比20～40 cm土壤高0.807 g/kg，是全盐量的积累层，这主要由于河套灌区气温高，降雨少，蒸发强烈等自然因素的影响，导致研究区下层土壤全盐量通过蒸发作用上升到表层，在地表形成全盐量高值区。从季节变化来看，0～20 cm土壤全盐量春季（3.953 g/kg）＞秋季（3.544 g/kg）＞夏季（2.524 g/kg），20～40 cm土壤全盐量春季（2.690 g/kg）＞秋季（2.638 g/kg）＞夏季（2.271 g/kg），春季处于积盐状态，夏季属于脱盐状态。春季0～20 cm土层土壤变异系数为117.784%，大于100%，属强变异性；20～40 cm土层土壤变异系数为75.576%，位于10%～100%，属中等变异性。夏秋两季各层土壤全盐量变异系数处于55.724%～99.326%之间，符合10%≤CV≤100%，均属于中等变异性。整个研究区各层土壤pH变化范围为春季7.380～8.450、夏季7.250～8.590、秋季7.690～8.630，均呈碱性。不同季节各层土壤pH的变异系数均小于10%，为弱变异性，说明研究区土壤pH的离散程度较小。

表1 不同季节土壤全盐量与pH的统计特征

2.2 土壤盐基离子分布特征

由图2可知，各层土壤阳离子以K++Na+为主，占阳离子总量的69.56%，其次为Ca2+和Mg2+，分别占阳离子总量的18.29%和12.15%；土壤阴离子以SO42-和Cl-为主，分别占阴离子总量的46.22%和43.13%，HCO3-次之，占阴离子总量的10.64%。研究区阴离子主要以氯化物和硫酸盐为主，阳离子主要以钾钠盐为主。从季节变化来看，各层土壤盐基离子表现为春季＞秋季＞夏季，在垂直方向上，0～20 cm土层土壤盐基离子含量高于20～40 cm土层；从变异系数来看，阳离子中Mg2+和K++Na+变异系数分别在111.48%～191.20%、114.65%～147.64%之间，均大于100%，属强变异性，表明Mg2+和K++Na+在春夏秋季分布不均匀；Ca2+变异系数随着季节的变化，在夏季出现最小值（99.73%），在秋季出现最大值（159.04%），具有较强变异性；阴离子中SO42-和Cl-变异系数分别在116.75%～156.75%、116.79%～193.78%之间，表现出极强的变异性；HCO3-在春夏秋季变异系数均介于10%～100%之间，分别为春季29.485%、夏季33.89%、秋季26.62%，具有中等变异性，表明该离子在不同季节相对其他盐基离子的空间异质性较弱。

图2 不同季节土壤盐基离子分布特征

2.3 土壤盐渍化的主导因子

根据主成分分析可知，8个变量可用2个主成分代表，结果如表2所示。前2个因子特征值均大于1，第一主成分的特征值为5.544，第二主成分的特征值为1.228，所对应的方差贡献率分别为69.305%、15.349%，累积方差贡献率为84.655%，代表前2个因子包含了所有变量的主要信息。

表2 主成分分析的特征值与方差贡献率

由表3可知，全盐量、Cl-、SO42-、Mg2+、Ca2+、K++Na+在第一主成分上的因子载荷较大，分别为0.966、0.920、0.949、0.906、0.850、0.884，这6个变量与土壤盐渍化关系密切，是土壤盐渍化的主要影响因子，代表了土壤盐渍化状况，说明影响研究区土壤盐渍化的阴离子主要以氯化物和硫酸盐为主，阳离子以钾钠盐和钙盐为主，故第一主成分代表全盐量、Cl-、SO42-、Mg2+、Ca2+、K++Na+6个因子的作用。土壤中pH和HCO3-载荷量的大小直接反映土壤的碱度，第二主成分分析中pH和HCO3-载荷量分别为0.663和0.771，且高于其他因子，表明第二主成分主要影响土壤的碱度，表征土壤的碱性特征，碱性特征可以进一步表征土壤的盐渍化特征。故根据各因子与主成分之间的密切相关性，可将全盐量、Cl-、SO42-、Mg2+、Ca2+、K++Na+作为表征土壤盐渍化的特征因子。

表3 主成分因子的载荷矩阵与得分系数矩阵

为清楚地表达出初始变量与主成分之间的关系，以第一和第二主成分作为新的变量，建立线性方程，根据表2、3中各主成分的特征值和各变量在相应主成分上的因子载荷，求得8个指标向量，将两个主成分与8个指标向量进行线性组合，获得函数表达式如下：

式中，TS为全盐量。

2.4 土壤盐分的时空分布格局

图3～5、表4为土壤盐分的时空分布情况。研究区0～20、20～40 cm土层分别仅有0.04%、0.13%的土壤面积未遭受盐渍化危害。

表4 不同季节各等级土壤全盐量的面积及其占总面积的比例

图3 春季土壤全盐量空间分布

在空间上，土壤全盐量呈斑块状分布，整体趋势表现为西高东低，其主要原因是灌域东部为井渠双灌地区，地下水位低且引黄水量少，引盐量及返盐量均较小；在时间上，夏季土壤含盐量年内最低，秋季次之，春季最高，充分体现了河套灌区土壤盐分的春返、夏脱、秋积现象。春季土壤全盐量主要集中在2～6 g/kg之间，且2～4 g/kg的土壤面积占比最大；0～20 cm土层土壤全盐量在2～4g/kg的面积为936.1 km2，占总面积的45.99%，2～6 g/kg的面积占总面积的75%以上，属于中重度盐化土，主要分布在西北地区和东部地区，盐土面积为327.0 km2，占总面积的16.06%，分布在西部地区；20～40 cm土层在1～4 g/kg的面积占总面积的99%，属于轻中度盐化土，其中度盐化土面积为1540.3 km2，占总面积的75.66%。与春季相比，夏季轻中度盐化土的面积占比达到90%以上，主要分布在北部和中部地区；0～20 cm土层重度盐化土面积为116.9 km2，占总面积的5.74%，分布在中部地区，20～40 cm土层重度盐化土面积仅0.1 km2，占总面积的0.01%。秋季不同类型土壤盐化程度面积占比与春季相似，中度盐化土面积占总面积的75%以上，主要分布在北部、西部和中部地区；0～20 cm土层盐土面积为40.4 km2，占总面积的1.98%，分布在东北地区；20～40 cm土层盐土面积仅为0.4 km2，占总面积的0.02%。

图4 夏季土壤全盐量空间分布

图5 秋季土壤全盐量空间分布

总结上述分析，结合图3～5可以看出，春夏秋季轻中度盐化土面积最大，4与10月在研究区东部存在少量的轻度盐化土，且10月大于4月，7月的轻度盐化土面积最大，这主要由4月是蒸发积盐的季节，盐分在表层积聚，因此其盐渍化程度较高，而7月为雨季，有淋洗作用使表层盐分洗至下层，所以较其他季节盐渍化程度低。

3 讨论

3.1 土壤全盐量、pH和盐基离子分布特征

土壤全盐量、pH和盐基离子组成是研究盐渍化土壤基本的特征，也是区域土壤盐渍化特征及改良的重要依据。河套灌区主要受气候、地质、地貌、地形等环境因素的影响，导致盐渍化土壤在区域内分布广泛，严重影响着农业建设的发展；土壤盐渍化是河套灌区亟待解决的问题。因此，已有许多学者对盐渍化土壤盐分组成及时空分布进行了大量的研究。窦旭等［5］研究表明春季土壤含盐量的空间异质性高于秋季，土壤盐基离子的变异强度为春季大于秋季。化骞寂等［26］选取河套灌区典型区域对周年内土壤盐分变化、盐碱化面积变化进行研究，结果表明各时期土壤盐分表聚现象明显，并随时间的变化盐碱化面积增大。孙亚楠等［27］以河套灌区永济灌域为例构建了支持向量机模型，对土壤全盐量进行模拟，具有很好的定量预测能力。周晓梦等［28］利用“上棉下渔”的模式对沿黄盐碱地土壤进行改良，结果表明开发2年后，土壤碱度变化不大，20年后，土壤碱度由2.004×10-3mol/L下降到0.631×10-3mol/L，说明土壤碱度改良难度较大；刘国锋等［29］采用冲水洗盐的方式对西北内陆硫酸盐型盐碱地土壤表层盐碱离子做消减研究，相关分析表明土壤碱度不是单纯的受土壤中CO32-、HCO3-的影响，而是受土壤中Mg2+、Na+、SO42-等离子组成与含量的综合影响。本文对土壤碱度的分析只局限于对第二主成分pH和HCO3-载荷量大小的分析，表明载荷量大、土壤碱度高，与刘国锋等［29］的研究一致。影响土壤盐渍化的因素较多，为了明确土壤盐渍化的主导因子，利用主成分分析法，可在相对较多的变量中提取少数不相关的综合因子，来确定土壤盐渍化的主导因子［30］。吕真真等［31］利用此方法研究得出SO42-、Ca2+、Mg2+和土壤盐分含量是玛纳斯河流域土壤盐渍化的主导因子，郑明等［32］利用此方法分析了新疆土壤盐分分布特征，为治理该区域土壤盐碱化提供了参考依据。

3.2 盐渍化土壤的改良与利用

盐碱地是我国重要的土地资源之一，面积约为36万km2，占全国可利用土地面积的4.88%，严重影响着我国农业发展与生态环境的修复，因此盐碱地改良与利用成为一种有效增加农业产值的方式［33］。盐碱地的改良与利用是一个复杂的过程，影响因素也相对较多。近年来，有较多的学者在河套灌区开展了盐碱地改良技术研究。王佳丽等［34］提出加强多学科交叉融合的研究，强调农户技术选择行为的研究，增强研究方法的科学性对盐碱地可持续利用有指导意义；杨劲松等［35］研究重点突破咸水/微咸水等多水源综合利用高效节水控盐技术，建立基于现代化技术的水盐实时监测系统，制定配套的节水控盐灌溉制度，实现灌区地表水-地下水多水源联动与精量灌溉水盐均衡调控对盐碱地改良有积极作用；刘瑞敏等［36］研究了改良产品对盐碱地改良的效果，结果表明，丹路菌肥在提高葵花出苗率、保苗率及增产方面效果最佳，在土壤脱盐及降低土壤碱性方面也较为突出，磷石膏处理在土壤脱盐及降低土壤碱性方面效果最佳，故将丹路菌肥和磷石膏作为盐碱地改良的有效产品；高鸿永等［37］研究得出控制地下水位、深翻晒地、平整土地、合理灌溉、中耕等是盐碱地改良与利用的有效途径。与以上学者研究相比，本文以乌拉特灌域为研究尺度，选取土壤含盐量、pH、盐分离子共8个变量作为初始变量，能客观地代表研究区土壤盐渍化特征的总体情况，并分析土壤含盐量的季节性分布特征，可制定合理的灌溉制度，有效控制地下水埋深，为乌拉特灌域盐碱地改良与利用提供指导意见。

4 结论

研究区春夏秋季以中度盐化土为主；0～20 cm土层土壤含盐量明显高于20～40 cm土层，是盐分的积累层；春季0～20 cm土层土壤变异系数为117.784%，属强变异性，20～40 cm土层土壤变异系数为75.576%，属于中等变异性；夏秋两季各层土壤变异系数为55.724%～99.326%，均属中等变异性。不同季节各层土壤pH的变异系数均小于10%，说明研究区土壤pH的离散程度较小。

研究区土壤阳离子以K++Na+为主，阴离子以SO42-和Cl-为主。各层土壤盐基离子含量表现为春季＞秋季＞夏季；阳离子Mg2+、K++Na+和Ca2+具有较强的变异性；阴离子中SO42-和Cl-表现出极强的变异性；在不同季节HCO3-的空间异质性较弱。

主成分分析结果表明，可将全盐量、Cl-、SO42-、Mg2+、Ca2+、K++Na+作为表征研究区土壤盐渍化的主导因子。

0～20和20～40 cm土层非盐化土面积占总面积的比例分别为0.04%和0.13%；春夏秋季轻中度盐化土面积最大，占总面积的75%以上，4与10月在研究区东部存在少量的轻度盐化土，且10月大于4月，7月的轻度盐化土面积最大。