陜北沙地節(jié)水灌溉與土壤肥力變化研究

馬超群，張 暉，解 蕾，趙永華

(1.長安大學 地球科學與資源學院，陜西 西安 710054；2.陜西省土地整理中心，陜西 西安 710003)

陜北沙地節(jié)水灌溉與土壤肥力變化研究

馬超群1，張 暉2，解 蕾2，趙永華1

(1.長安大學 地球科學與資源學院，陜西 西安 710054；2.陜西省土地整理中心，陜西 西安 710003)

采集陜北沙地、實施節(jié)水灌溉技術(shù)的改良地和川道熟地中土壤水分、溫度及養(yǎng)分指標，分析土壤肥力變化狀況。結(jié)果表明：土壤水、溫與改良狀態(tài)和灌溉方式有較高相關(guān)性，呈現(xiàn)出無灌溉設施的改良地高于沙地，無覆膜有灌溉設施的田塊高于無灌溉設施田塊，覆膜田塊高于未覆膜田塊；改良地的有機質(zhì)、全氮、速效鉀、全鹽等養(yǎng)分指標含量均優(yōu)于未改良沙地，且除速效磷外，各養(yǎng)分指標有隨農(nóng)業(yè)利用歷史增長而增加的趨勢。通過改良可以有效改善陜北沙地水分和養(yǎng)分條件；合理的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)措施可以進一步提高改良地土壤肥力水平。

沙地；節(jié)水灌溉；土壤水分；土壤肥力；陜北

近年來隨著能源開發(fā)，工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進程加快，陜北長城沿線風沙區(qū)社會經(jīng)濟快速發(fā)展，臨近城鎮(zhèn)區(qū)域大量耕地被占用，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基礎受到較大影響。增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地面積，提高土地生產(chǎn)能力，成為該區(qū)域保障糧食安全的必由之路。同時該地區(qū)面臨嚴重的沙漠化威脅，建國后就開展了大規(guī)模的流沙治理工作，通過生物、機械和化學固沙，有效地扼制了沙漠的擴張，并利用引水拉沙、機械推沙和人工平整，辟沙造田對風沙地進行改良，取得了突出的效果。但陜北長城沿線風沙區(qū)土質(zhì)疏松、保水性差，肥水流失嚴重，嚴重影響作物產(chǎn)量。如何通過技術(shù)措施減少土壤水分無效蒸發(fā)和下滲，通過保水達到保肥的目的提高土壤肥力，已成為影響該地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進一步發(fā)展的制約因素[1]。

目前，關(guān)于陜北沙地利用的研究已取得了大量成果，但受區(qū)域生態(tài)脆弱性影響，研究多集中在生態(tài)保護與農(nóng)業(yè)資源合理利用方面，從理論構(gòu)建和宏觀規(guī)劃進行了大量研究[2][3][4][5][6]，而涉及土地水肥的微觀研究[7][8]相對不足；近年來，在砒砂巖與沙復配成土這一新技術(shù)領域[9][10][11][12]的沙地整治和改良的研究不斷涌現(xiàn)，但對于傳統(tǒng)墊土改良的方式也無過多關(guān)注。而在陜北沙地整治過程中，覆土改良仍是目前區(qū)域治沙的主要方式，這部分改良地土壤水分和肥力變化地成為了研究盲點。本文通過對不同土地類型土壤水分、溫度、養(yǎng)分條件的對比觀測，探求節(jié)水灌溉對沙地改良的影響。

1 研究區(qū)概況

陜北長城沿線風沙區(qū)地處毛烏素沙地東南緣、陜西黃土高原北部，古長城從東北向西橫穿而過，包括榆林市長城沿線的定邊、靖邊、橫山、神木、府谷和榆陽6縣(區(qū))及佳縣的極小部分，總土地面積占榆林市總面積的47.23%，占陜西省土地面積的9.5%。陜北長城沿線風沙區(qū)地勢平坦，屬于典型的中溫帶大陸性氣候，四季分明，風沙大，氣候干燥少雨，年蒸發(fā)量高達2 000 mm以上，而多年平均降雨量僅為316～445 mm，且降水變率大，干旱極易發(fā)生，大小旱情年均3.4～4.1次[13]。沙地區(qū)土質(zhì)松散，透水性強，降水易于蒸發(fā)、下滲，并帶走表土中的養(yǎng)分，土壤貧瘠。干旱的氣候，水資源的貧乏是制約本區(qū)域沙地土地整治與開發(fā)利用的瓶頸，單純依靠降水很難滿足作物生長需求，節(jié)水灌溉技術(shù)是該區(qū)域解決這一瓶頸的主要途徑[14]。

2 樣地及實驗方法

在榆林市榆陽區(qū)和靖邊縣分別選擇沙地和實施節(jié)水灌溉技術(shù)的改良地作為水分、養(yǎng)分觀測樣地。改良地通過機械推沙和人工平整墊50 cm厚黃土，并配套灌溉措施，其中榆陽區(qū)樣地為改良后第一年用于生產(chǎn)，靖邊縣樣地為投入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)5年的改良后沙地。同時在靖邊縣客土源區(qū)選擇持續(xù)利用的耕地作為養(yǎng)分對照樣地。

土壤水分觀測在榆陽區(qū)和靖邊縣改良地分別對沙地、無灌溉措施改良地、噴灌地、滴灌地、地膜覆蓋地等不同節(jié)水技術(shù)方式下地塊土壤含水量進行觀測，觀測時間分別為2014年5月和2014年8月，取樣土層為0～30 cm，采用TRIME TDR法觀測。其中榆陽區(qū)樣地內(nèi)觀測點25個，靖邊縣樣地內(nèi)觀測點15個。土壤養(yǎng)分觀測則分別對改良地和對照耕地的有機質(zhì)、全氮、速效磷、速效鉀、pH、全鹽進行觀測，以隨機方式進行采樣，取樣土層為0～30 cm。其中榆陽區(qū)改良地樣地取樣16個，靖邊縣改良地樣地取樣6個，靖邊縣客土源地區(qū)耕地取樣16個。土樣檢測中，有機質(zhì)用重鉻酸鉀外加熱氧化法測定；全氮用半微量凱氏法測定；速效鉀含量采用NH4OAc浸提，原子吸收法測定；速效磷含量采用NaHCO3浸提，鉬銻抗比色法測定[15][16][17]。數(shù)據(jù)錄入及分析采用統(tǒng)計Excel和SPSS19.0軟件。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同節(jié)水措施下土壤水分條件變化

土壤水分是沙地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中最重要影響因子，決定著沙地土壤的演化和土地生產(chǎn)力，制約著沙地植被的形成和發(fā)展。陜北風沙地區(qū)，降水量少，蒸發(fā)量大。通過節(jié)水灌溉措施達到減少蒸發(fā)和無效損耗，提高作物根系周圍的土壤含水量，保證作物生長需要是節(jié)水灌溉的主要目的。

圖1 榆陽沙區(qū)農(nóng)田土壤水分監(jiān)測

圖1反映了榆陽區(qū)采用不同節(jié)水灌溉技術(shù)的改良的地塊中作物耕作層0～30 cm深度的土壤水分、土壤溫度等數(shù)據(jù)。對實驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析可發(fā)現(xiàn)(圖1)，背景沙地土壤通氣性好，幾乎無毛管作用，故持水力差，導致其土壤含水量很低，平均值為僅為3.5%；改良地由于有50 cm左右客黃土覆蓋，加之采用節(jié)水灌溉技術(shù)，含水量顯著提高，其中以“滴灌+地膜”地塊含水量最高，平均值為20.90%，兩者相差近6倍。土壤溫度在各不同地塊中也呈現(xiàn)規(guī)律性變化，其中以背景沙地最高，為22.5℃，最低為“覆膜”地塊，平均溫度為18.95℃。經(jīng)過對樣地水分、溫度數(shù)據(jù)進行分析可以看出，水分含量在各地塊間呈現(xiàn)出：沙地<未灌改良地塊<噴灌地塊<滴灌地塊<“滴灌+地膜”地塊；溫度則表現(xiàn)為：沙地>未灌改良地塊>噴灌地塊≈滴灌地塊>“滴灌+地膜”地塊。改良地土壤水分和溫度條件明顯優(yōu)于沙地。

同時，經(jīng)一維方差分析，可以看出改良地中不同節(jié)水灌溉方式下水分和溫度指標差異較大，組間差異顯著(表1)，說明節(jié)水灌溉方式對土壤中的水分含量與熱量指標有直接影響。

表1 榆陽土樣一維方差分析結(jié)果

進一步通過相關(guān)性分析可以看出(表2)，灌溉技術(shù)方式與土壤水分和土壤溫度之間有顯著的相關(guān)性，其相關(guān)性達到0.601；而土壤水分與土壤溫度之間也具有較明顯的相關(guān)性，其相關(guān)性指標達到0.49。

表2 榆陽區(qū)不同灌溉類型土壤水分和溫度相關(guān)性分析

通過對土壤水、溫數(shù)據(jù)進行分析，可以發(fā)現(xiàn)改良地的水、溫條件明顯優(yōu)于當?shù)厣车?。然而這僅是榆陽區(qū)一地的特點，陜北其他地區(qū)是否具有同樣特征，仍有待檢驗。

為了驗證陜北風沙區(qū)其他地區(qū)改良地得水溫條件是否優(yōu)于當?shù)厣车?，?014年8月，在榆陽區(qū)南部，降水條件略優(yōu)于榆陽區(qū)的靖邊縣進行了再次調(diào)查(見圖2)。

圖2 靖邊沙區(qū)農(nóng)田土壤水分監(jiān)測

靖邊縣改良地的土壤水、溫數(shù)據(jù)中，沙地含水量最小，平均值僅為5.45%，而客土覆蓋后的改良地水分含量較大提高，達到6.76%，有灌溉設施的地塊含水量則進一步提高。雖然靖邊縣樣地和榆陽區(qū)樣地相比較，在灌溉類型、土壤水分和土壤溫度三者的相關(guān)性數(shù)值上略有不同(表3)，但三者具有比較明顯的相關(guān)性，同樣說明灌溉方式對土壤水、溫指標有較強的影響。另外，從總變化特征來看，靖邊縣樣地具有與榆陽區(qū)同樣的水、溫變化特征，整體呈現(xiàn)出改良地土壤水分和溫度條件明顯優(yōu)于沙地；而改良地中不同節(jié)水灌溉方式下水分和溫度指標差異明顯。

表3 靖邊縣不同灌溉類型土壤水分和溫度相關(guān)性分析

由此可以看出，陜北長城沿線風沙地區(qū)的風沙土主要由砂粒組成，通氣性好，水分易流難存，水分含量低，熱容小，土壤升溫快、降溫亦很迅速，土壤理化條件變幅大。通過墊土改良后，有效改善了土壤通透性能,，提高了土壤保水能力，增大了土壤熱容，提高了土壤保溫能力。采用不同節(jié)水灌溉方式的地塊，其水分含量大致可以分為四個含量水平：無灌溉設施的改良地高于沙地，無覆膜有灌溉設施的田塊高于無灌溉設施田塊，覆膜田塊高于未覆膜田塊。實驗數(shù)據(jù)說明在陜北風長城沿線沙地區(qū)采用節(jié)水灌溉措施是提高改良土地土壤水分、緩解旱情的重要措施。沙地整治后的節(jié)水技術(shù)可以分成灌溉和保水兩方面，采用節(jié)水灌溉的方式可以使水分更有效的達到作物根系，被作物利用，表膜和地膜等保水措施可以減少土壤水分的無效損耗，進一步提升節(jié)水灌溉的效果，二者相輔相成共同使用可以極大改善沙地農(nóng)業(yè)土壤水分條件[18]。

3.2 土壤養(yǎng)分

表4是各樣地土壤養(yǎng)分。各樣地中土壤有機質(zhì)含量最低為0.074%，最高為0.94%，有機質(zhì)含量水平差異較大。沙地、新改良地、多年耕種的改良地、耕地之間有機質(zhì)平均含量的比值為1：1.66：3.15：5.80。各樣地全氮含最低為0.10%，最高為0.964%，經(jīng)對比可以看出，全氮平均含量水平同樣具有沙地<新改良地<多年耕種改良地<耕作熟地的特征；速效鉀在各樣地內(nèi)的含量水平與有機質(zhì)和全氮的分布特征相似，但其最低值及最低平均值均出現(xiàn)在新改良地中分別為1.73 ppm和4.59 ppm，最高值和最高平均含量仍屬熟地，除沙地外在農(nóng)業(yè)用地類型中仍呈現(xiàn)出養(yǎng)分指標隨耕種時間延長而增加的趨勢；速效磷最高值為79.94 ppm，最低為1.650 ppm，其平均含量表現(xiàn)為農(nóng)業(yè)用地高于未改良沙地，而在農(nóng)業(yè)用地類型內(nèi)則呈現(xiàn)不同變化趨勢，平均含量新改良地>多年耕種改良地>熟地>沙地，可能是由于人工施肥和農(nóng)作物長期吸收所導致的養(yǎng)分水平差異；全鹽含量最高為1 090 mg/kg，最低為342.5 mg/kg，其在各樣地內(nèi)的分布特征與速效磷一致，但在改良后的地塊中變幅微小，改良地鹽分含量水平高于未改良地說明沙土通透性強、養(yǎng)分易流失的缺點得到了改善[8]。

表4 樣地土壤養(yǎng)分含量對比表

通過對各樣地土壤養(yǎng)分含量的分析可以看出，農(nóng)業(yè)用地地塊各養(yǎng)分指標均優(yōu)于未改良沙地，而在農(nóng)業(yè)用地類型內(nèi)部，改良地與耕種熟地相比，改良地土壤肥力水平偏低，土壤中有機質(zhì)含量、磷含量明顯不足，是影響土地質(zhì)量的限制因素。其主要是由于以下原因形成的：一方面，平整后鋪墊的客黃土屬生土，缺乏肥力積累，因此養(yǎng)分含量水平低下；另一方面，新改良地未經(jīng)耕種，生物作用弱，有機質(zhì)含量少、養(yǎng)分含量低。同時，采用國家土地復墾技術(shù)標準中土壤肥力指標進行對比，可以發(fā)現(xiàn)，改良地土壤肥力屬于低肥力土地，長期耕作熟地則可達到中肥力土地。這些問題在生產(chǎn)初期會對產(chǎn)量造成一定影響，但沙土地通過墊土改良后，有效改善了土壤通透性能，從而使土壤的肥力水平可以得到持續(xù)提高。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動則繼續(xù)通過長期的有效灌溉、施肥，對土地不斷投入，土壤中有機質(zhì)、氮、磷、鉀含量提升顯著，其肥力水平得到持續(xù)提升[8]。新改良地、多年耕種改良地和耕作熟地之間的養(yǎng)分變化趨勢也證明了這一點，說明合理的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動有利于土壤改良。

4 結(jié)語

經(jīng)過對沙地區(qū)域?qū)嵤┕?jié)水灌溉的改良地和未改良樣地進行觀測，結(jié)果表明：

(1)在實施節(jié)水灌溉的地塊中，采用不同節(jié)水措施會使土壤水、溫條件產(chǎn)生較大差異。采用先進灌溉技術(shù)，減少沙土無效下滲的同時，防止土壤水分蒸發(fā)是提高土壤水分含量的重要措施；

(2)陜北長城沿線風沙區(qū)背景沙土中水分、土壤溫度和土壤養(yǎng)分含量條件都遜于改良地，通過節(jié)水灌溉措施和覆土改造可以有效改善沙土土質(zhì)疏松，通透性強，保水保肥能力差的缺點，提高土壤肥力；

(3)長期的合理的農(nóng)業(yè)利用可以提高土壤中有機質(zhì)、氮、速效鉀及全鹽等養(yǎng)分的含量，顯著提高改良地肥力水平，縮小與耕作熟地之間的養(yǎng)分差距。

陜北長城沿線風沙區(qū)沙地面積約 35 萬 hm2，地形平坦，具有較豐富的地下水資源，經(jīng)過合理規(guī)劃和布局后，預計每年均可為陜西提供 0.3～0.5 萬 hm2補充耕地。長城沿線風沙區(qū)又是典型的生態(tài)脆弱區(qū)，在該區(qū)域進行農(nóng)業(yè)開發(fā)具有很大生態(tài)風險。但在該區(qū)域目前仍有大量處于實際利用狀態(tài)的未改良沙地，如以現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)形式進行統(tǒng)一改良，一方面可以增強土地肥力提高生產(chǎn)力，消除土地疏松易風蝕的缺陷；另一方面通過節(jié)水技術(shù)的實施，可以在同等生產(chǎn)能力下減少水資源消耗[19]。對沙土地進行改良是一個長期系統(tǒng)工作，改良地水肥耦合研究仍需進一步深入，對該地區(qū)環(huán)境友好的新開發(fā)模式進行系統(tǒng)研究，并進而從深層次解釋如何實現(xiàn)人類活動和荒漠化區(qū)域資源開發(fā)之間的協(xié)調(diào)、平衡，使土地改良技術(shù)更加科學合理，并有利于推廣。

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The research on application of water saving technologies and the improvement of soil fertility in sandy land in North of Shaanxi

MA Chao-qun1，ZHANG Hui2，XIE Lei2，ZHAO Yong-hua1

(1.College of Earth Science and Resources, Chang’an University, Xi’an 710054, China；2.Center for Land Consolidation of Shaanxi Province, Xi’an 710061, China)

The changes of soil fertility conditions has been analyzed by collecting soil moisture, temperature and nutrients index of sandy land, land improved by water saving irrigation technologies in north of shaanxi. The correlation among soil water content, soil temperature and land use type is greater. The soil water content and temperature of sandy land is the smallest, then is that of non-irrigation plot, then is irrigation plot, the plastic film mulched plot has the highest soil water content and temperature. The organic matter, total nitrogen, available potassium, total nutrient indexes such as salt content in improved land are better than sandy land which is not improved. In addition to the available P, each nutrient indexes have increasing trend with the historical growth of agricultural use.Through the improvement the moisture and nutrient conditions of sandy land can effectively improved in north of shaanxi.While through scientific and rational use of land, the level of soil fertility will be further improve.

sandy land；water saving technologies；soil water content；soil fertility；North of Shaanxi

2016-10-17

陜西省國土資源廳沙地整治節(jié)水灌溉研究項目(214029140183)；教育部項目(12XJC840001)；中央高?；?2013G6274063,2013G1271094)

馬超群(1976-)，男，陜西西安人，博士，主攻方向：土地利用和覆被變化研究。

S274

A

1004-1184(2017)01-0073-04