北疆膜下滴灌棉田生育期土壤水鹽的變化特征

由國棟，虎膽·吐馬爾白，朱海清

(1. 新疆農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院，烏魯木齊 830052；2. 山東省濱州市小開河引黃灌溉管理局，山東 濱州 256600)

新疆地處干旱區(qū)，降水少、蒸發(fā)強烈，土壤鹽漬化是威脅農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)這重要因素。防止土壤次生鹽堿化，對實現(xiàn)土壤生態(tài)化利用重要意義。新疆地區(qū)現(xiàn)有耕地413 萬hm2，由于鹽漬化造成的低產(chǎn)田占耕地面積31%[1]。膜下滴灌技術具有保墑、增溫、適時適量的灌溉、在作物根區(qū)形成適宜作物生長的水鹽環(huán)境，逐漸顯示出對鹽漬地水鹽動態(tài)調(diào)控的機制，已成為我國西北內(nèi)陸干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉的重要發(fā)展模式，目前，新疆膜下滴灌應用面積已突破200 萬hm2[2]。

由于干旱區(qū)降水少、蒸發(fā)強烈，耕種活動年復一年的實施造成土壤中鹽分逐漸累積。加強干旱區(qū)土壤水鹽變化規(guī)律的研究防止土壤次生鹽堿化，對干旱區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有非常重要的意義。目前，國內(nèi)外許多學者對干旱區(qū)土壤水分和鹽分的變化進行了大量研究。 C. G. Ladenburger等[3]對美國懷俄明州檉柳生長區(qū)土壤特性研究表明，鹽分在表層最大。T. M. Burgess和R.Webster[4]將區(qū)域化變量理論和Kriging估值方法引入土壤科學的研究。牟洪臣等[5]研究認為膜下滴灌技術使用初期可使土壤鹽分含量下降，但是使用9 a以后，田間土壤鹽分逐步增加。同類研究還認為膜下滴灌棉花生育期內(nèi)鹽分在膜間0～40 cm強烈聚集[6]。谷海斌等比較了石河子灌區(qū)和瑪納斯灌區(qū)2個灌區(qū)的土壤鹽漬化程度的分布狀況，得出了2個灌區(qū)仍存在土壤積鹽趨勢，普遍存在鹽漬化的威脅[7]。前人研究成果對于膜下滴灌技術的應用具有非常重要的指導和實踐作用，但由于土壤水鹽運移的復雜性、受外界條件影響的多樣性，水鹽運移理論還有待我們進一步探索和研究。

本文采用傳統(tǒng)統(tǒng)計學和地統(tǒng)計學分析相結合的方法，以長期膜下滴灌棉田為研究對象，通過對耕種多年的土壤分層取樣，探討了該地區(qū)膜下滴灌棉田土壤水分和鹽分的分布特征，以期為防止次生鹽漬化和改良鹽漬地、土壤評價提供理論基礎，為膜下滴灌技術的科學利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗概況

本試驗區(qū)在新疆生產(chǎn)建設兵團石河子市121團，位于天山北麓、準噶爾盆地南緣，地處歐亞大陸腹地(44°46′55″N，85°32′50″E平均海拔337.1 m)。該地區(qū)光照充足、熱量豐富、夏季炎熱，年降水量為141.8 mm，年蒸發(fā)量1 826.2 mm，降水稀少，蒸發(fā)強烈，具有典型的大陸性荒漠氣候特點[8]。本實驗區(qū)所選棉田屬于統(tǒng)一灌溉區(qū)，種植作物為棉花，灌溉制度相同，棉花實行“干播濕出”，播種后澆灌一次出苗水，保證棉花出苗。

1.2 試驗方法

實驗采用GPS定位，土鉆取樣，取樣深度分別為0、20、40、60、80、100、120 cm。取土時間2013年4月10- 22日，對2003年種植的棉田作為實驗區(qū)，分別于棉花種植前和播種完成澆出苗水一周后。取樣方案：沿南北、東西方向每隔100 m采集土樣，每次取樣在同一位置取土。利用烘干法測出土壤的質(zhì)量含水率，將烘干的土樣磨碎、過篩，取18 g土和90 g蒸餾水按土水比1∶5混合攪拌浸泡，攪拌均勻后沉淀，利用電導儀測定溶液的電導率，然后換算成土壤的總含鹽量。棉田于4月15日灌溉出苗水，灌水一周后進行取樣。

數(shù)據(jù)處理采用Spss13.0、圖表采用surfer繪制。

2 結果和分析

2.1 土壤水分和鹽分的變化

春季是棉花播種期，北疆地區(qū)一般采用“干播濕出”的種植方式，種植后灌溉一次出苗水。從表1知，鹽分峰值點種植前主要集中在40～80 cm，種植后鹽分的峰值點主要集中在60 cm以下土層，這由于經(jīng)過多年的種植土壤鹽分產(chǎn)生累積，種植后灌溉澆水對土壤鹽分洗淋作用明顯。種植前后在0、20、40 cm土壤含鹽量均值分別降低58%、60%、68%。灌溉后在0～120 cm土壤鹽分均值垂直分布自表層向下呈遞增趨勢，越往深層變化越平緩，淺層土壤鹽分在滴灌水作用下不斷向下運移，可見膜下滴灌灌溉具有明顯的局部抑鹽作用。

土壤水分變化狀況從表1可知，在表層(0 cm)土壤含水率種植前為11%～25%，種植后土壤含水率為17%～29%，可見土壤表層土壤含水率增大，隨著土壤深度的增加含水率增幅逐漸減少。從均值可看出，0 cm含水量增加17%，60 cm增加6.1%，20～40 cm種植后水分均值偏小。種植后在灌溉水的作用下，土壤鹽分均值自上而下呈增加趨勢，土壤水分均值在表層和60 cm以下土層增加，這可能是由于土壤土質(zhì)結構和分層不均勻造成的。

表1 土壤水鹽含量統(tǒng)計特征值Tab.1 Statics of water salinity contents soil layers

注：N表示正態(tài)分布，LN表示對數(shù)正態(tài)分布；Ⅰ表示活躍層，Ⅱ表示穩(wěn)定層。

2.2 土壤水分和鹽分特征分析

土壤作為時間和空間上的連續(xù)體，其自然屬性的變異是許多因素相互作用的結果，具有尺度上的相關性[9]。變異系數(shù)是描述變量特征的重要參數(shù)，Cv﹤0.1為弱變異性，0.1≤Cv≤1為中等變異性，Cv﹥1為強變異性[10]，變異程度反映了一組變量的重要程度、反映了不同土層土壤水分和鹽分變異程度差異。由表1可知，實驗區(qū)土壤含水量的變異屬于中等偏弱變異程度，不同土層間的變異程度有明顯的差異性。種植前后表層土壤水分的變異系數(shù)較大，分別為29%、19%；在0～40 cm，土層越深含水量變異幅度越小；60 cm以下土層水分變異系數(shù)較大，可能是由于土壤中含有黏粒分層，影響土壤水分入滲和蒸發(fā)；土壤水分變異程度在垂直剖面上變異系數(shù)相差不大。土壤鹽分在40～80 cm鹽分變異系數(shù)比較高，灌溉前在40 cm土層鹽分變異程度強，這可能是由于多年種植導致鹽分在土壤中產(chǎn)生產(chǎn)生累積造成的。土壤含鹽量的變異性明顯大于含水量的變異性，可能這是由于影響鹽分分布的因素較多，這與姚江榮、李子忠等[11,12]人的分析結果相同。

2.3 土壤剖面水分和鹽分變化層次

為了研究土壤鹽分和水分活躍程度，采用基于標準差和變異系數(shù)兩個指標的分析方法[13]。土壤活躍程度不僅可以反映出自然因素的影響大小，而且也可以顯示出人類灌溉、耕種、施肥等人為因素的干擾強度[14]。用聚類分析法，分別對各時期土壤剖面水、鹽含量垂直變化進行了分層，并判定各土層的變化類型[15]。根據(jù)標準差和變異系數(shù)將其劃分為2層：活躍層、穩(wěn)定層。

由表1可知，土壤鹽分種植前表現(xiàn)為表層活躍，底層穩(wěn)定的，種植后鹽分的活躍程度變得規(guī)律性更強，隨著土壤深度的增加，土壤鹽分活躍性逐漸變小的趨勢。土壤水分在種植前和種植后，表現(xiàn)出相反的活躍性，種植前，表層活躍，底層穩(wěn)定，種植后水分活躍程度變化與灌溉前相反，說明種植灌溉對土壤水分影響大，對土壤鹽分的影響因素小于其他因素對其的影響。

2.4 土壤水分和鹽分空間等值線變化

在進行地統(tǒng)計分析前，采用SPSS軟件的單樣本K-S方法對數(shù)據(jù)進行正態(tài)分布檢驗(表1)，結果表明土壤鹽分和水分數(shù)據(jù)大多服從正態(tài)分布，部分數(shù)據(jù)服從對數(shù)正態(tài)分布，符合地統(tǒng)計學要求。利用Surfer軟件對數(shù)據(jù)進行Kriging插值，并繪制空間分布等值線圖，等值線的密集程度反映了變量的空間變異性。

從圖1(a)、圖1(b)，分析種植前和種植后土壤鹽分空間分布變化可知，種植前土壤鹽分變化分布差異大，空間分布規(guī)律性不十分明顯，分布格局較為雜亂[圖1(a)]。0～20 cm含鹽量變化幅度小；40～80 cm等值線密集，高值和低值交錯；在40～80 cm、200～400 m段等值線密集度高，鹽分含量也高；100 cm以下等值線相對均勻。總體上種植前土壤鹽分空間分布格局較為雜亂，低值和高值數(shù)量多且分布交錯，由于試驗區(qū)實行膜下滴管灌棉花種植，土壤的耕種活動可能是這種現(xiàn)象形成的重要因素。種植后，0～20 cm含鹽量變化相對于種植前等值線的變化幅度大，在水平尺度上等值線明顯減少。在80～120 cm，400～600 m段種植后鹽分空間變異大、等值線密集。淺層土壤鹽分空間變異自東向西逐漸增大，自上而下土壤鹽分等值線變得更密集。

土壤水分等值線分布如圖1(c)、圖1(d)，從中可以看出種植前0～20 cm含水量在水平尺度方向上表現(xiàn)出西高東低的變化趨勢，等值線分布東密西疏；20 cm以下，0～200 m含水量隨深度的增加逐漸增加； 60～120 cm、400～600 m段土壤含水量隨深度增加而減少；40～60 cm土層等值線變化幅度明顯高于其他土層，含水量低值和高值在空間分布上共存。種植后，土壤含水量等值線變的均勻，0～40 cm空間變異強度降低，空間變異性隨著深度的增加逐漸增長的趨勢。

圖1 種植前后土壤鹽分和水分空間分布圖Fig.1 Distribution of soil salt content and water content at different soil layerers planting period

由空間分布分析可知，實驗區(qū)淺層土壤鹽分和水分均成西部高于東部，土壤鹽分和水分主要從西部向東部逐漸降低，鹽分變化比水分的變化更加復雜。在實驗區(qū)西部有一條十余米寬的生產(chǎn)道路，鹽分向此處聚集，路邊地下埋著有供水干管，灌溉水量相對充足而造成西部水分和鹽分偏高。實驗區(qū)長期實行膜下滴灌，灌溉水量少而不能充分洗淋土壤中鹽分可能是導致鹽分分布格局形成的另一個重要因素。從局部上看，土壤鹽分最高值在研究區(qū)的中間部位，且在該范圍內(nèi)空間變異性最大，這是由于土壤鹽分與微地形、氣候條件等因素密切相關，導致該部位地勢較高處土壤鹽分的積聚性和空間變異性要明顯強于其他部位[16]。

2.5 土壤鹽分和水分的相關分析

采用Pearson相關性分析法，分析土壤各層含鹽量和含水量之間的關系。如表2所示，土壤水鹽的Pearson相關性比較：①種植前0～20 cm土層高度相關，100～120 cm土層相關性弱；②種植后，0～40 cm為中度相關，80～100 cm相關性增加。通過對比種植前后土壤水分與鹽分的Pearson相關性，種植后各層土壤水分和鹽分相關性更加趨于均勻，說明種植和灌溉活動影響了土壤的水分和鹽分的相關性。

表2 土壤鹽分與水分Pearson相關系數(shù)Tab.2 Soil salt content and soil moisture Pearson correlation coefficient

注：*表示置信水平0.01；**表示置信水平0.05。

3 結 語

干旱區(qū)膜下滴灌棉田土壤鹽漬化問題是影響干旱區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要因素。影響土壤鹽分的分布因素不僅包括降水量、蒸發(fā)量、作物種植類型、地表覆蓋程度等，還與灌溉水質(zhì)、土壤成土母質(zhì)、土層結構、化肥使用等因素有關。影響土壤鹽分的因素不僅多而且復雜，也就造成土壤鹽分變異相對復雜。膜下滴灌棉田經(jīng)過多年種植后，土壤鹽分自上而下逐漸增加。鹽分在土壤一定層面上的積累，對長期鹽分積累是一個需要關注的問題[17]。

結合上述，主要結論如下。

(1)經(jīng)典統(tǒng)計學分析表明，各層土壤含水量均值差距較小，種植前土壤含水量在水平方向上的變異系數(shù)分布區(qū)間在[0.13，0.36]之間，變異程度屬于中等偏弱，種植后，含水量變異系數(shù)相比種植前明顯減小；種植后土壤鹽分在水平方向上的變異系數(shù)分布區(qū)間在[0.46，0.91]之間，變異程度屬于中等偏強，各土層土壤含鹽率變異系數(shù)差值較大，在40～60 cm土壤變異系數(shù)值較高，土壤鹽分變異分布總體上成自上而下先增大后減小的波動趨勢。

(2)采用聚類分析法分析土壤水分和鹽分的活躍層次，表明了生育期灌溉對土壤水分影響大于對鹽分的影響。Pearson相關分析表明，種植活動對土壤水分和鹽分的相關性變化具有顯著的影響。

(3)由土壤水鹽的空間分布顯示，種植前土壤鹽分空間分布格局較為雜亂，低值和高值數(shù)量多且分布交錯。灌溉后，自上而下土壤鹽分等值線逐漸變得密集，0～20 cm空間變異自東向西逐漸增大。土壤水分在種植前等值線密集，變異程度大；種植后等值線變得比較均勻。0～20 cm含水量變化自東向西逐漸增大。灌溉后土壤水分等值線變得均勻，土壤鹽分由于受影響因素多，等值線的變化比土壤水分等值線變化復雜。

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