環渤海鹽堿地田塊尺度水鹽時空變異特征

薛 敏， 高明秀，2， 王卓然， 鞏騰飛

(1.山東農業大學資源與環境學院，山東泰安 271018； 2.土肥資源高效利用國家工程實驗室，山東泰安 271018)

合理開發利用鹽堿地是補充耕地、堅守1.2億hm2耕地紅線和提升耕地綜合產能、確保我國國家糧食安全的重要途徑[1]。土壤鹽堿瘠薄、淡水資源匱乏是鹽堿地區開發的根本障礙和主要限制因素[2]，及時掌握土壤水鹽分布及其運動規律是改良利用鹽堿地的首要問題。土壤水鹽運動受氣候、地形、地貌、水文地質以及人類活動等多種因素的作用[3]，土壤水鹽運動的時空變異規律較為復雜，受到國內外學者的廣泛關注。Panagopoulos等運用地質統計學與地理信息系統(geographic information system，GIS)技術研究地中海地區的土壤鹽分變異性，探討了Kriging 插值方法[4]。Odeh等運用統計回歸對澳大利亞新南威爾士半干旱地區土壤鹽分和土壤結構穩定性進行空間分析和預報研究[5]。Douaik等利用貝葉斯最大熵法分析了匈牙利東部田間土壤鹽分的時空變異[6]。20世紀90年代以來，國內關于不同尺度水平土壤鹽分空間變異的研究不斷增多[7-9]。楊紅梅等研究了塔里木河下游土壤表層鹽分的空間變異格局[10]。鄭佳偉等分析了在農牧活動、植被覆蓋及節水灌溉等影響下內蒙古河套地區土壤的空間變異性[11]。白由路等研究了黃淮海、銀川平原土壤鹽分的空間格局[12-13]。賈艷紅等研究了黑河下游地下水波動帶不同土層鹽分的空間變異性[14]。采樣尺度的劃分和選取與土壤水鹽的空間變異性關系密切[15]，國內研究較多集中于內陸鹽堿地和宏觀區域尺度，而對濱海鹽堿地特別是面向糧食生產、服務農田管理的田塊小尺度、多層次土壤水鹽時空變異的研究相對較少[7]。鑒于環境條件和土壤特性的時空異質性增大了土壤水鹽的時空變幅、強化了其運動規律的復雜性，面向生產的研究必須著眼于小尺度田塊間的水鹽變異分析。因此，本研究以渤海南岸山東省濱州市無棣縣某公司鹽堿農田為例，采用地質統計學結合GIS技術探討在灌溉受限、降水量偏少且不均勻的條件下，冬小麥生長期農田土壤水鹽時空變異的規律，為環渤海鹽堿地的改良利用提供科學依據。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

研究區位于山東省濱州市無棣縣柳堡鎮“渤海糧倉”項目區，地理坐標為37°54′51″～37°56′35″N，117°54′28″～117°56′42″E，東西長約4 km，南北寬約2 km，種植利用總面積514.33 hm2，地下水埋深0.6～1.2 m。該區瀕臨渤海，屬北溫帶大陸性半干旱半濕潤季風氣候，春旱多風、夏熱多雨、秋涼溫和、冬寒季長，年平均氣溫12 ℃，年平均降水量570.1 mm，年平均蒸發量1 285.5 mm，蒸降比高達2.3；降水年內分配不均，多年汛期降水量達436.8 mm，約占全年降水量的77.8%；1—5月、11—12月多年平均降水量分別為84.3、49.1 mm，分別占年降水量的14.8%、8.6%。該區土地在2012年以前大部分為鹽堿荒地，小部分為棉田，2012年秋經灌溉設施和綠化配套后改為冬小麥—夏玉米種植模式。研究區灌溉完全依賴南臨的仝家河引黃河水，限于引黃配額、近年來水量持續偏少、地處末梢及上游農田排水匯入等因素，每年最多引黃河水4次且到達時已成鹽濃度高于2 g/L的微咸水，春秋季水的鹽濃度甚至高于5 g/L。區內土壤為濱海潮鹽土，在利用過程中雖經一定的脫鹽淡化處理，但仍受海潮倒灌侵襲的影響。剖面在一定程度上保留了沉積母質狀態，濕時黏，干時板結、堅實，不利于耕作，心土層以下有銹斑，pH值一般為7.6～8.5。

1.2 數據獲取

根據研究區土壤鹽堿狀況、植被長勢，結合路網、溝渠分割情況確定35個采樣點，以手持全球定位系統(GPS)定位儀測定實地坐標。每個樣點測2組數據，每次調查得到70組土壤含水量和含鹽量數據。采樣日期根據冬小麥的生長期確定，分別為2014年3月3日(返青期)、4月3日(拔節期)、4月25日(抽穗期)、5月29日(成熟期)。野外調查采用EC110便攜式鹽分計(儀器已對電導率進行了溫度校正)測定深度區間分別為(0，15)、[15，30)、[30，45)、[45，60)cm的土層土壤電導率。

野外采用T系列土壤水分溫度速測儀測定(0，15)cm土壤表層的水分含量。室內用烘干法測定土壤表層含水量、用環刀法測定土樣容重，計算其容積含水量。將室內化驗與野外實測得到的2組土壤表層含水量數據進行相關性分析。其模型為Wo=0.911 2Wi+0.241 8，r2=0.989 4，呈極顯著線性關系。式中：Wo為室內化驗土壤表層含水量(%)；Wi為野外實測土壤表層含水量(%)。以此對野外含水量數據進行校正。

采用5點取樣法采集(0，15)cm的土壤表層樣品，帶回實驗室內風干，磨碎，過2 mm篩，配制水土質量比為5 ∶1的浸提液，振蕩5 min，靜置30 min。用EC110便攜式鹽分計測定浸提液電導率，同時采用烘干法測定土壤含鹽量。根據土壤鹽分含量與水土浸提液電導率的相關性，建立土壤浸提液電導率(ECi)和含鹽量(St，單位%)之間的關系方程為St=0.000 4ECi+0.051 52，r2=0.987 8；以土壤浸提液電導率對野外電導率數據進行校正，得ECi=0.524 6ECo+89.59，r2=0.980 5；進而得到野外實測土壤電導率(ECo)與含鹽量之間的關系方程為St=0.000 211ECo+0.087 5，r2=0.968 5。

1.3 數據處理

采用SPSS軟件，分析土壤水鹽含量的統計特征、各層土壤含鹽量之間的相關性及不同時期土壤水鹽變化的狀況。利用ArcGIS軟件對各樣點表層的土壤含水量和各層含鹽量數據進行反距離加權(inverse distance weighted，簡稱IDW)插值處理，繪制土壤水鹽含量的空間分布圖，分析土壤水鹽含量的空間分布特征。

2 結果與分析

2.1 土壤水鹽統計特征

相關的土壤鹽漬化分級標準一般分為非鹽漬化土、輕度鹽漬化土、中度鹽漬化土、重度鹽漬化土和鹽土5級，鹽分含量區間分別為(0，0.1%)、[0.1%，0.2%)、[0.2%，0.4%)、[0.4%，0.6%)、[0.6%，∞)[16]。鑒于研究尺度小，為使研究區內土壤鹽分的時空差異分析盡量細致，本研究在空間分析時按每隔0.05%劃分為1個等級，共分為12個級別。

2.1.1 表層土壤含鹽量和含水量統計特征 由表1可知，各時期土壤含鹽量與含水量的平均值、中位數、眾數三者均有差異。土壤含水量總體偏低，其平均值與中位數兩者差距不大。4個時期表層土壤含鹽量的平均值、中位數、眾數都在 0.2%～0.4%區間內，表明研究區土壤鹽漬化程度總體上屬于中度，在有效管理控鹽的條件下，可以滿足耐鹽冬小麥正常生長。根據反映離散程度的變異系數的大小，可將空間變異性粗略地分為弱變異性、中等變異性、強變異性3級，其變異系數區間分別為[0，10%)、[10%，100%)、[100%，∞)[17]。各時期表層土壤含水量、含鹽量的變異系數均在[10%，100%)區間內，屬于中等變異性。4個時期中有3個時期土壤含鹽量最大值超過0.40%，部分地塊鹽漬化程度較高，須及時調控。研究區各時期土壤含水量總體偏低，僅有少數樣點含水量高于20%。3月3日的土壤含水量明顯高于其他3個時期的含水量，是因為采樣前有小雨，且此時地溫低，蒸發量小，使表層土壤保持了較高的水分。由于冬季鹽分積累，3月3日的土壤含鹽量也明顯高于其他3個時期。從3月初到5月底，受灌溉、降水淋洗和小麥生長的影響，表層土壤的含鹽量總體呈降低的趨勢。

2.1.2 不同深度土層土壤含鹽量統計特征 由表2可知，從表層向下，每一土層含鹽量的平均值、中位數和眾數之間的差異逐漸縮小。這也說明，表層土壤受氣象、作物及人為管理等外界因素的影響較大，底層所受上述因素的影響是間接的且逐漸減弱，而隨著與地下水距離的接近，底層土壤受其影響逐漸增強。但總體來看，平均值與中位數的差異不大，因此分別采用平均值和中位數表示不同時期各土層土壤含鹽量的總體特征。

由圖1可知，在垂直方向(縱向維度)上，各土層土壤含鹽量在不同時期的變化趨勢基本相同，呈現從表層到底層逐步升高的趨勢。從時序演變(時間維度)來看，從3月初到5月底，土壤全剖面的含鹽量呈現逐漸下降的趨勢，[15，30)cm層土壤含鹽量平均值均呈持續下降的趨勢，而(0，15)、[45，60)cm層土壤含鹽量平均值則均呈現先下降后略有升高的現象(圖1-a)，這種現象在中位數上表現更為明顯(圖1-b)，而[30，45)cm層土壤兼受來自上下層的影響，變化顯示出一定的遲滯性。結果說明，在3月初到5月，小麥從返青到成熟過程中，在灌溉、降水及根系共同作用下， 土壤含鹽量不斷降低；但到5月底，氣溫、地溫持續升高，蒸發量不斷增大，小麥接近成熟，無灌溉亦無降水的情況下，地下鹽分隨毛管上升，在地表又開始積累。因此，必須根據降水和土壤濕度情況加以調控。鹽堿地小麥播種晚、早春氣溫低，返青、拔節、揚花和成熟均比山東中部地區遲約1周，5月底正是小麥產量形成的關鍵時期。如果土壤含鹽量升高現象出現的時間前移，必須采取灌溉措施調節土壤鹽分，否則會影響小麥成熟和最終的產量。

表1 不同時期表層土壤水、鹽含量統計特征

表2 不同深度區間土層土壤含鹽量統計特征

2.2 不同深度土壤含鹽量相關性分析

由表3可知，不同土層兩兩之間相關系數均呈極顯著正相關(P<0.01)。其中，[30，45)cm與[45，60)cm土層土壤含鹽量的相關系數>[15，30)cm與[30，45)cm土層土壤含鹽量的相關系數>(0，15)cm與[15，30)cm土層土壤含鹽量的相關系數，說明隨著土層深度的增加，相鄰土層的相關性逐漸增強，且相鄰土層之間相互影響程度大于對隔層土層的影響程度，這與前人的研究結果[18]一致。因此，在濱海鹽堿地地下水埋深度較淺的條件下，通體改良鹽堿地難度非常大，但可以通過重點改良耕層土壤、在作物生長期營造適宜的環境條件，達到保障作物正常生長和實現增產的目的。

表3 不同深度區間土壤含鹽量相關系數

注：“**”表示在0.01水平上顯著相關。

2.3 土壤鹽分時空分布特征

由圖2可知，研究區土壤含鹽量分布在各時期均呈現出南低北高、西低東高的特征，反映了研究區特殊的地理環境條件影響。研究區南臨灌溉水源仝家河，東部則受海洋潮汐頂托、咸水逆向侵襲，致使研究區東北部土壤含鹽量均普遍高于南部和西部。由圖2、表4可以看出，經過冬季鹽分的累積，初春3月(圖2-a)表層土壤含鹽量總體較高，土壤含鹽量為[0.2%，0.4%)的中度鹽漬化面積為330.69 hm2，占總面積的64.30%；土壤含鹽量為[0.4%，0.6%)的重度鹽漬化面積達183.64 hm2，占 35.70%。受降水淋洗和4月下旬灌溉(大水漫灌)作用的影響，4月份表層土壤的含鹽量整體降低(圖2-b、圖2-c)。疊加分析圖2-b、圖2-c可知，從4月初到4月底，表層土壤含鹽量為[0.1%，0.2%)輕度鹽漬化的面積增加了25.45 hm2，含鹽量為[0.4%，0.6%)重度鹽漬化的面積減少了2.68 hm2。5月下旬，小麥進入成熟期，此時氣溫高、蒸發量大，鹽分在表層累積，土壤含鹽量為[0.1%，0.2%)輕度鹽漬化的面積減少，中度和重度鹽漬化面積增加(圖2-d)。

3 結論與討論

3.1 結論與建議

3.1.1 結論 研究區表層土壤含水量總體偏低，在區內呈中等變異性，淡水短缺依然是影響該區農業生產的主要限制因素。研究區土壤總體為中度鹽漬化，并呈中等變異性，有效管理條件下可適合耐鹽作物生長。

在縱向空間維度，由表層到底層土壤鹽漬化程度呈上升趨勢，同時期的各層土壤含鹽量之間呈極顯著正相關(P<0.01)； 相鄰土層間相互影響程度大于對隔層土層的影響，在濱海鹽堿地地下水埋深度較淺的條件下，可重點改良耕層土壤，在作物生長期營造適宜的生產環境。

表4 不同時期表層土壤鹽漬化等級及面積統計

在橫向空間維度，受南臨灌溉水源仝家河、東部海潮頂托咸水逆向侵襲的影響，各時期土壤鹽分均呈南低北高、西低東高的特征，但地塊均質度差，重度鹽漬化斑塊狀分布特征明顯；在時間維度，冬小麥生長期(從返青到成熟)土壤含鹽量總體逐步降低，但在5月底出現升高現象。

3.1.2 建議 (1)研究區臨海、地下水位淺、礦化程度高，不宜過多采用咸水灌溉。為保障糧食生產，可在仝家河灌溉取水站處建攔河壩，并采取襯砌隔水措施，在淡水豐富時蓄水，以備干旱無雨時用以調控農田鹽分。同時，選育選用耐旱耐鹽堿抗病和晚播不晚熟的優良品種，加強栽培管理，確保秸稈還田調溫保墑，使用抗旱劑、保水劑等田間節水技術。

(2)加強田間養分調節，以肥控鹽。播前配合深翻施用磷石膏及糠醛渣、農家肥等有機肥，降堿抑鹽供肥；適當減少速效肥料如尿素、碳氨等施用量，以減少因大水漫灌的損失，改施增加酸性緩控釋肥，使之在整個作物生長期發揮供肥作用。

(3)加強斑狀地塊的綜合改良。對研究區中的斑狀重度鹽堿地塊，應采取綜合改良措施。一是埋設隔離物(如農作物秸稈、塑料布、無紡布等)隔斷地下咸水的上升途徑，并采用暗管排出淋洗的鹽分；二是采用農作物秸稈覆蓋抑制土壤水分損失，減少土壤表層積鹽；三是在改良初期，種植耐鹽植物如堿蓬、苜蓿、田箐等以生物吸收法降鹽。

3.2 討論

本研究采用實地調查法、試驗分析法和GIS技術，調查和分析了瀕臨渤海的山東省濱州市無棣縣柳堡鎮鹽堿農田水鹽的時空變異情況，并提出了改良措施，可為當地改良利用鹽堿地提供參考。但本研究的分析僅限于小麥返青至成熟期，今后還應對作物全生育期土壤水鹽動態加強監測分析，所提出的措施也須經過實踐檢驗修正。

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