黑龍港流域微地貌與地下水埋深對土壤潛在鹽漬化的影響

張華艷, 牛靈安,2, 郝晉珉, 寶魯爾, 張彥宏, 邢曉霞

(1.中國農(nóng)業(yè)大學 資源與環(huán)境學院, 北京 100193; 2.中國農(nóng)業(yè)大學 曲周試驗站, 河北 曲周 057250;3.邯鄲市水資源綜合管理辦公室, 河北 邯鄲 056001; 4.邯鄲市復興區(qū)戶村鎮(zhèn)， 河北 邯鄲 056001)

土壤潛在鹽漬化是由自然或人為因素引起的嚴重環(huán)境問題，是制約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的主要因素之一[1]。Szabolcs[2]指出：“潛在鹽漬化系指那些表層目前未鹽化或堿化，而可能發(fā)生鹽漬化的土壤”。他認為許多干旱和半干旱地區(qū)，全部或大部分土壤可以列入潛在鹽漬化土壤，可見它所指的是一種“將來時”的潛在鹽漬化土壤。根據(jù)Szabolcs[3]對歐洲國家中現(xiàn)有的和潛在的鹽漬化土壤面積的統(tǒng)計，某些國家潛在鹽漬化土壤的面積比現(xiàn)有的鹽漬化土壤面積大十倍乃至幾十倍。范曉梅等[4]的研究表明在淺埋深水位下，土壤鹽分隨潛水水位的下降而減小，兩者之間可滿足正相關(guān)或指數(shù)的關(guān)系。地下水及其礦化度與土壤、植物體中鹽分及其水分互為“源—庫”關(guān)系[5-6]。姜凈衛(wèi)等[7]在研究土壤鹽漬化的分布狀況時表明可以通過地下水埋深空間異質(zhì)性與土壤不同深度鹽分分布的關(guān)系來反映。Douaik等[8]研究結(jié)果顯示土壤鹽分的時空變異性與地下水埋深之間的關(guān)系在一定程度上反映了土壤耕作層內(nèi)的鹽漬化程度和狀態(tài)。在地下水埋藏淺的條件下，地下水中的鹽分極易通過毛管上升作用不斷地向地表累積，形成土壤鹽漬化[9]，當?shù)叵滤缓屯寥蕾|(zhì)地基本相同時,地下水礦化度越高,地下水向土壤中補給的鹽分就越多,土壤積鹽就越重[10],土壤水的礦化度也就越高。Jordán等[11-12]研究表明土壤水鹽運移與潛水埋深有著密切的關(guān)系。

一些學者如魏由慶[13-14]、Kovda等[15]對黑龍港流域潛在鹽漬土進行了研究，得出如下共識：引起土壤鹽漬化或次生鹽漬化的因素是多方面的。對黑龍港流域而言，由次生鹽漬化因素所引起土壤鹽漬化的可能性較由原生鹽漬化因素引起土壤鹽漬化的可能性更大；潛在鹽漬化的發(fā)生機率不僅與土壤本身特性有關(guān)，與其所處環(huán)境也有直接關(guān)系；潛在鹽漬土劃分的前提是0—20 cm土層含鹽量≤2 g/kg，且含鹽量越大越易形成潛在鹽漬土；1 m土體含鹽量的高低、積鹽層的部位、土壤鹽分的運移方向、土壤質(zhì)地及質(zhì)地層次、地下水特征、地形地貌等都對潛在鹽漬土的形成產(chǎn)生影響。

目前眾多針對鹽漬化的研究中對土壤鹽漬化的反復性認識還存在不足之處。中國黃淮海平原區(qū)的鹽漬土近幾十年來得到了治理和改良，并繼續(xù)向好的方向發(fā)展，但局部地區(qū)土壤鹽漬化有增無減[16]。鹽堿地經(jīng)過工程的、生物的和化學等一系列的方法改良后，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面貌發(fā)生了很大變化，土壤的鹽漬化得到了治理，生態(tài)環(huán)境得到了改善[17],但是在近些年來鹽漬地區(qū)地下水位普遍下降2～3 m，甚至更多，個別地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)了地下水下降漏斗，因此地下水中的鹽分極易通過毛管上升作用不斷地向地表累積，形成土壤鹽漬化[16,18]。

本文擬以黑龍港流域的曲周縣為研究區(qū)域，主要從田間試驗、縣域內(nèi)多點數(shù)據(jù)分析出發(fā)，對近年縣域土壤潛在鹽漬化進行多方位評價，以期為預防土壤鹽漬化提供科學依據(jù)，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、土地利用等具有重要的指導意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河北省邯鄲市的東北部，地理坐標為北緯36°34′45″—36°57′57″，東經(jīng)114°50′30″—115°13′30″，為黑龍港流域上游，屬于冀南平原中部交接洼地以下的沖積平原，地勢自西南向東北傾斜，地面高程32.7～45.5 m，地面坡降1/3 000左右。氣候?qū)倥瘻貛О霛駶櫞箨懶约撅L氣候區(qū)，年平均氣溫13.1 ℃，年平均降水量556.2 mm，降水主要集中在7—9月，占全年降水量的2/3，年平均蒸發(fā)量是年平均降水量的3.30倍。

1.2 試驗設(shè)計

1.2.1 咸淡水灌溉試驗 本試驗于1997年開始。共設(shè)5個處理(見表1)，每個處理設(shè)3次重復，隨機排列，小區(qū)面積為8.5 m×8.5 m，保護行1.5 m。氮肥每年250 kg/hm2(以N含量計)，磷肥每年170 kg/hm2(以P2O5含量計)。灌溉用淡水電導率為1.1～1.6 dS/m，微咸水電導率為5.4 dS/m。每次灌溉水量為65～83 mm。由于小麥幼苗期對鹽分比較敏感，為避免鹽分的過度傷害，在冬前未利用咸水進行灌水[19]。

表1 1997-2005年冬小麥和夏玉米輪作灌溉試驗處理

注：√表示該生育期內(nèi)灌淡水； ○表示該生育期內(nèi)灌咸水； —表示該生育期內(nèi)不灌水。

1.2.2 區(qū)域試驗設(shè)計 按照曲周縣地貌類型、土壤鹽化狀況及農(nóng)業(yè)利用情況，于2004年在全縣耕地選定了82個采樣點，每個采樣點分別采集0—20，20—40，40—60，60—80，80—100 cm土層的土樣，用于測定土壤鹽分含量。

1.2.3 不同地貌采樣試驗 于2016年5月份，在曲周縣北部，從東到西，沿著垂直于地貌變化的方向，選擇了9個點，每個點用GPS定位，挖掘土壤剖面、描述各土層的特征，并采集土樣，然后進行土壤鹽分和土壤質(zhì)地的測定[20]。

利用Microsoft Excel 2010，SigmaPlot 10.0，ArcGIS 10.0， Global Map， DPS等軟件對數(shù)據(jù)進行相關(guān)統(tǒng)計與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 微咸水灌溉對土壤潛在鹽漬化的影響

經(jīng)過8 a(1997—2005年)的試驗研究可知(表2)，充分咸水灌溉的處理0—40，0—100，0—180 cm土體含鹽量分別增加了42.37%，63.51%，44.64%，這說明用微咸水灌溉土壤鹽分主要積累在40—100 cm這一土層上。降雨和灌溉對土壤的淋洗作用主要影響0—40 cm土體，導致40—100 cm土體鹽分的聚集。在干旱的年份(占平均年降雨量的58.2%)，充分咸水灌溉處理的0—40，0—100，0—180 cm土體含鹽量百分比增量高達129.60%，132.84%和70.54%，比整個試驗高出了2～3倍，特別是在表層，土壤鹽分表聚非常明顯。在降水的下滲和強烈的地下水蒸發(fā)作用下，土壤水分和鹽分的運動非?；顒覽21]，土壤可溶性鹽含量高，進一步導致潛在鹽漬化的發(fā)生。由于微咸水灌溉對土壤有淋洗作用和積鹽效應，因此在干旱年利用微咸水灌溉需要慎重[22]。

表2 微咸水灌溉條件下不同時期土壤中鹽分的積累和運動狀況

注：ΔS2=100%×ΔS1/a； ΔG2=100%×(ΔG1/a+Is)。a為開始時土壤含鹽量；b為結(jié)束時土壤含鹽量； ΔS為土壤含鹽量的變化；Is為隨灌溉水進入的鹽分量； ΔG為從下層土壤進入的鹽分量。ΔS1為單位面積鹽含量; ΔS2為土壤含鹽量百分比； ΔG1為單位面積從下層土壤進入的鹽分量； ΔG2為從下層土壤進入的鹽分量百分比。

2.2 縣域內(nèi)土壤鹽分狀況分析

各土層鹽分含量及分級由圖1可知，全縣82個采樣點各土層鹽分含量有較大的差異，0—20 cm土層含鹽量基本上處于非鹽化狀態(tài)，含鹽量≤2 g/kg的采樣點達到了72個；只有個別采樣點(如經(jīng)過咸水灌溉的點、近年來開發(fā)的鹽荒地)有輕微的鹽化，含鹽量2～4 g/kg的采樣點只有10個。20—40 cm土層含鹽量主要是≤2 g/kg，有66個點；2～4 g/kg的采樣點有10個；含鹽量大于4 g/kg的采樣點6個。40—60 cm土層含鹽量也主要是≤2 g/kg，有53個點，占大約50%；2～4 g/kg的采樣點增加到19個；含鹽量大于4 g/kg的采樣點10個。60—80 cm土層含鹽量≤2 g/kg的采樣點下降到48個；含鹽量在2～4 g/kg的采樣點增加到26個；含鹽量大于4 g/kg的采樣點為8個。80—100 cm土層含鹽量≤2 g/kg的采樣點只有40個；含鹽量在2～4 g/kg的采樣點增加到33個；含鹽量大于4 g/kg的采樣點為8個。由此可見，在1 m土體內(nèi)，隨著土層的加深，土壤含鹽量逐漸增多，鹽分多在40—100 cm土層聚集。

圖1 各土層鹽分含量及分級表3 曲周縣不同土層各鹽分離子的平均含量

g/kg

2.3 微地貌對土壤含鹽量的影響

由圖2，3，4可知，河北省曲周縣內(nèi)研究區(qū)域的9個采樣點由西向東微地貌發(fā)生了明顯的變化，即整體上出現(xiàn)先增高后降低的趨勢，而土壤鹽分含量也隨微地貌的變化而出現(xiàn)一定程度的增減變化。具體變化狀況如圖2—4及表4所示。

圖2 河北省曲周縣內(nèi)研究區(qū)域土壤斷面分布表4 河北省曲周縣內(nèi)研究區(qū)域各采樣點土壤斷面狀況

項 目采樣點四瞳水廠四瞳酒廠西實驗站北實驗站東支漳河西王莊村西南杏園有機肥廠北龍?zhí)媚贤鯓谴逦鞯?貌決口畸形地河間洼地支漳河故道決口畸形地河間微傾平原河間微傾平原河間洼地河間微傾平原河間洼地表層土壤質(zhì)地重 壤砂 壤輕 壤輕 壤輕 壤輕 壤輕 壤輕 壤中 壤

其中，四疃酒廠(寧魏線西四疃水廠西北角以北30 m)的海拔高度為最高38.0 m，其土壤鹽分含量最高為1.12 g/kg，其表層土壤為砂壤；南王樓村西(支漳河以西213 m四龍公路以北100 m)采樣點最低，為35.6 m，土壤鹽分含量最低，為0.65 g/kg，表層質(zhì)地為輕壤，說明在此區(qū)間內(nèi)土壤鹽分含量變幅隨著微地貌的起伏而變化，并表現(xiàn)出很好的相關(guān)性(圖4)，其相關(guān)指數(shù)R2=0.76，這與鄭琦等[23]對瑪納斯河流域研究結(jié)果不同。在土壤鹽漬化過程中，微地貌因素(土地類型)至關(guān)重要，地形的高低起伏，影響地面、地下徑流的運動，土壤中的水分和鹽分也就隨之發(fā)生分異和積累，其鹽分組成及離子比例、積鹽、脫鹽過程存在差異[24-25]。

圖3各位點土樣鹽分隨海拔高度的變化圖4土壤鹽分含量和海拔高度的相關(guān)分析

2.4 土體構(gòu)型對土壤含鹽量及離子組成的影響

圖5d中試驗站東(36.4 m)的土體構(gòu)型為輕壤—輕壤—輕壤—沙壤—重壤。由于通體是輕壤或沙壤，通透性較強，鹽分容易隨水上升到地表而聚積，因此表聚現(xiàn)象較為明顯。

由圖5e可以看出，支漳河西的觀測點(35.9 m)土體構(gòu)型為：輕壤—輕壤—輕壤—沙壤—沙壤—中壤—沙壤。土壤全鹽含量以18—40 cm的輕壤層、71—108 cm的中壤層和108 cm以下的沙壤層為高，分別達到了3.23，4.94，5.19 g/kg，并有隨著土層的加深而聚積增加的趨勢。

由圖5f所示，王莊村西南(36.3 m)的土體構(gòu)型為輕壤—輕壤—沙壤—黏土—沙壤，并且在69—100 cm的黏土層和100 cm以下的沙壤層出現(xiàn)銹斑和繡紋，土壤全鹽含量主要以30—69 cm的沙壤層和69—100 cm土層居多，分別達到了2.35，2.44 g/kg。

圖5g中可以看出杏園有機肥廠觀測點(36.6 m)的土體構(gòu)型為：輕壤—輕壤—輕壤—沙壤—中壤—黏土，銹斑出現(xiàn)在85—102 cm的中壤層中。0—85 cm土層土壤全鹽含量表現(xiàn)出由高到低的變化趨勢，從85—102 cm的中壤和102 cm以下的黏土層，則表現(xiàn)出土壤鹽分的積累，達到了1.77，2.59 g/kg。

圖5h北龍?zhí)糜^測點(36.1 m)的土體構(gòu)型為：輕壤—輕壤—輕壤—中壤—沙壤—沙壤—重壤。在56—72 cm出現(xiàn)了重壤層，因此，其全鹽含量達到了1.71 g/kg，在99—112 cm沙壤層出現(xiàn)了銹斑。

圖5i南王樓村觀測點(35.6 m)的土體構(gòu)型為：輕壤—中壤—輕壤—黏土—沙壤。在85—134 cm黏土層出現(xiàn)了銹斑銹紋。在33—85 cm的輕壤層和85—134 cm土層有鹽分的聚積，分別達1.72和1.69 g/kg。

圖5 各個點位各鹽分離子含量隨的土壤層次及質(zhì)地的變化

2.5 地下水埋深的周年變化及其對土壤鹽分的影響

地下水埋深是土壤發(fā)生鹽漬化的決定性條件之一[27]。如圖6所示，由曲周縣1998—2012年5,9月各觀測站測得的數(shù)據(jù)可知，5月的地下水位普遍較低，且較穩(wěn)定；9月份的地下水位較高，且變異性較大。2004年是豐水年，經(jīng)測定地下水埋深達到了6 m以上，而其余年份的埋深基本保持在7—10 m。從年內(nèi)變化來看，曲周縣在3—4月開始春灌，因此在5—6月地下水位通常達到最低。在7—8月降水量增加，雨季降水對地下水的補給通過深層土壤的滯蓄,使地下水埋深有所回升[28]，故9月份同5月份相比地下水得到補給，水位上升?！胞}隨水來，鹽隨水去”，土壤水分的運移將會對土壤鹽分運動產(chǎn)生重要的影響[29]。土壤鹽分主要通過潛水蒸發(fā)由地下水帶至土壤耕層，Miyamoto等[30]通過研究發(fā)現(xiàn)長期用微咸水灌溉是造成土壤鹽分含量增加的最主要原因。也有研究表明地下水位較淺時，即使地下水鹽分含量較少，由于蒸發(fā)進入土壤中的水分較多也會攜帶較多的鹽分，使土壤積鹽[21,31]。因此，只有將地下水位控制在不致于因蒸發(fā)強度太大而使土壤表層積鹽的深度，土壤才有可能不會發(fā)生鹽漬化現(xiàn)象。

圖6 曲周縣多年平均地下水埋深變化過程

3 結(jié) 論

本文通過長期田間微咸水灌溉試驗、土壤剖面形態(tài)觀測、曲周縣域1 m土體分層鹽分分析，從海拔高度、土層深度、地下水埋深、土體構(gòu)型幾個方面對曲周境內(nèi)土壤鹽分含量分布作了一定研究，得出以下結(jié)論：

(1) 8 a的田間試驗說明在40—100 cm土體鹽分增量最高，降雨和灌溉對土壤的淋洗作用主要影響0—40 cm土體，導致鹽分淋洗到下層土體并聚集。在干旱年份，充分咸水灌溉處理的土體含鹽量比整個試驗高出了2～3倍，因此在干旱年利用微咸水灌溉需要慎重。

(2) 在對全縣82個采樣點的測定中，發(fā)現(xiàn)0—20 cm土層含鹽量基本上處于非鹽化狀態(tài)；20—40和40—60 cm土層含鹽量以≤2 g/kg的為主；60—80和80—100 cm土層含鹽量在2～4 g/kg的采樣點分別增加到26和33個、含鹽量大于4 g/kg的采樣點各為8個?？梢姡? m土體內(nèi)，隨著土層的加深，土壤含鹽量逐漸增多，且鹽分多在40—100 cm土層聚集。

(3) 海拔高度為38.0 m的點(最高)，土壤鹽分最高為1.12 g/kg；海拔最低的點，土壤鹽分含量最低為0.65 g/kg，并表現(xiàn)出很好的相關(guān)性，其相關(guān)指數(shù)R2=0.76，說明在黑龍港流域，微地貌的高低起伏，影響地面、地下徑流的運動，土壤中的水分和鹽分也就隨之發(fā)生分異和積累。

(5) 多年監(jiān)測結(jié)果表明，黑龍港流域5月的地下水位普遍較低，且較穩(wěn)定；9月份的地下水位較高，且變異性較大，且有逐年上升的趨勢。因此，只有將地下水位控制在不因蒸發(fā)強度太大而使土壤表層積鹽的深度，該區(qū)域土壤才有可能不會發(fā)生鹽漬化現(xiàn)象。