長期滴灌棉田表層土壤鹽分時空變化特征

范未華，軒俊偉，李保國，石建初，劉耘華，盛建東*

（1.新疆土壤與植物生態(tài)過程重點實驗室/新疆農(nóng)業(yè)大學 草業(yè)與環(huán)境科學學院， 烏魯木齊 830052；2.中國農(nóng)業(yè)大學 土地科學與技術(shù)學院，北京 100193）

0 引 言

【研究意義】全球大約有8.31 億hm2的土壤受到鹽漬化的威脅，特別是在干旱半干旱地區(qū)，土壤鹽堿化已經(jīng)成為制約當?shù)剞r(nóng)業(yè)經(jīng)濟與可持續(xù)發(fā)展的主要因素之一[1-3]。新疆作為我國最大的鹽漬化土壤分布區(qū)，鹽堿化耕地面積為1.62×106hm2，占全疆耕地的1/3，鹽堿化使得作物減產(chǎn)10%～15%[4-5]。為了提高灌溉水利用效率，新疆自1996 年開始推廣使用滴灌技術(shù)，截至2014 年，新疆膜下滴灌技術(shù)的應用面積已經(jīng)達到2.0×106hm2，其中滴灌棉花的面積占全疆滴灌面積的41.6%[6-8]。

【研究進展】由于滴灌是一種少量多次的非飽和灌溉，濕潤峰下移的距離較短，土壤鹽分不能徹底排出土體。因此，長期滴灌種植條件下土壤鹽分遷移過程與分布特征引起廣泛關注[9-14]。目前有關長期滴灌條件下表層土壤鹽分變化結(jié)論尚不一致。例如：殷波等[15]在新疆昌吉回族自治州的新湖農(nóng)場對滴灌棉田表層土壤鹽分監(jiān)測結(jié)果表明，在滴灌6 a 地塊，0～20 cm 鹽分從0.5 g/kg 增加到1.5 g/kg；劉洪亮等[16]在石河子莫索灣灌區(qū)，對輕度鹽漬化滴灌棉田表層土壤鹽分連續(xù)3 a 監(jiān)測，結(jié)果表明，0～40 cm 年均積鹽0.36 g/kg。而對于鹽土和重度鹽漬化土壤上，張建新等[17]在石河子炮臺土壤改良實驗站，連續(xù)3 a 滴灌種植棉花，0～30 cm 土壤鹽分平均從13.52 g/kg 降低到4.79 g/kg。前人研究表明，對于輕度鹽漬化土壤，滴灌種植表層土壤有積鹽趨勢，而在重度鹽漬化土壤上滴灌種植會使得表層土壤鹽分有明顯的降低[18]?！厩腥朦c】但是，這些研究結(jié)果大都是采用時空置換的方法，并且滴灌年限或監(jiān)測年限相對較短（小于10 a）得到的。

【擬解決的關鍵問題】為了掌握長期滴灌條件下重度鹽漬化土壤鹽分的時空變化特征，本研究于2003年在新疆庫爾勒市包頭湖農(nóng)場一塊143.52 hm2棉田網(wǎng)格采樣，2018 年進行點對點的跟蹤取樣分析，通過比較分析，研究了在長期滴灌條件下重鹽漬化土壤總鹽和鹽分離子分布特征及變化規(guī)律，研究結(jié)果可為長期滴灌種植技術(shù)的可持續(xù)性提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于新疆巴音郭楞蒙古自治州庫爾勒市包頭湖農(nóng)場（41o67′N，85o86′E），面積為143.52 hm2。地處天山南麓孔雀河下游，塔里木盆地東北緣，平均海拔為890～950 m。年平均氣溫10.7 ℃，年均降水量102 mm，總?cè)照諘r間2 886.8 h，無霜期平均132～181 d，屬于典型的大陸性干旱氣候[19]。由于光照時間長、晝夜溫差大，非常適合棉花、香梨等作物生長。

1.2 樣品采集

本研究分別于2003 年3 月和2018 年9 月，對包頭湖農(nóng)場進行點對點的跟蹤采樣。2003 年3 月時該區(qū)域為鹽荒地，為了解該區(qū)域土壤鹽分背景值，按照網(wǎng)格采樣的方法（200 m×50 m），共設置了111 個網(wǎng)格。在土壤表層（0～20 cm）利用土鉆（直徑為7 cm）以每個網(wǎng)格節(jié)點為中心，在5 m 為半徑的采樣區(qū)內(nèi)隨機取6 鉆，混成一個土樣。此后，該區(qū)域在2003 年（III 區(qū)）、2005 年（II 區(qū)）和2009（I 區(qū)）年，開始進行棉花種植（圖1）。

圖1 種植年限與土壤采樣點分布 Fig.1 Distribution of planting years and soil sampling points

截至2018 年9 月進行重復采樣時，Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ區(qū)分別進行了10、14 和16a 的棉花種植[20]。其中，Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ區(qū)的樣本量分別為8、53 和50 個（圖1）。該區(qū)域土壤類型為鹽化潮土，表層土壤質(zhì)地類型以壤土為主。Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ區(qū)除了種植年限有差別外，其他所有田間管理措施均保持一致。其中，灌溉水礦化度為0.82 g/L，在棉花全生育期滴灌10～13 次，灌溉定額為3.0×103～4.55×103m2/hm2，冬灌（或春灌）灌溉定額為3.0×103～3.75×103m2/hm2，在采樣過程中發(fā)現(xiàn)濕潤峰可達到地面1 m 以下。

1.3 測定方法

1.4 鹽分密度及儲量計算

在測定總鹽和八大鹽分離子的基礎上，本研究分別計算了不同種植年限地塊（I、II 和III 區(qū)）表層土壤的鹽分密度和鹽分儲量。其中，土壤鹽分儲量用以土體鹽分的絕對儲量，鹽分密度通過鹽分儲量除以相應地塊的面積所得，用以表示各地塊土壤鹽分儲量的強度。

1）采樣點土壤體積質(zhì)量的估算使用經(jīng)驗式[22]：

式中：SBD 為土壤體積質(zhì)量（g/cm3）；SOM 為土壤有機質(zhì)量（g/kg）；i 為樣點編號。

2）單位柵格面積（1 m2）土壤鹽分儲量：

式中：20 為土層深度（cm）；G 為20 cm 土壤深度儲鹽量（kg）；C 為20 cm 土層的含鹽量（g/kg）；n為1 m2的柵格數(shù)。其他參數(shù)同上。

3）土壤鹽分儲量計算式：

式中：k 為任意一個從1 到n 的1 m2柵格，其他參數(shù)同上。

4）單位面積（kg/m2）土壤鹽分密度計算式：

式中：0.2為1 m2柵格和土層厚度20 cm的土壤體積，S 為不同種植年限3 塊區(qū)域的面積。其他參數(shù)同上。

1.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)經(jīng)Excel 整理后，使用IBM SPSS Statistics 20進行方差分析；使用Sigmaplot 10.0 制作鹽分及其變化速率柱狀圖；使用Arcgis 10.2 軟件進行鹽分空間分布插值分析、柵格運算、空間分布圖制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤鹽漬化程度變化情況

根據(jù)不同土壤含鹽量將鹽漬化土壤分為：非鹽漬化（＜3 g/kg）、輕度鹽漬化（3～6 g/kg）、中度鹽漬化（6～10 g/kg）、重度鹽漬化（6～10 g/kg）、鹽土（＞20 g/kg）[23]。2003 年研究區(qū)表層土壤以重度鹽漬化和鹽土為主，分別占調(diào)查點數(shù)的73.87%和18.02%。而在2018 年研究區(qū)的非鹽漬化、輕度鹽漬化、中度鹽漬化、重度鹽漬化土壤分別占調(diào)查點總個數(shù)的11.71%、18.92%、53.15%、16.22%，重度鹽漬化比例降低，鹽土類型基本消失（表1）。

經(jīng)過耕作的表層土壤總鹽及各鹽分離子量（HCO3-除外）均有顯著差異（表2，P＜0.05），土壤總鹽平均值由2003 年的18.08 g/kg，降至2018 年的7.35 g/kg，各鹽分離子也有不同程度的降低。2003年除HCO3-、SO2-4和Ca2+為中等變異性之外，其余總鹽及離子均為強變異性。而至2018 年，除Mg2+為強變異性外，總鹽及其余離子均為中等變異性。

表2 研究區(qū)表層土壤總鹽及離子量變化 Table 2 Changes of Total Salt and Ion Content in Topsoil of the Study Area

2.2 不同種植年限的土壤總鹽和鹽分離子變化特征

與2003 年相比，2018 年不同種植年限地塊的土壤K++Na+鹽分均顯著降低。2003 年，種植年限10 a 地塊的土壤總鹽顯著高于14 a 和16 a（P<0.05），而至2018年不同種植年限的土壤鹽分無明顯差異（圖2（a））。

圖2 不同種植年限下表層土壤總鹽及鹽分離子變化情況 Fig.2 Changes of total salt and salt isolates in the lower soil layer in different planting years

2.3 不同種植年限的土壤總鹽和鹽分離子脫鹽速率

不同種植年限的表層土壤總鹽和鹽分離子脫鹽速率變化特征相同（圖3（a）—圖3（f）），種植10 a 地塊的總鹽脫鹽速率（4.75 g/(kg·a））均顯著高于種植14 a（0.59 g/（kg·a））和16 a 的地塊（0.47 g/（kg·a））（P<0.05），而14 a 和16 a 之間差異不顯著。對于種植10 a 的地塊，不同鹽分離子的脫鹽速率順序為：SO2-4>K++Na+>Cl－>Mg2+>Ca2+。

圖3 不同種植年限下表層土壤總鹽和離子鹽分脫鹽速率 Fig.3 Decrease rate of total salt and ions in subsurface soil for different planting years, salt desalination rate

2.4 不同種植年限的土壤鹽分密度分布特征

研究區(qū)表層土壤鹽分密度分布見圖4。由圖4可知，2003 年研究區(qū)土壤鹽分密度分布是西北高東南低的特征（圖4（a）），3 個種植年限的地塊之間鹽分密度差異顯著，截至2018 年經(jīng)過10 a 以上長期種植后鹽分密度分布差異不大（圖4（b），表4）。受初始鹽分的影響，種植10 a 的土壤初始鹽分密度明顯降低（表4），降幅高達85%，而種植14 a 和16 a 的地塊鹽分密度降低幅度比較接近，降幅分別為53%和51%。

表4 各地塊鹽分密度及脫鹽率（0～20 cm） Table 4 Salt storage and density in different regions (0～20 cm)

圖4 研究區(qū)土壤鹽分密度和變化 Fig.4 Soil salt density change in the study area

3 討 論

膜下滴灌技術(shù)的節(jié)水增產(chǎn)效果突出，但有限的灌溉量會導致的土壤積鹽[24-25]。已有研究在較短的滴灌種植年限內(nèi)（小于10 a），土壤鹽分本底值高的田塊，滴灌有利于表層土壤鹽分降低，反之土壤鹽分有增高或平衡的趨勢[26-27]。本研究發(fā)現(xiàn)，在長期滴灌種植條件下表層土壤總鹽及鹽分離子與種植前相比顯著降低。種植前表層鹽分高的地塊鹽分降低的速度更快，耕作10 a 后表層土壤總鹽的空間異質(zhì)性減弱，趨于均一化?？梢?，在重度鹽漬化土壤，滴灌種植過程中土壤鹽漬化程度明顯降低，表層土壤的總鹽和鹽分離子的變異系數(shù)均顯著降低。

圖5 研究區(qū)脫鹽速率與初始含鹽量的關系 Fig.5 Relationship between the salt removal rate and the initial salt content in the study area

從整個研究區(qū)土壤鹽分密度變化過程來分析，雖然3 個不同種植年限塊地的初始鹽分量差異很大（圖4（a）），但經(jīng)過10～16 a 長期滴灌種植后，研究區(qū)土壤鹽分空間分布的差異性變小。出現(xiàn)這種情況的原因可能是：研究區(qū)為一個棉花種子繁育基地，由于耕作栽培等管理措施基本一致，尤其灌溉量基本相同，但鹽分的淋洗效率與初始含鹽量顯著正相關（圖5，R2=0.97），也就是初始鹽分越高淋洗效率越高，反之越低。研究區(qū)初始鹽分空間分布格局與鹽分淋洗量的空間分布格局具有相似性，表明經(jīng)過長期滴灌種植后土壤鹽分空間變異性減弱，即長期滴灌措施下土壤鹽分趨于均一化。

4 結(jié) 論

1）對于干旱區(qū)重度鹽漬化農(nóng)田，滴灌種植可以改善土壤鹽漬化的程度，在滴灌種植10 a 以上棉田中表層土壤總鹽及離子量有明顯降低。

2）在長期滴灌條件下，土壤脫鹽速率與種植年限和土壤初始鹽分正相關。滴灌種植10 a 的脫鹽速率（4.75 g/（kg·a）），種植14 a 和16 a 的地塊脫鹽速率（0.59 和0.47 g/（kg·a））。