鹽漬化灌區(qū)節(jié)水改造后土壤鹽分時空變化規(guī)律研究

史海濱 吳 迪 閆建文 李仙岳 朱 科 遲碧璇

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院， 呼和浩特 010018)

0 引言

河套灌區(qū)是典型鹽漬化灌區(qū)，輕度、中度和重度鹽漬化耕地分別占總面積的29.8%、17.2%和9.2%[1]。由于灌溉方式不合理及渠系水滲漏導(dǎo)致地下水位上升，又由于潛水蒸發(fā)強烈，下層鹽分向表層聚集，增大了土壤鹽漬化風(fēng)險[2]，威脅灌區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境安全[3]。因此，自1998年以來河套灌區(qū)實施了大規(guī)模續(xù)建配套與節(jié)水改造工程，推廣節(jié)水灌溉，提高渠道防滲作用，年均凈引水量由52億m3減少到47億m3[4]，使得灌區(qū)水循環(huán)和地下水埋深發(fā)生巨大變化，導(dǎo)致土壤鹽分重新分布。在水權(quán)改革試點工作[5]中，沈烏灌域是黃河干流水權(quán)盟市間轉(zhuǎn)讓工程重要試點，根據(jù)《黃河水權(quán)轉(zhuǎn)讓管理實施辦法》其轉(zhuǎn)讓水權(quán)指標(biāo)為1.2萬m3，工程實施后渠道襯砌長度為1 522.2 km，渠道襯砌率達100%，節(jié)水改造工程實施力度大，引水量減少，對該區(qū)域生態(tài)環(huán)境也產(chǎn)生較大影響[6-7]。土壤鹽分是評價作物安全生長的重要指標(biāo)，也是農(nóng)田生態(tài)環(huán)境的重要指標(biāo)，在區(qū)域、空間和時間尺度上對灌區(qū)節(jié)水改造后土壤鹽漬化演變規(guī)律進行深入分析[8]很有必要。

針對區(qū)域土壤鹽分時空變化特征的相關(guān)研究頗多，文獻[9-10]應(yīng)用地質(zhì)統(tǒng)計和經(jīng)典統(tǒng)計方法嘗試探索農(nóng)田尺度上鹽度方差結(jié)構(gòu)與空間變異的關(guān)系，文獻[11-12]則提出了一個基于地統(tǒng)計學(xué)的土壤鹽分空間動態(tài)模型方法框架，應(yīng)用GIS技術(shù)，量化土壤性質(zhì)空間變化尺度和強度。隨著土壤鹽分空間動態(tài)預(yù)測評估模型的逐步成熟，CEMEK等[13]將該方法應(yīng)用于灌區(qū)土壤鹽分時空變異評價中，文獻[14-15]分析了不同土層土壤鹽分空間變異特征，使得土壤鹽分時空變異研究在水平和垂直尺度上得到延伸。多位學(xué)者研究證明，使用空間插值方法進行土壤鹽分預(yù)測精度較好[16-20]，但量化空間自相關(guān)程度存在短板。近年來空間聚類識別方法逐漸應(yīng)用于土壤屬性熱點分析研究中，如Getis’G指數(shù)[21]、空間掃描統(tǒng)計[22]和Tango’C指數(shù)[23]，使用最多的是Moran’sI指數(shù)[24-25]。Moran’sI指數(shù)能夠很好地反映整體空間相關(guān)程度和檢查獨立位置顯著情況。但是，在節(jié)水改造工程實施條件下對鹽漬化區(qū)域不同土層土壤鹽分時空變化特征及規(guī)律的相關(guān)研究鮮有報道。李彬等[26]在農(nóng)田尺度下研究河套灌區(qū)中游節(jié)水改造前后土壤鹽分剖面和空間分布規(guī)律，但并沒有在宏觀尺度上分析土壤鹽分時空演變規(guī)律和準(zhǔn)確地量化空間自相關(guān)程度。

本文以水權(quán)轉(zhuǎn)換重要試點——河套灌區(qū)上游沈烏灌域為研究區(qū)域，研究引黃水量和秋澆水量減少及渠系防滲作用增強的節(jié)水改造條件下，土壤鹽分時空變異和演變規(guī)律特征，評估土壤鹽分空間分布格局，并采用Moran’sI指數(shù)評估空間自相關(guān)程度，通過緩沖區(qū)分析不同節(jié)水改造年限區(qū)域土壤鹽分變化差異，探明區(qū)域、空間和時間尺度上土壤鹽漬化分布情況，以期為后續(xù)沈烏灌域的農(nóng)業(yè)發(fā)展、秋澆制度管理和節(jié)水改造措施的實施提供指導(dǎo)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

沈烏灌域位于內(nèi)蒙古河套灌區(qū)最西端，西南臨烏蘭布和沙漠，東南起三盛公水利樞紐引水口，東北處河套平原區(qū)，總面積1 860 km2。沈烏灌域呈由東南向西北傾斜的地勢，海拔在968～1 154 m之間。溫帶大陸性干旱氣候，干燥多風(fēng)，日照時間長，多年平均氣溫6～8℃，平均相對濕度40%～50%，年均降水量146.4 mm，年均蒸發(fā)量2 200 mm，多年平均蒸降比為15.03。沈烏灌域內(nèi)土壤類型有灌淤土、鹽土、風(fēng)砂土、灰漠土、棕鈣土、草甸土6個類型，灌域內(nèi)耕地多以砂壤土和壤砂土為主，分別占總耕地的46.60%和46.83%。土地利用方式以草地為主，面積為838.28 hm2；其次是597.56 hm2的水澆耕地，還有123.80 hm2的水域，以及防風(fēng)林帶、道路、居民區(qū)、祼地等。2013—2018年，沈烏灌域種植的作物以玉米和葵花為主，二者種植比例超過56%，其他主要種植作物為小麥、蕃茄、瓜類及其他雜糧。沈烏灌域位于河套灌區(qū)上游，以夏灌(4—9月)和秋澆(10—11月)為主，沒有春灌。沈烏灌域多年(1998—2018年)地下水埋深和地下水礦化度分別為1.82 m和1.50 g/L。截止2017年，內(nèi)蒙古黃河干流水權(quán)盟市間轉(zhuǎn)讓河套灌區(qū)沈烏灌域試點水權(quán)轉(zhuǎn)換工程基本實施完畢，灌域斗級以上渠道襯砌率和渠系建筑物配套率分別由5.80%和3.07%均提高到100%。2018年灌域總引水量3.768萬m3，與試點現(xiàn)狀年引水量5.587萬m3(2009—2012年平均)相比減少1.819萬m3。

1.2 樣本采集與測定

以2015年4月沈烏灌域的Landsat 8 OLI遙感影像(分辨率為30 m)的多光譜和全色波段融合圖像為參考資料，遵循均勻隨機布點原則，將研究區(qū)網(wǎng)格化，依據(jù)地類分布情況調(diào)整樣點，在鹽堿地、沙地、湖泊、林地、耕地等附近布設(shè)相應(yīng)點位，且節(jié)水改造以渠道襯砌為主要形式，因此多數(shù)點位布設(shè)在其主要骨干渠道附近，最終確定布設(shè)40個土壤鹽分監(jiān)測點，具體如圖1所示，其中土地利用分類圖來源于FROM-GLC網(wǎng)站。自2015年內(nèi)蒙古黃河干流水權(quán)盟市間轉(zhuǎn)讓，河套灌區(qū)沈烏灌域試點項目實施，2015、2018年9月和10月進行野外采樣，使用取土鉆分層(0～10 cm、10～30 cm、30～50 cm)采集120個土壤樣本，并將土壤樣本裝于自封袋帶回實驗室，晾干碾碎，過2 mm篩，以1∶5的土水比配置測定溶液，測定土壤八大離子及土壤含鹽量[27]。采用GPS定位技術(shù)確定各采樣點的相對坐標(biāo)，并于采樣期間記錄各采樣點周圍地形地質(zhì)、灌溉條件等情況。2015、2018年降雨量基本與平水年(145.47 mm)降水水平持平，由于沈烏灌域沒有春灌，主要進行大面積的秋澆，9月正處于河套灌區(qū)夏灌結(jié)束秋澆未開始時期，一方面夏灌結(jié)束后，受灌溉水影響的土壤鹽分再分配基本穩(wěn)定，節(jié)水改造工程措施對灌溉水的影響進而對土壤鹽分的影響也基本結(jié)束，在這段時間采集的土樣能充分反映節(jié)水改造對灌區(qū)土壤鹽分的影響，并且此時也是地下水動態(tài)的相對穩(wěn)定期; 另一方面，通過對此時土壤鹽分的分析，能夠有針對性地指導(dǎo)秋澆。故以2015年9月(秋澆前期)和10月(秋澆后期)作為節(jié)水改造前基準(zhǔn)年，探究水權(quán)轉(zhuǎn)換背景下，節(jié)水改造后(2018年9、10月)土壤鹽分相較于基準(zhǔn)年的時空變異及時空分布規(guī)律。

圖1 研究區(qū)采樣點位布置圖

1.3 研究方法

1.3.1數(shù)理統(tǒng)計

將采集的土壤含鹽量進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，剔除異常值，運用經(jīng)典統(tǒng)計方法分析土壤鹽分特征變化，并對其進行K-S檢驗土壤含鹽量是否符合正態(tài)分布，對不符合正態(tài)分布的屬性值進行對數(shù)變換，之后構(gòu)建和擬合適宜的半方差函數(shù)理論模型[28-30]，分析土壤鹽分空間異質(zhì)性。在ArcGIS 10.4空間分析模塊進行緩沖區(qū)分析，根據(jù)不同節(jié)水改造年限條件，選取東風(fēng)分干渠(節(jié)水改造時間為2017年3月10日—2017年12月20日)和一干渠渠首(節(jié)水改造時間：上游，2014年1月20日—6月20日；中游，2015年3月2日—2016年8月24日；下游，2016年6月20日—2017年11月30日)兩區(qū)域進行典型對比，分析不同改造年限區(qū)域沿渠道不同距離緩沖區(qū)內(nèi)土壤鹽分變化情況。

1.3.2空間自相關(guān)

為進一步研究沈烏灌域土壤鹽漬化水平的不平衡性和全局空間自相關(guān)程度，采用Moran’sI指數(shù)評估全局空間集聚特征，LISA集聚圖評價區(qū)域高低顯著熱點水平位置和范圍。空間自相關(guān)系數(shù)(Moran’sI指數(shù))定義為[32]

(1)

式中xi——樣點i的空間屬性觀測值

xj——樣點j的空間屬性觀測值

n——觀測點位個數(shù)

wij——樣點i和j之間空間鄰近度的權(quán)重系數(shù)

其中，Moran’sI大于0表示空間正相關(guān)性，其值越大，空間相關(guān)性越明顯。Moran’sI小于0表示空間負相關(guān)性，其值越小，空間差異越大，否則，Moran’sI等于0，空間呈隨機性。計算Z值對其進行檢驗。為進行局部空間自相關(guān)分析，檢查獨立位置顯著情況，繪制LISA集聚圖，樣點LISA集聚圖表示該點與鄰近點屬性值空間集聚特性，將全局空間相關(guān)系數(shù)分解到各樣點的空間自相關(guān)性[24,32-33]。

1.3.3反距離插值法

反距離插值法(IDW)是一種簡單快速、易于計算的常用的空間插值方法[16,28,34]，應(yīng)用IDW空間插值方法繪制土壤鹽分空間分布圖，相比Kriging插值法可以更直觀地反映區(qū)域和局部變化趨勢[16,28,30]，是一種根據(jù)已知數(shù)據(jù)集假定評估任意點s0預(yù)測值的線性插值器，其定義為[34]

(2)

其中

(3)

Z(si)——已知點位的實測值

λi——權(quán)重

d(si,s0)——樣點和樣點之間的歐氏距離

p——指定冪值，一般1

隨著p值增加，s0距離si越遠，則權(quán)重越小。采用均值誤差(ME)和均方根誤差(RMSE)判斷反距離插值法所得的預(yù)測結(jié)果，其中均值誤差接近0，均方根誤差越小越好。空間分析的精度使用交叉驗證法進行檢驗。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

采用GS+7.0擬合適宜不同土層土壤含鹽量的半方差函數(shù)理論模型，在ArcGIS 10.4中計算Moran’sI指數(shù)和Z值，使用Geoda軟件空間分析模塊分別繪制 Moran’sI指數(shù)散點圖和LISA 聚集圖。利用ArcGIS 10.4軟件進行反距離空間插值，獲得沈烏灌域土壤鹽分空間分布圖。進行緩沖區(qū)分析，獲得不同節(jié)水改造年限典型渠道剖面土壤鹽分變化圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤鹽分描述性統(tǒng)計特征

對土壤含鹽量進行K-S檢驗均為偏態(tài)分布，經(jīng)過對數(shù)變換后，由表1可看出，其偏度和峰度(經(jīng)過對數(shù)變換后計算得到)較小，符合正態(tài)分布。

表1 土壤鹽分特征統(tǒng)計

沈烏灌域兩年各土層平均土壤含鹽量在1.39～3.43 g/kg之間，屬于輕中度鹽漬化灌域。節(jié)水改造前，秋澆前表層土壤含鹽量最大，為3.43 g/kg，與深層差異明顯，垂直方向上土壤鹽分變異性大；秋澆后各層土壤含鹽量分別降低28.9%、28.6%、20.8%，表明土壤鹽分淋洗效果良好。

節(jié)水改造后，秋澆前表層土壤鹽漬化程度減輕5.69%，10～30 cm和30～50 cm土層土壤含鹽量分別下降了10.82%和5.37%，各土層土壤含鹽量平均降幅為7.30%，同時2018年灌域平均地下水水位較2015年下降了0.44 m；此外，秋澆水量減少了8 690 m3，秋澆后表層鹽分含量減輕程度變化不顯著，10～30 cm和30～50 cm土層土壤含鹽量分別下降9.71%和18.70%。研究發(fā)現(xiàn)，節(jié)水改造后秋澆前土壤整體含鹽量平均降幅7.30%，此外，秋澆水量減少，秋澆后土壤鹽分淋洗效果減弱9.26%。

變異系數(shù)CV反映土壤含鹽量數(shù)據(jù)間的離散程度，其定義為標(biāo)準(zhǔn)差與平均值之比[35]。CV<10%為弱變異性，10%≤CV≤100%為中等變異性，CV>100%為強變異性[27]。由表1可知，0～10 cm土層土壤鹽分屬于強變異性，10～30 cm和30～50 cm土層土壤鹽分屬中等變異性。

2.2 土壤鹽分空間結(jié)構(gòu)分析

由上述經(jīng)典統(tǒng)計分析得到適于空間預(yù)測的數(shù)據(jù)集。為研究節(jié)水改造后沈烏灌域空間范圍的土壤鹽分空間變異特性，利用地統(tǒng)計學(xué)理論進行半方差函數(shù)的計算、模擬、分析和檢驗，如表2所示。

表2 半方差函數(shù)模型參數(shù)統(tǒng)計

由表2可知，由于決定系數(shù)R2在0.450～0.785之間，理論模型擬合度較好，表明各土層土壤鹽分的半方差函數(shù)均適用Exponential模型。用塊金數(shù)Co、空間結(jié)構(gòu)比Co/(Co+C)和變程表示土壤鹽分空間異質(zhì)性程度[36-39]。其中Co/(Co+C)<25%，為強空間相關(guān)性，主要受結(jié)構(gòu)性因素影響；25%≤Co/(Co+C)≤75%，為中等空間相關(guān)性，受結(jié)構(gòu)性和隨機性因素共同作用；Co/(Co+C)>75%，為弱空間相關(guān)性，受隨機因素影響大。由表2可知，節(jié)水改造前后各層土壤含鹽量的塊金數(shù)Co和基臺數(shù)(Co+C)均為正值，受隨機因素、固有變異及采樣誤差引起的變異不容忽視。節(jié)水改造后，秋澆前耕層(0～30 cm)土壤鹽分結(jié)構(gòu)比下降15.92個百分點，但結(jié)構(gòu)比均在25%以上，始終受結(jié)構(gòu)性和隨機因素共同作用，深層(30～50 cm)土壤鹽分結(jié)構(gòu)比下降7.97個百分點，結(jié)構(gòu)比均在25%以下，受結(jié)構(gòu)性因素影響，說明節(jié)水改造后土壤鹽漬化狀況得到改善，土壤空間變異性減弱，而大量荒地復(fù)墾，隨機性因素使土壤鹽分空間相關(guān)性減弱，土壤屬性朝均一化方向發(fā)展。秋澆后各層土壤鹽分結(jié)構(gòu)比均較改造前同期規(guī)律性出現(xiàn)差異，改造前秋澆后期各土層土壤鹽分結(jié)構(gòu)比平均下降7.30個百分點，各層空間相關(guān)性增強，而改造后0～10 cm和30～50 cm土層土壤鹽分結(jié)構(gòu)比分別增加了3.94個百分點和29.18個百分點，10～30 cm土層結(jié)構(gòu)比下降了0.53個百分點。說明秋澆水量減少，0～10 cm和30～50 cm土層土壤鹽分空間變異性增強。

2.3 土壤鹽分空間自相關(guān)

由于小空間范圍內(nèi)計算的結(jié)構(gòu)比均較大，空間變異性大，影響對其空間自相關(guān)性的判斷，而Moran’sI指數(shù)則是更為穩(wěn)健的方法[39-41]。故為進一步研究沈烏灌域土壤鹽漬化空間依賴程度和局部分布格局，用Moran’sI指數(shù)作為衡量土壤鹽分空間自相關(guān)性的指標(biāo)，將沈烏灌域以10 km×10 km的規(guī)模進行格網(wǎng)化，提高研究精度，如圖2所示。

圖2 沈烏灌域土壤鹽分格網(wǎng)化點位布置圖

由表3可知，沈烏灌域整體土壤鹽分Z值大于0，P<0.05，各土層均呈顯著空間正相關(guān)，空間依賴性強。節(jié)水改造前，表層(0～10 cm)土壤鹽分秋澆前Moran’I指數(shù)最小，為0.431，Z值為3.885；深層(30～50 cm)土壤鹽分秋澆后Moran’sI最大，為0.656，Z值為5.639，秋澆后土壤鹽分空間相關(guān)性增強。節(jié)水改造后，秋澆前各土層土壤鹽分Moran’sI指數(shù)平均增幅為5%，說明節(jié)水改造后渠道襯砌率增加，地下水水位下降，土壤鹽分空間相關(guān)性增強；秋澆后較秋澆前0～10 cm和30～50 cm土層土壤含鹽量Moran’sI指數(shù)和Z值減少幅度在3%以下，10～30 cm兩指標(biāo)增幅為0.09%，各土層土壤鹽分Moran’sI指數(shù)和Z值降幅變化不顯著。由圖3可知，節(jié)水改造前絕大多數(shù)樣點在散點圖上均落于1、3象限，空間上呈集聚態(tài)勢，節(jié)水改造后秋澆前沈烏灌域土壤鹽分空間異質(zhì)性減弱，秋澆后局部空間集聚逐漸向離散狀態(tài)轉(zhuǎn)變。

表3 土壤鹽分Moran’s I主要空間參數(shù)

圖3 土壤鹽分Moran’s I散點圖

根據(jù)上述統(tǒng)計分析可知，表層土壤鹽分空間變異性較強，其受農(nóng)田管理和氣象條件的影響較為明顯，故選取0～50 cm土層的土壤含鹽量進行熱點分析，進一步摸清鹽漬化風(fēng)險區(qū)域集聚情況。由圖4可知，節(jié)水改造前，秋澆前沈烏灌域南部處于鹽漬化高值集聚區(qū)；根據(jù)統(tǒng)計分析可知，秋澆后整體平均土壤含鹽量有所下降，建設(shè)三分干和建設(shè)四分干發(fā)生鹽漬化風(fēng)險可能性降低，東風(fēng)分干渠和一干渠渠首的高-高顯著鹽漬化風(fēng)險評估范圍擴張，意味著盡管該區(qū)域土壤鹽分得到淋洗，但仍有很大可能發(fā)生鹽漬化風(fēng)險。節(jié)水改造后，秋澆前0～50 cm土層南部高-高顯著熱點向不顯著和高-低點位轉(zhuǎn)變，北部局部出現(xiàn)鹽漬化風(fēng)險異常點；秋澆后南部土壤鹽分高-高顯著熱點減少，但集聚特征仍十分顯著。總體上，南部土壤鹽分具有較高的相似性，呈現(xiàn)高-高集聚態(tài)勢，該區(qū)域出現(xiàn)土壤鹽分高值概率高，西部即土壤鹽分呈現(xiàn)低-低集聚，該區(qū)域不易產(chǎn)生土壤鹽漬化，與地處沙區(qū)的土地利用類型有關(guān)；西北和東北方向鹽分分布比較隨機。由此可知，沈烏灌域南部是土壤鹽分含量的高-高集聚區(qū)，存在潛在的鹽漬化風(fēng)險，在節(jié)水改造變化環(huán)境下仍是鹽漬化治理的重點區(qū)域。局部鹽漬化風(fēng)險地區(qū)建議采用暗管排水和化學(xué)改良劑等方式進行專項治理。

圖4 0～50 cm土層土壤鹽分LISA集聚圖

2.4 土壤鹽分空間分布格局

為了更加直觀地展現(xiàn)沈烏灌域鹽漬化分布格局和程度，利用ArcGIS 10.4的空間分析模塊進行IDW插值，又由空間變異性分析可知，0～10 cm和10～30 cm空間變異程度相似，且土壤耕層多以30 cm為界線，故將土層分為耕層(0～30 cm)和深層(30～50 cm)進行空間分析，主要研究耕層土壤鹽分分布格局對中度耐鹽作物的生長狀況影響和深層土壤鹽漬化分布情況。沈烏灌域耕層和深層土壤鹽分空間分布如圖5所示。綜合考慮中度耐鹽農(nóng)作物的生長狀況和主要土壤鹽分組成類型，根據(jù)鹽漬化土壤的劃分標(biāo)準(zhǔn)[42-44]，將土壤分為非鹽漬土(含鹽量小于2 g/kg，即作物生長安全區(qū)：作物發(fā)育良好，不缺苗，產(chǎn)量正常)、輕度鹽漬土(含鹽量2～3 g/kg，即作物輕度抑制區(qū)：植物缺苗，產(chǎn)量降低10%～20%)、中度鹽漬土(含鹽量3～6 g/kg，即作物中度抑制區(qū)：植物缺苗，產(chǎn)量降低20%～50%)、重度鹽漬土(含鹽量6～10 g/kg，即作物重度抑制區(qū)：植物缺苗，產(chǎn)量降低50%～80%)、鹽土(含鹽量大于10 g/kg，即作物鹽害區(qū)：個別植株成活，實際無收成)。

圖5 土壤鹽分空間分布圖

2.4.1插值精度交叉驗證

由式(2)對土壤含鹽量進行反距離插值，獲得沈烏灌域耕層和深層土壤鹽分空間分布圖(圖5)。為了對插值精度進行檢驗，采用交叉驗證的方法評判反距離插值精度。由表4可知，均值誤差(ME)均接近于0，均方根誤差(RMSE)處于0.647 6～1.028 9 g/kg之間，并且決定系數(shù)R2均在0.500以上，這說明插值圖的交叉驗證參數(shù)達到了插值圖精度要求，認為反距離插值模型描述土壤含鹽量具有較好的精確度。

2.4.2耕層(0～30 cm)土壤鹽分空間分布格局

改造前，沈烏灌域主要種植作物以玉米和向日葵為主，分別是中度耐鹽作物和重度耐鹽作物[45]。針對中度耐鹽作物，秋澆前耕層作物生長安全區(qū)、作物輕度抑制區(qū)、作物中度抑制區(qū)、作物重度抑制區(qū)和作物鹽害區(qū)分別占總面積的49.66%、18.65%、22.47%、6.61%和2.61%(表5)，說明沈烏灌域中度耐鹽作物多受輕中度土壤鹽分抑制作用，而向日葵所受鹽害面積較小。由圖5可知，空間上，土壤鹽分高值(大于6 g/kg)位于東風(fēng)分干渠和一干渠渠首上游區(qū)域。如圖6所示，2015年兩區(qū)域大部分地下水埋深較淺，分別在0.59～3.53 m和1.41～6.54 m之間，加之蒸發(fā)強烈，土壤鹽分借助毛細作用逐步得到累積。其余區(qū)域多為沙地，地下水埋深處于3.90～9.20 m之間，土壤鹽分受地下水影響較小，空間差異不大；秋澆后作物生長安全區(qū)面積比例增加14.18個百分點，其他作物抑制區(qū)中，中度抑制區(qū)面積比例減少最多，減少6.99個百分點。

改造后，秋澆前作物生長安全區(qū)面積比例增加4.82個百分點，西南和東部區(qū)域低值(小于2 g/kg)片狀范圍擴張，一干渠渠首北部鹽分下降明顯，這是由于局部鹽荒地復(fù)墾等人為活動作用；秋澆后作物生長安全區(qū)和作物輕度抑制面積比例分別增加了9.16、3.71個百分點，較改造前同期安全區(qū)面積增幅下降5.02個百分點。改造后南部引水口地下水埋深加大了0～40 cm，且秋澆后鹽分淋洗效果明顯，而一干渠中游出現(xiàn)高值斑點，與秋澆水量減少有關(guān)。

表4 插值精度交叉驗證參數(shù)

表5 沈烏灌域不同鹽漬化程度土壤面積及比例

圖6 沈烏灌域地下水埋深空間分布圖

2.4.3深層(30～50 cm)土壤鹽分空間分布格局

由表5可知，改造前，秋澆前深層非鹽漬土、輕度鹽漬土、中度鹽漬土、重度鹽漬土和鹽土分別占總面積的71.57%、15.87%、10.84%、1.27%和0.45%，深層較耕層鹽漬化面積比例少21.91個百分點。由圖5可知，空間上，土壤鹽分高值區(qū)(6 g/kg)主要分布于東風(fēng)分干渠中游和一干渠渠首上游區(qū)域，與耕層分布狀態(tài)基本一致；秋澆后非鹽漬土面積比例增加6.62個百分點，增幅小于深層。

改造后，秋澆前非鹽漬土和輕度鹽漬土面積比例分別增加了1.85、2.83個百分點，深層土壤鹽漬化變化并不顯著。因改造后處于鹽荒區(qū)的東風(fēng)分干渠下游地下水水位升高了0.05 m，毛細作用增強，土壤鹽分略升高，而一干渠地下水水位下降0.17 m，其上游區(qū)域土壤鹽漬化程度減輕，土壤鹽分表聚現(xiàn)象產(chǎn)生改變，與空間結(jié)構(gòu)分布規(guī)律一致。秋澆后非鹽漬土增加了1.55個百分點，較改造前同期非鹽漬土面積比例增幅下降了5.07個百分點。

2.5 不同節(jié)水改造年限渠道剖面土壤鹽分變化

由上述土壤鹽分空間自相關(guān)性和空間分布格局分析可知，一干渠渠首和東風(fēng)分干渠兩區(qū)域土壤鹽漬化風(fēng)險較高，且兩區(qū)域節(jié)水改造年限不同，故選取兩典型區(qū)進一步研究不同改造年限鹽漬化區(qū)域土壤鹽分變化差異。將一干渠渠首視為長期(3～5年)改造區(qū)，東風(fēng)分干渠視為短期(1～2年)改造區(qū)。典型區(qū)域布置圖見圖7、8。

圖7 短期改造區(qū)沿渠道監(jiān)測點位布置圖

圖8 長期改造區(qū)沿渠道監(jiān)測點位布置圖

為了分析渠道襯砌對區(qū)域土壤鹽分變化的影響，以主要渠道為中心研究對象，利用緩沖區(qū)分析，產(chǎn)生距離中心研究對象0.1、0.3、0.5、0.7、1.0、1.3、1.5 km間隔組合的環(huán)狀緩沖區(qū)，分析節(jié)水改造前后隨著與渠道距離的增加，平均土壤含鹽量的變化過程。

圖9 長期改造區(qū)不同距離緩沖區(qū)平均土壤鹽分變化曲線

由圖9可知，長期改造區(qū)節(jié)水改造前，秋澆前緩沖區(qū)范圍內(nèi)0～30 cm和30～50 cm土層土壤含鹽量均值分別在3.65～3.39 g/kg和2.05～1.92 g/kg之間，不同距離緩沖區(qū)內(nèi)平均土壤鹽分含量線性回歸分析結(jié)果表明，0～50 cm土層秋澆前受渠道影響的半徑為1.5 km，可劃分為1.0 km以內(nèi)和1.0 km以外兩個范圍，1.0 km以外比1.0 km以內(nèi)的土壤鹽分下降速率更為平緩。秋澆后緩沖區(qū)范圍內(nèi)0～30 cm和30～50 cm土層土壤含鹽量均值分別在2.98～2.84 g/kg和2.30～2.19 g/kg之間。節(jié)水改造后，秋澆前0～30 cm和30～50 cm土層在1.5 km范圍內(nèi)的緩沖區(qū)平均土壤含鹽量下降速率分別為每年0.050 96 g/kg和0.017 45 g/kg。秋澆后，0～30 cm土層在秋澆水量減少的條件下土壤鹽分淋洗效果平均減弱0.32 g/kg，而30～50 cm土層土壤鹽分含量較改造前同期出現(xiàn)升高的狀況，可能是因為一干渠2018年無秋澆水量，高值區(qū)從上游逐漸向中游低值區(qū)擴散。

由圖10可知，短期改造區(qū)節(jié)水改造前，秋澆前緩沖區(qū)范圍內(nèi)0～30 cm和30～50 cm土層土壤含鹽量均值分別在5.44～5.19 g/kg和2.98～2.82 g/kg之間，不同土層土壤鹽分差異性大，不同距離緩沖區(qū)內(nèi)平均土壤鹽分含量線性回歸分析結(jié)果表明，0～50 cm土層秋澆前受渠道影響的半徑為0.7 km，可劃分為0.3 km以內(nèi)和0.3 km以外的兩個范圍，0.3 km以外比0.3 km以內(nèi)的土壤鹽分下降速率更為平緩。秋澆后緩沖區(qū)范圍內(nèi)0～30 cm和30～50 cm土層土壤含鹽量均值分別在4.23～3.78 g/kg和2.43～2.17 g/kg之間，0～50 cm土層秋澆后受渠道影響的半徑擴張到1.5 km。節(jié)水改造后，秋澆前0～30 cm和30～50 cm土層在0.7 km范圍內(nèi)的緩沖區(qū)平均土壤含鹽量下降速率分別為每年0.018 51 g/kg和0.014 63 g/kg。秋澆后，兩土層緩沖區(qū)對土壤含鹽量的解釋能力增強，秋澆能夠有效減輕土壤鹽分表聚作用。

圖10 短期改造區(qū)不同距離緩沖區(qū)平均土壤鹽分變化曲線

綜上所述，由不同距離緩沖區(qū)內(nèi)的平均土壤鹽分含量線性回歸分析顯示R2在0.10～0.94之間，說明不同距離緩沖區(qū)對平均土壤鹽分含量的解釋能力較強。此外長期改造區(qū)和短期改造區(qū)受渠道影響半徑分別為1.5 km和0.7 km， 30～50 cm比0～30 cm土層緩沖區(qū)內(nèi)平均土壤鹽分含量隨距離下降幅度更為平緩。隨著節(jié)水改造工程的實施，長期改造區(qū)緩沖區(qū)內(nèi)平均土壤含鹽量下降速率高于短期改造區(qū)，均一化程度較高，長期改造區(qū)秋澆水量減少的條件下，高值區(qū)由上游逐漸向下中游低值區(qū)擴散，土壤鹽分淋洗效果減弱。

3 討論

沈烏灌域節(jié)水改造實施力度大，渠道襯砌率高達100%，且屬于輕中度鹽漬化區(qū)域，故以沈烏灌域為研究對象，分析節(jié)水改造對土壤鹽分時空變化規(guī)律影響更具代表性，而此方面相關(guān)研究甚少，李彬等[26]僅從農(nóng)田尺度分析河套灌區(qū)中游典型區(qū)土壤鹽分時空分布變化，發(fā)現(xiàn)節(jié)水改造后典型區(qū)整體土壤鹽分下降，與本研究結(jié)果一致。在此基礎(chǔ)上本研究通過緩沖區(qū)分析深入研究了不同節(jié)水改造年限下區(qū)域土壤鹽分變化差異，結(jié)果表明，區(qū)域受渠道影響半徑和緩沖區(qū)內(nèi)平均土壤含鹽量下降速率呈現(xiàn)長期改造區(qū)大于短期改造區(qū)的規(guī)律，但由于長期改造區(qū)秋澆水量減少，高值區(qū)由上游逐漸向中游低值區(qū)擴散，土壤鹽分淋洗效果減弱。步懷亮[4]將研究尺度放大，以沈烏灌域為研究對象，但由于工程實施于2017年年末完成，其監(jiān)測時期較短，改造后土壤鹽分變化狀況并不明確。另外，文獻[4,26]均未考慮節(jié)水改造條件下秋澆水量減少對土壤鹽分淋洗效果的影響，而本研究綜合考慮渠道襯砌和秋澆水量減少情況下沈烏灌域土壤鹽分時空變化規(guī)律和淋洗效果影響。

文獻[4,17-20]發(fā)現(xiàn)，將ArcGIS和地統(tǒng)計學(xué)結(jié)合方法可以有效監(jiān)測區(qū)域土壤鹽分空間變異及分布格局，基于區(qū)域化變量理論進行半方差函數(shù)擬合，結(jié)果顯示土壤含鹽量適宜于Exponential模型，表層和深層土壤鹽分分別屬強和中等空間變異性，與文獻[15-16,37]研究結(jié)果一致。但有研究[39-41]表明采用結(jié)構(gòu)比進行空間相關(guān)性分析穩(wěn)定性不足，故本文引入Moran’sI指數(shù)進行節(jié)水改造條件下土壤鹽分空間自相關(guān)性變化量化分析，發(fā)現(xiàn)改造后秋澆前期各土層土壤鹽分空間相關(guān)性增強4.82個百分點，秋澆水量減少，秋澆影響土壤鹽分空間相關(guān)性程度減弱。由LISA集聚圖分析可知南部改造后仍是鹽漬化高風(fēng)險區(qū)域。說明應(yīng)用Moran’sI指數(shù)和LISA集聚圖可以更好地反映土壤鹽分空間自相關(guān)程度和局部熱點區(qū)域位置和范圍[46-47]。在以上結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上進行交叉驗證，應(yīng)用IDW空間插值方法繪制土壤鹽分空間分布圖精度較高，直觀地反映區(qū)域和局部變化趨勢[16,28,30]，結(jié)果顯示改造后，秋澆前耕層和深層土壤鹽漬化程度得到改善，作物生長安全區(qū)增加，秋澆后，耕層作物生長安全區(qū)面積增幅下降。空間上，土壤鹽分高值多位于地下水埋深較淺的東北部和南部區(qū)域，土壤鹽分低值多位于西南沙區(qū)，土壤鹽分與地下水埋深、土地利用類型和地形等影響因素有關(guān)[6,8,11,14]。經(jīng)過進一步深入分析，本研究驗證了節(jié)水改造條件下區(qū)域整體土壤鹽分下降[4,26]，作物生長安全區(qū)面積增加，表聚作用減弱[4,26]的變化規(guī)律，此外還發(fā)現(xiàn)秋澆水量減少的條件下，土壤鹽分淋洗效果減弱。綜上所述，本文運用經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)方法，結(jié)合空間插值和熱點聚類識別方法繪制節(jié)水改造前后土壤鹽分空間分布和LISA集聚圖，可準(zhǔn)確和直觀地反映節(jié)水改造條件下各層土壤鹽分的空間分布格局和土壤鹽漬化顯著程度，并探尋不同節(jié)水改造年限區(qū)域的土壤鹽分時空變化規(guī)律，為鹽漬化灌區(qū)——沈烏灌域的土壤鹽漬化土地的分區(qū)、管理和合理利用提供了理論指導(dǎo)，同時也為后期制定節(jié)水改造舉措、管理秋澆制度和發(fā)展農(nóng)業(yè)提供了參考依據(jù)。

4 結(jié)論

(1)節(jié)水改造工程建設(shè)背景下，沈烏灌域渠系防滲效果良好，秋澆前土壤整體含鹽量平均降幅為7.30%，但由于引黃水量減少，秋澆水量驟減，秋澆后土壤鹽分淋洗效果減弱9.26%。空間上，土壤鹽分高值區(qū)(大于6 g/kg)多位于地下水埋深較淺的東風(fēng)分干渠和一干渠渠首區(qū)域，低值區(qū)(小于2 g/kg)位于西南和東部沙區(qū)。

(2)沈烏灌域各土層土壤鹽分半方差函數(shù)采用Exponential模型擬合度較好，驗證了各土層土壤含鹽量在空間上存在一定的相關(guān)性，采用空間自相關(guān)系數(shù)進一步研究發(fā)現(xiàn)，沈烏灌域各土層土壤鹽分Z值大于0，P<0.05，均呈顯著空間正相關(guān)。耕層土壤鹽分屬強空間變異性，受結(jié)構(gòu)性和隨機性因素共同作用，深層土壤鹽分屬中度變異性，主要受結(jié)構(gòu)性因素影響。改造后，秋澆前各土層結(jié)構(gòu)比下降，Moran’sI指數(shù)增加，空間相關(guān)性增強；秋澆后0～10 cm和30～50 cm土層土壤鹽分結(jié)構(gòu)比增加，Moran’sI指數(shù)降幅在3%以內(nèi)，秋澆水量減少，秋澆作用對土壤鹽分空間相關(guān)影響度減弱。另由LISA集聚分析可知，改造后、秋澆前南部高-高顯著區(qū)向不顯著和高-低區(qū)轉(zhuǎn)變，秋澆后南部集聚特征仍十分顯著，存在鹽漬化風(fēng)險，改造后仍是鹽漬化防治重點區(qū)域。

(3)針對中度耐鹽作物，秋澆前耕層作物生長安全區(qū)、作物輕度抑制區(qū)、作物中度抑制區(qū)、作物重度抑制區(qū)和作物鹽害區(qū)分別占總面積的49.66%、18.65%、22.47%、6.61%和2.61%，說明沈烏灌域中度耐鹽作物作物多受輕中度土壤鹽分抑制作用，而向日葵所受鹽害面積較小。深層土壤較耕層鹽漬化面積少21.91個百分點。改造后，秋澆前期耕層作物生長安全區(qū)和深層非鹽漬土分別增加4.82、1.85個百分點，秋澆后耕層作物生長安全區(qū)面積增幅下降5.02個百分點，深層變化不顯著。

(4)不同距離緩沖區(qū)對平均土壤鹽分含量的解釋能力較強，長期改造區(qū)和短期改造區(qū)受渠道影響半徑分別為1.5 km和0.7 km，長期改造區(qū)緩沖區(qū)內(nèi)平均土壤含鹽量下降速率高于短期改造區(qū)，均一化程度較高。由于長期改造區(qū)秋澆水量減少，高值區(qū)由上游逐漸向下中游低值區(qū)擴散，土壤鹽分淋洗效果減弱。

(5)節(jié)水改造工程實施后，土壤鹽漬化程度減輕，作物生長安全區(qū)面積增加，表聚作用弱化，秋澆水量減少，土壤鹽分淋洗效果減弱，土壤環(huán)境有所改善。此外節(jié)水改造年限越長，其區(qū)域均布化程度越高。