不同降雨條件下的錦州市降雨淋洗效用研究

馬 原

(遼寧省錦州水文局，遼寧 錦州 121000)

1 研究背景

土壤鹽漬化也可稱(chēng)為土壤鹽堿化，主要是指地下水或者土壤底層水中的鹽分積累在表層土壤中的過(guò)程[1]。我國(guó)的鹽漬土主要分布在干旱和半干旱地區(qū)，沿海地區(qū)也普遍存在土壤鹽漬化的問(wèn)題[2]，鹽漬化可嚴(yán)重影響作物的產(chǎn)量與質(zhì)量，因此土壤鹽漬化問(wèn)題嚴(yán)重制約著這些地區(qū)的農(nóng)業(yè)發(fā)展[3]。鹽漬化的改良措施一般可分為化學(xué)措施、生物措施和綜合措施等[4- 5]，為制定科學(xué)合理的、適應(yīng)地區(qū)具體特點(diǎn)的改良方案，需要首先對(duì)自然條件下的土壤鹽堿化變化規(guī)律進(jìn)行研究，而在自然條件下，降雨是土壤鹽分運(yùn)動(dòng)的主要影響因素之一，因此研究降雨的淋洗效用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。在傳統(tǒng)研究中，一般采用淋洗保證率來(lái)衡量降雨的淋洗效用[6]，但該指標(biāo)只能表示降雨有效淋洗作用的范圍大小，不能表示該作用的程度。傅皓昕[7]提出了降雨洗鹽效用的程度指數(shù)，并以此分析了丹東市各地區(qū)降雨淋洗作用的程度大小，使得相關(guān)研究人員可以從范圍和程度兩個(gè)層面來(lái)衡量降雨的淋洗效用；但是，傅皓昕[7]的研究分別采用了兩個(gè)不同的指標(biāo)來(lái)表示降雨淋洗作用的兩個(gè)方面，這在實(shí)際應(yīng)用中還不夠直觀明確。因此，本文基于淋洗保證率和降雨淋洗效用程度指數(shù)提出降雨淋洗效用綜合指數(shù)，并以錦州地區(qū)的10個(gè)區(qū)縣(市)為例對(duì)該指數(shù)進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，分別得到各地區(qū)在500～1000區(qū)間內(nèi)不同降雨條件下的降雨淋洗作用的有效范圍、程度、和綜合指數(shù)。

2 降雨淋洗保證率

降雨淋洗保證率主要用于表示降雨淋洗作用的范圍大小，其表達(dá)式為：

(1)

式中，Peff—降雨淋洗保證率，%；Aeff—淋洗作用面積；A—總面積。

錦州市各地區(qū)的總面積可根據(jù)統(tǒng)計(jì)年鑒查得；淋洗作用面積則要根據(jù)不同降雨條件下的土壤鹽分濃度與作物的耐鹽極限濃度來(lái)確定：當(dāng)在某降雨強(qiáng)度下土壤鹽分的濃度降低至耐鹽極限濃度以下，則認(rèn)為該面積屬于淋洗作用面積，否則不屬于。

錦州市各作物的耐鹽極限濃度主要采用紙上發(fā)芽法來(lái)確定。首先配置不同濃度的氯化鈉溶液，選取溶液放入發(fā)芽盒的發(fā)芽紙上，發(fā)芽盒內(nèi)同時(shí)放有錦州市地區(qū)較為常用的作物種子；每份單項(xiàng)樣本含種子20粒，為充分研究試驗(yàn)結(jié)果的不確定性，每份作物樣本共重復(fù)取樣20次。樣本采用恒溫培養(yǎng)法進(jìn)行發(fā)芽試驗(yàn)，恒溫培養(yǎng)裝置采用智能光照培養(yǎng)箱，其溫度的設(shè)定參照GB/T3543.1- 2005《農(nóng)作物種子檢驗(yàn)規(guī)程》。根據(jù)不同鹽分濃度下的種子發(fā)芽率，估算作物發(fā)芽率為10%時(shí)的鹽分濃度，該值則為作物的耐鹽極限值。

根據(jù)不同樣本的試驗(yàn)結(jié)果所得到的各作物耐鹽極限值略有差異，為呈現(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果的不確定性，做錦州市主要作物耐鹽極限濃度值的箱線(xiàn)圖，如圖1所示。

圖1 錦州市主要作物耐鹽極限濃度值

圖1中，各箱線(xiàn)圖中的最低線(xiàn)表示各樣品結(jié)果中的最小值，最高線(xiàn)表示最大值；箱底部表示的為各樣品結(jié)果中的25%值(即25%的結(jié)果低于此值)，中線(xiàn)表示的為50%值、而上部表示的為75%值。根據(jù)圖1可知，各作物的試驗(yàn)結(jié)果均具有不確定性，一方面是因?yàn)槊糠輼颖局械姆N子數(shù)不可能達(dá)到理想狀態(tài)下的“無(wú)限多”，另一方面也是因?yàn)樵囼?yàn)中不可避免地存在種子本身特性、溶液均勻度、發(fā)芽紙品質(zhì)、溫度分布等較難控制的差異因素。在圖1中，圖形覆蓋范圍越小表示確定性越強(qiáng)，反之則越大；可見(jiàn)，錦州市各主要作物中，西紅柿的作物耐鹽極限濃度值測(cè)定結(jié)果較為一致，其最大最小值差異值為0.16g/L，而韭菜的試驗(yàn)結(jié)果不確定性較大，其最大最小值差異值為g/L。所有作物的平均最大最小值差異值為0.315g/L，該值相對(duì)較小，因此可以認(rèn)為試驗(yàn)的不確定性可以接受。一般認(rèn)為，試驗(yàn)結(jié)果中最高和最低的25%值具有較大的偶然性，因此選取75%值為最終結(jié)果，該值一方面具有較小的偶然性，另一方面代表較為不利的情況，更為安全。

不同降雨條件下的土壤鹽分可采用水鹽平衡公式估算[8]，其公式為

dW=G+I+P-J-L-B

(2)

X=Xc+Xg+XI-XJ-XL-XB

(3)

式中，dW—土壤含水量的變化值；G—灌溉水量；I—作物吸水量；P—降雨量；J—降雨地表徑流量；L—降雨地下徑流量；B—地下水補(bǔ)給量；X—鹽分；Xc—初始緣分；Xg—灌溉水鹽分量；XI—地下水鹽分量；XJ—降雨地表徑流鹽分；XL—降雨地下徑流鹽分；XB—地下水補(bǔ)給鹽分量。

錦州市的年均降水量在500～600mm之間，而1994和1998等年份均超過(guò)了1000mm，因此選取的降雨研究范圍為500～1000mm。根據(jù)式(2)、(3)，計(jì)算錦州市各區(qū)劃在不同降雨條件下的土壤鹽分濃度，并與圖1所示結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得到各地區(qū)的淋洗作用面積，最后再采用式(1)計(jì)算降雨淋洗保證率，結(jié)果如圖2所示；其中L1～L10分別表示錦州市的古塔區(qū)、凌河區(qū)、太和區(qū)、松山新區(qū)、龍棲灣新區(qū)、經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)、黑山縣、義縣、凌海市、和北鎮(zhèn)市。

圖2 不同降雨條件下錦州市各地區(qū)的淋洗保證率

在淋洗保證率的空間分布方面，松山新區(qū)在不同降雨條件下的平均值最高，為80.16%，說(shuō)明在同樣的降雨條件下，該地區(qū)的降雨淋洗作用面積較廣，因此該地區(qū)有較高比例的植面積依賴(lài)于人工改良措施；太和區(qū)在不同降雨條件下的平均值最低，僅為73.37%，說(shuō)明在同樣的降雨條件下，該地區(qū)的降雨淋洗作用面積較小，因此該地區(qū)有較低比例的植面積依賴(lài)于人工改良措施；平均而言，錦州全市在不同降雨條件下的平均值為77.44%，低于100%，說(shuō)明存在土壤鹽漬化的問(wèn)題，因此在許多情況下都需要采取人工的鹽堿地改良措施。在降雨條件的影響方面，各地的降雨淋洗保證率均在總體上呈現(xiàn)出隨降雨量的增多而升高的趨勢(shì)；當(dāng)降雨量低于650mm時(shí)，全市平均的降雨淋洗保證率低于70%，需要采取較大規(guī)模的洗鹽措施；當(dāng)降雨量達(dá)到約800mm時(shí)，全市平均的降雨淋洗保證率約為80%，可采取中等規(guī)模的洗鹽措施來(lái)控制土壤鹽漬化問(wèn)題；當(dāng)降雨量超過(guò)900mm時(shí)，全市平均的降雨淋洗保證率接近90%，僅需要較小規(guī)模的洗鹽措施。

3 降雨淋洗效用程度指數(shù)

根據(jù)淋洗保證率的定義和式(1)可知，該指標(biāo)只可以表示降雨有效淋洗作用的范圍大小，而不能表示該作用的程度，因此傅皓昕[7]提出了降雨淋洗效用的程度指數(shù)：

(4)

式中，S實(shí)—土壤鹽分濃度；S極—作物耐鹽極限值。

根據(jù)上式可知，當(dāng)R值較大時(shí)，說(shuō)明土壤的鹽分濃度較高、即降雨淋洗效用的程度較低。在計(jì)算淋洗保證率時(shí)，已經(jīng)估算了錦州市各地區(qū)在不同降雨條件下的土壤鹽分濃度，而錦州市主要作物的耐鹽極限值也通過(guò)試驗(yàn)得出，因此根據(jù)式(4)，可計(jì)算出錦州市各地區(qū)在不同降雨條件下的淋洗效用程度指標(biāo)，如圖3所示。

在淋洗效用程度指數(shù)的空間分布方面，北鎮(zhèn)市在不同降雨條件下的平均值最高，為0.798，說(shuō)明在同樣的降雨條件下，該地區(qū)的降雨淋洗效用程度最小，即該地區(qū)的平均地表土壤鹽分最大；松山新區(qū)在不同降雨條件下的平均值最低，為0.769，說(shuō)明在同樣的降雨條件下，該地區(qū)的降雨淋洗效用程度最大，即該地區(qū)的平均地表土壤鹽分最大；平均而言，錦州全市在不同降雨條件下的平均值為0.783，說(shuō)明存在該地區(qū)存在土壤鹽漬化的問(wèn)題。在降雨條件的影響方面，各地的淋洗效用程度指數(shù)均在總體上呈現(xiàn)出隨降雨量的增多而降低的趨勢(shì)；當(dāng)降雨量為550mm時(shí)，全市平均的淋洗效用程度指數(shù)高于0.9，對(duì)人工洗鹽措施的要求較高；當(dāng)降雨量達(dá)到700mm時(shí)，全市平均的淋洗效用程度指數(shù)高于降低至0.8，對(duì)人工洗鹽措施的要求有所降低；而當(dāng)降雨量達(dá)到900mm時(shí)，全市平均的淋洗效用程度指數(shù)高于降低至0.7，對(duì)人工洗鹽措施的要求較低。

4 降雨淋洗綜合效用指數(shù)

淋洗保證率和降雨淋洗效用程度指數(shù)分別表示淋洗作用的范圍大小和程度大小，這在實(shí)際應(yīng)用中還不夠直觀簡(jiǎn)單，且難以得到一致明確結(jié)論，因此本文基于淋洗保證率和降雨淋洗效用程度指數(shù)提出簡(jiǎn)單使用的降雨淋洗效用綜合指數(shù)RZ：

(5)

該式表明的涵義為：降雨淋洗效用的范圍越大、且程度越大(程度指數(shù)越小)，則降雨淋洗效用綜合指數(shù)越大。

表1 不同降雨條件下錦州市各地區(qū)的綜合淋洗效用指數(shù)

根據(jù)圖2、3數(shù)據(jù)，采用式(5)計(jì)算得到不同降雨條件下錦州市各地區(qū)的綜合淋洗效用指數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表1。在綜合指數(shù)的空間分布方面，松山新區(qū)在不同降雨條件下的平均值最高，為1.07，說(shuō)明該地區(qū)的鹽漬化問(wèn)題相對(duì)較輕；太和區(qū)的平均值最低，為0.96，說(shuō)明該地區(qū)的鹽漬化問(wèn)題相對(duì)嚴(yán)重[9- 10]。在降雨條件的影響方面，各地的淋洗效用綜合指數(shù)均在總體上呈現(xiàn)出隨降雨量的增多而升高的趨勢(shì)；一般當(dāng)降雨量低于700mm時(shí)，全市淋洗效用綜合指數(shù)均低于1，需要較大幅度的人工洗鹽措施；當(dāng)降雨量介于750～850mm時(shí)，全市淋洗效用綜合指數(shù)約處于1左右，需要中等幅度的人工洗鹽措施；而當(dāng)降雨量高于900mm時(shí)，全市淋洗效用綜合指數(shù)均大于1，則僅需要較小幅度的人工洗鹽措施。

5 結(jié)論

文章分析了錦州市的淋洗保

證率和降雨淋洗效用程度指數(shù)，并提出了降雨淋洗效用的綜合指數(shù)以進(jìn)一步增強(qiáng)評(píng)估結(jié)果的直觀性于明確性。結(jié)果表明，錦州市松山新區(qū)的土壤鹽漬化問(wèn)題相對(duì)較輕；而太和區(qū)則相對(duì)嚴(yán)重；當(dāng)年降雨量低于700mm時(shí)，錦州市需要采取較大幅度的灌溉與排水等人工洗鹽措施；當(dāng)降雨量介于750～850mm時(shí)，需要中等幅度的人工洗鹽措施；而當(dāng)降雨量高于900mm時(shí)，則僅需要較小幅度的人工洗鹽措施。

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