鹽漬化灌區耕地-荒地-沙地水鹽分布及鹽分累積特征

王銀環,劉 霞，胡小東，喬 天

(內蒙古農業大學水利與土木建筑工程學院，內蒙古 呼和浩特 010018)

土壤鹽漬化與水資源不足是制約內蒙古河套灌區農業生產發展的主要因素。干旱半干旱灌區地下水位高，強烈蒸發作用使土壤母質和地下水中鹽分積聚土壤表層，產生土壤鹽漬化[1]，同時灌區特有的耕地和荒地交錯分布格局使土壤鹽堿化問題朝良性方向發展[2]。蘇閱文[3]在義長灌域研究結果表明：在蒸發和灌溉綜合影響下，耕荒地土壤積鹽與脫鹽交替進行。王國帥等[4]等對耕地-荒地-海子系統構建水量和鹽量平衡模型，揭示土壤水鹽在灌溉和秋澆期不同系統間的遷移轉化規律。郭勇等[5]等對農田-防護林-荒漠復合系統研究表明各景觀單元土壤含鹽量具有顯著的季節波動、水平遞變和垂直分層特征。楊軍等[6]研究發現自然條件下龜裂堿土0～40 cm土層鹽分變化活躍，積鹽與脫鹽交替進行。晉建[7]利用HYDRUS-2D模型模擬分析不同灌水量和灌水次數情景下對土壤鹽分運移的影響。余根堅等[8]利用HYDRUS數值模擬分析得出溝灌能有效控制土壤積鹽。王水獻等[9]利用數值模擬建立田間二維尺度水鹽運移模型，制定了合理灌溉制度。李亮[10]研究表明荒地鹽分主要積聚在表層土壤中，同時能抑制土壤蒸發。He等[11]在華北沖積平原區的研究表明不同粘土層厚度及土層位置對鹽分的累積差異十分明顯。Cichota等[12]研究灌溉強度對溶質優先遷移的影響，研究表明土壤及排水系統中可溶物質的遷移與降雨量、灌水量及灌溉頻率密切相關，表明滴灌溶質的分布更加均勻。Mmolawa等[13]提出種植作物條件下水和溶質的入滲及再分布依賴于灌溉方法、土壤類型、作物根系分布、水和溶質的吸收模式和速率等。楊勁松等[14]通過對綠洲灌區-農區-耕層3個尺度進行了水鹽均衡分析；岳衛峰等[15]建立了非農區-農區-水域的水鹽運移及均衡模型，論證了義長灌域內鹽荒地及水域的旱排能力非常大，提出了排水和旱排的重要性，但未考慮灌域內沙丘及沙地的排鹽作用。

本文以河套灌區典型耕地及鹽堿荒地詳解區域為研究對象，旨在探究耕地、荒地和沙地水分、總鹽、鹽分離子時空遷移規律，不同類型土壤積鹽特征與鹽分離子對土壤積鹽量的影響。采用逐步回歸分析建立土壤積鹽預測模型，為1.2 m深土壤鹽分預測提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于內蒙古河套灌區巴彥淖爾市沙壕渠東南部張連生海子水域區，北緯49°19′～41°18′，東經106°20′～109°19′，海拔1 030～1 050 m。地處干旱半干旱氣候帶，屬中溫帶大陸性季風氣候，降水量少，蒸發量大，晝夜溫差大，日照時間長。試驗區概況如圖1所示，耕地位于試驗區中央，其東南為沙丘，耕地西部為鹽荒地，最西部是張連生海子水域。試驗區的氣象資料見圖2，2014—2017年試驗期間年均降水量約為104.23 mm，平均氣溫為20.52℃，蒸發量為2 100 mm。河套灌區地下水以潛水為主，主要來源于農田灌溉入滲和各級渠道滲漏水量，試驗區地下水位變化見圖3，耕、荒、沙地地下水位多年均值分別為2.5、2.8、2.9 m。試驗區土壤鹽堿狀況見表1。

表1 試驗區土壤初始鹽堿狀況

圖1 試驗區概況Fig.1 A schematic diagram of the experimental area

圖2 試驗區降雨量與氣溫Fig.2 Rainfall and air temperature distribution in the experimental area

1.2 試驗設計與測定指標

采用地面灌溉，灌水時間及灌水量如表2所示。在耕地、荒地、沙地分別設置2個平行取樣點，取樣深度為0～120 cm，分7層(0～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～100、100～120 cm)測定土壤的含水量、全鹽、pH值及八大離子；同時在耕地、荒地、沙地及海子附近設置地下水觀測孔，測定地下水位、地下水的礦化度及鹽分離子含量。土壤儲鹽量計算公式：

Sa=Σ(Sti×Di×Li/10)

(1)

式中,Sa為土壤儲鹽量(t·hm-2)；Sti為土壤某層次全鹽量(g·kg-1)；Di為某層次土壤容重(g·cm-3)；Li為土壤層次深度(cm)。

試驗區在2014、2016年種植玉米，2015、2017年種植葵花。

1.3 數據分析

數據整理分析采用Excel 2017，三維等值線圖及柱狀圖繪制采用Origin 2017與R語言，相關關系分析與主成分分析采用SPSS 20軟件進行。

2 結果與分析

2.1 耕地-荒地-沙地土壤水分垂直分布特征

試驗區包括耕地-荒地-沙地不同土地利用組合區。耕地的灌溉水主要耗水于土壤蒸發和作物蒸騰作用，同時通過土壤滲補給地下水。灌溉期對耕地地下水的補給遠大于地下水的潛水蒸發，導致耕地地下水位升高，通過側向補給地下水向荒地及沙地流動。耕地、荒地、沙地0～120 cm土層含水率分布規律如表3所示，耕、荒、沙地均表現為隨土層深度加深土壤含水率增大，變異系數減小，土壤含水率變化范圍分別為13.31%～26.54%、16.45%～27.22%、1.81%～17.81%。0～10 cm土層變異系數較大，分別為23.61%、10.91%和104.05%,表明耕、荒、沙地土壤水分分布不均，土壤含水量差異較大。耕地0～40 cm土層受灌溉和耕作影響，土壤水分變異性較大，水分運動較為劇烈。荒地表層積鹽明顯，形成鹽殼，抑制土壤水分蒸發，土壤含水量相對穩定。沙地含水率低于耕地與荒地，表層僅為0.03%。

圖3 2014—2017年耕地-荒地-沙地地下水埋深變化Fig.3 Change of groundwater depth in cultivated, waste and sandy land from 2014 to 2017

2.2 耕地-荒地-沙地不同深度土壤鹽分累積特征

耕地、荒地、沙地土壤剖面積鹽時空分布如圖4所示，由圖4(a)可以看出，耕地0～120 cm土層年均積鹽量約為2.63 t·hm-2，種植不同作物的耕地土壤積鹽量均呈現隨土壤深度增加而增大的趨勢，同時鹽分累積主要集中在春季和秋季收獲期。春匯后耕地土壤鹽分向下遷移，土壤積鹽量減少約2.1 t·hm-2,灌水間歇期,隨水分蒸發及灌水后地下水位升高，毛管水上升補給土壤，造成土壤返鹽，0～10 cm土層約累積0.76 t·hm-2。作物整個生育期內0～120 cm土層土壤脫鹽較少，約為0.59 t·hm-2，由于2014、2016年和2017年未秋澆，作物收獲后土壤積鹽約1.83 t·hm-2，而2015年11月5日進行秋澆后，作物收獲后，0～40 cm土層呈現脫鹽狀態，脫鹽量約為0.7 t·hm-2,而在40～120 cm土層約有0.27 t·hm-2鹽分聚積。由圖4(b)可以看出，荒地積鹽表聚明顯，積鹽量隨土層深度加深呈現減少趨勢，約70%的鹽分聚積在表層,春匯后最高可達39.85 t·hm-2，與耕地變化趨勢相反，且荒地積鹽量遠大于耕地，0～120 cm土層土壤積鹽量約為9.46 t·hm-2，耕地灌水后，荒地鹽分增加，0～10 cm表層增加較為顯著，荒地成為耕地的“鹽庫”。由圖4(c)可以看出，沙地積鹽趨勢與耕地相似，與荒地相反。沙地0～120 cm積鹽量約為5.27 t·hm-2,小于耕地，隨土層深度加深積鹽量增加，耕地灌水后沙地0～10 cm表層鹽分減少，40～120 cm土層鹽分增加，主要是由于耕地地下水補給沙地，沙地毛管作用弱，隨水分蒸發向上遷移量小。

2.3 耕地-荒地-沙地全鹽累積量與鹽分離子之間的關系

表2 試驗區灌水時間及灌水量

表3 試驗區0～120 cm土層土壤平均含水率統計特征值

圖4 2014～2017年耕、荒、沙地土壤積鹽量Fig.4 Soil salinity map of cultivated, waste and sandy lands in 2014-2017

注：G-耕地; H-荒地; S-沙地; ** 在置信度(雙測)為 0.01 時，相關性是顯著的; *在置信度(雙測)為 0.05 時，相關性是顯著的。Note: G-cultivated land; H-waste land; S-sandly land. ** The correlation was significant at a confidence level (bilateral) of 0.01; * The correlation was significant at a confidence level (bilateral) of 0.05.圖5 耕地、荒地、沙地積鹽量與鹽分離子相關關系Fig.5 Correlation between salt accumulation and salt ions in cultivated, waste and sandy land

2.4 土壤積鹽主控因子的識別

F1=-0.034X1+0.843X2+0.744X3

+0.117X4+0.051X5+0.095X6

(2)

F2=-0.003X1+0.292X2+0.36X3

+0.816X4+0.853X5-0.276X6

(3)

F3=-0.98X1-0.18X2-0.305X3

+0.092X4-0.128X5+0.122X6

(4)

荒地提取出2個主成分，能反映6個離子的75.67%的信息。其中第一主成分F1可反映57.97%原變量的信息，包含的信息最多；第二主成分F2可以反映17.70%原變量的信息。根據中心化及因子旋轉后的特征向量值列出土壤積鹽主成分表達式如下(5)～(6)式所示。

F1=-0.094X1+0.259X2+0.244X3

+0.192X4+0.235X5+0.262X6

(5)

F2=-0.936X1-0.139X2+0.179X3

-0.107X4-0.054X5-0.08X6

(6)

沙地提取出2個主成分，前2個主成分能反映6個離子66.84%的信息，其中第一主成分F1可以反映41.31%原變量的信息，所包含的信息最多，第二主成分F2可以反映25.53%，根據中心化及因子旋轉后的特征向量值列出土壤積鹽主成分表達式如下(7)～(8)式所示。

F1=0.014X1+0.357X2+0.288X3

-0.247X4+0.13X5+0.44X6

(7)

F2=0.378X1-0.02X2-0.075X3

+0.730X4+0.260X5-0.174X6

(8)

2.5 土壤積鹽統計預測分析

采用逐步回歸分析方法，以上述X1～X6個主要鹽分離子為自變量，分別以耕荒沙地0～120 cm土壤積鹽量均值為因變量(Y1、Y2、Y3)，建立0～120 cm土層土壤積鹽量線性回歸預測模型，為預測耕荒沙地積鹽量提供相關的理論依據。表4為耕荒沙地線性回歸模型計算結果，在1.2 m土層中，耕地X1變量在積鹽量模型中的Pearson相關系數為0.652，說明土壤積鹽量變化的65.2%可以由此模型解釋，荒地X6變量在積鹽量模型中的Pearson相關系數為0.971，說明土壤積鹽量變化的97.1%可以由此模型解釋，沙地X2變量積鹽量模型中的Pearson相關系數為0.87，說明土壤積鹽量變化的87%可以由此模型解釋，由方差分析表知，F統計量都通過α=0.05顯著性檢驗，說明回歸方程均顯著。耕荒沙地線性回歸模型分別如下(9)～(11)式所示。

Y1=0.778+0.004X1

(9)

Y2=0.334+0.013X6

(10)

Y3=1.158+0.007X2

(11)

表4 模型匯總及回歸系數

3 討論與結論

3.1 討 論

灌區節水改造工程打破了水鹽平衡體系，灌區土壤水鹽重新分配[16]。試驗表明在0～120 cm土層土壤垂直剖面含水率表現為荒地>耕地>沙地，隨土層深度加深含水率變異系數減小。因而灌水是影響耕地土壤水分變化的主要因素，灌溉水中有較大部分滲漏進入地下水[2]，灌溉期耕地地下水側向補給荒地和沙地[17]。沙地保水性差，表層(0～10 cm)變化較為劇烈[18]，本研究表明沙地表層變異性最大，變異系數為104.5%。荒地深層土壤含水率變異性最小，變異系數為7.67%，與前人研究結果一致。

試驗表明耕地積鹽主要集中在作物生育初期和末期，而其余生育期處于脫鹽狀態，主要原因是灌水洗鹽及作物生長期間植物蒸騰大于地面蒸發，減少蒸發造成的地表積鹽。灌溉期，耕地與鄰近未灌溉田塊發生地下水橫向交換[19]，土壤表層鹽分被淋洗到深層，隨地下水遷移到荒地，鹽荒地成為耕地的“鹽庫”[20]。這是由于荒地及沙地無灌溉，主要受降雨影響,耕地進行灌溉，由于受灌溉水的淋洗作用，灌溉期間耕地鹽分被淋洗到深層土壤或地下水，同時地下水水平側向補給荒地和沙地，耕地的土壤鹽分被帶入荒地，無灌溉水淋洗的荒地地下水在毛管作用下向上移動，鹽分向上層土壤積聚，在強蒸發作用下表層土壤鹽分顯著增加。鹽分經潛水蒸發向土壤和地表遷移。荒地受到耕地灌溉水水平側滲補給地下水的影響，鹽分隨毛管水上升逐漸向表層遷移，最終鹽分積聚在表層[21]。杜金龍等[22]對土壤鹽分含量較高的鹽漬化區土壤含鹽量與土壤含沙量的關系進行分析，表明土壤含鹽量與土壤含沙量之間呈負相關關系，即土壤中含沙量越高鹽分含量越低，因而沙地鹽分含量低于耕地。本研究在荒地對耕地干排鹽作用及荒地鹽分表聚方面的結論與前人的研究結果相似。

3.2 結 論

土壤水分及積鹽變化受多種因素影響，具有復雜的變化過程及發生機制。通過對張連生海子試驗區鹽堿地土壤水分及土壤積鹽特征與鹽分離子對土壤積鹽量的影響進行分析，得到主要結論如下：

(1)土壤垂直剖面含水率均表現為荒地>耕地>沙地。隨土層深度增加含水率變異系數減小，沙地表層變異性最大，變異系數為104.5%。荒地深層土壤含水率變異性最小，變異系數為7.67%。

(2)荒地積鹽主要聚集在表層，荒地表層最多可累計積鹽39.85 t·hm-2，不同類型土地積鹽量荒地>耕地>沙地。說明含沙量越高土壤積鹽越少。耕地積鹽量與荒地積鹽量在0.01置信水平上顯著負相關。耕地積鹽量與沙地積鹽量呈現顯著正相關。