紅崖山灌區(qū)土壤鹽分空間分布特征

王文彪 李 建

（華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450006）

0 引言

土壤鹽漬化是全球性的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，是造成土地荒漠化和土地退化的主要原因之一［1］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球土壤鹽漬化面積已達(dá)9.54×108hm2，制約了當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。因此，許多學(xué)者采用多種方法對(duì)土壤鹽漬化狀況及其空間分布特征進(jìn)行了大量的研究。如，Sylla等［2］利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)研究了西非不同尺度下農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)土壤鹽分的空間變異特征；Jordan等［3］通過(guò)地統(tǒng)計(jì)學(xué)探討了西班牙東南部土壤鹽分的空間變異性；Panagopoulos等［4］將地統(tǒng)計(jì)學(xué)與GIS技術(shù)相結(jié)合對(duì)地中海地區(qū)土壤鹽分變異特征進(jìn)行了分析；劉洪波等［5］運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，對(duì)不同深度土層的鹽漬化特征與空間分布格局進(jìn)行分析，探討了土壤鹽漬化規(guī)律。

紅崖山灌區(qū)位于東經(jīng)101°50′～104°12′，北緯38°04′～39°28′，灌區(qū)面積2 113 km2，隸屬武威市民勤縣，地處西北內(nèi)陸，是生態(tài)環(huán)境變化的敏感區(qū)域。該區(qū)域氣候干旱、降水稀少，生態(tài)環(huán)境非常惡劣。近年來(lái)，由于長(zhǎng)期不合理地開(kāi)采地下水，導(dǎo)致地下水位不斷下降，地下水反復(fù)消耗、濃縮，礦化度逐漸升高，農(nóng)業(yè)用水不斷采用高礦化度水灌溉，增加了土壤的鹽分，土壤鹽漬化問(wèn)題日益突出?；诖?，對(duì)紅崖山灌區(qū)土壤中含鹽量的分布進(jìn)行研究，以期為該區(qū)生態(tài)環(huán)境修復(fù)、鹽漬土改良、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展等提供合理的依據(jù)。

1 取樣與測(cè)試

1.1 樣品采集

紅崖山灌區(qū)位于河西走廊東部石羊河下游，東北被騰格里沙漠包圍，西北有巴丹吉林沙漠環(huán)繞，地勢(shì)平坦。依據(jù)《農(nóng)田土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（NY/T 395—2012），2020年11—12月期間進(jìn)行表層土壤采集，共采集的樣本共計(jì)94個(gè)。為了提高樣品代表性，避免樣品的隨機(jī)性，采用梅花點(diǎn)法，混合采樣：選取20 m×20 m區(qū)域，設(shè)5個(gè)采集點(diǎn)，每個(gè)分點(diǎn)取200 g，均勻混合1 kg。

1.2 樣品處理與分析

①土壤樣品預(yù)處理。根據(jù)《Soil quality-Pretreatment of samples for physico-chemical analysis》（ISO 11464：2006）進(jìn)行土壤樣品預(yù)處理。主要經(jīng)過(guò)風(fēng)干、除雜、研磨和保存四個(gè)步驟。樣本風(fēng)干后，剔除其中的雜物，經(jīng)研缽研磨，過(guò)篩后放入自封袋中保存。

②土壤含鹽量測(cè)定。按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123—2019）規(guī)范中易溶鹽試驗(yàn)方法要求對(duì)土壤樣品進(jìn)行了曬干、分散、過(guò)篩（1 mm）后配制成（1∶5）的土水浸提液，利用質(zhì)量法測(cè)定土壤含鹽量。

③土壤鹽分離子測(cè)定。HCO3-采用雙指示劑中和滴定法，SO42-和Ca2+采用EDTA絡(luò)合滴定法，Cl-采用AgNO3滴定法，Mg2+采用鈣鎂合量滴定法，Na+和K+采用火焰光度法。將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)和室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表1所示。

表1 土壤測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)特征值

2 結(jié)果分析

2.1 土壤含鹽量的空間分布特征

由圖1可知，從地理位置上劃分，灌區(qū)上游至灌區(qū)下游，即灌區(qū)西南側(cè)至灌區(qū)東北側(cè)，土壤含鹽量的空間分布呈現(xiàn)出西南側(cè)整體偏低、局部偏高，東北側(cè)偏高。從灌區(qū)位置上劃分，整體上湖區(qū)灌區(qū)土壤含鹽量高于壩區(qū)和泉山灌區(qū)，壩區(qū)灌區(qū)局部地區(qū)偏高。從鄉(xiāng)鎮(zhèn)位置上劃分，可以發(fā)現(xiàn)總體上西渠鎮(zhèn)、收成、東湖鎮(zhèn)和大壩鄉(xiāng)、三雷鎮(zhèn)、蘇武鄉(xiāng)的土壤含鹽量最高，大灘鄉(xiāng)、泉山鎮(zhèn)、薛百鄉(xiāng)局部出現(xiàn)較高值，其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)整體土壤含鹽量較低。

圖1 土壤含鹽量空間分布

2.2 土壤鹽分陽(yáng)離子空間分布特征

2.2.1 K+的空間分布特征。由圖2可知，從地理位置上劃分，灌區(qū)上游至灌區(qū)下游，即灌區(qū)西南側(cè)至灌區(qū)東北側(cè)，K+含量的空間分布呈現(xiàn)出西南側(cè)偏低，東北側(cè)偏高。從灌區(qū)位置上劃分，整體上湖區(qū)灌區(qū)K+明顯高于壩區(qū)和泉山灌區(qū)。從鄉(xiāng)鎮(zhèn)位置上劃分，可以發(fā)現(xiàn)總體上西渠鎮(zhèn)、收成鄉(xiāng)和東湖鎮(zhèn)的K+含量最高，雙茨科鄉(xiāng)局部出現(xiàn)較高值，其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)則K+含量整體較低。

圖2 K+空間分布

2.2.2 Na+的空間分布特征。由圖3可知，從地理位置上劃分，灌區(qū)上游至灌區(qū)下游，即灌區(qū)西南側(cè)至灌區(qū)東北側(cè)，Na+含量的空間分布呈現(xiàn)出西南側(cè)偏低，東北側(cè)偏高。從灌區(qū)位置劃分，整體上湖區(qū)灌區(qū)Na+含量明顯高于壩區(qū)和泉山灌區(qū)。從鄉(xiāng)鎮(zhèn)位置劃分，可以發(fā)現(xiàn)總體上西渠鎮(zhèn)、收成鄉(xiāng)和東湖鎮(zhèn)的Na+含量最高，其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)則Na+含量整體較低。

圖3 Na+空間分布

2.2.3 Ca2+的空間分布特征。由圖4可知，Ca2+的空間分布特征與土壤含鹽量高度相似。從地理位置上劃分，灌區(qū)上游至灌區(qū)下游，即灌區(qū)西南側(cè)至灌區(qū)東北側(cè)，Ca2+的空間分布呈現(xiàn)出西南側(cè)整體偏低、局部偏高，東北側(cè)偏高。從灌區(qū)位置上劃分，整體上湖區(qū)灌區(qū)Ca2+的含量明顯高于壩區(qū)和泉山灌區(qū)，壩區(qū)灌區(qū)局部地區(qū)偏高。從鄉(xiāng)鎮(zhèn)位置上劃分，可以發(fā)現(xiàn)總體上西渠鎮(zhèn)、收成鄉(xiāng)、東湖鎮(zhèn)和大壩鄉(xiāng)、三雷鎮(zhèn)、蘇武鄉(xiāng)的Ca2+的含量最高，大灘鄉(xiāng)、泉山鎮(zhèn)、薛百鄉(xiāng)局部出現(xiàn)較高值，其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)整體Ca2+的含量較低。

圖4 Ca2+空間分布

2.2.4 Mg2+的空間分布特征。由圖5可知，Mg2+的空間分布特征與土壤含鹽量和Ca2+高度相似。從地理位置上劃分，灌區(qū)上游至灌區(qū)下游，即灌區(qū)西南側(cè)至灌區(qū)東北側(cè)，Mg2+的空間分布呈現(xiàn)出西南側(cè)整體偏低、局部偏高，東北側(cè)偏高。從灌區(qū)位置上劃分，整體上湖區(qū)灌區(qū)Mg2+的含量明顯高于壩區(qū)和泉山灌區(qū)，壩區(qū)灌區(qū)局部地區(qū)偏高。從鄉(xiāng)鎮(zhèn)位置上劃分，可以發(fā)現(xiàn)總體上西渠鎮(zhèn)、收成鄉(xiāng)、東湖鎮(zhèn)和大壩鄉(xiāng)、蘇武鄉(xiāng)的Mg2+的含量最高，其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)整體Mg2+的含量較低。

圖5 Mg2+空間分布

2.3 土壤鹽分陰離子空間分布特征

2.3.1 Cl-的空間分布特征。由圖6可知，從地理位置上劃分，灌區(qū)上游至灌區(qū)下游，即灌區(qū)西南側(cè)至灌區(qū)東北側(cè)，Cl-含量的空間分布呈現(xiàn)出西南偏低，東北偏高。從灌區(qū)位置上劃分，整體上湖區(qū)灌區(qū)Cl-含量明顯高于壩區(qū)和泉山灌區(qū)，壩區(qū)灌區(qū)局部地區(qū)偏高。從鄉(xiāng)鎮(zhèn)位置劃分，可以發(fā)現(xiàn)在收成鄉(xiāng)、東湖鎮(zhèn)、泉山鎮(zhèn)、大壩鄉(xiāng)和東壩鎮(zhèn)中Cl-的含量較高，其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)整體Cl-的含量較低。

圖6 Cl-空間分布

2.3.2 SO42-的空間分布特征。由圖7可知，SO42-的空間分布特征與土壤含鹽量、Ca2+和Mg2+高度相似。從地理位置劃分，灌區(qū)上游至灌區(qū)下游，即灌區(qū)西南側(cè)至灌區(qū)東北側(cè)，SO42-的空間分布呈現(xiàn)出西南側(cè)整體偏低、局部偏高，東北側(cè)偏高。從灌區(qū)位置劃分，整體上湖區(qū)灌區(qū)SO42-的含量明顯高于壩區(qū)和泉山灌區(qū)，壩區(qū)和泉山灌區(qū)局部地區(qū)偏高。從鄉(xiāng)鎮(zhèn)位置劃分，可以發(fā)現(xiàn)總體上是西渠鎮(zhèn)、收成鄉(xiāng)、東湖鎮(zhèn)、泉山鎮(zhèn)、東壩鎮(zhèn)含量最高，其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)SO42-的含量較低。

圖7 SO42-空間分布

2.3.3 HCO3-的空間分布特征。由圖8可知，從地理位置上劃分，灌區(qū)上游至灌區(qū)下游，即灌區(qū)西南側(cè)至灌區(qū)東北側(cè)，HCO3-的空間分布呈現(xiàn)出西南側(cè)整體偏低、局部偏高，東北側(cè)偏高。從灌區(qū)位置劃分，整體上湖區(qū)灌區(qū)HCO3-的含量明顯高于壩區(qū)和泉山灌區(qū)，壩區(qū)灌區(qū)局部地區(qū)偏高。從鄉(xiāng)鎮(zhèn)位置劃分，可以發(fā)現(xiàn)總體上是西渠鎮(zhèn)、收成鄉(xiāng)、東湖鎮(zhèn)、大壩鄉(xiāng)、蘇武鄉(xiāng)含量最高，其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)SO42-的含量較低。

圖8 HCO3-空間分布

3 結(jié)果分析討論

本研究發(fā)現(xiàn)灌區(qū)土壤含鹽量的空間分布呈現(xiàn)出西南側(cè)整體偏低、局部偏高，東北側(cè)偏高（見(jiàn)圖1）。其成因主要為成土母質(zhì)在強(qiáng)烈的風(fēng)化作用下，土壤鹽分易隨水流運(yùn)移，遷移到下游積累［6］。在氣候干燥，降水稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈的條件下聚集于土壤表層，導(dǎo)致下游土壤表層鹽分含量升高。灌區(qū)局部低洼地處［7］，其地下水位相對(duì)比較高，容易把溶解在水中的鹽帶到表層，在強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用下，水分蒸發(fā)，鹽分聚集，從而造成上游局部區(qū)域鹽分含量升高。另外，多年連續(xù)灌溉與耕作等人為活動(dòng)［8］改變了土壤鹽分原有的空間格局，在一定程度上促成其空間分布的復(fù)雜性，均成為該區(qū)土壤鹽分差異性的原因。

該地區(qū)Ca2+、Mg2+、SO42-和HCO3-的空間分布特征高度相似（見(jiàn)圖4至圖8），表明紅崖山灌區(qū)土壤中Ca2+、Mg2+與SO42-、HCO3-為主要的結(jié)合方式。K+和Na+的化學(xué)性質(zhì)特別活潑，與SO42-、HCO3-、Cl-結(jié)合成的鹽都是可溶鹽，受淋溶作用影響強(qiáng)烈，極易流失，不易在土壤中積累，隨水流運(yùn)移，遷移到下游，導(dǎo)致K+、Na+在下游含量高（見(jiàn)圖2、3），Ca2+、Mg2+與K+、Na+相比化學(xué)性質(zhì)不活潑，在化學(xué)分異過(guò)程中，其沉淀在鉀鈉之前。Ca2+與SO42-結(jié)合生成CaSO4，微溶于水，HCO3-，不穩(wěn)定，在地下水流動(dòng)過(guò)程中容易分解成CO32-，而與Ca2+、Mg2+結(jié)合生成CaCO3、MgCO3沉淀。在長(zhǎng)時(shí)間地下水流沖蝕和人為活動(dòng)作用下，在洼地處和灌區(qū)下游土壤鹽分積聚，離子含量升高。

此外，研究中還發(fā)現(xiàn)含鹽量及各離子的鹽分含量數(shù)值都要偏小。其原因可能是民勤地區(qū)冬季會(huì)進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉，進(jìn)行土壤壓鹽，土壤含鹽量會(huì)降低［9］。因而，導(dǎo)致土壤含鹽量及其離子鹽分偏小。

4 結(jié)論

①紅崖山灌區(qū)土壤含鹽量的空間分布呈現(xiàn)出西南側(cè)整體偏低、局部偏高，東北側(cè)偏高。

②土壤含鹽量、Ca2+、Mg2+、SO42-和HCO3-的空間分布特征高度相似，表明紅崖山灌區(qū)土壤中Ca2+、Mg2+與SO42-、HCO3-為主要的結(jié)合方式。

③紅崖山灌區(qū)本身所處氣候環(huán)境、地形地貌、水文地質(zhì)等因素直接決定了土壤含鹽量空間分布特征，其次多年連續(xù)灌溉與耕作等人為活動(dòng)等增強(qiáng)了土壤含鹽量的空間關(guān)聯(lián)性，加劇了該區(qū)域的土壤次生鹽漬化。

④土壤鹽漬化對(duì)于生態(tài)環(huán)境修復(fù)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要的影響，了解土壤鹽漬化程度與空間分布特征可以為該區(qū)生態(tài)環(huán)境修復(fù)、鹽漬土改良、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展等提供合理的依據(jù)。