（一）数据处理及结果分析

1.滴灌棉田生育期土壤盐分合理取样数估计

将各取样点看作相互独立的随机变量是经典统计学确定合理采样数目的基础。在一定显著水平下（T=0.05，0.1）和抽样允许误差范围内，所要求的合理取样数目根据Cochran提出的公式计算取得。具体计算公式及原理已在本章第二节第一部分做了详细说明，故不再赘述，具体计算结果见表6-8。

表6-8　土壤盐分合理取样数估计

由表6-8可知，在给定的置信水平及相对误差下，采用Cochran公式及不重复抽样公式所计算的土壤盐分合理取样数目都小于试验区样本数目（117），因此，本次试验取样满足精度要求，可以用来描述试验区盐分空间分布特征。在同一置信度下，同一深度的取样数目随相对误差的增大而减小；同一相对误差，不同置信度下，95%的置信度下所要求的取样数目多于90%置信度。在生育期始末，除0～20cm土层外，其余各土层同等条件下的取样数目生育期初的都比生育期末大。这一变化趋势与变异系数的分布趋势相同。

2.滴灌棉田生育期土壤盐分统计特征

在经典统计学中，样本均值反映数据的集中程度，而样本变异系数CV反映样本值的离散程度，表6-9为试验区生育期始末土壤盐分统计特征值。

由表中最大值可以发现，试验区部分地区存在高度盐渍化土壤，其含盐率高达10g/kg以上。由均值可知，在生育期始末，土壤盐分均值呈现随深度增加而不断增大趋势，其盐分最小值分别为3.85g/kg、3.98g/kg，且均位于表层0～20cm土层。对比分析生育期始末0～60cm土层盐分值可以发现，其含盐率值均小于6g/kg，按照新疆盐碱土分类标准属于轻度盐渍化土壤。而对于大于60cm土层而言，其土壤盐分值均大于6g/kg，属于中度盐渍化土壤。由以上现象可以推断，试验区土壤盐渍化程度呈现随深度的增大而不断加剧的趋势。由各土层生育期始末盐分值可知，生育期末土壤盐分值较生育期高。由变异系数值可知，试验区盐分变异系数值均大于10%，呈现中等偏强变异特征，尤其对于10月29日0～20cm土层而言，其盐分值变异系数高达105%，属于强变异特征，这主要是田间人为管理因素导致的。生育期内，农户所进行的灌溉、施肥、耕作等措施对于靠近表层土壤的盐分运移干扰较大。

表6-9　棉田土壤含盐率统计特征值

（二）土壤盐分时间变异规律

1.滴灌棉田土壤盐分年内演化趋势

为分析常年膜下滴灌棉田土壤盐分在一个完整监测年内的变化情况，试验选取了6块棉田作为研究对象，见表6-10。

表6-10　试验地块与其膜下滴灌应用年限对照

表6-11　2012年试验区地下水位

监测时间为2012年5月至2013年5月，其结果如图6-7所示。经分析发现，试验区土壤盐分在不同种植年限的地块间显示明显的差异性。首先，各地块土壤盐分呈现随生育阶段的推后而降低的趋势；其次，各土层盐分在5月（苗期）、7月（花铃期）及9月中上旬（收获期）呈现出一定的积盐趋势；以上现象主要与当地气候、灌溉及地下水变化有关。每年3—5月，即播种前，当地气温上升较快，且其值基本保持在30℃左右的较高水平。强烈的蒸发作用导致土壤盐分呈现垂直向地表运移的趋势。7月，频繁的灌水导致地下水位上升至2.5m左右（表6-11），加之此时段气温较高，棉花蒸腾耗水量较大，致使土壤盐分在地下水位及蒸腾蒸发作用下再次出现累积现象。当地最后一次灌水时间在每年的8月20日左右（棉花采收前），从8月20日至9月中旬，棉田基本处于长期蒸发耗水状态，这就导致此时段不同程度的盐分累积现象。

图6-7　棉田土壤盐分年内变化图

（a）1998年地块；（b）2001年地块；（c）2003年地块；（d）2005年地块；（e）2009年地块；（f）2012年地块

由图6-7可知，实施膜下滴灌1年的棉田［2012年地块，图6-7（f）］，土壤盐分值基本保持在10g/kg以上，按新疆盐碱土分类标准属于重度盐化土及盐土范围；膜下滴灌持续4年的地块［2009年地块，图6-7（e）］，土壤盐分虽有所降低，但仍保持在5～10g/kg左右的较高水平。持续滴灌4～12年的地块［2001年、2003年、2005年地块，图6-7（b）、（c）、（d）］存在稳定积盐层，其深度大约在90cm以下土层，其盐分值基本保持在6g/kg上下，属于中度、重度盐化土，60cm以上土层基本处于脱盐状态，盐分值保持在2～4g/kg，属于非盐化土壤。膜下滴灌12年以上的棉田［1998年地块，图6-7（a）］，土壤盐分随监测时间的推后波动幅度较大，各土层盐分基本保持在1～11g/kg之间，大部分时段保持在6g/kg的较高水平，属于中度盐化土。

2.滴灌棉田土壤盐分年际演化趋势

为分析棉田土壤盐分年际变化特征，本文将各土层年内各月数据求取平均值并作为此土层当年的平均水平，利用Origin软件进行绘图分析。由图6-8可知，实施膜下滴灌初年［2009年，图6-8（f）］，各土层土壤盐分本底值相对较高，平均基本保持在4～12g/kg之间，属于中度、重度盐碱土。至第二年（2010年），各土层土壤盐分有整体小幅上移趋势。这是因为开垦初年大定额滴灌导致地下水位明显升高，加之气温较高，蒸发强烈，使得土壤长期处于潜水蒸发状态。再者，人为耕作措施破坏了原有盐碱荒地的土壤结构，导致土壤原有盐分平衡被打破。在以上两个因素的共同作用下使得土壤中盐分很容易在地下水及外界蒸发作用下呈现上升趋势。至第三、第四年（2011年、2012年），各土层土壤盐分表现出明显的持续脱盐现象，尤其在20cm土层以下最为明显，5～20cm土层盐分值虽有减小，但幅度很小。说明持续膜下滴灌对于土壤盐分淋洗作用明显，尤其对20cm以下土层作用更为显著。膜下滴灌第五年（2013年），深层80cm、100cm土层盐分呈明显上升趋势，且幅度较大，而其余土层虽有上升趋势，但整体幅度较小［图6-8（f）］。由2007年地块［图6-8（e）］可知，实施膜下滴灌第三年（2009年）至第六年（2012年），棉田各土层土壤盐分随监测年的推后呈现明显降低趋势，处于持续脱盐状态，此地块1m深度土壤剖面脱盐率大约为34.1%。至第七年（2013年），各土层土壤盐分年际变化幅度较小，且基本趋于稳定状态。由图6-8的1998年、2001年、2003年及2005年4地块可知，实施膜下滴灌7年以上的地块存在明显的稳定积盐层，其积盐层的深度保持在80～100cm土层，且这4块棉田土壤盐分年际变化基本保持相同趋势。除80～100cm土层，其余各土层盐分值基本保持在0～5g/kg范围内，大部分地块盐分均值保持在2.5g/kg上下，属于非盐化土。4块棉田都在2011年出现盐分峰值，这是由于当地灌溉引起地下水位上升导致的，经实际调查发现，试验区当年（2011年）年初（4月末）及年末（10月末）的地下水位分别高达2.25m、2.48m，由此可以推断，在该试验区当年生育期地下水位一定保持较高水平，这是导致2011年各地块土壤盐分突增的主要原因。

（三）土壤盐分在水平方向的空间变异模型及相关参数

1.土壤盐分概率分布特征

图6-8　各土层土壤盐分年际变化图

（a）1998年地块；b.2001年地块；（c）2003年地块；（d）.2005年地块；（e）2009年地块；（f）2012年地块

一般在进行地统计分析前要检验样本数据的正态性，以避免样本数据因为偏态分布而产生比例效应，从而弱化变量的空间变异程度，增大估计误差。通常，偏度值的大小反应样本数据的分布特征，当偏度值在［-1，1］范围内时，说明样本数据服从或近似服从标准正态分布［11］。为分析两次取样的样本数据的分布特征，计算了土壤盐分的偏度值及峰度值，并对数据的正态性进行了检验，具体结果见表6-12及如图6-9所示。

表6-12　土壤盐分分布类型

注 LN为自然对数；偏度值1、峰度值1均为为进行自然对数转换的值，偏度值2、峰度值2是经过对数转换后的值。

由表6-12可知，试验区各土层土壤盐分均服从左偏正态分布特征，经过对数转换后，各土层土壤盐分偏度值均位于［-1，1］范围内，且基本都位于0附近。因此，转换后的偏度值均服从正态分布特征，为进行地统计分析打下基础。(www.daowen.com)

图6-9（一）　土壤盐分概率分布图（以上各图均未经过转化）

（a）0～20cm；（b）20～40cm；（c）40～60cm；（d）60～80cm（a）、（b）、（c）、（d）生育期初盐分频率分布图

图6-9（二）　土壤盐分概率分布图（以上各图均未经过转化）

（e）80～100cm；（f）0～20cm；（g）20～40cm；（h）40～60cm；（i）60～80cm；（j）80～100cm（e）生育期初盐分频率分布图；（f）、（g）、（h）、（i）、（j）生育期末盐分频率分布图

为直观分析土壤盐分分布特征，绘制了土壤盐分频率分布图（图6-9）。由图可知，试验区生育期始末各土层土壤盐分均呈现不同程度的偏态分布特点，且各土层土壤含水率频率分布图出现明显的右侧拖尾现象。由此说明，在试验区内个别地区分布着高盐碱度土壤。图中，各土层土壤盐分值大于10g/kg的样点数呈现随深度的增加而增加的趋势。说明，在试验区内，土壤盐分随深度的增加而呈现累积趋势，且盐碱化程度也随着加剧，这与第一节统计分析结果相一致。

2.变异函数模型及相关参数

由表6-13可知，生育期初，试验区各土层土壤盐分变异函数可用指数模型较好拟合，其拟合系数均在0.95以上；而生育期末土壤盐分变异函数可以采用高斯模型和指数模型较好拟合，其拟合系数皆在0.6以上；两时段各土层拟合残差值均较小。因此，生育期始末土壤盐分空间结构特征可以利用以上拟合函数表示，且精度高，可靠性强。

通常块金值C0表示由于采样误差或小于采样尺度的随机因素引起的变异。由表6-13中C0值可知，在生育期始末，试验区棉田土壤盐分块金值均保持在（0.034，0.338）的较低水平（图6-10）。由此可知，由于小于采样尺度及采样误差引起的土壤盐分空间变异性较小。在生育期初，土壤块金值呈现出随土层深度的增加而增大的趋势，说明随着深度的增加，由采样误差及小于采样尺度的随机因素引起的空间变异增大。这与当地土壤结构及人为操作导致的误差有关。

表6-13　土壤盐分变异函数参数

图6-10（一）　各土层盐分变异函数图

（a）0～20cm；（b）20～40cm；（c）40～60cm；（d）60～80cm；（a）、（b）、（c）、（d）3月27日各土层变异函数图

图6-10（二）　各土层盐分变异函数图

（e）80～100cm；（f）0～20cm；（g）20～40cm；（h）40～60cm；（i）60～80cm；（j）80～100cm（e）3月27日各土层变异函数图；（f）、（g）、（h）、（i）、（j）10月29日各土层盐分变异函数图

C0+C为基台值，反应系统内总变异。由表中基台值C0+C可知，在生育期初，该值基本保持与块金值相同的变化趋势，即随深度增大，C0+C值呈现增大的趋势。说明随深度增大，由土壤质地、成土母质、土壤结构等结构因素引起的变异也在逐渐加剧，这与试验区土壤结构有关。经研究发现，试验区各地块土壤分层现象明显，不同地块土壤分层情况各不相同，这可能是导致上述现象产生的主要原因。对比生育期始末的基台值可以发现，除60～80cm土层以外，其余各土层中，生育期初的基台值都大于生育期末。由此可以推断，在生育期初，土壤结构性因素对于盐分空间异质性的作用要强于生育期末。这是因为，生育期末的土壤空间异质性的形成还有一部分原因是由于随机性因素导致的，这些随机性因素包括日常灌溉、中耕、施肥等。通常，结构性因素是土壤空间异质性的主要形成原因，而随机性因素的存在会使土壤空间异质作用减弱，使得其朝向均一化发展，这是导致上述现象发生的主要原因。

通常变程值A又称为变量的空间相关距离。该值越大，说明变量的空间相关范围越大。位于该值范围之内的样点被视作是具有一定的空间相关性，反之被视为是相互独立的。由表6-13可知，生育期初，土壤盐分的变程值呈现随深度的增加而增大的趋势。说明在深度方向上，此时期各土层土壤盐分的空间相关域呈现随深度增加而增大的趋势。这是因为，随着深度的增大，土壤盐分受外界人为干扰因素就越少，因此才会在较大范围内具有相关性。生育期末，盐分变程值呈现中间土层高、表层和深层低的趋势。这可能与生育期耕作、灌溉、施肥及地下水位变化有关。因为生育期初，除土壤表层在秋季进行过犁翻外，其余各土层基本未受任何人为干扰。而在生育期末，由于此时段土壤盐分所受的人为干扰因素较多，如灌溉、耕作、地下水位的升降等，这就导致这一时期在铅垂剖面上产生不同相关距离。

C/C0+C表示结构性因素（土壤结构、成土母质、气候等）引起的变异占总变异的比重，可以反应变量的空间相关程度。一般，若该值大于75%，则说明变量空间相关性强；若该值在（25%，75%）之间，则说明具有中等程度的空间相关性；若该值小于25%，则说明空间相关性弱。

通常将土壤形成过程中的成土母质、地形、地下水位、土壤结构、气候等因素称为内因，这些因素是造成土壤空间变异的主要因素；而外因是指随机性因子，一般指田间管理过程中的灌溉、施肥、作物种植结构、耕作方式等，这些因素的存在会使结构性因素的作用减弱，使得土壤属性朝均一化发展。

在生育期初，C/C0+C值呈现出随深度的增大而逐渐减小的趋势，其中表层0～20cm、20～40cm土层，该值大于75%，呈现强烈空间相关性；而大于40cm土层范围，该值在（25%，75%）之间，土壤盐分呈现中等空间相关性，这主要与取样时间有关。本次采样时间恰好为当地土壤消融期末，此时，当地棉田土壤已基本全部融通。靠近地表土层中的土壤盐分，在融雪水的作用下被淋洗至深层的过程中，上层土壤盐分分布在雪水入渗过程中逐渐趋于均一化，这使得结构性因素成为这些土层土壤空间异质性的主导因素。然而，由于土壤属于高度空间异质体，且经研究发现，田间土壤质地、容重、孔隙度等空间变异的影响导致农田土壤饱和导水率的差异很大，尤其是农业耕作所导致的表层饱和导水率的差异更大。这就使得土壤盐分空间分布的不均匀程度增大。

在生育期末，土壤盐分C/C0+C值表现出与生育期初相反的趋势，即随着深度的增加，该值呈现逐渐增大的趋势，这主要与生育期内的灌溉、耕作等田间管理因素有关。各种各样的人为因素会导致土壤属性朝向均一化发展，减弱属性的空间变异性。膜下滴灌棉田，越靠近表层，土壤盐分受人为等因素的影响就越大。总体上，在生育期末，土壤盐分的空间相关性主要还是受结构性因素的影响较大，而随机性因素只对表层土壤有一定的影响。

（四）土壤盐分相关关系分析

试验区土壤盐分数据在99%的置信度下，其双尾检验结果均为极显著水平（表6-14），说明在深度方向上各土层土壤盐分存在较为密切的相关关系，其中每相邻土层间的相关关系均在0.55以上的水平。相比之下，生育期土壤盐分在深度方向的相关性比生育期末强，其相关系数基本都大于生育期末对应的值。这可能是由于农户耕作、灌溉等一系列因素干扰导致生育期末土壤盐分在深度方向的相关性减弱。由表可知，某一土层与其邻近土层间的相关性随着深度的增大而逐渐减弱。为探明相邻土层间具体存在何种函数关系，本书绘制了相邻土层土壤盐分散点图，并对其函数关系进行了拟合，具体结果如图6-11所示及见表6-15。

图6-11　各土层土壤盐分散点图

表6-14　各土层土壤盐分Pearson相关关系分析

** 在0.01的置信度下，双尾检验结果达到极显著水平。

试验区相邻土层间土壤盐分间具有较好的相关关系（图6-11），经函数拟合发现，各相邻土层间土壤盐分相关曲线均可以用线性函数及二次曲线模型拟合，且拟合精度较高，其决定系数基本保持在0.5以上。其中，由生育期初拟合系数可以看出，生育期土壤盐分在深度方向上相邻两土层的相关关系呈现出随深度的增加而逐渐增大的趋势。生育期始末，靠近表层的0～20cm土层与20～40cm土层中土壤盐分值决定系数均小于同期其他水平。这主要是因为，越靠近土壤表层，其受干扰因素就越多，从而导致其与下层土壤的相关性越弱。

表6-15　各土层土壤盐分拟合结果