干旱灌区土壤盐渍化风险对地下水埋深的季节性响应：一种指示克里金方法

《Land》：Seasonal Response of Soil Salinization Risk to Groundwater Depth in an Arid Irrigation District: An Indicator Kriging Approach

　　

地下水埋深是干旱灌区土壤盐渍化的关键控制因素，但不同盐渍化风险的季节性地下水埋深阈值仍不明确。研究人员利用河套灌区义长灌域的地下水埋深观测数据和春灌前及作物生长期采集的0–60 cm土壤盐分样本，采用指示克里金（Indicator Kriging, IK）绘制了基于阈值的0–60 cm根层地下水埋深与土壤盐分的概率区；土壤盐分阈值2和3 g kg^?1分别代表轻度及以上和中度及以上盐渍化，并通过高概率匹配率确定相应的临界地下水埋深。地下水埋深在两个季节均表现出中等空间变异性，而土壤盐分含量则表现出强空间变异性。春灌前轻度与中度盐渍化的临界地下水埋深分别为2.6和2.2 m，生长期分别为2.2和1.8 m。0–20、20–40、40–60和0–60 cm土层的土壤盐分含量随地下水埋深增加而降低，其中0–60 cm层可由指数响应函数良好描述。这些发现为干旱灌区的季节性地下水调控、盐渍化风险分区及田间尺度水盐管理提供了空间显式基础。

**研究背景与科学问题**

土壤盐渍化是干旱灌区面临的主要土地退化问题，其发生受气候干旱、蒸发浓缩、浅层地下水、灌溉与排水制度及土地利用等多种因素耦合驱动。地下水位埋深通过调节毛细上升、盐分向根层运移以及灌溉后淋洗效率，直接影响地表和耕作层盐分积累，因此有效控制地下水位埋深是预防和缓解灌区土壤盐渍化的关键途径。已有研究通过土壤盐分监测、遥感反演、数值模拟、地统计制图及风险评估等方法探讨了地下水位埋深与土壤盐分的关系，但多数研究将土壤盐分和地下水位作为独立空间变量处理，较少关注两者阈值定义的高风险区在空间上是否重合；同时，临界地下水位埋深常被视为固定值，忽略了灌溉、蒸发、作物耗水及盐渍化等级的季节性变化。为此，研究人员以河套灌区义长灌域为案例，结合春灌前和生长期两个季节的田间观测数据，利用指示克里金（Indicator Kriging, IK）量化土壤盐渍化风险对地下水位埋深的空间响应，并建立分层响应函数，为分区盐渍化调控和地下水位管理提供依据。

**研究关键技术与方法**

研究人员在河套灌区义长灌域布设45口地下水观测井（每5天记录一次埋深）和53个土壤采样点，分别于2020年4月20–25日（春灌前）和7月5–10日（生长期）采集0–60 cm分层土壤样品（每10 cm一层，三次重复），测定土壤盐分含量。采用指示克里金（IK）方法，将连续变量转化为超过预设阈值的概率，选取地下水埋深阈值1.8、2.2、2.6、3.0 m，土壤盐分阈值2和3 g kg^?1（分别代表轻度及以上和中度及以上盐渍化），构建各阈值下的指示变异函数模型（球形模型），并通过留一交叉验证评估模型性能。利用高概率匹配率（以概率0.5为高低概率区分界）计算地下水埋深概率区与土壤盐渍化风险区的空间重叠程度，从而确定不同季节、不同盐渍化等级对应的临界地下水埋深。此外，通过配对井–点数据建立各层土壤盐分含量与地下水埋深的指数响应函数。

**研究结果**

**3.1 地下水埋深的空间概率特征**

- **3.1.1 地下水埋深描述统计**：春灌前地下水埋深变幅1.23–6.43 m，均值2.83 m，变异系数0.34（中等变异）；生长期变幅0.54–8.56 m，均值2.45 m，变异系数0.64（中等变异），生长期空间波动更强。频率分布呈正偏态，2–3 m区间（春灌前）和1–2 m区间（生长期）频率最高。对数变换后接近正态但仍存在异常值。
- **3.1.2 指示变异函数模型构建**：球形模型拟合各阈值下的指示变异函数，块金值0.046–0.076，基台值0.092–0.156，C₀/Sill比43.22%–53.54%，均为中等空间自相关。留一交叉验证显示，用于最终管理解释的阈值模型（春灌前2.2和2.6 m，生长期1.8和2.2 m）的均方根误差（RMSE）为0.419–0.590，二进制连续分级概率评分（CRPS）为0.176–0.348。
- **3.1.3 春灌前地下水埋深空间概率分布**：随阈值增大，高概率区面积比例从16%（1.8 m）升至83%（3.0 m）。当阈值为2.6 m时，大部分区域转为高概率。
- **3.1.4 生长期地下水埋深空间概率分布**：灌溉导致地下水埋深变浅，高概率区面积在1.8 m时占16%，2.2 m时占36%，2.6 m时占74%，3.0 m时占82%。与春灌前相比，生长期高概率区在较大阈值下显著增加。

**3.2 土壤盐分含量的空间概率特征**

- **3.2.1 土壤盐分含量描述统计**：春灌前变幅0.46–33.56 g kg^?1，均值3.87 g kg^?1，变异系数1.42（强变异）；生长期变幅0.21–29.40 g kg^?1，均值3.54 g kg^?1，变异系数1.63（强变异）。频率分布正偏态，0–5 g kg^?1区间占比最高。
- **3.2.2 指示变异函数模型构建**：球形模型，块金值0.048–0.066，基台值0.105–0.134，C₀/Sill比35.82%–62.86%，中等空间自相关。留一交叉验证RMSE 0.395–0.517，CRPS 0.156–0.268。
- **3.2.3 春灌前土壤盐渍化风险**：2 g kg^?1阈值下，高风险区占76%，主要分布在北部；3 g kg^?1阈值下，高风险区占46%，主要分布在北部和东部（地势低洼、地下水埋深浅）。
- **3.2.4 生长期土壤盐渍化风险**：2 g kg^?1阈值下，高风险区占84%，分布于西部、中部和中东部；3 g kg^?1阈值下，高风险区仅占16%，集中在南部和东部边缘。灌溉淋洗使中度盐渍化风险降低、轻度风险增加。

**3.3 高概率匹配率与临界地下水埋深**

通过对比地下水埋深与土壤盐分概率图并计算高概率匹配率，确定：
- 春灌前：轻度盐渍化（2 g kg^?1）临界地下水埋深为2.6 m（匹配率62%）；中度盐渍化（3 g kg^?1）临界埋深为2.2 m（匹配率68%）。
- 生长期：轻度盐渍化临界埋深为2.2 m（匹配率58%）；中度盐渍化临界埋深为1.8 m（匹配率43%）。

**3.4 地下水埋深与土壤盐分的定量关系**

配对分析显示，0–20、20–40、40–60和0–60 cm土层土壤盐分含量均随地下水埋深增加而降低，指数函数拟合效果良好（R² > 0.7，p < 0.001）。0–60 cm层响应函数为 y = 8.432e^?0.559x，可用于整体耕作层盐分变化估算。

**讨论与结论**

讨论部分指出，临界地下水埋深不能作为固定值，而应随季节和盐渍化等级动态调整。春灌前蒸发强烈、地表裸露，盐分向上运移显著，因此临界埋深较深；生长期灌溉淋洗、作物耗水和冠层遮荫共同作用下，盐分向上通量减弱，临界埋深可较浅。高概率匹配方法提供了仅靠平均埋深无法获得的空间信息，可将地下水调控与风险分区直接关联。研究还指出，地下水矿化度、土壤质地、微地形和灌溉排水设施等因素可能影响响应关系，且这些阈值基于单一年份两次试验，需多年多因素观测验证。结论部分翻译如下：

(1) 春灌前和生长期地下水埋深均呈中等空间变异性，而土壤盐分含量呈强空间变异性。不同阈值下地下水埋深和土壤盐分含量的指示变异函数均表现为中等空间相关性，表明其空间分布受结构和随机因素共同影响。

(2) 基于指示克里金空间概率分布和高概率匹配率，确定了义长灌域不同盐渍化等级对应的临界地下水埋深。春灌前防止轻度与中度盐渍化的临界埋深分别为2.6和2.2 m；生长期分别为2.2和1.8 m。表明临界地下水埋深随季节和盐渍化等级而变化。

(3) 不同土层土壤盐分含量随地下水埋深增加而降低，并可由指数函数良好描述。特别是0–60 cm层的响应关系可表征耕作层整体盐分变化，为灌区地下水位调控和土壤盐渍化防治提供参考。在操作管理中，春灌前2.6 m应作为轻度及以上风险区的监测触发值：需协调排水作业和初始渠道输水的时间与水量，避免春灌前地下水位持续上升。2.2 m中度风险区应优先进行排水和加密监测。生长期相应的2.2和1.8 m阈值可指导局部渠道输水和田间排水调整。这些值为本地校准的管理触发值，而非通用工程设计标准。