黃泛區(qū)農(nóng)田土壤漬澇障礙的發(fā)生機制研究

陳 誠

(黃河水利職業(yè)技術(shù)學院，河南 開封 475003)

1 項目簡介

河南省黃泛區(qū)包括全省20個縣，涉及耕地24×104hm2。在廣闊的黃泛區(qū)，農(nóng)田土壤漬澇障礙是伴生的。由于地上黃河側(cè)滲導致的漬澇、由于黃河改道及引黃淤灌導致的農(nóng)田土壤是導致河南省黃泛區(qū)農(nóng)田生產(chǎn)力低下的重要根源[1]。周振民在《黃河下游引黃灌區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境脆弱性評價及對策》中指出，為了提高區(qū)域土水資源利用效率及可持續(xù)利用，保障中原經(jīng)濟區(qū)快速發(fā)展戰(zhàn)略的實現(xiàn)，必須深入探究農(nóng)田土壤障礙發(fā)展演變規(guī)律，并構(gòu)建農(nóng)田障礙消減與風險防控對策[2]。本項目實施區(qū)為河南省封丘縣域。封丘位于黃河沖積扇平原，南東兩面緊鄰黃河，該縣域農(nóng)田土壤質(zhì)地和剖面質(zhì)地層次呈現(xiàn)豐富的多樣性。封丘縣是我國典型重要農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)，該縣域農(nóng)田土壤漬澇障礙在廣大的黃泛區(qū)具有充分代表性。因此，探究封丘縣域農(nóng)田土壤漬澇障礙的發(fā)生演變機制，構(gòu)建農(nóng)田土壤障礙加劇風險防控對策體系，對于黃泛區(qū)農(nóng)田土壤障礙消減與農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量提升，保障國家糧食安全和加快中原經(jīng)濟區(qū)發(fā)展戰(zhàn)略，具有重要的理論意義和實際應用價值。

2 研究現(xiàn)狀

據(jù)國土資源部提供的資料顯示，1996～2008年13年間我國耕地面積減少0.083 33×108hm2,平均每年減少0.006 667×108hm2[3]。通過對沙化、酸化和漬澇等障礙性農(nóng)田土壤改性治理，實現(xiàn)耕地資源的提質(zhì)擴量，是保證糧食產(chǎn)量的有效途徑[4]。分析農(nóng)田土壤主要障礙并揭示其發(fā)生機理，對于消減農(nóng)田土壤障礙、提高農(nóng)田土壤質(zhì)量具有極為重要的意義。農(nóng)田土壤漬澇等障礙導致農(nóng)田土壤質(zhì)量降低的問題，已經(jīng)引起國內(nèi)外學者的高度關注[5～12]，一般認為研究農(nóng)田土壤障礙發(fā)生演變機理的關鍵基礎是對農(nóng)田土壤障礙信息精確解譯和評估，其中最為普遍采用的評估方法和手段是遙感信息解譯[13～15]。如王玉剛等利用遙感數(shù)據(jù)、GIS及地統(tǒng)計方法，針對三工河流域中上游阜康綠洲開展研究，得到典型綠洲區(qū)農(nóng)田土壤鹽分的空間變異特征[16]。王金哲等通過實驗室數(shù)據(jù)和整合所搜集資料，查明環(huán)渤海低平原區(qū)的0～40 cm農(nóng)田土壤含鹽量現(xiàn)狀，在此基礎上，以不同鹽分情況下的農(nóng)田土壤安全容鹽值、農(nóng)田土壤化學類型和作物布局結(jié)構(gòu)為參考指標，對研究區(qū)的農(nóng)田土壤安全容鹽潛力進行評價[17]。周在明等應用協(xié)同克立格插值方法，對環(huán)渤海低平原農(nóng)田土壤鹽分的空間變異特征進行研究[18]。李云鵬等分析不同時期的遙感資料，演算不同時期歸一化植物指數(shù)NDVI值，基于遙感影像技術(shù)和光譜特征直接提取土地退化指標，分析內(nèi)蒙古自治區(qū)植被覆蓋宏觀變化和荒漠化的情況[19]。Bouaziz Moncef等利用遙感影像提取出影響農(nóng)田土壤障礙的光譜指數(shù)，建立評價巴西東北部半干旱區(qū)農(nóng)田土壤障礙的LSU模型[20]。除此之外，還有學者根據(jù)各障礙類型的特點，采取相應的評估方法[21～23]。如石進校等通過不同水平的漬澇處理，研究漬澇對淫羊藿葉片膜脂過氧化和SOD活性的影響，為耐澇性淫羊藿的栽培提供理論依據(jù)[24]。Visconti F等針對內(nèi)陸灌區(qū)農(nóng)田土壤質(zhì)量退化問題，同時考慮種植制度、氣象條件、農(nóng)田土壤物理化學性狀、灌溉水源特征等要素，對灌區(qū)農(nóng)田土壤漬澇和鹽化障礙進行中長期預測[25]。

3 研究方案

圍繞揭示河南黃泛區(qū)農(nóng)田土壤漬澇障礙的發(fā)生演變機制、構(gòu)建障礙加劇風險防控與減障對策體系這一核心研究目標，本項目集成應用多種研究手段與方法、多尺度多時相數(shù)據(jù)協(xié)同集成融合的整體學術(shù)思路，以依托于承擔單位的國家和省部級重點實驗室、野外生態(tài)實驗站、研究中心為研究基地，系統(tǒng)開展項目研究工作。本項目應用研究區(qū)農(nóng)田土壤漬澇障礙季際、年際動態(tài)變化的信息調(diào)研采集，獲得區(qū)域農(nóng)田土壤漬澇障礙的現(xiàn)狀特征。通過對區(qū)域農(nóng)田土壤障礙要素歷史資料的整理、匯總與詳細分析，結(jié)合區(qū)域30年來4個代表性時相遙感影像信息反演，利用GIS制圖與空間數(shù)值分析技術(shù)，獲得各研究時相的區(qū)域農(nóng)田土壤漬澇障礙的特征參數(shù)(含分布面積、障礙程度等)。綜合農(nóng)田土壤漬澇的各時相特征，解析區(qū)域農(nóng)田土壤漬澇障礙的演變規(guī)律與發(fā)展趨勢。

布置田間土壤漬澇障礙動態(tài)監(jiān)測，收集氣象數(shù)據(jù)，監(jiān)測地下水特征信息、農(nóng)田土壤剖面水分等指標數(shù)據(jù)，獲得面域原位農(nóng)田土壤漬澇障礙驅(qū)動要素的動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)；設置障礙驅(qū)動要素的不同組合(不同土體構(gòu)型與黃河水位)條件下的黃河水文水力學側(cè)滲和引黃淤灌模擬實驗，獲得不同試驗條件下農(nóng)田土壤漬澇障礙發(fā)展程度與范圍特征參數(shù)；通過田間開展驅(qū)動因子作用試驗，研究灌溉、氣象條件等要素對農(nóng)田土壤漬澇障礙的作用規(guī)律與內(nèi)在機理；結(jié)合通過對歷史漬澇障礙要素資料的整理分析和遙感信息反演，獲得漬澇障礙主導驅(qū)動因子演變特征和對應時相的農(nóng)田土壤漬澇障礙響應特征，確定區(qū)域農(nóng)田土壤漬澇障礙的主導驅(qū)動因子，并揭示出主導驅(qū)動因子的驅(qū)動機理。

4 農(nóng)田土壤漬澇障礙的原位動態(tài)監(jiān)測方法

在各障礙類型區(qū)，設置農(nóng)田土壤漬澇障礙原位動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)，在研究區(qū)設置4個監(jiān)測斷面，每個斷面設置6個點位，每個點位設置1眼地下水觀測井，并分4層埋設農(nóng)田土壤水分負壓計(埋設分別為20、45、80和125 cm)，每10天測定1次地下水位，系統(tǒng)獲得農(nóng)田土壤漬澇障礙的動態(tài)數(shù)據(jù)。

在研究區(qū)，總體采用網(wǎng)格法布點，采樣間距設計為3 km×3 km，采樣層次設計為：0～30 cm，30～60 cm，60～100 cm，100～150 cm，150～200 cm，200～250 cm，……，采至恒定地下水位(通過休灌期人工測定靜態(tài)井水位確定)。實驗室分析測定農(nóng)田土壤質(zhì)地組成。連續(xù)進行第1年秋季、第2年春季和第2年秋季的3次面域農(nóng)田土壤樣品采集與詳細調(diào)研，系統(tǒng)獲取田間土壤漬澇障礙的季際和年際的動態(tài)變化，以及障礙的現(xiàn)狀特征。

考慮研究區(qū)漬澇的主要成因為地上型黃河水側(cè)滲補給，又鑒于當前尚未有關于此類型漬澇的統(tǒng)一標準，結(jié)合河南黃泛區(qū)的自然地理等綜合條件，本研究擬按照地下水位埋深小于0.5 m的天數(shù)T分別為：T≤5 d，5 d >T≤15 d，15 d>T≤30 d，30 d>T≤45 d，和T>45 d，相應分為非漬澇、輕度、中度、重度和嚴重漬澇計5個等級。

依據(jù)上述農(nóng)田土壤漬澇障礙的分級標準，對季際、年際的農(nóng)田土壤漬澇障礙進行特征信息解譯與評估，并繪制相應障礙評估圖集。

5 區(qū)域農(nóng)田土壤漬澇障礙的規(guī)律分析

采取室內(nèi)判讀與野外考察相結(jié)合的方法，對研究區(qū)歷史農(nóng)田土壤障礙信息資料(如統(tǒng)計年鑒、全國第二次農(nóng)田土壤普查資料、地方農(nóng)田土壤、水利志等)進行收集匯總與整理分析，分析農(nóng)田土壤漬澇、障礙與遙感影像真彩色組合特征的對應關系，確立解譯標志；應用人機交互解譯方法，對發(fā)生漬澇、障礙的農(nóng)田土壤開展遙感判讀分類；利用GIS軟件對各時相的農(nóng)田土壤障礙特征圖進行空間疊加，確定出各時相間的研究區(qū)域農(nóng)田土壤障礙的時空演變規(guī)律；應用轉(zhuǎn)移矩陣統(tǒng)計學分析方法，解析農(nóng)田土壤發(fā)生漬澇障礙的總體數(shù)量演變特征。

5.1 不同地下水埋深條件下土壤水分運動特征

典型易漬澇區(qū)土壤水分運動存在顯著的季節(jié)性特征，1 m地下水位和3 m地下水位條件下土壤水分的季節(jié)性運動規(guī)律整體比較一致，存在顯著的周期性，均表現(xiàn)為夏秋季節(jié)土壤剖面水分含量高、冬春季節(jié)則低，且表層土壤水分含量季節(jié)間波動幅度較大，靠近地下水面的底層土壤水分含量季節(jié)間波動幅度較小?？刂仆寥榔拭嫠謩討B(tài)季節(jié)性分布規(guī)律的主要原因是降雨、蒸發(fā)等氣象學因子，其中研究區(qū)季節(jié)間降雨量動態(tài)差異是主要影響因子，研究區(qū)夏季降雨最集中、土壤剖面水分含量最高，秋季降雨少但土壤剖面水分含量往往仍保持較高的原因是土壤水分動態(tài)的滯后效應，冬春季降雨少、土壤剖面水分含量低。

典型易漬澇區(qū)土壤剖面水分運動存在顯著的垂直分布特征，1 m地下水位和3 m地下水位條件下土壤水分運動的垂直分布規(guī)律整體比較一致，土壤水分含量由土壤表層至底層呈現(xiàn)逐漸增加趨勢，即離地下水位距離愈小、土壤水分含量愈高?？刂仆寥榔拭嫠謩討B(tài)垂直分布規(guī)律的主要因素是水動力學因子，隨著與地下水面距離的增加，非飽水帶土壤剖面水分補給逐漸降低。同時，土壤水蒸發(fā)強度逐漸增加，加上植被種植下的根系吸水作用，導致土壤剖面表層含水量最低。見圖1、圖2。

進一步研究土壤含水量隨不同地下水埋深條件的變化特征(圖3)，結(jié)果表明，隨著地下水位埋深增加，土壤剖面各層土壤平均含水量呈逐漸下降的規(guī)律。對土壤剖面不同土層水分含量隨地下水位變化而降低的趨勢進行擬合分析(表1)，結(jié)果表明，土壤剖面各層含水量隨地下水埋深增加均呈現(xiàn)顯著的線性下降趨勢，其中表土含水量隨地下水埋深增加而下降的幅度最大(回歸方程斜率最大)，底層土壤含水量下降幅度則相對較小。

圖3 不同地下水位條件對土壤剖面水分含量變化的影響

項 目0～20 cm20～40 cm40～60 cm整個土體平均回歸方程Y=-0.080x+0.411Y=-0.068x+0.420Y=-0.061x+0.418Y=-0.045x+0.387R20.9610.9420.9550.950

注:Y為多年平均土壤體積含水量(%)，x為地下水埋深(m)，樣本數(shù)均為5。

5.2 不同土體構(gòu)型條件下土壤水分運動特征

不同土體構(gòu)型條件下，土壤水分的季節(jié)間運動規(guī)律整體一致，均表現(xiàn)為夏秋季土壤含水量高、冬春季土壤含水量低。但黏土層水分運動的季節(jié)間波動幅度相對較小(圖4含厚30 cm和厚1 m黏土夾層土體的40～60 cm層是黏土層)，這是因為黏土層較差的透水性能使土壤水分運動具有一定的滯后效應，進而影響土壤水分波動表現(xiàn)得較平穩(wěn)。

圖4 不同土體構(gòu)型條件下的土壤水分動態(tài)

不同土體構(gòu)型條件下，土壤剖面水分含量的垂直分布規(guī)律差異顯著(圖5)。全剖面粉砂壤土體剖面含水量由表層至底層呈逐漸增加的規(guī)律，30～60 cm含黏土夾層土體和0～100 cm為黏土層土體的黏土層部位土壤含水量則明顯高于剖面其他粉砂壤土層，表明黏土層具有良好的保水能力。

圖5 不同土體構(gòu)型條件下的土壤剖面水分分布特征

進一步對不同土體構(gòu)型條件下的不同土層含水量差異進行方差分析和多重比較分析(表2)，0～100 cm為黏土層的土柱0～20 cm層和60～80 cm層含水量均顯著高于另二種土體構(gòu)型土柱的0～20 cm和60～80 cm粉砂壤土層；30～60 cm含黏土夾層土柱和0～100 cm為黏土層土柱的20～60 cm層含水量在0.05顯著水平下不存在顯著差異，但均顯著高于全剖面粉砂壤土土柱20～60 cm的粉砂壤土層含水量。隨著黏土層厚度增加，土體平均含水量也呈顯著增加趨勢。

表2 不同土體構(gòu)型條件下不同土層含水量的差異顯著性分析(0.05顯著水平下)

5.3 不同植被覆蓋條件下土壤水分運動特征

不同植被覆蓋條件下，土壤水分含量的季節(jié)性動態(tài)規(guī)律基本一致(圖6)，整體均表現(xiàn)為夏秋季土壤含水量高、冬春季土壤含水量低。但植被種植條件下，土壤水分含量的季節(jié)間波動幅度相對更大，這是因為植被根系吸水作用的影響，使土壤水分運動更加活躍。

圖6 不同植被覆蓋條件下的土壤水分動態(tài)

不同植被覆蓋條件下，土壤剖面水分含量的垂直分布規(guī)律較一致(圖7)，整體均表現(xiàn)為表土含水量低、底土含水量高。但受植被耗水作用的影響，植被種植條件下土壤剖面水分含量普遍低于裸土土體，其中表土平均含水量差異最大，平均降低15.0%。進一步對不同植被覆蓋條件下土體各層土壤含水量的差異顯著水平進行方差分析和多重比較分析(表3)，在0.01顯著水平下，不同植被覆蓋條件下的表土含水量呈極顯著差異。

圖7 不同植被覆蓋條件下的土壤剖面水分分布特征

項 目0～20 cm20～40 cm40～60 cm60～80 cm80～100 cm100～120 cm含水量0.01Sig.含水量0.01Sig.含水量0.01Sig.含水量0.01Sig.含水量0.01Sig.含水量0.01Sig.有植被覆蓋17.1%A22.3%A23.5%A25.4%A27.2%A28.6%A無植被覆蓋20.1%B23.4%A24.6%A26.3%A27.6%A29.5%A水分降低15.0%4.4%4.6%3.4%1.4%3.0%

不同植被覆蓋條件下，潛水蒸發(fā)量差異反映了不同的潛水利用效率(表4)。植被生長需要大量吸收和消耗土壤水分，因此不同地下水位下有無植被覆蓋土柱的多年平均潛水蒸發(fā)量之比普遍大于1，且隨著地下水埋深增加，該比值呈增大趨勢，表明隨著地下水埋深增加，植被覆蓋條件下土柱的潛水利用率呈增加趨勢。

表4 不同植被覆蓋條件下的土體多年平均潛水蒸發(fā)量差異

6 結(jié) 論

土壤水分動態(tài)的長期定位監(jiān)測試驗研究表明，典型易漬澇區(qū)土壤水分運動年際間差異不大，不同地下水位條件、土體構(gòu)型條件和植被覆蓋條件下，土壤水分運動均具有明顯的垂直分布特征和季節(jié)性動態(tài)規(guī)律，土壤剖面水分含量由表層至底層呈逐漸增加規(guī)律，且表土層水分季節(jié)間波動幅度大，夏秋季土壤水分含量高、冬春季土壤水分含量低。

隨地下水埋深增加，土壤剖面含水量呈線性降低趨勢，其中表土層水分降低幅度較大；受植物吸水作用影響，植被覆蓋條件下土柱的潛水利用效率高于無植被覆蓋土柱，且潛水利用率隨地下水埋深增加而提高，植被覆蓋條件下土壤剖面水分含量整體偏低于無植被覆蓋土壤剖面，尤其是表層土壤水分差異顯著，植被覆蓋條件下土壤水分運動更活躍、季節(jié)性波動幅度增加；與通體粉砂壤質(zhì)地土壤相比，含黏土層土體黏土層的水分運動較平穩(wěn)、季節(jié)性波動幅度較小，土壤剖面黏土層部位水分含量顯著增加，黏土層具有良好的保水能力，土體平均含水量隨黏土層厚度增加呈顯著增加趨勢。