綠洲春季不同來源灌溉水土壤鹽分離子分布特征

黃雅茹，馬迎賓，郝玉光，董禮隆，肖彩虹，趙英銘，董 雪,劉禹廷

(1.中國林業科學研究院 沙漠林業實驗中心，內蒙古 磴口 015200；2.國家林業局 內蒙古磴口荒漠生態系統定位研究站，內蒙古 磴口 015200)

【研究意義】土壤鹽漬化一直是人類在全球土地資源與生態環境領域內急需解決的重要問題之一。特別是在內陸干旱和半干旱地區，土壤鹽漬化是制約人類生活的重要障礙性因素。土壤中的鹽分離子處在一個物理、化學、生物相互聯系和連續變化的系統之中[1]。土壤鹽分含量可以反映土壤的鹽漬化程度和狀態[2]，與土壤鹽溶離子含量密切相關[3]。由于烏蘭布和沙漠東北部平原屬于斷陷盆地，自然排水條件極差，在氣候干燥、強烈蒸發的環境條件下，土壤的水鹽動態主要表現為顯著的垂直方向的運動特征。人工綠洲的建立，大量引進黃河水灌溉，引黃灌溉水既成為綠洲土壤鹽分的補給源，又是調節綠洲土壤鹽分的廉價的能源[4]。因此，綠洲土壤的易溶鹽分隨著灌溉水的入滲而下移，又隨著土壤水及潛水的蒸發而上移至地表，具有強烈的垂直分異分布規律與再分配規律。長期以來由于引黃灌溉及水分運移的“垂直入滲蒸發型”特性，灌區內地下水位偏高，鹽堿化程度日益突出問題一直受到普遍關注。水分是鹽分的載體，隨著灌溉水的變化，鹽分運移規律亦將發生改變[5]。【前人研究進展】目前，不同灌溉引起的土壤鹽分變化在國際上的研究已非常活躍，有學者從不同角度進行了研究，例如不同灌水量與鹽分、鹽與地下水、灌溉試驗對鹽分影響，還有學者研究了微咸水灌溉對鹽分離子的分布特征等。王玉剛等[6-7]成果表明，灌溉在降低綠洲土壤鹽漬化的同時，利用水庫水灌溉易引起間接土壤鹽漬化，李寶富等[8-9]對比研究了綠洲農田灌溉前后土壤水鹽的時空變異特征，并結合灌溉量提出了高效洗鹽、高效用水的合理灌溉定額。彭麗[10]采用統計學方法，對新疆瑪納斯河流域不同灌溉條件下的夏秋兩季土壤鹽基離子進行了對比分析，指出天然降水方式下土壤含鹽量高于滴灌與漫灌方式，且各鹽基離子季節差異最明顯。邵建榮[11]研究了瑪納斯河流域沖積扇扇緣和干三角洲區不同濃度微咸水長期滴灌條件下土壤鹽分、土壤堿度、主要陽離子的變化，對土壤鹽化和堿化均產生主要影響的離子為Na+，對土壤鹽分產生主要影響的離子為Na+與Ca2+。在灌區全面推行節水灌溉、提高灌水效率的農業用水政策實施下，開展井水灌溉及黃河水灌溉、混合灌溉下鹽分離子的分布特征及各離子間的相關性具有重要的現實意義。【本研究切入點】本文分析了烏蘭布和沙區人工綠洲井水灌溉及黃河水灌溉、混合灌溉下鹽分離子的分布特征，并探討了不同鹽分離子間的相關關系，摸清不同來源灌溉水土壤鹽分離子變化特征。【擬解決的關鍵問題】為烏蘭布和沙漠東北部人工綠洲內農田的灌溉方案制定及合理利用水資源提供依據，對農業的持續發展有一定的指導意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

烏蘭布和沙漠地處我國西部荒漠地帶東緣，地理位置介于N 39°40′～41°00′，E 106°00′～107°20′，地形起伏不大，主要為10 m以下的圓錐形沙丘或新月形沙丘，沙質為淺黃棕色或微紅棕色細沙。平均海拔高程1050 m，屬于中溫帶半干旱大陸性氣候，其特點是云霧少降水量少、風大、氣候干燥。年降水量138.8 mm，平均氣溫6.8 ℃，晝夜溫差大，年日照時間為3229.9 h，是我國日照時數最多的地區之一，光、熱、水同期，地下水源充足。風沙季節在11月至翌年5月之間，主風為西風和西北風，起沙風次數每年200～250次以上。地帶性土壤為灰漠土和棕鈣土，土壤形成的主要現代地理過程包括土地沙漠化過程、土壤鹽漬化過程、草甸化和沼澤化過程以及人為綠洲化過程，這些地理過程形成了不同的土地類型，主要有灰漠土、灌淤土、草甸土、沼澤土、鹽堿土、風沙土等。天然植被以旱生、超旱生類型的荒漠植被為主，如白刺(NitrariatangutorumBobr.)、油蒿(Artemisiaordosica)、沙冬青(Ammopiptanthusmongolicus)、梭梭[Haloxylonammodendron(C.A.Mey.) Bunge]等，綠洲防護體系主要以新疆楊(Populusalbavar.pyramidalisBge.)、二白楊(Populusgansuensis)、小葉楊(PopulussimoniiCarr.)等楊樹為主，農作物主要以向日葵(HelianthusannuusL.)、玉米(ZeamaysL.)等為主。

1.2 研究方法

樣地選擇與樣品采集。選擇較為勻質的樣地，面積約為2000 m2，試驗小區的面積為666.6 m2，為了減小不同來源灌溉水方式的相互影響，設置保護隔離帶。試驗選擇同一種作物進行種植，均種植玉米，且不覆膜，灌溉時間和灌水量一致。試驗設計引黃灌溉、井水灌溉、混合灌溉(井灌+黃灌)，設置對照樣地，不灌溉，自然降水。當土壤表層比較干旱時(水吸力>-20 kpa)，進行灌溉，灌溉深度為15 cm。

表1 不同來源灌溉水鹽分離子組成

注： %為灌溉水中各離子占總鹽的百分比。

Note:% is the percentage of ions in total salt in the irrigation water.

1.3 數據分析

采用Microsoft excel和SPSS 17.0軟件。

2 結果與分析

2.1 土壤全鹽量

土壤全鹽含量作為反映土壤鹽分的重要指標，可由土壤中各離子含量相加所得[12]。土壤含鹽量是調查評價土壤鹽漬化程度的指標之一，是限制植物生長的重要因子，土壤全鹽量過高會對植物產生危害，同時鹽分的增加可導致土壤鹽漬化[13-14]。

從圖1中可知，不同來源灌溉水0～120 cm土層土壤全鹽量分布趨勢基本一致，而且均是表層含量最高，存在表聚現象，井水灌溉、黃河水灌溉、混合灌溉0～10 cm層全鹽量分別是10～20 cm層的1.46、166、1.89倍。對照的0～10 cm層土壤全鹽量是3.02倍，具有明顯的表聚現象。隨著土層深度的增加，不同來源灌溉水土壤全鹽量呈減小趨勢，到60～80 cm深度，全鹽量又增大，之后逐漸趨于穩定。圖2顯示，不同來源灌溉水全鹽量大小順序為對照﹥混合灌溉﹥井水灌溉﹥黃河水灌溉，結合圖1～2，各土層深度井水灌溉、黃河水灌溉、混合灌溉的土壤全鹽量明顯低于對照，平均土壤全鹽量亦低于對照，井水灌溉、黃河水灌溉、混合灌溉的土壤全鹽量分別與對照差異顯著(P﹤0.05)，不同來源灌溉水之間差異不顯著(P﹥0.05)。

表2 土壤鹽基離子測定方法

圖1 土壤全鹽量垂直分布Fig.1 Vertical distribution of total salinity of soil

2.2 土壤pH值

土壤pH常被用來表示土壤的酸堿性，它是非常重要的土壤化學性質之一，直接影響土壤養分元素的存在形態及生物有效性[15]。土壤酸堿性對土壤微生物的活性、礦物質及有機質的轉化起著非常重要的作用，并影響養分及農藥等在土壤中的利用、轉化和降解[16]。由圖3可知，不同的灌溉水土壤pH值變化趨勢一致，pH值呈先增加后減小的趨勢，對照pH值隨著土層深度的增加也呈現先增加后減小的趨勢，0～40 cm層不同的灌溉水土壤pH值小于對照。由圖4可知，pH值均值都是在8.5以上，大小順序為對照﹥黃河水灌溉﹥井水灌溉﹥混合灌溉，對照與黃河水灌溉差異不顯著(P﹥0.05)，與混合灌溉、井水灌溉差異顯著(P﹤0.05)，而井水與混合灌溉之間差異不顯著(P﹥0.05)。

圖2 土壤全鹽量均值對比Fig.2 Comparison of the mean of total salt content

圖3 土壤pH值垂直分布Fig.3 Vertical distribution of soil pH value

2.3 土壤鹽基離子含量變化

不同來源灌溉水條件下土壤Ca2+變化趨勢一致，都呈先減小后增加的趨勢，表層含量最高，表聚現象明顯，然后逐漸減小再逐漸增加，增加到60～80 cm層后基本趨于穩定，對照的土壤Ca2+離子也呈現表聚現象，表層含量最高。由表3可知，不同來源灌溉水土壤Ca2+含量大小順序為對照﹥混合灌溉﹥井水灌溉﹥黃河水灌溉，井水、黃河水灌溉、混合灌溉差異不顯著(P﹥0.05)，井水、黃河水灌溉分別與對照差異顯著(P﹤0.05)。

圖4 土壤pH值均值對比Fig.4 Comparison of the mean of soil pH value

陽離子中Ca2+與Mg2+都是二價離子，其離子代換力、凝聚力、膠體對其吸附性、化學性質等十分相近，因此土壤中Ca2+與Mg2+的分布特征與變化趨勢應該存在一定相似性[17]。由圖5可知，不同來源灌溉水條件下土壤Mg2+離子變化趨勢一致，與Ca2+離子變化趨勢一致，都呈先減小后增加的趨勢，表層含量最高，表聚現象明顯，然后逐漸減小再逐漸增加，對照的土壤Mg2+離子也呈現表聚現象，表層含量最高。由表3 可知，不同來源灌溉水土壤Mg2+離子含量大小順序為對照﹥混合灌溉﹥井水灌溉﹥黃河水灌溉，差異不顯著(P﹥0.05)。

由圖5可知，不同來源灌溉水條件下土壤K++Na+變化趨勢一致，與Mg2+變化趨勢一致，都呈先減小后增加的趨勢，表層含量最高，表聚現象明顯，然后逐漸減小再逐漸增加，對照的土壤Mg2+也呈現表聚現象，表層含量最高。由表3可知，不同來源灌溉水土壤Mg2+含量大小順序為對照﹥混合灌溉﹥井水灌溉﹥黃河水灌溉，井水、黃河水灌溉、混合灌溉差異不顯著(P﹥0.05)，井水、黃河水灌溉分別與對照差異顯著(P﹤0.05)。植物根系對于K+、Na+有較強的吸收能力，根系在吸收鹽離子K+、Na+過程中，使得鹽離子向表層運輸富集[18]。

表3 不同來源灌溉水土壤鹽分特征

注：表中數據均為均值±標準差，同行不同字母表示同一鹽分離子不同來源灌溉的差異顯著(P﹤0.05)。

Note:Values are means±SD. Different letters within same row indicate significant differences at 0.05 level among different sources of irrigation.

圖5 不同來源灌溉水土壤鹽分離子垂直變化Fig.5 Vertical changes of soil salt ions of irrigation water in different sources

不同來源灌溉水條件下土壤Cl-變化趨勢一致，都呈先減小后增加的趨勢，表層含量最高，表聚現象明顯，然后逐漸減小再逐漸增加。由表3可知，不同來源灌溉水土壤Cl-含量大小順序為對照﹥混合灌溉﹥井水灌溉﹥黃河水灌溉，井水、黃河水灌溉、混合灌溉差異不顯著(P﹥0.05)，井水、黃河水灌溉分別與對照差異顯著(P﹤0.05)。這是因為Cl-很少被土壤吸附，也不易于從土壤解離出來，又不易形成難溶性的氯化物形式[20]，主要是隨著土壤中水分的運移而移動，土壤蒸發作用使得Cl-隨水分由下層向上層積累，使Cl-表層含量較高。

表4 各鹽分離子、全鹽量、pH值相關系數(n =112)

注：**表示在0.01水平(雙側)上顯著相關；*表示在0.05水平(雙側)上顯著相關。

Note:**represents significance at 0.01 level(double tailed)；* represents significance at 0.05 level(double tailed).

2.4 土壤鹽分離子間相關性分析

3 討 論

土壤鹽分具有“鹽隨水來，鹽隨水去，鹽水相隨”的特征，土壤水分為鹽分運移提供了載體，使鹽分經歷一個重要的再分布過程。土壤溶液通過土壤垂直遷移，溶液中的離子和吸附在固相表面的離子之間發生動力學的相互作用，其中的離子是以對流(離子隨著土壤水而移動的過程)、擴散(離子因熱運動而引起的混合和分散作用)或者二者兼有的形式遷移。入滲水的礦化度不同必然導致溶液中離子和土壤固相離子之間相互作用不同，從而影響到土壤鹽分和鹽基離子土層剖面遷移過程[21]。本研究中不同來源灌溉水土壤表層鹽分離子含量最高，具有明顯的表聚現象，這可能是試驗區降水量小于蒸發量，地表蒸發強烈，且地下水埋藏較淺，加之灌溉水中的鹽分進入土層，并不斷積累，導致鹽分聚集，土壤極易積鹽返鹽[22]。

已有研究發現根系分布層內的土壤高鹽分會造成植物的生理干旱，但是突發性強降雨可使結皮層中的鹽分向下淋溶，如果淋溶深度恰好到達植物主要根系分布層，那么這可能導致植物的生長受到抑制甚至引起植物的死亡[23-25]，因此如果土壤表層鹽分過高對植物生長不利。

4 結 論

(2)不同來源灌溉水土壤全鹽量分布趨勢基本一致，而且均是表層含量最高，存在表聚現象。大小順序為對照﹥混合灌溉﹥井水灌溉﹥黃河水灌溉，各土層井水灌溉、黃河水灌溉、混合灌溉的土壤全鹽量明顯低于對照，井水灌溉、黃河水灌溉、混合灌溉的土壤全鹽量分別與對照差異顯著(P﹤0.05)，不同來源灌溉水之間差異不顯著(P﹥0.05)。不同的灌溉水土壤pH值變化趨勢一致，pH值呈先增加后減小的趨勢。pH值均值都是在8.5以上，大小順序為對照﹥黃河水灌溉﹥井水灌溉﹥混合灌溉。