李宝富 ，熊黑钢 ，龙 桃 ，张建兵

(1.新疆大学资源与环境科学学院，乌鲁木齐830046;2.北京联合大学应用文理学院，北京100083;3.新疆绿洲生态重点实验室，乌鲁木齐830046)

土壤冻融过程中，土壤盐分在垂直剖面上的动态变化规律复杂多样。而且其造成的盐碱化对作物的危害十分严重[1-2]。因此，引起国内外众多学者的广泛关注。国外对土壤冻融的研究多侧重于融雪水的入渗[3-6]，而国内的起步则较晚。20世纪80年代以来，许多研究者在冻融条件下水盐运移规律、冻融土壤特征曲线、地下水埋深和地表不同覆盖对季节性冻融土壤入渗规律的影响、冻融期气温与土壤水盐运移特征以及水-热-盐耦合及预测模型等方面做了较多研究[7-16]。20世纪70年代以来，土壤特性的空间变异或其它农田特征变异定量化研究一直是关注的热点[17]。多数学者着重讨论了土壤物理性质、土壤水分和盐分在非冻融期的空间变化问题，均取得一定的成果[18-20]。目前，对冻融期土壤含盐量的空间变异研究，特别是结合秋浇，讨论盐分在冻融季节的变化规律、脱盐、积盐状况等方面尚需深入研究。

本文通过对比研究冻融前(秋灌前)、后土壤盐分的空间变异性及其变化特征，可为合理灌溉、防止次生盐渍化及土地资源的利用管理提供科学依据。

1 研究区概况

新疆奇台县位于天山北麓，准噶尔盆地东南缘，地处东经 89°13′-91°22′，北纬 43°25′-49°29′，全县面积1.93万km2，其中山地、丘陵占31.4%，平原占15.04%，沙漠、戈壁占53.56%。农区年平均气温为4.7℃，7月极端最高气温43℃，1月极端气温为-42.6℃。年平均降水量为176 mm，蒸发潜力2 141 mm，无霜期平均156 d，年日照时数2 840～3 230 h。夏季炎热，冬季寒冷，四季分明，属于中温带大陆性干旱气候。

研究区位于古尔班通古特沙漠边缘的奇台县一中万木春林场。这里处于绿洲与沙漠交错地带，土壤盐渍化严重，土壤pH值较高(＞8.0)，碱性较强。土壤质地为砂土。耕层有机质平均含量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。地下水平均矿化度为2.2 g/L，pH 值为7～8。植物群落结构简单，覆盖度不高，以梭梭(Haloxylon ammodendron)、红柳(Tamari x chinensis Lour)、苦豆子(Sophora alopecuroides)、芨芨草(Achnatherum splendens)、花花柴(Karelinia caspica)、猪毛菜(Salsola collina)等旱生耐盐植物为主。

2 材料与方法

2008年9月26日(冻融前)，在农田选择6 m×80 m的试验区，以2 m×10 m为间距，用土钻法采集36个土壤剖面，并对打钻点位进行准确标记。每一剖面以 20 cm 为一层，分别在 0-20，20-40，40-60，60-80，80-100 cm 五个层次取样。9月 27日，对试验区进行了秋灌，灌水量为264 m3，即 5 500 m3/hm2。这是为了模拟新疆农田常用的灌溉方法——大水漫灌，以便使研究结果更符合实际。2009年4月10日(冻融后)，分别在原有标记点附近进行取样，采样方法同冻融前。两次取样共采集360个样品。采集的土样在实验室内自然风干、分散、过1 mm筛。将制备好的土壤样品以1∶5土水比制备成浸提液，用残渣烘干法测定可溶性总盐含量。

本文试验数据主要运用地统计学方法进行统计分析。并通过狄克松(Dixson)法，P=0.01水平下的异常值检验。绘图及分析主要在Surfer 8.0和GS+V7等软件上进行。

地统计学是研究区域化变量空间分布结构特征规律的有效手段，它的基本工具——变异函数可以反映和刻画区域化变量的许多性质[21]。理论变异函数的模型有3个重要的参数，其中块金常数Co的大小可反映区域化变量随机性大小;基台值Co+C可以反映变量变化幅度或系统的总变异程度;变程a表明变量自相关变化的尺度。块金值与基台值之比Co/(Co+C)表示由随机因素引起的空间变异占系统总变异的比例，可反映变量的空间相关程度。当比例小于25%，说明变量具有强烈的空间自相关性;25%～75%之间，变量具有中等的空间相关性，大于75%时，变量空间相关性很弱[18]。

一般对变异系数Cv值的评估如下:当Cv≤0.1时，称弱变异性;当0.1＜Cv≤1.0时，称中等变异性;当Cv＞1.0时，呈强变异性[22]。

3 结果与分析

3.1 冻融前、后剖面土壤盐分统计特征

冻融前，0-40 cm深度土壤盐分服从对数正态分布，而40 cm以下各层及剖面平均土壤含盐量均服从正态分布(表1)，表明所测数据均满足地统计学分析的要求。土壤含盐量以表层(0-20 cm)最低，60-80 cm深度最高。除80-100 cm深度外，其它各层盐分含量均随土层深度的增加而逐渐增大。这主要是因为农田经多年耕作、多次灌溉，表层脱盐效果最好。

各层及剖面平均土壤含盐量的变异系数较大，介于0.37～0.83之间，均属中等变异性。另外，0-40 cm深度的土壤盐分的变异系数明显高于40 cm深度以下，表明前者的变异性高于后者。

冻融后，各层及剖面平均土壤含盐量的分布类型未变(表1)。表层(0-20 cm)土壤含盐量由最低(冻融前)转为最高，表明冻融过程中，盐分的表聚现象明显。而其它各层及剖面平均土壤含盐量均呈减少趋势，说明秋灌洗盐效果显著。

各层及剖面平均土壤含盐量的变异性未发生变化，但变异系数均增大(除40-60 cm深度外)。体现了冻融季节土壤盐分的再分配加大了盐分的变异程度。另外，40 cm深度以下的土壤含盐量仍低于40 cm深度以上。

表1 土壤盐分的统计特征值

3.2 冻融前、后土壤盐分的变化特征

冻融后，剖面平均土壤含盐量减少量为0.012%(表1)，减少率达8.16%。表明秋季大水漫灌对于土壤春季返盐有明显的抑制效果。

冻融前后，各层土壤含盐量的变化各不相同(图1)。冻融后，表层(0-20 cm)土壤含盐量增加0.033%，积盐率达30.0%。而20 cm以下各层土壤积盐率均为负值。表明春季土壤返盐以表层(0-20 cm)最为强烈。另外，60 cm深度以上各层土壤含盐量减少率明显低于60 cm深度以下。其中，60-80 cm深度的土壤含盐量(0.141%)最高，而其减少率也最大，为20.79%(图1)。一方面可推知，返盐现象主要发生在60 cm以上;另一方面表明，秋季灌溉的洗盐效果显著，洗盐深度大于100 cm。

图1 冻融前、后各层土壤含盐量及其变化率

3.3 冻融前、后土壤含盐量的空间变异特征

3.3.1 剖面平均土壤含盐量的空间变异性 冻融前后，剖面平均土壤含盐量的理论模型均为高斯模型(表2)。其Co/(Co+C)值小于25%，表明具有强烈的空间自相关性。土壤含盐量的变程变化(0.21)较小。说明其自相关距变化不大。

分维数D的大小，表示变异函数曲线的曲率，D=(4-m)/2，式中，m为变异函数λ(h)和抽样间距h双对数线性回归的斜率，D随着变异函数对数曲线斜率的增加而减少，斜率越陡(m越大)，D越小，格局变异的空间依赖性越强，反之，由随机因素引起的异质性占有较大的比重[19]。冻融后，剖面平均含盐量的分维数均略有减小(0.02)，但冻融前后的分维数均大于1.90，一方面说明随机因素的影响作用稍减，因为冻融前，受人类活动(如灌溉、耕作及管理方式等)和植被等因素的影响较大;另一方面表明其空间分布由随机因素引起的空间异质性较大。

3.3.2 剖面各层土壤含盐量的空间变异性 冻融前，剖面上部(60 cm以上)土壤含盐量(除0-20 cm外)主要为指数模型，而剖面下部(60-100 cm)为高斯模型。20-40 cm土壤含盐量具有中等空间自相关性，而其它各层土壤含盐量均具有强烈的空间自相关性。各层土壤含盐量的变程不大，介于2.13～12.14 m之间。但60 cm深度以上(＞5.2 m)土壤含盐量的变程明显大于60 cm深度以下(＜2.6 m)，一是因为剖面下部土壤内部结构的变化较为复杂多样，二是人类灌溉、耕种等活动对剖面上部的影响强度大于下部，从一定程度上削弱了土壤盐分分布的变异性。

0-40 cm深度的土壤含盐量的分维数(≤1.87)明显小于40 cm深度以下(≥1.94)。其中，以20-40 cm深度土壤含盐量的分维数(1.82)最小，60-80 cm深度的分维数(1.98)最大。反映出剖面上部由随机性因素引起的空间异质性大于下部。

以上结果显示，土壤含盐量的变程与分维数的大小呈现相反的变化态势。土壤内部结构越复杂，土壤含盐量的空间自相关距就越小，而其分维数就越大。

冻融后，剖面上部(0-80 cm)土壤含盐量均变为高斯模型，而底部(80-100 cm)转为球状模型。土壤含盐量的中等空间自相关性由20-40 cm扩大至0-40 cm。而其它各层的土壤含盐量仍具有强烈的空间自相关性。40 cm深度以上的土壤含盐量的变程明显增加，其中以表层(0-20 cm)最为显著，近为冻融前的6倍，而40 cm深度以下变化较小。而且剖面上部(0-40 cm)的土壤含盐量的变程明显大于下部(40-100 cm)，前者为后者的7～20倍。一方面由于冻融季节人类停止干扰活动(如灌溉、耕作等管理方式)，剖面上部受到人类活动等各种随机性因素的影响减弱程度高;另一方面因为冻融后积雪融水在入渗而带动盐分运移的过程中，削弱了剖面上部土壤盐分分布的差异性，对剖面下部的影响较小;而剖面下部随机性因素的作用强度变化相对较小，且土壤内部结构性因素的变化也不大，故其变程变化较小。

各层(除80-100 cm外)土壤含盐量的分维数均有所减小，但减小幅度(介于0～0.02之间)不大，表明随机性因素的影响强度稍减。

表2 土壤含盐量的理论半方差函数模型及其参数

3.4 冻融前、后土壤含盐量的空间分布特征

利用克里格法对冻融前、后土壤剖面各层含盐量进行插值，得到其二维空间分布图。各层土壤含盐量的等值线图直观地反映了其空间分布格局及其差异性(图2)。

冻融前，土壤盐分的等值线的密集和复杂程度由大到小依次为:20-40 cm＞0-20 cm＞40-60 cm＞60-80 cm＞80-100 cm。基本随着土层深度的增加(20-40 cm除外)，盐分空间分布的复杂性逐渐减弱。其中，20-40 cm深度的土壤盐分的空间分布最为复杂，等值线密集且出现多个封闭小圆，表明盐分的分布随机性高，出现的极值点多，且相互之间存在较大差异，从而导致其密集的等值线，这也体现了其高空间变异性(变异系数为0.83)。这可能是由于作物根系在此层对土壤盐分的吸收、吸附等重要作用，致使其空间分布变化多端。表层(0-20 cm)土壤盐分的等值线图较20-40 cm深度稀疏，但比40 cm深度以下各层密集。其中，以底层(80-100 cm)等值线最为疏散。原因是剖面上部(40 cm深度以上)人类耕作活动、气候条件等随机性因素对盐分分布的影响强度较大，而剖面下部(40 cm深度以下)土壤内部结构起主导作用。另外，表层在坐标值(0-30 dm，30-60 m)范围内的等值线分布最为密集，且含盐量较高，这可能与微地形有关，因为此坐标范围内的区域高于其它区域(最大高度差约为10 cm)。在坐标值(0-60 dm，0-20 m)范围内，40 cm深度以上土壤含盐量明显小于其它区域。原因是此区域靠近灌溉入水口，农田进行多次灌溉的水量大，洗盐效果好。同时，也进一步反映出人类的土地经营管理方式对土壤盐分空间分布的影响。

图2 冻融前后土壤含盐量(%)空间分布及等值线图

冻融后，0-20 cm和20-40 cm深度的土壤盐分在坐标值(0-60 dm，20-80 m)范围内等值线的密集程度明显增大，而在坐标值(0-60 dm，0-20 m)范围内却减小。一方面说明当土壤含盐量较高时，冻融季节虽然人类干扰活动减弱，但其它外界气候条件等随机性因素增强，致使剖面上部盐分的空间分布更为复杂;另一方面表明当土壤含盐量较低时，冻融过程却使其分布差异性减小。但在40 cm深度以下，各层土壤含盐量的等值线的密集和复杂程度减弱。一是因为冻融季节剖面下部没有人类灌溉等活动的影响;二是由于外界气候等因子对其影响强度较弱。

4 结论

(1)冻融前，剖面上部(40 cm深度以上)土壤含盐量服从对数正态分布，而下部(40 cm深度以下)及剖面平均土壤盐分均服从正态分布。由于多次灌溉洗盐效应，各层(80-100 cm深度除外)土壤含盐量与土层深度成正比。各层土壤含盐量均属中等变异性，且剖面上部的变异性显著高于下部。冻融后，各层及剖面平均土壤含盐量的分布类型及变异性未变，但变异系数增大(40-60 cm除外)。

(2)秋灌洗盐效果显著，剖面平均土壤含盐量的减少率为8.16%。洗盐深度超过100 cm。春季返盐现象明显，主要发生在0-60 cm深度。其中，以表层(0-20 cm)积盐现象最为严重，积盐率达30.0%。

(3)冻融前，土壤含盐量的理论模型由剖面上部的球状和指数模型转为下部的高斯模型。冻融后，剖面中上部土壤含盐量均变为高斯模型，底部转为球状模型。而剖面平均土壤含盐量的理论模型(高斯模型)保持不变。土壤含盐量具有中等空间自相关性的层由20-40 cm扩大为0-40 cm。而其它各层及剖面平均土壤含盐量的空间自相关性(强烈)未变。剖面上部(40 cm深度以上)土壤含盐量的变程显著增大，而下部变化不大。另外，剖面平均及各层土壤含盐量的分维数稍减，但减小幅度(介于0～0.02之间)不大。

(4)冻融前，土壤盐分空间分布的复杂性(20-40 cm除外)与土层深度成反比。原因是剖面上部土壤盐分主要受人类活动(如耕作、灌溉方式等)、气候及微地形等随机性因素的影响，而下部主控于土壤内部结构。冻融后，剖面上部盐分较高区域(0-60 dm，20-80 m)土壤含盐量的等值线的密集及复杂程度增大，而盐分较低区域(0-60 dm，0-20 m)及剖面下部均减小。

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