伽師縣鹽堿荒地土壤鹽漬化趨勢預(yù)測分析

王友年

(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司,新疆 烏魯木齊 830000)

喀什噶爾河流域伽師縣由于其特殊的地理位置及氣候環(huán)境,土地鹽堿化及荒漠化問題嚴(yán)重,經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn),部分耕地因?yàn)橥寥利}漬化問題嚴(yán)重而導(dǎo)致棄耕、休耕,區(qū)域鹽堿荒地面積越來越多,且未能得到有效利用[1]。隨著流域內(nèi)耕地面積需求的快速增加,加快鹽堿荒地的合理開發(fā)利用顯得尤為重要。

近年來,諸多學(xué)者開展了一系列關(guān)于鹽堿荒地治理、開發(fā)及應(yīng)用的研究,并取得一定成果。如王勝[2]、張強(qiáng)等[3]提出了鹽堿荒地的脫鹽及改良方法;程詩念等[4]、王銀環(huán)等[5]及李文昊等[6]對鹽堿荒地治理開發(fā)后鹽分的重分布及對土壤的影響情況進(jìn)行了分析;郭珈瑋[7]、劉濤[8]等針對鹽堿荒地開發(fā)利用后土壤鹽分及作物長勢等進(jìn)行了研究,總結(jié)了相關(guān)經(jīng)驗(yàn);郭文聰?shù)萚9]、蔣鵬文[10]等對原生及不同灌溉條件下的鹽堿荒地鹽分積累和運(yùn)移特征進(jìn)行了分析,為后續(xù)研究提供了理論支撐。

綜上所述,以往研究大多針對鹽堿荒地的治理及改良,局限于靜態(tài)的定性或部分定量的研究,難以量化描述鹽堿荒地的鹽分變化特征,且對于荒地鹽堿化趨勢預(yù)測的研究較少。本文在野外取樣及室內(nèi)測試的基礎(chǔ)上,建立相關(guān)的計算模型,對喀什噶爾河流域具有典型代表性的區(qū)域伽師縣不同類型土壤的積鹽量及鹽漬化趨勢進(jìn)行預(yù)測,直觀地認(rèn)識和了解區(qū)域土壤鹽漬化的發(fā)展趨勢,并為區(qū)域土地資源的持續(xù)開發(fā)利用及綜合規(guī)劃提供參考。

1 材料及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

伽師縣位于喀什噶爾河流域沖積平原中下游,地形為東西逐漸開闊微傾的半封閉盆地,地勢總體呈西高東低,北高南低。地貌景觀主要包括風(fēng)成沙包、鹽土荒漠、現(xiàn)代河流淤積綠洲等。研究區(qū)屬于典型的溫帶大陸性干旱氣候,蒸發(fā)量大約為降水量的42倍,光照資源豐富,年平均日照數(shù)約為3000h。伽師縣水資源較為豐富,主要以山區(qū)降水和冰雪融水為主。伽師縣位于喀什噶爾河流域下游,土壤顆粒較細(xì),地下水徑流受阻,因此研究區(qū)內(nèi)地下水位埋深普遍較淺,加上近年來不合理的灌溉方式及排水鹽設(shè)施老舊,間接導(dǎo)致了區(qū)域鹽漬化問題。經(jīng)調(diào)查,研究區(qū)未利用土地面積超過區(qū)域土地資源面積的50%,大部分灌區(qū)周邊均存在由于鹽堿化而棄耕、休耕的土地。

1.2 取樣及測試

在收集區(qū)域基礎(chǔ)資料及實(shí)地考察后,在充分考慮土地利用類型及鹽堿化情況的基礎(chǔ)上,按不同深度(0～30cm、30～50cm、50～80cm)共取樣6個,且荒地取樣均位于耕地周邊,取樣點(diǎn)基本情況見表1。取樣時根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行潛水礦化度測定,取樣后按《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)在新疆巖土中心檢測含鹽量,在室內(nèi)進(jìn)行土壤基本物理力學(xué)性質(zhì)測試。

表1 取樣點(diǎn)基本情況統(tǒng)計

1.3 研究方法

在實(shí)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,首先對不同土地利用尤其是荒地的鹽分分布情況進(jìn)行分析。由于荒地?zé)o灌溉等外界因素干擾,故利用實(shí)測及經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立土壤積鹽量和積鹽速度的數(shù)學(xué)模型,對區(qū)內(nèi)荒地條件下5年、10年及20年后的土壤積鹽量進(jìn)行預(yù)測。

伽師縣由于氣候干旱,荒地中的潛水通過毛細(xì)作用向上運(yùn)移至土壤表面后迅速被蒸發(fā),但水中所含的鹽分卻留在土壤中。因此,有學(xué)者提出可通過計算蒸發(fā)掉的潛水中所含的鹽分來反映土壤中的積鹽情況[11]。

1.3.1 土壤積鹽量計算模型

(1)

式中:Y為積鹽量,g/m2;E為潛水蒸發(fā)量,mm;E0為水面蒸發(fā)量,mm;C為潛水蒸發(fā)系數(shù);M為潛水礦化度,g/L。

1.3.2 土壤積鹽速度計算模型

(2)

式中:Ys為土壤含鹽量,%;Y為單位體積土壤中的積鹽量,g;W為單位體積土壤的重量,g;Ys0為土壤初始含鹽量,%;ΔS為土壤積鹽速度,%/a;γ為土壤容重,g/cm3;t為積鹽時間,a。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用下的土壤鹽分分布特征

土壤水分、鹽分的變化在一定程度上會受到土地利用類型的影響。經(jīng)調(diào)查,伽師縣林地主要分布在耕地內(nèi)及河流沿岸,草地主要分布在田間及綠洲和荒漠區(qū)的交錯帶,荒地主要分布在綠洲邊緣及地勢較為低平的區(qū)域,其中鹽堿荒地作為一種不容忽視的土地資源,則主要分布在耕地周邊。本次針對不同土地利用類型下的土壤鹽分分布特征研究,主要選取土壤積鹽較為嚴(yán)重的荒地及與人類生產(chǎn)生活密切相關(guān)的耕地進(jìn)行分析。根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)繪制耕地及荒地剖面土壤含鹽量變化曲線,見圖1。

圖1 不同土地利用類型不同深度含鹽量分布情況

由圖1可知,研究區(qū)不同土地利用類型下,不同深度土壤含鹽量存在較大差異,荒地含鹽量普遍高于耕地,分析其原因,是由于果樹、棉花、西瓜等耕地有專人管理,且區(qū)域修建有排堿渠等設(shè)施,所以含鹽量較荒地低;耕地不同作物之間含鹽量存在差異,可能是由于作物類型、土壤質(zhì)地及作物管理制度等多種因素的影響所致。

2.2 鹽堿荒地的土壤積鹽狀況

采用式(1)、式(2)計算伽師縣的土壤積鹽量。根據(jù)所需參數(shù),引入葉爾羌河潛水均衡觀測實(shí)驗(yàn)站數(shù)據(jù),得到研究區(qū)多年水面平均年蒸發(fā)量為1500mm[12],土壤容重按室內(nèi)試驗(yàn)實(shí)測取平均值1.43g/cm3,研究區(qū)不同土壤質(zhì)地及不同水位埋深下的潛水蒸發(fā)系數(shù)引用張江輝的研究成果[11]。不同潛水埋深下蒸發(fā)系數(shù)見表2。

表2 不同潛水埋深下蒸發(fā)系數(shù)

根據(jù)表1參數(shù),結(jié)合取樣后測試結(jié)果,分別計算不同土壤質(zhì)地、不同礦化度(0～10g/L)及不同水位埋深下(0～5m)內(nèi)的土壤積鹽量與積鹽速度,結(jié)果見表3。

表3 伽師縣不同條件下的土壤積鹽量與積鹽速度(M為地下水礦化度)

為更直觀地分析伽師縣不同條件下的土壤積鹽量狀況,繪制不同水位埋深情況下地下水礦化度與土壤積鹽量情況曲線,見圖2。

圖2 土壤積鹽量、積鹽速度與地下水礦化度曲線

結(jié)合表3及圖3 可以發(fā)現(xiàn),土壤的積鹽量和積鹽速度均與潛水礦化度成正比關(guān)系,表明在相同水位埋深下,地下水礦化度越大,其積鹽量與積鹽速度也越大。由圖3可看出,當(dāng)水位埋深較小時,土壤積鹽量和積鹽速度均較大,即土壤的積鹽量和積鹽速度與水位埋深成反比關(guān)系,這與竇旭等[13]的研究結(jié)果一致。且不同土壤質(zhì)地的積鹽量及積鹽速度也存在差異,在相同水位埋深下,積鹽量與積鹽速度曲線斜率中壤土>輕壤土>砂壤土,表明在相同條件下不同土壤積鹽量及積鹽速度中壤土>輕壤土>砂壤土。分析其原因,主要是由于不同土壤質(zhì)地的蒸發(fā)量存在差異。

2.3 鹽堿荒地土壤鹽漬化趨勢預(yù)測

確定了伽師縣研究區(qū)的水位埋深和礦化度后,開始預(yù)測不同土壤質(zhì)地類型在不同情況下的土壤鹽漬化的發(fā)展趨勢。以區(qū)域內(nèi)鹽堿荒地為例,假定在未來無相應(yīng)鹽堿化治理措施的情況下,推算研究區(qū)5年、10年及20年后80cm土層內(nèi)的積鹽量,計算結(jié)果見表4,并繪制研究區(qū)不同土壤質(zhì)地多年積鹽量預(yù)測曲線,見圖3。

表4 預(yù)測未來年份土壤積鹽量計算結(jié)果

由圖3可知,隨著時間的推移,研究區(qū)鹽漬化程度會逐年加深,且呈直線增加趨勢。假設(shè)伽師縣鹽堿荒地中的初始含鹽量均為0,可以看出,研究區(qū)鹽堿荒地若在不采取任何鹽堿治理措施的情況下,當(dāng)潛水埋深和礦化度相同時,中壤土最先發(fā)展為鹽土(含鹽量大于2%)[14],與之前的研究結(jié)果相同,即積鹽速度中壤土>輕壤土>砂壤土。這也從側(cè)面證明了黏性土較砂性土更易發(fā)生土壤鹽漬化,分析原因,是由于黏性土的孔隙與粒徑小,導(dǎo)致土壤水運(yùn)移速度緩慢,再加上蒸發(fā),更易引起水中鹽分的滯留,導(dǎo)致土壤含鹽量增加,而砂質(zhì)土壤顆粒相對較粗,孔隙較大,透水性相對較強(qiáng),有利于土壤水的運(yùn)移,不易造成鹽分積聚。根據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn),伽師縣鹽堿荒地大都分布于耕地周圍,灌溉水側(cè)滲,排水鹽設(shè)施不完善,進(jìn)一步加重了鹽堿荒地的鹽漬化。開展治理并開發(fā)鹽堿荒地可減輕區(qū)域土地資源緊缺的壓力。

綜合上述分析結(jié)果,對荒地鹽堿化進(jìn)行控制及治理、調(diào)控地下水位至臨界深度及加強(qiáng)水質(zhì)監(jiān)測是重要的解決方法。當(dāng)研究區(qū)進(jìn)行鹽堿荒地治理及開發(fā)時,應(yīng)注意耕作層土壤巖性及地下水位埋深,若所選區(qū)域鹽漬化程度較為嚴(yán)重,可考慮通過修建農(nóng)田排水工程進(jìn)行水位調(diào)控,同時應(yīng)加強(qiáng)對灌溉水和地下水水質(zhì)的管理,還可考慮在干排鹽模式下將荒地作為排鹽區(qū)進(jìn)行規(guī)劃,以提高土地資源綜合利用率。另外,本次模型是在假設(shè)初始含鹽量為0的情況下建立的,而在實(shí)際中不僅應(yīng)參考土壤積鹽量計算公式,還應(yīng)該結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況進(jìn)行分析。

3 討 論

本次研究存在以下不足:?取樣較少,用于代表整個伽師縣略顯不足;?大部分樣品是在荒地中取得的,其他土地利用類型未取對比樣,因此對研究區(qū)不同土地利用類型下的土壤鹽分分布情況的分析不夠全面,這可作為今后研究重點(diǎn);?受多種因素影響,雖然建立了土壤含鹽量預(yù)測模型,卻未開展驗(yàn)證計算,后續(xù)應(yīng)在有條件的情況下進(jìn)一步通過取樣測試或數(shù)值模擬等方法開展模型驗(yàn)證研究。

通過實(shí)際調(diào)查及分析結(jié)果發(fā)現(xiàn),伽師縣鹽漬化情況較為嚴(yán)重,主要是由于區(qū)域地下水位較淺,加之不合理的灌溉、排水方式導(dǎo)致的。今后針對鹽堿荒地治理,需根據(jù)流域規(guī)劃結(jié)合實(shí)際情況,細(xì)化多元排水方案,保障區(qū)域排水排鹽通暢,減少鹽漬化的產(chǎn)生。此外,應(yīng)加強(qiáng)地下水位調(diào)控,降低土壤鹽漬化,但在林草區(qū)域還須考慮將地下水位控制在生態(tài)水位范圍內(nèi)。因此,不能一刀切地在研究區(qū)增加補(bǔ)給量、減少排泄量,而應(yīng)根據(jù)不同區(qū)域、不同條件制定最優(yōu)地下水位調(diào)控方案及優(yōu)化灌溉方案。