寧夏南梁農場土壤水鹽特征研究

吳軍濤，景何仿，王維紅，郭笑笑，郭新霞

（1.北方民族大學 數(shù)學與信息科學學院，寧夏 銀川 750021；2.北方民族大學 土木工程學院，寧夏 銀川 750021；3.北方民族大學寧夏智能信息與大數(shù)據(jù)處理重點實驗室，寧夏銀川 750021）

據(jù)統(tǒng)計，中國受土壤鹽漬化危害的面積共計0.9×108hm2，約為全球土地面積的7%，而且這一數(shù)字還在繼續(xù)上升。進入21 世紀后，土壤鹽堿化問題已經(jīng)嚴重影響了農業(yè)生產和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展[1]。寧夏引黃灌區(qū)鹽漬化耕地主要集中在銀川以北的區(qū)域，主要包括銀川市興慶區(qū)、賀蘭縣、大武口區(qū)、平羅縣、惠農區(qū)和農墾集團公司所屬的南梁農場、前進農場、賀蘭山農牧場、暖泉農場和簡泉農場，該區(qū)域耕地總面積1.7×105hm2，鹽漬化耕地面積占到50.7%，嚴重制約了當?shù)剞r業(yè)生產可持續(xù)發(fā)展[2]。近年來，國內外學者對寧夏土壤水鹽動態(tài)的研究集中在鹽漬化土壤的分布格局及特征[3]，草甸濕地土壤鹽分的分布和空間累積特征[4]，土地利用強度變化和土壤鹽漬化程度的關聯(lián)度[5]，以及鹽分時空運移變化機制和形成機理[6—7]等方面。何文壽等[8]分析了不同類型鹽漬化土壤水溶鹽含量與其電導率的關系。樊麗琴等[9]對平羅縣西大灘和石嘴山市惠農區(qū)禮和鄉(xiāng)星火村鹽堿地土壤鹽分特征及相關性開展了研究。李重陽等[10]根據(jù)銀北灌區(qū)的土壤鹽漬化時空分布特征，提出了鹽漬化分區(qū)治理重點及相應治理措施。然而，針對寧夏引黃灌區(qū)西干渠沿岸土壤鹽分特征分布規(guī)律方面的研究比較少。西干渠沿岸位于寧夏引黃灌區(qū)西部，土壤鹽漬化現(xiàn)象比較嚴重。本文以西干渠沿岸的南梁農場土壤鹽漬化問題為研究對象，對土壤各土層鹽分、pH 值及含水率的變化進行量化分析，并對土壤鹽分特征和主要影響因子進行剖析，旨在掌握西干渠沿岸土壤水鹽運移規(guī)律，為改良土壤鹽漬化提供相應的理論依據(jù)[11]。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

寧夏引黃灌區(qū)位于黃河上游下河沿—石嘴山兩水文站之間，涉及銀川市、青銅峽市、永寧縣、平羅縣、石嘴山市等市（縣）的引黃灌溉部分，共計11 個市（縣）和20 多個國營農、牧、林場。寧夏引黃灌區(qū)以青銅峽水利樞紐為界，分成衛(wèi)寧灌區(qū)與青銅峽灌區(qū)[12]。灌區(qū)內分布有眾多的渠道系統(tǒng)，總長1 540 km。寧夏引黃灌區(qū)屬大陸性氣候，干旱少雨。灌區(qū)年均蒸發(fā)量1 100～1 650 mm，年均降水量180～210 mm，年內降水分配不均，農作物主要依靠灌渠從黃河引水灌溉。

西干渠于1959 年冬興建，是青銅峽河西灌區(qū)自流部位海拔最高的一條新干渠。干渠沿賀蘭山東麓洪積扇邊緣北行，貫穿青銅峽市、銀川市、賀蘭縣等市（縣），止于平羅縣崇崗鎮(zhèn)暖泉村，尾水入第二農場渠。西干渠現(xiàn)全長113 km，最大引水量60 m3/s，實際灌溉面積4.67 多萬hm2，同時肩負著銀川市以及賀蘭山沿線防洪重任。南梁農場地處寧夏首府銀川市北郊20 km。土地資源豐富，總面積0.53 多萬hm2，以灰鈣土、半固定沙丘、白僵土和鹽土為主。

1.2 取樣點設置

項目組綜合考慮土壤鹽漬化情況、土地利用與人類活動的影響，利用GPS 定位技術，在南梁農場布設10 個樣點，如圖1 所示。于2019 年9 月，項目組利用土壤取樣器、環(huán)刀等儀器進行取樣，共取樣20 份。

圖1 取樣點分布

1.3 研究方法

根據(jù)南京土壤研究所編著的《土壤理化分析》[13]中的方法對土樣進行鹽分及其組成的測定。采集的土樣在室內自然風干，研磨，過1 mm 篩，按水土比5:1 配制土壤浸提液，測定各種鹽離子含量，其中CO32-和HCO3-采用雙指示劑中和滴定法測定，Cl-采用硝酸銀滴定法測定，SO42-采用EDTA（乙二胺四乙酸）間接絡合滴定法測定，Ca2+和Mg2+采用EDTA 滴定法測定，Na+和K+用火焰光度計法測定。pH 值采用pH 計測定[14]。本文所有數(shù)據(jù)運用Excel、SPSS 25 進行統(tǒng)計分析，用ArcGIS 10.2 和Matlab 軟件繪制土壤水鹽分布圖。

2 結果與分析

2.1 土壤鹽分分布特征

為了直觀地反映研究區(qū)土壤鹽分分布特征，本文對所有土樣的影響因子（pH 值、8 大離子及全鹽量）進行統(tǒng)計分析，計算均值、標準差、最大值、最小值、變異系數(shù)、偏度、峰值等參數(shù)，如表1 所示。可以發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)域土壤pH 均值約為8.6，說明土壤呈堿性分布，且堿性較強。表1 中最后一行為K-S（Kolmogorov-Smirnov）檢驗，根據(jù)其值可以判定pH 值、八大離子含量及全鹽量是否服從正態(tài)分布[15—16]。通過對土壤各鹽分因子和pH 值進行K-S檢驗可知：土壤pH 值雙側漸進顯著性檢驗值P＞0.05，在概率分布上均服從正態(tài)分布；其余各土壤鹽分因子雙側漸進顯著性檢驗值P＜0.05，均為非正態(tài)分布。

表1 研究區(qū)域土壤各離子含量、全鹽量及pH 值的統(tǒng)計特征

變異系數(shù)反映了土壤鹽分含量空間變異強度。研究區(qū)土壤CO32-、Cl-、Ca2+、Na+、K+含量的變異系數(shù)均大于1，屬于強變異，說明各因子空間分布不均，變化率較大；pH 值，HCO3-、SO42-、Mg2+含量，全鹽量及含水率變異系數(shù)均小于1，表明這些因子空間分布比較均勻，變化率較小，其中土壤pH 值變異系數(shù)值最低，說明南梁農場堿性土壤分布較均勻且相對穩(wěn)定。

2.2 土壤鹽分因子的相關性分析

本文通過Pearson 相關分析，給出了土壤全鹽量、含水率、pH 值與鹽分離子間的內在相關程度，如表2 所示。由表2 可知，全鹽量與SO42-、Ca2+、Mg2+、Na+均呈極顯著正相關，其中與SO42-的相關性最高，相關系數(shù)高達0.969，其次為Na+，相關系數(shù)為0.967，說明土壤全鹽量受SO42-、Na+影響最大。另外，從表2 還可以看出，以上各鹽分離子含量也呈正相關關系。其中Na+與SO42-相關性最強，相關系數(shù)為0.989（P＜0.01），其次為Mg2+，相關系數(shù)為0.915；SO42-和Ca2+、Mg+的相關性也較強，相關系數(shù)分別為0.842 和0.882。K+與CO32-呈極顯著負相關，說明兩種鹽分離子基本不存在同一土壤樣品中。土壤含水率與pH 值、K+呈顯著負相關?？梢酝茢喑鲈搮^(qū)域可溶性鹽主要為硫酸鹽，存在形式為Na2SO4、CaSO4、MgSO4等。

表2 研究區(qū)域土壤鹽漬化指標的Pearson 相關分析矩陣

2.3 土壤鹽分因子的主成分分析

為了更準確地分析該區(qū)域離子分布狀態(tài)，本文采用主成分分析法對土壤鹽漬化的主導因子進行分析。通過對土壤全鹽量、pH 值、CO32-、HCO3-、Cl-、SO42-、Ca2+、Mg2+、Na+、K+以及方差土壤含水率進行主成分分析，得到各主成分特征值及方差貢獻率和主成分載荷矩陣，如表3～表4 所示。可以看出，前3 個成分的初始特征值大于1，由此判定主成分個數(shù)是3，其中各主成分的方差貢獻率分別為59.157%，17.493%，12.860%，前3 個主成分的累積貢獻率為89.510%，說明可以用前3 個主成分近似代表原來11 個成分所包含的信息。

表3 土壤鹽漬化主成分的特征值及方差貢獻率

表4 主成分載荷矩陣

在第一主成分中，具有較大的正向載荷值，數(shù)值分別為0.969，0.949，0.933，0.922，說明全鹽量、Cl-、SO42-、Na+這四個指標與西干渠土壤鹽漬化關系密切，可以大體代表西干渠土壤鹽漬化狀況。在第二主成分中各成分的載荷值相對較低，土壤含水率、Ca2+與pH 值的載荷值相對較大，分別為0.874，0.356，0.254。在第三主成分中HCO3-、CO32-、Ca2+的載荷值較大，分別為0.736，0.583，0.370，說明南梁農場附近受碳酸鹽影響較大。

2.4 研究區(qū)土壤全鹽量含水率空間分布

為了更加直觀地反映研究區(qū)域不同深度下土壤鹽分空間分布狀況，本文利用ArcGIS 10.2 空間分析模塊中的徑向基插值對研究區(qū)域0～20 cm 和20～40 cm深度的土壤全鹽量以及含水率進行插值，并繪制其空間分布圖，如圖2～圖5 所示。

圖2 0～20 cm 土層全鹽量分布

圖3 20～40 cm 土層全鹽量分布

圖4 0～20 cm 土層含水率分布

圖5 20～40 cm 土層含水率分布

從土壤全鹽量的整體空間分布可以看出，土壤全鹽量呈現(xiàn)“北高南低”趨勢。該區(qū)域地形南高北低，利用西干渠從黃河青銅峽水利樞紐引水自流灌溉，黃河水中的鹽分在灌渠水流的作用下，滲入西干渠沿岸土壤中，部分鹽分會通過排水溝重新回到黃河或其支流中。然而，西干渠沿岸北部地勢較低，滲入土壤中的鹽分無法通過排水溝全部排出去，鹽分逐日累積，從而形成了土壤含鹽量“北高南低”的現(xiàn)狀。從全鹽量的垂向分布來看，研究區(qū)域土壤表層（0～20 cm）的全鹽量一般高于深層土壤（20～40 cm）的全鹽量。這是因為取樣是在2019 年秋季進行的，這段時間大部分農作物已經(jīng)收割，土壤中的水分受到強烈蒸發(fā)作用，從地下運動到地表，從而也將鹽分帶到地表。

從土壤含水率的整體空間分布看出，0～20 cm土層含水率呈“東高西低”趨勢，這是由于在南梁農場的東部區(qū)域多種植枸杞，在西部地區(qū)多種植玉米，使得整體含水率呈現(xiàn)“東高西低”的趨勢。而在20～40 cm 土層，可以看出含水率整體分布呈現(xiàn)“北高南低”的趨勢，這是由于該區(qū)域地形南高北低，且利用西干渠從黃河青銅峽水利樞紐引水自流灌溉，從而導致北部地區(qū)地下水位較高，20～40 cm 土層含水率呈現(xiàn)“北高南低”的趨勢。

3 結論

本文圍繞寧夏西干渠沿線的土壤鹽漬化現(xiàn)狀進行了實測分析，并運用Pearson 相關分析、主成分分析等方法，對該區(qū)域土壤鹽分特征以及含水率分布進行了研究，得出反映該區(qū)域土壤鹽漬化的主要影響因子，研究結果對于區(qū)域性土壤鹽漬化成因研究及土壤鹽漬化治理具有一定的參考價值。主要結論包括以下幾個方面：

（1）研究區(qū)域土壤pH 值均值約為8.6，最小值約為7.2，說明土壤主要為堿性土壤，且堿性較強。另外，土壤pH 值在水平方向上變異較小，分布比較均勻。

（2）土壤鹽分各指標都存在不同程度的變異，CO32-、Cl-、Ca2+、Na+、K+含量的變異系數(shù)均大于1，變化率較大，空間分布不均，而pH 值，HCO3-、SO42-、Mg2+含量，全鹽量及含水率的變異系數(shù)均小于1，變化率較小，空間分布比較均勻。

（3）Pearson 相關性分析和主成分分析結果表明，Cl-、Na+、SO42-為研究區(qū)域土壤鹽分的主要組成成分，且該研究區(qū)域可溶性鹽主要為硫酸鹽，存在形式為Na2SO4、CaSO4、MgSO4等。

（4）通過對取樣數(shù)據(jù)進行插值得到了土壤鹽分以及含水率的分布情況。結果表明，研究區(qū)域土壤全鹽量的空間分布呈“北高南低、上高下低”的趨勢，即南部含鹽量較低，北部含鹽量較高，土壤表層含鹽量高于土壤深層，而土壤含水率呈“北高南低、東高西低”的趨勢。