磁化水灌溉條件下黃河三角洲刺槐林地土壤鹽分時空分布特征及變化規律

閻騰飛，劉秀梅，劉合滿，王華田，洪 弦，賀 闖，王壯壯

（1.信陽農林學院，河南 信陽464000；2.山東農業大學黃河下游森林培育國家林業局重點實驗室，山東 泰安271000；3.上海市環境學校，上海200135）

中國是一個水資源相對匱乏的國家，人均淡水資源占有量及單位土地面積水資源占有量均低于世界平均水平。提高農業水資源利用效率和開發新的農業水源成為緩解農業用水供需矛盾的主要途徑［1］。中國擁有豐富的地下咸水資源，合理開發利用微咸水資源可以有效緩解淡水資源緊缺的矛盾。有研究表明［2-4］，利用微咸水灌溉不僅不會影響作物生長，還能提高部分作物和果樹的產量。然而長期使用微咸水灌溉也面臨著土壤可溶性鹽分含量過高，使用不當會導致土壤退化、污染水源等問題，給農業環境和生態系統帶來一系列嚴重后果。因此，開展微咸水灌溉應用技術研究，對于促進農業的安全穩定和可持續發展具有重要意義。磁化水處理技術是當前開展鹽堿地治理的一項較新技術，在世界各國得到了廣泛的應用［5-6］。相關研究表明，磁化水灌溉能夠顯著改善鹽漬化土壤脫鹽效果，增強植物抗逆性，提高作物產量和水分利用效率；對高礦化度地下水磁化后灌溉，能有效減輕對植物的傷害，促進根系生長，活化土壤養分，提高作物產量和質量［5，7-8］。在中國，關于磁化水技術在農林業中的應用，目前尚屬初級階段，研究的重點主要集中在對土壤的脫鹽效果、作物生理生化特性和產量影響、水分利用效率等方面［9-11］。因此，了解磁化水灌溉條件下的土壤水鹽運移規律，能更好地推廣應用磁化技術。國內外學者對鹽漬土水鹽遷移規律采用傳統統計學和地統計學的方法進行了大量的研究，管孝艷等［12］結合GIS技術分析了河套灌區沙壕渠土壤電導度EC 值的空間變異特征及地下水埋深對土壤鹽分分布的影響，宗含等［13］研究了膜下滴灌對鹽荒地土壤鹽分變化規律，李娟等［14］研究了不同排水模式對鹽堿地土壤改良效應的影響，而關于磁化水灌溉對土壤水鹽時空變化規律的研究未見報道。

黃河三角洲地區屬于典型的濱海鹽堿地類型，由于自然和人為活動等因素，造成該區土地次生鹽堿化嚴重、淡水資源匱乏，使得植被生態系統脆弱，嚴重制約著當地農林業的發展［15-16］。本試驗以黃河三角洲山東省東營市河口區新營造的刺槐林地為研究對象，利用不同處理的水源進行灌溉，通過分析土壤鹽分的時空分布及變化規律，以期為濱海鹽堿地磁化水灌溉技術提供理論參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于山東省東營市河口區新戶鎮北李村刺槐人工林基地（118°34′08″N，37°44′37″E）。屬暖溫帶大陸性季風氣候，雨熱同季，四季分明。年平均氣溫12.5 ℃，年降水量550～600 mm，多集中在夏季，7—8月份降水量約占全年降水量的一半，鹽漬化黏壤土，地下10 m 以上淺表層地下水礦化度7.4 g／L。

1.2 試驗設計

2015年4月初，在467 hm2刺槐人工林內西北方向選擇當年刺槐新造林地作為試驗地，選用2 a生幼樹當年造林，保存率95%，試驗地塊面積90 m×240 m，林木栽植株行距2 m×2 m，南北行，靠近外圍2行為保護行。以自來水作為灌溉淡水。在試驗地南頭打10 m 深水井，引地下水作為淺表層微咸水。利用磁化器（型號A400p，出水量20 m3／h，磁感應強度1400Gs，Magnetic Technologies L.L.C.，迪拜）分別接入兩種灌溉水磁化灌溉。沿樹行鋪設滴灌設施，沿主管道引3 m 長滴管，每個滴管5個滴頭，沿樹盤環形鋪設，每次灌溉持續灌水2 h，春秋旱季10 d灌溉一次，雨季不灌溉。沿東西向每隔22.5 m 設置一試驗處理，分別為淡水灌溉（FW）、磁化淡水灌溉（MFW）、磁化地下淺表層微咸水灌溉（GW）、地下淺表層微咸水灌溉（MGW）。在試驗地旁邊選相同面積地塊采用相同采樣方法作為對照，對照不采用任何灌溉方式（自然降水）。

1.3 采樣及測定方法

研究區面積約為2.16 hm2，矩形取樣，沿東西向5.5，16.5，27.5，38.5，53.9，64.9，75.9，86.9 m 處，南北向10，30，50，70，90，110，130，150，170，190，210，230 m 處，采用網格法取樣，共96個取樣點，均為單點采樣。采樣時間分別為4 月10 日，4 月25日，5月10日，5月25日，6月20日，8月20日，9月20日。土壤鹽分測定采用雷磁電導儀（DDS-308A，上海雷磁）測定土壤浸提液（土水比1∶5）的電導度，用LY／T1215-1999標準計算全鹽含量。

1.4 數據處理

相對偏差［17］：測點i處測定時間j 時土壤水分（Sij）相對偏差（δij）的計算公式為

任一測點i處土壤鹽分平均相對偏差計算公式為：

式中：m——試驗測點總次數。

任一測點i處土壤鹽分平均相對偏差的標準偏差（σ（δi））計算公式為：

采用3倍標準差的原則對數據序列的特異值進行異常檢驗和修正［18］。運用SPSS19.0對土壤鹽分數據進行描述統計分析。利用surfer14.0地學制圖軟件繪制土壤鹽分空間分布等值線圖。

2 結果與分析

2.1 不同層次土壤鹽分含量的統計特征值

由表1可知，0—20 cm 土壤鹽分含量平均值變化范圍為2.75～7.77 g／kg，在4月25日達到最大值；從變異系數來看，5月25日表現為強變異性，其他各日期均表現為中等變異強度。20—40 cm 土壤鹽分含量平均值變化范圍為2.77～5.78 g／kg，在4月25日達到最大值；從變異系數來看，各日期均表現為中等變異強度。40—60 cm 土壤鹽分含量平均值變化范圍為2.69～5.14 g／kg，在4月25日達到最大值；從變異系數來看，各日期均表現為中等變異強度。各土層各日期土壤鹽分含量值分布均呈正態分布。

表1 不同層次土壤鹽分統計特征值

2.2 不同處理土壤鹽分含量的時空穩定性分析

將不同土壤層次不同灌溉處理土壤鹽分含量平均相對偏差，每種灌溉處理24個采樣點由小到大排列，描述其時間穩定性，其中誤差線為各測點標準差（見圖1）。由圖1，圖2和圖3可以看出，淡水灌溉條件下0—20，20—40，40—60 cm 各土層土壤鹽分含量平均相對偏差變化范圍為－36.4%～95.8%，－45.4%～68.7%，－36.5%～70%，標準差變化范圍為11.8%～56.3%，11.8%～53.6%，15.88%～47.38%。磁化淡水灌溉條件下0—20，20—40，40—60 cm 各土層土壤鹽分含量平均相對偏差變化范圍為－30.5%～60.9%，－39.6%～61.2%，－38%～62.5%，標準差變化范圍為14.2%～67.6%，9.7%～63.25%，11.2%～69.1%。這表明磁化淡水灌溉相較于淡水灌溉各土層土壤鹽分含量時間穩定性較強，各測點土壤鹽分含量數據離散程度較大。淡水灌溉和磁化淡水灌溉處理條件下各土層土壤鹽分含量數據之間時間穩定性和數據離散度差異不明顯。

圖1 不同灌溉處理0－20 cm 土層土壤鹽分值平均相對偏差變化

圖2 不同灌溉處理20－40 cm 土層土壤鹽分值平均相對偏差變化

圖3 不同灌溉處理40－60 cm 土層土壤鹽分值平均相對偏差變化

地下淺表層微咸水灌溉條件下0—20，20—40，40—60 cm 各土層土壤鹽分含量平均相對偏差變化范圍為－38.2%～61%，－38.3%～58.1%，－42.7%～81.3%，標準差變化范圍為14.6%～72.3%，11.3%～56.4%，10.5%～60.5%。磁化地下淺表層微咸水灌溉條件下0—20，20—40，40—60 cm 各土層土壤鹽分含量平均相對偏差變化范圍為－43.6%～53.9%，－42.4%～62.5%，－48.1%～74.4%，標準差變化范圍為18.1%～51.9%，18.3%～51.8%，8.26%～51.5%。這表明磁化地下淺表層微咸水灌溉較地下淺表層微咸水灌溉各土層土壤鹽分含量時間穩定性較強，各測點土壤鹽分含量數據離散程度較小。地下淺表層微咸水灌溉和磁化地下淺表層微咸水灌溉條件下各土層土壤鹽分含量隨土層深度增加時間穩定性減弱，數據離散程度隨土層深度增加減小。

由圖4可以看出，不同灌溉處理不同層次土壤鹽分含量均值均表現出：GW ＞CK＞FW ＞MGW ＞MFW，不同土層土壤鹽分含量隨著土層深度增加逐漸降低。這表明磁化處理能夠顯著降低各土層土壤鹽分含量，提高土壤鹽分淋溶。磁化淡水灌溉處理相較淡水灌溉處理3個土壤層次上分別降低了12.5%，12.3%，9.2%，磁化淺表層微咸水灌溉處理相較淺表層微咸水灌溉處理3 個土壤層次上分別降低了10.8%，10.8%，9.2%。這表明磁化處理對于土壤鹽分含量的淋溶作用隨著土壤深度的增加逐漸降低。這與王淥［13］、李夏［11］等的研究結果是一致的。

圖4 不同灌溉處理各土層土壤鹽分含量

由圖5可以看出，4種灌溉處理條件下各土層土壤鹽分含量季節動態變化規律均表現出春季升高夏季降低秋季緩慢回升的變化趨勢。這是由于春季氣溫逐漸升高，土壤水分蒸發上升，土壤鹽分隨著水分蒸發上移，土壤鹽分含量增大；進入夏季以后，降水增多，鹽分隨著降水下移；進入秋季以后，土壤水分蒸發回升，鹽分重新上移，土壤鹽分含量升高。從土壤鹽分含量值上來看，淡水灌溉和淺表層微咸水灌溉處理各土層土壤鹽分含量在春季0—20 cm＞20—40 cm＞40—60 cm，在夏季40—60 cm＞20—40 cm＞0—20 cm，在秋季0—20 cm 土壤鹽分含量最高，明顯大于其它兩個層次。磁化淡水和磁化淺表層地下水灌溉處理土壤鹽分含量值在4月10日和5月25日表現出0—20 cm＞20—40 cm＞40—60 cm，在4月25日、5月10日和9月20日表現出0—20 cm＞40—60 cm＞20—40 cm，在6 月20 日表現出40—60 cm＞20—40cm＞0—20 cm。在4月25日、5月10日和9月20日都表現出了20—40 cm 土層土壤鹽分含量較低的現象，這表明磁化處理措施在春、秋季均能有效地降低20—40 cm 土層土壤鹽分含量。

圖5 不同灌溉處理各土層土壤鹽分含量的季節變化

對不同層次土壤鹽分分布特征進行相關性分析（見表2），可知不同層次與土壤鹽分分布具有顯著的正相關關系。因此，為了更好地描述濱海鹽堿地不同灌溉方式處理條件下土壤鹽分時空分布特征，以0—20 cm 土壤層次鹽分分布繪制不同時期土壤鹽分分布特征的等值線圖（圖6）。

由圖6可以看出，表層土壤鹽分含量空間分布在4月10日時磁化處理區域鹽分含量明顯降低，隨著春季氣溫升高，地表水分蒸發增強，鹽分上行，部分區域出現了“積鹽”現象；進入雨季后，降水增多，土壤鹽分下壓，磁化處理區域土壤鹽分降低；隨著雨季的深入，鹽隨水走，鹽分分布特征“魚眼”區域增多（高土壤鹽分含量區域），各處理區域間分布無規則；進入秋季以后，磁化灌溉處理措施實施，處理區土壤鹽分含量開始下降。

表2 不同土層土壤鹽分含量均值相關性

3 討論

液態水經過磁場切割的磁化處理后，可以明顯降低灌溉水含鹽量，從而降低土壤鹽分含量［7，9，19］。本研究中，2種磁化灌溉處理措施對濱海鹽堿地土壤鹽分都表現出了明顯的脫鹽效果，顯著地降低土壤中各層次的土壤含鹽量，尤其在春、秋季對20—40 cm 土層土壤鹽分脫鹽效果最為明顯，這與卜東升等［20］的研究結果相一致。這表明磁化灌溉水處理技術能夠有效地降低濱海鹽堿地土壤鹽分含量，通過磁化地下淺表層微咸水進行適度灌溉，可以有效地為該地區節約用水資源，提高農業產能效益。

通常土壤鹽分的時空分布是一個相對穩定性結構［21］，具有一定的空間依賴性。在本研究中，由于采用了4種不同的灌溉處理措施，各土壤層次土壤鹽分分布特征值都表現為中等變異強度，磁化灌溉處理措施對土壤鹽分的時空分布穩定性產生了一定的影響，這可能也是導致局部區域出現土壤“積鹽”現象的原因。從土壤鹽分的空間分布來看，在磁化處理灌溉水后，磁化處理區域起到了良好的脫鹽效果，隨著時間的推移和水分蒸發等因素的綜合影響，磁化處理區域對土壤表層脫鹽效果降低，但在20—40 cm 土層深度仍表現出了較好的脫鹽效果。進入雨季后，降雨量增大，磁化灌溉措施暫停，但磁化區域相較未磁化灌溉區域仍表現出了較好的土壤鹽分含量的穩定性，磁化處理顯示出了較好的土壤鹽分空間結構穩定性。在秋季，磁化水處理區域土壤鹽分含量明顯低于未處理區域。

圖6 0－20 cm 土層土壤鹽分含量空間分布特征

土壤中鹽分的分布與水分密切相關，土壤水分是土壤鹽分遷移的重要載體，即通常所說的“鹽隨水走”。研究表明，土壤鹽分會隨著地表水分蒸發向表面聚集，稱為“表聚”現象［22］。在本研究中，不同灌溉處理措施下土壤鹽分都表現出了“表聚”現象，對比磁化灌溉處理和未磁化灌溉處理措施的時間動態變化，磁化處理措施能夠有效降低土壤鹽分表聚。

土壤鹽分含量的變化除了受降雨和土壤水分蒸發的影響，還受植被覆蓋度的變化以及地下水埋深的影響［23-24］。本研究中四月份刺槐剛剛展葉，土地裸露面積大，土壤鹽分含量上升。五月份刺槐枝葉生長發育加快，郁閉度逐漸增大，抑制土壤水分蒸發，土壤鹽分含量出現回落。進入雨季以后，降雨量增大，土壤鹽分下行，地下水埋深上移，土壤鹽分迅速下降。秋季土壤水分蒸發增強，枯落的枝葉也帶回了大量的鹽分，土壤鹽分含量回升；全年土壤鹽分含量表現為春、秋季積鹽，夏季脫鹽。

由于田間試驗的限制，本研究在布設試驗地時未進行隔離處理，不同試驗處理之間的邊際效應勢必對試驗結果產生一定影響。因此，對不同灌溉處理之間的脫鹽效果精準分析是下一步的研究方向。土壤鹽分含量的時空變化受多種因素的綜合影響，本研究亦未進行相關因素的觀測，試驗數據有一定的局限性。

4 結論

（1）兩種磁化處理灌溉方式均能夠降低濱海鹽堿地土壤鹽分含量，通過磁化地下淺表層微咸水進行適度灌溉，可以為該地區節約用水資源，有效地促進鹽堿地的土壤脫鹽。

（2）不同灌溉處理的不同層次土壤鹽分含量均值均表現出：GW＞CK＞FW＞MGW＞MFW，不同土層土壤鹽分含量隨著土層深度增加逐漸降低。磁化水灌溉能夠顯著的降低土壤表層的含鹽量，對濱海鹽堿地土壤鹽分具有較好的淋溶效果。淋溶作用隨著土壤深度的增加逐漸降低。

（3）磁化處理措施能夠降低土壤鹽分表聚，尤其是在春季溫度回升，土壤水分蒸騰不斷增強的情況下，適時采用磁化水灌溉能夠對土壤鹽分的上行起到抑制作用，對20—40 cm 土層的抑鹽效果更明顯一些。