景電灌區鹽堿耕地土壤剖面鹽分時空演替特征研究

王榮榮，徐存東,2，劉 輝，張 銳，程 慧，王 燕

(1.華北水利水電大學水利學院，河南 鄭州 450046；2.水資源高效利用與保障工程河南省協同創新中心，河南 鄭州 450046；3.河南天池抽水蓄能有限公司，河南 南陽 473000;4.中國水利水電科學研究院，北京 100038)

土壤鹽漬化是由自然或人類活動引起的一種主要的環境風險，已成為世界性的資源和生態問題，受到世界各國的廣泛關注[1-3]。據有關統計資料，全球約有8.31億hm2的土壤受到鹽漬化的威脅，其中58%發生在灌溉農業區，尤其是干旱和半干旱地區的灌溉農業區[4]。據有關數據統計，我國是受鹽漬化影響嚴重的國家之一，鹽漬土總面積約為3 600×104hm2，其中僅西北干旱和半干旱地區鹽漬化土壤面積就占到了69.03%[5]，鹽堿荒地脫鹽改造已成為實現干旱區高產穩產的主要途徑之一。從區域可持續發展的角度，認識和掌握干旱荒漠區鹽堿荒地長期綜合治理條件下土壤鹽分時空分異特征具有其緊迫性和必要性。

近年來，國內外大批學者針對鹽堿地土壤鹽分運移特征開展了大量研究。Eldeiry A A[6]利用空間建模和遙感監測對苜蓿田的土壤鹽分進行了研究。Cai S M[7]運用支持向量機和紋理識別的方法對影響土壤的鹽分信息進行了提取。余海英等[8]運用野外調查和取樣分析的方法，研究了設施栽培條件下土壤鹽分的累積、遷移及離子組成的變化特點。張飛等[9]運用遙感技術對渭干河-庫車河三角洲綠洲內的土壤鹽漬化程度進行了定量評價。陳碧華等[10]通過采集不同種植年限大棚菜田土壤樣品，研究了新鄉市不同種植年限的大棚菜田土壤養分、鹽分以及pH 值的演變特征。孟超然[11]運用統計學知識及地理信息系統技術，對不同滴灌年限下土壤耕作層鹽分變異特征及土壤耕層鹽分與其他土壤指標的相關性進行研究。上述研究取得了大量有益的成果，為揭示土壤鹽分的時空變化規律提供了堅實的理論基礎。

景電灌區地處中國西北干旱荒漠區,低降雨高蒸發的特殊氣候條件、低洼封閉的地勢條件加上高強度的人類活動，導致了灌區大面積的水鹽重組、運移和積聚，形成了大面積的次生鹽堿地，嚴重制約了當地農業生產的可持續發展[12]，使得該區域成為研究干旱荒漠區區域尺度土壤鹽漬化分異特征的典型試驗區。有研究表明，合理耕作、灌溉、施肥等舉措能夠改善土壤化學性質，促進土壤脫鹽，以提高土地生產力[13-15]。隨著灌區土壤鹽漬化問題愈加突出，鹽堿荒地的脫鹽改造成為實現干旱區高產穩產的主要途徑之一，然而目前針對西北干旱荒漠區長期綜合治理條件下鹽堿荒地土壤鹽分時空分異特征方面的研究較少。為此，本研究以景電一期灌區作為典型試驗區，運用時空轉化和相關性分析的方法對不同耕種年限鹽堿耕地土壤鹽分時空分異特征進行探究，以期為合理開發和改良利用我國西北干旱區鹽堿荒地提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

景電灌區是位于中國西北干旱荒漠區的大型梯級揚水灌區之一，地處甘肅省中部，地理區域處于東經103°20′～104°04′，北緯37°26′～38°41′之間，是連接甘、寧、蒙三省的交界地帶，屬于典型的溫帶大陸性氣候。該地區干旱少雨，晝夜溫差大，春季多風，夏季炎熱；年日照時數長達2 714 h，無霜期約190 d，年平均氣溫約8.77℃，多年平均降雨量185.6 mm，降水多集中在6-9月，多年平均蒸發量2 433.8 mm。區域水位普遍較高，且礦化度高，多介于1.3～12.0 g·L-1。受到干旱氣候條件、低洼封閉地勢條件以及人為灌溉因素等的影響，灌區內土壤鹽漬化特征十分明顯。灌區現有鹽堿耕地面積約0.45萬hm2，約占耕地面積的21.7%[12]，且有逐年增加的趨勢。每年春季和冬季，在這些鹽漬化土地的表面上都會出現一層白色物質。由于鹽漬化現象的不斷加劇，使得大量耕地被不斷棄耕。實踐證明，土壤鹽漬化已成為制約灌區土地資源高效利用的主要障礙因子，嚴重制約了當地農業生產的可持續發展。圖1為景電一期灌區地理位置圖及典型的鹽漬化現狀圖。

1.2 土壤特性

圖1 灌區地理位置及典型的土壤鹽漬化現狀圖Fig.1 The map of location of the district andthe present soil salinization

研究區土壤類型以荒漠鹽化灰鈣土為主，表層土壤有機質含量低且土壤結構松散，土壤中毛管孔隙多且連續程度好，對水、鹽運移作用大，在干旱氣候條件下，強烈的蒸發容易使下層鹽分傳導到土壤表層。土壤質地以砂壤和輕壤為主，物理性粘粒占4.9%～26%，地表微有結皮，表層有機質含量1.0%左右。土壤腐殖質層薄，有機質含量低，碳酸鹽剖面分化明顯，碳氮比為12～13。灌區土壤鹽漬土鹽離子主要以氯鹽和硫酸鹽為主[16]。研究區1971年春季提水灌溉前不同深度土壤TS及鹽分離子含量見表1。

表1 荒漠灰鈣土鹽分離子組成情況表

1.3 土樣采集與制備

采樣點選在甘肅省景泰縣景泰川電力提灌灌區一期灌區，該地區主要農作物為小麥，施用化肥主要以尿素為主。研究區地下水位為1.3 m左右。本研究分別在采用小麥-玉米-馬鈴薯輪作方式耕種5、10、15 a后的地塊進行土樣采集，采樣時間在2016年10月8-10日，此時尚未進行冬灌洗鹽，基本不受灌水以及凍融的影響，土壤鹽分相對穩定，基本可以代表不同耕種年限鹽堿耕地鹽分的變化情況。同時在附近尚未開墾的鹽堿荒地上采集土樣作為對照。土樣采集采取“S”形多點混合取樣法，在不同耕種年限的耕地各選5個樣點，同時在未耕種的空地上采集土樣作為對照。每個樣點周圍10 m范圍內分0～5，5～10，10～20，20～40，40～60，60～80 cm共6個土層進行采樣，將相同土層的土樣混合均勻后作為該樣本點的土樣。采集完的土壤樣品帶回實驗室自然風干后，經過磨碎并過2 mm篩裝入自封袋中備用。

1.4 測定項目及方法

2 結果與分析

2.1 不同耕種年限土壤TS及pH值變化

由圖2(a)可以看出，4種不同處理的土壤鹽分含量在剖面上隨土層深度增加均呈現出先降低后升高的趨勢，說明該地區土壤鹽分存在明顯的鹽分表聚和底聚現象，且表聚現象更為明顯。未耕種、耕種5 a、耕種10 a、耕種15 a的0～80 cm土壤鹽分平均值依次為4.081、0.865、0.533、0.411 g·kg-1。表明隨著耕種年限的增加，土壤鹽分含量總體呈現出逐漸降低并逐漸趨于穩定的變化趨勢，耕種5、10、15 a后土壤鹽分含量相較未耕種土壤降幅分別為78.8%、87.0%、89.0%；觀察不同處理土壤鹽分在剖面上的變化趨勢及波動情況可知：未耕種土地土壤剖面鹽分含量隨土壤深度增加無明顯規律性，且波動較大；耕種5、10、15 a后的土壤剖面含量變化趨勢較一致，且波動較小。這是由于種植作物后，隨著人為耕作因素干擾的不斷加劇，加速了土壤脫鹽的過程，使得土壤鹽分不斷被淋洗到下層從而產生累積，且隨著輪作模式、灌溉制度的不斷完善，土壤鹽分含量變化趨勢也隨著耕種年限的增加逐漸趨于穩定。而灌區高蒸發、低降雨，加上全年多風的獨特氣候條件，誘發了土壤潛水蒸發，從而導致土壤中層鹽分不斷運移到土壤表層，進而引發了土壤鹽分表聚現象。

由圖2(b)可以看出，4種不同處理下的土壤pH值隨土壤深度的變化無明顯規律性。隨著耕種年限的增加，土壤pH值呈現出上升趨勢，0～80 cm全剖面平均值由未耕種時的8.35分別上升至耕種5、10、15 a后的8.38、8.58、8.85，可見隨著耕種年限的增加，土壤pH值呈現上升趨勢，且增幅逐漸增大，耕種5、10、15 a后增幅分別為0.3%、2.8%、5.9%。耕作層0～20 cm深度pH平均值由未耕種時的8.30分別上升至耕種5、10、15 a后的8.88、9.00、9.05，增幅分別為7.1%、8.5%、9.1%；而20～80 cm土層深度pH平均值由未耕種時的8.37分別上升至耕種5、10、15 a后的8.21、8.44、8.78，增幅分別為1.9%、0.8%、4.8%。可見隨著耕種年限的增加，土壤全剖面均出現了堿化趨勢，且耕作層堿化速度明顯較快。

圖2 不同耕種年限鹽堿耕地土壤TS及pH值變化Fig.2 Changes of TS and pH in 0～80 cm soil profile in different planting years

2.2 不同耕種年限土壤陽離子組成變化

2.2.1 陽離子剖面分布 圖3是陽離子在0～80 cm土壤剖面分布圖。由不同耕種年限0～80 cm土壤剖面Na+含量變化情況可以看出(圖3(a))，未耕種、耕種5、10、15 a的Na+含量平均值依次為1.548、0.200、0.120、0.113 g·kg-1，可以看出，與未耕種相比，耕種后土壤中Na+含量顯著降低，且隨著耕種年限的增加，Na+含量平均值總體呈現逐漸降低趨勢，其中耕種5、10、15 a后的Na+含量分別降低了87.1%、92.3%、92.7%。可見耕種年限的增加對Na+含量的影響較大，使得土壤中Na+含量顯著降低。從剖面分布態勢可以看出，未耕種土壤Na+含量剖面變幅較大，在0.079～2.100 g·kg-1之間。耕種5 a后，各土層深度Na+含量均大幅下降，此后隨耕種年限的增加，不同土壤深度Na+含量在剖面中的變化趨于穩定，受耕種年限的影響較小，且底聚現象較為明顯，可見隨著耕種年限的增加，Na+并未在土壤表層積累，而是隨著灌水向下層淋溶，表明灌區部分耕地表層土壤發生堿化現象并非Na+水解導致的。

由不同耕種年限0～80 cm土壤剖面Mg2+含量變化情況可以看出(圖3(b))，未耕種、耕種5、10、15 a后Mg2+含量平均值分別為0.073、0.048、0.046、0.044 g·kg-1，可見隨著耕種年限的增加Mg2+含量平均值總體呈現出逐漸降低并趨于穩定的趨勢，其中耕種5、10、15 a后的Mg2+含量分別降低了34.0%、36.5%、40.2%。從剖面分布態勢可以看出，未耕種土地中Mg2+含量隨著土壤深度的增加無明顯變化規律。與未耕種相比，耕種后土壤中Mg2+含量呈現出表層和底層積聚的現象，與剖面鹽分總量的分布趨勢相似，但與之不同的是Mg2+底聚現象更為明顯。

由不同耕種年限0～80 cm土壤剖面Ca2+含量變化情況可以看出(圖3(c))，與未耕種相比，耕種5、10、15 a后Ca2+含量平均值由0.148 g·kg-1分別下降到0.112、0.073、0.072 g·kg-1，降幅分別為24%、50.6%、51.5%。可見隨著耕種年限的增加，Ca2+含量平均值總體同樣呈現出逐漸降低并趨于穩定的趨勢。從剖面分布態勢可以看出，未耕種以及耕種5、10 a后土壤中Ca2+含量均表現出鹽分表聚和底聚現象，且表聚現象較為明顯，耕種15 a后土壤中Ca2+含量均呈現出鹽分底聚現象，隨著長期灌溉，Ca2+遭到淋溶，從而向下層積聚，而表層Ca2+的流失在一定程度上會削弱作物的抗鹽害能力，不利于作物的生長。

由不同耕種年限0～80 cm土壤剖面K+含量變化情況可以看出(圖3(d))，與未耕種相比，耕種5、10、15 a后K+含量平均值由0.0374 g·kg-1分別下降到0.019、0.018、0.016 g·kg-1，降幅分別為49.0%、51.7%、55.4%。可見，K+含量平均值隨著耕種年限的增加總體呈現出逐漸降低的趨勢。從剖面分布態勢可以看出，不同土壤深度K+含量隨耕種年限的增加無明顯規律，且在剖面中的變化不大，最大變幅僅為0.03 g·kg-1，受耕種年限的影響較小。

圖3 不同耕種年限陽離子在0～80 cm土壤剖面的分布Fig.3 Changes of cations in 0～80 cm soil profile in different planting years

2.2.2 不同耕種年限SAR在剖面上的變化 SAR(sodium absorption ratio,SAR)簡稱鈉吸附比，是反映鹽堿地堿化程度的重要指標，可作為鹽堿地分類的重要依據，同時還可作為表征鹽堿地改良利用過程中質量變化的重要指標[18]。由表2可以看出，與未耕種土地相比較，耕種后0～80 cm土層中SAR的平均值顯著減小，耕種5a后，平均值由未耕種時的4.651降至0.712，降幅達到了84.7%，說明在提水灌溉后，土壤中的Na+以淋洗為主，隨著耕種年限的增加，越來越多的Na+被淋出土體。耕種10、15 a后SAR的平均值分別降至0.502、0.445，降幅分別為89.2%、90.4%，降幅趨于穩定。0～20 cm土層SAR平均值同樣隨著耕種年限的增加不斷減小，由未耕種時的3.099分別下降至耕種5、10、15 a后的0.652、0.488、0.401，表明耕作層土壤中的可溶性Na+的比例在不斷下降。從不同耕種年限SAR在剖面中的變化趨勢來看，未耕種土地中SAR值隨土壤深度的增加無明顯規律性，耕種10、15 a后SAR值隨土壤深度的增加波動不大，相對穩定。這是由于經過長時期的灌溉、耕作使得土體結構逐漸均衡，土壤中各離子的含量達到了相對穩定的狀態，從而使得SAR在全剖面的變化趨勢趨于平緩。

2.3 不同耕種年限土壤陰離子組成變化

2.3.1 陰離子剖面分布 由圖4(a)不同耕種年限土壤中Cl-含量的變化情況可以看出，與未耕種土壤相比，耕種5 a后土壤中的Cl-含量顯著下降，其平均值由1.804 g·kg-1降至0.153 g·kg-1，降幅高達92%。這可能歸因于Cl-不易被土壤膠體所吸附，易于隨水分運移的特點，所以在灌溉后有了很大的降幅。且隨著耕種年限的增加，其含量逐年降低，耕種10、15 a所對應的平均值為0.076、0.070 g·kg-1，降幅分別為95.8%、96.1%，可見隨著耕種年限的增加，Cl-含量漸趨穩定。從Cl-剖面分布態勢可以看出，未耕種土壤中Cl-含量變幅較大，無明顯規律，中下層積聚現象較嚴重。隨耕種年限的增加，不同土壤深度Cl-含量在剖面中的變化不大，受耕種年限的影響較小。

表2 不同耕種年限鈉吸附比在不同土層中的變化

圖4 不同耕種年限陰離子在0～80 cm土壤剖面的分布Fig.4 Changes of anions in 0～80 cm soil profile in different planting years

表3 不同耕種年限在不同土層中的變化

3 結 論

1)與未耕種鹽堿荒地相比較，耕種5、10、15 a后0～80 cm各土層鹽分總量在剖面上隨著土壤深度的增加呈現先下降后上升的趨勢，表現出鹽分表聚和底聚現象，且表聚現象更為明顯。同時隨著耕種年限的增加，整個土壤剖面的鹽分含量呈現出逐年降低趨勢。可見隨著長期合理灌溉、耕作等人類活動因素的影響，使得土壤鹽分得到了很好的淋溶，在一定程度上改善了作物的生長環境。

2)土壤pH值在剖面上隨土壤深度的增加無明顯變化規律，隨著耕種年限的增加，整個土壤剖面土壤pH值呈現出逐漸上升趨勢，由未耕種時的8.35上升至耕種15 a后8.85，表明灌區土壤在脫鹽過程中出現了堿化趨勢。