渭北地區(qū)土壤剖面電導(dǎo)率年內(nèi)動(dòng)態(tài)變化及影響因素

樊會(huì)敏，張蓉蓉，許明祥,，張圣民，李彬彬

(1 中國科學(xué)院 教育部 水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心，陜西 楊凌 712100；2 中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049；3 西北農(nóng)林科技大學(xué) a資源環(huán)境學(xué)院，b林學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

土壤鹽漬化是農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境退化的重大問題之一，嚴(yán)重制約著我國農(nóng)業(yè)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[1-3]。我國土壤鹽漬化面積約占可利用土地面積的4.88%，其中耕地鹽漬化面積約占全國耕地面積的6.62%[4]，可見鹽堿地是我國重要的后備土地資源。渭北地區(qū)是陜西省的第二大糧倉[5]，但由于該地區(qū)存在地下水礦化度大、排水不暢等問題，導(dǎo)致農(nóng)田土壤次生鹽漬化存在季節(jié)性的變化。因此，研究渭北地區(qū)土壤鹽漬化年內(nèi)動(dòng)態(tài)變化，對(duì)合理利用土地資源、促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。

土壤鹽分剖面分布具有明顯的年內(nèi)和年際動(dòng)態(tài)變化。土壤鹽分運(yùn)移受到土壤類型、地形、地下水位、氣候和人為活動(dòng)等的多重影響[6-7]。土壤水、熱、鹽三者之間有著直接密切的影響，鹽隨水走，土壤水分帶動(dòng)鹽分的運(yùn)移，溫度則是土壤鹽分運(yùn)移的內(nèi)在動(dòng)力[8-9]。降雨和氣溫變化、耕作管理等人為活動(dòng)的影響，將會(huì)導(dǎo)致土壤剖面鹽分分布在年內(nèi)發(fā)生明顯的動(dòng)態(tài)變化。目前有關(guān)土壤鹽漬化年際動(dòng)態(tài)變化研究側(cè)重于從不同年限的土壤性質(zhì)、氣候、地下水埋深等方面，通過多年鹽堿化動(dòng)態(tài)研究，進(jìn)行土壤鹽堿化趨勢(shì)預(yù)測(cè)和預(yù)防[10-11];年內(nèi)動(dòng)態(tài)變化側(cè)重于從土壤剖面展開研究，通過分析土壤剖面鹽分離子的年內(nèi)動(dòng)態(tài)變化及相關(guān)影響因素，探討人為活動(dòng)(深松耕、秸稈還田、灌溉等)對(duì)土壤鹽漬化的次生影響[12-13]。年內(nèi)動(dòng)態(tài)研究區(qū)域主要集中在松嫩平原、河套地區(qū)、新疆干旱灌區(qū)等土壤鹽堿化問題突出的地區(qū)[14-16]，而陜西渭北地區(qū)土壤鹽堿化年內(nèi)動(dòng)態(tài)研究開展較少，區(qū)域土壤鹽堿化動(dòng)態(tài)變化規(guī)律尚不清楚。土壤電導(dǎo)率是表征土壤水溶性鹽的一個(gè)重要指標(biāo)，也是快速測(cè)定土壤含鹽量的有效方法，用電導(dǎo)率可直接表征土壤鹽漬化程度[17-20]。本試驗(yàn)以陜西渭北南部地區(qū)為研究區(qū)，用土壤電導(dǎo)率表征土壤鹽分狀況，就土壤水分、溫度、海拔等因素對(duì)土壤電導(dǎo)率的影響展開討論，探究渭北南部地區(qū)農(nóng)田土壤鹽漬化年內(nèi)動(dòng)態(tài)變化，分析不同含鹽量區(qū)、不同土壤剖面、不同季節(jié)下土壤電導(dǎo)率的影響因素，為渭北地區(qū)農(nóng)田土壤鹽堿化的科學(xué)管理提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)選擇在陜西渭南市的臨渭區(qū)、大荔縣、富平縣、蒲城縣、合陽縣，位于34°33.24′～35°8.64′N， 109°18.98′～110°15.99′E，以上縣區(qū)是渭北農(nóng)田土壤鹽堿化的典型區(qū)域，地下水含鹽量高(5.06～17.21 g/L)。研究區(qū)屬大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫11.3～13.6 ℃，年平均蒸發(fā)量普遍大于1 700 mm，年降水量為500 mm左右，干旱指數(shù)大于3。研究區(qū)屬盆地地貌，地勢(shì)南北高、中間低、東西開闊，成土母質(zhì)中的可溶性鹽類會(huì)隨水遷移至排水不暢的低平地區(qū)，發(fā)生土壤鹽堿化。全區(qū)有交口抽渭和洛惠兩大灌區(qū)，有洛河、渭河、黃河3條河過境，為研究區(qū)提供了充足的灌溉水源，全區(qū)多年平均徑流量8.88 億m3。

1.2 樣地選取

在渭北土壤鹽堿化集中的富平縣、臨渭區(qū)、蒲城縣、大荔縣、合陽縣，通過走訪調(diào)查，選擇28個(gè)農(nóng)田土壤作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)。按照已知鹽分的高低程度，以表層(0～20 cm)土壤含鹽量2 g/kg為界限，可將28個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分為低含鹽量(<2 g/kg)和高含鹽量(≥2 g/kg)各14個(gè)(圖1)。低含鹽量采樣點(diǎn)是在2015年7月走訪調(diào)查過程中得知在近5年已發(fā)生過土壤鹽堿化的區(qū)域，高含鹽量采樣點(diǎn)是采樣時(shí)期(2015年8月)已經(jīng)存在土壤鹽堿化的區(qū)域，通過監(jiān)測(cè)這些點(diǎn)的土壤鹽堿化動(dòng)態(tài)變化，可以了解渭北土壤鹽堿化的年內(nèi)動(dòng)態(tài)變化。

1.3 土樣采集及指標(biāo)測(cè)定

分別于2015年8月(夏季)、2015年11月(秋季)、2016年2月(冬季)、2016年5月(春季)，用土壤水分-溫度-電導(dǎo)率儀(英國Delta公司，型號(hào)HH2)對(duì)土壤電導(dǎo)率(mS/cm)、含水量(V/V，%)和溫度(℃)進(jìn)行野外監(jiān)測(cè)，為了減小野外測(cè)定數(shù)據(jù)的誤差，每個(gè)點(diǎn)分6層(0～10，10～20，20～30，30～40，40～50，50～60 cm)測(cè)定。其中，20～40 cm土層的溫度、含水量、土壤電導(dǎo)率值由20～30 cm土層和30～40 cm土層加權(quán)平均得到，40～60 cm土層的溫度、含水量、土壤電導(dǎo)率值由40～50 cm土層和50～60 cm土層加權(quán)平均得到。在中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)下載研究區(qū)年內(nèi)降雨量和氣溫?cái)?shù)據(jù)。每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的海拔用手持GPS測(cè)得，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)年內(nèi)灌溉信息由2015年7月的走訪調(diào)查獲得。

圖1 陜西渭北地區(qū)不同采樣點(diǎn)的位置Fig.1 Location of sample points in Weibei region

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，Sigmaplot 10.0進(jìn)行圖形繪制。通過Person相關(guān)性分析表征土壤電導(dǎo)率與溫度、含水量之間的相關(guān)關(guān)系。對(duì)定性指標(biāo)賦值量化(如：有灌溉賦值1，無灌溉賦值0)，采用一般線性回歸模型(GLM)中的方差分量估計(jì)[21]，計(jì)算各影響因素在土壤電導(dǎo)率變異(方差)中所占的百分比，用其表征不同土層間、不同季節(jié)、不同含鹽量區(qū)各因子對(duì)土壤電導(dǎo)率的影響程度。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤含水量、溫度及降雨量、氣溫的年內(nèi)動(dòng)態(tài)

陜西渭北不同含鹽量區(qū)土壤溫度和含水量的變化見圖2和圖3。

不同字母表示2個(gè)含鹽量區(qū)間差異顯著(P<0.05)。圖3同Different letters mean significant difference between high and low salinity areas(P<0.05).Fig.3 is same圖2 陜西渭北不同含鹽量區(qū)土壤溫度的比較(0～60 cm土層)Fig.2 Comparison of soil temperature at areas with different salt contents in Weibei region

高含鹽量區(qū)和低含鹽量區(qū)土壤剖面溫度在4個(gè)季節(jié)均無顯著性差異，土壤溫度順序表現(xiàn)為夏季>春季>秋季>冬季>(圖2)。秋季0～60 cm土層土壤含水量在高含鹽量區(qū)和低含鹽量區(qū)之間無顯著差異，在其他季節(jié)兩者之間均存在顯著差異，0～60 cm土層土壤含水量表現(xiàn)為秋季>夏季>冬季>春季。夏、秋兩季土壤含水量比較接近，在26%～40%；春、冬兩季土壤含水量比較接近，在15%～30%(圖3)。降雨量在年內(nèi)變化表現(xiàn)為2015年11月(49.8 mm)>2015年8月(37.8 mm)>2016年5月(29.9 mm)>2016年2月(4.1 mm)；氣溫在年內(nèi)變化表現(xiàn)為2015年8月(26.08 ℃)>2016年5月(20.15 ℃)>2015年11月(8.03 ℃)>2016年2月(4.43 ℃)(圖4)。

圖4 陜西渭北地區(qū)降雨量和氣溫的年動(dòng)態(tài)變化Fig.4 Rainfall and air temperature variations within a year in Weibei region

2.2 土壤剖面含水量、溫度和電導(dǎo)率的年變化

圖5顯示，與低含鹽量區(qū)相比，高含鹽量區(qū)夏季土壤電導(dǎo)率與秋、冬、春季存在明顯差異，夏季電導(dǎo)率最高。在高含鹽量區(qū)平均電導(dǎo)率由高至低的順序依次為夏季(5.50 mS/cm)>春季(3.44 mS/cm)>秋季(3.10 mS/cm)>冬季(2.75 mS/cm)；在低含鹽量區(qū)平均電導(dǎo)率由高至低的順序依次為春季(2.39 mS/cm)>夏季(2.21 mS/cm)>秋季(1.81 mS/cm)>冬季(1.48 mS/cm)。0～60 cm土層電導(dǎo)率總體上隨著土層深度的增加呈增大趨勢(shì)，這種變化趨勢(shì)在低含鹽量區(qū)更明顯。在10～20 cm土層處，高含鹽量區(qū)夏季的電導(dǎo)率值最大，為6.24 mS/cm。

圖5 陜西渭北不同含鹽量區(qū)土壤剖面電導(dǎo)率的動(dòng)態(tài)變化Fig.5 Variations of electrical conductivity in soil profiles in Weibei region

圖6顯示，高含鹽量區(qū)春、秋季土壤含水量隨著土層深度的增加呈增加趨勢(shì)，土壤含水量均以40～60 cm土層最大，分別為26.05%，41.63%；夏、冬季土壤含水量隨土層深度增加呈先上升后降低趨勢(shì)，均以20～40 cm土層最大，分別為38.07%，28.69%。低含鹽量區(qū)春季含水量隨土層深度增加呈先降低后上升趨勢(shì)，以20～40 cm土層最小，為15.89%；夏季土壤含水量隨土層深度的增加呈增大趨勢(shì)，以40～60 cm土層最大，為28.20%；秋、冬季土壤含水量隨土層深度增加呈先上升后降低趨勢(shì)，均以20～40 cm土層最大，分別為37.71%，24.24%。

圖6 陜西渭北不同含鹽量區(qū)土壤剖面含水量的動(dòng)態(tài)變化Fig.6 Variations of water content in soil profiles in Weibei region

圖7顯示，高含鹽量區(qū)春、夏季土壤溫度隨土層深度的增加呈減小趨勢(shì)，最大值(0～10 cm土層)分別為25.65和31.82 ℃；秋季土壤溫度隨土層深度的增加總體呈增加趨勢(shì)，最大值(40～60 cm土層)為12.86 ℃；冬季土壤溫度隨土層深度的增加先降后升，最大值(0～10 cm土層)為12.29 ℃，最小值(20～40 cm土層)為9.19℃。低含鹽量區(qū)春、夏季土壤溫度隨土層深度的增加呈減小趨勢(shì)，最大值(0～10 cm土層)分別為23.75和29.62 ℃；秋、冬季土壤溫度隨土層深度的增加先降后升，秋季土壤溫度最大值(40～60 cm土層)為12.35 ℃，最小值(10～20 cm土層)為10.85 ℃,冬季土壤溫度最大值(0～10 cm土層)為10.12 ℃，最小值(20～40 cm土層)為7.91 ℃。

圖7 陜西渭北不同含鹽量區(qū)土壤剖面溫度的動(dòng)態(tài)變化Fig.7 Variations of temperature in soil profiles in Weibei region

2.3 土壤電導(dǎo)率動(dòng)態(tài)變化的影響因素

表1顯示，土壤溫度在各季節(jié)幾乎未對(duì)電導(dǎo)率產(chǎn)生顯著影響，春、冬季各層土壤電導(dǎo)率均受土壤含水量的顯著或極顯著影響。但從年內(nèi)各土層電導(dǎo)率與溫度和含水量相關(guān)性(表2)來看，電導(dǎo)率受到含水量和溫度的顯著或極顯著影響，含水量對(duì)電導(dǎo)率的影響隨著土層深度的增加而增大，溫度對(duì)電導(dǎo)率的影響隨土層深度的增加而減小。對(duì)0～60 cm土層而言，土壤含水量和溫度對(duì)電導(dǎo)率的影響程度相當(dāng)；但在耕作層(0～20 cm)和犁底層(20～40 cm)，溫度與電導(dǎo)率的相關(guān)系數(shù)大于含水量與電導(dǎo)率；在底土層(40～60 cm)，含水量與電導(dǎo)率的相關(guān)系數(shù)大于溫度與電導(dǎo)率。

表1 不同季節(jié)各土層土壤電導(dǎo)率與含水量、溫度的相關(guān)性Table 1 Correlation of soil electrical conductivity,water content and temperature in each soil profile in different seasons

注：*，**分別表示在P<0.05和P<0.01置信度水平時(shí)相關(guān)性顯著(雙尾)。表2同。

Note：* and ** indicate that the correlation is significant at the 0.01 level and 0.05 level (2-tailed), respectively.The same table 2.

表2 不同土層土壤電導(dǎo)率年平均值與含水量、溫度的相關(guān)性Table 2 Correlation of soil electrical conductivity,water content and temperature in each soil profile within a year

表3結(jié)果表明，夏季、冬季和春季土壤含水量對(duì)電導(dǎo)率的貢獻(xiàn)率大于溫度，秋季土壤溫度對(duì)電導(dǎo)率的貢獻(xiàn)率大于土壤含水量。土壤含水量對(duì)春季電導(dǎo)率的貢獻(xiàn)率最大，對(duì)秋季電導(dǎo)率的貢獻(xiàn)率最?。煌寥罍囟葘?duì)秋季電導(dǎo)率的貢獻(xiàn)率最大，對(duì)春季電導(dǎo)率的貢獻(xiàn)率最小。

表3 土壤溫度和含水量對(duì)不同季節(jié)土壤電導(dǎo)率的貢獻(xiàn)率Table 3 Contributions of soil water content and temperature to electrical conductivity in different seasons %

表4顯示，從不同含鹽量區(qū)來看，不同地區(qū)的電導(dǎo)率還可能受到地形因素和是否灌溉的影響。在高含鹽量區(qū)電導(dǎo)率受到各因素的綜合影響，各因素對(duì)電導(dǎo)率的貢獻(xiàn)率相差不大；在低含鹽量區(qū)電導(dǎo)率主要受土壤溫度和海拔的影響。

表4 不同因素對(duì)陜西渭北不同含鹽量區(qū)電導(dǎo)率的貢獻(xiàn)率Table 4 Contribution of each index to electrical conductivity in different salt areas %

對(duì)土壤含水量影響電導(dǎo)率的范圍作進(jìn)一步分析，結(jié)果(圖8)表明，土壤電導(dǎo)率隨著土壤含水量的增加總體呈增大趨勢(shì)，土壤含水量在15%～30%(相當(dāng)于土壤質(zhì)量水含量11%～21%)時(shí)，其對(duì)土壤電導(dǎo)率有明顯影響。

圖8 陜西渭北地區(qū)土壤水含量對(duì)電導(dǎo)率的影響 Fig.8 Influence of soil water content on electrical conductivity in Weibei region

3 討 論

土壤剖面中影響電導(dǎo)率動(dòng)態(tài)變化的主要因素是溫度和水分，水分的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)著鹽分的運(yùn)移，溫度則為土壤水分運(yùn)移提供動(dòng)力。本研究中，土壤含水量與電導(dǎo)率平均值的相關(guān)關(guān)系隨著土層深度的增加而增大;在各季節(jié)土壤溫度對(duì)土壤電導(dǎo)率的影響總體不顯著，土壤溫度與土壤電導(dǎo)率平均值相關(guān)性隨著土層深度的增加而減小。從兩個(gè)研究區(qū)來看，高含鹽量區(qū)電導(dǎo)率受各種因素的綜合影響，低含鹽量區(qū)電導(dǎo)率主要受溫度和海拔的影響。有無灌溉在高含鹽量區(qū)的貢獻(xiàn)率大于低含鹽量區(qū)，說明灌溉在一定程度上影響著土壤電導(dǎo)率。根據(jù)走訪調(diào)查筆者發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)農(nóng)作物以冬小麥和夏玉米為主，每年在夏季(7-8月份)和冬季(12-1月份)有2次灌溉，灌溉方式主要是大水漫灌(占51.85%)和溝灌(占44.44%)，灌溉水源包括引渭(占42.31%)、引黃(占23.08%)、引洛(占11.54%)、井水(占23.08%)灌溉，地下水質(zhì)約74.07%屬于微咸水，約11.11%屬于咸水?？梢姡芯繀^(qū)有較大面積的大水漫灌和較大比例的咸水灌溉，在排水不暢的低洼地區(qū)，大水漫灌容易發(fā)生土壤次生鹽漬化[22]。

鹽隨水走，土壤水分變化直接影響鹽分的遷移。本研究中，土壤電導(dǎo)率整體上隨土層深度的增加呈增大趨勢(shì)，但高含鹽量區(qū)夏季土壤電導(dǎo)率在10～20 cm土層最高，說明該土層處有鹽分累積現(xiàn)象，這可能是因?yàn)楦吆}量區(qū)夏季土壤水分在20～40 cm土層有最大值，且10～20 cm土層土壤溫度大于20～40 cm土層，在蒸發(fā)條件下，20～40 cm土層的鹽分隨水上行，聚集到10～20 cm土層所致。剖面土壤電導(dǎo)率與含水量平均值極顯著相關(guān)，在四季中土壤含水量對(duì)電導(dǎo)率的貢獻(xiàn)率也較大。劉廣明等[23]研究表明，在同一含鹽量水平下，土壤電導(dǎo)率也會(huì)因含水量的不同而有差異。本研究結(jié)果表明，土壤含水量在15%～30%(相當(dāng)于土壤質(zhì)量含水量11%～21%)時(shí)對(duì)土壤電導(dǎo)率有明顯影響。這與孫宇瑞[24]的研究結(jié)果相似。因此當(dāng)土壤含水量在此范圍內(nèi)時(shí)，要重視鹽漬化土壤水分管理，保證排水通暢，防止?jié)碁?zāi)引起的土壤次生鹽漬化。

與受海水長(zhǎng)期浸漬的濱海鹽堿土[25]、氣候干旱及生態(tài)環(huán)境脆弱的黃河中上游鹽漬土[26]、地下水礦化度較高且地形低洼的東北半濕潤(rùn)-半干旱草原-草甸鹽漬區(qū)[27]相比，陜西渭北地區(qū)土壤鹽漬化具有受季風(fēng)氣候影響的季節(jié)性消長(zhǎng)特點(diǎn)。

本研究中，土壤電導(dǎo)率有著季節(jié)性變化特征，土壤電導(dǎo)率在高含鹽量區(qū)呈現(xiàn)出夏季>春季>秋季>冬季的趨勢(shì)，在低含鹽量區(qū)呈現(xiàn)出春季>夏季>秋季>冬季的趨勢(shì)。這可能與一年之內(nèi)的降雨量和蒸發(fā)量有關(guān)。降雨一方面會(huì)對(duì)表層鹽分有緩沖降低的作用[6]，另一方面又會(huì)引起低洼地區(qū)發(fā)生鹽堿澇災(zāi)[14]。高溫會(huì)造成土表蒸發(fā)強(qiáng)烈，為補(bǔ)給蒸發(fā)消耗，土壤的毛管水吸力增強(qiáng)，加速水鹽向上土表遷移[28]。筆者調(diào)查發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)2015年8月溫度最高，在高溫蒸發(fā)條件下，剖面土壤中的鹽分隨水上升，水去鹽留，使得夏季高含鹽量區(qū)土壤含鹽量達(dá)到一年中最高值；5月份和8月份類似，蒸發(fā)高于11月和2月，鹽分整體呈上行趨勢(shì)，使得低含鹽量區(qū)土壤含鹽量在春季達(dá)到一年中最高值，夏季次之。2015年11月降雨量在一年中最高，這個(gè)季節(jié)由于強(qiáng)降雨造成的鹽堿澇災(zāi)較突出；2月份屬于研究區(qū)的凍土消融期，這個(gè)時(shí)期土壤水分運(yùn)動(dòng)比較活躍，消融后地下水位下降，造成電導(dǎo)率降低，使得冬季的電導(dǎo)率在一年中達(dá)到最小[29]。

綜上，針對(duì)渭北地區(qū)夏季和春季農(nóng)田土壤鹽分含量較高、鹽分在10～20 cm土層有累積、表層土壤電導(dǎo)率受土壤溫度影響較大的現(xiàn)象，為減輕土壤鹽堿化危害，耕作管理上可考慮對(duì)土壤鹽堿化較嚴(yán)重的農(nóng)田以種植冬小麥為宜，夏季和春季宜種植淺根作物，同時(shí)推廣秸稈覆蓋，降低土壤溫度，抑制鹽分向表土遷移聚集[30]。

4 結(jié) 論

1)土壤電導(dǎo)率在高含鹽量區(qū)呈現(xiàn)出夏季>春季>秋季>冬季的趨勢(shì)，在低含鹽量區(qū)呈現(xiàn)出春季>夏季>秋季>冬季的趨勢(shì)。

2)高含鹽量區(qū)電導(dǎo)率受到水分、溫度、海拔、是否灌溉等因素的綜合影響，低含鹽量區(qū)主要受到溫度和海拔的影響；在夏、春、冬季電導(dǎo)率均受水分影響較大。

3)在0～60 cm土層土壤電導(dǎo)率主要受到土壤水分和溫度的影響顯著，溫度對(duì)電導(dǎo)率的影響隨著土層深度增加而減小，水分對(duì)電導(dǎo)率的影響隨著土層深度的增加而增加。從年內(nèi)尺度來看，水分對(duì)電導(dǎo)率的影響大于溫度，土壤水分在15%～30%時(shí)對(duì)電導(dǎo)率具有明顯影響。