灌溉方式對荒漠綠洲過渡帶地下水與土壤理化性質的影響

席琳喬 馬麗亞 王 棟 張 玲 韓 路 馬春暉，2*

（1 塔里木大學動物科學學院/新疆生產建設兵團塔里木畜牧科技重點實驗室，新疆 阿拉爾843300）

（2 石河子大學動物科技學院，新疆 石河子832000）

引言

荒漠綠洲過渡帶是綠洲工農業生產的天然屏障，具有重要的生態意義，塔里木盆地是我國典型的極端干旱荒漠區，該地區土壤貧瘠化、沙化、次生鹽漬化趨勢愈發嚴重。近年來，新疆在農作物生長期由滴灌逐漸替代了漫灌［1-2］。當前眾多學者研究了干旱區不同地理環境條件下的生態學問題［3］，對塔里木河上中下游植被、土壤水鹽運移的研究較為廣泛［4］。塔里木河下游典型綠洲邊緣物種多樣性特征受到土壤水分、鹽分等因素限制，土壤水鹽是影響荒漠-綠洲過渡帶植物群落分布格局的主要因子。塔里木河干流岸邊，當土地利用類型為農用地時，其地下水位的變化受到塔里木河水位、農田灌溉及蒸發等影響［5-6］。從上世紀80年代起新疆開始進行節水灌溉技術的推廣應用［6］，膜下滴灌使作物根區土壤常保持較高的含水量，進而使根系層形成脫鹽區，為作物生長創造了良好土壤環境，但在膜外(根系外圍)明顯積鹽［7-8］；漫灌方式使土壤鹽分隨水下滲而脫鹽，但長期漫灌易引起地下水位上升、鹽分表聚而產生土壤次生鹽漬化。南疆農業采用冬/春漫灌，作物生長季采用滴灌［9-10］。灌溉方式對上游過渡帶土壤理化性質與地下水的影響報道較少，集中在中下游區域［11-15］。因此，研究作物生長期滴灌、漫灌對上游過渡帶土壤理化性質和地下水的影響，揭示灌溉方式對過渡帶生境的影響，以期為塔里木荒漠綠洲過渡帶植被恢復提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區地處葉爾羌河下游至塔里木河干流上游，屬典型的暖溫帶干旱荒漠性氣候。該區年均溫度10. 7 ℃，≥10 ℃積溫4 113 ℃，年均日照2 556.3-2 991. 8 h，無霜期180-224 d；年均降雨量為40. 1～82.5 mm，年均蒸發量1 876.6～2 558.9 mm。荒漠綠洲過渡地帶土壤為砂壤土，主要植被有胡楊(Populus euphratica)、灰葉胡楊(Populus pruinosa)、檉柳(Tamarix chinensis)、黑 果 枸 杞(Lycium ruthenicum)、鹽 穗 木（Halostachys Caspica)、駱駝刺(Alhagi sparsifolia)、甘草(Glycyrrhiza uralensis) 和 蘆 葦（Phragmites australis)等［9］。

1.2 試驗設計

研究區分別在作物生長期進行滴灌和漫灌的地區，滴灌試驗區位于新疆阿拉爾市第一師十二團，漫灌試驗區位于新疆阿克蘇地區阿瓦提縣豐收三場，垂直于農田在荒漠過渡帶內設置樣地，滴灌試驗區4個樣地離農田距離由近及遠分別為A1、A2、A3、A4；漫灌試驗區4 個樣地離農田由近及遠分別為B1、B2、B3、B4，具體位置(表1）。每塊樣地內人工打地下水位觀測井1 口(PVC 管，10 m)，觀測地下水位，采集地下水和樣地土壤。

表1 地下水位觀測井位置

1.3 研究方法

1.3.1 土壤理化性質測定

每塊樣地內按梅花形5 點取樣，每月取樣1 次，取0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm 土樣［16］。土壤水溶性鹽采用水浴蒸干法測定（水土比為5:1），酸度計測定土壤pH值，烘干法測定土壤含水量。有機質（TOM）用重鉻酸鉀容量法；全氮(TN)半微量滴定法；全鉀(TPo)和全磷(TPh)用堿熔法；堿解氮(AN)用擴散皿法；速效磷(APh)用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法；有效鉀(APo)用乙酸銨浸提-火焰原子吸收光譜法［18］。

1.3.2 地下水位和水質測定

采用電導法測量地下水位［17］，重量法測定地下水礦化度。Cl-含量采用AgNO3滴定法；含量采用EDTA 間接滴定法；CO32-/含量采用雙指示劑滴定法；Ca2+和Mg2+含量采用EDTA 絡合滴定法；K+/Na+含量采用火焰原子吸收光譜法［18］。

1.3.3 數據處理與分析

數據采用Excel 2010 進行整理，數據處理采用SPSS11.0。單因素方差分析(ANOVA)檢驗不同樣地土壤總鹽含量及土壤含水率的差異(α=0.05)，多重比較采用新復極差法(DUNCAN）進行檢驗。

2 結果與分析

2.1 灌溉方式對荒漠綠洲過渡地下水位的影響

不同灌溉方式對過渡帶地下水位的影響（表2），漫灌下地下水位的極差與變異系數均明顯高于滴灌方式，漫灌方式下6-11 月對過渡帶地下水補給作用明顯。滴灌方式下4-11 月對地下水補給作用不明顯。滴灌和漫灌方式對過渡帶地下水位極差、變異系數與地下水埋深均隨離農田距離增加而降低，漫灌方式對地下水位的提升作用明顯大于滴灌，滴灌對地下水位的影響較小（p＞0.05）。

表2 不同灌溉條件下過渡帶地下水位變化

2.2 灌溉方式對荒漠綠洲過渡地下水水質的影響

滴灌方式下地下水礦化度、pH值、陰陽離子含量隨著距農田由近至遠逐漸降低，A1 樣地地下水各指標均最高，除pH 值與Mg2+含量外均與其他樣地間差異顯著(p＜0.05)。漫灌方式下地下水礦化度與陰、陽離子含量隨遠離農田均呈“V”字形變化，B4 樣地除pH值外，其他指標均明顯高于其他樣地（表3）。

滴灌方式下過渡帶地下水礦化度、pH值、陰陽離子含量均明顯高于漫灌方式，尤其2種灌溉方式間水質礦化度、Cl-、SO42-與K+/Na+離子含量差異顯著(p＞0.05)，漫灌方式有利于改善地下水水質。

表3 不同灌溉方式對地下水水質的影響

2.3 灌溉方式對荒漠綠洲過渡帶土壤水分、鹽分的影響

2.3.1 鹽分

滴灌下0～100 cm 土壤總鹽由A1 至A4 樣地逐漸降低，A1樣地最高17.67 g/kg，A4樣地最低3.54 g/kg（表4），A1 樣地0～40 cm 土壤總鹽含量顯著高于其他樣地(p＜0. 05），且其40～100 cm 土壤總鹽含量與A3、A4 樣地差異達顯著水平(p＜0.05）。漫灌下0～100 cm土壤總鹽從B1到B4樣地逐漸增加趨勢，B4樣地最高達14.20 g/kg 與其他樣地差異顯著(p＜0.05）。

2.3.2 水分

滴灌方式下距農田由近及遠土壤含水量逐漸降低趨勢，A1 樣地0～100 cm 土壤含水量最高達11. 72%，與A3、A4 樣地差異顯著(p＜0. 05）；0～40 cm土壤含水量在各樣地之間差異達顯著水平(p＜0.05），A1、A2 樣地60～100 cm 土壤含水量顯著高于A3、A4樣地(p＜0.05）；A1、A2、A3 樣地土壤含水量隨土壤深度增加而增加，但是A4 呈現降低趨勢。漫灌下0～100 cm 土壤含水量依次為B1＞B4＞B3＞B2，距農田最近樣地B1 土壤含水率最高，土壤含水量隨土層深度增加而增加；距離農田較遠的B2、B3、B4 樣地土壤含水量則隨土壤深度增加而降低。漫灌方式下0～40 cm 土壤含水量明顯高于滴灌方式，漫灌方式有利于提高過渡帶土壤含水量（表5）。

表4 不同灌溉方式對土壤鹽分的影響 單位：g/kg

表5 不同灌溉方式對土壤含水量的影響(%)

2.4 灌溉方式對荒漠綠洲過渡土壤化學性質的影響

滴灌方式下過渡帶土壤有機質、全氮、速效鉀隨離農田距離增加而降低，其中有機質含量降幅顯著（p＜0. 05）。漫灌方式下則相反，土壤有機質和全氮呈增加趨勢，B3、B4 樣地土壤有機質均顯著高于B1、B2樣地（p＜0.05）。漫灌方式下土壤有機質高于滴灌方式（表6）。

表6 灌溉方式對荒漠綠洲過渡帶樣土壤化學性質的影響

2. 5 灌溉方式下地下水水質與土壤化學性質的相關性分析

滴灌方式下地下水礦化度與八大離子呈極顯著相關（p＜0.01），土壤有機質(TOC)與地下水pH 值、礦化度、Cl-、/HCO3-、Ca2+、Mg2+顯著正相關（p＜0. 05），與、Na+/K+離子呈極顯著相關（p＜0. 01）。漫灌方式下地下水礦化度與Cl-、、Na+/K+呈極顯著相關（p＜0. 01），TOC 與TPo 呈顯著相關（p＜0. 05）（表7）。

2.6灌溉方式地下水位、土壤水分鹽分與離農田距離的相關性分析

滴灌下土壤含水量、土壤含鹽量與離農田距離均呈顯著線性負相關（r=-0. 978 3，p＜0. 05；r=-0. 997 0，p＜0. 01）；地下水位與離農田距離的相關系數低(r=0.044 7，p＞0.05），滴灌方式下農田距離對過渡帶地下水位的影響不明顯（圖1）。漫灌下土壤含鹽量、土壤含水量、地下水位與離農田距離的相關系數較低，差異不顯著(r=0. 781 7、-0. 266 5、0.824 0，p＞0. 05）(圖2)。二次回歸，滴灌和漫灌距離農田距離與土壤含鹽量相關性高（r2=0. 997，r2=1. 000），漫灌方式下距離農田與地下水位埋深相關性高（r2=0.974）。

圖1 滴灌方式距離農田距離與下地下水位、土壤水分鹽分的關系

圖2 漫灌方式距離農田距離與下地下水位、土壤水分鹽分的關系

3 討論

3.1 灌溉方式對荒漠綠洲過渡地下水的影響

在作物時期不同灌溉方式下，荒漠綠洲過渡帶離農田距離越遠其地下水位越深，可能是農田灌溉對地下水起到了一定的補充。4 月滴灌地下水埋藏深最淺（p＜0.05），可能由于農田冬灌/春灌，對地下水進行了補充，導致地下水埋深變淺，11 月份地下水位埋深最深（p＜0. 05），由于夏季作物需水量和蒸發量大等因素導致地下水位下降。漫灌下4-6 月地下水位明顯深于其他月份，可能是該階段作物對水分需求較少，灌溉量減少和蒸發等因素導致地下水下降，6-11 月地下水位上升，可能是由于作物旺盛生長期需水量大，農田多次漫灌補給地下水而引起。同時，漫灌能夠顯著降低地下水礦化度，這與張宏鋒研究輸水對水質礦化度的影響較為明顯結果一致［19］。漫灌能夠引起地下水pH值適當降低，但pH值表現距農田由近及遠呈下降的趨勢與陳永金等研究結果一致［13］。漫灌能夠降低農田到荒漠過渡帶地下水中的Cl-、、K+/Na+、Ca2+離子濃度，改善地下水的品質，礦化度由半咸水過渡到微咸水［21-22］。

3.2 灌溉方式對荒漠綠洲過渡土壤化學性質的影響

在小尺度滴灌后距滴灌帶越近含水率越高，距滴灌帶越遠含水率越低；鹽分在水平方向距管近的土層處于脫鹽狀態，在距管遠的土層處于積鹽狀態，對于漫灌，地表上層全部表現為淋洗狀態，而下層表現為積鹽狀態［22-24］。在較大尺度滴灌方式下荒漠綠洲過渡帶相對于農田則表現為積鹽；在距農田較近的區域，形成明顯的積鹽區，對距離農田近的區域影響較大，距離較遠的樣地土壤含水量和含鹽量比較低；隨著距離的增加，植物多樣性下降，距離農田較近區出現了耐鹽植物，如鹽穗木。漫灌下近農田過渡帶樣地土壤含水量比較高、鹽分含量較低，可能是漫灌對過渡帶土壤水分補充較多引起的。距離農田最遠處的樣地土壤含鹽量最高，出現了明顯的積鹽區。滴灌和漫灌都會在過渡帶土壤中，形成積鹽區，滴灌在距離農田較近的區域形成積鹽區，漫灌在距離農田較遠的區域形成積鹽區［25-27］。有機質、全氮、磷、鉀，尤其是有機質的變化能在一定程度上反映物種多樣性的變化［28］。滴灌下荒漠綠洲過渡帶距離農田越近，有機質、全氮、堿解氮、速效磷和速效鉀含量越高，且土壤含水量較高，有利于凋落物的分解和積累有機質，促進植被生長［21］。漫灌下土壤有機質和速效磷含量較高，全氮與堿解氮含量略高于滴灌方式，這是漫灌增加了土壤含水量，有利于植物的生長，從而增加了土壤有機質。因此，滴灌方式導致灌水量減少，引起積鹽區距離農田更近，加劇過渡帶生境惡化。

3. 3 不同灌溉方式下地下水水質與土壤化學性質的關系

滴、漫灌方式下在過渡帶土壤形成了積鹽區，離子主要包括從農田洗脫出來的Cl-、SO42-、K+/Na+離子。馬曉東等［29］研究表明塔里木河下游植被的生長與土壤水分和地下水位密切相關，土壤含水率水平空間分布隨離水源地距離增加而降低，垂直分布隨土層深度的增加而增加；土壤含水率的時間變化受生態輸水量和持續時間的制約［30］。因此，漫灌輸水量較大，增加了土壤含水量，提升了地下水位，降低土壤鹽分，改善地下水質效果明顯優于滴灌。滴灌方式下TOC 與八大離子和礦化度相關性較高，滴灌使植物處于低水分狀態，影響植被的生長，從而誘發過渡帶植被的退化［31-33］。

3.4 灌溉方式下地下水位、土壤水分鹽分與離農田距離的關系

滴灌下土壤含水量、土壤含鹽量與離農田距離均呈負相關（p＜0.05），可能是滴灌灌水定額較小，對荒漠過渡帶的水分補充范圍較小，對過渡帶地下水埋深影響有限，使過渡帶地下水位年內波動較小。距離農田近的區域地下水位較淺與土壤含水率高，強烈蒸發下鹽分隨水上移而形成明顯的積鹽區；相反，距離農田遠的區域土壤水分、鹽分低。漫灌下地下水位、土壤含鹽量與離農田距離相關性較小。漫灌能夠改善過渡帶的生境，有利于促進植被生長。

4 結論

滴灌方式地下水位年內波動較小，土壤含鹽量與地下水礦化度、pH值及陰、陽離子含量均明顯高于漫灌方式；漫灌方式提升了地下水位和增加土壤水分，降低土壤含鹽量、改善地下水水質；滴灌方式加劇了過渡帶生境惡化。