鹽漬化灌區(qū)耕地-荒地-沙地水鹽分布及鹽分累積特征

王銀環(huán),劉 霞，胡小東，喬 天

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)

土壤鹽漬化與水資源不足是制約內(nèi)蒙古河套灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的主要因素。干旱半干旱灌區(qū)地下水位高，強(qiáng)烈蒸發(fā)作用使土壤母質(zhì)和地下水中鹽分積聚土壤表層，產(chǎn)生土壤鹽漬化[1]，同時(shí)灌區(qū)特有的耕地和荒地交錯(cuò)分布格局使土壤鹽堿化問(wèn)題朝良性方向發(fā)展[2]。蘇閱文[3]在義長(zhǎng)灌域研究結(jié)果表明：在蒸發(fā)和灌溉綜合影響下，耕荒地土壤積鹽與脫鹽交替進(jìn)行。王國(guó)帥等[4]等對(duì)耕地-荒地-海子系統(tǒng)構(gòu)建水量和鹽量平衡模型，揭示土壤水鹽在灌溉和秋澆期不同系統(tǒng)間的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。郭勇等[5]等對(duì)農(nóng)田-防護(hù)林-荒漠復(fù)合系統(tǒng)研究表明各景觀單元土壤含鹽量具有顯著的季節(jié)波動(dòng)、水平遞變和垂直分層特征。楊軍等[6]研究發(fā)現(xiàn)自然條件下龜裂堿土0～40 cm土層鹽分變化活躍，積鹽與脫鹽交替進(jìn)行。晉建[7]利用HYDRUS-2D模型模擬分析不同灌水量和灌水次數(shù)情景下對(duì)土壤鹽分運(yùn)移的影響。余根堅(jiān)等[8]利用HYDRUS數(shù)值模擬分析得出溝灌能有效控制土壤積鹽。王水獻(xiàn)等[9]利用數(shù)值模擬建立田間二維尺度水鹽運(yùn)移模型，制定了合理灌溉制度。李亮[10]研究表明荒地鹽分主要積聚在表層土壤中，同時(shí)能抑制土壤蒸發(fā)。He等[11]在華北沖積平原區(qū)的研究表明不同粘土層厚度及土層位置對(duì)鹽分的累積差異十分明顯。Cichota等[12]研究灌溉強(qiáng)度對(duì)溶質(zhì)優(yōu)先遷移的影響，研究表明土壤及排水系統(tǒng)中可溶物質(zhì)的遷移與降雨量、灌水量及灌溉頻率密切相關(guān)，表明滴灌溶質(zhì)的分布更加均勻。Mmolawa等[13]提出種植作物條件下水和溶質(zhì)的入滲及再分布依賴于灌溉方法、土壤類型、作物根系分布、水和溶質(zhì)的吸收模式和速率等。楊勁松等[14]通過(guò)對(duì)綠洲灌區(qū)-農(nóng)區(qū)-耕層3個(gè)尺度進(jìn)行了水鹽均衡分析；岳衛(wèi)峰等[15]建立了非農(nóng)區(qū)-農(nóng)區(qū)-水域的水鹽運(yùn)移及均衡模型，論證了義長(zhǎng)灌域內(nèi)鹽荒地及水域的旱排能力非常大，提出了排水和旱排的重要性，但未考慮灌域內(nèi)沙丘及沙地的排鹽作用。

本文以河套灌區(qū)典型耕地及鹽堿荒地詳解區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，旨在探究耕地、荒地和沙地水分、總鹽、鹽分離子時(shí)空遷移規(guī)律，不同類型土壤積鹽特征與鹽分離子對(duì)土壤積鹽量的影響。采用逐步回歸分析建立土壤積鹽預(yù)測(cè)模型，為1.2 m深土壤鹽分預(yù)測(cè)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于內(nèi)蒙古河套灌區(qū)巴彥淖爾市沙壕渠東南部張連生海子水域區(qū)，北緯49°19′～41°18′，東經(jīng)106°20′～109°19′，海拔1 030～1 050 m。地處干旱半干旱氣候帶，屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，降水量少，蒸發(fā)量大，晝夜溫差大，日照時(shí)間長(zhǎng)。試驗(yàn)區(qū)概況如圖1所示，耕地位于試驗(yàn)區(qū)中央，其東南為沙丘，耕地西部為鹽荒地，最西部是張連生海子水域。試驗(yàn)區(qū)的氣象資料見圖2，2014—2017年試驗(yàn)期間年均降水量約為104.23 mm，平均氣溫為20.52℃，蒸發(fā)量為2 100 mm。河套灌區(qū)地下水以潛水為主，主要來(lái)源于農(nóng)田灌溉入滲和各級(jí)渠道滲漏水量，試驗(yàn)區(qū)地下水位變化見圖3，耕、荒、沙地地下水位多年均值分別為2.5、2.8、2.9 m。試驗(yàn)區(qū)土壤鹽堿狀況見表1。

表1 試驗(yàn)區(qū)土壤初始鹽堿狀況

圖1 試驗(yàn)區(qū)概況Fig.1 A schematic diagram of the experimental area

圖2 試驗(yàn)區(qū)降雨量與氣溫Fig.2 Rainfall and air temperature distribution in the experimental area

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與測(cè)定指標(biāo)

采用地面灌溉，灌水時(shí)間及灌水量如表2所示。在耕地、荒地、沙地分別設(shè)置2個(gè)平行取樣點(diǎn)，取樣深度為0～120 cm，分7層(0～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～100、100～120 cm)測(cè)定土壤的含水量、全鹽、pH值及八大離子；同時(shí)在耕地、荒地、沙地及海子附近設(shè)置地下水觀測(cè)孔，測(cè)定地下水位、地下水的礦化度及鹽分離子含量。土壤儲(chǔ)鹽量計(jì)算公式：

Sa=Σ(Sti×Di×Li/10)

(1)

式中,Sa為土壤儲(chǔ)鹽量(t·hm-2)；Sti為土壤某層次全鹽量(g·kg-1)；Di為某層次土壤容重(g·cm-3)；Li為土壤層次深度(cm)。

試驗(yàn)區(qū)在2014、2016年種植玉米，2015、2017年種植葵花。

1.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)整理分析采用Excel 2017，三維等值線圖及柱狀圖繪制采用Origin 2017與R語(yǔ)言，相關(guān)關(guān)系分析與主成分分析采用SPSS 20軟件進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 耕地-荒地-沙地土壤水分垂直分布特征

試驗(yàn)區(qū)包括耕地-荒地-沙地不同土地利用組合區(qū)。耕地的灌溉水主要耗水于土壤蒸發(fā)和作物蒸騰作用，同時(shí)通過(guò)土壤滲補(bǔ)給地下水。灌溉期對(duì)耕地地下水的補(bǔ)給遠(yuǎn)大于地下水的潛水蒸發(fā)，導(dǎo)致耕地地下水位升高，通過(guò)側(cè)向補(bǔ)給地下水向荒地及沙地流動(dòng)。耕地、荒地、沙地0～120 cm土層含水率分布規(guī)律如表3所示，耕、荒、沙地均表現(xiàn)為隨土層深度加深土壤含水率增大，變異系數(shù)減小，土壤含水率變化范圍分別為13.31%～26.54%、16.45%～27.22%、1.81%～17.81%。0～10 cm土層變異系數(shù)較大，分別為23.61%、10.91%和104.05%,表明耕、荒、沙地土壤水分分布不均，土壤含水量差異較大。耕地0～40 cm土層受灌溉和耕作影響，土壤水分變異性較大，水分運(yùn)動(dòng)較為劇烈?；牡乇韺臃e鹽明顯，形成鹽殼，抑制土壤水分蒸發(fā)，土壤含水量相對(duì)穩(wěn)定。沙地含水率低于耕地與荒地，表層僅為0.03%。

圖3 2014—2017年耕地-荒地-沙地地下水埋深變化Fig.3 Change of groundwater depth in cultivated, waste and sandy land from 2014 to 2017

2.2 耕地-荒地-沙地不同深度土壤鹽分累積特征

耕地、荒地、沙地土壤剖面積鹽時(shí)空分布如圖4所示，由圖4(a)可以看出，耕地0～120 cm土層年均積鹽量約為2.63 t·hm-2，種植不同作物的耕地土壤積鹽量均呈現(xiàn)隨土壤深度增加而增大的趨勢(shì)，同時(shí)鹽分累積主要集中在春季和秋季收獲期。春匯后耕地土壤鹽分向下遷移，土壤積鹽量減少約2.1 t·hm-2,灌水間歇期,隨水分蒸發(fā)及灌水后地下水位升高，毛管水上升補(bǔ)給土壤，造成土壤返鹽，0～10 cm土層約累積0.76 t·hm-2。作物整個(gè)生育期內(nèi)0～120 cm土層土壤脫鹽較少，約為0.59 t·hm-2，由于2014、2016年和2017年未秋澆，作物收獲后土壤積鹽約1.83 t·hm-2，而2015年11月5日進(jìn)行秋澆后，作物收獲后，0～40 cm土層呈現(xiàn)脫鹽狀態(tài)，脫鹽量約為0.7 t·hm-2,而在40～120 cm土層約有0.27 t·hm-2鹽分聚積。由圖4(b)可以看出，荒地積鹽表聚明顯，積鹽量隨土層深度加深呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，約70%的鹽分聚積在表層,春匯后最高可達(dá)39.85 t·hm-2，與耕地變化趨勢(shì)相反，且荒地積鹽量遠(yuǎn)大于耕地，0～120 cm土層土壤積鹽量約為9.46 t·hm-2，耕地灌水后，荒地鹽分增加，0～10 cm表層增加較為顯著，荒地成為耕地的“鹽庫(kù)”。由圖4(c)可以看出，沙地積鹽趨勢(shì)與耕地相似，與荒地相反。沙地0～120 cm積鹽量約為5.27 t·hm-2,小于耕地，隨土層深度加深積鹽量增加，耕地灌水后沙地0～10 cm表層鹽分減少，40～120 cm土層鹽分增加，主要是由于耕地地下水補(bǔ)給沙地，沙地毛管作用弱，隨水分蒸發(fā)向上遷移量小。

2.3 耕地-荒地-沙地全鹽累積量與鹽分離子之間的關(guān)系

表2 試驗(yàn)區(qū)灌水時(shí)間及灌水量

表3 試驗(yàn)區(qū)0～120 cm土層土壤平均含水率統(tǒng)計(jì)特征值

圖4 2014～2017年耕、荒、沙地土壤積鹽量Fig.4 Soil salinity map of cultivated, waste and sandy lands in 2014-2017

注：G-耕地; H-荒地; S-沙地; ** 在置信度(雙測(cè))為 0.01 時(shí)，相關(guān)性是顯著的; *在置信度(雙測(cè))為 0.05 時(shí)，相關(guān)性是顯著的。Note: G-cultivated land; H-waste land; S-sandly land. ** The correlation was significant at a confidence level (bilateral) of 0.01; * The correlation was significant at a confidence level (bilateral) of 0.05.圖5 耕地、荒地、沙地積鹽量與鹽分離子相關(guān)關(guān)系Fig.5 Correlation between salt accumulation and salt ions in cultivated, waste and sandy land

2.4 土壤積鹽主控因子的識(shí)別

F1=-0.034X1+0.843X2+0.744X3

+0.117X4+0.051X5+0.095X6

(2)

F2=-0.003X1+0.292X2+0.36X3

+0.816X4+0.853X5-0.276X6

(3)

F3=-0.98X1-0.18X2-0.305X3

+0.092X4-0.128X5+0.122X6

(4)

荒地提取出2個(gè)主成分，能反映6個(gè)離子的75.67%的信息。其中第一主成分F1可反映57.97%原變量的信息，包含的信息最多；第二主成分F2可以反映17.70%原變量的信息。根據(jù)中心化及因子旋轉(zhuǎn)后的特征向量值列出土壤積鹽主成分表達(dá)式如下(5)～(6)式所示。

F1=-0.094X1+0.259X2+0.244X3

+0.192X4+0.235X5+0.262X6

(5)

F2=-0.936X1-0.139X2+0.179X3

-0.107X4-0.054X5-0.08X6

(6)

沙地提取出2個(gè)主成分，前2個(gè)主成分能反映6個(gè)離子66.84%的信息，其中第一主成分F1可以反映41.31%原變量的信息，所包含的信息最多，第二主成分F2可以反映25.53%，根據(jù)中心化及因子旋轉(zhuǎn)后的特征向量值列出土壤積鹽主成分表達(dá)式如下(7)～(8)式所示。

F1=0.014X1+0.357X2+0.288X3

-0.247X4+0.13X5+0.44X6

(7)

F2=0.378X1-0.02X2-0.075X3

+0.730X4+0.260X5-0.174X6

(8)

2.5 土壤積鹽統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)分析

采用逐步回歸分析方法，以上述X1～X6個(gè)主要鹽分離子為自變量，分別以耕荒沙地0～120 cm土壤積鹽量均值為因變量(Y1、Y2、Y3)，建立0～120 cm土層土壤積鹽量線性回歸預(yù)測(cè)模型，為預(yù)測(cè)耕荒沙地積鹽量提供相關(guān)的理論依據(jù)。表4為耕荒沙地線性回歸模型計(jì)算結(jié)果，在1.2 m土層中，耕地X1變量在積鹽量模型中的Pearson相關(guān)系數(shù)為0.652，說(shuō)明土壤積鹽量變化的65.2%可以由此模型解釋，荒地X6變量在積鹽量模型中的Pearson相關(guān)系數(shù)為0.971，說(shuō)明土壤積鹽量變化的97.1%可以由此模型解釋，沙地X2變量積鹽量模型中的Pearson相關(guān)系數(shù)為0.87，說(shuō)明土壤積鹽量變化的87%可以由此模型解釋，由方差分析表知，F(xiàn)統(tǒng)計(jì)量都通過(guò)α=0.05顯著性檢驗(yàn)，說(shuō)明回歸方程均顯著。耕荒沙地線性回歸模型分別如下(9)～(11)式所示。

Y1=0.778+0.004X1

(9)

Y2=0.334+0.013X6

(10)

Y3=1.158+0.007X2

(11)

表4 模型匯總及回歸系數(shù)

3 討論與結(jié)論

3.1 討 論

灌區(qū)節(jié)水改造工程打破了水鹽平衡體系，灌區(qū)土壤水鹽重新分配[16]。試驗(yàn)表明在0～120 cm土層土壤垂直剖面含水率表現(xiàn)為荒地>耕地>沙地，隨土層深度加深含水率變異系數(shù)減小。因而灌水是影響耕地土壤水分變化的主要因素，灌溉水中有較大部分滲漏進(jìn)入地下水[2]，灌溉期耕地地下水側(cè)向補(bǔ)給荒地和沙地[17]。沙地保水性差，表層(0～10 cm)變化較為劇烈[18]，本研究表明沙地表層變異性最大，變異系數(shù)為104.5%?；牡厣顚油寥篮首儺愋宰钚。儺愊禂?shù)為7.67%，與前人研究結(jié)果一致。

試驗(yàn)表明耕地積鹽主要集中在作物生育初期和末期，而其余生育期處于脫鹽狀態(tài)，主要原因是灌水洗鹽及作物生長(zhǎng)期間植物蒸騰大于地面蒸發(fā)，減少蒸發(fā)造成的地表積鹽。灌溉期，耕地與鄰近未灌溉田塊發(fā)生地下水橫向交換[19]，土壤表層鹽分被淋洗到深層，隨地下水遷移到荒地，鹽荒地成為耕地的“鹽庫(kù)”[20]。這是由于荒地及沙地?zé)o灌溉，主要受降雨影響,耕地進(jìn)行灌溉，由于受灌溉水的淋洗作用，灌溉期間耕地鹽分被淋洗到深層土壤或地下水，同時(shí)地下水水平側(cè)向補(bǔ)給荒地和沙地，耕地的土壤鹽分被帶入荒地，無(wú)灌溉水淋洗的荒地地下水在毛管作用下向上移動(dòng)，鹽分向上層土壤積聚，在強(qiáng)蒸發(fā)作用下表層土壤鹽分顯著增加。鹽分經(jīng)潛水蒸發(fā)向土壤和地表遷移?；牡厥艿礁毓喔人絺?cè)滲補(bǔ)給地下水的影響，鹽分隨毛管水上升逐漸向表層遷移，最終鹽分積聚在表層[21]。杜金龍等[22]對(duì)土壤鹽分含量較高的鹽漬化區(qū)土壤含鹽量與土壤含沙量的關(guān)系進(jìn)行分析，表明土壤含鹽量與土壤含沙量之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即土壤中含沙量越高鹽分含量越低，因而沙地鹽分含量低于耕地。本研究在荒地對(duì)耕地干排鹽作用及荒地鹽分表聚方面的結(jié)論與前人的研究結(jié)果相似。

3.2 結(jié) 論

土壤水分及積鹽變化受多種因素影響，具有復(fù)雜的變化過(guò)程及發(fā)生機(jī)制。通過(guò)對(duì)張連生海子試驗(yàn)區(qū)鹽堿地土壤水分及土壤積鹽特征與鹽分離子對(duì)土壤積鹽量的影響進(jìn)行分析，得到主要結(jié)論如下：

(1)土壤垂直剖面含水率均表現(xiàn)為荒地>耕地>沙地。隨土層深度增加含水率變異系數(shù)減小，沙地表層變異性最大，變異系數(shù)為104.5%?；牡厣顚油寥篮首儺愋宰钚?，變異系數(shù)為7.67%。

(2)荒地積鹽主要聚集在表層，荒地表層最多可累計(jì)積鹽39.85 t·hm-2，不同類型土地積鹽量荒地>耕地>沙地。說(shuō)明含沙量越高土壤積鹽越少。耕地積鹽量與荒地積鹽量在0.01置信水平上顯著負(fù)相關(guān)。耕地積鹽量與沙地積鹽量呈現(xiàn)顯著正相關(guān)。