河套灌區(qū)節(jié)水改造前后土壤水分和鹽分空間變異性研究

河套灌區(qū)節(jié)水改造前后土壤水分和鹽分空間變異性研究

0節(jié)水措施與土壤空間變異性由于河套灌區(qū)排黃水量的減少，排水系統(tǒng)逐年減少，局部地區(qū)的地下水位呈下降趨勢(shì)。因此，一些池塘周圍的生態(tài)環(huán)境發(fā)生了變化。節(jié)水灌溉措施改變了農(nóng)田水文循環(huán)變化規(guī)律,而渠道襯砌、井渠結(jié)合及田間節(jié)水技術(shù)的改進(jìn)必將打破原有的農(nóng)田水、鹽動(dòng)態(tài)平衡,使區(qū)域農(nóng)田水、鹽平衡和灌區(qū)的生態(tài)環(huán)境的動(dòng)態(tài)發(fā)生相應(yīng)的變化。節(jié)水措施的實(shí)施使灌區(qū)內(nèi)灌溉水的滲漏量及排水量減少,從而引起地下水位下降、水質(zhì)惡化,土壤中的鹽分淋洗、化肥的淋失、地下水對(duì)作物生長(zhǎng)的補(bǔ)充發(fā)生量和質(zhì)的變化,可能引起灌區(qū)原有灌溉制度的改變和農(nóng)田水環(huán)境及生態(tài)環(huán)境的變化。20世紀(jì)70年代以來(lái),運(yùn)用地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)理論定量的刻畫(huà)土壤空間變異性作為一個(gè)研究熱點(diǎn)一直被學(xué)者們所關(guān)注。不僅各種地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法,包括普通克里格、協(xié)同克里格、泛克里格、條件模擬等被成功的應(yīng)用于這一領(lǐng)域,而且研究?jī)?nèi)容由土壤的物理特性擴(kuò)展到了土壤的養(yǎng)分和鹽分等方面,無(wú)論在廣度還是深度上都有個(gè)長(zhǎng)足的進(jìn)展。但對(duì)土壤的調(diào)查仍主要集中于較小的尺度(一般小于10m),而較大的采樣尺度上土壤特性的空間變異性研究較少。本文應(yīng)用地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析了河套灌區(qū)上游的解放閘灌域中面積為6.07萬(wàn)hm2的節(jié)水改造項(xiàng)目區(qū)的土壤水分和鹽分的空間變異性,此研究對(duì)監(jiān)測(cè)大面積上的土壤水分和鹽分的動(dòng)態(tài)變化以及節(jié)水改造對(duì)灌區(qū)水鹽分布的影響具有一定的意義。1試驗(yàn)設(shè)計(jì)1.1立地條件及氣候條件解放閘灌域位于河套灌區(qū)西部,解放閘灌域總控制面積325.52萬(wàn)hm2,約占全河套灌區(qū)灌溉面積的25%。灌溉面積213.15萬(wàn)hm2,其中耕地182.99萬(wàn)hm2,林果地面積8.26萬(wàn)hm2,牧草地面積21.91萬(wàn)hm2。非灌溉面積110.37萬(wàn)hm2。氣候干燥,年降水量為130～220mm;蒸發(fā)量大,年蒸發(fā)量為1900～2500mm,無(wú)霜期短,多年平均無(wú)霜期130d,日溫差大,日照時(shí)間長(zhǎng),年平均氣溫為5.6～7.8℃,全年日照時(shí)數(shù)為3100～3300h。該項(xiàng)目區(qū)設(shè)在杭錦后旗的沙豪渠實(shí)驗(yàn)站,項(xiàng)目區(qū)面積6.07萬(wàn)hm2,2007年進(jìn)行渠道襯砌及配套工作并在當(dāng)年完工。1.2研究對(duì)象及方法用TDR測(cè)量和剖面法采集表層1m深度(分5層:1～20、20～40、40～60、60～80、80～100cm)內(nèi)的土樣,構(gòu)成大尺度網(wǎng)格,樣本分析包括土壤全鹽量、土壤含水率、EC值、pH值以及8個(gè)主要的離子含量。以全剖面上土壤的平均含水量和平均全鹽量為研究對(duì)象,選取2007年和2008年夏季的兩次采樣數(shù)據(jù),對(duì)節(jié)水改造前后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比,研究實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)土壤水分和鹽分的變異性。2結(jié)果與分析2.1含水率和ec值2個(gè)時(shí)期的土壤水分和鹽分實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的基本統(tǒng)計(jì)特征值列于表1,其中分布類型是通過(guò)對(duì)頻率直方圖的分析及K-S檢驗(yàn)法得到的,取樣數(shù)目是在置信水平為90%,精度為均值的10%的情況下的合理采樣數(shù)。從表1可以看出,2007年和2008年土壤含水率與EC值的變化服從正態(tài)分布,2007年土壤的含水率和EC值(均值)都小于2008年,這主要是由于2008年在項(xiàng)目區(qū)進(jìn)行的渠系配套襯砌與節(jié)水改造工程已經(jīng)實(shí)施完成,對(duì)項(xiàng)目區(qū)的水鹽含量有一定得影響,且河套灌區(qū)補(bǔ)給形式主要為垂直徑向補(bǔ)給,區(qū)域性地下側(cè)向徑流不存在或較微弱,在項(xiàng)目實(shí)施的典型區(qū)內(nèi)的垂直入滲水量減少,使得土壤含水率減少,鹽分也就隨之減少。2007年土壤含水率變異系數(shù)(Cv)及標(biāo)準(zhǔn)差大于2008年,而2007年的土壤EC值的變異系數(shù)卻小于2008年,表明2007年含水率的變異程度要大于2008年,2007年的EC值變異程度要小于2008年,但是變異系數(shù)差距不是很大,說(shuō)明變異程度的差距不是太大,2007年與2008年土壤EC值的變異系數(shù)要大于含水率,表明鹽分的變異程度要明顯大于水分。若按一般對(duì)變異系數(shù)Cv值的評(píng)估,當(dāng)Cv≤0.1時(shí),稱弱變異性,0.1≤Cv≤1.0為中等變異性(土壤水動(dòng)力學(xué),雷志棟),則2007年和2008年的土壤含水率與EC值均屬中等變異性。2.2土壤水鹽空間相關(guān)的空間自相關(guān)性分析半方差函數(shù)的理論模型、參數(shù)的確定及理論模型的檢驗(yàn)可參考文獻(xiàn)。土壤含水率和EC值的半方差圖見(jiàn)圖1,理論模型的有關(guān)參數(shù)及檢驗(yàn)指標(biāo)見(jiàn)表2。表2中,C0是塊金常數(shù),C0+C是基臺(tái)值,a是變程,它們是半方差圖的3個(gè)重要參數(shù)。基臺(tái)值的大小可反映變量變化幅度或系統(tǒng)的總變異程度,塊金常數(shù)大小可反映區(qū)域化變量隨機(jī)性大小,即由實(shí)驗(yàn)誤差和小于采樣尺度上的因素引起的變異,C0/(C0+C)表示由隨機(jī)因素引起的空間變異占系統(tǒng)總變異(包括隨機(jī)因素引起的變異和區(qū)域因素引起的變異)的比例,可反映變量的空間相關(guān)程度。一般認(rèn)為,比例小于25%,說(shuō)明變量具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性;在25%～75%之間,變量具有中等的空間相關(guān)性,大于75%時(shí),變量空間相關(guān)性很弱;如果該比值接近1,則說(shuō)明該變量在整個(gè)尺度上的變異幾乎是隨機(jī)的。變程表示變量的最大相關(guān)距離,即變量取樣點(diǎn)之間的距離小于該值時(shí),則說(shuō)明它們之間存在著空間相關(guān)性,若大于該值時(shí),它們之間是相互獨(dú)立的。由表2及圖1可以看出,土壤水分和鹽分不僅在較小尺度上存在空間自相關(guān)性,而且在較大尺度上也具有自相關(guān)性;2007年與2008年土壤水分和鹽分半方差圖用球狀模型和指數(shù)模型進(jìn)行擬合,各變量在各自的變程(1444～3607m)范圍內(nèi)存在空間自相關(guān)性。表2也表明,2007年與2008年由隨機(jī)因素引起的變異占總變異的比例都在35%左右,故具有中等強(qiáng)度的空間自相關(guān)性(25%≤C0/(C0+C)≤75%),這說(shuō)明土壤水鹽的空間分布是結(jié)構(gòu)性因素和隨機(jī)性因素共同作用的結(jié)果。結(jié)構(gòu)性因素,如氣候、母質(zhì)、地形、土壤類型等可以導(dǎo)致地下水特征強(qiáng)的空間相關(guān)性,而隨機(jī)性因素,如施肥、耕作措施、種植制度等各種人為活動(dòng)使得土壤水鹽特征空間相關(guān)性減弱。而2008年土壤水分和鹽分的相關(guān)距離都大于2007年,這是因?yàn)橐环矫?在采樣時(shí)間上2008年是9月份,屬秋澆前的一段穩(wěn)定時(shí)間,沒(méi)有施肥、灌溉、中耕等農(nóng)業(yè)措施,受人類活動(dòng)的影響較小,這樣秋澆前隨機(jī)因素對(duì)土壤水鹽空間變異性的影響減弱,致使2008年土壤水鹽具有較大的相關(guān)距離和較強(qiáng)的相關(guān)性;另一方面,由于項(xiàng)目區(qū)的渠道襯砌與配套工作在2007年進(jìn)行并完工,而且2007年采樣是在8月份,為收割時(shí)期,所以人為活動(dòng)等隨機(jī)性因素較2008年增強(qiáng)。由于2008年土壤水分、鹽分的自相關(guān)程度及相關(guān)距離都大于2007年,如果將2007年的土壤水鹽分布看作是渠道自然狀態(tài)下入滲到土壤的水鹽分布,把2008年的水鹽分布看作是渠道經(jīng)襯砌狀態(tài)下入滲到土壤的水鹽分布,那么,可以得出這樣的結(jié)論,即隨著渠道襯砌與配套工作的完成會(huì)使得土壤水鹽在空間上的變化趨于連續(xù)。2.3土壤水分和鹽分分布為了更直觀地反映土壤中水分和鹽分的分布情況,根據(jù)所得的半方差函數(shù)的理論模型,利用塊段插值法(BlockKriging)對(duì)土壤含水率和EC值進(jìn)行空間內(nèi)插。繪制了2個(gè)時(shí)期水鹽的分布圖,如圖2。圖2表明,土壤水分和鹽分在空間上的分布不是隨機(jī)的,而是具有明顯的逐漸變化趨勢(shì),表現(xiàn)為相近值的局部聚集;而且2008年的土壤水分和鹽分分布與2007年相比在較大的范圍內(nèi)顏色變化幅度小且較連續(xù)。從2007年與2008年土壤水分含量的分布圖來(lái)看,2007年在右下部的一部分區(qū)域處水分含量較低,且范圍較大,從右至左不斷遞增。2008年土壤水分變化的連續(xù)性比較強(qiáng),零星地區(qū)水分含量偏低,但整個(gè)區(qū)域變化幅度不大。這可從表1、表2及圖1中得到解釋。由2007年和2008年的土壤水分分布來(lái)看,不僅是2008年的土壤含水率降低了,而且分布規(guī)律也發(fā)生了變化,這對(duì)渠道襯砌后制定灌水定額是具有實(shí)際意義的。從2007年和2008年土壤鹽分含量的分布圖來(lái)看,鹽分含量比水分的變化幅度大,大趨勢(shì)都是由左向右減小的,但2007年土壤鹽分中部有凸起和凹陷,2008年則是連續(xù)性遞減,同樣,這一結(jié)論從圖1、表1及表2種也能得到合理的解釋,了解2年的鹽分分布及變化情況,有利于該地區(qū)的防鹽治堿工作。因此,研究2個(gè)時(shí)期土壤水鹽分布狀況,對(duì)該地區(qū)或條件相似的其他地區(qū)的土壤改良和灌區(qū)節(jié)水改造的實(shí)施具有實(shí)際意義。3付款時(shí)(1)土壤水分和鹽分的含量與土壤水分的變異性比較見(jiàn)表1。德國(guó)于2007年與2008年3月前后土2007年和2008年的土壤水分與鹽分均服從正態(tài)分布,2008年土壤水分的變異性遠(yuǎn)小于夏灌前2007年,但鹽分的變異性略大于2007年,2007年與2008年的土壤水分和鹽分均屬中等變異性。(2)土壤水分與鹽分的相關(guān)2007年與2008年土壤水分和鹽分具有空間結(jié)構(gòu)特征,可用球狀模型和指數(shù)模型進(jìn)行符合,空間自相關(guān)距離表明二者具有中等強(qiáng)度的空間自相關(guān)性,且2008年土壤水分和鹽分的相關(guān)性都大于2007年。這主要是人為因素的影響和渠道襯砌引起2008年土壤水鹽的再分配,因此,2008年較2007年土壤水鹽的空間變化趨于連續(xù)。(3)土壤鹽分含量的年際變化土壤水分和鹽分在空間上的分布都具有明顯的逐漸變化