不同微咸水灌溉方式對壓砂地土壤水鹽及pH空間變異的影響

賀英豪，譚軍利，2，王西娜，董昊

（1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，銀川 750021；2.旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部工程研究中心，銀川 750021；3.寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，銀川 750021）

0 引 言

土壤水鹽空間分布特征是微咸水灌溉水鹽調(diào)控的關(guān)鍵問題，是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和精準(zhǔn)灌溉的研究熱點(diǎn)[1]。其特征是由結(jié)構(gòu)性變異即自然環(huán)境因素（如地形、母質(zhì)、氣候、降水等）和隨機(jī)性變異即人為活動（如人為施肥、種植措施、種植制度等）共同作用的結(jié)果[2,3]。壓砂地是干旱地區(qū)群眾應(yīng)對干旱氣候而提出的一種耕作措施，具有蓄水保墑、增溫、壓堿等多種生態(tài)功能。覆砂可以有效減少土壤水分蒸發(fā)，其土壤含水量顯著高于裸地[4]，而砂土比、覆蓋厚度、顏色、粒徑對土壤水分蒸發(fā)均有不同程度的影響[5-8]。覆砂通過減少水分蒸發(fā)從而影響土壤鹽分分布[9]，研究表明覆砂有效減少了土壤鹽分表聚并促進(jìn)鹽分下移，減緩?fù)寥来紊}漬化[10,11]。

壓砂地分布區(qū)集中于降水稀少且外來淡水資源極度缺乏的地區(qū)，而當(dāng)?shù)赜休^為豐富的地下微咸水資源[12,13]。西瓜是壓砂地主要種植作物，為保證西瓜產(chǎn)量和農(nóng)民收入的穩(wěn)定，當(dāng)?shù)毓限r(nóng)抽取地下微咸水灌溉西瓜。當(dāng)?shù)匚⑾趟喔确绞街饕獮楦材さ喂嗪臀姽啵▏妿В?，微噴灌是全面灌溉而滴灌是局部灌溉。不同的灌溉方式對土壤水鹽空間分布必然產(chǎn)生深刻的影響，明確這2種灌溉方式下壓砂地土壤水鹽空間分布特性對壓砂地合理利用微咸水及揭示壓砂地抑制土壤鹽分表層累積的機(jī)理具有重要意義。目前，土壤水鹽分布特征研究主要集中在單一灌溉條件下[14,15]，針對不同灌溉方式的研究多集中在典型鹽堿地[16,17]，而在壓砂地的相關(guān)研究較少。本研究通過大田網(wǎng)格調(diào)查取樣和室內(nèi)分析，采用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)以及地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，摸清微噴灌和滴灌對微咸水灌溉下壓砂地土壤水鹽空間變異的影響規(guī)律，以期為壓砂地合理利用微咸水灌溉和壓砂地田間水分管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

調(diào)查區(qū)位于寧夏中衛(wèi)市香山鄉(xiāng)紅圈子村，地理位置為東經(jīng)105°08′，北緯37°02′，海拔1 700 m，是寧夏壓砂西瓜種植核心地帶。土壤類型以灰鈣土和風(fēng)沙土為主，氣候?qū)贉貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，年降水量在200～300 mm之間。調(diào)查地塊0～100 cm土壤基本理化性質(zhì)如表1所示。灌溉機(jī)井水電導(dǎo)率為5.51 mS/cm，pH值為8.46，屬于微咸水。

表1 土壤基本理化性狀Tab.1 Basic physical and chemical properties of soil

1.2 樣點(diǎn)布設(shè)以及樣品采集

選擇相鄰的2塊壓砂地（均為32 m × 32 m的正方形地塊）為樣地，分別使用覆膜滴灌和微噴灌，其中滴灌灌水6次，灌水定額450 m3/(hm2·次)，微噴灌灌水3次，灌水定額為900 m3/(hm2·次)。于2021年3月17-18日，在東西方向與南北方向，采用規(guī)格網(wǎng)格布點(diǎn)法，以網(wǎng)格最小尺寸為32 m × 32 m的正方形網(wǎng)格取樣，網(wǎng)格的尺寸取4 m，測點(diǎn)中心距為4 m，共64個取樣點(diǎn)。采樣點(diǎn)均勻分布在研究正方形內(nèi)，分布情況如圖1所示。采樣時(shí)將表層砂石小心挖開，分別采集0～20 cm和20～40 cm深度的土壤，共采集256個土樣，每個土樣重量約為100 g。

圖1 田間取樣點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of field sampling points

樣品取回后一部分用烘干法測定土壤含水量，另一部分晾干后碾細(xì)過1 mm篩，按照土水比（質(zhì)量）為1∶5制備土壤浸取液，分別用電導(dǎo)率儀（雷磁DDS-307）和酸度計(jì)（Hanna HI2110）測定土壤浸提液的電導(dǎo)率和pH值。

1.3 數(shù)據(jù)處理及其方法

利用SPSS 23.0對土壤含水量、電導(dǎo)率及pH值進(jìn)行描述性數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、正態(tài)分布檢驗(yàn)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，并進(jìn)行方差分析。利用地統(tǒng)計(jì)軟件GS+7.0的變異函數(shù)分析土壤水鹽空間變異結(jié)構(gòu)特征，并通過比較不同模型類型，找出決定系數(shù)與殘差表現(xiàn)較好的半方差擬合模型[10]。利用Kriging插值法繪制等值線圖分析土壤水分、電導(dǎo)率及pH值的空間變化分布規(guī)律。

區(qū)域化變量Z(x)在點(diǎn)x和x+h處的值Z(x)和Z(x+h)差的方差的1/2稱為Z(x)的半變異函數(shù)，記為γ(h)[10]。半變異函數(shù)的塊金系數(shù)表示隨機(jī)部分引起的空間變異占系統(tǒng)總變異的比例，即隨機(jī)因素引起的空間變異程度[18,19]。塊金系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)為：＜25%（較強(qiáng)空間相關(guān)性）、25%～75%（中等空間相關(guān)性）、＞75%（弱空間相關(guān)性）[20]。以殘差值最小和決定系數(shù)最大的原則選擇最佳擬合模型[21]。半變異函數(shù)公式如下：

式中：h為2樣本點(diǎn)間的空間分割距離，m；γ(h)為h的半方差函數(shù)值；N(h)為間隔距離等于h的樣本點(diǎn)的對數(shù)；Z(xi)為空間位置點(diǎn)xi處指標(biāo)的實(shí)測值；Z(xi+h)為空間位置點(diǎn)xi+h處指標(biāo)的實(shí)測值。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤含水率的空間分布

2.1.1 土壤含水率的統(tǒng)計(jì)特征

由表2可知，微噴灌的土壤含水率略高于滴灌，且隨著土層深度的增加而增加，滴灌的含水率隨著深度的增加而降低。變異系數(shù)（CV）反映了變量的離散程度，CV＜10%為弱變異，10%＜CV＜100%為中等強(qiáng)度變異[4]。不同灌溉方式下2個土層土壤含水率的變異系數(shù)均介于14%～22%，屬于中等變異，微噴灌的變異系數(shù)均大于滴灌。土壤含水率數(shù)據(jù)偏度系數(shù)介于-1～1，平均值與中值也相近，其分布符合正態(tài)分布。因此，可以直接使用克里格方法進(jìn)行預(yù)測。

表2 不同灌溉方式下的土壤水分統(tǒng)計(jì)特征值Tab.2 Statistical characteristic values of soil moisture with different irrigation methods

2.1.2 土壤含水率的空間變異

由表3及圖2可知，不同深度土層微噴灌和滴灌土壤含水率的變程均為16.887 m，大于4 m取樣間隔，樣點(diǎn)布設(shè)合理。由于微噴灌20～40 cm及滴灌0～20 cm土層土壤含水率的半方差模型的R2僅為0.2，其模型預(yù)測的目標(biāo)變量值與真實(shí)值差距過大，無法擬合模型，故表3和圖2中僅展示微噴灌0～20 cm和滴灌20～40 cm土壤含水率的半方差理論模型及參數(shù)。微噴灌0～20 cm和滴灌20～40 cm土層土壤含水率的塊金系數(shù)分別為19.1%和74.4%，說明土壤含水率分別具有較強(qiáng)的和中等強(qiáng)度的空間相關(guān)性。

圖2 不同灌溉方式土壤含水率半方差理論模型Fig.2 Semivariance theoretical model of soil moisture content with different irrigation methods

表3 不同灌溉方式下土壤含水率半方差函數(shù)模型參數(shù)Tab.3 Parameters of semivariance function model of soil conductivity with different irrigation methods

2.1.3 土壤含水率空間分布格局

如圖3所示，無論微噴灌還是滴灌，土壤含水率呈現(xiàn)明顯的斑塊狀分布。整體上來看，微噴灌土壤含水率的分布較滴灌更為均勻，0～20 cm土層微噴灌土壤含水率小于滴灌，而20～40 cm土層則高于滴灌，這是因?yàn)槲姽嗟墓嗨~一般大于滴灌，促進(jìn)了水分向下層移動。同時(shí)土壤含水率的極值區(qū)域出現(xiàn)在地塊的中間區(qū)域，而地塊邊緣的土壤含水率較低。從等值線的疏密程度可以看出，微噴灌不同深度土層土壤含水率的空間變異性均大于滴灌。

圖3 不同灌溉方式土壤含水率空間分布Fig.3 Spatial distribution pattern of soil moisture content with different irrigation methods

2.2 土壤電導(dǎo)率的空間分布分析

2.2.1 土壤電導(dǎo)率的統(tǒng)計(jì)特征

由表4可以看出，微噴灌的土壤電導(dǎo)率均值小于滴灌的，說明與滴灌相比，微噴灌更有效地抑制了鹽分表聚，促進(jìn)了鹽分的下移。20～40 cm土層的土壤電導(dǎo)率均值大于0～20 cm，說明覆砂抑制了土壤鹽分的表聚。各個土層電導(dǎo)率的變異系數(shù)均為40%～100%，屬于中等變異。滴灌0～20 cm土層土壤電導(dǎo)率的變異系數(shù)大于微噴灌，而微噴灌20～40 cm土層土壤電導(dǎo)率的變異系數(shù)大于滴灌。

表4 不同灌溉方式土壤電導(dǎo)率的統(tǒng)計(jì)特征值Tab.4 Statistical characteristic values of soil salinity under different irrigation methods

2.2.2 土壤電導(dǎo)率的空間變異

由表5及圖4可知，微噴灌和滴灌條件下不同深度土層的電導(dǎo)率變程均介于12～18 m，大于4 m取樣間隔，說明樣點(diǎn)布設(shè)合理。而微噴灌的變程略小于滴灌，說明微噴灌土壤電導(dǎo)率空間自相關(guān)的距離小于滴灌。

圖4 不同灌溉方式土壤電導(dǎo)率半方差理論模型Fig.4 Semivariance theoretical model of soil electrical conductivity with different irrigation methods

表5 不同灌溉方式土壤電導(dǎo)率半方差函數(shù)模型參數(shù)Tab.5 Parameters of semivariance function model of soil conductivity with different irrigation methods

經(jīng)正態(tài)檢驗(yàn)分析，電導(dǎo)率數(shù)據(jù)不符合正態(tài)分布，因此使用克里格方法預(yù)測時(shí)需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的變換。微噴灌條件下0～20 cm土層土壤電導(dǎo)率數(shù)據(jù)采用開方根轉(zhuǎn)換，20～40 cm土層采用對數(shù)轉(zhuǎn)換；而滴灌條件下采用對數(shù)轉(zhuǎn)換后，電導(dǎo)率分布均接近正態(tài)分布。由表5可以看出微噴灌和滴灌下，塊金系數(shù)均隨土層深度的增加而降低，且各土層深度的塊金系數(shù)均介于25%～75%，說明具有中等強(qiáng)度的空間相關(guān)性。無論是微噴灌還是滴灌，各個土層的塊金系數(shù)均無明顯差異，集中分布在50%～60%。

2.2.3 土壤電導(dǎo)率空間分布特點(diǎn)

如圖5所示，無論微噴灌還是滴灌，土壤電導(dǎo)率空間分布均呈現(xiàn)明顯的斑塊狀。0～20 cm土層微噴灌的電導(dǎo)率中值（144 μS/cm）包圍的面積大于滴灌中值（212 μS/cm）包圍的面積，說明微噴灌的土壤電導(dǎo)率變異程度小于滴灌；而20～40 cm土層微噴灌的中值面積小于滴灌，說明微噴灌的土壤電導(dǎo)率的變異程度大于滴灌。這與描述性統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果相同。從圖5中還可以看出，0～20 cm土層土壤電導(dǎo)率在水平方向存在明顯的差異，在地塊邊緣部分土壤電導(dǎo)率有極大值，甚至20～40 cm土層也有類似規(guī)律，這表明壓砂地鹽分有明顯向地邊聚積的現(xiàn)象。這是因?yàn)榈剡厸]有覆蓋砂層，覆砂土壤和未覆砂土壤含水率存在差異引起水分向地邊運(yùn)動，從而導(dǎo)致土壤鹽分向地邊聚積，這是壓砂地抑制鹽分表聚的作用機(jī)制之一。

圖5 不同灌溉方式土壤鹽分空間分布Fig.5 Spatial distribution pattern of soil salinity with different irrigation methods

2.3 土壤pH值空間分布

2.3.1 土壤pH值的統(tǒng)計(jì)特征

由表6可以看出，各土層的pH值相差并不大。不同灌溉條件下各土層深度的pH均值都在8左右，且變異系數(shù)均小于10%，屬于弱變異，表明該地區(qū)的土壤呈堿性且相對于穩(wěn)定。pH值的數(shù)據(jù)偏度系數(shù)都小于0，呈左偏態(tài)分布。

表6 不同灌溉方式下的土壤pH值統(tǒng)計(jì)特征值Tab.6 Statistical characteristic value of soil pH value with different irrigation methods

2.3.2 土壤pH值的空間變異

由表7可知，微噴灌和滴灌下0～20 cm和20～40 cm土層土壤pH值的變程大于4 m取樣間隔，樣點(diǎn)布設(shè)合理。pH值半方差函數(shù)模型的殘差值均小于0.2，擬合效果較好。

表7 不同灌溉方式下土壤pH值半方差函數(shù)模型參數(shù)Tab.7 Parameters of semivariance function model of soil pH value with different irrigation methods

相同土層深度微噴灌的塊金系數(shù)小于滴灌，說明微噴灌的土壤pH值空間自相關(guān)性比滴灌更強(qiáng)（見圖6）。微噴灌0～20 cm和20～40 cm土層土壤pH值的塊金系數(shù)分別為22.0%和3.0%，均小于25%，具有強(qiáng)烈的空間自相關(guān)性；而滴灌相應(yīng)土層深度塊金系數(shù)分別為93.8%和95.2%，均大于75%，具有較弱的空間自相關(guān)性。這表明微噴灌土壤pH值的空間變異主要由結(jié)構(gòu)性因素引起，而滴灌的則主要由隨機(jī)性因素引起[9]。

圖6 不同灌溉方式土壤pH值半方差理論模型Fig.6 Semivariance theoretical model of soil pH with different irrigation methods

2.3.3 土壤pH值空間分布

如圖7所示，土壤pH值的空間分布具有明顯的斑塊狀分布特點(diǎn)。從整體上看，微噴灌0～20 cm土層土壤pH值大于滴灌，20～40 cm土層2種灌溉方式之間無明顯差異。滴灌0～20 cm土層的pH值存在明顯的低值區(qū)，這是因?yàn)榈喂嗍蔷植抗喔龋⑾趟喔纫鹜寥纏H值升高的區(qū)域有限；另外壓砂地西瓜種植的株行距較常規(guī)種植大，西瓜根系呼吸作用對土壤pH值的影響較小。微噴灌是全面灌溉，微咸水灌溉后提高了0～20 cm土層土壤pH值。

3 討 論

西北干旱區(qū)降水少且蒸發(fā)強(qiáng)烈，土壤鹽分存在明顯表聚現(xiàn)象[22,23]而覆砂則有效抑制了土壤鹽分的表聚[24,25]。本文也發(fā)現(xiàn)，壓砂地上無論微噴灌還是滴灌0～20 cm土層的電導(dǎo)率均小于20～40 cm土層的電導(dǎo)率，而微噴灌0～20 cm土層土壤電導(dǎo)率均值為185.02 μS/cm較滴灌的326.22 μS/cm下降了43.3%，且變異系數(shù)小于滴灌。這說明微咸水微噴灌比滴灌更能促進(jìn)表層土壤鹽分向下層土壤運(yùn)移和淋洗。微噴灌20～40 cm土層土壤電導(dǎo)率均值為272.90 μS/cm較滴灌的185.13 μS/cm增加了47.4%，且變異系數(shù)大于滴灌的。這是由于微噴灌的灌水定額大于滴灌，上層土壤鹽分被淋洗到下層土壤從而引起上層土壤鹽分含量減少而下層土壤鹽分含量增加。0～40 cm土層土壤電導(dǎo)率屬于中等變異，這與趙文舉等[26]研究結(jié)果一致。與此同時(shí)，2種灌溉條件下土壤電導(dǎo)率的變異性隨土層深度的增加而減弱，這與楊曉瀟等[27]的研究結(jié)果一致。

從土壤含水量和土壤電導(dǎo)率的等值線圖來看，2種灌溉方式下等值線圖均呈現(xiàn)大小不一的斑塊狀。土壤含水量最大值等值線均分布在采樣區(qū)域的中間位置，靠近地邊的位置土壤含水量則較低；而土壤電導(dǎo)率最小值等值線分布在采樣區(qū)域的中間位置，地塊的邊緣位置則存在最大值的等值線。這說明土壤覆砂能夠保蓄土壤水分，而在地塊邊緣則由于有裸地導(dǎo)致土壤水分發(fā)生側(cè)向運(yùn)移，同時(shí)帶著鹽分也向地邊運(yùn)動聚積。在生產(chǎn)實(shí)踐中，壓砂地的地邊經(jīng)常能觀察到鹽分的累積，這是壓砂地壓鹽和排鹽的機(jī)理之一。

2種灌溉方式下0～20 cm和20～40 cm土層土壤電導(dǎo)率的塊金系數(shù)均介于25%～75%，表現(xiàn)出中等強(qiáng)度的空間自相關(guān)性?；q寂等[23]在河套灌區(qū)的研究同樣發(fā)現(xiàn)土壤鹽分存在中等強(qiáng)度的空間自相關(guān)性。無論微噴灌還是滴灌條件下，不同土層深度的土壤pH值的均值和變異系數(shù)相差不大，表明灌溉方式對壓砂地土壤酸堿度影響較小。鄧茜等[28]指出土壤pH值受結(jié)構(gòu)性和隨機(jī)性因素的共同影響。微噴灌條件下壓砂地0～20 cm和20～40 cm土層土壤pH值的塊金系數(shù)分別為0.22和0.03，滴灌條件下分別為0.938和0.952。說明微噴灌條件下土壤pH值具有較強(qiáng)的空間自相關(guān)性，其空間變異主要由結(jié)構(gòu)性因素引起；滴灌土壤pH值空間自關(guān)性較弱，其空間變異主要由隨機(jī)性因素引起。

4 結(jié) 論

（1）與滴灌相比，微噴灌有利于淋洗0～20 cm土層鹽分。無論滴灌還是微噴灌，壓砂地0～40 cm土層土壤鹽分屬于中等變異，土壤鹽分含量的半方差模型以高斯模型較好，且具有中等強(qiáng)度的空間自相關(guān)性。

（2）等值線圖顯示壓砂地在地塊中間位置土壤水分含量高而鹽分含量低，而地塊邊緣土壤水分含量低而鹽分含量高。

（3）微噴灌的土壤pH值具有較強(qiáng)的空間自相關(guān)性，其空間變異主要由結(jié)構(gòu)性因素引起；滴灌的土壤pH值空間自相關(guān)性較弱，空間變異主要由隨機(jī)性因素引起。