劉韜韜,熊友才,楊巖,涂錦娜,王紹明
(1石河子大學理學院,石河子832003;2石河子大學生命科學學院,石河子8320003;3蘭州大學干旱與草地生態(tài)教育部重點實驗室,蘭州730000)
瑪納斯河下游綠洲荒漠交錯帶土壤鹽堿化特征分析
劉韜韜1,2,熊友才3,楊巖2,涂錦娜2,王紹明2
(1石河子大學理學院,石河子832003;2石河子大學生命科學學院,石河子8320003;3蘭州大學干旱與草地生態(tài)教育部重點實驗室,蘭州730000)
為了解綠洲荒漠交錯帶鹽漬化現(xiàn)狀及為鹽漬化防治提供基礎資料,研究以瑪納斯河下游綠洲荒漠交錯帶為案例區(qū),通過野外采樣和室內試驗測定,分析了0~100cm土壤的鹽漬化特征及其類型。結果表明:①研究區(qū)土壤各層pH值均>9,屬堿性土壤;②土壤含鹽量總體不高,土壤中陰離子以SO42-和Cl-為主,陽離子主要為Na++K+;各離子間關系復雜,且鹽分表現(xiàn)為上下部鹽分含量高,中部鹽分含量小的特點;③研究區(qū)鹽漬化程度不嚴重,鹽分類型主要為氯化物-硫酸鹽鹽漬化土和硫酸鹽-氯化物鹽漬化土類型。
瑪納斯河流域 綠洲荒漠交錯帶 土壤 鹽堿化特征
鹽堿土是陸地上分布廣泛的一種土壤類型,世界鹽堿化土壤面積約1.0×109hm2,約占世界土地總面積的10%。我國鹽堿土面積為3.5×107hm2,相當于耕地面積的1/3,其中鹽土1.6×107hm2,堿土8.7×105hm2,各類鹽堿化土壤1.8×107hm2;另外,約有6.7×106hm2的耕地發(fā)生次生鹽堿化[1]。
新疆是我國重要農(nóng)業(yè)產(chǎn)區(qū),也是我國鹽堿土重要分布區(qū),鹽堿土種類多。新疆各類鹽堿土面積為2.18×107hm2,約占新疆土地面積的1/8,平原地區(qū)土地面積的1/4[2],瑪納斯流域是北疆重要的鹽堿土分布區(qū),也是人類活動最為頻繁的流域之一。該流域內新疆兵團的耕地占全流域耕地總面積的30%,其中,約70%是由重漬土開墾而來[3]。
多年來,學界高度關注鹽堿化問題。有關鹽堿土的研究,主要集中在鹽漬土和鹽漬化的發(fā)生與演變[4]、土壤水鹽運移機理及其建模、鹽漬化的監(jiān)測、評估、預測和預警[5-6]、土壤水鹽的優(yōu)化調控、鹽堿障礙治理與修復[7-8]、鹽漬土資源的可持續(xù)利用與優(yōu)化管理和土壤鹽漬化的生態(tài)環(huán)境效應[9]等方面。近年來,隨著對鹽漬土極強吸收無機碳現(xiàn)象的認識[10],學術界加強了對鹽堿化特征及其時空分異的研究[11-16]?,敿{斯河流域位于新疆天山北麓中段,準格爾盆地南緣,東經(jīng)85°87′,北緯43°20′,流域總面積19800km2[17]。由于特殊的氣候條件和地理位置,其已成為干旱區(qū)典型綠洲區(qū)和鹽堿土典型分布區(qū),是學界研究土地鹽堿化的主要案例區(qū)之一,已有研究多側重土地鹽漬化調查與評價[18]、土壤次生鹽漬化及其防治[19]等方面,對土壤鹽分特征和動態(tài)變化的研究相對較少,目前,能檢索到的研究文獻較少[20-23],主要研究了瑪納斯河中下游地區(qū)典型鹽土的鹽分特征,特定植被下鹽分的動態(tài)變化,人為影響下鹽分的動態(tài)變化等方面,這不足以代表瑪納斯河流域整體鹽分特征及動態(tài)變化情況。
本研究通過野外調查和土壤采樣,結合室內試驗分析,研究案例區(qū)土壤鹽堿化特征、鹽堿化程度和鹽堿土類型,以期為綠洲荒漠交錯帶鹽漬化現(xiàn)狀及鹽漬化防治提供基礎資料。
研究區(qū)位于流域下游綠洲和荒漠交錯帶,在行政區(qū)劃上屬于新疆兵團農(nóng)八師135團。其冬季嚴寒低溫,持續(xù)時間長,夏季炎熱干燥,晝夜溫差大,降水稀少,蒸發(fā)強烈。多年平均氣溫為5.4~8.6℃,降水量152.20mm,蒸發(fā)量為1747.6mm[24]。研究區(qū)位于流域干三角洲,是重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū),人類活動強烈,長期灌溉使土壤中鹽分被淋洗而脫鹽,另一方面使非鹽漬化土壤轉化為鹽漬化土壤,造成次生鹽漬化。因此其是研究在人為活動影響基礎上鹽分動態(tài)變化的理想?yún)^(qū)域。
在室內基于《農(nóng)八師土壤地形圖》,將研究區(qū)劃分5km×5km的網(wǎng)格,按照網(wǎng)格均勻選取采樣點,共選擇了40個采樣網(wǎng)格(圖1)。于2009年7月中旬,在每個采樣網(wǎng)格內隨機選取3個點,按照四分法分別在0~20、20~40、40~60和60~100cm 4個剖面層采集土樣。將同一層的3個土樣混合,共取的160份土樣。在取樣的同時,利用GPS定位系統(tǒng),記錄下每個樣點采點的地理坐標值。
采樣結束后,將樣品進行風干,碾碎,過篩(2 mm孔徑篩),并制備成5∶1的水土比浸出液進行土壤鹽分的測定。其中,水溶性鹽總量采用上海雷磁儀器廠生產(chǎn)的DJ-320型電導儀進行測定;CO32-、HCO3-采用雙指示劑中和法測定;Cl-采用AgNO3滴定法測定;SO42-采用EDTA間接絡合滴定法測定;Ca2+和 Mg2+采用 EDTA 滴定法測定;K+和Na+采用火焰光度計測定;土壤pH值采用上海雷磁儀器的PHS-3C型pH計進行測定。
圖1 研究區(qū)和采樣點分布Fig.1Study area and distribution of sampling sites
根據(jù)土壤酸堿度分級標準[25],研究區(qū)土壤總體呈中度堿性,從上到下各層土壤pH值的均值分別為9.088、9.344、9.493、9.548(表1)。隨著土層深度的增加,pH值均值呈增加態(tài)勢。研究區(qū)的表層土壤鹽離子含量高,0~20cm土壤含鹽量平均為4.933g/kg,其余各層土壤含鹽量的平均值為3.119~3.683g/kg。陰離子以SO42-和Cl-為主,從上到下各層SO42-占陰離子總量的百分比分別為48.28%、48.08%、26.12%、47.16%,Cl-分別為46.29%、44.12%、43.16%和43.15%,CO32-各層的含量均很少,一方面可能是因為研究區(qū)的土壤呈堿性,CO32-容易與Ca2+、Mg2+形成碳酸鹽沉淀,另一方面是部分CO32-會水解成 HCO3-[20]。陽離子主要為Na++K+,從上到下各層Na++K+占陽離子總量的百分比分別為 92.98%,93.25%、96.04%、96.99%;Ca2+占7%,Mg2+占陽離子總量的0.67%??傷}、Cl-、SO42-、Na++K+隨深度的增加而略有遞減,但在60~100cm層含量又略有增加,顯示在0~60 cm,研究區(qū)土壤鹽分呈“V”型垂直變化特征,與其他研究區(qū)呈現(xiàn)的“T”型變化趨勢[26-27]明顯不同;此外,鹽分表層和底層大,中間層小,這可能與人類對重鹽堿地農(nóng)田改造過程中,農(nóng)田與荒漠交錯帶區(qū)域土壤鹽分在垂直方向上表現(xiàn)為混合型有關[28]。由于灌溉和降水的入滲,鹽分由地表向下運移聚積;同時,受土壤毛細作用及地下水蒸發(fā)影響,鹽分又向地表運移,在土壤鹽分剖面上表現(xiàn)為上部和下部鹽分含量低,中部鹽分含量高的特點。若排水系統(tǒng)完善,中部含量高的鹽分被淋濾攜帶向下部運移,并有部分隨毛細水上升到上部,在土壤剖面上就表現(xiàn)為上部和下部鹽分含量高,中部鹽分含量低的特點[29]。姚榮江等[30]的研究結果也說明了這點。
本研究通過各測點鹽離子含量的變異系數(shù)(CV)值反映其水平方向上的變化趨勢。CV<0.1為弱變異性;0.1≤CV≤1為中等變異性;CV>1為強變異性[15]。研究區(qū)pH值的變異系數(shù)為0.052~0.063,為弱變異性;CO32-、Cl-和Ca2+為強變異性;HCO3-為中等變異性;SO42-在0~20cm和60~100cm呈現(xiàn)強變異性,在20~60cm是中等變異性;Mg2+在0~20cm呈現(xiàn)強變異性,在20~100 cm呈中等變異性;Na++K+在0~60cm呈強變異性,在60~100cm呈中等變異性;鹽分總量在0~60cm呈現(xiàn)出強變異性的特點,在60~100cm屬于中等變異強度。這說明研究區(qū)土壤水溶性鹽分離子在水平方向上的變化異常復雜。
表1 不同層次土壤鹽分的統(tǒng)計特征參數(shù) g/kgTab.1Statistical feature parameters of soil salinity in different layers
目前,鹽漬化程度分類的標準還不統(tǒng)一,本研究根據(jù)劉國華等人的研究結果進行鹽漬化程度分類(表2)[28]。研究區(qū)土壤鹽分為0.109~19.102g/kg,包括了從輕度鹽漬化到重度鹽漬化的類型。頻數(shù)分布可以反應樣本在總體中的分布情況,通過對土壤各層總鹽的頻數(shù)分析(圖2)可以看出,研究區(qū)采樣點鹽分為0~5g/kg的占大多數(shù),為非鹽漬化土,只有0~20cm土層有一定的重度鹽漬化土類,其他各層沒有觀測到重度鹽漬化土;此外,通過統(tǒng)計采樣點鹽漬化程度百分比(表2)可見:0~20cm有67.5%的樣點是非鹽漬化土壤,20~40cm、60~100 cm是72.5%,40~60cm是80%。這說明總體看來,研究區(qū)鹽堿化程度不嚴重。
圖2 研究區(qū)土壤各層總鹽的頻數(shù)分布圖Fig.2The frequency distribution of total salinity of soil layers in study area
表2 土壤各層各采樣點鹽漬化程度 %Tab.2Soil salinization degrees of soil layers in sampling points
文獻[31-32]中根據(jù)新疆第二次土壤普查耕地土壤鹽漬化類型劃分指標,依據(jù)0~30cm土層內鹽分陰離子成分含量的毫克當量比值對新疆灌區(qū)土壤鹽漬化類型進行了劃分。依據(jù)該劃分類型,研究區(qū)內包括了各種類型的鹽漬化土(表3),各層土壤中,20%~25%的采樣點CO32-+HCO3-
/Cl-+SO42-
的值為1~4,屬于蘇打鹽漬化土;除在20~40cm有15%的采樣點兩者比值>4,屬于純蘇打鹽土外,其他土層采樣點所含的純蘇打鹽土少,都為5%;若按照的毫克當量來看,主要為氯化物-硫酸鹽鹽漬化土和硫酸鹽-氯化物鹽漬化土類型,各層土壤采樣點有78.95%~89.47%為這2種類型的鹽漬化土。值得注意的是各采樣點>65%的的值<1。這說明碳酸鹽和重碳酸鹽是土壤鹽分的次要成分[12]。
表3 各鹽分類型所占比例%Tab.3The ratio of different types of salt
對各離子間的相關分析,可揭示鹽分在土體中的存在形態(tài),可在一定程度上反映出鹽分的運動趨勢[13]。pearson相關性分析的結果(表4)表明,土壤各層總鹽量和呈顯著正相關(P<0.01),說明總鹽含量隨著Cl-、SO2-、Na++K+等4的含量增加而增加;Na++K+與Cl-、SO42-呈顯著正相關,說明土壤中Na++K+的含量隨著Cl-、SO42-含量的增加而增加。SO42-和Cl-呈顯著正相關,表明SO42-的含量隨著Cl-的增加而增加。在0~60cm,Ca2+和SO42-呈極顯著正相關,但在60~100cm,此二者間無相關性。在0~20cm,總鹽和Ca2+呈顯著正相關性,Ca2+和pH值呈顯著負相關;在40~60cm,說明此層土壤溶液中的含量隨HCO3-含量的增高而降低,這是因為土壤溶液中HCO3-濃度升高,土壤溶液酸性增強,H+增多,CO32-與H+結合生成導致含量降低[33];在60~100cm,Ca2+和Cl-極顯著正相關;在土壤各層,電導率和Cl-、極顯著正相關,和總鹽極顯著正相關,這和巴建文等[34]的研究結果一致,表明土壤浸出液電導率的數(shù)值能反應土壤含量的高低,當只需要了解鹽分總量特征時,可以通過電導率建立回歸方程計算水溶性鹽總量,減少測定鹽離子總量的工作量。在0~20、60~100cm,電導率和Ca2+極顯著正相關,表明在這2層除了受前面4種離子的影響,電導率受Ca2+的影響較大。
表4 鹽離子相關性分析Tab.4The correlation analysis of saltion
續(xù)表4
研究區(qū)土壤各層pH值均>9,屬堿性土壤。土壤含鹽量不高,平均值在3~5g/kg。土壤中陰離子以SO42-和Cl-為主,陽離子主要為Na++K+,這和同期取樣的文獻[20-21]中的結果一致。研究區(qū)鹽漬化程度整體上不嚴重,個別采樣點表層土壤鹽漬化程度較重,這可能與采樣方法有關,為了能更好的反應研究區(qū)鹽漬化的整體狀況,研究對整個研究區(qū)采用了隨機采樣的形式,這使有些樣點可能處在典型鹽堿土上,而有些點并未處在典型鹽堿土上,這使研究區(qū)鹽漬化程度有個別性。
土壤鹽漬化類型主要為氯化物—硫酸鹽和硫酸鹽—氯化物,與盧磊等[32]在其他流域干三角洲的研究結果一致,這說明在大尺度鹽分隨水垂直運移的過程中,氯化物—硫酸鹽和硫酸鹽—氯化物等易溶性鹽分主要分布在干三角洲。
土壤鹽分在淋溶、蒸發(fā)等作用下,一般呈現(xiàn)出脫鹽型、聚鹽型和混合型三種特征,脫鹽型鹽漬化土壤鹽分在垂直剖面上表現(xiàn)為上部鹽分低,下部含鹽量高的特點;聚鹽型上部鹽分含量高,下部鹽分少;混合型上部和下部鹽分含量低,中部鹽分含量高[28]。而研究區(qū)鹽分卻表現(xiàn)為上下部鹽分含量高,中部鹽分含量小的特點,這是新疆兵團地區(qū)農(nóng)田的灌排水系統(tǒng)比較完善,促使中部含量高的鹽分被淋濾攜帶向下部運移,并有部分隨毛細水上升到上部而造成的。這充分反映出人類活動可以改變鹽分在垂直方向的運移過程。
從研究參數(shù)變異系數(shù)的大小,反映出pH值在研究區(qū)無論是從水平還是垂直方向上變化均不大;其他離子在各層變異性的不同,說明土壤離子在水平方向上的變化異常復雜。土壤各層總鹽量和Cl-、SO42-、Na++K+呈顯著正相關(P<0.01)及Na++K+與Cl-、SO42-呈顯著正相關,進一步驗證了土壤中主要鹽類為氯化物-硫酸鹽和硫酸鹽-氯化物鹽。其他各類離子相關性的表現(xiàn),表現(xiàn)出各種離子之間復雜的關系。這也說明,土壤鹽分運移確實是受各種因素影響的復雜的自然現(xiàn)像[35],通過一個區(qū)域一種簡單的線性相關分析并不能完全反應出空間分布及運移的規(guī)律性,必須在更大范圍內尋找更有效直觀的技術手段進行進一步研究。
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The Characteristics of Soil Salinization in Oasis-Desert Ecotone of the Lower Reaches of Manas River
LIU Taotao1,2,XIONG Youcai3,YANG Yan2,TU Jinna2,WANG Shaoming2
(1College of Sciences,Shihezi University,Shihezi 832003,China;2College of Life Science,Shihezi University,Shihezi 832003,China;3MOE Key Laboratory of Arid and Grassland Ecology,Lanzhou University,Lanzhou 730000,China)
In order to study the current situation of soil salinization in oasis-desert ecotone so as to provide basic information for salinization prevention,this paper took the oasis-desert ecotone of the lower reaches of Manas River as the study field.After field sampling and laboratory testing,the characteristics and types of soil salinization of 0-100cm layers were analyzed.The results showed that 1)pH values of each layer were above 9,alkaline soil;2)salt content was not high overall,the predominant anions in the soil were SO42-and Cl-,while the predominant cation were Na+and K+,with complex interrelationship among them,and the salt contents in the upper and lower layers were higher than the middle layer;3)the degree of salinization was not severe in the study area,and the main soil types were chloride-sulfate soil and sulfate-chloride salinization soil.
Manas River;oasis-desert ecotone;soil;characteristics of salinization
S153;S714
A
2011-12-19
國家重大基礎研究計劃(973)項目(2009CB825101)
劉韜韜(1979-),女,碩士生,講師,研究方向為農(nóng)業(yè)生物環(huán)境與能源工程;e-mail:ltt009@yahoo.cn。
王紹明(1963-),男,博士生導師,從事干旱區(qū)植物生態(tài)學研究;e-mail:westwild@vip.sina.com。