不同降雨條件下的錦州市降雨淋洗效用研究

馬 原

(遼寧省錦州水文局，遼寧 錦州 121000)

1 研究背景

土壤鹽漬化也可稱為土壤鹽堿化，主要是指地下水或者土壤底層水中的鹽分積累在表層土壤中的過程[1]。我國的鹽漬土主要分布在干旱和半干旱地區(qū)，沿海地區(qū)也普遍存在土壤鹽漬化的問題[2]，鹽漬化可嚴(yán)重影響作物的產(chǎn)量與質(zhì)量，因此土壤鹽漬化問題嚴(yán)重制約著這些地區(qū)的農(nóng)業(yè)發(fā)展[3]。鹽漬化的改良措施一般可分為化學(xué)措施、生物措施和綜合措施等[4- 5]，為制定科學(xué)合理的、適應(yīng)地區(qū)具體特點的改良方案，需要首先對自然條件下的土壤鹽堿化變化規(guī)律進行研究，而在自然條件下，降雨是土壤鹽分運動的主要影響因素之一，因此研究降雨的淋洗效用具有重要的現(xiàn)實意義。在傳統(tǒng)研究中，一般采用淋洗保證率來衡量降雨的淋洗效用[6]，但該指標(biāo)只能表示降雨有效淋洗作用的范圍大小，不能表示該作用的程度。傅皓昕[7]提出了降雨洗鹽效用的程度指數(shù)，并以此分析了丹東市各地區(qū)降雨淋洗作用的程度大小，使得相關(guān)研究人員可以從范圍和程度兩個層面來衡量降雨的淋洗效用；但是，傅皓昕[7]的研究分別采用了兩個不同的指標(biāo)來表示降雨淋洗作用的兩個方面，這在實際應(yīng)用中還不夠直觀明確。因此，本文基于淋洗保證率和降雨淋洗效用程度指數(shù)提出降雨淋洗效用綜合指數(shù)，并以錦州地區(qū)的10個區(qū)縣(市)為例對該指數(shù)進行實際應(yīng)用，分別得到各地區(qū)在500～1000區(qū)間內(nèi)不同降雨條件下的降雨淋洗作用的有效范圍、程度、和綜合指數(shù)。

2 降雨淋洗保證率

降雨淋洗保證率主要用于表示降雨淋洗作用的范圍大小，其表達式為：

(1)

式中，Peff—降雨淋洗保證率，%；Aeff—淋洗作用面積；A—總面積。

錦州市各地區(qū)的總面積可根據(jù)統(tǒng)計年鑒查得；淋洗作用面積則要根據(jù)不同降雨條件下的土壤鹽分濃度與作物的耐鹽極限濃度來確定：當(dāng)在某降雨強度下土壤鹽分的濃度降低至耐鹽極限濃度以下，則認(rèn)為該面積屬于淋洗作用面積，否則不屬于。

錦州市各作物的耐鹽極限濃度主要采用紙上發(fā)芽法來確定。首先配置不同濃度的氯化鈉溶液，選取溶液放入發(fā)芽盒的發(fā)芽紙上，發(fā)芽盒內(nèi)同時放有錦州市地區(qū)較為常用的作物種子；每份單項樣本含種子20粒，為充分研究試驗結(jié)果的不確定性，每份作物樣本共重復(fù)取樣20次。樣本采用恒溫培養(yǎng)法進行發(fā)芽試驗，恒溫培養(yǎng)裝置采用智能光照培養(yǎng)箱，其溫度的設(shè)定參照GB/T3543.1- 2005《農(nóng)作物種子檢驗規(guī)程》。根據(jù)不同鹽分濃度下的種子發(fā)芽率，估算作物發(fā)芽率為10%時的鹽分濃度，該值則為作物的耐鹽極限值。

根據(jù)不同樣本的試驗結(jié)果所得到的各作物耐鹽極限值略有差異，為呈現(xiàn)試驗結(jié)果的不確定性，做錦州市主要作物耐鹽極限濃度值的箱線圖，如圖1所示。

圖1 錦州市主要作物耐鹽極限濃度值

圖1中，各箱線圖中的最低線表示各樣品結(jié)果中的最小值，最高線表示最大值；箱底部表示的為各樣品結(jié)果中的25%值(即25%的結(jié)果低于此值)，中線表示的為50%值、而上部表示的為75%值。根據(jù)圖1可知，各作物的試驗結(jié)果均具有不確定性，一方面是因為每份樣本中的種子數(shù)不可能達到理想狀態(tài)下的“無限多”，另一方面也是因為試驗中不可避免地存在種子本身特性、溶液均勻度、發(fā)芽紙品質(zhì)、溫度分布等較難控制的差異因素。在圖1中，圖形覆蓋范圍越小表示確定性越強，反之則越大；可見，錦州市各主要作物中，西紅柿的作物耐鹽極限濃度值測定結(jié)果較為一致，其最大最小值差異值為0.16g/L，而韭菜的試驗結(jié)果不確定性較大，其最大最小值差異值為g/L。所有作物的平均最大最小值差異值為0.315g/L，該值相對較小，因此可以認(rèn)為試驗的不確定性可以接受。一般認(rèn)為，試驗結(jié)果中最高和最低的25%值具有較大的偶然性，因此選取75%值為最終結(jié)果，該值一方面具有較小的偶然性，另一方面代表較為不利的情況，更為安全。

不同降雨條件下的土壤鹽分可采用水鹽平衡公式估算[8]，其公式為

dW=G+I+P-J-L-B

(2)

X=Xc+Xg+XI-XJ-XL-XB

(3)

式中，dW—土壤含水量的變化值；G—灌溉水量；I—作物吸水量；P—降雨量；J—降雨地表徑流量；L—降雨地下徑流量；B—地下水補給量；X—鹽分；Xc—初始緣分；Xg—灌溉水鹽分量；XI—地下水鹽分量；XJ—降雨地表徑流鹽分；XL—降雨地下徑流鹽分；XB—地下水補給鹽分量。

錦州市的年均降水量在500～600mm之間，而1994和1998等年份均超過了1000mm，因此選取的降雨研究范圍為500～1000mm。根據(jù)式(2)、(3)，計算錦州市各區(qū)劃在不同降雨條件下的土壤鹽分濃度，并與圖1所示結(jié)果進行對比，得到各地區(qū)的淋洗作用面積，最后再采用式(1)計算降雨淋洗保證率，結(jié)果如圖2所示；其中L1～L10分別表示錦州市的古塔區(qū)、凌河區(qū)、太和區(qū)、松山新區(qū)、龍棲灣新區(qū)、經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)、黑山縣、義縣、凌海市、和北鎮(zhèn)市。

圖2 不同降雨條件下錦州市各地區(qū)的淋洗保證率

在淋洗保證率的空間分布方面，松山新區(qū)在不同降雨條件下的平均值最高，為80.16%，說明在同樣的降雨條件下，該地區(qū)的降雨淋洗作用面積較廣，因此該地區(qū)有較高比例的植面積依賴于人工改良措施；太和區(qū)在不同降雨條件下的平均值最低，僅為73.37%，說明在同樣的降雨條件下，該地區(qū)的降雨淋洗作用面積較小，因此該地區(qū)有較低比例的植面積依賴于人工改良措施；平均而言，錦州全市在不同降雨條件下的平均值為77.44%，低于100%，說明存在土壤鹽漬化的問題，因此在許多情況下都需要采取人工的鹽堿地改良措施。在降雨條件的影響方面，各地的降雨淋洗保證率均在總體上呈現(xiàn)出隨降雨量的增多而升高的趨勢；當(dāng)降雨量低于650mm時，全市平均的降雨淋洗保證率低于70%，需要采取較大規(guī)模的洗鹽措施；當(dāng)降雨量達到約800mm時，全市平均的降雨淋洗保證率約為80%，可采取中等規(guī)模的洗鹽措施來控制土壤鹽漬化問題；當(dāng)降雨量超過900mm時，全市平均的降雨淋洗保證率接近90%，僅需要較小規(guī)模的洗鹽措施。

3 降雨淋洗效用程度指數(shù)

根據(jù)淋洗保證率的定義和式(1)可知，該指標(biāo)只可以表示降雨有效淋洗作用的范圍大小，而不能表示該作用的程度，因此傅皓昕[7]提出了降雨淋洗效用的程度指數(shù)：

(4)

式中，S實—土壤鹽分濃度；S極—作物耐鹽極限值。

根據(jù)上式可知，當(dāng)R值較大時，說明土壤的鹽分濃度較高、即降雨淋洗效用的程度較低。在計算淋洗保證率時，已經(jīng)估算了錦州市各地區(qū)在不同降雨條件下的土壤鹽分濃度，而錦州市主要作物的耐鹽極限值也通過試驗得出，因此根據(jù)式(4)，可計算出錦州市各地區(qū)在不同降雨條件下的淋洗效用程度指標(biāo)，如圖3所示。

在淋洗效用程度指數(shù)的空間分布方面，北鎮(zhèn)市在不同降雨條件下的平均值最高，為0.798，說明在同樣的降雨條件下，該地區(qū)的降雨淋洗效用程度最小，即該地區(qū)的平均地表土壤鹽分最大；松山新區(qū)在不同降雨條件下的平均值最低，為0.769，說明在同樣的降雨條件下，該地區(qū)的降雨淋洗效用程度最大，即該地區(qū)的平均地表土壤鹽分最大；平均而言，錦州全市在不同降雨條件下的平均值為0.783，說明存在該地區(qū)存在土壤鹽漬化的問題。在降雨條件的影響方面，各地的淋洗效用程度指數(shù)均在總體上呈現(xiàn)出隨降雨量的增多而降低的趨勢；當(dāng)降雨量為550mm時，全市平均的淋洗效用程度指數(shù)高于0.9，對人工洗鹽措施的要求較高；當(dāng)降雨量達到700mm時，全市平均的淋洗效用程度指數(shù)高于降低至0.8，對人工洗鹽措施的要求有所降低；而當(dāng)降雨量達到900mm時，全市平均的淋洗效用程度指數(shù)高于降低至0.7，對人工洗鹽措施的要求較低。

4 降雨淋洗綜合效用指數(shù)

淋洗保證率和降雨淋洗效用程度指數(shù)分別表示淋洗作用的范圍大小和程度大小，這在實際應(yīng)用中還不夠直觀簡單，且難以得到一致明確結(jié)論，因此本文基于淋洗保證率和降雨淋洗效用程度指數(shù)提出簡單使用的降雨淋洗效用綜合指數(shù)RZ：

(5)

該式表明的涵義為：降雨淋洗效用的范圍越大、且程度越大(程度指數(shù)越小)，則降雨淋洗效用綜合指數(shù)越大。

表1 不同降雨條件下錦州市各地區(qū)的綜合淋洗效用指數(shù)

根據(jù)圖2、3數(shù)據(jù)，采用式(5)計算得到不同降雨條件下錦州市各地區(qū)的綜合淋洗效用指數(shù)，結(jié)果見表1。在綜合指數(shù)的空間分布方面，松山新區(qū)在不同降雨條件下的平均值最高，為1.07，說明該地區(qū)的鹽漬化問題相對較輕；太和區(qū)的平均值最低，為0.96，說明該地區(qū)的鹽漬化問題相對嚴(yán)重[9- 10]。在降雨條件的影響方面，各地的淋洗效用綜合指數(shù)均在總體上呈現(xiàn)出隨降雨量的增多而升高的趨勢；一般當(dāng)降雨量低于700mm時，全市淋洗效用綜合指數(shù)均低于1，需要較大幅度的人工洗鹽措施；當(dāng)降雨量介于750～850mm時，全市淋洗效用綜合指數(shù)約處于1左右，需要中等幅度的人工洗鹽措施；而當(dāng)降雨量高于900mm時，全市淋洗效用綜合指數(shù)均大于1，則僅需要較小幅度的人工洗鹽措施。

5 結(jié)論

文章分析了錦州市的淋洗保

證率和降雨淋洗效用程度指數(shù)，并提出了降雨淋洗效用的綜合指數(shù)以進一步增強評估結(jié)果的直觀性于明確性。結(jié)果表明，錦州市松山新區(qū)的土壤鹽漬化問題相對較輕；而太和區(qū)則相對嚴(yán)重；當(dāng)年降雨量低于700mm時，錦州市需要采取較大幅度的灌溉與排水等人工洗鹽措施；當(dāng)降雨量介于750～850mm時，需要中等幅度的人工洗鹽措施；而當(dāng)降雨量高于900mm時，則僅需要較小幅度的人工洗鹽措施。

[1] 方生, 陳秀玲. 防治灌區(qū)土壤鹽堿化與水資源開發(fā)利用[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計, 1997(04): 23- 26.

[2] 朱海波, 俞雙恩, 王君. 沿海新墾區(qū)灌水和降雨條件下暗管排水洗鹽效果試驗研究[J]. 中國農(nóng)村水利水電, 2015(02): 99- 104.

[3] 張義凱, 向鏡, 朱德峰, 等. 鹽堿地耕作及洗鹽對水稻根系生長和形態(tài)特性的影響[J]. 中國稻米, 2017, 23(03): 67- 70.

[4] 陳誠, 羅紈, 賈忠華, 等. 江蘇沿海灘涂農(nóng)田高降漬保證率暗管排水系統(tǒng)布局[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2017, 33(12).

[5] 王軍海. 蘇打鹽堿土灌區(qū)退水排放模式研究[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計, 2014(04): 26- 30.

[6] 李山. 灌區(qū)控制排水條件下水鹽調(diào)控及農(nóng)田濕地鹽分動態(tài)研究[D]. 西安理工大學(xué), 2017.

[7] 傅皓昕. 丹東市降雨洗鹽特征解析[J]. 水利技術(shù)監(jiān)督, 2017(02): 82- 84.

[8] 彭振陽, 伍靖偉, 黃介生. 應(yīng)用連續(xù)混合器模型模擬非飽和土壤鹽分淋洗過程[J]. 水科學(xué)進展, 2015, 26(04): 550- 559.

[9] 張海軍. 水資源保護監(jiān)測存在問題及建設(shè)初探[J]. 水土保持應(yīng)用技術(shù), 2016(03): 40- 43.

[10] 曲錦艷. 遼寧省水資源存在的問題與保護對策[J]. 水土保持應(yīng)用技術(shù), 2002(06): 16- 17.