宁夏银北地区盐渍化土壤水盐变异特征

Variation Characteristics of Soil Water and Salt of Salinized Soil in Yinbei Area of Ningxia

摘要

受气候、地形的影响，宁夏银北灌区土壤剖面盐分具有较强的时空异质性，运用地统计学、等值线图的方法分析土壤水盐变异特征，有助于系统认识和掌握水盐分布规律，从而为宁夏银北灌区低洼盐渍土的预防及其科学利用提供理论依据。以宁夏银北典型盐渍土地区平罗县盐碱地改良试验站103 hm²耕地及人造林为研究区，采用室外调查与室内检测相结合的方式，分层采集土壤样品，测定土壤水分、盐分，运用地统计学、基于克里金插值绘制等值线图的方法探讨研究区土壤水盐空间分布特征。结果表明：①0~100 cm土壤剖面水分为弱变异和中等变异，盐分为中等变异，随着土层深度增加土壤水盐变异性减弱；②0~20 cm土壤水分受空间结构和随机因素的共同影响，20 cm以下土壤水分具有强烈的空间相关性，土壤盐分受自然结构性因素影响较大，人为随机因素对土壤盐分空间异质性的贡献较小；③研究区以轻、中度盐渍土为主，自相关引起的土壤盐分空间变异性较强，土壤盐分空间结构特征可利用高斯模型和指数模型描述；④研究区北侧林草稀疏，土壤盐碱化较重，南侧有排水沟，通过侧渗起到排盐作用，因此完善的排水系统能够保障农田水盐平衡。

Abstract

Due to the influences of climate and topography， soil salinity profiles in the Yinbei area of Ningxia exhibit considerable spatial and temporal heterogeneity. This study employs geostatistical methods and isocontour mapping to analyze the variation characteristics of soil water and salt， thereby facilitating a systematic understanding of the distribution patterns of these factors and providing a theoretical foundation for the prevention and scientific utilization of low-lying saline soils in the Yinbei irrigation area of Ningxia. The research focuses on an area of 103 hm² of cultivated land and afforested land at the Saline-Alkali Land Improvement Experimental Station in Pingluo County in northern Yinchuan. Soil samples were collected through stratified sampling， incorporating both field surveys and laboratory analyses to measure soil moisture and salinity. The spatial distribution characteristics of soil water and salt were assessed through geostatistics and Kriging interpolation， resulting in the generation of contour maps. The results show that： ① In the 0~100 cm soil profiles， water content exhibits weak to moderate variability， while salinity shows moderate variability， with both water and salt variability decreasing with increasing soil depth； ② Water content in the 0~20 cm soil layer is influenced by both spatial structures and random factors， whereas below 20 cm， it displays strong spatial correlation. Soil salinity is primarily influenced by natural structural factors， with minimal contributions from human-induced random factors； ③ The predominant soil types in the study area are of moderate salinity， exhibiting medium variability and strong spatial variability due to autocorrelation， with spatial structure characteristics of salinity well described by Gaussian and Exponential models； ④ Notably， areas with sparse forest and grass to the north exhibit significan soil salinization， while the southern area benefits from drainage ditches that effectively facilitate salt leaching. Thus， a comprehensive drainage system is vital for maintaining water-salt balance in agricultural fields. This study elucidates the spatiotemporal variations of water and salt in the low-lying saline soils of Yinbei， Ningxia， providing a theoretical basis for their prevention and utilization.

Graphical abstract

关键词

土壤盐分 / 半方差函数 / 地统计学 / 变异特征

Key words

soil salinity / semi-variances / geostatistics / variation characteristics

宁夏地处我国西北内陆干旱区，得益于过境黄河水，宁夏银北灌区农业发达，但长期有灌无排或排水不畅的情况导致地下水位较高，土壤次生盐渍化严重，制约了当地农业高质量发展^[1-2]。受干旱气候影响，宁夏银北灌区降水稀少、蒸发量大，单次有效降水较少，使得土壤盐分淋洗效果有限，导致土壤盐分上移占优势。据统计，宁夏引黄灌区盐渍化耕地面积为1.5×10⁵ hm²，占耕地总面积的33.54%^[3]。运用地统计学、等值线图等分析方法研究土壤盐分的空间变异性，有助于揭示土壤盐分空间分布格局及演变规律，能够为防治土壤盐渍化提供重要支撑，对银北盐渍土科学管理和合理利用具有重要的实际意义。

宁夏平罗县位于宁夏北部、黄河青铜峡灌区下游，农业倚黄河之利，水资源充足，但长期灌排不协同导致土壤盐碱化问题突出。平罗县近60%的耕地存在不同程度的盐碱化问题，影响了当地农业可持续发展。土壤剖面水分和盐分的时空分布是连续变异体，具有一定程度的空间异质性^[4-5]。应用地统计学方法研究盐渍土区土壤水盐空间变异特征，能直观掌握水盐分布时空分布格局，并对区域土壤盐渍化趋势进行分析预测^[6]。Nguyen等^[7]采用地统计学方法研究越南中北部沿海地区土壤盐分分布规律，发现盐分处于缓慢累积状态，建议该地区布设传感器监测土壤盐分，并选择耐盐碱水稻品种。鲁力等^[8]应用地统计学和克里金插值法对新疆渭干河-库车河三角洲绿洲盐分空间分布及变异特征进行分析，发现0~3.0 m土壤盐分的变异受随机因素和结构因素的共同作用，变异系数随着土层深度增加呈先减小后增加的趋势。西北干旱区表层土壤盐分变化幅度较大，随土层深度增加变异性减弱，土壤水分的变异性易受气候、地下水、灌排设施等外部因素影响^[9]。马贵仁等^[10]通过对河套灌区盐分空间变异特征的研究，发现该试验区土壤盐分的最优半方差函数模型为球状模型，表层土壤受气候、人为耕作、植物生长等因素影响，其时空变异性强度高于深层土壤。张旭^[11]利用半方差函数、克里金插值法对土壤盐分空间特征进行分析，发现宁夏银北灌区土壤盐分最佳半方差函数拟合模型为高斯模型，块金系数为15.3%，表现为显著的正空间自相关性及空间集聚特征。在降水或灌溉期间，土壤水分空间变异性较大，进而导致土壤盐分的变异性也越强^[12-13]。有研究表明^[14]，在同一土壤水分条件下，土壤水盐的变异性随水分增大而逐渐变小。西北干旱地区降水少且分布不均，自然及人为因素影响下的土壤水盐变异特征有待进一步揭示。

目前，关于土壤水盐变异特征的研究主要集中在多尺度下不同作物、季节对土壤水盐的影响上^[15-17]，采用遥感技术结合地统计学方法研究宁夏银北灌区土壤盐分变异的研究已有报道^[11]，但针对宁夏银北地区耕地及人造林土壤水盐空间的变异特征及其影响因素方面的研究成果还不够丰富。因此，本试验以宁夏银北典型盐渍土地区平罗县盐碱地改良试验站103 hm²耕地和人造林为研究区域，运用地统计学、等值线图等方法探讨研究区土壤水盐的空间变异特征，以期为宁夏银北灌区盐渍土的科学管理和精准预防提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

于2022年在宁夏平罗县盐碱地改良试验站采集土壤样本。该地区气候类型为干旱大陆性气候，属于黄河中上游干旱-半漠境盐渍区，年平均降水量、蒸发量分别为185、1 841 mm，降水稀少且分布不均，主要集中在7—9月；地下水埋深为1.3~2.0 m。土壤全盐质量比为3.92 g·kg^-1，pH为9.37，有机质质量比为9.77 g·kg^-1，碱解氮质量比为26.62 mg·kg^-1，速效磷质量比为20.9 mg·kg^-1，速效钾质量比为295.72 mg·kg^-1。试验期间研究区气温和降水量见图1。

研究区植被主要有柽柳（Tamarix chinensis）、盐柳（Salix psammophila）、9901柳（Salix matsudana‘9901’）、白蜡（Fraxinus chinensis R.）、刺槐（Black locust）、芦苇（Phragmites australis）等耐盐植物，作物主要有玉米（Zea mays）、高粱（Sorghum bicolor）、水稻（Oryza sativa）等。该地区进行引黄自流灌溉，当黄河水不足时灌溉沟水（矿化度<1.5 g·L^-1），灌水方式为漫灌。由于地势平坦低洼，排水不畅，地下水位高，导致土壤盐碱化严重，影响了当地农林业生产和生态环境。

1.2 调查与采样

在搜集资料的基础上，以平罗县盐碱地改良试验站103 hm²耕地和人造林为研究区域，地理中心坐标为106°52′E、38°85′N，按200 m×200 m网格划分确定采样点。2021年4—11月每月月初采1 次土样，以地表为基准使用土钻取0~20 cm、21~40 cm、41~60 cm、61~80 cm、81~100 cm土层土样装入自封袋带回实验室进行检测，每个样品设置3次重复。

1.3 土壤样品的处理与测定

将土样剔除杂物，风干、磨碎、过筛。采用烘干法测定土壤质量含水率，按m（土）∶m（水）=1∶2.5充分振动摇匀取上清液测定pH；按m（土）∶m（水）=1∶5充分振动摇匀取上清液测定电导率，并换算成土壤全盐质量比^[18]。

1.4 水盐时空变异分析

水盐时空变异规律利用地统计学进行解释，能有效反映土壤水盐的空间分布特征。变异系数能在一定程度上反映土壤水盐空间分布特征，变异系数方差计算公式为：

C_{\mathrm{v}}=\delta /\mu，（1）

式中：C_{\mathrm{v}}为变异系数；\delta为标准差；\mu为均值。C_{\mathrm{v}}≤10%为弱变异，10%<C_{\mathrm{v}}<100%为中等变异，C_{\mathrm{v}}≥100%为强变异^[11]。

地统计学方法计算公式^[13]：

\gamma (h)=\mathrm{1}/\mathrm{2}N(h){\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^{N(h)}}[Z(x_i)-Z(x_i+h)]{}_{}{}^{\mathrm{2}}，（2）

式中：\gamma (h)为半方差函数，表示变量空间变异结构；h为两样本点空间距离；Z(x_i)和Z(x_i+h)分别为样本点x_i和x_i+h处的实测值；N(h)为滞后距离h时的样本对数。

土壤空间相关性采用半方差函数（GS⁺软件）进行模拟，半方差函数模型包括指数、高斯、球状和线性4 个模型。本研究主要利用高斯模型和指数模型对土壤水盐空间相关性进行分析。方程^[19]如下所示。

高斯模型方程：\gamma \left(h\right)=C_{\mathrm{0}}+C\left(\mathrm{1}-e^{-\frac{h^{\mathrm{2}}}{a^{\mathrm{2}}}}\right)，（3）

指数模型方程：\gamma \left(h\right)=C_{\mathrm{0}}+C\left(\mathrm{1}-e^{-\frac{h}{a}}\right)，（4）

式中：a为变程（km）；C₀为块金值；C为拱高；C₀+C为基台值。

块金值C₀表示由随机性因素导致的系统空间异质，基台值C表示由随机因素和结构因素共同引起的系统空间异质。块基比C₀/（C₀+C）表示土壤指标空间异质性程度，块基比低于0.25，则其空间异质性主要受结构因素的影响，系统具有较强的空间相关性；块基比高于0.75，则其空间异质性主要受随机因素的影响，空间相关性较弱；块基比在0.25~0.75之间，表明其空间异质性受结构因素和随机因素共同作用，空间相关性中等^[13]。

1.5 数据分析及处理

利用Microsoft Excel 2010软件进行数据处理，应用GS⁺软件进行半方差函数模拟，采用Surfer 10软件基于克里金插值（Kriging）法作Contour Map等值线图。

2 结果与分析

2.1 土壤水分统计特征分析

以4—11月土壤质量含水率进行土壤水分特征统计和K-S正态检验（P<0.05，双尾）。从土壤质量含水率的均值来看，土壤平均质量含水率随着土层深度增加呈增加趋势，81~100 cm土层土壤平均质量含水率均高于19%，0~20 cm土层土壤平均质量含水率低于18%，其中夏季表层土壤平均质量含水率最低（表1）。春季、夏季和秋季0~20 cm土层土壤质量含水率最小值分别为7.24%、7.93%和8.90%，均低于其他土层。不同土层土壤质量含水率表现为：秋季的最小值变化幅度较小，均在8.90%~13.04%之间；春季的最大值变化幅度较小，均在22.63%~27.95%之间；夏季的最大值差异明显，在19.01%~28.27%之间。春季、夏季和秋季的土壤质量含水率变异系数均表现为0~20 cm的较高，为18.43%~28.02%；不同季节土壤水分的变异随着土层深度增加而逐渐减弱，表层土壤受气候、灌溉和人为耕作等因素的影响较大，深层土壤主要受地下水及根系的影响，夏季20 cm以下土壤质量含水率与表层土壤质量含水率的差异较大，这是由于表层土壤易受光照、风力、人为灌溉及耕作等因素的影响所致。各时期不同土层土壤质量含水率变异系数均高于1%低于100%，属于弱变异和中等变异。K-S检验表明，不同时期各层土壤质量含水率均服从正态分布。

2.2 土壤水分空间结构分析

为进一步了解土壤水分空间分布的结构特征，确定气候、土质、地下水、微地形等自然结构性因素和作物种类、种植制度、管理措施等人为随机因素对土壤水分的影响程度，采用地统计学软件中的半方差函数对土壤水分进行模型拟合。为避免出现比例效应，要求数据符合正态分布；由于原始数据呈偏态分布，经取对数变换后基本符合正态分布。通过GS⁺软件选取决定系数R²更接近1且差平方和残差（RSS）较小的最优理论模型，并得到模型相关参数值（表2）。

采用指数模型、高斯模型对3个季节各土层土壤质量含水率进行拟合，拟合决定系数R²在0.65~0.92之间，RSS均小于0.074，拟合程度较好。块金值和基台值均大于0，说明由随机因素引起的误差不容忽视；0~20 cm土层土壤质量含水率在3 个季节的块基比分别为0.39、0.43和0.44，在0.25~0.75之间，说明0~20 cm土壤质量含水率受到空间结构和随机因素的共同影响。20 cm以下土层不同时期土壤质量含水率指标的块金系数均小于0.25，空间相关性较强，说明土壤质量含水率变化受本地区干旱气候、壤土质地、高地下水位、地表不平整等微地形结构性因素的影响较大，作物种类、种植制度、管理措施等人为随机因素对空间异质性的贡献较小。0~20 cm土层的块金值均高于其他土层，说明土壤质量含水率随着土层深度增加受结构性因素的影响逐渐增强。原因为20 cm以下土壤水分受种植制度、耕作、管理措施等随机因素的影响较小。

2.3 土壤盐分统计特征分析

以4—11月土壤盐分质量比进行特征统计和K-S正态检验（P<0.05，双尾）。春季、夏季和秋季不同深度土壤盐分质量比最小值变化幅度较小，在1.06~2.59 g·kg^-1之间，最大值变化明显，在3.82~6.82 g·kg^-1之间（表3）。由土壤盐分质量比的均值可知，在0~20 cm土层，春季、秋季的土壤平均盐分质量比最高，而20 cm以下的土壤盐分质量比均低于同时期的表层土壤，土壤盐分呈表聚特征。其中盐分质量比的变化表现为夏季低、春季高，在春季返盐明显，而在夏季由于灌溉及树木枝叶遮阴的影响，土壤盐分较低。秋季的土壤盐分质量比与夏季的相比均有所降低，说明种植耐盐树木能发挥其生物特性从而降低土壤盐分。春季、夏季和秋季土壤盐分质量比的变异系数均表现为0~20 cm的较高，为30.34%~34.32%，表层土壤盐分的变异系数均高于其他土层，各时期不同土层土壤盐分质量比的变异系数均在10%~100%之间，属于中等变异；在夏季0~20 cm以下的土壤盐分质量比与表层土壤的差异较大，原因是地表易受自然气候及人为耕作的影响，导致表层土壤盐分变异较大。K-S检验表明，不同时期各层土壤盐分质量比均服从正态分布。

2.4 土壤盐分空间结构分析

为进一步了解土壤盐分空间分布的结构特征，确定气候、土质、地下水、微地形等自然结构性因素和作物种类、种植制度、管理措施等人为随机因素对土壤盐分的影响程度，用地统计学软件中的半方差函数对土壤盐分质量比进行模型拟合。为避免出现比例效应，要求数据符合正态分布；由于原始数据呈偏态分布，经取对数变换后基本符合正态分布。通过GS⁺软件选取决定系数R²更接近1且差平方和RSS较小的最优理论模型，并得到模型相关参数值（表4）。

采用指数模型、高斯模型对3 个季节各土层土壤盐分质量比进行拟合，拟合决定系数R²在0.62~0.89之间，RSS均小于0.072，拟合程度较好。块金值和基台值均大于0，说明由随机因素等引起的误差不容忽视；各土层土壤盐分质量比在3 个季节的块基比均小于0.25，说明土壤盐分质量比受本地区干旱气候、土壤质地、高地下水位、地表不平整等微地形结构性因素的影响较大，作物种类、种植制度、管理措施等人为随机因素对空间异质性的贡献较小，自相关引起的空间变异性较强。同一季节0~20 cm土层的块金值均高于其他土层，结构性因素对土壤盐分的影响主要表现在表层土壤，原因是20 cm以下土壤盐分质量比受种植制度、耕作、管理措施等随机因素的影响较小。

2.5 土壤盐分时空分布特征

基于空间结构的分析能够更加直观地揭示研究区土壤盐分空间变异特征，利用Surfer软件基于克里金插值法绘制0~100 cm土层在3 个季节的土壤盐分分布图。根据《土壤农化分析》定义的土壤盐渍化划分标准^[20]，分为5 个等级：盐分质量比<1 g·kg^-1为非盐渍化，[1，3） g·kg^-1为轻度盐渍化，[3，5） g·kg^-1为中度盐渍化，[5，10] g·kg^-1为重度盐渍化，>10 g·kg^-1为极重度盐渍化。研究区土壤盐分质量比在1~7 g·kg^-1之间，存在不同程度的土壤盐渍化问题，以轻、中度盐渍土为主，北侧土壤盐分质量比明显高于南侧，随着时间推移北侧土壤盐分向南侧迁移，在秋季60 cm以下土壤盐分向南侧低洼区域迁移明显（图2）。研究区北侧地势低洼，地表植被稀疏，盐分积聚明显；南侧地势略高，种植玉米，且南侧有1条排水沟，土壤盐分质量比较低。春季地表植被稀疏，0~20 cm土层土壤盐分质量比明显高于其他季节，夏季植物生长茂盛、覆盖度高，起到抑制返盐的作用，土壤盐分低于春、秋两季；研究区灌水方式为漫灌，灌水量大，将盐分淋洗到深层；此外，夏季地表植被覆盖度高，起到遮阴抑制地表返盐的作用，土壤盐分主要在20 cm以下土层富集。

3 讨论

宁夏银北灌区地势平坦低洼、地下水位高，而降水稀少、蒸发强烈的气候特点导致盐分向上迁移，土壤盐分分布及变异特征受到自然和人为因素的共同影响，地表土壤盐分变异性强。土壤盐分空间相关性受到人为随机因素和土壤自身结构性因素的共同影响，其中耕作、灌溉、管理措施、种植制度等随机因素的影响使得某一土层土壤盐分空间相关性减弱；而气候、母质、地形、土壤类型等结构性因素使某一层土壤的盐分空间相关性增强。该地区蒸发量远高于降水量，地下水位为1.3~2.0 m。研究区种植多年生树木及农作物，不同植被的耕作频率不同，导致地表整体不平整，地势呈东北低西南高，因此土壤水盐受结构性因素的影响较大，人为因素的影响较小。北方盐渍土土壤盐分具有空间结构特征，可利用半方差函数中的高斯、指数、线性、球状函数模型进行拟合^[21-24]。张旭^[11]研究发现，宁夏银北灌区土壤盐分最佳半方差函数拟合模型为高斯模型，这与本研究的结论基本一致。本研究发现，土壤盐分变异系数随着土层深度增加呈降低趋势，这与鲁力等^[7]研究发现变异系数随着土层深度增加呈先减小后增加趋势的结论有所不同，原因可能是两个研究的土层深度不同，鲁力等的研究深度为0~3.0 m，本研究的土层深度为0~1.0 m。本研究采用了克里金插值法作图，这是由于克里金插值法考虑到样点空间位置及样点之间的联系等因素，插值结果较自然，得到的数据空间分布较为平滑；而反距离插值法易受数据点集群的影响，会出现孤立点数据明显高于周围点数据的分布模式，导致得到的数据空间分布较离散^[25]。

水盐运动遵循“盐随水动”的原则，土壤盐分以水为介质和载体进行迁移，地表易受光照、风力等因素影响，因此表层土壤的水盐波动较大，变异性也较强，本研究也证实了这一点。宁夏银北灌区土壤盐分受气候干旱和降水较少的影响，土壤盐分呈表聚特征；而海滨地区土壤盐分呈底聚特征，这是因为海滨地区降水多，能将土壤盐分淋洗至深层^[26]。滨海盐渍土土壤盐分空间变异性在垄间尺度上主要受结构性因素影响，在地块尺度上主要受地形等自然结构性因素影响，在大田尺度上受灌溉、耕作等随机因素和土壤类型等结构因素的共同影响^[27]。在本研究中，综合春季、夏季、秋季的块基比，表层土壤水盐变异主要由干旱气候、高地下水位、田块地表不平整等结构性因素引起，随机性因素次之，这与研究区受干旱少雨、蒸降比大的气候特征影响相符合。在本研究中，春季地表植被稀疏，0~20 cm土层在春季的土壤盐分明显高于其他季节，夏季土壤盐分不呈表聚特征，这是由于研究区北侧地势低洼，地表植被稀疏，部分区域田面低于排水沟水面，导致研究区北侧成为盐分汇集区，土壤剖面盐分质量比明显高于其他区域。南侧作物植被增加了地表覆盖度，减少了地表蒸发，有效抑制了土壤返盐，人为灌水、耕作有助于降低土壤盐分，南侧排水沟较深，通过侧渗能起到排盐的作用，土壤剖面盐分质量比明显低于北侧。因此，保持排水系统畅通对于保障农田水盐平衡至关重要。

4 结论

在本研究区中0~100 cm土壤剖面水盐变异系数均在中等变异和弱变异范围，表层土壤水分变异性受空间结构和随机因素的共同影响，土壤盐分受结构性因素的影响较大。研究区北侧地势低洼，地表植被稀疏，盐分汇集明显；南侧有排水沟能通过侧渗起到排盐作用。土壤盐分空间结构特征可以用高斯模型和指数模型描述。建议该地区示范田周边种植沙枣、白蜡、柽柳、香椿、紫穗槐等耐盐碱树种，营造农田防护林带，改善田间小气候；注重排水设施建设，达到灌排协同的目的；田间作物选择耐盐碱品种，同时采用起垄、覆膜、节灌等农艺节水技术实现节水控盐。

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基金资助

宁夏回族自治区重点研发计划项目(2022BBF03032-03)

国家重点研发计划项目(2021YFD1900605-05)

宁夏回族自治区农业科技自主创新项目(NGSB-2021-11-03)

农业基础性长期性科技工作观测监测(NAES091AE18┫等项目联合资助)