节水改造工程对灌区土壤盐渍化的影响

姚新旺

(新疆塔里木河流域喀什管理局,新疆 库尔勒 841000)

0 引 言

渠系水渗漏导致地下水位提高、不合理的灌溉方式、剧烈的潜水蒸发等因素,使下层盐分聚集在表层土壤中,增大了土壤盐渍化风险,对灌区的生态平衡安全和农业发展造成较大威胁,因此研究盐渍化灌区内土壤盐分含量的变化规律十分重要[1-3]。对于盐渍化灌区,多采取节水改造工程来优化灌溉方式,增强渠道防渗能力,并调整土壤中的盐分含量[4]。李谷丰等[5]分析了内蒙古河套灌区1986-2019年期间的土壤含盐量变化规律,为区域内节水改造方案的制定提供了理论依据。刘震[6]分析了高效节水灌溉措施对盐渍化土体的改善效果。郭军成等[7]对某灌区盐渍化离子进行了分析,得出了各土层深度内的主要盐离子含量和主要危害盐离子类型,为灌区的治理提供了依据。

基于此,为了研究节水改造措施和改造年限对灌区土壤盐含量的影响规律,本文通过分析所取土壤样本中含盐量的变化,分析土壤中盐分含量的变化规律,研究结果可为治理灌区盐渍化提供指导。

1 研究区概况

叶尔羌河灌区是新疆维吾尔自治区境内最大灌区,总面积16 042km2,占流域面积的14.8%,也是位居全国的第四大灌区。灌区东西两侧处在塔克拉玛干大沙漠与布古里、托格拉克沙漠的挟持之中,呈带状分布,宽40～80km,长400km,绿洲内土地资源丰富,利用潜力较大。灌区是农业和农村经济发展的重要基础设施,是农产品的重要生产基地,同时还是生态环境保护、建设美丽乡村、幸福家园的重要区域。自2000年始,叶尔羌河灌区陆续开展塔河近期综合治理、大型灌区续建配套与节水改造以来,灌区严重病险、“卡脖子”工程初步得到改造,骨干工程配套率和设施完好率明显提高,促进了农业节水增产和农民增收,取得了显著的经济、社会和生态效益。

2 样本采集和研究方法

2.1 样本采集与测定

按照均匀随机布点原则,在沙地、耕地、盐碱地等周围设置点位,并采取以渠道衬砌为主的节水改造措施,因此在主要骨干渠道周围设置了大部分点位,共设置土壤盐分监测点40个。2017、2020年的9、10月份开展了野外取样工作,通过取土钻分层取土的方式,取得土壤样本120份;取土分为3层,分别为0～10cm、10～30cm以及30～50cm。将土壤样本装于自封袋,封口后送至实验室,晾干碾碎后用2mm筛过筛,并制备待测溶液,溶液比例为水:土=5:1,对土壤中盐分含量进行测试。

2017、2020年降雨量和平水年降雨量接近,因为该区域不进行春灌,大面积灌溉主要在秋季进行。而9月份恰好为秋浇未开始夏灌刚结束时期,土壤盐分受夏灌影响再次进行分配,夏灌完成后不再变化,在此次期间内收集的土壤样品可以将灌区土壤盐分受节水改造措施的影响充分反映出来,同时此期间地下水动态没有较大波动。此外,根据此期间土壤盐分相关分析结果,可以对秋浇工作进行针对性的、有效的指导。所以,将节水改造前基准年设为2017年9月与10月,分析截至2020年9、10月份(节水改造后)区域内土壤盐分的变化规律。

2.2 研究方法

对收集的土壤数据作预处理,去除异常值,通过经典统计法,对土壤盐分特征变化进行分析。同时,采用K-S法对土壤含盐量进行检验,判断其是否满足正态分布。按照节水改造年限的不同,选取A分干渠和B干渠渠首进行对比。其中,2019年3月9日至2019年12月19日为A的节水改造时间;下游,2018年6月19日至2019年11月29日;中游,2017年3月3日至2018年8月25日;上游,2016年1月19日至当年6月19日,为B的节水改造时间。通过对比,分析各改造年限下缓冲区内土壤盐分的变化趋势。

3 结果分析

3.1 盐分分布特征

通过K-S法检验土壤含盐量发现,其呈现为偏态分布。通过对数变换后得出,其峰度和偏度数值较小,比较接近正态分布,具体计算结果见表1。由表1可知,两年内灌域各土层土壤含盐量均值范围1.4～3.44g/kg,表明其灌域类型为中度盐渍化。在未进行节水改造时,表层土壤在秋浇之前盐分含量较高,为3.44g/kg,与下部土壤含盐量有较大差异,且土壤盐分在垂直方向上有较大变化。各深度土壤含量在经过秋浇后依次减小29%、28.7%、20.9%,表明对土壤盐分的淋洗起到了很好的效果。

表1 土壤盐分相关数据

表层土壤经过节水改造后,盐渍化程度得到改善,降低了5.7%,30～50cm与10～30cm深度土壤盐分含量分别减小5.38%与10.83%。此外,与2017年相比,2020年灌域地下水水位均值降低0.45m,同时秋浇水量降低8 691m3,上部土壤在秋浇后含盐量降低幅度较小,30～50cm与10～30cm深度土壤含盐量降低程度分别为18.71%和9.72%。通过对比发现,整体土壤含盐量平均值在经过节水改造后减小7.31%,同时秋浇水量降低,土壤在秋浇后淋洗程度降低近9.27%。

变异系数CV能够反映土壤盐分含量数据之间的离散度。当CV低于10%时,变异性较弱;当CV为10%～100%时,变异性为中等;当CV大于100%时,变异性较强。由表1中能够看出,0～10cm、10～30cm以及30～50cm土层深度的变异性,依次为强变异性、中等变异性和中等变异性。

3.2 不同改造年限渠道土壤盐分含量变化规律

为了对比不同节水改造年限对渠道土壤盐分含量的影响,分别将B干渠渠首和A分干渠视作长期和短期改造期。其中,长期为3～5年;短期为1～2年。

为了分析灌区土壤盐分受渠道衬砌的影响,将主要渠道作为研究对象,根据距离主要渠道1.5、1.3、1.0、0.7、0.5、0.3、0.1km的环形缓冲区,对经过改造后土壤含盐量变化规律进行分析,具体见图1。

图1 短期改造区各距离缓冲区不同深度土壤盐分含量变化趋势

由图1能够看出,未进行节水改造时,缓冲区秋浇前30～50cm与0～30cm土层深度内盐含量平均值范围分别为2.06～1.93g/kg和3.66～3.4g/kg,缓冲区内土壤盐分含量与渠道距离呈线性负相关的关系,即随着距离的增长,土壤含盐量逐渐降低。同时发现,1.5km为秋浇前渠道对0～50cm深土层的影响半径,具体可分成两个范围,分别为大于1.0km和小于1.0km。其中,与1.0km以外范围相比,1.0km以内范围土壤盐分含量减小速度更块。缓冲区内30～50cm和0～30cm深度内土壤的盐分含量在经历秋浇后的数值范围分别为2.31～2.2g/kg和2.99～2.85g/kg。

在进行节水改造后,1.5km范围内缓冲区秋浇前30～50cm和0～30cm土层深度土壤盐分含量均值的减小速度每年分别为0.0174 6和0.050 97g/kg。在经历秋浇后,30～50cm深度内土壤盐分淋洗效果与之前相比呈上升趋势;而0～30cm深度内土壤盐分淋洗效果降低约0.33g/kg,其原因可能是由于2020年一干渠没有进行秋浇,导致高值区开始逐渐从上游扩散至中游低值区。

由图2能够看出,改造区未进行节水改造时,缓冲区秋浇前30～50cm和0～30cm土层深度内盐分含量平均值分别为2.99～2.83g/kg和5.45～5.20g/kg,土层深度的不同,其内盐分含量有很大差距。同时,根据缓冲区和渠干距离与土壤盐分含量的拟合关系能够发现,改造未秋浇情况下0～50cm土层深度的渠道影响半径为0.7km,具体可分成两个范围,分别为大于0.3km和小于0.3km。其中,与0.3km以外范围相比,0.3km以内范围土壤盐分含量减小速度更快。缓冲区30～50cm和0～30cm深度内土壤的盐分含量在经历秋浇后的数值范围分别为2.44～2.18g/kg和4.24～3.79g/kg。在经历秋浇后,0～50cm土层深度的渠道影响半径提高至1.5km。

图2 长期改造区各距离缓冲区不同深度土壤盐分含量变化趋势

在进行节水改造后,0.7km范围内缓冲区秋浇前30～50cm和0～30cm土层深度土壤盐分含量均值的减小速度每年分别为0.014 64g/kg和0.018 52g/kg。秋浇完成后,缓冲区各深度土层对含盐量的解释能力有一定程度的提高,表明秋浇可以在一定程度上缓解盐分在土壤中的表聚作用。

综上所述,各缓冲区对土壤含盐量有较强的解释能力。同时,短期改造和长期改造的渠道影响半径分别为0.7和1.5km;距离增长时,与0～30cm深度土层相比,30～50cm深度土层内盐分含量减小程度更快。在采取节水改造措施后,短期缓冲区土壤盐分含量平均值减小速度低于长期改造区。

4 结 论

本文对节水改造措施和改造年限对灌区土壤盐含量的影响规律进行了研究,分析了所取土壤样本中含盐量的变化,结论如下:

1)各深度土壤盐含量在经过秋浇后依次减小29%、28.7%、20.9%,表明对土壤盐分的淋洗起到了很好的效果;表层土壤经过节水改造后,盐渍化程度得到改善,降低5.7%,30～50cm与10～30cm深度土壤盐分含量分别减小5.38%与10.83。对比发现,整体土壤含盐量平均值在经过节水改造后减小7.31%,同时秋浇水量降低,土壤在秋浇后盐分淋洗程度降低近9.27%。

2)各缓冲区对土壤含盐量有较强的解释能力,同时0.7和1.5km分别为短期改造和长期改造的渠道影响半径;距离增长时,与0～30cm深度土层相比,30～50cm深度土层内盐分含量减小程度更快。在采取节水改造措施后,短期缓冲区土壤盐分含量平均值减小速度低于长期改造区。