地中海氣候條件下干旱型鹽漬土壤空間分布特征及改良對策

王 斌 ，黃高鑒 ，樊修武 ，聶 督 ，孫 捷 ，張 強(qiáng)

（1.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所，山西太原030031；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山西太谷030801；3.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所，山西太原030031；4.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)，山西太原030031）

鹽漬土在世界范圍內(nèi)廣泛存在，全球面積約為9.5 億hm2，主要分布在澳大利亞、前蘇聯(lián)和我國[1]。地中海沿岸國家約分布有1 000 萬hm2鹽堿地，約占全球總面積的1%[2]，其中，西班牙有340 萬hm2、土耳其有200 萬hm2、阿爾及利亞有100 萬hm2[3]。地中海氣候的主要特點(diǎn)是雨熱不同期，高溫時期少雨、低溫時期多雨，即夏季炎熱干燥、冬季溫和多雨，因其主要影響區(qū)域在地中海沿岸國家而得名[4]。

進(jìn)行鹽漬土壤空間變異特征研究是對鹽漬土進(jìn)行科學(xué)改良利用的前提和基礎(chǔ)[5]，利用GIS 技術(shù)結(jié)合土壤鹽分分布數(shù)據(jù)進(jìn)行鹽漬土壤空間分布的描述，是目前最為有效的技術(shù)措施[6]。地中海氣候條件下干旱型鹽堿區(qū)與我國內(nèi)陸干旱鹽堿區(qū)氣候特征完全不同，直接影響著土壤水鹽運(yùn)動規(guī)律，進(jìn)而影響著鹽分的空間分布[7-10]。因此，不能將我國內(nèi)陸干旱型鹽堿區(qū)的改良措施直接套用在地中海地區(qū)，必須摸清地中海氣候條件下土壤空間變異特征[11-13]，才能確定適合當(dāng)?shù)佧}堿地改良利用的途徑和技術(shù)體系[14-17]。目前，地中海氣候條件下干旱鹽漬土壤的空間分布特征研究還未見報道。

本研究以GIS 為平臺，對地中海氣候條件下干旱型鹽堿土壤的平面和垂直分布特征進(jìn)行了空間分析，并對試驗區(qū)土壤鹽漬化的成因進(jìn)行了研究，還提出了相應(yīng)的改良措施，最后展示了實際的改良效果，旨在為北非地中海條件下干旱型鹽漬土改良提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

2012—2015 年我國政府開展了援助阿爾及利亞鹽漬土壤改良與利用項目，山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境與資源研究所作為商務(wù)部指定的技術(shù)支持單位，赴阿爾及利亞進(jìn)行為期3 a 的鹽堿地改良，并取得了良好的田間效果和社會反響。阿爾及利亞位于非洲西北部，北臨地中海，國土面積238 萬km2，2013 年總?cè)丝? 790 萬，北部沿海地區(qū)屬地中海氣候。

如圖1 所示，試驗地設(shè)在阿爾及利亞西北部赫立贊省阿國家農(nóng)業(yè)科學(xué)院哈馬德納試驗站內(nèi)（東經(jīng)0°47′00″，北緯 35°54′00″），海拔為 48 m；年平均降雨量150～350 mm，年平均蒸發(fā)量1 000～1 400 mm，蒸降比為5∶1 左右；屬典型的地中海氣候，屬典型的內(nèi)陸干旱型鹽堿區(qū)。

1.2 試驗方法

對試驗區(qū)16 hm2鹽漬土表層土采用網(wǎng)格取樣法進(jìn)行取樣，30 m×30 m 一個網(wǎng)格，共取樣108 個，每個樣點(diǎn)取土深度為0～20 cm，混合后采用四分法留樣500 g 左右，具體采樣點(diǎn)分布如圖2 所示。另外，在試驗地典型土壤區(qū)域，分4 層進(jìn)行1.2 m 土壤剖面的取樣，取樣時間均為2012 年9 月。

1.3 測定項目及方法

土樣經(jīng)自然風(fēng)干、粉碎機(jī)研磨、過2 mm 篩后待測。EC（5∶1）采用電導(dǎo)法進(jìn)行測定（電導(dǎo)儀型號為SGT-ELR742）；pH 采用土壤活性酸進(jìn)行測定；土壤全鹽量和含水率采用重量法進(jìn)行測定；SO42-、Cl-、Na+、Ca2+、Mg2+、K+采用離子色譜儀進(jìn)行測定；HCO3-采用滴定法進(jìn)行測定；陽離子交換量（CEC）采用乙酸銨交換法進(jìn)行測定；交換性鈉含量采用原子發(fā)射光度法進(jìn)行測定；ESP（堿化度）由陽離子交換量和交換性鈉計算獲得；土壤容重采用環(huán)刀法進(jìn)行測定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

本試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2007 進(jìn)行整理和分析；采用Surfer 9.0 軟件制圖；采用Kriging法進(jìn)行空間插值。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗區(qū)土壤鹽漬化基本特征分析

表1 試驗區(qū)鹽漬土基本特性（n＝36）

從表1 可以看出，耕層土壤pH 值平均為8.25左右，EC 值平均為2.42 mS/cm 左右。

如表2 所示，試驗區(qū)鹽漬土水溶性陰離子以氯化物為主（占陰離子總量的70%以上），陽離子以鈉離子為主（占陽離子總量的80%以上），屬中重度氯化物鹽化土。

表2 試驗區(qū)鹽漬土水溶性離子含量（1∶5 水土比）（n＝36） cmol/kg

從表3 可以看出，耕層土壤容重為1.4 g/cm3左右，屬于堅實土壤，且隨著土層深度的增加，土壤容重也在增加，其最高達(dá)1.77 g/cm3；表層土壤含水率整體偏低，屬中等偏干性土壤，隨著土層深度的增加土壤含水率逐漸增加。據(jù)當(dāng)?shù)赝寥蕾Y料，土壤中黏土成分占總成分的65.5%，淤泥含量為26.99%，沙質(zhì)含量約占總含量的7.51%，土體結(jié)構(gòu)差，非常黏重。

表3 試驗區(qū)土壤剖面各層含水率和容重

2.2 試驗區(qū)鹽堿土壤EC、pH 空間分布分析

試驗區(qū)0～20 cm 土壤EC 值為0.21～11.96 mS/cm，平均為 2.42 mS/cm，變異系數(shù)（CV）為 79%，屬強(qiáng)變異性，85%的EC 值分布在1.0～2.2 mS/cm，總體來看，屬于中重度鹽化土。從圖3 可以看出，試驗地0～20 cm 鹽漬土壤EC 值呈東北—西南向分布，西北區(qū)域EC 值大于4 mS/cm，屬重度鹽化土；中間區(qū)域EC 值大于2 mS/cm 而小于4 mS/cm，屬中重度鹽化土；東南區(qū)域EC 值小于2 mS/cm，屬中輕度鹽化土。

0～20 cm 土壤 pH 值為 7.76～8.90，平均為8.25，變異系數(shù)（CV）為2%，屬弱變異性，80%的pH值分布在8.0～8.5，總體來看，屬于輕度堿化土。從圖4 可以看出，試驗地0～20 cm 鹽漬土壤pH 和EC 值空間分布大致相同，也呈東北—西南向分布，西北區(qū)域pH 值大于8.5，屬中度堿化土；中間區(qū)域pH 值大于8 而小于8.5，屬中輕度堿化土；東南區(qū)域pH 值小于8，屬輕度堿化土。

從空間分布來看，鹽化和堿化最重的區(qū)域位于試驗區(qū)的西北角，這一區(qū)域EC＞4 mS/cm，pH＞8.5，屬重度鹽堿地，約占試驗區(qū)總面積的25%；東南角屬于鹽堿最輕的區(qū)域，EC＜1 mS/cm，pH＜8，約占試驗區(qū)總面積的23%；而中間區(qū)域鹽堿程度為中度，EC 和pH 位于中值，約占試驗區(qū)總面積的52%。該空間分布與試驗區(qū)的地形地貌和地下水埋深等因素有關(guān)，了解了EC 和pH 的空間分布狀況，有利于實施更精準(zhǔn)的改良措施。

2.3 試驗區(qū)鹽堿土壤垂直分布特征分析

從表4 試驗區(qū)土壤剖面的EC 值可以看出，土壤表層并未產(chǎn)生鹽分聚集，在20 cm 土層以下土壤鹽分明顯高于上層，土體自上而下鹽分顯著增加，這是由于在地中海氣候條件下，雨熱不同期，地表蒸發(fā)強(qiáng)烈，水分耗損的速度大于毛管水補(bǔ)給的速度，使得在毛管中運(yùn)移的鹽分未運(yùn)移到地表即出現(xiàn)毛管斷裂現(xiàn)象，鹽分很難聚集到地表；再加上試驗區(qū)土壤過于黏重，黏土的毛管孔隙直徑較小，地下水藉土壤毛管上升運(yùn)行的速度較慢。這種鹽漬土壤鹽分垂直分布狀況有利于耕層淡化，在耕作層的作物種子也因此免受生理干旱的脅迫，容易發(fā)芽出苗，從而形成地表綠色覆蓋、減少土壤表面蒸發(fā)和抑制鹽分表聚。土壤表層Cl-、Na+這2 個最重要的鹽基離子也未產(chǎn)生表聚現(xiàn)象，這與EC 值的垂直分布特征一致。

表4 試驗區(qū)土壤剖面鹽分分布特征

2.4 試驗區(qū)鹽堿土形成原因分析

內(nèi)陸干旱型鹽堿地形成的原因主要有氣候、地形、母質(zhì)、地下水和人類活動等[18-20]。氣候干旱會導(dǎo)致蒸降比增大，地勢低洼使得鹽分聚集，且排水不良，成土母質(zhì)本身鹽分含量較高，地下水埋深較淺，礦化度高，人類不合理地灌溉等都會造成內(nèi)陸干旱區(qū)土壤鹽漬化[21-23]。

2.4.1 氣候原因 由圖5 可知，在地中海氣候條件下，夏季5 月下旬作物成熟后至9 月下旬為旱季，5 月作物成熟時已將耕層（0～20 cm）內(nèi)可移動的水分消耗殆盡，土壤毛管中運(yùn)移的鹽分未來得及運(yùn)移到地表土層已出現(xiàn)斷裂，阻止了“鹽隨水來”的土壤水分條件，這一時期蒸降比雖然快速上升，且達(dá)到高峰后下降，但不會造成表層積鹽。9 月開始降水增多，一直到第2 年4 月，屬于雨季，這一期間蒸發(fā)量經(jīng)歷了逐漸降低至最低值一段時間后又逐漸升高的過程，積鹽過程主要集中在9—10 月和3—5 月；而11 月至第2 年2 月由于降水量大，蒸發(fā)量小，土壤處于排鹽過程。總之，在地中海氣候條件下，干旱型鹽堿地積鹽時期為3～4 個月，排鹽時間為3～4 個月，其余時間為穩(wěn)定期，積鹽時期與我國干旱型鹽堿區(qū)大致相同，但排鹽期和穩(wěn)定期不同。

2.4.2 地下水、地形和其他原因 試驗區(qū)地處謝利夫平原（Chéliff），當(dāng)?shù)氐牡叵滤Y源水質(zhì)較差，含鹽量較高（表5）。且試驗區(qū)由于地勢洼陷，排水系統(tǒng)不完善，再加上土壤黏重，排水不暢，容易形成土壤通體積鹽，而非表聚；當(dāng)?shù)胤N植習(xí)慣也無地膜覆蓋、秸稈覆蓋等保水壓鹽措施，很少施有機(jī)肥，土壤結(jié)構(gòu)性較差，這些也是當(dāng)?shù)赝寥利}漬化的重要影響因素。

表5 謝利夫平原地區(qū)27 個鉆井水樣生物化學(xué)分析

2.5 相對應(yīng)改良對策

2.5.1 節(jié)水灌溉 節(jié)水灌溉有利于土壤鹽堿化的防治[7]。針對當(dāng)?shù)馗珊?、可利用水資源匱乏的現(xiàn)狀，試驗區(qū)鹽堿地治理不適合使用我國普遍使用的漫灌洗鹽方式，而應(yīng)以節(jié)水灌溉為主。節(jié)水灌溉既可減少灌溉用水量，又可以減少由灌溉水帶入土體中的鹽分，也可防止因過量灌溉而引起地下水位的抬高，從而抑制地下水位和下層土體中的鹽分向上運(yùn)移。

2.5.2 保護(hù)性耕作 由于當(dāng)?shù)赝寥鲤ぶ?，宜采用保護(hù)性耕作措施。保護(hù)性耕作采用免耕、少耕、秸稈地表覆蓋、土壤深松等技術(shù)，具有保護(hù)表層土壤結(jié)構(gòu)、減少地表蒸發(fā)、增加表層土壤有機(jī)質(zhì)、降低出苗風(fēng)險的特點(diǎn)[24-26]。保護(hù)性耕作技術(shù)在當(dāng)?shù)佧}漬土壤上的應(yīng)用主要是基于作物殘茬覆蓋和摻混，抑制土壤水分蒸發(fā)，阻止土壤鹽分上移，增加土壤有機(jī)質(zhì)，以肥抑鹽。再者，當(dāng)?shù)赝寥劳w積鹽，實施保護(hù)性耕作不會將土壤下層的鹽分翻到表層。

2.5.3 施用改良劑 當(dāng)?shù)赝寥篮入x子和鈉離子較高，可通過添加石膏等含鈣改良劑，直接與土壤膠體進(jìn)行鈉離子交換[27]，或使用酸性物質(zhì)，加速土體中的鈣離子溶解，進(jìn)而與鈉離子交換，同時硫酸根離子的添加也改變了表層土壤氯離子含量過高的比例關(guān)系[28-29]，降低了氯鹽危害。

2.5.4 綜合改良技術(shù) 鹽漬土單靠一種改良技術(shù)難以治理，各項技術(shù)體系的集成耦合可以增加改良成功的概率[15-16]。除上述改良措施以外，修建適宜的排水系統(tǒng)和土地平整是進(jìn)行鹽堿改良的前提和基礎(chǔ)；在當(dāng)?shù)貧夂驐l件下，如適期早播可使地表盡早形成綠色覆蓋，有效減少土壤蒸發(fā)[30-31]，可降低積鹽程度；小麥?zhǔn)斋@后復(fù)播C4 作物如玉米等，既可增加農(nóng)田產(chǎn)出，又可培肥土壤，有利于鹽堿治理，也可種植綠肥進(jìn)行翻壓，增加地面覆蓋和土壤有機(jī)質(zhì)[32-33]。

2.6 改良效果

在摸清試驗區(qū)土壤鹽漬化基本特征、鹽分空間分布和垂直分布的基礎(chǔ)上，分析了當(dāng)?shù)赝寥利}堿化的原因，可以有針對性地應(yīng)用綜合改良措施。

從圖 6～8 可以看出，改良 3 a 后，0～20 cm 鹽漬土壤堿化度（ESP）逐年下降，由16.7%降至12.1%，降低了 4.6 百分點(diǎn)；0～20 cm 鹽漬土壤 EC 值由2.5 mS/cm 降至1.3 mS/cm，降低了48%；0～20 cm鹽漬土壤容重由1.402 g/cm3降至1.234 g/cm3，降低了12%。

3 結(jié)論與討論

在地中海氣候條件下，鹽漬土壤耕層EC、Cl-、Na+等重要鹽基成分未呈現(xiàn)表聚特點(diǎn)，與國內(nèi)鹽堿區(qū)氣候條件相比，更有利于改良與利用。但當(dāng)?shù)赝寥烙捎谑艿叵滤|(zhì)、地形、土壤質(zhì)地等因素的影響，鹽分呈現(xiàn)通體分布，屬中重度氯化物鹽化土，土壤理化性狀惡化，加重了改良和利用的難度。

本研究結(jié)果表明，空間分布上，土壤pH 和EC呈東北—西南向分布，鹽化和堿化最重的區(qū)域位于試驗區(qū)的西北角，這一區(qū)域EC＞4 mS/cm，pH＞8.5，約占試驗區(qū)總面積的25%；鹽堿最輕的區(qū)域位于東南角，約占試驗區(qū)總面積的23%，EC＜1 mS/cm，pH＜8；而中間區(qū)域鹽堿程度為中度，EC 和pH 位于中值附近，約占試驗區(qū)總面積的52%。

當(dāng)?shù)佧}堿土的主要成因是蒸降比大、地下水質(zhì)較差、地形低洼、排水不暢、土壤黏重、不合理的灌溉和耕作措施等。相應(yīng)的改良措施應(yīng)包括節(jié)水灌溉、保護(hù)性耕作、施用改良劑、修建排水系統(tǒng)、增加地表覆蓋和有機(jī)質(zhì)投入等措施，且各種措施應(yīng)該綜合使用。

地中海氣候條件下的干旱型鹽堿土與其他氣候區(qū)域的干旱型鹽堿土相比，盡管鹽分表聚較少，但土壤通體鹽分含量較高，且理化性狀差，改良難度較大。國內(nèi)干旱型鹽堿區(qū)為雨熱同期，積鹽期為3—5 月、9—10 月，脫鹽期為 6—8 月，11 月至第 2 年2 月為相對穩(wěn)定期；而研究地干旱型鹽堿區(qū)雨熱不同期，積鹽期為 3—5 月、9—10 月，脫鹽期為 11 月至第2 年2 月，6—8 月為相對穩(wěn)定期。二者相比，積鹽期基本相同，脫鹽期和相對穩(wěn)定期正好相反，主要是由降水期不同而造成的。下一步將土壤鹽分時間變化因素進(jìn)行研究，以確定地中海氣候條件下水鹽運(yùn)動規(guī)律，為更精準(zhǔn)地改良當(dāng)?shù)佧}漬土提供理論依據(jù)。