伽师县盐碱荒地土壤盐渍化趋势预测分析

王友年

(新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司,新疆 乌鲁木齐 830000)

喀什噶尔河流域伽师县由于其特殊的地理位置及气候环境,土地盐碱化及荒漠化问题严重,经调查发现,部分耕地因为土壤盐渍化问题严重而导致弃耕、休耕,区域盐碱荒地面积越来越多,且未能得到有效利用[1]。随着流域内耕地面积需求的快速增加,加快盐碱荒地的合理开发利用显得尤为重要。

近年来,诸多学者开展了一系列关于盐碱荒地治理、开发及应用的研究,并取得一定成果。如王胜[2]、张强等[3]提出了盐碱荒地的脱盐及改良方法;程诗念等[4]、王银环等[5]及李文昊等[6]对盐碱荒地治理开发后盐分的重分布及对土壤的影响情况进行了分析;郭珈玮[7]、刘涛[8]等针对盐碱荒地开发利用后土壤盐分及作物长势等进行了研究,总结了相关经验;郭文聪等[9]、蒋鹏文[10]等对原生及不同灌溉条件下的盐碱荒地盐分积累和运移特征进行了分析,为后续研究提供了理论支撑。

综上所述,以往研究大多针对盐碱荒地的治理及改良,局限于静态的定性或部分定量的研究,难以量化描述盐碱荒地的盐分变化特征,且对于荒地盐碱化趋势预测的研究较少。本文在野外取样及室内测试的基础上,建立相关的计算模型,对喀什噶尔河流域具有典型代表性的区域伽师县不同类型土壤的积盐量及盐渍化趋势进行预测,直观地认识和了解区域土壤盐渍化的发展趋势,并为区域土地资源的持续开发利用及综合规划提供参考。

1 材料及研究方法

1.1 研究区概况

伽师县位于喀什噶尔河流域冲积平原中下游,地形为东西逐渐开阔微倾的半封闭盆地,地势总体呈西高东低,北高南低。地貌景观主要包括风成沙包、盐土荒漠、现代河流淤积绿洲等。研究区属于典型的温带大陆性干旱气候,蒸发量大约为降水量的42倍,光照资源丰富,年平均日照数约为3000h。伽师县水资源较为丰富,主要以山区降水和冰雪融水为主。伽师县位于喀什噶尔河流域下游,土壤颗粒较细,地下水径流受阻,因此研究区内地下水位埋深普遍较浅,加上近年来不合理的灌溉方式及排水盐设施老旧,间接导致了区域盐渍化问题。经调查,研究区未利用土地面积超过区域土地资源面积的50%,大部分灌区周边均存在由于盐碱化而弃耕、休耕的土地。

1.2 取样及测试

在收集区域基础资料及实地考察后,在充分考虑土地利用类型及盐碱化情况的基础上,按不同深度(0～30cm、30～50cm、50～80cm)共取样6个,且荒地取样均位于耕地周边,取样点基本情况见表1。取样时根据实际情况进行潜水矿化度测定,取样后按《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)在新疆岩土中心检测含盐量,在室内进行土壤基本物理力学性质测试。

表1 取样点基本情况统计

1.3 研究方法

在实测数据的基础上,首先对不同土地利用尤其是荒地的盐分分布情况进行分析。由于荒地无灌溉等外界因素干扰,故利用实测及经验数据建立土壤积盐量和积盐速度的数学模型,对区内荒地条件下5年、10年及20年后的土壤积盐量进行预测。

伽师县由于气候干旱,荒地中的潜水通过毛细作用向上运移至土壤表面后迅速被蒸发,但水中所含的盐分却留在土壤中。因此,有学者提出可通过计算蒸发掉的潜水中所含的盐分来反映土壤中的积盐情况[11]。

1.3.1 土壤积盐量计算模型

(1)

式中:Y为积盐量,g/m2;E为潜水蒸发量,mm;E0为水面蒸发量,mm;C为潜水蒸发系数;M为潜水矿化度,g/L。

1.3.2 土壤积盐速度计算模型

(2)

式中:Ys为土壤含盐量,%;Y为单位体积土壤中的积盐量,g;W为单位体积土壤的重量,g;Ys0为土壤初始含盐量,%;ΔS为土壤积盐速度,%/a;γ为土壤容重,g/cm3;t为积盐时间,a。

2 结果与分析

2.1 不同土地利用下的土壤盐分分布特征

土壤水分、盐分的变化在一定程度上会受到土地利用类型的影响。经调查,伽师县林地主要分布在耕地内及河流沿岸,草地主要分布在田间及绿洲和荒漠区的交错带,荒地主要分布在绿洲边缘及地势较为低平的区域,其中盐碱荒地作为一种不容忽视的土地资源,则主要分布在耕地周边。本次针对不同土地利用类型下的土壤盐分分布特征研究,主要选取土壤积盐较为严重的荒地及与人类生产生活密切相关的耕地进行分析。根据实测数据绘制耕地及荒地剖面土壤含盐量变化曲线,见图1。

图1 不同土地利用类型不同深度含盐量分布情况

由图1可知,研究区不同土地利用类型下,不同深度土壤含盐量存在较大差异,荒地含盐量普遍高于耕地,分析其原因,是由于果树、棉花、西瓜等耕地有专人管理,且区域修建有排碱渠等设施,所以含盐量较荒地低;耕地不同作物之间含盐量存在差异,可能是由于作物类型、土壤质地及作物管理制度等多种因素的影响所致。

2.2 盐碱荒地的土壤积盐状况

采用式(1)、式(2)计算伽师县的土壤积盐量。根据所需参数,引入叶尔羌河潜水均衡观测实验站数据,得到研究区多年水面平均年蒸发量为1500mm[12],土壤容重按室内试验实测取平均值1.43g/cm3,研究区不同土壤质地及不同水位埋深下的潜水蒸发系数引用张江辉的研究成果[11]。不同潜水埋深下蒸发系数见表2。

表2 不同潜水埋深下蒸发系数

根据表1参数,结合取样后测试结果,分别计算不同土壤质地、不同矿化度(0～10g/L)及不同水位埋深下(0～5m)内的土壤积盐量与积盐速度,结果见表3。

表3 伽师县不同条件下的土壤积盐量与积盐速度(M为地下水矿化度)

为更直观地分析伽师县不同条件下的土壤积盐量状况,绘制不同水位埋深情况下地下水矿化度与土壤积盐量情况曲线,见图2。

图2 土壤积盐量、积盐速度与地下水矿化度曲线

结合表3及图3 可以发现,土壤的积盐量和积盐速度均与潜水矿化度成正比关系,表明在相同水位埋深下,地下水矿化度越大,其积盐量与积盐速度也越大。由图3可看出,当水位埋深较小时,土壤积盐量和积盐速度均较大,即土壤的积盐量和积盐速度与水位埋深成反比关系,这与窦旭等[13]的研究结果一致。且不同土壤质地的积盐量及积盐速度也存在差异,在相同水位埋深下,积盐量与积盐速度曲线斜率中壤土>轻壤土>砂壤土,表明在相同条件下不同土壤积盐量及积盐速度中壤土>轻壤土>砂壤土。分析其原因,主要是由于不同土壤质地的蒸发量存在差异。

2.3 盐碱荒地土壤盐渍化趋势预测

确定了伽师县研究区的水位埋深和矿化度后,开始预测不同土壤质地类型在不同情况下的土壤盐渍化的发展趋势。以区域内盐碱荒地为例,假定在未来无相应盐碱化治理措施的情况下,推算研究区5年、10年及20年后80cm土层内的积盐量,计算结果见表4,并绘制研究区不同土壤质地多年积盐量预测曲线,见图3。

表4 预测未来年份土壤积盐量计算结果

由图3可知,随着时间的推移,研究区盐渍化程度会逐年加深,且呈直线增加趋势。假设伽师县盐碱荒地中的初始含盐量均为0,可以看出,研究区盐碱荒地若在不采取任何盐碱治理措施的情况下,当潜水埋深和矿化度相同时,中壤土最先发展为盐土(含盐量大于2%)[14],与之前的研究结果相同,即积盐速度中壤土>轻壤土>砂壤土。这也从侧面证明了黏性土较砂性土更易发生土壤盐渍化,分析原因,是由于黏性土的孔隙与粒径小,导致土壤水运移速度缓慢,再加上蒸发,更易引起水中盐分的滞留,导致土壤含盐量增加,而砂质土壤颗粒相对较粗,孔隙较大,透水性相对较强,有利于土壤水的运移,不易造成盐分积聚。根据调查发现,伽师县盐碱荒地大都分布于耕地周围,灌溉水侧渗,排水盐设施不完善,进一步加重了盐碱荒地的盐渍化。开展治理并开发盐碱荒地可减轻区域土地资源紧缺的压力。

综合上述分析结果,对荒地盐碱化进行控制及治理、调控地下水位至临界深度及加强水质监测是重要的解决方法。当研究区进行盐碱荒地治理及开发时,应注意耕作层土壤岩性及地下水位埋深,若所选区域盐渍化程度较为严重,可考虑通过修建农田排水工程进行水位调控,同时应加强对灌溉水和地下水水质的管理,还可考虑在干排盐模式下将荒地作为排盐区进行规划,以提高土地资源综合利用率。另外,本次模型是在假设初始含盐量为0的情况下建立的,而在实际中不仅应参考土壤积盐量计算公式,还应该结合当地实际情况进行分析。

3 讨 论

本次研究存在以下不足:ⓐ取样较少,用于代表整个伽师县略显不足;ⓑ大部分样品是在荒地中取得的,其他土地利用类型未取对比样,因此对研究区不同土地利用类型下的土壤盐分分布情况的分析不够全面,这可作为今后研究重点;ⓒ受多种因素影响,虽然建立了土壤含盐量预测模型,却未开展验证计算,后续应在有条件的情况下进一步通过取样测试或数值模拟等方法开展模型验证研究。

通过实际调查及分析结果发现,伽师县盐渍化情况较为严重,主要是由于区域地下水位较浅,加之不合理的灌溉、排水方式导致的。今后针对盐碱荒地治理,需根据流域规划结合实际情况,细化多元排水方案,保障区域排水排盐通畅,减少盐渍化的产生。此外,应加强地下水位调控,降低土壤盐渍化,但在林草区域还须考虑将地下水位控制在生态水位范围内。因此,不能一刀切地在研究区增加补给量、减少排泄量,而应根据不同区域、不同条件制定最优地下水位调控方案及优化灌溉方案。