长期滴灌棉田表层土壤盐分时空变化特征

范未华，轩俊伟，李保国，石建初，刘耘华，盛建东*

（1.新疆土壤与植物生态过程重点实验室/新疆农业大学 草业与环境科学学院， 乌鲁木齐 830052；2.中国农业大学 土地科学与技术学院，北京 100193）

0 引 言

【研究意义】全球大约有8.31 亿hm2的土壤受到盐渍化的威胁，特别是在干旱半干旱地区，土壤盐碱化已经成为制约当地农业经济与可持续发展的主要因素之一[1-3]。新疆作为我国最大的盐渍化土壤分布区，盐碱化耕地面积为1.62×106hm2，占全疆耕地的1/3，盐碱化使得作物减产10%～15%[4-5]。为了提高灌溉水利用效率，新疆自1996 年开始推广使用滴灌技术，截至2014 年，新疆膜下滴灌技术的应用面积已经达到2.0×106hm2，其中滴灌棉花的面积占全疆滴灌面积的41.6%[6-8]。

【研究进展】由于滴灌是一种少量多次的非饱和灌溉，湿润峰下移的距离较短，土壤盐分不能彻底排出土体。因此，长期滴灌种植条件下土壤盐分迁移过程与分布特征引起广泛关注[9-14]。目前有关长期滴灌条件下表层土壤盐分变化结论尚不一致。例如：殷波等[15]在新疆昌吉回族自治州的新湖农场对滴灌棉田表层土壤盐分监测结果表明，在滴灌6 a 地块，0～20 cm 盐分从0.5 g/kg 增加到1.5 g/kg；刘洪亮等[16]在石河子莫索湾灌区，对轻度盐渍化滴灌棉田表层土壤盐分连续3 a 监测，结果表明，0～40 cm 年均积盐0.36 g/kg。而对于盐土和重度盐渍化土壤上，张建新等[17]在石河子炮台土壤改良实验站，连续3 a 滴灌种植棉花，0～30 cm 土壤盐分平均从13.52 g/kg 降低到4.79 g/kg。前人研究表明，对于轻度盐渍化土壤，滴灌种植表层土壤有积盐趋势，而在重度盐渍化土壤上滴灌种植会使得表层土壤盐分有明显的降低[18]。【切入点】但是，这些研究结果大都是采用时空置换的方法，并且滴灌年限或监测年限相对较短（小于10 a）得到的。

【拟解决的关键问题】为了掌握长期滴灌条件下重度盐渍化土壤盐分的时空变化特征，本研究于2003年在新疆库尔勒市包头湖农场一块143.52 hm2棉田网格采样，2018 年进行点对点的跟踪取样分析，通过比较分析，研究了在长期滴灌条件下重盐渍化土壤总盐和盐分离子分布特征及变化规律，研究结果可为长期滴灌种植技术的可持续性提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于新疆巴音郭楞蒙古自治州库尔勒市包头湖农场（41o67′N，85o86′E），面积为143.52 hm2。地处天山南麓孔雀河下游，塔里木盆地东北缘，平均海拔为890～950 m。年平均气温10.7 ℃，年均降水量102 mm，总日照时间2 886.8 h，无霜期平均132～181 d，属于典型的大陆性干旱气候[19]。由于光照时间长、昼夜温差大，非常适合棉花、香梨等作物生长。

1.2 样品采集

本研究分别于2003 年3 月和2018 年9 月，对包头湖农场进行点对点的跟踪采样。2003 年3 月时该区域为盐荒地，为了解该区域土壤盐分背景值，按照网格采样的方法（200 m×50 m），共设置了111 个网格。在土壤表层（0～20 cm）利用土钻（直径为7 cm）以每个网格节点为中心，在5 m 为半径的采样区内随机取6 钻，混成一个土样。此后，该区域在2003 年（III 区）、2005 年（II 区）和2009（I 区）年，开始进行棉花种植（图1）。

图1 种植年限与土壤采样点分布 Fig.1 Distribution of planting years and soil sampling points

截至2018 年9 月进行重复采样时，Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ区分别进行了10、14 和16a 的棉花种植[20]。其中，Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ区的样本量分别为8、53 和50 个（图1）。该区域土壤类型为盐化潮土，表层土壤质地类型以壤土为主。Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ区除了种植年限有差别外，其他所有田间管理措施均保持一致。其中，灌溉水矿化度为0.82 g/L，在棉花全生育期滴灌10～13 次，灌溉定额为3.0×103～4.55×103m2/hm2，冬灌（或春灌）灌溉定额为3.0×103～3.75×103m2/hm2，在采样过程中发现湿润峰可达到地面1 m 以下。

1.3 测定方法

1.4 盐分密度及储量计算

在测定总盐和八大盐分离子的基础上，本研究分别计算了不同种植年限地块（I、II 和III 区）表层土壤的盐分密度和盐分储量。其中，土壤盐分储量用以土体盐分的绝对储量，盐分密度通过盐分储量除以相应地块的面积所得，用以表示各地块土壤盐分储量的强度。

1）采样点土壤体积质量的估算使用经验式[22]：

式中：SBD 为土壤体积质量（g/cm3）；SOM 为土壤有机质量（g/kg）；i 为样点编号。

2）单位栅格面积（1 m2）土壤盐分储量：

式中：20 为土层深度（cm）；G 为20 cm 土壤深度储盐量（kg）；C 为20 cm 土层的含盐量（g/kg）；n为1 m2的栅格数。其他参数同上。

3）土壤盐分储量计算式：

式中：k 为任意一个从1 到n 的1 m2栅格，其他参数同上。

4）单位面积（kg/m2）土壤盐分密度计算式：

式中：0.2为1 m2栅格和土层厚度20 cm的土壤体积，S 为不同种植年限3 块区域的面积。其他参数同上。

1.5 数据处理

数据经Excel 整理后，使用IBM SPSS Statistics 20进行方差分析；使用Sigmaplot 10.0 制作盐分及其变化速率柱状图；使用Arcgis 10.2 软件进行盐分空间分布插值分析、栅格运算、空间分布图制作。

2 结果与分析

2.1 土壤盐渍化程度变化情况

根据不同土壤含盐量将盐渍化土壤分为：非盐渍化（＜3 g/kg）、轻度盐渍化（3～6 g/kg）、中度盐渍化（6～10 g/kg）、重度盐渍化（6～10 g/kg）、盐土（＞20 g/kg）[23]。2003 年研究区表层土壤以重度盐渍化和盐土为主，分别占调查点数的73.87%和18.02%。而在2018 年研究区的非盐渍化、轻度盐渍化、中度盐渍化、重度盐渍化土壤分别占调查点总个数的11.71%、18.92%、53.15%、16.22%，重度盐渍化比例降低，盐土类型基本消失（表1）。

经过耕作的表层土壤总盐及各盐分离子量（HCO3-除外）均有显著差异（表2，P＜0.05），土壤总盐平均值由2003 年的18.08 g/kg，降至2018 年的7.35 g/kg，各盐分离子也有不同程度的降低。2003年除HCO3-、SO2-4和Ca2+为中等变异性之外，其余总盐及离子均为强变异性。而至2018 年，除Mg2+为强变异性外，总盐及其余离子均为中等变异性。

表2 研究区表层土壤总盐及离子量变化 Table 2 Changes of Total Salt and Ion Content in Topsoil of the Study Area

2.2 不同种植年限的土壤总盐和盐分离子变化特征

与2003 年相比，2018 年不同种植年限地块的土壤K++Na+盐分均显著降低。2003 年，种植年限10 a 地块的土壤总盐显著高于14 a 和16 a（P<0.05），而至2018年不同种植年限的土壤盐分无明显差异（图2（a））。

图2 不同种植年限下表层土壤总盐及盐分离子变化情况 Fig.2 Changes of total salt and salt isolates in the lower soil layer in different planting years

2.3 不同种植年限的土壤总盐和盐分离子脱盐速率

不同种植年限的表层土壤总盐和盐分离子脱盐速率变化特征相同（图3（a）—图3（f）），种植10 a 地块的总盐脱盐速率（4.75 g/(kg·a））均显著高于种植14 a（0.59 g/（kg·a））和16 a 的地块（0.47 g/（kg·a））（P<0.05），而14 a 和16 a 之间差异不显著。对于种植10 a 的地块，不同盐分离子的脱盐速率顺序为：SO2-4>K++Na+>Cl－>Mg2+>Ca2+。

图3 不同种植年限下表层土壤总盐和离子盐分脱盐速率 Fig.3 Decrease rate of total salt and ions in subsurface soil for different planting years, salt desalination rate

2.4 不同种植年限的土壤盐分密度分布特征

研究区表层土壤盐分密度分布见图4。由图4可知，2003 年研究区土壤盐分密度分布是西北高东南低的特征（图4（a）），3 个种植年限的地块之间盐分密度差异显著，截至2018 年经过10 a 以上长期种植后盐分密度分布差异不大（图4（b），表4）。受初始盐分的影响，种植10 a 的土壤初始盐分密度明显降低（表4），降幅高达85%，而种植14 a 和16 a 的地块盐分密度降低幅度比较接近，降幅分别为53%和51%。

表4 各地块盐分密度及脱盐率（0～20 cm） Table 4 Salt storage and density in different regions (0～20 cm)

图4 研究区土壤盐分密度和变化 Fig.4 Soil salt density change in the study area

3 讨 论

膜下滴灌技术的节水增产效果突出，但有限的灌溉量会导致的土壤积盐[24-25]。已有研究在较短的滴灌种植年限内（小于10 a），土壤盐分本底值高的田块，滴灌有利于表层土壤盐分降低，反之土壤盐分有增高或平衡的趋势[26-27]。本研究发现，在长期滴灌种植条件下表层土壤总盐及盐分离子与种植前相比显著降低。种植前表层盐分高的地块盐分降低的速度更快，耕作10 a 后表层土壤总盐的空间异质性减弱，趋于均一化。可见，在重度盐渍化土壤，滴灌种植过程中土壤盐渍化程度明显降低，表层土壤的总盐和盐分离子的变异系数均显著降低。

图5 研究区脱盐速率与初始含盐量的关系 Fig.5 Relationship between the salt removal rate and the initial salt content in the study area

从整个研究区土壤盐分密度变化过程来分析，虽然3 个不同种植年限块地的初始盐分量差异很大（图4（a）），但经过10～16 a 长期滴灌种植后，研究区土壤盐分空间分布的差异性变小。出现这种情况的原因可能是：研究区为一个棉花种子繁育基地，由于耕作栽培等管理措施基本一致，尤其灌溉量基本相同，但盐分的淋洗效率与初始含盐量显著正相关（图5，R2=0.97），也就是初始盐分越高淋洗效率越高，反之越低。研究区初始盐分空间分布格局与盐分淋洗量的空间分布格局具有相似性，表明经过长期滴灌种植后土壤盐分空间变异性减弱，即长期滴灌措施下土壤盐分趋于均一化。

4 结 论

1）对于干旱区重度盐渍化农田，滴灌种植可以改善土壤盐渍化的程度，在滴灌种植10 a 以上棉田中表层土壤总盐及离子量有明显降低。

2）在长期滴灌条件下，土壤脱盐速率与种植年限和土壤初始盐分正相关。滴灌种植10 a 的脱盐速率（4.75 g/（kg·a）），种植14 a 和16 a 的地块脱盐速率（0.59 和0.47 g/（kg·a））。