盐渍化灌区耕地-荒地-沙地水盐分布及盐分累积特征

王银环,刘 霞，胡小东，乔 天

(内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，内蒙古 呼和浩特 010018)

土壤盐渍化与水资源不足是制约内蒙古河套灌区农业生产发展的主要因素。干旱半干旱灌区地下水位高，强烈蒸发作用使土壤母质和地下水中盐分积聚土壤表层，产生土壤盐渍化[1]，同时灌区特有的耕地和荒地交错分布格局使土壤盐碱化问题朝良性方向发展[2]。苏阅文[3]在义长灌域研究结果表明：在蒸发和灌溉综合影响下，耕荒地土壤积盐与脱盐交替进行。王国帅等[4]等对耕地-荒地-海子系统构建水量和盐量平衡模型，揭示土壤水盐在灌溉和秋浇期不同系统间的迁移转化规律。郭勇等[5]等对农田-防护林-荒漠复合系统研究表明各景观单元土壤含盐量具有显著的季节波动、水平递变和垂直分层特征。杨军等[6]研究发现自然条件下龟裂碱土0～40 cm土层盐分变化活跃，积盐与脱盐交替进行。晋建[7]利用HYDRUS-2D模型模拟分析不同灌水量和灌水次数情景下对土壤盐分运移的影响。余根坚等[8]利用HYDRUS数值模拟分析得出沟灌能有效控制土壤积盐。王水献等[9]利用数值模拟建立田间二维尺度水盐运移模型，制定了合理灌溉制度。李亮[10]研究表明荒地盐分主要积聚在表层土壤中，同时能抑制土壤蒸发。He等[11]在华北冲积平原区的研究表明不同粘土层厚度及土层位置对盐分的累积差异十分明显。Cichota等[12]研究灌溉强度对溶质优先迁移的影响，研究表明土壤及排水系统中可溶物质的迁移与降雨量、灌水量及灌溉频率密切相关，表明滴灌溶质的分布更加均匀。Mmolawa等[13]提出种植作物条件下水和溶质的入渗及再分布依赖于灌溉方法、土壤类型、作物根系分布、水和溶质的吸收模式和速率等。杨劲松等[14]通过对绿洲灌区-农区-耕层3个尺度进行了水盐均衡分析；岳卫峰等[15]建立了非农区-农区-水域的水盐运移及均衡模型，论证了义长灌域内盐荒地及水域的旱排能力非常大，提出了排水和旱排的重要性，但未考虑灌域内沙丘及沙地的排盐作用。

本文以河套灌区典型耕地及盐碱荒地详解区域为研究对象，旨在探究耕地、荒地和沙地水分、总盐、盐分离子时空迁移规律，不同类型土壤积盐特征与盐分离子对土壤积盐量的影响。采用逐步回归分析建立土壤积盐预测模型，为1.2 m深土壤盐分预测提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于内蒙古河套灌区巴彦淖尔市沙壕渠东南部张连生海子水域区，北纬49°19′～41°18′，东经106°20′～109°19′，海拔1 030～1 050 m。地处干旱半干旱气候带，属中温带大陆性季风气候，降水量少，蒸发量大，昼夜温差大，日照时间长。试验区概况如图1所示，耕地位于试验区中央，其东南为沙丘，耕地西部为盐荒地，最西部是张连生海子水域。试验区的气象资料见图2，2014—2017年试验期间年均降水量约为104.23 mm，平均气温为20.52℃，蒸发量为2 100 mm。河套灌区地下水以潜水为主，主要来源于农田灌溉入渗和各级渠道渗漏水量，试验区地下水位变化见图3，耕、荒、沙地地下水位多年均值分别为2.5、2.8、2.9 m。试验区土壤盐碱状况见表1。

表1 试验区土壤初始盐碱状况

图1 试验区概况Fig.1 A schematic diagram of the experimental area

图2 试验区降雨量与气温Fig.2 Rainfall and air temperature distribution in the experimental area

1.2 试验设计与测定指标

采用地面灌溉，灌水时间及灌水量如表2所示。在耕地、荒地、沙地分别设置2个平行取样点，取样深度为0～120 cm，分7层(0～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～100、100～120 cm)测定土壤的含水量、全盐、pH值及八大离子；同时在耕地、荒地、沙地及海子附近设置地下水观测孔，测定地下水位、地下水的矿化度及盐分离子含量。土壤储盐量计算公式：

Sa=Σ(Sti×Di×Li/10)

(1)

式中,Sa为土壤储盐量(t·hm-2)；Sti为土壤某层次全盐量(g·kg-1)；Di为某层次土壤容重(g·cm-3)；Li为土壤层次深度(cm)。

试验区在2014、2016年种植玉米，2015、2017年种植葵花。

1.3 数据分析

数据整理分析采用Excel 2017，三维等值线图及柱状图绘制采用Origin 2017与R语言，相关关系分析与主成分分析采用SPSS 20软件进行。

2 结果与分析

2.1 耕地-荒地-沙地土壤水分垂直分布特征

试验区包括耕地-荒地-沙地不同土地利用组合区。耕地的灌溉水主要耗水于土壤蒸发和作物蒸腾作用，同时通过土壤渗补给地下水。灌溉期对耕地地下水的补给远大于地下水的潜水蒸发，导致耕地地下水位升高，通过侧向补给地下水向荒地及沙地流动。耕地、荒地、沙地0～120 cm土层含水率分布规律如表3所示，耕、荒、沙地均表现为随土层深度加深土壤含水率增大，变异系数减小，土壤含水率变化范围分别为13.31%～26.54%、16.45%～27.22%、1.81%～17.81%。0～10 cm土层变异系数较大，分别为23.61%、10.91%和104.05%,表明耕、荒、沙地土壤水分分布不均，土壤含水量差异较大。耕地0～40 cm土层受灌溉和耕作影响，土壤水分变异性较大，水分运动较为剧烈。荒地表层积盐明显，形成盐壳，抑制土壤水分蒸发，土壤含水量相对稳定。沙地含水率低于耕地与荒地，表层仅为0.03%。

图3 2014—2017年耕地-荒地-沙地地下水埋深变化Fig.3 Change of groundwater depth in cultivated, waste and sandy land from 2014 to 2017

2.2 耕地-荒地-沙地不同深度土壤盐分累积特征

耕地、荒地、沙地土壤剖面积盐时空分布如图4所示，由图4(a)可以看出，耕地0～120 cm土层年均积盐量约为2.63 t·hm-2，种植不同作物的耕地土壤积盐量均呈现随土壤深度增加而增大的趋势，同时盐分累积主要集中在春季和秋季收获期。春汇后耕地土壤盐分向下迁移，土壤积盐量减少约2.1 t·hm-2,灌水间歇期,随水分蒸发及灌水后地下水位升高，毛管水上升补给土壤，造成土壤返盐，0～10 cm土层约累积0.76 t·hm-2。作物整个生育期内0～120 cm土层土壤脱盐较少，约为0.59 t·hm-2，由于2014、2016年和2017年未秋浇，作物收获后土壤积盐约1.83 t·hm-2，而2015年11月5日进行秋浇后，作物收获后，0～40 cm土层呈现脱盐状态，脱盐量约为0.7 t·hm-2,而在40～120 cm土层约有0.27 t·hm-2盐分聚积。由图4(b)可以看出，荒地积盐表聚明显，积盐量随土层深度加深呈现减少趋势，约70%的盐分聚积在表层,春汇后最高可达39.85 t·hm-2，与耕地变化趋势相反，且荒地积盐量远大于耕地，0～120 cm土层土壤积盐量约为9.46 t·hm-2，耕地灌水后，荒地盐分增加，0～10 cm表层增加较为显著，荒地成为耕地的“盐库”。由图4(c)可以看出，沙地积盐趋势与耕地相似，与荒地相反。沙地0～120 cm积盐量约为5.27 t·hm-2,小于耕地，随土层深度加深积盐量增加，耕地灌水后沙地0～10 cm表层盐分减少，40～120 cm土层盐分增加，主要是由于耕地地下水补给沙地，沙地毛管作用弱，随水分蒸发向上迁移量小。

2.3 耕地-荒地-沙地全盐累积量与盐分离子之间的关系

表2 试验区灌水时间及灌水量

表3 试验区0～120 cm土层土壤平均含水率统计特征值

图4 2014～2017年耕、荒、沙地土壤积盐量Fig.4 Soil salinity map of cultivated, waste and sandy lands in 2014-2017

注：G-耕地; H-荒地; S-沙地; ** 在置信度(双测)为 0.01 时，相关性是显著的; *在置信度(双测)为 0.05 时，相关性是显著的。Note: G-cultivated land; H-waste land; S-sandly land. ** The correlation was significant at a confidence level (bilateral) of 0.01; * The correlation was significant at a confidence level (bilateral) of 0.05.图5 耕地、荒地、沙地积盐量与盐分离子相关关系Fig.5 Correlation between salt accumulation and salt ions in cultivated, waste and sandy land

2.4 土壤积盐主控因子的识别

F1=-0.034X1+0.843X2+0.744X3

+0.117X4+0.051X5+0.095X6

(2)

F2=-0.003X1+0.292X2+0.36X3

+0.816X4+0.853X5-0.276X6

(3)

F3=-0.98X1-0.18X2-0.305X3

+0.092X4-0.128X5+0.122X6

(4)

荒地提取出2个主成分，能反映6个离子的75.67%的信息。其中第一主成分F1可反映57.97%原变量的信息，包含的信息最多；第二主成分F2可以反映17.70%原变量的信息。根据中心化及因子旋转后的特征向量值列出土壤积盐主成分表达式如下(5)～(6)式所示。

F1=-0.094X1+0.259X2+0.244X3

+0.192X4+0.235X5+0.262X6

(5)

F2=-0.936X1-0.139X2+0.179X3

-0.107X4-0.054X5-0.08X6

(6)

沙地提取出2个主成分，前2个主成分能反映6个离子66.84%的信息，其中第一主成分F1可以反映41.31%原变量的信息，所包含的信息最多，第二主成分F2可以反映25.53%，根据中心化及因子旋转后的特征向量值列出土壤积盐主成分表达式如下(7)～(8)式所示。

F1=0.014X1+0.357X2+0.288X3

-0.247X4+0.13X5+0.44X6

(7)

F2=0.378X1-0.02X2-0.075X3

+0.730X4+0.260X5-0.174X6

(8)

2.5 土壤积盐统计预测分析

采用逐步回归分析方法，以上述X1～X6个主要盐分离子为自变量，分别以耕荒沙地0～120 cm土壤积盐量均值为因变量(Y1、Y2、Y3)，建立0～120 cm土层土壤积盐量线性回归预测模型，为预测耕荒沙地积盐量提供相关的理论依据。表4为耕荒沙地线性回归模型计算结果，在1.2 m土层中，耕地X1变量在积盐量模型中的Pearson相关系数为0.652，说明土壤积盐量变化的65.2%可以由此模型解释，荒地X6变量在积盐量模型中的Pearson相关系数为0.971，说明土壤积盐量变化的97.1%可以由此模型解释，沙地X2变量积盐量模型中的Pearson相关系数为0.87，说明土壤积盐量变化的87%可以由此模型解释，由方差分析表知，F统计量都通过α=0.05显著性检验，说明回归方程均显著。耕荒沙地线性回归模型分别如下(9)～(11)式所示。

Y1=0.778+0.004X1

(9)

Y2=0.334+0.013X6

(10)

Y3=1.158+0.007X2

(11)

表4 模型汇总及回归系数

3 讨论与结论

3.1 讨 论

灌区节水改造工程打破了水盐平衡体系，灌区土壤水盐重新分配[16]。试验表明在0～120 cm土层土壤垂直剖面含水率表现为荒地>耕地>沙地，随土层深度加深含水率变异系数减小。因而灌水是影响耕地土壤水分变化的主要因素，灌溉水中有较大部分渗漏进入地下水[2]，灌溉期耕地地下水侧向补给荒地和沙地[17]。沙地保水性差，表层(0～10 cm)变化较为剧烈[18]，本研究表明沙地表层变异性最大，变异系数为104.5%。荒地深层土壤含水率变异性最小，变异系数为7.67%，与前人研究结果一致。

试验表明耕地积盐主要集中在作物生育初期和末期，而其余生育期处于脱盐状态，主要原因是灌水洗盐及作物生长期间植物蒸腾大于地面蒸发，减少蒸发造成的地表积盐。灌溉期，耕地与邻近未灌溉田块发生地下水横向交换[19]，土壤表层盐分被淋洗到深层，随地下水迁移到荒地，盐荒地成为耕地的“盐库”[20]。这是由于荒地及沙地无灌溉，主要受降雨影响,耕地进行灌溉，由于受灌溉水的淋洗作用，灌溉期间耕地盐分被淋洗到深层土壤或地下水，同时地下水水平侧向补给荒地和沙地，耕地的土壤盐分被带入荒地，无灌溉水淋洗的荒地地下水在毛管作用下向上移动，盐分向上层土壤积聚，在强蒸发作用下表层土壤盐分显著增加。盐分经潜水蒸发向土壤和地表迁移。荒地受到耕地灌溉水水平侧渗补给地下水的影响，盐分随毛管水上升逐渐向表层迁移，最终盐分积聚在表层[21]。杜金龙等[22]对土壤盐分含量较高的盐渍化区土壤含盐量与土壤含沙量的关系进行分析，表明土壤含盐量与土壤含沙量之间呈负相关关系，即土壤中含沙量越高盐分含量越低，因而沙地盐分含量低于耕地。本研究在荒地对耕地干排盐作用及荒地盐分表聚方面的结论与前人的研究结果相似。

3.2 结 论

土壤水分及积盐变化受多种因素影响，具有复杂的变化过程及发生机制。通过对张连生海子试验区盐碱地土壤水分及土壤积盐特征与盐分离子对土壤积盐量的影响进行分析，得到主要结论如下：

(1)土壤垂直剖面含水率均表现为荒地>耕地>沙地。随土层深度增加含水率变异系数减小，沙地表层变异性最大，变异系数为104.5%。荒地深层土壤含水率变异性最小，变异系数为7.67%。

(2)荒地积盐主要聚集在表层，荒地表层最多可累计积盐39.85 t·hm-2，不同类型土地积盐量荒地>耕地>沙地。说明含沙量越高土壤积盐越少。耕地积盐量与荒地积盐量在0.01置信水平上显著负相关。耕地积盐量与沙地积盐量呈现显著正相关。