伽師縣鹽堿荒地土壤鹽漬化趨勢預測分析

王友年

(新疆水利水電勘測設計研究院有限責任公司,新疆 烏魯木齊 830000)

喀什噶爾河流域伽師縣由于其特殊的地理位置及氣候環境,土地鹽堿化及荒漠化問題嚴重,經調查發現,部分耕地因為土壤鹽漬化問題嚴重而導致棄耕、休耕,區域鹽堿荒地面積越來越多,且未能得到有效利用[1]。隨著流域內耕地面積需求的快速增加,加快鹽堿荒地的合理開發利用顯得尤為重要。

近年來,諸多學者開展了一系列關于鹽堿荒地治理、開發及應用的研究,并取得一定成果。如王勝[2]、張強等[3]提出了鹽堿荒地的脫鹽及改良方法;程詩念等[4]、王銀環等[5]及李文昊等[6]對鹽堿荒地治理開發后鹽分的重分布及對土壤的影響情況進行了分析;郭珈瑋[7]、劉濤[8]等針對鹽堿荒地開發利用后土壤鹽分及作物長勢等進行了研究,總結了相關經驗;郭文聰等[9]、蔣鵬文[10]等對原生及不同灌溉條件下的鹽堿荒地鹽分積累和運移特征進行了分析,為后續研究提供了理論支撐。

綜上所述,以往研究大多針對鹽堿荒地的治理及改良,局限于靜態的定性或部分定量的研究,難以量化描述鹽堿荒地的鹽分變化特征,且對于荒地鹽堿化趨勢預測的研究較少。本文在野外取樣及室內測試的基礎上,建立相關的計算模型,對喀什噶爾河流域具有典型代表性的區域伽師縣不同類型土壤的積鹽量及鹽漬化趨勢進行預測,直觀地認識和了解區域土壤鹽漬化的發展趨勢,并為區域土地資源的持續開發利用及綜合規劃提供參考。

1 材料及研究方法

1.1 研究區概況

伽師縣位于喀什噶爾河流域沖積平原中下游,地形為東西逐漸開闊微傾的半封閉盆地,地勢總體呈西高東低,北高南低。地貌景觀主要包括風成沙包、鹽土荒漠、現代河流淤積綠洲等。研究區屬于典型的溫帶大陸性干旱氣候,蒸發量大約為降水量的42倍,光照資源豐富,年平均日照數約為3000h。伽師縣水資源較為豐富,主要以山區降水和冰雪融水為主。伽師縣位于喀什噶爾河流域下游,土壤顆粒較細,地下水徑流受阻,因此研究區內地下水位埋深普遍較淺,加上近年來不合理的灌溉方式及排水鹽設施老舊,間接導致了區域鹽漬化問題。經調查,研究區未利用土地面積超過區域土地資源面積的50%,大部分灌區周邊均存在由于鹽堿化而棄耕、休耕的土地。

1.2 取樣及測試

在收集區域基礎資料及實地考察后,在充分考慮土地利用類型及鹽堿化情況的基礎上,按不同深度(0～30cm、30～50cm、50～80cm)共取樣6個,且荒地取樣均位于耕地周邊,取樣點基本情況見表1。取樣時根據實際情況進行潛水礦化度測定,取樣后按《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—2019)在新疆巖土中心檢測含鹽量,在室內進行土壤基本物理力學性質測試。

表1 取樣點基本情況統計

1.3 研究方法

在實測數據的基礎上,首先對不同土地利用尤其是荒地的鹽分分布情況進行分析。由于荒地無灌溉等外界因素干擾,故利用實測及經驗數據建立土壤積鹽量和積鹽速度的數學模型,對區內荒地條件下5年、10年及20年后的土壤積鹽量進行預測。

伽師縣由于氣候干旱,荒地中的潛水通過毛細作用向上運移至土壤表面后迅速被蒸發,但水中所含的鹽分卻留在土壤中。因此,有學者提出可通過計算蒸發掉的潛水中所含的鹽分來反映土壤中的積鹽情況[11]。

1.3.1 土壤積鹽量計算模型

(1)

式中:Y為積鹽量,g/m2;E為潛水蒸發量,mm;E0為水面蒸發量,mm;C為潛水蒸發系數;M為潛水礦化度,g/L。

1.3.2 土壤積鹽速度計算模型

(2)

式中:Ys為土壤含鹽量,%;Y為單位體積土壤中的積鹽量,g;W為單位體積土壤的重量,g;Ys0為土壤初始含鹽量,%;ΔS為土壤積鹽速度,%/a;γ為土壤容重,g/cm3;t為積鹽時間,a。

2 結果與分析

2.1 不同土地利用下的土壤鹽分分布特征

土壤水分、鹽分的變化在一定程度上會受到土地利用類型的影響。經調查,伽師縣林地主要分布在耕地內及河流沿岸,草地主要分布在田間及綠洲和荒漠區的交錯帶,荒地主要分布在綠洲邊緣及地勢較為低平的區域,其中鹽堿荒地作為一種不容忽視的土地資源,則主要分布在耕地周邊。本次針對不同土地利用類型下的土壤鹽分分布特征研究,主要選取土壤積鹽較為嚴重的荒地及與人類生產生活密切相關的耕地進行分析。根據實測數據繪制耕地及荒地剖面土壤含鹽量變化曲線,見圖1。

圖1 不同土地利用類型不同深度含鹽量分布情況

由圖1可知,研究區不同土地利用類型下,不同深度土壤含鹽量存在較大差異,荒地含鹽量普遍高于耕地,分析其原因,是由于果樹、棉花、西瓜等耕地有專人管理,且區域修建有排堿渠等設施,所以含鹽量較荒地低;耕地不同作物之間含鹽量存在差異,可能是由于作物類型、土壤質地及作物管理制度等多種因素的影響所致。

2.2 鹽堿荒地的土壤積鹽狀況

采用式(1)、式(2)計算伽師縣的土壤積鹽量。根據所需參數,引入葉爾羌河潛水均衡觀測實驗站數據,得到研究區多年水面平均年蒸發量為1500mm[12],土壤容重按室內試驗實測取平均值1.43g/cm3,研究區不同土壤質地及不同水位埋深下的潛水蒸發系數引用張江輝的研究成果[11]。不同潛水埋深下蒸發系數見表2。

表2 不同潛水埋深下蒸發系數

根據表1參數,結合取樣后測試結果,分別計算不同土壤質地、不同礦化度(0～10g/L)及不同水位埋深下(0～5m)內的土壤積鹽量與積鹽速度,結果見表3。

表3 伽師縣不同條件下的土壤積鹽量與積鹽速度(M為地下水礦化度)

為更直觀地分析伽師縣不同條件下的土壤積鹽量狀況,繪制不同水位埋深情況下地下水礦化度與土壤積鹽量情況曲線,見圖2。

圖2 土壤積鹽量、積鹽速度與地下水礦化度曲線

結合表3及圖3 可以發現,土壤的積鹽量和積鹽速度均與潛水礦化度成正比關系,表明在相同水位埋深下,地下水礦化度越大,其積鹽量與積鹽速度也越大。由圖3可看出,當水位埋深較小時,土壤積鹽量和積鹽速度均較大,即土壤的積鹽量和積鹽速度與水位埋深成反比關系,這與竇旭等[13]的研究結果一致。且不同土壤質地的積鹽量及積鹽速度也存在差異,在相同水位埋深下,積鹽量與積鹽速度曲線斜率中壤土>輕壤土>砂壤土,表明在相同條件下不同土壤積鹽量及積鹽速度中壤土>輕壤土>砂壤土。分析其原因,主要是由于不同土壤質地的蒸發量存在差異。

2.3 鹽堿荒地土壤鹽漬化趨勢預測

確定了伽師縣研究區的水位埋深和礦化度后,開始預測不同土壤質地類型在不同情況下的土壤鹽漬化的發展趨勢。以區域內鹽堿荒地為例,假定在未來無相應鹽堿化治理措施的情況下,推算研究區5年、10年及20年后80cm土層內的積鹽量,計算結果見表4,并繪制研究區不同土壤質地多年積鹽量預測曲線,見圖3。

表4 預測未來年份土壤積鹽量計算結果

由圖3可知,隨著時間的推移,研究區鹽漬化程度會逐年加深,且呈直線增加趨勢。假設伽師縣鹽堿荒地中的初始含鹽量均為0,可以看出,研究區鹽堿荒地若在不采取任何鹽堿治理措施的情況下,當潛水埋深和礦化度相同時,中壤土最先發展為鹽土(含鹽量大于2%)[14],與之前的研究結果相同,即積鹽速度中壤土>輕壤土>砂壤土。這也從側面證明了黏性土較砂性土更易發生土壤鹽漬化,分析原因,是由于黏性土的孔隙與粒徑小,導致土壤水運移速度緩慢,再加上蒸發,更易引起水中鹽分的滯留,導致土壤含鹽量增加,而砂質土壤顆粒相對較粗,孔隙較大,透水性相對較強,有利于土壤水的運移,不易造成鹽分積聚。根據調查發現,伽師縣鹽堿荒地大都分布于耕地周圍,灌溉水側滲,排水鹽設施不完善,進一步加重了鹽堿荒地的鹽漬化。開展治理并開發鹽堿荒地可減輕區域土地資源緊缺的壓力。

綜合上述分析結果,對荒地鹽堿化進行控制及治理、調控地下水位至臨界深度及加強水質監測是重要的解決方法。當研究區進行鹽堿荒地治理及開發時,應注意耕作層土壤巖性及地下水位埋深,若所選區域鹽漬化程度較為嚴重,可考慮通過修建農田排水工程進行水位調控,同時應加強對灌溉水和地下水水質的管理,還可考慮在干排鹽模式下將荒地作為排鹽區進行規劃,以提高土地資源綜合利用率。另外,本次模型是在假設初始含鹽量為0的情況下建立的,而在實際中不僅應參考土壤積鹽量計算公式,還應該結合當地實際情況進行分析。

3 討 論

本次研究存在以下不足:?取樣較少,用于代表整個伽師縣略顯不足;?大部分樣品是在荒地中取得的,其他土地利用類型未取對比樣,因此對研究區不同土地利用類型下的土壤鹽分分布情況的分析不夠全面,這可作為今后研究重點;?受多種因素影響,雖然建立了土壤含鹽量預測模型,卻未開展驗證計算,后續應在有條件的情況下進一步通過取樣測試或數值模擬等方法開展模型驗證研究。

通過實際調查及分析結果發現,伽師縣鹽漬化情況較為嚴重,主要是由于區域地下水位較淺,加之不合理的灌溉、排水方式導致的。今后針對鹽堿荒地治理,需根據流域規劃結合實際情況,細化多元排水方案,保障區域排水排鹽通暢,減少鹽漬化的產生。此外,應加強地下水位調控,降低土壤鹽漬化,但在林草區域還須考慮將地下水位控制在生態水位范圍內。因此,不能一刀切地在研究區增加補給量、減少排泄量,而應根據不同區域、不同條件制定最優地下水位調控方案及優化灌溉方案。