新疆小海子灌区耕地土壤盐渍化特征研究

石 聪， 陈礼瀚， 张怡菲， 何 帅， 谢海霞

（1.石河子大学农学院农业资源与环境系，新疆 石河子 832000；2.新疆农垦科学院农田水利与土壤肥力研究所，新疆 石河子 832000；3.农业农村部西北绿洲节水农业重点实验室，新疆 石河子 832000；4.水肥资源高效利用兵团重点实验室，新疆 石河子 832000）

干旱地区存在降雨量少、蒸发量大的现象，导致不同程度的土壤盐渍化问题，从而对农业生产产生负面影响，土壤盐渍化已成为这类地区产生的典型问题［1-2］。土壤盐渍化不只是地理位置上的局限性问题，它同时也是许多国家要解决的资源和生态问题［3］。我国受到盐渍化危害的土地面积大，分布范围广，同时在东北、华北、西北内陆等地区还集中存在着大面积的潜在盐渍化土壤［4］。其中新疆是我国受盐碱威胁最严重的省份，也是全国最大的盐渍土壤分布地区。据调查，新疆耕地总面积达5.08×106hm2，其中受到盐渍化危害的耕地占总面积的32.07%［5-6］。而地处于天山与昆仑山之间的新疆南部地区由于独特地质以及气候条件受到的危害更为严重，新疆南部“五地州”盐碱地面积占总耕地面积的41.21%，远高于全疆盐渍化土地平均值［7］。同时，由于土地开发力度的加大和土地利用方式的改变，使新疆盐渍化土壤的类型、数量、分布等因素发生了变化，这些问题严重威胁到了新疆农业的可持续发展［8］。研究土壤盐渍化的过程中，土壤盐分特征研究具有重要的意义，它是水文地质条件研究中的重要内容之一［9］。蒋磊等［10］以新疆塔里木灌区为例进行土壤盐渍化易发性评价，结果显示：土壤盐渍化的高易发区主要为槽型、封闭洼地等区域，中等易发区为农田周围的弃耕地，低易发区为灌区周围的水域以及沙漠。梁萌等［11］以新疆准噶尔盆地未开垦盐碱土为研究对象得出该地区以硫酸盐氯化物盐土、硫酸盐盐土为主。中、重度硫酸盐氯化物盐土、硫酸盐盐土以链状或条带状集中分布在昌吉回族自治州、博尔塔拉蒙古自治州；宋梦洁等［12］进行博斯腾湖地区土壤盐分特征研究，得到该区域均呈碱性的轻度盐渍化土壤，并进一步分析了该区域盐分特征因子、影响因素等；代云豪等［13］以阿拉尔垦区为研究区通过建立模型进行土壤盐渍化遥感监测分析结果显示：近10 a 该区域土壤盐渍化程度在北部和南部明显好转，中东部地区有所加重，从整体上来看得到了较好的改善；刘迁迁等［14］以察南灌区土壤为研究对象，得到K+、Cl-和HCO3-为该区域土壤盐分的主导因子，对土壤pH 影响最强的为HCO3-；对盐基离子进行定性分析得到各主导因子的影响因素结果显示：HCO3-和pH 受河流和地下水综合影响，其余各离子主要受河流影响。摸清新疆盐渍化土壤分布情况、盐渍化程度及盐分类型，对探索适宜新疆盐渍化农田高效治理模式，促进新疆经济社会发展具有重要意义［15］。

新疆生产建设兵团第三师地处塔里木盆地西北边缘，垦区内大部分团场都分布在叶尔羌河下游、塔克拉玛干沙漠边缘。第三师自成立以来，由于受自然条件和生产过程中灌排设施不完善等因素的影响，致使一些团场出现不同程度的土壤次生盐渍化，制约了垦区社会经济的进一步发展［16］。而针对该区域土壤盐渍化特征及类型的研究极少，因此本文以第三师小海子灌区为研究区域，通过分层采集土壤样品，测定土壤总盐、盐基离子组成和pH值，揭示研究区耕地土壤盐渍化特征，明确小海子灌区各团场土壤盐渍化程度以及各盐分离子分布，为该地区后续农业生产和盐渍化土壤改良与利用提供理论依据。

1 研究区概况

小海子灌区（78°47′～79°34′E，39°36′～40°04′N）位于新疆生产建设兵团第三师图木舒克市，地处叶尔羌河、喀什噶尔河流域下游，地势西南高东北低，总体较为平坦（海拔高度在1024.19～1075.06 m 之间），土壤多为砂质壤土。灌区由44团、49团、50团、51 团、53 团和小海子水库管理处等单位组成；各团场均位于荒无人烟的塔克拉玛干沙漠西缘，远离海洋、光照充足、热量丰富，年降水量在34.1～38.8 mm之间，年蒸发量在2030.8～3318.26 mm 之间，年平均气温11.6 ℃，年平均无霜期212～225 d，属于暖温带极干旱荒漠气候。

2 材料与方法

2.1 样品采集与测定

研究土样采集时间为2021 年4 月，利用GPS 定位，在小海子灌区共设置162 个采样点（图1），采样点尽可能遍及灌区各种主要的盐渍化类型及土地利用类型（耕地包括棉花、红枣、玉米和梨等经济作物，其他土地主要是弃耕地、盐碱地等）。每个样点分层（0～20 cm、20～40 cm）采集土壤样品，共计324份，将采集的土样分别装入密封袋中并做好标记，带回实验室挑出杂物后进行自然风干、研磨、过筛测定其pH 值、盐分及8大离子含量。其中K+、Na+用FP640 型火焰光度计测定；Ca2+、Mg2+用Z-2000 型原子吸收分光光度计测定；SO24-用EDTA间接滴定法测定；Cl-用硝酸银滴定法测定；CO23-、HCO-3用双指示剂法测定［17］；pH（水土比1:1）和电导率（水土比5:1）使用MP521型pH计/电导率仪测定。选择不同电导率区间的36个土壤样品，采用烘干残渣法测定总盐含量，建立土壤电导率（Y，dS·m-1）与总盐（X，g·kg-1）的函数关系式（Y=0.2445X+0.2557，R2=0.9841），将其余样品电导率测定值代入此函数式计算各土壤样品的总盐含量。

图1 土壤样本采样点位置分布Fig.1 Location distribution of soil sample sampling points

2.2 数据处理与分析

利用Excel 软件对原始数据进行初步筛选处理，采用SPSS 19.0软件分析选项卡下的描述性统计与比较均值功能进行统计特征分析及显著性检验；使用ArcGIS 10.8 绘制研究区采样点位置示意图，利用该软件统计分析模块中的克里金插值法对土壤盐渍化类型及各离子空间分布插值图进行制作；文中所涉及各项指标划分范围如下表1～3所示：

表1 变异系数（Cν）划分等级［18］Tab.1 Classification of coefficient of variation［18］ /%

3 结果与分析

3.1 小海子灌区耕地土壤盐分特征

为直观反映小海子灌区耕地土壤中盐分变异特征，对各团场不同土层的盐基离子进行描述统计分析（表4）。研究区土壤中的主要盐基离子为K+、Na+、Ca2+、Mg2+、SO24-、Cl-、HCO-3，各土层中均不含CO23-（研究区部分采样点Mg2+含量较低，用g·kg-1计量时，部分样品差异看不出来，故用mg·kg-1计量）；阳离子主要为K+、Na+、Ca2+，阴离子以SO24-、Cl-为主。各团场不同土层中盐分离子极大值与极小值含量差异明显，表明这一区域土壤盐分离子空间分布不均匀。根据变异系数划分等级（表1），研究区整体的总盐量以及K+、Na+、Ca2+、Mg2+、SO24-、Cl-的变异系数均大于100%，属于强变异性；而HCO-3的变异系数处于10%～100%之间，属于中等变异性。

由表4结果可看出小海子灌区耕地土壤pH介于7.79～9.61，其中土壤pH均值最低的为44团0～20 cm土层，最高的为53 团0～20 cm 土层。根据土壤酸碱程度分级（表2），研究区耕地土壤总体以碱性土为主，部分区域土壤为强碱土。在0～20 cm、20～40 cm土层，pH 变异系数均处于2.25%～4.29%之间，土壤pH 呈弱变异性，说明灌区耕地土壤酸碱度分布均匀，空间异质性弱。

表2 土壤酸碱程度分级［19］Tab.2 Classification of soil pH［19］

表3 土壤盐渍化类型划分标准［20］Tab.3 Classification standard of soil salinization types［20］

表4 土壤盐分特征统计值（N=154）Tab.4 Characteristic statistical value of soil salinity(N=154)

一般土壤脱盐过程与积盐过程共存，对研究区不同土层各盐分离子及pH 进行显著性检验结果如表5 所示：表土0～20 cm 土层中总盐含量及pH 显著高于20～40 cm 土层，而其余各盐分离子在两土层之间的差异不显著。

表5 不同土层各盐基离子显著性检验Tab.5 Significance test of base cations in different soil layers

根据盐渍化类型确定标准（表3），以研究区表层土壤中Cl-/S的厘摩尔当量比值来分析土壤盐渍化类型。由图2 可以看出，研究区0～20 cm 土层以氯化物硫酸盐盐化土壤为主，主要分布在51 团、44 团大部分区域以及50 团、53 团的部分区域，这部分占研究区总面积的76.93%；氯化物盐化土壤主要分布于49 团、53 团与50 团边界以及东部靠近塔里木盆地区域，占研究区总面积的3.98%；硫酸盐氯化物盐化土壤围绕分布于氯化物盐化土壤周围，占研究区总面积的10.74%；硫酸盐盐化土壤分布在44团、50 团及51 团交界处，占研究区总面积的8.35%。在20～40 cm 土层内，51 团、44 团主要为氯化物硫酸盐盐化土壤，分布一定面积的硫酸盐盐化土壤；49 团主要分布氯化物盐化土壤以及部分硫酸盐氯化物盐化土壤；在50 团、53 团以氯化物硫酸盐盐化土壤为主，在东北部区域分布一定面积的氯化物盐化土壤，同时分布有部分硫酸盐盐化土壤。

图2 小海子灌区土壤盐渍化类型分布Fig.2 Distribution of soil with salinized types in Xiaohaizi Irrigation Area

3.2 空间插值

土壤盐分含量的空间分布如图3 所示，从空间插值结果来看，0～20 cm 土层分布面积最大的为含盐量在6～10 g·kg-1的中度盐渍化土壤，占研究区总面积的32.21%，其次为含盐量在3～6 g·kg-1的轻度盐渍化土壤，占研究区总面积的31.66%，这两种类型的土壤主要分布于49 团东部以及其余团场大部；土壤盐分含量在0～3 g·kg-1的非盐渍化土壤主要分布于49 团，占研究区总面积的14.76%；而土壤盐分含量在10～20 g·kg-1的重度盐渍化土壤以及高于20 g·kg-1的盐土面积分别占研究区总面积的20.75%和0.12%，集中分布于51 团、44 团中部和50 团与53 团交界处。20～40 cm 土层分布面积最大的为轻度盐渍化土壤，占研究区总面积的39.06%，其次为中度盐渍化和非盐渍化土壤，分别占研究区总面积的32.65%和25.33%，该土层的重度盐渍化和盐土的分布面积分别占研究区总面积的2.84%和0.12%。相比于表层土壤，20～40 cm 土层的非盐渍化土壤和轻度盐渍化土壤分布面积有所增加，而重度盐渍化土壤和盐土的分布面积有所减少。K+、Na+、Ca2+、SO24-和Cl-的分布规律与总盐类似，Mg2+主要在44团西南部、50团和51团西部含量较高，49团含量次之，其余各区域Mg2+含量均较低。而HCO-3含量最高的区域主要分布在44 团和49 团。除HCO-3外，总盐与其余各盐基离子均存在0～20 cm 含量高于20～40 cm 土层的规律。从整体来看，研究区盐分分布大体呈现出西南低、东北高的规律，这可能与南部靠近两大水库与叶尔羌河流域，不同区域地下水分布深浅及矿化度高低有关。

图3 小海子灌区土壤盐分因子空间分布Fig.3 Spatial distribution of soil salinity factors in Xiaohaizi Irrigation Area

3.3 防治措施

研究区由于存在强烈的表层蒸发积盐现象，因此可通过冬春灌等措施来降低上层土壤的盐分，使得耕作层土壤中的盐分处于较低的水平，以减轻对农作物春季出苗的胁迫；在中度和轻度盐渍化应尽量使用两大水库的淡水灌溉，在农业用水高峰期时可以采用微咸水混合水库淡水进行灌溉的措施，尽量避免使用咸水灌溉。使用大水压盐、洗盐等措施的同时应做好明沟、暗沟、竖井等排水措施的防渗工作，防止洗盐水下渗进入地下水，抬高地下水位而导致次生盐渍化的发生。另外还可以通过平整土地，精耕深翻等农业措施来减轻盐渍化对农业生产的危害。

4 讨论

经过对研究区进行克里金插值处理分析，得到研究区土壤盐渍化类型与各盐分离子的空间分布状况。由盐渍化类型插值图可以看出研究区表层土壤盐渍化类型以氯化物硫酸盐盐化土壤为主，主要分布在51团、44团大部分区域以及50团、53团的部分区域；其次是硫酸盐盐化土壤，集中分布在44团、50 团及51 团交界处。与表层类型分布不同的是，在20～40 cm 土壤盐渍化类型分布面积处于第二的为氯化物盐化土壤，主要分布在49团大部以及50团、53 团东部。研究区内土壤盐渍化较为严重的区域为51 团、53 团与50 团交接区域以及44 团中部。土壤盐渍化分布呈现以上结果与该区域的地势以及地下水盐分含量、水域分布、环境气候等因素息息相关。

研究区地势西南高、东北低，地处叶尔羌河、喀什噶尔河两大流域中下游，河水自西向东流过，南部靠近两大水库，整体的地下水埋深由南向北逐渐加深，由靠近水域不到1 m 增加到南部的3～6 m，直到最北部的大于10 m［21］。杨鹏通过对图木舒克市65 组水质进行研究得到：小海子水库和永安坝水库的地表水矿化度为0.56～0.74 g·L-1，均属于淡水；研究区整体地下水平均矿化度为4.15 g·L-1，已经达到咸水范围。仅在49 团范围内的地下水存在少量淡水分布，地下水咸水比重为58%，50 团地下水水质相对较好，以微咸水为主，44 团和53 团地下水水质较差，咸水比重分别为71.4%和63.6%，51 团地下水水质最差，地下水咸水比重可达91.7%［22］，在此基础上受到暖温带极端干旱气候强烈土面蒸发的影响，地下水中可溶性盐沿着土壤毛管孔隙在土壤中表聚，同时受到地形、农业灌排水等多方面因素共同作用［23］。研究区盐分分布总体呈现出西南低、东北高的趋势，表现出随着海拔高度的降低、地下水矿化度的增大导致土壤盐渍化危害更为严重的规律。

小海子灌区耕地土壤表层含盐量较高，经过描述性统计分析，总盐及各盐基离子在空间上分布极不均匀，空间异质性均处于较强或中等变异性，这可能与地下水分布、地下水位以及人工水渠有关。对不同土壤层次盐分统计值进行显著性检验结果显示，0～20 cm 土层的土壤总盐含量和pH 显著高于20～40 cm 土层，这也符合研究区域低降水量、高蒸发量所导致的盐分表聚现象［24］。而HCO3-可能是由于不稳定的化学性质所导致，HCO3-在浅层土壤中易于转换成为CO23-，与阳离子结合为无法用水溶液浸提的CaCO3与MgCO3沉淀，因此出现表层略低于下层的现象。张杰对叶尔羌河流域地表水主要组分浓度进行测定得到：水库水中主要阳离子平均值最高的为K++Na+，其次是Ca2+，含量最少的是Mg2+；主要阴离子平均值由高到低依次为SO42-、Cl-、HCO3-［25］。这与土壤中盐基离子含量规律基本一致。

5 结论

（1）小海子灌区土壤受到不同程度盐渍化的危害，土壤总盐及各盐基离子在空间上分布极不均匀。从整体来看，研究区盐分分布大体呈现出西南低、东北高的规律，受土壤盐渍化危害最轻的为49团，危害最严重的区域为51 团和53 团，且表层土壤总盐含量与pH显著高于20～40 cm土层。

（2）研究区以氯化物硫酸盐盐化土壤为主，分布在51团、44团大部分区域以及50团、53团的部分区域；44 团、50 团及51 团交界处分布有硫酸盐盐化土壤，49团大部分区域为氯化物盐化土壤。

（3）研究区表层分布面积最广的为中度盐渍化土壤，其次为轻度盐渍化土壤；重度盐渍化土壤面积占研究区总面积的20.75%，集中分布于51 团、44团中部和50 团与53 团交界处。20～40 cm 土层分布面积最大的为轻度盐渍化土壤，其次为中度盐渍化和非盐渍化土壤；相比于表层土壤，20～40 cm 土层的非盐渍化土壤和轻度盐渍化土壤分布面积有所增加，而重度盐渍化土壤和盐土的分布面积有所减少。