景电灌区盐碱耕地土壤剖面盐分时空演替特征研究

王荣荣，徐存东,2，刘 辉，张 锐，程 慧，王 燕

(1.华北水利水电大学水利学院，河南 郑州 450046；2.水资源高效利用与保障工程河南省协同创新中心，河南 郑州 450046；3.河南天池抽水蓄能有限公司，河南 南阳 473000;4.中国水利水电科学研究院，北京 100038)

土壤盐渍化是由自然或人类活动引起的一种主要的环境风险，已成为世界性的资源和生态问题，受到世界各国的广泛关注[1-3]。据有关统计资料，全球约有8.31亿hm2的土壤受到盐渍化的威胁，其中58%发生在灌溉农业区，尤其是干旱和半干旱地区的灌溉农业区[4]。据有关数据统计，我国是受盐渍化影响严重的国家之一，盐渍土总面积约为3 600×104hm2，其中仅西北干旱和半干旱地区盐渍化土壤面积就占到了69.03%[5]，盐碱荒地脱盐改造已成为实现干旱区高产稳产的主要途径之一。从区域可持续发展的角度，认识和掌握干旱荒漠区盐碱荒地长期综合治理条件下土壤盐分时空分异特征具有其紧迫性和必要性。

近年来，国内外大批学者针对盐碱地土壤盐分运移特征开展了大量研究。Eldeiry A A[6]利用空间建模和遥感监测对苜蓿田的土壤盐分进行了研究。Cai S M[7]运用支持向量机和纹理识别的方法对影响土壤的盐分信息进行了提取。余海英等[8]运用野外调查和取样分析的方法，研究了设施栽培条件下土壤盐分的累积、迁移及离子组成的变化特点。张飞等[9]运用遥感技术对渭干河-库车河三角洲绿洲内的土壤盐渍化程度进行了定量评价。陈碧华等[10]通过采集不同种植年限大棚菜田土壤样品，研究了新乡市不同种植年限的大棚菜田土壤养分、盐分以及pH 值的演变特征。孟超然[11]运用统计学知识及地理信息系统技术，对不同滴灌年限下土壤耕作层盐分变异特征及土壤耕层盐分与其他土壤指标的相关性进行研究。上述研究取得了大量有益的成果，为揭示土壤盐分的时空变化规律提供了坚实的理论基础。

景电灌区地处中国西北干旱荒漠区,低降雨高蒸发的特殊气候条件、低洼封闭的地势条件加上高强度的人类活动，导致了灌区大面积的水盐重组、运移和积聚，形成了大面积的次生盐碱地，严重制约了当地农业生产的可持续发展[12]，使得该区域成为研究干旱荒漠区区域尺度土壤盐渍化分异特征的典型试验区。有研究表明，合理耕作、灌溉、施肥等举措能够改善土壤化学性质，促进土壤脱盐，以提高土地生产力[13-15]。随着灌区土壤盐渍化问题愈加突出，盐碱荒地的脱盐改造成为实现干旱区高产稳产的主要途径之一，然而目前针对西北干旱荒漠区长期综合治理条件下盐碱荒地土壤盐分时空分异特征方面的研究较少。为此，本研究以景电一期灌区作为典型试验区，运用时空转化和相关性分析的方法对不同耕种年限盐碱耕地土壤盐分时空分异特征进行探究，以期为合理开发和改良利用我国西北干旱区盐碱荒地提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

景电灌区是位于中国西北干旱荒漠区的大型梯级扬水灌区之一，地处甘肃省中部，地理区域处于东经103°20′～104°04′，北纬37°26′～38°41′之间，是连接甘、宁、蒙三省的交界地带，属于典型的温带大陆性气候。该地区干旱少雨，昼夜温差大，春季多风，夏季炎热；年日照时数长达2 714 h，无霜期约190 d，年平均气温约8.77℃，多年平均降雨量185.6 mm，降水多集中在6-9月，多年平均蒸发量2 433.8 mm。区域水位普遍较高，且矿化度高，多介于1.3～12.0 g·L-1。受到干旱气候条件、低洼封闭地势条件以及人为灌溉因素等的影响，灌区内土壤盐渍化特征十分明显。灌区现有盐碱耕地面积约0.45万hm2，约占耕地面积的21.7%[12]，且有逐年增加的趋势。每年春季和冬季，在这些盐渍化土地的表面上都会出现一层白色物质。由于盐渍化现象的不断加剧，使得大量耕地被不断弃耕。实践证明，土壤盐渍化已成为制约灌区土地资源高效利用的主要障碍因子，严重制约了当地农业生产的可持续发展。图1为景电一期灌区地理位置图及典型的盐渍化现状图。

1.2 土壤特性

图1 灌区地理位置及典型的土壤盐渍化现状图Fig.1 The map of location of the district andthe present soil salinization

研究区土壤类型以荒漠盐化灰钙土为主，表层土壤有机质含量低且土壤结构松散，土壤中毛管孔隙多且连续程度好，对水、盐运移作用大，在干旱气候条件下，强烈的蒸发容易使下层盐分传导到土壤表层。土壤质地以砂壤和轻壤为主，物理性粘粒占4.9%～26%，地表微有结皮，表层有机质含量1.0%左右。土壤腐殖质层薄，有机质含量低，碳酸盐剖面分化明显，碳氮比为12～13。灌区土壤盐渍土盐离子主要以氯盐和硫酸盐为主[16]。研究区1971年春季提水灌溉前不同深度土壤TS及盐分离子含量见表1。

表1 荒漠灰钙土盐分离子组成情况表

1.3 土样采集与制备

采样点选在甘肃省景泰县景泰川电力提灌灌区一期灌区，该地区主要农作物为小麦，施用化肥主要以尿素为主。研究区地下水位为1.3 m左右。本研究分别在采用小麦-玉米-马铃薯轮作方式耕种5、10、15 a后的地块进行土样采集，采样时间在2016年10月8-10日，此时尚未进行冬灌洗盐，基本不受灌水以及冻融的影响，土壤盐分相对稳定，基本可以代表不同耕种年限盐碱耕地盐分的变化情况。同时在附近尚未开垦的盐碱荒地上采集土样作为对照。土样采集采取“S”形多点混合取样法，在不同耕种年限的耕地各选5个样点，同时在未耕种的空地上采集土样作为对照。每个样点周围10 m范围内分0～5，5～10，10～20，20～40，40～60，60～80 cm共6个土层进行采样，将相同土层的土样混合均匀后作为该样本点的土样。采集完的土壤样品带回实验室自然风干后，经过磨碎并过2 mm筛装入自封袋中备用。

1.4 测定项目及方法

2 结果与分析

2.1 不同耕种年限土壤TS及pH值变化

由图2(a)可以看出，4种不同处理的土壤盐分含量在剖面上随土层深度增加均呈现出先降低后升高的趋势，说明该地区土壤盐分存在明显的盐分表聚和底聚现象，且表聚现象更为明显。未耕种、耕种5 a、耕种10 a、耕种15 a的0～80 cm土壤盐分平均值依次为4.081、0.865、0.533、0.411 g·kg-1。表明随着耕种年限的增加，土壤盐分含量总体呈现出逐渐降低并逐渐趋于稳定的变化趋势，耕种5、10、15 a后土壤盐分含量相较未耕种土壤降幅分别为78.8%、87.0%、89.0%；观察不同处理土壤盐分在剖面上的变化趋势及波动情况可知：未耕种土地土壤剖面盐分含量随土壤深度增加无明显规律性，且波动较大；耕种5、10、15 a后的土壤剖面含量变化趋势较一致，且波动较小。这是由于种植作物后，随着人为耕作因素干扰的不断加剧，加速了土壤脱盐的过程，使得土壤盐分不断被淋洗到下层从而产生累积，且随着轮作模式、灌溉制度的不断完善，土壤盐分含量变化趋势也随着耕种年限的增加逐渐趋于稳定。而灌区高蒸发、低降雨，加上全年多风的独特气候条件，诱发了土壤潜水蒸发，从而导致土壤中层盐分不断运移到土壤表层，进而引发了土壤盐分表聚现象。

由图2(b)可以看出，4种不同处理下的土壤pH值随土壤深度的变化无明显规律性。随着耕种年限的增加，土壤pH值呈现出上升趋势，0～80 cm全剖面平均值由未耕种时的8.35分别上升至耕种5、10、15 a后的8.38、8.58、8.85，可见随着耕种年限的增加，土壤pH值呈现上升趋势，且增幅逐渐增大，耕种5、10、15 a后增幅分别为0.3%、2.8%、5.9%。耕作层0～20 cm深度pH平均值由未耕种时的8.30分别上升至耕种5、10、15 a后的8.88、9.00、9.05，增幅分别为7.1%、8.5%、9.1%；而20～80 cm土层深度pH平均值由未耕种时的8.37分别上升至耕种5、10、15 a后的8.21、8.44、8.78，增幅分别为1.9%、0.8%、4.8%。可见随着耕种年限的增加，土壤全剖面均出现了碱化趋势，且耕作层碱化速度明显较快。

图2 不同耕种年限盐碱耕地土壤TS及pH值变化Fig.2 Changes of TS and pH in 0～80 cm soil profile in different planting years

2.2 不同耕种年限土壤阳离子组成变化

2.2.1 阳离子剖面分布 图3是阳离子在0～80 cm土壤剖面分布图。由不同耕种年限0～80 cm土壤剖面Na+含量变化情况可以看出(图3(a))，未耕种、耕种5、10、15 a的Na+含量平均值依次为1.548、0.200、0.120、0.113 g·kg-1，可以看出，与未耕种相比，耕种后土壤中Na+含量显著降低，且随着耕种年限的增加，Na+含量平均值总体呈现逐渐降低趋势，其中耕种5、10、15 a后的Na+含量分别降低了87.1%、92.3%、92.7%。可见耕种年限的增加对Na+含量的影响较大，使得土壤中Na+含量显著降低。从剖面分布态势可以看出，未耕种土壤Na+含量剖面变幅较大，在0.079～2.100 g·kg-1之间。耕种5 a后，各土层深度Na+含量均大幅下降，此后随耕种年限的增加，不同土壤深度Na+含量在剖面中的变化趋于稳定，受耕种年限的影响较小，且底聚现象较为明显，可见随着耕种年限的增加，Na+并未在土壤表层积累，而是随着灌水向下层淋溶，表明灌区部分耕地表层土壤发生碱化现象并非Na+水解导致的。

由不同耕种年限0～80 cm土壤剖面Mg2+含量变化情况可以看出(图3(b))，未耕种、耕种5、10、15 a后Mg2+含量平均值分别为0.073、0.048、0.046、0.044 g·kg-1，可见随着耕种年限的增加Mg2+含量平均值总体呈现出逐渐降低并趋于稳定的趋势，其中耕种5、10、15 a后的Mg2+含量分别降低了34.0%、36.5%、40.2%。从剖面分布态势可以看出，未耕种土地中Mg2+含量随着土壤深度的增加无明显变化规律。与未耕种相比，耕种后土壤中Mg2+含量呈现出表层和底层积聚的现象，与剖面盐分总量的分布趋势相似，但与之不同的是Mg2+底聚现象更为明显。

由不同耕种年限0～80 cm土壤剖面Ca2+含量变化情况可以看出(图3(c))，与未耕种相比，耕种5、10、15 a后Ca2+含量平均值由0.148 g·kg-1分别下降到0.112、0.073、0.072 g·kg-1，降幅分别为24%、50.6%、51.5%。可见随着耕种年限的增加，Ca2+含量平均值总体同样呈现出逐渐降低并趋于稳定的趋势。从剖面分布态势可以看出，未耕种以及耕种5、10 a后土壤中Ca2+含量均表现出盐分表聚和底聚现象，且表聚现象较为明显，耕种15 a后土壤中Ca2+含量均呈现出盐分底聚现象，随着长期灌溉，Ca2+遭到淋溶，从而向下层积聚，而表层Ca2+的流失在一定程度上会削弱作物的抗盐害能力，不利于作物的生长。

由不同耕种年限0～80 cm土壤剖面K+含量变化情况可以看出(图3(d))，与未耕种相比，耕种5、10、15 a后K+含量平均值由0.0374 g·kg-1分别下降到0.019、0.018、0.016 g·kg-1，降幅分别为49.0%、51.7%、55.4%。可见，K+含量平均值随着耕种年限的增加总体呈现出逐渐降低的趋势。从剖面分布态势可以看出，不同土壤深度K+含量随耕种年限的增加无明显规律，且在剖面中的变化不大，最大变幅仅为0.03 g·kg-1，受耕种年限的影响较小。

图3 不同耕种年限阳离子在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 不同耕种年限SAR在剖面上的变化 SAR(sodium absorption ratio,SAR)简称钠吸附比，是反映盐碱地碱化程度的重要指标，可作为盐碱地分类的重要依据，同时还可作为表征盐碱地改良利用过程中质量变化的重要指标[18]。由表2可以看出，与未耕种土地相比较，耕种后0～80 cm土层中SAR的平均值显著减小，耕种5a后，平均值由未耕种时的4.651降至0.712，降幅达到了84.7%，说明在提水灌溉后，土壤中的Na+以淋洗为主，随着耕种年限的增加，越来越多的Na+被淋出土体。耕种10、15 a后SAR的平均值分别降至0.502、0.445，降幅分别为89.2%、90.4%，降幅趋于稳定。0～20 cm土层SAR平均值同样随着耕种年限的增加不断减小，由未耕种时的3.099分别下降至耕种5、10、15 a后的0.652、0.488、0.401，表明耕作层土壤中的可溶性Na+的比例在不断下降。从不同耕种年限SAR在剖面中的变化趋势来看，未耕种土地中SAR值随土壤深度的增加无明显规律性，耕种10、15 a后SAR值随土壤深度的增加波动不大，相对稳定。这是由于经过长时期的灌溉、耕作使得土体结构逐渐均衡，土壤中各离子的含量达到了相对稳定的状态，从而使得SAR在全剖面的变化趋势趋于平缓。

2.3 不同耕种年限土壤阴离子组成变化

2.3.1 阴离子剖面分布 由图4(a)不同耕种年限土壤中Cl-含量的变化情况可以看出，与未耕种土壤相比，耕种5 a后土壤中的Cl-含量显著下降，其平均值由1.804 g·kg-1降至0.153 g·kg-1，降幅高达92%。这可能归因于Cl-不易被土壤胶体所吸附，易于随水分运移的特点，所以在灌溉后有了很大的降幅。且随着耕种年限的增加，其含量逐年降低，耕种10、15 a所对应的平均值为0.076、0.070 g·kg-1，降幅分别为95.8%、96.1%，可见随着耕种年限的增加，Cl-含量渐趋稳定。从Cl-剖面分布态势可以看出，未耕种土壤中Cl-含量变幅较大，无明显规律，中下层积聚现象较严重。随耕种年限的增加，不同土壤深度Cl-含量在剖面中的变化不大，受耕种年限的影响较小。

表2 不同耕种年限钠吸附比在不同土层中的变化

图4 不同耕种年限阴离子在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 不同耕种年限在不同土层中的变化

3 结 论

1)与未耕种盐碱荒地相比较，耕种5、10、15 a后0～80 cm各土层盐分总量在剖面上随着土壤深度的增加呈现先下降后上升的趋势，表现出盐分表聚和底聚现象，且表聚现象更为明显。同时随着耕种年限的增加，整个土壤剖面的盐分含量呈现出逐年降低趋势。可见随着长期合理灌溉、耕作等人类活动因素的影响，使得土壤盐分得到了很好的淋溶，在一定程度上改善了作物的生长环境。

2)土壤pH值在剖面上随土壤深度的增加无明显变化规律，随着耕种年限的增加，整个土壤剖面土壤pH值呈现出逐渐上升趋势，由未耕种时的8.35上升至耕种15 a后8.85，表明灌区土壤在脱盐过程中出现了碱化趋势。