北疆膜下滴灌棉田生育期土壤水盐的变化特征

由国栋，虎胆·吐马尔白，朱海清

(1. 新疆农业大学水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052；2. 山东省滨州市小开河引黄灌溉管理局，山东 滨州 256600)

新疆地处干旱区，降水少、蒸发强烈，土壤盐渍化是威胁农业的生产这重要因素。防止土壤次生盐碱化，对实现土壤生态化利用重要意义。新疆地区现有耕地413 万hm2，由于盐渍化造成的低产田占耕地面积31%[1]。膜下滴灌技术具有保墒、增温、适时适量的灌溉、在作物根区形成适宜作物生长的水盐环境，逐渐显示出对盐渍地水盐动态调控的机制，已成为我国西北内陆干旱地区农业节水灌溉的重要发展模式，目前，新疆膜下滴灌应用面积已突破200 万hm2[2]。

由于干旱区降水少、蒸发强烈，耕种活动年复一年的实施造成土壤中盐分逐渐累积。加强干旱区土壤水盐变化规律的研究防止土壤次生盐碱化，对干旱区农业生产具有非常重要的意义。目前，国内外许多学者对干旱区土壤水分和盐分的变化进行了大量研究。 C. G. Ladenburger等[3]对美国怀俄明州柽柳生长区土壤特性研究表明，盐分在表层最大。T. M. Burgess和R.Webster[4]将区域化变量理论和Kriging估值方法引入土壤科学的研究。牟洪臣等[5]研究认为膜下滴灌技术使用初期可使土壤盐分含量下降，但是使用9 a以后，田间土壤盐分逐步增加。同类研究还认为膜下滴灌棉花生育期内盐分在膜间0～40 cm强烈聚集[6]。谷海斌等比较了石河子灌区和玛纳斯灌区2个灌区的土壤盐渍化程度的分布状况，得出了2个灌区仍存在土壤积盐趋势，普遍存在盐渍化的威胁[7]。前人研究成果对于膜下滴灌技术的应用具有非常重要的指导和实践作用，但由于土壤水盐运移的复杂性、受外界条件影响的多样性，水盐运移理论还有待我们进一步探索和研究。

本文采用传统统计学和地统计学分析相结合的方法，以长期膜下滴灌棉田为研究对象，通过对耕种多年的土壤分层取样，探讨了该地区膜下滴灌棉田土壤水分和盐分的分布特征，以期为防止次生盐渍化和改良盐渍地、土壤评价提供理论基础，为膜下滴灌技术的科学利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验概况

本试验区在新疆生产建设兵团石河子市121团，位于天山北麓、准噶尔盆地南缘，地处欧亚大陆腹地(44°46′55″N，85°32′50″E平均海拔337.1 m)。该地区光照充足、热量丰富、夏季炎热，年降水量为141.8 mm，年蒸发量1 826.2 mm，降水稀少，蒸发强烈，具有典型的大陆性荒漠气候特点[8]。本实验区所选棉田属于统一灌溉区，种植作物为棉花，灌溉制度相同，棉花实行“干播湿出”，播种后浇灌一次出苗水，保证棉花出苗。

1.2 试验方法

实验采用GPS定位，土钻取样，取样深度分别为0、20、40、60、80、100、120 cm。取土时间2013年4月10- 22日，对2003年种植的棉田作为实验区，分别于棉花种植前和播种完成浇出苗水一周后。取样方案：沿南北、东西方向每隔100 m采集土样，每次取样在同一位置取土。利用烘干法测出土壤的质量含水率，将烘干的土样磨碎、过筛，取18 g土和90 g蒸馏水按土水比1∶5混合搅拌浸泡，搅拌均匀后沉淀，利用电导仪测定溶液的电导率，然后换算成土壤的总含盐量。棉田于4月15日灌溉出苗水，灌水一周后进行取样。

数据处理采用Spss13.0、图表采用surfer绘制。

2 结果和分析

2.1 土壤水分和盐分的变化

春季是棉花播种期，北疆地区一般采用“干播湿出”的种植方式，种植后灌溉一次出苗水。从表1知，盐分峰值点种植前主要集中在40～80 cm，种植后盐分的峰值点主要集中在60 cm以下土层，这由于经过多年的种植土壤盐分产生累积，种植后灌溉浇水对土壤盐分洗淋作用明显。种植前后在0、20、40 cm土壤含盐量均值分别降低58%、60%、68%。灌溉后在0～120 cm土壤盐分均值垂直分布自表层向下呈递增趋势，越往深层变化越平缓，浅层土壤盐分在滴灌水作用下不断向下运移，可见膜下滴灌灌溉具有明显的局部抑盐作用。

土壤水分变化状况从表1可知，在表层(0 cm)土壤含水率种植前为11%～25%，种植后土壤含水率为17%～29%，可见土壤表层土壤含水率增大，随着土壤深度的增加含水率增幅逐渐减少。从均值可看出，0 cm含水量增加17%，60 cm增加6.1%，20～40 cm种植后水分均值偏小。种植后在灌溉水的作用下，土壤盐分均值自上而下呈增加趋势，土壤水分均值在表层和60 cm以下土层增加，这可能是由于土壤土质结构和分层不均匀造成的。

表1 土壤水盐含量统计特征值Tab.1 Statics of water salinity contents soil layers

注：N表示正态分布，LN表示对数正态分布；Ⅰ表示活跃层，Ⅱ表示稳定层。

2.2 土壤水分和盐分特征分析

土壤作为时间和空间上的连续体，其自然属性的变异是许多因素相互作用的结果，具有尺度上的相关性[9]。变异系数是描述变量特征的重要参数，Cv﹤0.1为弱变异性，0.1≤Cv≤1为中等变异性，Cv﹥1为强变异性[10]，变异程度反映了一组变量的重要程度、反映了不同土层土壤水分和盐分变异程度差异。由表1可知，实验区土壤含水量的变异属于中等偏弱变异程度，不同土层间的变异程度有明显的差异性。种植前后表层土壤水分的变异系数较大，分别为29%、19%；在0～40 cm，土层越深含水量变异幅度越小；60 cm以下土层水分变异系数较大，可能是由于土壤中含有黏粒分层，影响土壤水分入渗和蒸发；土壤水分变异程度在垂直剖面上变异系数相差不大。土壤盐分在40～80 cm盐分变异系数比较高，灌溉前在40 cm土层盐分变异程度强，这可能是由于多年种植导致盐分在土壤中产生产生累积造成的。土壤含盐量的变异性明显大于含水量的变异性，可能这是由于影响盐分分布的因素较多，这与姚江荣、李子忠等[11,12]人的分析结果相同。

2.3 土壤剖面水分和盐分变化层次

为了研究土壤盐分和水分活跃程度，采用基于标准差和变异系数两个指标的分析方法[13]。土壤活跃程度不仅可以反映出自然因素的影响大小，而且也可以显示出人类灌溉、耕种、施肥等人为因素的干扰强度[14]。用聚类分析法，分别对各时期土壤剖面水、盐含量垂直变化进行了分层，并判定各土层的变化类型[15]。根据标准差和变异系数将其划分为2层：活跃层、稳定层。

由表1可知，土壤盐分种植前表现为表层活跃，底层稳定的，种植后盐分的活跃程度变得规律性更强，随着土壤深度的增加，土壤盐分活跃性逐渐变小的趋势。土壤水分在种植前和种植后，表现出相反的活跃性，种植前，表层活跃，底层稳定，种植后水分活跃程度变化与灌溉前相反，说明种植灌溉对土壤水分影响大，对土壤盐分的影响因素小于其他因素对其的影响。

2.4 土壤水分和盐分空间等值线变化

在进行地统计分析前，采用SPSS软件的单样本K-S方法对数据进行正态分布检验(表1)，结果表明土壤盐分和水分数据大多服从正态分布，部分数据服从对数正态分布，符合地统计学要求。利用Surfer软件对数据进行Kriging插值，并绘制空间分布等值线图，等值线的密集程度反映了变量的空间变异性。

从图1(a)、图1(b)，分析种植前和种植后土壤盐分空间分布变化可知，种植前土壤盐分变化分布差异大，空间分布规律性不十分明显，分布格局较为杂乱[图1(a)]。0～20 cm含盐量变化幅度小；40～80 cm等值线密集，高值和低值交错；在40～80 cm、200～400 m段等值线密集度高，盐分含量也高；100 cm以下等值线相对均匀。总体上种植前土壤盐分空间分布格局较为杂乱，低值和高值数量多且分布交错，由于试验区实行膜下滴管灌棉花种植，土壤的耕种活动可能是这种现象形成的重要因素。种植后，0～20 cm含盐量变化相对于种植前等值线的变化幅度大，在水平尺度上等值线明显减少。在80～120 cm，400～600 m段种植后盐分空间变异大、等值线密集。浅层土壤盐分空间变异自东向西逐渐增大，自上而下土壤盐分等值线变得更密集。

土壤水分等值线分布如图1(c)、图1(d)，从中可以看出种植前0～20 cm含水量在水平尺度方向上表现出西高东低的变化趋势，等值线分布东密西疏；20 cm以下，0～200 m含水量随深度的增加逐渐增加； 60～120 cm、400～600 m段土壤含水量随深度增加而减少；40～60 cm土层等值线变化幅度明显高于其他土层，含水量低值和高值在空间分布上共存。种植后，土壤含水量等值线变的均匀，0～40 cm空间变异强度降低，空间变异性随着深度的增加逐渐增长的趋势。

图1 种植前后土壤盐分和水分空间分布图Fig.1 Distribution of soil salt content and water content at different soil layerers planting period

由空间分布分析可知，实验区浅层土壤盐分和水分均成西部高于东部，土壤盐分和水分主要从西部向东部逐渐降低，盐分变化比水分的变化更加复杂。在实验区西部有一条十余米宽的生产道路，盐分向此处聚集，路边地下埋着有供水干管，灌溉水量相对充足而造成西部水分和盐分偏高。实验区长期实行膜下滴灌，灌溉水量少而不能充分洗淋土壤中盐分可能是导致盐分分布格局形成的另一个重要因素。从局部上看，土壤盐分最高值在研究区的中间部位，且在该范围内空间变异性最大，这是由于土壤盐分与微地形、气候条件等因素密切相关，导致该部位地势较高处土壤盐分的积聚性和空间变异性要明显强于其他部位[16]。

2.5 土壤盐分和水分的相关分析

采用Pearson相关性分析法，分析土壤各层含盐量和含水量之间的关系。如表2所示，土壤水盐的Pearson相关性比较：①种植前0～20 cm土层高度相关，100～120 cm土层相关性弱；②种植后，0～40 cm为中度相关，80～100 cm相关性增加。通过对比种植前后土壤水分与盐分的Pearson相关性，种植后各层土壤水分和盐分相关性更加趋于均匀，说明种植和灌溉活动影响了土壤的水分和盐分的相关性。

表2 土壤盐分与水分Pearson相关系数Tab.2 Soil salt content and soil moisture Pearson correlation coefficient

注：*表示置信水平0.01；**表示置信水平0.05。

3 结 语

干旱区膜下滴灌棉田土壤盐渍化问题是影响干旱区农业生产的重要因素。影响土壤盐分的分布因素不仅包括降水量、蒸发量、作物种植类型、地表覆盖程度等，还与灌溉水质、土壤成土母质、土层结构、化肥使用等因素有关。影响土壤盐分的因素不仅多而且复杂，也就造成土壤盐分变异相对复杂。膜下滴灌棉田经过多年种植后，土壤盐分自上而下逐渐增加。盐分在土壤一定层面上的积累，对长期盐分积累是一个需要关注的问题[17]。

结合上述，主要结论如下。

(1)经典统计学分析表明，各层土壤含水量均值差距较小，种植前土壤含水量在水平方向上的变异系数分布区间在[0.13，0.36]之间，变异程度属于中等偏弱，种植后，含水量变异系数相比种植前明显减小；种植后土壤盐分在水平方向上的变异系数分布区间在[0.46，0.91]之间，变异程度属于中等偏强，各土层土壤含盐率变异系数差值较大，在40～60 cm土壤变异系数值较高，土壤盐分变异分布总体上成自上而下先增大后减小的波动趋势。

(2)采用聚类分析法分析土壤水分和盐分的活跃层次，表明了生育期灌溉对土壤水分影响大于对盐分的影响。Pearson相关分析表明，种植活动对土壤水分和盐分的相关性变化具有显著的影响。

(3)由土壤水盐的空间分布显示，种植前土壤盐分空间分布格局较为杂乱，低值和高值数量多且分布交错。灌溉后，自上而下土壤盐分等值线逐渐变得密集，0～20 cm空间变异自东向西逐渐增大。土壤水分在种植前等值线密集，变异程度大；种植后等值线变得比较均匀。0～20 cm含水量变化自东向西逐渐增大。灌溉后土壤水分等值线变得均匀，土壤盐分由于受影响因素多，等值线的变化比土壤水分等值线变化复杂。

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