土壤的盐渍化问题主要发生在气候十分干燥的干旱、半干旱区，是一种由特定的自然与人文要素相互作用而产生的生态环境问题^[1]，盐分含量过高会导致土壤肥力下降、土地退化，严重影响着农业的可持续发展和区域生态安全^[2-3]。新疆是我国重要的农垦地区，区内的农业主要分布在具有相对稳定水源供给的绿洲平原区，20世纪80年代中期以来，新疆的绿洲灌溉农业得到了迅速发展^[4]，但是由于其独特的自然气候条件以及人类活动的影响，在灌溉水下渗和强烈的蒸发、蒸腾作用下，土壤中的水盐运动十分活跃，加上排水系统不健全，许多灌区内的土壤盐渍化问题不断加剧，严重影响了农业生产和经济发展^[5-6]。

新疆第二师31团绿洲灌区位于塔里木河下游始端，恰拉水库下游、塔克拉玛干沙漠和库木塔格沙漠之间的狭长地带，气候干燥，降雨稀少，是典型的人工绿洲灌区。由于过去几十年来的不合理灌排，灌区内土壤盐渍化程度不断在增加，造成土地退化，部分区域作物难以正常生长，土壤盐渍化问题已严重阻碍了当地农业的可持续发展。当前，对于土壤盐渍化问题的研究多集中在流域尺度上^[7-9]，绿洲灌区尺度的盐渍化特征与盐分空间变异研究也得到了越来越多专家学者的关注，为了更好的掌握土壤盐渍化程度、开展盐渍化土壤的治理工作，诸多学者如刘迁迁^[10]、张飞^[11]、谷海斌^[12]等人分别对伊犁察南灌区、精河绿洲、石河子灌区的土壤盐分特征与空间分布格局进行了研究，为盐渍土区域化的治理与防治提供了参考。土壤盐分作为农业生产的一个重要限制性因子，影响着土壤质量和作物生长，严重时还会导致作物死亡^[13]，掌握土壤的盐渍化程度及分布状况对农业生产具有重大意义。因此，本研究采用野外定点采样与室内分析相结合的方法，对新疆第二师31团灌区的土壤盐分特征与空间分布格局进行研究，以期掌握不同层次土壤的盐渍化特征和空间分布状况，为制定适宜的水盐调控技术和保障灌区农田可持续利用提供理论依据和技术支撑。

1.   材料与研究方法

新疆第二师31团位地处新疆巴州尉犁县境内，是新疆典型的沙漠绿洲灌区之一，海拔高度为864 ~ 870 m，整个地形自西北向东南倾斜，主要地貌类型有风积、冲积、冲洪积地貌；灌区内光热资源丰富，属极端干旱沙漠性气候，昼夜温差大，多风沙，降雨稀少且四季分布不均，多年平均日照时数3036.2 h，降雨量年际变化大，多年平均降雨量30.5 mm，多年平均蒸发量2273 ~ 2788 mm，≥ 10 ℃的年积温4121 ℃，无霜期191 d，气候十分干旱。31团现有灌溉面积7547 hm²，土壤类型主要有草甸土、风沙土、盐土、沼泽土等，以种植棉花和香梨为主，部分区域地下水位较高，土壤次生盐渍化现象严重，并且受早期塔里木河洪水冲刷影响，垦区广泛分布着大小沙丘和成片垄岗洼地，耕地与荒地相间分布，盐分易于积聚，灌区内土壤盐渍化问题十分严重。

1.1   样品采集与测定

依据研究区的地理环境特征，在收集和整理研究区域相关资料的基础上，于2019年3月下旬，在31团灌区按照从水库出口沿水渠流向和土壤类型及等间距布点的原则，共随机布设土壤取样点66处（图1）。其中，耕地（棉田、香梨园）采样点49处，非耕地（荒漠灌丛、盐碱裸地）采样点17处，各相邻取样点最大间距约为3 km。通过GPS定点取样，土壤样品使用土钻采集，在每一采样点周围辐射约10 m处选取2个点，呈任意三角形形状采样，将3个点的土壤分层混合后作为一个样品，每个位置土壤采样层次分为0 ~ 20 cm，20 ~ 40 cm，40 ~ 60 cm，60 ~ 80 cm，80 ~ 100 cm，共取得330个样品。将采集的土样分别装入袋中并做好标记，挑出杂物后，风干，研磨，过筛备用。

图  1  研究区及样点分布示意图

Figure  1.  Location and distribution map of soil samples in the study area

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土壤样品的测定参照鲍士旦的测定方法^[14]。土壤电导率、pH值分别使用电导率仪和pH计测定水土比为5∶1的土壤浸提液；总盐采用残渣烘干质量法；K⁺ + Na⁺的测定采用阴阳离子平衡法。CO₃²⁻、HCO₃⁻的测定采用双指示剂中和法；Cl⁻的测定采用AgNO₃滴定法；SO₄²⁻的测定采用EDTA间接滴定法；Ca²⁺、Mg²⁺的测定采用EDTA络合滴定法；

1.2   研究方法

试验数据采用SigmaPlot 10.0来进行绘图，使用SPSS 20.0进行描述性统计分析，土壤盐分的空间特征使用Arcgis软件的Geostatistical Analyst模块进行Kriging插值。

2.   结果与分析

2.1   盐分特征描述分析

不同深度土壤盐分的特征值见表1。由表1可以看出，研究区耕地土壤pH值范围在8.07 ~ 8.09之间，非耕地土壤pH值范围在8.17 ~ 8.22之间，不同土层深度之间差异不大，研究区的土壤呈碱性。从土壤盐分含量来看，春季蒸发作用对土壤盐分含量的影响较大，非耕地土壤盐分表聚现象明显，且在不同深度土层中的含量均大于耕地，盐分含量范围在1.29 ~ 226.65 g kg ⁻¹之间。耕地土壤盐分含量范围在1.20 ~ 15.86 g kg ⁻¹之间，不同深度土层的盐分均值随着土层深度的增加逐渐减小，同样呈表聚型。耕地土壤中盐分含量总体较低，远小于非耕地土壤，这主要与当地进行冬灌春灌以及春季冰雪融化有关，盐分随水向土壤深层迁移，研究区耕地中1 m土层内的盐分含量总体较低。根据变异系数C_v的分类^[15]，不同深度土层的耕地土壤盐分均处于中等变异性，而非耕地土壤盐分大多表现为强变异性，这可能与土壤中盐分的来源和影响因素的多样性有关。

表  1  土壤盐分含量统计值

Table  1.  Statistics for chemical composition of salt-affected soil

土壤类型 Soil type	土层深度 Soil layer （cm）	pH	盐分含量 Salt content			标准差 Standard deviation	变异系数 Coefficient of variation	偏度 Skewness	峰度 Kurtosis
			最小值 Minimum （g kg −1）	最大值 Maximum （g kg −1）	平均值 Average （g kg −1）
耕地	0−20 cm	8.08	1.20	15.86	3.47	2.79	0.80	3.37	11.53
	20−40 cm	8.08	1.36	13.19	3.18	1.87	0.59	3.62	16.98
	40−60 cm	8.09	1.19	8.98	3.01	1.39	0.46	2.09	6.25
	60−80 cm	8.01	1.48	11.28	2.91	1.49	0.51	3.84	20.08
	80−100 cm	8.08	1.42	5.81	2.69	1.02	0.38	1.32	1.41
非耕地	0−20 cm	8.18	1.70	226.65	36.97	59.59	1.61	2.41	6.14
	20−40 cm	8.22	1.29	66.50	16.26	9.42	0.58	1.67	1.63
	40−60 cm	8.17	1.49	31.75	8.26	9.42	1.14	1.48	1.05
	60−80 cm	8.21	1.34	15.70	6.61	5.21	0.79	1.48	−1.01
	80−100 cm	8.20	1.30	45.42	7.18	10.35	1.44	3.51	13.31

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依据采样点的土地利用类型，绘制了耕地与非耕地1 m土层内土壤盐分离子含量的累计图，以不同深度下各离子含量的均值来表示（图2）。研究区土壤中不同土层深度的主要盐分离子均相同，耕地土壤盐分组成中阴离子主要为SO₄²⁻，阳离子主要为K⁺+Na⁺，Mg²⁺、Ca²⁺、Cl⁻和HCO₃⁻的含量相对较少；非耕地土壤盐分组成中阴离子主要为Cl⁻，阳离子主要为K⁺+Na⁺，其它盐分离子的含量相对较少；盐土中所含盐类的类型主要依据阴离子含量来划分，根据土壤盐渍化类型分类标准^[16]，研究区耕地土壤盐分类型为氯化物－硫酸盐型，非耕地土壤盐分类型为硫酸盐－氯化物型。

图  2  土壤盐分离子含量分布图

图中不同字母表示同一柱状数据在0.05水平上差异显著。

Figure  2.  Distribution of salt ions in soil

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2.2   土壤盐分及其离子含量的空间变异特征

不同深度土壤盐分含量的半方差拟合模型及拟合参数列于表2，半方差函数图如图3。研究区0 ~ 20 cm、20 ~ 40 cm、40 ~ 60 cm土层的土壤盐分符合高斯模型，60 ~ 80 cm土层的土壤盐分符合高斯模型，80 ~ 100 cm土层的土壤盐分符合指数模型。在半方差函数模型中，块金值C₀是指随机因素共同引起的变异^[17]，各层土壤盐分含量的C₀均较小；C为结构方差，是由非人为的结构性因素引起的变异。C₀ + C为基台值，是半方差函数随间距递增到一定程度后出现的平稳值，表示系统内总的变异^[18]，不同深度土壤的基台值差异不大。块金方差与基台值的比C₀ /（C₀ + C）表示空间变异性的程度，是指由随机性因素引起的空间变异占系统总变异的比例^[19]。根据空间相关性的划分标准来看^[20]。40 ~ 60 cm土层土壤盐分表现出强烈的空间相关性，0 ~ 20 cm、20 ~ 40 cm、80 ~ 100 cm土层土壤盐分含量的块金方差与基台值的比分别为41.9%、32.7%、23.7%，表现出中等程度的空间相关性，60 ~ 80 cm土层土壤盐分含量为纯块金效应，块金方差与基台值的比也表现为弱空间相关性，在研究范围内，60 ~ 80 cm土层的土壤盐分含量不具有空间相关性。

表  2  半方差函数模型及相关参数

Table  2.  Semi variance function model and related parameters

土壤深度 Soil depth	理论模型 Theoretical model	块金值C0 Nugget	基台值 (C0 + C) Sill value	C0 /（C0 + C） (%)	变程（km） A	决定系数 R2	残差 Residual error
0 ~ 20 cm	高斯模型	0.14	0.33	41.9	6.54	0.655	0.0347
20 ~ 40 cm	高斯模型	0.09	0.28	32.7	3.83	0.389	0.0856
40 ~ 60 cm	高斯模型	0.03	0.23	13.2	3.57	0.383	0.0178
60 ~ 80 cm	线性模型	0.21	0.21	100	12.47	0.000	0.0147
80 ~ 100 cm	指数模型	0.04	0.18	23.7	7.70	0.872	0.029

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图  3  土壤盐分含量的半方差函数拟合图

Figure  3.  Semi variance function curves of total soil salt

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2.3   土壤总盐及离子的空间分布特征

盐分含量的空间分布图见图4。从插值结果来看，研究区春季土壤盐分含量在0 ~ 20 cm、40 ~ 60 cm土层较高，范围在1.59 ~ 8.91 g kg⁻¹之间，在20 ~ 40 cm、80 ~ 100 cm土层的盐分含量相对较低，范围在2.44 ~ 3.95 g kg⁻¹之间。水平方向上，0 ~ 20 cm、40 ~ 60 cm土层土壤盐分含量大于4 g kg⁻¹的区域主要分布在研究区的东北部、西南部以及中心区域，其它位置盐分含量均相对较低。20 ~ 40 cm、80 ~ 100 cm土层土壤盐分含量大于3 g kg⁻¹的区域主要分布在研究区的东北部、西南部，其它位置盐分含量均相对较低。总体来看，不同深度土壤盐分含量的空间分布状况基本一致，盐分较高区域主要分布在研究区的中部以及东北部，边界荒漠化程度高，地势较为低洼的区域，并由中部逐渐向两边递减，西北方向和东南方向的盐分含量相对较低。

图  4  土壤盐分含量的分布Kriging插值图

Figure  4.  Kriging interpolation distribution map of salt content

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3.   讨论

文中通过对31团灌区盐分特征与空间分布格局的分析发现，研究区春季土壤盐分呈表聚型，不同深度土层的耕地土壤盐分均处于中等变异性，非耕地土壤大多表现为强变异性，这与巩玉红^[21]、宋玉^[22]、李新国^[23]等在干旱地区的研究结果一致。这主要是因为研究区地处沙漠边缘，气候干燥，降雨稀少，在春季强烈的蒸发作用下盐分不断在地表积聚，加剧了水盐运动。另一方面，塔里木河和孔雀河两河下游河床历史上多次改道，在灌区内形成耕地与荒地相间分布的格局，盐分易于积聚，盐分在水平方向上变化较大。除60 ~ 80 cm土层外，各土层深度土壤盐分含量的半方差拟合参数中C₀均较小且基台值（C₀ + C）之间差异不大，说明土壤盐分含量由随机变异、采样误差及距离误差所引起的变量变异程度不大，受土壤结构性因素的影响也较一致，因此，40 ~ 60 cm土层土壤盐分含量表现出强烈的空间相关性，0 ~ 20 cm、20 ~ 40 cm、80 ~ 100 cm土层土壤盐分含量表现出中等程度的空间相关性。土壤盐分组成中阳离子主要为K⁺和Na⁺，阴离子耕地土壤中主要为SO₄²⁻，非耕地土壤中主要为Cl⁻，耕地土壤盐分类型以氯化物－硫酸盐型为主，非耕地以硫酸盐－氯化物型，这可能与土壤盐分含量以及地表生长的作物有关。

从盐分含量水平分布图上来看，研究区土壤盐分含量总体较低，这主要是因为当地土壤盐渍化问题十分严重，农民每年都会进行冬灌或春灌，加上冬季的冰雪融化，盐分随水分向土层深处运动，耕地土壤盐分含量保持在一个较低的水平，但部分农田的边缘地带，依旧返盐严重，地表有盐霜。非耕地缺少压盐、洗盐措施，土壤盐分含量仍然较高，这也是水平分布图上会出现高值区的原因。研究区内各土层土壤盐分含量的空间分布状况基本一致，盐分较高区域主要分布在研究区的中部以及东北部边界荒漠化程度高、地势较为低洼的区域，西北方向和东南方向的盐分含量相对较低，这与刘广明^[24]、丁邦新^[25]等研究结果相符，土壤盐分含量在人类活动强烈、地势较为低洼区域较高；研究区的东北部为自然保留地，荒漠化严重，植被稀疏，而研究区的中部受塔里木河和孔雀河古河道大水冲刷的影响，形成了大片低洼荒地，盐分随水流运移，导致研究区中部土壤盐分含量较高。研究区在春季强烈蒸发积盐的情况下，通过春冬灌有效的抑制了土体上层的盐分，使耕地土壤盐分含量仍保持在一个较低的水平，这对春季作物出苗是十分有利的，但另一方面盲目的使用大水压盐、洗盐对干旱区的水资源也造成了极大的浪费。因此，如何确定合理的淋洗量和适宜的水盐调控措施，提高灌区水土资源利用率，需要在灌区农田土壤水盐运移规律和盐分累积机理等方面进行更深入的研究，为干旱区盐碱胁迫土壤的高效利用提供科学依据和有效方法。

4.   结论

研究区春季土壤pH值范围在8.01 ~ 8.32，总体呈碱性。土壤盐分呈表聚型，盐分阳离子以K⁺和Na⁺为主，阴离子在耕地土壤以SO₄²⁻、在非耕地土壤以Cl⁻为主，盐分类型耕地以氯化物－硫酸盐型为主，非耕地以硫酸盐－氯化物型为主。从水平分布来看，不同深度土层的春季土壤盐分含量在水平方向均具有较强的变异性且大多具有良好的空间相关性，土壤盐分含量在不同深度下的水平空间分布状况基本一致，盐分较高区域主要分布在研究区的中部以及东北部，边界荒漠化程度高，地势较为低洼的区域，并由中部逐渐向两边递减，西北方向和东南方向的盐分含量相对较低，0 ~ 40 cm土层的盐分变化范围在2.51 ~ 5.48 g kg ⁻¹之间，基本可以满足春季棉花的生长条件。