景電灌區(qū)鹽堿耕地土壤剖面鹽分時(shí)空演替特征研究

王榮榮，徐存東,2，劉 輝，張 銳，程 慧，王 燕

(1.華北水利水電大學(xué)水利學(xué)院，河南 鄭州 450046；2.水資源高效利用與保障工程河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 鄭州 450046；3.河南天池抽水蓄能有限公司，河南 南陽(yáng) 473000;4.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038)

土壤鹽漬化是由自然或人類活動(dòng)引起的一種主要的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，已成為世界性的資源和生態(tài)問(wèn)題，受到世界各國(guó)的廣泛關(guān)注[1-3]。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)資料，全球約有8.31億hm2的土壤受到鹽漬化的威脅，其中58%發(fā)生在灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)，尤其是干旱和半干旱地區(qū)的灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)[4]。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)是受鹽漬化影響嚴(yán)重的國(guó)家之一，鹽漬土總面積約為3 600×104hm2，其中僅西北干旱和半干旱地區(qū)鹽漬化土壤面積就占到了69.03%[5]，鹽堿荒地脫鹽改造已成為實(shí)現(xiàn)干旱區(qū)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的主要途徑之一。從區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的角度，認(rèn)識(shí)和掌握干旱荒漠區(qū)鹽堿荒地長(zhǎng)期綜合治理?xiàng)l件下土壤鹽分時(shí)空分異特征具有其緊迫性和必要性。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外大批學(xué)者針對(duì)鹽堿地土壤鹽分運(yùn)移特征開(kāi)展了大量研究。Eldeiry A A[6]利用空間建模和遙感監(jiān)測(cè)對(duì)苜蓿田的土壤鹽分進(jìn)行了研究。Cai S M[7]運(yùn)用支持向量機(jī)和紋理識(shí)別的方法對(duì)影響土壤的鹽分信息進(jìn)行了提取。余海英等[8]運(yùn)用野外調(diào)查和取樣分析的方法，研究了設(shè)施栽培條件下土壤鹽分的累積、遷移及離子組成的變化特點(diǎn)。張飛等[9]運(yùn)用遙感技術(shù)對(duì)渭干河-庫(kù)車河三角洲綠洲內(nèi)的土壤鹽漬化程度進(jìn)行了定量評(píng)價(jià)。陳碧華等[10]通過(guò)采集不同種植年限大棚菜田土壤樣品，研究了新鄉(xiāng)市不同種植年限的大棚菜田土壤養(yǎng)分、鹽分以及pH 值的演變特征。孟超然[11]運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí)及地理信息系統(tǒng)技術(shù)，對(duì)不同滴灌年限下土壤耕作層鹽分變異特征及土壤耕層鹽分與其他土壤指標(biāo)的相關(guān)性進(jìn)行研究。上述研究取得了大量有益的成果，為揭示土壤鹽分的時(shí)空變化規(guī)律提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

景電灌區(qū)地處中國(guó)西北干旱荒漠區(qū),低降雨高蒸發(fā)的特殊氣候條件、低洼封閉的地勢(shì)條件加上高強(qiáng)度的人類活動(dòng)，導(dǎo)致了灌區(qū)大面積的水鹽重組、運(yùn)移和積聚，形成了大面積的次生鹽堿地，嚴(yán)重制約了當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展[12]，使得該區(qū)域成為研究干旱荒漠區(qū)區(qū)域尺度土壤鹽漬化分異特征的典型試驗(yàn)區(qū)。有研究表明，合理耕作、灌溉、施肥等舉措能夠改善土壤化學(xué)性質(zhì)，促進(jìn)土壤脫鹽，以提高土地生產(chǎn)力[13-15]。隨著灌區(qū)土壤鹽漬化問(wèn)題愈加突出，鹽堿荒地的脫鹽改造成為實(shí)現(xiàn)干旱區(qū)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的主要途徑之一，然而目前針對(duì)西北干旱荒漠區(qū)長(zhǎng)期綜合治理?xiàng)l件下鹽堿荒地土壤鹽分時(shí)空分異特征方面的研究較少。為此，本研究以景電一期灌區(qū)作為典型試驗(yàn)區(qū)，運(yùn)用時(shí)空轉(zhuǎn)化和相關(guān)性分析的方法對(duì)不同耕種年限鹽堿耕地土壤鹽分時(shí)空分異特征進(jìn)行探究，以期為合理開(kāi)發(fā)和改良利用我國(guó)西北干旱區(qū)鹽堿荒地提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

景電灌區(qū)是位于中國(guó)西北干旱荒漠區(qū)的大型梯級(jí)揚(yáng)水灌區(qū)之一，地處甘肅省中部，地理區(qū)域處于東經(jīng)103°20′～104°04′，北緯37°26′～38°41′之間，是連接甘、寧、蒙三省的交界地帶，屬于典型的溫帶大陸性氣候。該地區(qū)干旱少雨，晝夜溫差大，春季多風(fēng)，夏季炎熱；年日照時(shí)數(shù)長(zhǎng)達(dá)2 714 h，無(wú)霜期約190 d，年平均氣溫約8.77℃，多年平均降雨量185.6 mm，降水多集中在6-9月，多年平均蒸發(fā)量2 433.8 mm。區(qū)域水位普遍較高，且礦化度高，多介于1.3～12.0 g·L-1。受到干旱氣候條件、低洼封閉地勢(shì)條件以及人為灌溉因素等的影響，灌區(qū)內(nèi)土壤鹽漬化特征十分明顯。灌區(qū)現(xiàn)有鹽堿耕地面積約0.45萬(wàn)hm2，約占耕地面積的21.7%[12]，且有逐年增加的趨勢(shì)。每年春季和冬季，在這些鹽漬化土地的表面上都會(huì)出現(xiàn)一層白色物質(zhì)。由于鹽漬化現(xiàn)象的不斷加劇，使得大量耕地被不斷棄耕。實(shí)踐證明，土壤鹽漬化已成為制約灌區(qū)土地資源高效利用的主要障礙因子，嚴(yán)重制約了當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。圖1為景電一期灌區(qū)地理位置圖及典型的鹽漬化現(xiàn)狀圖。

1.2 土壤特性

圖1 灌區(qū)地理位置及典型的土壤鹽漬化現(xiàn)狀圖Fig.1 The map of location of the district andthe present soil salinization

研究區(qū)土壤類型以荒漠鹽化灰鈣土為主，表層土壤有機(jī)質(zhì)含量低且土壤結(jié)構(gòu)松散，土壤中毛管孔隙多且連續(xù)程度好，對(duì)水、鹽運(yùn)移作用大，在干旱氣候條件下，強(qiáng)烈的蒸發(fā)容易使下層鹽分傳導(dǎo)到土壤表層。土壤質(zhì)地以砂壤和輕壤為主，物理性粘粒占4.9%～26%，地表微有結(jié)皮，表層有機(jī)質(zhì)含量1.0%左右。土壤腐殖質(zhì)層薄，有機(jī)質(zhì)含量低，碳酸鹽剖面分化明顯，碳氮比為12～13。灌區(qū)土壤鹽漬土鹽離子主要以氯鹽和硫酸鹽為主[16]。研究區(qū)1971年春季提水灌溉前不同深度土壤TS及鹽分離子含量見(jiàn)表1。

表1 荒漠灰鈣土鹽分離子組成情況表

1.3 土樣采集與制備

采樣點(diǎn)選在甘肅省景泰縣景泰川電力提灌灌區(qū)一期灌區(qū)，該地區(qū)主要農(nóng)作物為小麥，施用化肥主要以尿素為主。研究區(qū)地下水位為1.3 m左右。本研究分別在采用小麥-玉米-馬鈴薯輪作方式耕種5、10、15 a后的地塊進(jìn)行土樣采集，采樣時(shí)間在2016年10月8-10日，此時(shí)尚未進(jìn)行冬灌洗鹽，基本不受灌水以及凍融的影響，土壤鹽分相對(duì)穩(wěn)定，基本可以代表不同耕種年限鹽堿耕地鹽分的變化情況。同時(shí)在附近尚未開(kāi)墾的鹽堿荒地上采集土樣作為對(duì)照。土樣采集采取“S”形多點(diǎn)混合取樣法，在不同耕種年限的耕地各選5個(gè)樣點(diǎn)，同時(shí)在未耕種的空地上采集土樣作為對(duì)照。每個(gè)樣點(diǎn)周圍10 m范圍內(nèi)分0～5，5～10，10～20，20～40，40～60，60～80 cm共6個(gè)土層進(jìn)行采樣，將相同土層的土樣混合均勻后作為該樣本點(diǎn)的土樣。采集完的土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干后，經(jīng)過(guò)磨碎并過(guò)2 mm篩裝入自封袋中備用。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目及方法

2 結(jié)果與分析

2.1 不同耕種年限土壤TS及pH值變化

由圖2(a)可以看出，4種不同處理的土壤鹽分含量在剖面上隨土層深度增加均呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢(shì)，說(shuō)明該地區(qū)土壤鹽分存在明顯的鹽分表聚和底聚現(xiàn)象，且表聚現(xiàn)象更為明顯。未耕種、耕種5 a、耕種10 a、耕種15 a的0～80 cm土壤鹽分平均值依次為4.081、0.865、0.533、0.411 g·kg-1。表明隨著耕種年限的增加，土壤鹽分含量總體呈現(xiàn)出逐漸降低并逐漸趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)，耕種5、10、15 a后土壤鹽分含量相較未耕種土壤降幅分別為78.8%、87.0%、89.0%；觀察不同處理土壤鹽分在剖面上的變化趨勢(shì)及波動(dòng)情況可知：未耕種土地土壤剖面鹽分含量隨土壤深度增加無(wú)明顯規(guī)律性，且波動(dòng)較大；耕種5、10、15 a后的土壤剖面含量變化趨勢(shì)較一致，且波動(dòng)較小。這是由于種植作物后，隨著人為耕作因素干擾的不斷加劇，加速了土壤脫鹽的過(guò)程，使得土壤鹽分不斷被淋洗到下層從而產(chǎn)生累積，且隨著輪作模式、灌溉制度的不斷完善，土壤鹽分含量變化趨勢(shì)也隨著耕種年限的增加逐漸趨于穩(wěn)定。而灌區(qū)高蒸發(fā)、低降雨，加上全年多風(fēng)的獨(dú)特氣候條件，誘發(fā)了土壤潛水蒸發(fā)，從而導(dǎo)致土壤中層鹽分不斷運(yùn)移到土壤表層，進(jìn)而引發(fā)了土壤鹽分表聚現(xiàn)象。

由圖2(b)可以看出，4種不同處理下的土壤pH值隨土壤深度的變化無(wú)明顯規(guī)律性。隨著耕種年限的增加，土壤pH值呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，0～80 cm全剖面平均值由未耕種時(shí)的8.35分別上升至耕種5、10、15 a后的8.38、8.58、8.85，可見(jiàn)隨著耕種年限的增加，土壤pH值呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，且增幅逐漸增大，耕種5、10、15 a后增幅分別為0.3%、2.8%、5.9%。耕作層0～20 cm深度pH平均值由未耕種時(shí)的8.30分別上升至耕種5、10、15 a后的8.88、9.00、9.05，增幅分別為7.1%、8.5%、9.1%；而20～80 cm土層深度pH平均值由未耕種時(shí)的8.37分別上升至耕種5、10、15 a后的8.21、8.44、8.78，增幅分別為1.9%、0.8%、4.8%?？梢?jiàn)隨著耕種年限的增加，土壤全剖面均出現(xiàn)了堿化趨勢(shì)，且耕作層堿化速度明顯較快。

圖2 不同耕種年限鹽堿耕地土壤TS及pH值變化Fig.2 Changes of TS and pH in 0～80 cm soil profile in different planting years

2.2 不同耕種年限土壤陽(yáng)離子組成變化

2.2.1 陽(yáng)離子剖面分布 圖3是陽(yáng)離子在0～80 cm土壤剖面分布圖。由不同耕種年限0～80 cm土壤剖面Na+含量變化情況可以看出(圖3(a))，未耕種、耕種5、10、15 a的Na+含量平均值依次為1.548、0.200、0.120、0.113 g·kg-1，可以看出，與未耕種相比，耕種后土壤中Na+含量顯著降低，且隨著耕種年限的增加，Na+含量平均值總體呈現(xiàn)逐漸降低趨勢(shì)，其中耕種5、10、15 a后的Na+含量分別降低了87.1%、92.3%、92.7%。可見(jiàn)耕種年限的增加對(duì)Na+含量的影響較大，使得土壤中Na+含量顯著降低。從剖面分布態(tài)勢(shì)可以看出，未耕種土壤Na+含量剖面變幅較大，在0.079～2.100 g·kg-1之間。耕種5 a后，各土層深度Na+含量均大幅下降，此后隨耕種年限的增加，不同土壤深度Na+含量在剖面中的變化趨于穩(wěn)定，受耕種年限的影響較小，且底聚現(xiàn)象較為明顯，可見(jiàn)隨著耕種年限的增加，Na+并未在土壤表層積累，而是隨著灌水向下層淋溶，表明灌區(qū)部分耕地表層土壤發(fā)生堿化現(xiàn)象并非Na+水解導(dǎo)致的。

由不同耕種年限0～80 cm土壤剖面Mg2+含量變化情況可以看出(圖3(b))，未耕種、耕種5、10、15 a后Mg2+含量平均值分別為0.073、0.048、0.046、0.044 g·kg-1，可見(jiàn)隨著耕種年限的增加Mg2+含量平均值總體呈現(xiàn)出逐漸降低并趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，其中耕種5、10、15 a后的Mg2+含量分別降低了34.0%、36.5%、40.2%。從剖面分布態(tài)勢(shì)可以看出，未耕種土地中Mg2+含量隨著土壤深度的增加無(wú)明顯變化規(guī)律。與未耕種相比，耕種后土壤中Mg2+含量呈現(xiàn)出表層和底層積聚的現(xiàn)象，與剖面鹽分總量的分布趨勢(shì)相似，但與之不同的是Mg2+底聚現(xiàn)象更為明顯。

由不同耕種年限0～80 cm土壤剖面Ca2+含量變化情況可以看出(圖3(c))，與未耕種相比，耕種5、10、15 a后Ca2+含量平均值由0.148 g·kg-1分別下降到0.112、0.073、0.072 g·kg-1，降幅分別為24%、50.6%、51.5%?？梢?jiàn)隨著耕種年限的增加，Ca2+含量平均值總體同樣呈現(xiàn)出逐漸降低并趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。從剖面分布態(tài)勢(shì)可以看出，未耕種以及耕種5、10 a后土壤中Ca2+含量均表現(xiàn)出鹽分表聚和底聚現(xiàn)象，且表聚現(xiàn)象較為明顯，耕種15 a后土壤中Ca2+含量均呈現(xiàn)出鹽分底聚現(xiàn)象，隨著長(zhǎng)期灌溉，Ca2+遭到淋溶，從而向下層積聚，而表層Ca2+的流失在一定程度上會(huì)削弱作物的抗鹽害能力，不利于作物的生長(zhǎng)。

由不同耕種年限0～80 cm土壤剖面K+含量變化情況可以看出(圖3(d))，與未耕種相比，耕種5、10、15 a后K+含量平均值由0.0374 g·kg-1分別下降到0.019、0.018、0.016 g·kg-1，降幅分別為49.0%、51.7%、55.4%?？梢?jiàn)，K+含量平均值隨著耕種年限的增加總體呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)。從剖面分布態(tài)勢(shì)可以看出，不同土壤深度K+含量隨耕種年限的增加無(wú)明顯規(guī)律，且在剖面中的變化不大，最大變幅僅為0.03 g·kg-1，受耕種年限的影響較小。

圖3 不同耕種年限陽(yáng)離子在0～80 cm土壤剖面的分布Fig.3 Changes of cations in 0～80 cm soil profile in different planting years

2.2.2 不同耕種年限SAR在剖面上的變化 SAR(sodium absorption ratio,SAR)簡(jiǎn)稱鈉吸附比，是反映鹽堿地堿化程度的重要指標(biāo)，可作為鹽堿地分類的重要依據(jù)，同時(shí)還可作為表征鹽堿地改良利用過(guò)程中質(zhì)量變化的重要指標(biāo)[18]。由表2可以看出，與未耕種土地相比較，耕種后0～80 cm土層中SAR的平均值顯著減小，耕種5a后，平均值由未耕種時(shí)的4.651降至0.712，降幅達(dá)到了84.7%，說(shuō)明在提水灌溉后，土壤中的Na+以淋洗為主，隨著耕種年限的增加，越來(lái)越多的Na+被淋出土體。耕種10、15 a后SAR的平均值分別降至0.502、0.445，降幅分別為89.2%、90.4%，降幅趨于穩(wěn)定。0～20 cm土層SAR平均值同樣隨著耕種年限的增加不斷減小，由未耕種時(shí)的3.099分別下降至耕種5、10、15 a后的0.652、0.488、0.401，表明耕作層土壤中的可溶性Na+的比例在不斷下降。從不同耕種年限SAR在剖面中的變化趨勢(shì)來(lái)看，未耕種土地中SAR值隨土壤深度的增加無(wú)明顯規(guī)律性，耕種10、15 a后SAR值隨土壤深度的增加波動(dòng)不大，相對(duì)穩(wěn)定。這是由于經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)期的灌溉、耕作使得土體結(jié)構(gòu)逐漸均衡，土壤中各離子的含量達(dá)到了相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，從而使得SAR在全剖面的變化趨勢(shì)趨于平緩。

2.3 不同耕種年限土壤陰離子組成變化

2.3.1 陰離子剖面分布 由圖4(a)不同耕種年限土壤中Cl-含量的變化情況可以看出，與未耕種土壤相比，耕種5 a后土壤中的Cl-含量顯著下降，其平均值由1.804 g·kg-1降至0.153 g·kg-1，降幅高達(dá)92%。這可能歸因于Cl-不易被土壤膠體所吸附，易于隨水分運(yùn)移的特點(diǎn)，所以在灌溉后有了很大的降幅。且隨著耕種年限的增加，其含量逐年降低，耕種10、15 a所對(duì)應(yīng)的平均值為0.076、0.070 g·kg-1，降幅分別為95.8%、96.1%，可見(jiàn)隨著耕種年限的增加，Cl-含量漸趨穩(wěn)定。從Cl-剖面分布態(tài)勢(shì)可以看出，未耕種土壤中Cl-含量變幅較大，無(wú)明顯規(guī)律，中下層積聚現(xiàn)象較嚴(yán)重。隨耕種年限的增加，不同土壤深度Cl-含量在剖面中的變化不大，受耕種年限的影響較小。

表2 不同耕種年限鈉吸附比在不同土層中的變化

圖4 不同耕種年限陰離子在0～80 cm土壤剖面的分布Fig.4 Changes of anions in 0～80 cm soil profile in different planting years

表3 不同耕種年限在不同土層中的變化

3 結(jié) 論

1)與未耕種鹽堿荒地相比較，耕種5、10、15 a后0～80 cm各土層鹽分總量在剖面上隨著土壤深度的增加呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，表現(xiàn)出鹽分表聚和底聚現(xiàn)象，且表聚現(xiàn)象更為明顯。同時(shí)隨著耕種年限的增加，整個(gè)土壤剖面的鹽分含量呈現(xiàn)出逐年降低趨勢(shì)。可見(jiàn)隨著長(zhǎng)期合理灌溉、耕作等人類活動(dòng)因素的影響，使得土壤鹽分得到了很好的淋溶，在一定程度上改善了作物的生長(zhǎng)環(huán)境。

2)土壤pH值在剖面上隨土壤深度的增加無(wú)明顯變化規(guī)律，隨著耕種年限的增加，整個(gè)土壤剖面土壤pH值呈現(xiàn)出逐漸上升趨勢(shì)，由未耕種時(shí)的8.35上升至耕種15 a后8.85，表明灌區(qū)土壤在脫鹽過(guò)程中出現(xiàn)了堿化趨勢(shì)。