水資源“三條紅線”約束下瑪納斯河灌區(qū)退耕土壤質量評價

黃 洲， 楊 廣， 蘇 軍， 李小龍， 劉 兵， 何新林，喬長錄， 李鵬飛， 王春霞， 趙 麗

（1.石河子大學水利建筑工程學院，新疆 石河子 832000；2.第八師石河子市水利工程管理服務中心，新疆 石河子 832000）

土壤質量綜合反映了土壤物理、化學與生物特性，揭示了人類活動對土壤的影響與土壤動態(tài)變化［1］。開展土壤質量評價不僅能夠揭示土壤質量狀況與變化規(guī)律，而且可以為土地資源的科學利用和管理提供重要依據。土壤質量評價涉及諸多土壤因子，如何確定評價指標與方法成為土壤質量評價的關鍵［2］。

目前，國內外土壤質量評價多集中于土壤質量綜合指數法、內梅羅綜合指數法、最小數據集法、模糊綜合評價法等。Mishra等［3］選擇電導率、鎂、磷等利用土壤質量綜合指數法，分析了印度喜馬拉雅地區(qū)人工林土壤質量；Vasu 等［4］研究了土壤容重、孔隙、顏色等屬性特征值，利用最小數據集法對印度西北海岸帶不同土壤質量進行綜合評價；Obade等［5］選擇土壤pH、容重、孔隙度等，利用主成分分析法對美國俄亥俄州5 個不同農田的土壤質量進行評價；趙敬坤等［6］選擇pH和有機質等指標，利用模糊綜合評價法對重慶花椒區(qū)進行評價；趙娜等［7］選取土壤容重、孔隙度、電導率、有機質、全氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、速效磷、速效鉀對華北低丘山地退耕還林區(qū)的耕地、退耕刺槐林土壤質量進行評價與分級。學者們結合區(qū)域特征、氣候差異及土地利用方式等采用了多種方法結合的評價方法。Rahmanipour 等［8］選取有機質、電導率、鎘、鈷等物理化學評價指標，利用土壤質量綜合質量指數法和內梅羅綜合指數法對加茲溫省的耕地土壤質量進行評價；姜艷等［9］以瑪納斯河流域棉田土壤為研究對象，選擇土壤堿解氮、有機質、速效鉀、速效磷、pH、鹽分及鎘、鉻、鉛、鎳、銅、砷，采用因子分析法和土壤質量綜合評價指數法對棉田土壤質量狀況進行定量評價；周偉等［10］以長春城市森林綠地為研究對象，選取有機質、氮、磷等土壤肥力指標，利用GIS 與內梅羅指數相結合的方法分析了長春城市森林綠地土壤養(yǎng)分空間分布特征；鄭琦等［11］選取新疆主要棉區(qū)土壤pH、鹽分、有機質、全氮、速效磷、速效鉀及鎘、銅、鋅、砷、磷，采用模糊評價法與內梅羅指數法對棉田土壤質量進行綜合評價。綜上所述，土壤質量評價集中于農業(yè)耕地、林地、草地等尺度，對退耕撂荒地研究較少。

新疆瑪納斯河灌區(qū)位于天山北麓中段，屬于干旱半干旱區(qū)，2020 年瑪納斯河灌區(qū)農業(yè)用水為12.09×108m3，占總用水量的87%，農業(yè)用水量過大嚴重影響了區(qū)域水資源可持續(xù)發(fā)展。隨著水資源“三條紅線”的實施，到2030年灌區(qū)農業(yè)用水總量控制在9.01×108m3，減少了3.08×108m3，農業(yè)用水量縮減嚴重。為滿足水資源“三條紅線”的控制量，瑪納斯河灌區(qū)自2012 年起實施退地減水措施，累計退耕土地2×104hm2，出現(xiàn)退耕土地撂荒問題，土壤質量局部下降?；诖耍疚耐ㄟ^分析退耕地塊和臨近耕作地塊土壤pH、可溶性總鹽、有機質、全氮、全磷、堿解氮、速效鉀7個土壤質量指標，通過構建模糊綜合評價模型計算退耕地塊和臨近耕作地塊土壤肥力指數，分析水資源“三條紅線”約束下，瑪納斯河灌區(qū)退耕土壤質量變化狀況，為灌區(qū)水資源總量約束下退地方案的實施及土壤質量保護提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于新疆瑪納斯河灌區(qū)，地理坐標為84°98′～86°39′E，44.04′～45°19′N。土壤多為灰漠土、潮土、草甸土，土質多為礫質土、沙質土等。年降雨量在125～200 mm之間，年蒸發(fā)量在1700～2200 mm 之間。水資源總量約為22.91×108m3，可用水資源量約為20.92×108m3，地下水資源總量約為11.97×108m3。灌區(qū)自2012 年起實施退地減水措施，至今累計退耕土地2×104hm2，用水總量共減少2.14×108m3，后續(xù)還需退耕2.49×104hm2。

1.2 試驗方案

采樣時間為2021 年4月中旬，采樣點位于瑪納斯河灌區(qū)141 團、142 團、134 團、150 團和148 團，設置2 個處理：臨近耕作地塊（CK，均為棉田，灌溉方式為膜下滴灌）、退耕地塊（RF，退耕2 a 地塊），2 個處理分別設置6 個采樣點，共12 個采樣點，所選采樣點均處于重點退耕區(qū)，采樣點地理位置見圖1。利用梅花采樣法［12］將樣地分為5個5 m×5 m的矩形地進行土壤剖面采樣，每塊矩形地設置5個采樣點，利用土鉆采集表層土、0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm深度土壤，5個矩形地取得的各深度土壤分別進行混合，最后按照四分法［13］取土壤樣品1 kg，共取84個樣品，取樣布局見圖2。為避免土壤肥力受人為因素干擾，土壤樣品采集于春耕前進行。

圖1 采樣點地理位置Fig.1 Geographical location map of sampling points

圖2 取樣布局示意圖Fig.2 Sampling layout

土壤樣品參照喬勝英［14］所采用方法對pH、可溶性總鹽、有機質、全氮、全磷、堿解氮、速效鉀進行分析測定。其中pH采用1:1水土比酸度計法，可溶性總鹽采用1:5 土水比電導法，有機質采用重鉻酸鉀外加熱法，全氮采用凱氏定氮法，全磷采用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法，堿解氮采用堿解擴散法，速效鉀采用乙酸銨浸提-火焰光度法測定。

1.3 土壤質量評價

利用模糊綜合評價法對退耕地塊及臨近耕作地塊的土壤質量進行評價，選取土壤pH、可溶性總鹽、有機質、全氮、全磷、堿解氮、速效鉀7 個肥力指標［9,15］，根據肥力指標與作物生長的關系分別采用拋物線型、S 型函數、戒下型計算各養(yǎng)分指標的隸屬度值。

有機質、堿解氮、速效鉀、全氮、全磷含量5個指標屬于S型隸屬關系，其隸屬度函數為：

土壤pH 屬于拋物線型隸屬關系，其隸屬度函數為：

土壤可溶性總鹽屬于戒下型隸屬關系，其隸屬度函數為：

根據研究區(qū)土壤肥力特征，參考前人研究結果［16-18］，確定土壤各肥力指標在隸屬度函數曲線轉折點取值（表1、表2）。

表1 各評價指標隸屬度函數曲線轉折點取值Tab.1 Value of turning point of membership function curve of each evaluation index

表2 pH隸屬度函數曲線轉折點取值Tab.2 Value of turning point of pH value membership function curve

利用相關系數法為各評價指標權重賦值，能客觀地反應出各指標對土壤肥力影響程度。確定指標隸屬度值和權重系數后，應用模糊綜合評價法通過加權求和計算得出土壤肥力指數（IFI）。

式中：n為參評指標數量；fi為第i個指標的隸屬度；wi為第i個指標的權重。IFI 肥力指數取值范圍為0～1，指數越大，土壤肥力水平越高。根據研究區(qū)土壤肥力指數進行分級，分為高（＞0.8）、較高（0.6～0.8）、中（0.4～0.6）、較低（0.2～0.4）和低（＜0.2）5個等級。

2 結果與分析

2.1 土壤肥力分析

由表3可知，RF處理pH范圍為7.18～8.78，平均值為7.82；鹽分范圍為0.22～12.47 g·kg-1，均值為2.76 g·kg-1，整體上為中度鹽化土，變異系數為107.01%，為強變異程度；堿解氮、有機質、全氮含量分別為37.07 mg·kg-1、7.30 g·kg-1、0.37 g·kg-1，總體含量較低；速效鉀、全磷含量分別為262.53 mg·kg-1、0.70 g·kg-1，含量較高。CK 處理pH 為7.86，鹽分范圍為0.48～7.97 g·kg-1，均值為2.49 g·kg-1；堿解氮、有機質、全氮含量分別為47.62 mg·kg-1、7.80 g·kg-1、0.47 g·kg-1，含量偏低；速效鉀、全磷含量分別為243.16 mg·kg-1、0.76 g·kg-1，含量較高；pH 變異系數4.02%，為弱變異，其余指標變異程度在16.39%～73.06%之間，均呈中等變異強度，這些指標受外界影響較大。RF處理含鹽量平均值、最大值和變異系數比CK處理提高了0.27 g·kg-1、4.5 g·kg-1、33.95%，速效鉀提高了19.37 mg·kg-1；堿解氮、有機質、全氮和全磷平均值RF 處理均低于CK 處理，差值為10.55 mg·kg-1、0.5 mg·kg-1、0.1 g·kg-1、0.06 g·kg-1，退耕后土壤肥力出現(xiàn)下降。

表3 土壤肥力指標的統(tǒng)計特征值Tab.3 Statistical characteristic values of soil nutrients

由圖3可知，RF處理pH與土壤深度呈正相關，在80～100 cm 時，pH 變化較小，為7.95；CK 處理pH沿剖面先減小后增大，表層土pH為7.70，0～20 cm處pH減小，為7.63，20～100 cm逐漸增加，在80～100 cm達到8.19。2個處理含鹽量40 cm深度后發(fā)生變化，0～40 cm RF 處理含鹽量小于CK 處理，40 cm RF 處理與CK 處理含鹽量分別為2.71 g·kg-1、2.88 g·kg-1，在40～100 cm 則相反；RF 處理鹽分主要堆積在40～100 cm，最高時達到3.74 g·kg-1，CK處理鹽分主要堆積在0～40 cm，最高達到3.25 g·kg-1。堿解氮、全氮、全磷總體上隨著土層深度增加而減少，到達100 cm深度時，變化率均減小，并且RF處理含量均低于CK處理，2 個處理其表層含量分別為62.46 mg·kg-1、0.60 g·kg-1、0.79 g·kg-1，74.17 mg·kg-1、0.76 g·kg-1、0.86 g·kg-1。2個處理均含有大量的速效鉀，其含量與土壤深度呈負相關，在0～20 cm RF處理速效鉀含量大于CK 處理，20 cm 以后則相反；在80～100 cm RF 處理與CK 處理含量分別為179.15 mg·kg-1、181.12 mg·kg-1。2個處理有機質含量隨深度的變化規(guī)律與速效鉀一致，表層含量達最高，分別為11.82 g·kg-1、10.26 g·kg-1。

圖3 土壤剖面各項養(yǎng)分指標垂直分布Fig.3 Distribution of nutrient content in soil profile

2.2 土壤肥力評價

表征土壤肥力指標間相關性分析結果如圖4所示，能夠反映出各指標間的相關性系數。通過計算得到肥力指標間相關系數絕對值之和的平均值，該平均值占所有肥力指標相關系數平均值總和的百分比即為該項肥力指標的權重系數。土壤各肥力指標的權重系數如表4所示，堿解氮、速效鉀相關系數絕對值的平均值最大，為0.503、0.398，權重系數也最大，為0.274、0.217，說明堿解氮、速效鉀對土壤肥力影響最大；而有機質與全氮權重系數最低，分別為0.047、0.059，影響較小。

表4 各土壤肥力指標的相關系數平均值和權重系數Tab.4 Average value and weight coefficient of correlation coefficient of each soil fertility index

圖4 相關系數Fig.4 Correlation coefficient diagram

通過對2個處理的單項肥力指標的隸屬度值分別求平均值，從而獲得2 個處理不同肥力指標的隸屬度值如圖5所示。由圖5可知，RF處理與CK處理不同指標的隸屬度值隨深度的增加而降低，說明其土層越深，土壤肥力越弱。

圖5 2個處理不同指標隸屬度值Fig.5 Membership values of different indexes of two kinds of cultivated land

土壤肥力指數如圖6所示，RF處理土壤肥力指數變化范圍為0.50～0.76，CK 處理為0.49～0.77。由圖6可知，2個處理土壤肥力指數和土壤深度均為負相關，RF 處理在0～60 cm 肥力指數減少了32.89%，在60～100 cm趨于穩(wěn)定；CK處理在0～100 cm肥力指數減少明顯，減少了36.36%。RF 處理土壤肥力狀況達到較高水平的有表層土、0～20 cm、20～40 cm 深度，肥力指數分別為0.76、0.70、0.62；40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm 深度肥力指數分別為0.51、0.50、0.50，肥力均為中等水平。CK 處理表層土、0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm 深度土壤肥力均達到了較高的水平，肥力指數分別為0.77、0.75、0.68、0.61，60～80 cm、80～100 cm 深度肥力均達到了中等水平，土壤肥力指數分別為0.53、0.49，由此可知，CK 處理0～100 cm土層土壤肥力均在中等偏上的水平，有利于農業(yè)耕作。RF處理在0～100 cm深度肥力水平均略低于CK 處理，在20～60 cm 深度土壤肥力指數差值達到最大，為0.11；20～40 cm深度RF處理為0.62，CK 處理為0.68，土壤肥力屬于較高水平；在40～60 cm土層，RF處理土壤肥力指數比CK處理低了0.1，肥力狀況差異大。RF處理與CK處理肥力指數均值分別為0.60、0.64，相差0.04。根據模糊綜合評價法分析結果顯示，瑪納斯河灌區(qū)2 個處理的肥力水平整體均處于中等偏上。

圖6 土壤肥力指數Fig.6 Comprehensive fertility index of soil

3 討論

3.1 土地退耕對土壤pH和含鹽量的影響

本研究區(qū)灌溉用水含有大量的可溶性陽離子Na+、Mg+、Ca+、K+，土壤膠體對堿性離子吸附達到一定飽和度后，會引起交換性陽離子的水解作用，在土壤中產生NaOH，使土壤成堿性［19］，且與深度呈正相關，這與王嬡華等［20-21］研究結果一致。RF處理由于沒有進行施肥與灌溉，土壤pH 整體上與退耕前無明顯變化，這與錢鳳魁等［22］研究結果一致。RF處理和CK處理0～100 cm深度含鹽量均值分別為2.76 g·kg-1、2.49 g·kg-1，RF處理的含鹽量總體上高于CK處理，這是由于CK處理在耕種期間進行灌溉，根據“鹽隨水動”的原理，部分鹽分被運移至深層土壤，0～100 cm鹽分減少，RF處理由于土壤蒸發(fā)以及鹽生植物的影響將鹽分帶到了表層，鹽分在表層累積，這與馮小平等［23-24］的研究結果一致，灌區(qū)棉田進行膜下滴灌耕作有利于對土壤鹽分的淋洗［25-26］，預防土壤鹽漬退化。

3.2 土地退耕對土壤養(yǎng)分含量的影響

董利軍等［27］研究表明，隨著土地的退化，有機質在表層土壤中流失嚴重，而本研究結果顯示，RF處理0～20 cm處有機質含量略高于CK處理，這是由于棉田耕深不超過20 cm，在土壤中形成了堅實的犁底層，制約了棉花根系縱向生長及吸收深層土壤水分和養(yǎng)分［28］，對有機質吸收主要集中在0～20 cm，并且在此深度棉花對有機質的吸收能力大于RF 處理的鹽爪爪、鹽穗木［29］；而80 cm以下的深層土壤受土地利用方式影響減弱，RF 處理與CK 處理有機質含量相差不大，并且變化規(guī)律一致，這與王舒等［30］研究結果一致。全氮、堿解氮在0～100 cm土層均出現(xiàn)CK 處理土壤含量高于RF 處理，這是由于CK 處理正常耕作期施加氮肥，導致氮素總體含量與向下發(fā)生運移的含量均高于RF 處理［31-32］。在0～100 cm土層RF處理全磷含量均低于CK處理，這是由于CK處理在耕作時段有磷肥施用，并且磷在土壤中的移動性較差，固定率可達70%以上，向下發(fā)生運移較慢［33］。2個處理速效鉀含量較高，在0～60 cm深度變化率較大，在60 cm深度則趨于穩(wěn)定，這是由于棉花及鹽生植物鹽爪爪、鹽穗木的根系對速效鉀的吸收主要集中在0～60 cm 土層［34-35］。2 個處理的肥力指數在40～60 cm深度達到最大，為0.1，原因是土壤養(yǎng)分含量在垂直方向遞減［36］，CK處理受灌溉與施肥影響，部分可溶性養(yǎng)分隨水運移至深層土壤，在深層土壤形成累積［37］；RF處理無養(yǎng)分補充，鹽爪爪、鹽穗木對養(yǎng)分進行消耗，深層土壤退化嚴重。

4 結論

（1）退耕地塊和臨近耕作地塊pH 在7.18～8.78之間，二者無明顯差異，總體上與土壤深度呈正相關；變異系數分別為5.58%、4.02%，為弱變異，土地利用方式的改變對pH影響較小。退耕地塊含鹽量整體比臨近耕作地塊高10.84%，鹽分主要分布在40～100 cm。

（2）退耕地塊和臨近耕作地塊土壤養(yǎng)分均在垂直方向具有“表聚”現(xiàn)象，不同深度養(yǎng)分元素含量變幅較大。退耕地塊速效鉀含量整體上比臨近耕作地塊高了7.97%，其余養(yǎng)分指標均低于臨近耕作地塊。

（3）退耕地塊和臨近耕作地塊土壤質量均在中等偏上，臨近耕作地塊土壤肥力指數高于退耕地塊。