濱海鹽堿農田排水溝土壤水鹽分布特征研究

孫池濤，張俊鵬，馮 棣，孫景生

(1.中國農業科學院農田灌溉研究所/農業部作物需水過程與調控重點實驗室，河南 新鄉 453002； 2.山東農業大學水利土木工程學院，山東 泰安 271018；3.中國科學院地理科學與資源研究所，北京 100101)

0 引 言

鹽堿地是我國重要的后備耕地資源，其合理開發利用對保障我國糧棉安全和生態環境建設具有重要戰略意義[1]。當前，有關鹽堿地土壤開發和利用的基礎研究主要集中于水鹽運移規律及其模擬、土壤水鹽分布時空變異、不同改良措施下水鹽調控機理等方面[2-4]。這些研究多是以平地或地表微地形較小的農田為研究對象。而有關地表地形起伏較大的溝渠、河道等不同坡位土壤水鹽分布特征的研究報道相對較少[5]。排水溝作為鹽堿地農田生態系統重要的組成部分，對鹽堿地排水、排鹽、控制地下水位和防治土壤次生鹽漬化有重要作用[6,7]。以往學者針對排水溝尺寸、間距、布設方案等內容進行了深入探討，并形成了針對不同地區的優化設計方案[7]。潘延鑫等[8,9]研究了蓄水條件下排水溝土壤鹽分與水體鹽分以及排水溝與農田土壤鹽分之間的交換機理。在北方半干旱半濕潤地區，排水溝在雨季主要起排水作用；雨季過后，排水溝內水體被排空，排水溝處于閑置狀態。排水溝剖面土壤水分和鹽分狀況(堿化土面、鹽殼等)直接影響排水溝邊坡穩定和土壤表面沖刷情況，同時排水溝還可能對周圍農田鹽分分布情況產生重要影響。而有關排水溝土壤剖面內水鹽分布特征未見研究報道。為了明確排水溝不同位置處土壤剖面水鹽分布狀況，于2015年棉花收獲后分別對輕度和重度鹽堿地排水溝土壤剖面水鹽分布進行了取樣調查，旨在分析土壤水分和鹽分在排水溝土壤剖面的分布規律和特征，為鹽堿地改良和利用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本試驗于2015年11月在河北省海興國有農場(37°56′ N,117°50′ E)進行，該農場位于渤海灣西部40 km處，海拔6 m。該區域屬于暖溫帶季風性氣候，年降雨量為582 mm，約70%的降雨集中在7-8月份。該區域地下水位一般在0.5～2.5 m，且多為咸水，礦化度為25～35 g/L。

1.2 試驗布置及取樣方法

研究區占地面積約33.33 hm2，種植作物為棉花。研究區內排水溝長度約100 m，間距為50 m，深1 m，排水溝剖面為U型(圖1)。排水溝運行5 a。棉花收獲后，分別對輕度和重度鹽堿地排水溝進行分層(每20 cm)取樣(每個鹽度水平設置3次重復)，測定土壤含水率(烘干法)和土壤電導率(電導率儀法測定土水質量比為1∶5土壤浸提液)，其中電導率用于表征土壤鹽分狀況。取樣點分別位于排水溝頂部、半坡和底部(圖1)。輕度和重度排水溝0～200 cm土層內土壤粒徑分布見表1，土壤質地為粉質壤土(美國農業部)。

圖1 排水溝尺寸及取樣點示意圖

1.3 數據統計與作圖

文章中所有數據均在Excel-2016中統計處理，土壤含水率和電導率剖面二維分布圖由Surfer9.0完成，土壤含水率和電導率垂向分布圖由Excel-2016完成。

表1 排水溝土壤粒徑分布情況

2 結果與分析

2.1 土壤含水率

輕度和重度鹽堿地排水溝剖面內土壤水分分布基本相似，均是土壤含水率自頂部向底部逐漸增加，在半坡170 cm深處土壤含水率達到最大[圖2(a)和圖2(b)]。0～120 cm土層(三個取樣位置含水率值加權平均)土壤含水率明顯低于120～200 cm土層，輕度鹽堿地排水溝低了12.19%，重度鹽堿地排水溝低了9.74%。輕度鹽堿地排水溝土壤水分含量總體低于重度鹽堿地，平均低了2.38%。這主要是重度鹽堿地較高的土壤鹽分吸持了土壤水分所致。輕度和重度鹽堿地排水溝底部和頂部含水率基本一致，但輕度鹽堿地半坡處平均含水率比重度鹽堿地低了4.36%。

圖2 輕度和重度鹽堿地排水溝剖面土壤含水率分布

2.2 土壤鹽分

輕度和重度鹽堿地排水溝的土壤鹽分分布均是0～120 cm土層(三個取樣位置電導率值加權平均)內土壤鹽分含量相對較高，120 cm以下土層土壤鹽分含量相對較低[圖3(a)和圖3(b)]。輕度鹽堿地排水溝0～120 cm土層土壤鹽分(三個取樣位置電導率值加權平均)含量比120～200 cm高了3.28%，重度鹽堿地排水溝高了19.24%。輕度鹽堿地排水溝的頂部、半坡和底部土壤鹽分含量相近，且分布相對較均勻，在土壤剖面上呈均勻型分布；重度鹽堿地排水溝的頂部、半坡和底部的土壤鹽分主要積聚在地表以下0～40 cm土層，土壤鹽分呈表聚型分布。0～200 cm土壤剖面內，輕度鹽堿地平均土壤鹽分含量比重度鹽堿地低了34.18%。

圖3 輕度和重度鹽堿地排水溝剖面土壤鹽分分布

2.3 土壤水分和鹽分的基本統計特征

對輕度和重度鹽堿地排水溝不同取樣位置土壤水分和鹽分數據進行經典統計學分析(表2)可知，重度鹽堿地排水溝土壤剖面含水率的最大值、最小值和平均值均高于輕度鹽堿地，分別高了9.28%、7.18%和2.29%；重度鹽堿地電導率最小值略低于輕度鹽堿地，最大值和平均值比輕度鹽堿地分別高了191.20%和51.94%。重度鹽堿地排水溝剖面土壤電導率空間分布屬于強變異性[3]，輕度鹽堿地含水率和電導率空間分布均屬于弱變異性。重度鹽堿地土壤含水率和電導率變異系數均大于輕度鹽堿地，這可能主要是由于重度鹽堿地土壤鹽分含量對土壤水分的吸持作用及其空間分布的不均勻所致[10,11]。

表2 輕度和重度鹽堿地排水溝土壤剖面水分和鹽分的統計特征值

3 結 論

輕度和重度鹽堿地排水溝土壤剖面含水率分布特征相似；

重度鹽堿地排水溝土壤剖面內土壤含水率含量及其空間分布變異系數總體略高于輕度鹽堿地，屬于弱變異性。輕度鹽堿地排水溝剖面土壤鹽分分布相對均勻，空間變異系數為7.70%，屬于弱變異性；重度鹽堿地排水溝剖面土壤鹽分分布屬于表聚型，土壤鹽分主要積聚在土壤地表0～40 cm以內，土壤鹽分空間分布變異系數為44.63%，屬于中等變異性。

本文主要對濱海鹽堿地排水溝剖面土壤水分、鹽分及土壤溶液濃度分布特征及其變異性做了深入分析，研究結果可為鹽堿地土壤生態環境管理提供依據。然而，有關排水溝土壤剖面土壤水分、鹽分及土壤溶液濃度的周年運移特征及時空變異特征仍有待于進一步研究。

□