黄泛区农田土壤渍涝障碍的发生机制研究

陈 诚

(黄河水利职业技术学院，河南 开封 475003)

1 项目简介

河南省黄泛区包括全省20个县，涉及耕地24×104hm2。在广阔的黄泛区，农田土壤渍涝障碍是伴生的。由于地上黄河侧渗导致的渍涝、由于黄河改道及引黄淤灌导致的农田土壤是导致河南省黄泛区农田生产力低下的重要根源[1]。周振民在《黄河下游引黄灌区农业生态环境脆弱性评价及对策》中指出，为了提高区域土水资源利用效率及可持续利用，保障中原经济区快速发展战略的实现，必须深入探究农田土壤障碍发展演变规律，并构建农田障碍消减与风险防控对策[2]。本项目实施区为河南省封丘县域。封丘位于黄河冲积扇平原，南东两面紧邻黄河，该县域农田土壤质地和剖面质地层次呈现丰富的多样性。封丘县是我国典型重要农业生产区，该县域农田土壤渍涝障碍在广大的黄泛区具有充分代表性。因此，探究封丘县域农田土壤渍涝障碍的发生演变机制，构建农田土壤障碍加剧风险防控对策体系，对于黄泛区农田土壤障碍消减与农业生态系统质量提升，保障国家粮食安全和加快中原经济区发展战略，具有重要的理论意义和实际应用价值。

2 研究现状

据国土资源部提供的资料显示，1996～2008年13年间我国耕地面积减少0.083 33×108hm2,平均每年减少0.006 667×108hm2[3]。通过对沙化、酸化和渍涝等障碍性农田土壤改性治理，实现耕地资源的提质扩量，是保证粮食产量的有效途径[4]。分析农田土壤主要障碍并揭示其发生机理，对于消减农田土壤障碍、提高农田土壤质量具有极为重要的意义。农田土壤渍涝等障碍导致农田土壤质量降低的问题，已经引起国内外学者的高度关注[5～12]，一般认为研究农田土壤障碍发生演变机理的关键基础是对农田土壤障碍信息精确解译和评估，其中最为普遍采用的评估方法和手段是遥感信息解译[13～15]。如王玉刚等利用遥感数据、GIS及地统计方法，针对三工河流域中上游阜康绿洲开展研究，得到典型绿洲区农田土壤盐分的空间变异特征[16]。王金哲等通过实验室数据和整合所搜集资料，查明环渤海低平原区的0～40 cm农田土壤含盐量现状，在此基础上，以不同盐分情况下的农田土壤安全容盐值、农田土壤化学类型和作物布局结构为参考指标，对研究区的农田土壤安全容盐潜力进行评价[17]。周在明等应用协同克立格插值方法，对环渤海低平原农田土壤盐分的空间变异特征进行研究[18]。李云鹏等分析不同时期的遥感资料，演算不同时期归一化植物指数NDVI值，基于遥感影像技术和光谱特征直接提取土地退化指标，分析内蒙古自治区植被覆盖宏观变化和荒漠化的情况[19]。Bouaziz Moncef等利用遥感影像提取出影响农田土壤障碍的光谱指数，建立评价巴西东北部半干旱区农田土壤障碍的LSU模型[20]。除此之外，还有学者根据各障碍类型的特点，采取相应的评估方法[21～23]。如石进校等通过不同水平的渍涝处理，研究渍涝对淫羊藿叶片膜脂过氧化和SOD活性的影响，为耐涝性淫羊藿的栽培提供理论依据[24]。Visconti F等针对内陆灌区农田土壤质量退化问题，同时考虑种植制度、气象条件、农田土壤物理化学性状、灌溉水源特征等要素，对灌区农田土壤渍涝和盐化障碍进行中长期预测[25]。

3 研究方案

围绕揭示河南黄泛区农田土壤渍涝障碍的发生演变机制、构建障碍加剧风险防控与减障对策体系这一核心研究目标，本项目集成应用多种研究手段与方法、多尺度多时相数据协同集成融合的整体学术思路，以依托于承担单位的国家和省部级重点实验室、野外生态实验站、研究中心为研究基地，系统开展项目研究工作。本项目应用研究区农田土壤渍涝障碍季际、年际动态变化的信息调研采集，获得区域农田土壤渍涝障碍的现状特征。通过对区域农田土壤障碍要素历史资料的整理、汇总与详细分析，结合区域30年来4个代表性时相遥感影像信息反演，利用GIS制图与空间数值分析技术，获得各研究时相的区域农田土壤渍涝障碍的特征参数(含分布面积、障碍程度等)。综合农田土壤渍涝的各时相特征，解析区域农田土壤渍涝障碍的演变规律与发展趋势。

布置田间土壤渍涝障碍动态监测，收集气象数据，监测地下水特征信息、农田土壤剖面水分等指标数据，获得面域原位农田土壤渍涝障碍驱动要素的动态监测数据；设置障碍驱动要素的不同组合(不同土体构型与黄河水位)条件下的黄河水文水力学侧渗和引黄淤灌模拟实验，获得不同试验条件下农田土壤渍涝障碍发展程度与范围特征参数；通过田间开展驱动因子作用试验，研究灌溉、气象条件等要素对农田土壤渍涝障碍的作用规律与内在机理；结合通过对历史渍涝障碍要素资料的整理分析和遥感信息反演，获得渍涝障碍主导驱动因子演变特征和对应时相的农田土壤渍涝障碍响应特征，确定区域农田土壤渍涝障碍的主导驱动因子，并揭示出主导驱动因子的驱动机理。

4 农田土壤渍涝障碍的原位动态监测方法

在各障碍类型区，设置农田土壤渍涝障碍原位动态监测网，在研究区设置4个监测断面，每个断面设置6个点位，每个点位设置1眼地下水观测井，并分4层埋设农田土壤水分负压计(埋设分别为20、45、80和125 cm)，每10天测定1次地下水位，系统获得农田土壤渍涝障碍的动态数据。

在研究区，总体采用网格法布点，采样间距设计为3 km×3 km，采样层次设计为：0～30 cm，30～60 cm，60～100 cm，100～150 cm，150～200 cm，200～250 cm，……，采至恒定地下水位(通过休灌期人工测定静态井水位确定)。实验室分析测定农田土壤质地组成。连续进行第1年秋季、第2年春季和第2年秋季的3次面域农田土壤样品采集与详细调研，系统获取田间土壤渍涝障碍的季际和年际的动态变化，以及障碍的现状特征。

考虑研究区渍涝的主要成因为地上型黄河水侧渗补给，又鉴于当前尚未有关于此类型渍涝的统一标准，结合河南黄泛区的自然地理等综合条件，本研究拟按照地下水位埋深小于0.5 m的天数T分别为：T≤5 d，5 d >T≤15 d，15 d>T≤30 d，30 d>T≤45 d，和T>45 d，相应分为非渍涝、轻度、中度、重度和严重渍涝计5个等级。

依据上述农田土壤渍涝障碍的分级标准，对季际、年际的农田土壤渍涝障碍进行特征信息解译与评估，并绘制相应障碍评估图集。

5 区域农田土壤渍涝障碍的规律分析

采取室内判读与野外考察相结合的方法，对研究区历史农田土壤障碍信息资料(如统计年鉴、全国第二次农田土壤普查资料、地方农田土壤、水利志等)进行收集汇总与整理分析，分析农田土壤渍涝、障碍与遥感影像真彩色组合特征的对应关系，确立解译标志；应用人机交互解译方法，对发生渍涝、障碍的农田土壤开展遥感判读分类；利用GIS软件对各时相的农田土壤障碍特征图进行空间叠加，确定出各时相间的研究区域农田土壤障碍的时空演变规律；应用转移矩阵统计学分析方法，解析农田土壤发生渍涝障碍的总体数量演变特征。

5.1 不同地下水埋深条件下土壤水分运动特征

典型易渍涝区土壤水分运动存在显著的季节性特征，1 m地下水位和3 m地下水位条件下土壤水分的季节性运动规律整体比较一致，存在显著的周期性，均表现为夏秋季节土壤剖面水分含量高、冬春季节则低，且表层土壤水分含量季节间波动幅度较大，靠近地下水面的底层土壤水分含量季节间波动幅度较小。控制土壤剖面水分动态季节性分布规律的主要原因是降雨、蒸发等气象学因子，其中研究区季节间降雨量动态差异是主要影响因子，研究区夏季降雨最集中、土壤剖面水分含量最高，秋季降雨少但土壤剖面水分含量往往仍保持较高的原因是土壤水分动态的滞后效应，冬春季降雨少、土壤剖面水分含量低。

典型易渍涝区土壤剖面水分运动存在显著的垂直分布特征，1 m地下水位和3 m地下水位条件下土壤水分运动的垂直分布规律整体比较一致，土壤水分含量由土壤表层至底层呈现逐渐增加趋势，即离地下水位距离愈小、土壤水分含量愈高。控制土壤剖面水分动态垂直分布规律的主要因素是水动力学因子，随着与地下水面距离的增加，非饱水带土壤剖面水分补给逐渐降低。同时，土壤水蒸发强度逐渐增加，加上植被种植下的根系吸水作用，导致土壤剖面表层含水量最低。见图1、图2。

进一步研究土壤含水量随不同地下水埋深条件的变化特征(图3)，结果表明，随着地下水位埋深增加，土壤剖面各层土壤平均含水量呈逐渐下降的规律。对土壤剖面不同土层水分含量随地下水位变化而降低的趋势进行拟合分析(表1)，结果表明，土壤剖面各层含水量随地下水埋深增加均呈现显著的线性下降趋势，其中表土含水量随地下水埋深增加而下降的幅度最大(回归方程斜率最大)，底层土壤含水量下降幅度则相对较小。

图3 不同地下水位条件对土壤剖面水分含量变化的影响

项 目0～20 cm20～40 cm40～60 cm整个土体平均回归方程Y=-0.080x+0.411Y=-0.068x+0.420Y=-0.061x+0.418Y=-0.045x+0.387R20.9610.9420.9550.950

注:Y为多年平均土壤体积含水量(%)，x为地下水埋深(m)，样本数均为5。

5.2 不同土体构型条件下土壤水分运动特征

不同土体构型条件下，土壤水分的季节间运动规律整体一致，均表现为夏秋季土壤含水量高、冬春季土壤含水量低。但黏土层水分运动的季节间波动幅度相对较小(图4含厚30 cm和厚1 m黏土夹层土体的40～60 cm层是黏土层)，这是因为黏土层较差的透水性能使土壤水分运动具有一定的滞后效应，进而影响土壤水分波动表现得较平稳。

图4 不同土体构型条件下的土壤水分动态

不同土体构型条件下，土壤剖面水分含量的垂直分布规律差异显著(图5)。全剖面粉砂壤土体剖面含水量由表层至底层呈逐渐增加的规律，30～60 cm含黏土夹层土体和0～100 cm为黏土层土体的黏土层部位土壤含水量则明显高于剖面其他粉砂壤土层，表明黏土层具有良好的保水能力。

图5 不同土体构型条件下的土壤剖面水分分布特征

进一步对不同土体构型条件下的不同土层含水量差异进行方差分析和多重比较分析(表2)，0～100 cm为黏土层的土柱0～20 cm层和60～80 cm层含水量均显著高于另二种土体构型土柱的0～20 cm和60～80 cm粉砂壤土层；30～60 cm含黏土夹层土柱和0～100 cm为黏土层土柱的20～60 cm层含水量在0.05显著水平下不存在显著差异，但均显著高于全剖面粉砂壤土土柱20～60 cm的粉砂壤土层含水量。随着黏土层厚度增加，土体平均含水量也呈显著增加趋势。

表2 不同土体构型条件下不同土层含水量的差异显著性分析(0.05显著水平下)

5.3 不同植被覆盖条件下土壤水分运动特征

不同植被覆盖条件下，土壤水分含量的季节性动态规律基本一致(图6)，整体均表现为夏秋季土壤含水量高、冬春季土壤含水量低。但植被种植条件下，土壤水分含量的季节间波动幅度相对更大，这是因为植被根系吸水作用的影响，使土壤水分运动更加活跃。

图6 不同植被覆盖条件下的土壤水分动态

不同植被覆盖条件下，土壤剖面水分含量的垂直分布规律较一致(图7)，整体均表现为表土含水量低、底土含水量高。但受植被耗水作用的影响，植被种植条件下土壤剖面水分含量普遍低于裸土土体，其中表土平均含水量差异最大，平均降低15.0%。进一步对不同植被覆盖条件下土体各层土壤含水量的差异显著水平进行方差分析和多重比较分析(表3)，在0.01显著水平下，不同植被覆盖条件下的表土含水量呈极显著差异。

图7 不同植被覆盖条件下的土壤剖面水分分布特征

项 目0～20 cm20～40 cm40～60 cm60～80 cm80～100 cm100～120 cm含水量0.01Sig.含水量0.01Sig.含水量0.01Sig.含水量0.01Sig.含水量0.01Sig.含水量0.01Sig.有植被覆盖17.1%A22.3%A23.5%A25.4%A27.2%A28.6%A无植被覆盖20.1%B23.4%A24.6%A26.3%A27.6%A29.5%A水分降低15.0%4.4%4.6%3.4%1.4%3.0%

不同植被覆盖条件下，潜水蒸发量差异反映了不同的潜水利用效率(表4)。植被生长需要大量吸收和消耗土壤水分，因此不同地下水位下有无植被覆盖土柱的多年平均潜水蒸发量之比普遍大于1，且随着地下水埋深增加，该比值呈增大趋势，表明随着地下水埋深增加，植被覆盖条件下土柱的潜水利用率呈增加趋势。

表4 不同植被覆盖条件下的土体多年平均潜水蒸发量差异

6 结 论

土壤水分动态的长期定位监测试验研究表明，典型易渍涝区土壤水分运动年际间差异不大，不同地下水位条件、土体构型条件和植被覆盖条件下，土壤水分运动均具有明显的垂直分布特征和季节性动态规律，土壤剖面水分含量由表层至底层呈逐渐增加规律，且表土层水分季节间波动幅度大，夏秋季土壤水分含量高、冬春季土壤水分含量低。

随地下水埋深增加，土壤剖面含水量呈线性降低趋势，其中表土层水分降低幅度较大；受植物吸水作用影响，植被覆盖条件下土柱的潜水利用效率高于无植被覆盖土柱，且潜水利用率随地下水埋深增加而提高，植被覆盖条件下土壤剖面水分含量整体偏低于无植被覆盖土壤剖面，尤其是表层土壤水分差异显著，植被覆盖条件下土壤水分运动更活跃、季节性波动幅度增加；与通体粉砂壤质地土壤相比，含黏土层土体黏土层的水分运动较平稳、季节性波动幅度较小，土壤剖面黏土层部位水分含量显著增加，黏土层具有良好的保水能力，土体平均含水量随黏土层厚度增加呈显著增加趋势。