瑪納斯河流域微咸水滴灌對(duì)土壤鹽堿性的影響

邵建榮, 張鳳華

(石河子大學(xué) 農(nóng)學(xué)院, 新疆 石河子 832003)

瑪納斯河流域微咸水滴灌對(duì)土壤鹽堿性的影響

邵建榮, 張鳳華

(石河子大學(xué) 農(nóng)學(xué)院, 新疆 石河子 832003)

摘要：[目的] 探究瑪納斯河流域微咸水滴灌對(duì)土壤鹽堿性的影響，為新疆干旱區(qū)科學(xué)利用微咸水以及鹽堿地治理提供理論依據(jù)。 [方法] 在新疆瑪納斯河流域進(jìn)行定點(diǎn)試驗(yàn)，分析強(qiáng)蒸散條件下微咸水灌溉后土壤鹽分的遷移規(guī)律及對(duì)土壤堿性環(huán)境的影響。 [結(jié)果] 滴灌降低了上層(0—30 cm)土壤鹽分，導(dǎo)致土壤鹽分的底聚分布；土壤鹽分的周期性變化顯著(鹽分變異系數(shù)在48.2%~82.7%之間)，上層(0—30 cm)土壤存在返鹽風(fēng)險(xiǎn)；土壤pH值變化與鹽分運(yùn)移呈負(fù)相關(guān)，滴灌后土壤pH值呈波動(dòng)上升趨勢(shì)。 [結(jié)論] 耕層土壤鹽分降低的同時(shí)存在堿度(pH值)升高的風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：干旱區(qū); 瑪河流域; 鹽分變化; 堿化現(xiàn)象

水資源的短缺已成為干旱半干旱區(qū)可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)重要限制因素[1]。隨著經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的發(fā)展以及全球氣候的變化，淡水資源的日益短缺使高礦化度的微咸水灌溉成為解決我國(guó)西北地區(qū)水危機(jī)的重要措施之一[2]。新疆自治區(qū)地處歐亞大陸腹地干旱中心，屬典型的沙漠綠洲灌溉農(nóng)業(yè)區(qū),農(nóng)業(yè)用水量占總水量的94%，水資源匱乏，生態(tài)環(huán)境脆弱，已嚴(yán)重制約區(qū)域農(nóng)林業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[3]。為緩解日益加劇的供水矛盾，新疆地區(qū)不少農(nóng)業(yè)用水部門已將目光轉(zhuǎn)向了微咸水—咸水資源的開發(fā)利用上[4]。微咸水灌溉一方面提供了作物生長(zhǎng)所需要的水分，另一方面增加了土壤中的鹽分，造成土壤潛在鹽化與堿化的危險(xiǎn)[5]，這種兩重性，決定了微咸水灌溉的特殊性與復(fù)雜性。微咸水灌溉造成土壤鹽化的研究較多[6-9]，但是堿化的定量化研究方面顯得較為薄弱。土壤鹽和堿的變化過程相互聯(lián)系[10]，在土壤鹽漬化的成土因素中，氣候因素，特別是降水、蒸發(fā)和溫度是主要的動(dòng)力因素，影響著土壤鹽漬化過程中水鹽運(yùn)動(dòng)和易溶鹽類的淋溶積聚過程[11]。土壤以脫鹽過程為主時(shí)，土壤中可溶性鹽不斷被淋洗，土壤溶液濃度逐漸下降，代換性鈉隨之解離。造成土壤膠體表面吸附的離子與土壤溶液中的離子互相交換，土壤膠體從土壤溶液中吸附一定數(shù)量的鈉離子，造成土壤溶液堿度增加[12]。土壤堿化問題在任何氣候區(qū)都可能發(fā)生，尤其在干旱和半干旱地區(qū)[13]。堿化可能會(huì)引起含有多種礦物的壤土和黏土結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重退化[14]，如果灌溉水中的鈉離子含量過高，會(huì)對(duì)土壤物理性質(zhì)及灌溉系統(tǒng)產(chǎn)生影響，土壤的吸附能力也會(huì)隨時(shí)間變化，最終導(dǎo)致土壤堿化度升高，迫使放棄鹽水灌溉或者改變土地利用方式[15]。探討微咸水灌溉對(duì)土壤鹽化與堿化過程的影響，對(duì)科學(xué)、合理、安全地開發(fā)利用微咸水以及鹽堿地治理具有重要的指導(dǎo)意義。本研究以瑪納斯河流域石河子綠洲西古鎮(zhèn)為例，通過定點(diǎn)定位連續(xù)監(jiān)測(cè)，將棉田土壤鹽分運(yùn)移過程及土壤堿性環(huán)境的變化結(jié)合起來，探討灌水前后不同土層土壤鹽分變化、土壤pH值的變化以及二者的相互聯(lián)系，以期為干旱區(qū)微咸水灌溉對(duì)土壤鹽和堿的影響提供理論參考。

1研究區(qū)概況與研究方法

1.1　研究區(qū)概況

瑪納斯河流域干三角洲綠洲西古鎮(zhèn)是典型的棉花高產(chǎn)區(qū)，位于天山北麓，準(zhǔn)噶爾盆地南緣，屬溫帶大陸性氣候，年平均氣溫約6.1 ℃，極端最高氣溫43.1 ℃，極端最低氣溫-42.8 ℃，≥10 ℃有效積溫2 400～3 900 ℃。晝夜溫差懸殊，光熱資源充足。年平均降水量117 mm，年平均蒸發(fā)量1 945 mm，蒸發(fā)量為降水量的16倍[16]。土壤類型為灌溉灰漠土，質(zhì)地以沙壤或夾砂土為主。地下水埋深為1.95～4.20 m[17]。

1.2　研究方法

1.2.1樣地處理以及樣品采集試驗(yàn)點(diǎn)選擇膜下滴灌棉田為樣地，采用一膜兩管4行種植模式，膜寬140 cm，膜間距60 cm，面積1.5 hm2。灌溉水礦化度3.1 g/L，全生育期灌水8次，灌溉總量4500 m3/hm2。2013年7月進(jìn)行采樣，灌溉前采樣時(shí)間為17:00，灌溉于次日22:00結(jié)束，分別在灌水前及灌水結(jié)束后4，8，12，16，20，24，48，72，96及120 h進(jìn)行取樣。為避免破壞覆膜、滴灌帶及棉花根系，保證棉花正常生長(zhǎng)，采樣范圍選擇在膜間。在膜間劃定半徑為20 cm的3個(gè)圓形區(qū)域，每次采樣在3個(gè)圓內(nèi)隨機(jī)各布置一個(gè)采樣點(diǎn)(要避開之前采樣點(diǎn))，即3個(gè)重復(fù)，取樣深度為100 cm，每隔10 cm土層取一個(gè)土樣，各層的重復(fù)土樣充分混勻后采用四分法取1 kg左右。共計(jì)33個(gè)采樣點(diǎn)，110個(gè)分層土樣。土壤樣品含水率當(dāng)天測(cè)定，其他樣品用密封袋保存，帶回實(shí)驗(yàn)室處理。土樣經(jīng)自然風(fēng)干，磨碎、過1 mm篩備用。

2結(jié)果與分析

2.1　灌水前土壤鹽分的垂直分布

研究區(qū)土壤平均含鹽量為2.48 g/kg，為中重度鹽漬化土壤(表1)。pH值在8.86～8.95之間，堿化現(xiàn)象明顯。土壤鹽漬化類型以氯化物—硫酸鹽型鹽漬土為主。從土壤鹽分的垂直分布來看，研究區(qū)表層土壤鹽分較低，中下層尤其是40—70 cm土層鹽分含量較高，最大值達(dá)3.28 g/kg；70—100 cm土層土壤鹽分稍有下降，總體上土壤鹽分呈底聚型分布。長(zhǎng)期滴灌使得鹽分向深層遷移[19]，滴灌濕潤(rùn)深度達(dá)60—80 cm左右，按照“鹽隨水走”的規(guī)律，60—80 cm土層也更易積鹽。但是鹽分并沒有排除0—100 cm土體，鹽分較重的土層緊鄰耕層土壤，表層土壤返鹽的風(fēng)險(xiǎn)依然存在。另外，鹽分的底聚特征也表現(xiàn)為棉田經(jīng)過一系列田間管理措施，如深耕、施肥、秸稈還田等，改善了土壤質(zhì)量，切斷了鹽分隨毛管水向耕層土壤遷移的路徑，抑制了鹽分向表層遷移[20-21]。

2.2　微咸水灌溉后土壤鹽分的動(dòng)態(tài)變化

從圖1可以看出，灌水后0～120 h內(nèi)，土壤鹽分經(jīng)歷了兩次上下運(yùn)移，其中，4，8 h(圖1a)與24，48，72 h(圖1c)為鹽分下移階段，12，16，20(圖1b)與96，120 h(圖1d)為鹽分上升階段。表明1個(gè)灌水周期內(nèi)土壤鹽分呈現(xiàn)典型波動(dòng)性變化過程。灌水后不同時(shí)間內(nèi)，鹽分的遷移速度不同，灌水后初始4 h內(nèi)中下層(30—90 cm)土壤鹽分迅速隨水下移，隨后下移速度變慢，而中下層土壤尤其是中層(20—60 cm)土壤的降鹽、返鹽速度都更快，40—60 cm和90—100 cm土層鹽分平均值最高。

從時(shí)間尺度看，灌水后4~8 h，土壤鹽分迅速下降，高濃度鹽分得到有效淋洗，0—100 cm土壤鹽分從灌水前的20.73 mS/cm下降到10.74 mS/cm，進(jìn)而下降到5.50 mS/cm，淋洗率分別為48.2%和73.5%。灌水后8～12 h，12~16 h，16~20 h土壤開始返鹽，返鹽率分別為48%，110.3%，170.4%，土壤鹽分在前20 h內(nèi)經(jīng)過了一個(gè)周期的上下運(yùn)移，返鹽現(xiàn)象明顯，0—100 cm土體總鹽沒有明顯降低，在遷移過程中鹽分依然具有分層現(xiàn)象。灌水后24 h，土壤鹽分經(jīng)歷第二次下移，到灌水后72 h，0—100 cm土體總鹽降到最小值，約為灌水前的1/10。隨著灌水后96 h鹽分的第2次上移，0—100 cm土體開始轉(zhuǎn)向快速返鹽階段，灌水后96 h土體的鹽分含量達(dá)到17.92 mS/cm，接近灌水前土壤鹽分水平，說明灌溉后土壤鹽分雖然發(fā)生劇烈遷移，但最終降鹽效果并不明顯，直至下一個(gè)灌水周期，這種鹽分的動(dòng)態(tài)變化將持續(xù)發(fā)生。

表1　灌水前土壤剖面水鹽分布

圖1　研究區(qū)土壤鹽分隨滴灌時(shí)間的垂直變化

2.3　微咸水灌溉后土壤pH值變化

從圖2可以看出，下層土壤pH值高于中上層土壤，在經(jīng)歷灌水后連續(xù)的水鹽運(yùn)移過程后，土壤pH值呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，部分土層土壤pH值超過9.0，演變成堿化土壤。灌水120 h后土壤pH值均不同程度升高，上層和下層土壤平均變化幅度更大。土壤處于地球各圈層的交界面，是各種物理、化學(xué)、生物過程的反應(yīng)界面，物質(zhì)與能量交換、遷移過程復(fù)雜而頻繁，因此賦予土壤抵抗外界溫度、濕度、酸堿性、氧化還原性變化的緩沖能力。土壤pH值受到這種緩沖能力的影響，相對(duì)來說處于比較穩(wěn)定的范圍內(nèi)。因此，土壤pH值變化幅度小，而微小的變化更能夠說明土壤堿性環(huán)境發(fā)生了改變。

隨著鹽分的波動(dòng)性變化，土壤堿化發(fā)展較快，土壤pH值變化明顯的土層有0—30 cm，60—80 cm,pH值變化范圍基本都在0.14以上。研究區(qū)棉田土壤在各種因素的綜合影響下，0—100 cm土壤pH值總體呈現(xiàn)升高的趨勢(shì)，下層堿化現(xiàn)象更明顯。

圖2　研究區(qū)灌水前后土壤pH值變化

2.4　微咸水灌溉后不同土層鹽堿性變化及相互關(guān)系

2.4.1土壤pH值與堿化度ESP相關(guān)性分析土壤pH環(huán)境具有一定的緩沖性能，受到諸多因素的影響，以pH值作為土壤堿度的衡量指標(biāo)具有一定的局限性。

本研究在進(jìn)行大量測(cè)定前隨機(jī)抽取30個(gè)土壤樣品測(cè)定pH值和堿化度ESP，結(jié)果表明，該地區(qū)土壤pH與堿化度ESP呈極顯著相關(guān)(相關(guān)系數(shù)為0.553，樣本數(shù)N=30)。因此，不考慮定量表達(dá)時(shí)，土壤pH值能夠定性說明土壤堿化趨勢(shì)。

2.4.2不同土層土壤鹽堿性變化按照0—30 cm，30—60 cm，60—100 cm將土壤剖面劃分成上、中、下三層，分析各層土壤鹽分與pH值的變化關(guān)系(圖3)。由圖3可知，土壤鹽分與pH值變化呈負(fù)相關(guān)，脫鹽過程中pH值升高，返鹽過程中pH值下降，上層土壤鹽分與pH值的負(fù)相關(guān)關(guān)系更加顯著(相關(guān)系數(shù)為-0.73，N=10)。

綜上，微咸水滴灌容易導(dǎo)致鹽分在中下層聚集而上層脫鹽，土壤鹽分變化與堿度變化表現(xiàn)為“鹽降堿升，鹽升堿降”的趨勢(shì)，這種趨勢(shì)在上層土壤中表現(xiàn)的更加明顯。上層土壤pH值變化與鹽分運(yùn)移呈顯著負(fù)相關(guān)，各土層pH值在變化過程中均呈波動(dòng)升高的趨勢(shì)，最終結(jié)果表現(xiàn)為pH值增加，說明耕層鹽分降低的同時(shí)存在堿化的風(fēng)險(xiǎn)。

圖3　研究區(qū)不同土層土壤鹽堿性變化

3討論與結(jié)論

(1) 瑪納斯河流域干三角洲地區(qū)0—100 cm土層鹽漬化現(xiàn)象比較嚴(yán)重，以氯化物—硫酸鹽型鹽漬土為主，土壤鹽分總體呈底聚型分布，表層0—30 cm土壤有返鹽風(fēng)險(xiǎn)。鹽分的周期性變化顯著，鹽分變異系數(shù)在48.2%~82.7%之間。灌溉后每隔4 h的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，土壤鹽分運(yùn)移(包括降鹽和返鹽)速度快，在鹽分的重新分配中，中下層土壤依然表現(xiàn)出強(qiáng)的鹽分截留能力。鹽分波動(dòng)變化周期與光照強(qiáng)度、采樣時(shí)間間隔等有關(guān)系，不考慮起始采樣時(shí)間點(diǎn)及采樣周期帶來的差異，每24 h鹽分經(jīng)歷3次上下運(yùn)移，直至下一個(gè)灌水周期，這種鹽分的動(dòng)態(tài)變化將持續(xù)發(fā)生。

(2) 土壤鹽分與pH值變化呈負(fù)相關(guān)，脫鹽過程中pH值升高，返鹽過程中pH值下降，上層土壤鹽分與pH值的負(fù)相關(guān)關(guān)系更加顯著。各層pH值在鹽分的波動(dòng)過程中均呈波動(dòng)升高趨勢(shì)，一方面上層土壤受到人為因素及自然因素的影響更大，另一方面滴灌導(dǎo)致上層鹽分有效淋溶，陳巍等[22]研究了濱海鹽土脫鹽過程中pH值變化問題，肯定了鹽分大于1 g/kg時(shí)鹽分淋溶導(dǎo)致pH值升高，但忽略了鹽分多次上下運(yùn)移對(duì)pH值變化的影響。因此，干旱區(qū)強(qiáng)蒸散滴灌條件下鹽分變化影響著pH值變化，耕層鹽分降低的同時(shí)存在堿度升高的風(fēng)險(xiǎn)。

(3) 土壤堿化的發(fā)展是一個(gè)長(zhǎng)期的過程，并且土壤pH環(huán)境具有一定的緩沖性能，受到諸多因素的影響，以pH值作為土壤堿度的衡量指標(biāo)在定量表達(dá)時(shí)具有一定的局限性。本研究通過前期試驗(yàn)，肯定了土壤pH值與堿化度ESP之間具有極顯著相關(guān)性，因此選取電導(dǎo)率EC和pH值作為鹽分和堿度指標(biāo)，旨在目前鹽堿化研究的基礎(chǔ)上初步探討土壤鹽分變化和堿化的相互關(guān)系，得到了一些結(jié)論，但還需補(bǔ)充更多指標(biāo)，進(jìn)行周期更長(zhǎng)的試驗(yàn)以探討其機(jī)理，這也是今后需進(jìn)一步開展的研究工作。

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Influence of Brackish Water Drip Irrigation on Soil Salt and Alkali in Manasi River Basin

SHAO Jianrong, ZHANG Fenghua

(CollegeofAgriculture,ShiheziUniversity,Shihezi,Xinjiang832003,China)

Abstract：[Objective] The influence of brackish water drip irrigation on soil salt and alkali in Manasi River Basin was investigated in order to provide theoretical basis for the scientific utilization of brackish water and saline-alkali land management in arid areas of Xinjiang area. [Methods] The experiment was conducted in Manasi River Basin in Xinjiang area, and the influence of brackish water irrigation on soil salt movement regularity and soil pH value were analyzed under the condition of strong evapotranspiration. [Results] Drip irrigation reduced the salt in top layer(0—30 cm) soil, leading to soil salt cluster distribution at the bottom; periodical change of soil salt was significant with the variation coefficient ranging from 48.2% to 48.2%, therefore, the top layer soil(0—30 cm) have the risk of salt accumulation on the surface soil; pH value was negatively correlated with salt movement, soil pH value showed the trend of fluctuation rise after irrigation.[Conclusion] Plough layer soil salt reduced, while the risk of basicity(pH value) rise occurred at the same time.

Keywords:arid area; Manasi River Basin; salinity variation; alkalization phenomenon

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-288X(2015)04-0163-05

中圖分類號(hào)：S156.4+1

通信作者：張鳳華(1970—),女(漢族),山東省鄒縣人,博士,教授,主要從事干旱區(qū)綠洲農(nóng)業(yè)生態(tài)方面研究。E-mail:zfh2000@126.com。

收稿日期：2014-05-15修回日期：2014-05-29

資助項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“干旱區(qū)大面積農(nóng)田膜下滴灌條件下灌區(qū)尺度水鹽平衡分析”(31160115); 教育部科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(213039A)； 國(guó)家國(guó)際科技合作項(xiàng)目(2011DFA93140)

第一作者：邵建榮(1989—),男(漢族),甘肅省天水市人,碩士研究生,研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)生態(tài)與環(huán)境。E-mail:sjr2013@126.com。