地中海氣候條件下干旱型鹽漬土壤空間分布特征及改良對策

王 斌 ，黃高鑒 ，樊修武 ，聶 督 ，孫 捷 ，張 強

（1.山西省農業科學院農業環境與資源研究所，山西太原030031；2.山西農業大學資源環境學院，山西太谷030801；3.山西省農業科學院作物科學研究所，山西太原030031；4.山西農業大學，山西太原030031）

鹽漬土在世界范圍內廣泛存在，全球面積約為9.5 億hm2，主要分布在澳大利亞、前蘇聯和我國[1]。地中海沿岸國家約分布有1 000 萬hm2鹽堿地，約占全球總面積的1%[2]，其中，西班牙有340 萬hm2、土耳其有200 萬hm2、阿爾及利亞有100 萬hm2[3]。地中海氣候的主要特點是雨熱不同期，高溫時期少雨、低溫時期多雨，即夏季炎熱干燥、冬季溫和多雨，因其主要影響區域在地中海沿岸國家而得名[4]。

進行鹽漬土壤空間變異特征研究是對鹽漬土進行科學改良利用的前提和基礎[5]，利用GIS 技術結合土壤鹽分分布數據進行鹽漬土壤空間分布的描述，是目前最為有效的技術措施[6]。地中海氣候條件下干旱型鹽堿區與我國內陸干旱鹽堿區氣候特征完全不同，直接影響著土壤水鹽運動規律，進而影響著鹽分的空間分布[7-10]。因此，不能將我國內陸干旱型鹽堿區的改良措施直接套用在地中海地區，必須摸清地中海氣候條件下土壤空間變異特征[11-13]，才能確定適合當地鹽堿地改良利用的途徑和技術體系[14-17]。目前，地中海氣候條件下干旱鹽漬土壤的空間分布特征研究還未見報道。

本研究以GIS 為平臺，對地中海氣候條件下干旱型鹽堿土壤的平面和垂直分布特征進行了空間分析，并對試驗區土壤鹽漬化的成因進行了研究，還提出了相應的改良措施，最后展示了實際的改良效果，旨在為北非地中海條件下干旱型鹽漬土改良提供一定的科學依據。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

2012—2015 年我國政府開展了援助阿爾及利亞鹽漬土壤改良與利用項目，山西省農業科學院環境與資源研究所作為商務部指定的技術支持單位，赴阿爾及利亞進行為期3 a 的鹽堿地改良，并取得了良好的田間效果和社會反響。阿爾及利亞位于非洲西北部，北臨地中海，國土面積238 萬km2，2013 年總人口3 790 萬，北部沿海地區屬地中海氣候。

如圖1 所示，試驗地設在阿爾及利亞西北部赫立贊省阿國家農業科學院哈馬德納試驗站內（東經0°47′00″，北緯 35°54′00″），海拔為 48 m；年平均降雨量150～350 mm，年平均蒸發量1 000～1 400 mm，蒸降比為5∶1 左右；屬典型的地中海氣候，屬典型的內陸干旱型鹽堿區。

1.2 試驗方法

對試驗區16 hm2鹽漬土表層土采用網格取樣法進行取樣，30 m×30 m 一個網格，共取樣108 個，每個樣點取土深度為0～20 cm，混合后采用四分法留樣500 g 左右，具體采樣點分布如圖2 所示。另外，在試驗地典型土壤區域，分4 層進行1.2 m 土壤剖面的取樣，取樣時間均為2012 年9 月。

1.3 測定項目及方法

土樣經自然風干、粉碎機研磨、過2 mm 篩后待測。EC（5∶1）采用電導法進行測定（電導儀型號為SGT-ELR742）；pH 采用土壤活性酸進行測定；土壤全鹽量和含水率采用重量法進行測定；SO42-、Cl-、Na+、Ca2+、Mg2+、K+采用離子色譜儀進行測定；HCO3-采用滴定法進行測定；陽離子交換量（CEC）采用乙酸銨交換法進行測定；交換性鈉含量采用原子發射光度法進行測定；ESP（堿化度）由陽離子交換量和交換性鈉計算獲得；土壤容重采用環刀法進行測定。

1.4 數據分析

本試驗數據采用Microsoft Excel 2007 進行整理和分析；采用Surfer 9.0 軟件制圖；采用Kriging法進行空間插值。

2 結果與分析

2.1 試驗區土壤鹽漬化基本特征分析

表1 試驗區鹽漬土基本特性（n＝36）

從表1 可以看出，耕層土壤pH 值平均為8.25左右，EC 值平均為2.42 mS/cm 左右。

如表2 所示，試驗區鹽漬土水溶性陰離子以氯化物為主（占陰離子總量的70%以上），陽離子以鈉離子為主（占陽離子總量的80%以上），屬中重度氯化物鹽化土。

表2 試驗區鹽漬土水溶性離子含量（1∶5 水土比）（n＝36） cmol/kg

從表3 可以看出，耕層土壤容重為1.4 g/cm3左右，屬于堅實土壤，且隨著土層深度的增加，土壤容重也在增加，其最高達1.77 g/cm3；表層土壤含水率整體偏低，屬中等偏干性土壤，隨著土層深度的增加土壤含水率逐漸增加。據當地土壤資料，土壤中黏土成分占總成分的65.5%，淤泥含量為26.99%，沙質含量約占總含量的7.51%，土體結構差，非常黏重。

表3 試驗區土壤剖面各層含水率和容重

2.2 試驗區鹽堿土壤EC、pH 空間分布分析

試驗區0～20 cm 土壤EC 值為0.21～11.96 mS/cm，平均為 2.42 mS/cm，變異系數（CV）為 79%，屬強變異性，85%的EC 值分布在1.0～2.2 mS/cm，總體來看，屬于中重度鹽化土。從圖3 可以看出，試驗地0～20 cm 鹽漬土壤EC 值呈東北—西南向分布，西北區域EC 值大于4 mS/cm，屬重度鹽化土；中間區域EC 值大于2 mS/cm 而小于4 mS/cm，屬中重度鹽化土；東南區域EC 值小于2 mS/cm，屬中輕度鹽化土。

0～20 cm 土壤 pH 值為 7.76～8.90，平均為8.25，變異系數（CV）為2%，屬弱變異性，80%的pH值分布在8.0～8.5，總體來看，屬于輕度堿化土。從圖4 可以看出，試驗地0～20 cm 鹽漬土壤pH 和EC 值空間分布大致相同，也呈東北—西南向分布，西北區域pH 值大于8.5，屬中度堿化土；中間區域pH 值大于8 而小于8.5，屬中輕度堿化土；東南區域pH 值小于8，屬輕度堿化土。

從空間分布來看，鹽化和堿化最重的區域位于試驗區的西北角，這一區域EC＞4 mS/cm，pH＞8.5，屬重度鹽堿地，約占試驗區總面積的25%；東南角屬于鹽堿最輕的區域，EC＜1 mS/cm，pH＜8，約占試驗區總面積的23%；而中間區域鹽堿程度為中度，EC 和pH 位于中值，約占試驗區總面積的52%。該空間分布與試驗區的地形地貌和地下水埋深等因素有關，了解了EC 和pH 的空間分布狀況，有利于實施更精準的改良措施。

2.3 試驗區鹽堿土壤垂直分布特征分析

從表4 試驗區土壤剖面的EC 值可以看出，土壤表層并未產生鹽分聚集，在20 cm 土層以下土壤鹽分明顯高于上層，土體自上而下鹽分顯著增加，這是由于在地中海氣候條件下，雨熱不同期，地表蒸發強烈，水分耗損的速度大于毛管水補給的速度，使得在毛管中運移的鹽分未運移到地表即出現毛管斷裂現象，鹽分很難聚集到地表；再加上試驗區土壤過于黏重，黏土的毛管孔隙直徑較小，地下水藉土壤毛管上升運行的速度較慢。這種鹽漬土壤鹽分垂直分布狀況有利于耕層淡化，在耕作層的作物種子也因此免受生理干旱的脅迫，容易發芽出苗，從而形成地表綠色覆蓋、減少土壤表面蒸發和抑制鹽分表聚。土壤表層Cl-、Na+這2 個最重要的鹽基離子也未產生表聚現象，這與EC 值的垂直分布特征一致。

表4 試驗區土壤剖面鹽分分布特征

2.4 試驗區鹽堿土形成原因分析

內陸干旱型鹽堿地形成的原因主要有氣候、地形、母質、地下水和人類活動等[18-20]。氣候干旱會導致蒸降比增大，地勢低洼使得鹽分聚集，且排水不良，成土母質本身鹽分含量較高，地下水埋深較淺，礦化度高，人類不合理地灌溉等都會造成內陸干旱區土壤鹽漬化[21-23]。

2.4.1 氣候原因 由圖5 可知，在地中海氣候條件下，夏季5 月下旬作物成熟后至9 月下旬為旱季，5 月作物成熟時已將耕層（0～20 cm）內可移動的水分消耗殆盡，土壤毛管中運移的鹽分未來得及運移到地表土層已出現斷裂，阻止了“鹽隨水來”的土壤水分條件，這一時期蒸降比雖然快速上升，且達到高峰后下降，但不會造成表層積鹽。9 月開始降水增多，一直到第2 年4 月，屬于雨季，這一期間蒸發量經歷了逐漸降低至最低值一段時間后又逐漸升高的過程，積鹽過程主要集中在9—10 月和3—5 月；而11 月至第2 年2 月由于降水量大，蒸發量小，土壤處于排鹽過程。總之，在地中海氣候條件下，干旱型鹽堿地積鹽時期為3～4 個月，排鹽時間為3～4 個月，其余時間為穩定期，積鹽時期與我國干旱型鹽堿區大致相同，但排鹽期和穩定期不同。

2.4.2 地下水、地形和其他原因 試驗區地處謝利夫平原（Chéliff），當地的地下水資源水質較差，含鹽量較高（表5）。且試驗區由于地勢洼陷，排水系統不完善，再加上土壤黏重，排水不暢，容易形成土壤通體積鹽，而非表聚；當地種植習慣也無地膜覆蓋、秸稈覆蓋等保水壓鹽措施，很少施有機肥，土壤結構性較差，這些也是當地土壤鹽漬化的重要影響因素。

表5 謝利夫平原地區27 個鉆井水樣生物化學分析

2.5 相對應改良對策

2.5.1 節水灌溉 節水灌溉有利于土壤鹽堿化的防治[7]。針對當地干旱、可利用水資源匱乏的現狀，試驗區鹽堿地治理不適合使用我國普遍使用的漫灌洗鹽方式，而應以節水灌溉為主。節水灌溉既可減少灌溉用水量，又可以減少由灌溉水帶入土體中的鹽分，也可防止因過量灌溉而引起地下水位的抬高，從而抑制地下水位和下層土體中的鹽分向上運移。

2.5.2 保護性耕作 由于當地土壤黏重，宜采用保護性耕作措施。保護性耕作采用免耕、少耕、秸稈地表覆蓋、土壤深松等技術，具有保護表層土壤結構、減少地表蒸發、增加表層土壤有機質、降低出苗風險的特點[24-26]。保護性耕作技術在當地鹽漬土壤上的應用主要是基于作物殘茬覆蓋和摻混，抑制土壤水分蒸發，阻止土壤鹽分上移，增加土壤有機質，以肥抑鹽。再者，當地土壤通體積鹽，實施保護性耕作不會將土壤下層的鹽分翻到表層。

2.5.3 施用改良劑 當地土壤含氯離子和鈉離子較高，可通過添加石膏等含鈣改良劑，直接與土壤膠體進行鈉離子交換[27]，或使用酸性物質，加速土體中的鈣離子溶解，進而與鈉離子交換，同時硫酸根離子的添加也改變了表層土壤氯離子含量過高的比例關系[28-29]，降低了氯鹽危害。

2.5.4 綜合改良技術 鹽漬土單靠一種改良技術難以治理，各項技術體系的集成耦合可以增加改良成功的概率[15-16]。除上述改良措施以外，修建適宜的排水系統和土地平整是進行鹽堿改良的前提和基礎；在當地氣候條件下，如適期早播可使地表盡早形成綠色覆蓋，有效減少土壤蒸發[30-31]，可降低積鹽程度；小麥收獲后復播C4 作物如玉米等，既可增加農田產出，又可培肥土壤，有利于鹽堿治理，也可種植綠肥進行翻壓，增加地面覆蓋和土壤有機質[32-33]。

2.6 改良效果

在摸清試驗區土壤鹽漬化基本特征、鹽分空間分布和垂直分布的基礎上，分析了當地土壤鹽堿化的原因，可以有針對性地應用綜合改良措施。

從圖 6～8 可以看出，改良 3 a 后，0～20 cm 鹽漬土壤堿化度（ESP）逐年下降，由16.7%降至12.1%，降低了 4.6 百分點；0～20 cm 鹽漬土壤 EC 值由2.5 mS/cm 降至1.3 mS/cm，降低了48%；0～20 cm鹽漬土壤容重由1.402 g/cm3降至1.234 g/cm3，降低了12%。

3 結論與討論

在地中海氣候條件下，鹽漬土壤耕層EC、Cl-、Na+等重要鹽基成分未呈現表聚特點，與國內鹽堿區氣候條件相比，更有利于改良與利用。但當地土壤由于受地下水質、地形、土壤質地等因素的影響，鹽分呈現通體分布，屬中重度氯化物鹽化土，土壤理化性狀惡化，加重了改良和利用的難度。

本研究結果表明，空間分布上，土壤pH 和EC呈東北—西南向分布，鹽化和堿化最重的區域位于試驗區的西北角，這一區域EC＞4 mS/cm，pH＞8.5，約占試驗區總面積的25%；鹽堿最輕的區域位于東南角，約占試驗區總面積的23%，EC＜1 mS/cm，pH＜8；而中間區域鹽堿程度為中度，EC 和pH 位于中值附近，約占試驗區總面積的52%。

當地鹽堿土的主要成因是蒸降比大、地下水質較差、地形低洼、排水不暢、土壤黏重、不合理的灌溉和耕作措施等。相應的改良措施應包括節水灌溉、保護性耕作、施用改良劑、修建排水系統、增加地表覆蓋和有機質投入等措施，且各種措施應該綜合使用。

地中海氣候條件下的干旱型鹽堿土與其他氣候區域的干旱型鹽堿土相比，盡管鹽分表聚較少，但土壤通體鹽分含量較高，且理化性狀差，改良難度較大。國內干旱型鹽堿區為雨熱同期，積鹽期為3—5 月、9—10 月，脫鹽期為 6—8 月，11 月至第 2 年2 月為相對穩定期；而研究地干旱型鹽堿區雨熱不同期，積鹽期為 3—5 月、9—10 月，脫鹽期為 11 月至第2 年2 月，6—8 月為相對穩定期。二者相比，積鹽期基本相同，脫鹽期和相對穩定期正好相反，主要是由降水期不同而造成的。下一步將土壤鹽分時間變化因素進行研究，以確定地中海氣候條件下水鹽運動規律，為更精準地改良當地鹽漬土提供理論依據。