由國棟，虎膽·吐馬爾白，朱海清

(1. 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 830052；2. 山東省濱州市小開河引黃灌溉管理局，山東 濱州 256600)

新疆地處干旱區(qū)，降水少、蒸發(fā)強(qiáng)烈，土壤鹽漬化是威脅農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)這重要因素。防止土壤次生鹽堿化，對實(shí)現(xiàn)土壤生態(tài)化利用重要意義。新疆地區(qū)現(xiàn)有耕地413 萬hm2，由于鹽漬化造成的低產(chǎn)田占耕地面積31%[1]。膜下滴灌技術(shù)具有保墑、增溫、適時(shí)適量的灌溉、在作物根區(qū)形成適宜作物生長的水鹽環(huán)境，逐漸顯示出對鹽漬地水鹽動態(tài)調(diào)控的機(jī)制，已成為我國西北內(nèi)陸干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉的重要發(fā)展模式，目前，新疆膜下滴灌應(yīng)用面積已突破200 萬hm2[2]。

由于干旱區(qū)降水少、蒸發(fā)強(qiáng)烈，耕種活動年復(fù)一年的實(shí)施造成土壤中鹽分逐漸累積。加強(qiáng)干旱區(qū)土壤水鹽變化規(guī)律的研究防止土壤次生鹽堿化，對干旱區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有非常重要的意義。目前，國內(nèi)外許多學(xué)者對干旱區(qū)土壤水分和鹽分的變化進(jìn)行了大量研究。 C. G. Ladenburger等[3]對美國懷俄明州檉柳生長區(qū)土壤特性研究表明，鹽分在表層最大。T. M. Burgess和R.Webster[4]將區(qū)域化變量理論和Kriging估值方法引入土壤科學(xué)的研究。牟洪臣等[5]研究認(rèn)為膜下滴灌技術(shù)使用初期可使土壤鹽分含量下降，但是使用9 a以后，田間土壤鹽分逐步增加。同類研究還認(rèn)為膜下滴灌棉花生育期內(nèi)鹽分在膜間0～40 cm強(qiáng)烈聚集[6]。谷海斌等比較了石河子灌區(qū)和瑪納斯灌區(qū)2個(gè)灌區(qū)的土壤鹽漬化程度的分布狀況，得出了2個(gè)灌區(qū)仍存在土壤積鹽趨勢，普遍存在鹽漬化的威脅[7]。前人研究成果對于膜下滴灌技術(shù)的應(yīng)用具有非常重要的指導(dǎo)和實(shí)踐作用，但由于土壤水鹽運(yùn)移的復(fù)雜性、受外界條件影響的多樣性，水鹽運(yùn)移理論還有待我們進(jìn)一步探索和研究。

本文采用傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析相結(jié)合的方法，以長期膜下滴灌棉田為研究對象，通過對耕種多年的土壤分層取樣，探討了該地區(qū)膜下滴灌棉田土壤水分和鹽分的分布特征，以期為防止次生鹽漬化和改良鹽漬地、土壤評價(jià)提供理論基礎(chǔ)，為膜下滴灌技術(shù)的科學(xué)利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)概況

本試驗(yàn)區(qū)在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)石河子市121團(tuán)，位于天山北麓、準(zhǔn)噶爾盆地南緣，地處歐亞大陸腹地(44°46′55″N，85°32′50″E平均海拔337.1 m)。該地區(qū)光照充足、熱量豐富、夏季炎熱，年降水量為141.8 mm，年蒸發(fā)量1 826.2 mm，降水稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，具有典型的大陸性荒漠氣候特點(diǎn)[8]。本實(shí)驗(yàn)區(qū)所選棉田屬于統(tǒng)一灌溉區(qū)，種植作物為棉花，灌溉制度相同，棉花實(shí)行“干播濕出”，播種后澆灌一次出苗水，保證棉花出苗。

1.2 試驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采用GPS定位，土鉆取樣，取樣深度分別為0、20、40、60、80、100、120 cm。取土?xí)r間2013年4月10- 22日，對2003年種植的棉田作為實(shí)驗(yàn)區(qū)，分別于棉花種植前和播種完成澆出苗水一周后。取樣方案：沿南北、東西方向每隔100 m采集土樣，每次取樣在同一位置取土。利用烘干法測出土壤的質(zhì)量含水率，將烘干的土樣磨碎、過篩，取18 g土和90 g蒸餾水按土水比1∶5混合攪拌浸泡，攪拌均勻后沉淀，利用電導(dǎo)儀測定溶液的電導(dǎo)率，然后換算成土壤的總含鹽量。棉田于4月15日灌溉出苗水，灌水一周后進(jìn)行取樣。

數(shù)據(jù)處理采用Spss13.0、圖表采用surfer繪制。

2 結(jié)果和分析

2.1 土壤水分和鹽分的變化

春季是棉花播種期，北疆地區(qū)一般采用“干播濕出”的種植方式，種植后灌溉一次出苗水。從表1知，鹽分峰值點(diǎn)種植前主要集中在40～80 cm，種植后鹽分的峰值點(diǎn)主要集中在60 cm以下土層，這由于經(jīng)過多年的種植土壤鹽分產(chǎn)生累積，種植后灌溉澆水對土壤鹽分洗淋作用明顯。種植前后在0、20、40 cm土壤含鹽量均值分別降低58%、60%、68%。灌溉后在0～120 cm土壤鹽分均值垂直分布自表層向下呈遞增趨勢，越往深層變化越平緩，淺層土壤鹽分在滴灌水作用下不斷向下運(yùn)移，可見膜下滴灌灌溉具有明顯的局部抑鹽作用。

土壤水分變化狀況從表1可知，在表層(0 cm)土壤含水率種植前為11%～25%，種植后土壤含水率為17%～29%，可見土壤表層土壤含水率增大，隨著土壤深度的增加含水率增幅逐漸減少。從均值可看出，0 cm含水量增加17%，60 cm增加6.1%，20～40 cm種植后水分均值偏小。種植后在灌溉水的作用下，土壤鹽分均值自上而下呈增加趨勢，土壤水分均值在表層和60 cm以下土層增加，這可能是由于土壤土質(zhì)結(jié)構(gòu)和分層不均勻造成的。

表1 土壤水鹽含量統(tǒng)計(jì)特征值Tab.1 Statics of water salinity contents soil layers

注：N表示正態(tài)分布，LN表示對數(shù)正態(tài)分布；Ⅰ表示活躍層，Ⅱ表示穩(wěn)定層。

2.2 土壤水分和鹽分特征分析

土壤作為時(shí)間和空間上的連續(xù)體，其自然屬性的變異是許多因素相互作用的結(jié)果，具有尺度上的相關(guān)性[9]。變異系數(shù)是描述變量特征的重要參數(shù)，Cv﹤0.1為弱變異性，0.1≤Cv≤1為中等變異性，Cv﹥1為強(qiáng)變異性[10]，變異程度反映了一組變量的重要程度、反映了不同土層土壤水分和鹽分變異程度差異。由表1可知，實(shí)驗(yàn)區(qū)土壤含水量的變異屬于中等偏弱變異程度，不同土層間的變異程度有明顯的差異性。種植前后表層土壤水分的變異系數(shù)較大，分別為29%、19%；在0～40 cm，土層越深含水量變異幅度越??；60 cm以下土層水分變異系數(shù)較大，可能是由于土壤中含有黏粒分層，影響土壤水分入滲和蒸發(fā)；土壤水分變異程度在垂直剖面上變異系數(shù)相差不大。土壤鹽分在40～80 cm鹽分變異系數(shù)比較高，灌溉前在40 cm土層鹽分變異程度強(qiáng)，這可能是由于多年種植導(dǎo)致鹽分在土壤中產(chǎn)生產(chǎn)生累積造成的。土壤含鹽量的變異性明顯大于含水量的變異性，可能這是由于影響鹽分分布的因素較多，這與姚江榮、李子忠等[11,12]人的分析結(jié)果相同。

2.3 土壤剖面水分和鹽分變化層次

為了研究土壤鹽分和水分活躍程度，采用基于標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)兩個(gè)指標(biāo)的分析方法[13]。土壤活躍程度不僅可以反映出自然因素的影響大小，而且也可以顯示出人類灌溉、耕種、施肥等人為因素的干擾強(qiáng)度[14]。用聚類分析法，分別對各時(shí)期土壤剖面水、鹽含量垂直變化進(jìn)行了分層，并判定各土層的變化類型[15]。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)將其劃分為2層：活躍層、穩(wěn)定層。

由表1可知，土壤鹽分種植前表現(xiàn)為表層活躍，底層穩(wěn)定的，種植后鹽分的活躍程度變得規(guī)律性更強(qiáng)，隨著土壤深度的增加，土壤鹽分活躍性逐漸變小的趨勢。土壤水分在種植前和種植后，表現(xiàn)出相反的活躍性，種植前，表層活躍，底層穩(wěn)定，種植后水分活躍程度變化與灌溉前相反，說明種植灌溉對土壤水分影響大，對土壤鹽分的影響因素小于其他因素對其的影響。

2.4 土壤水分和鹽分空間等值線變化

在進(jìn)行地統(tǒng)計(jì)分析前，采用SPSS軟件的單樣本K-S方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)(表1)，結(jié)果表明土壤鹽分和水分?jǐn)?shù)據(jù)大多服從正態(tài)分布，部分?jǐn)?shù)據(jù)服從對數(shù)正態(tài)分布，符合地統(tǒng)計(jì)學(xué)要求。利用Surfer軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行Kriging插值，并繪制空間分布等值線圖，等值線的密集程度反映了變量的空間變異性。

從圖1(a)、圖1(b)，分析種植前和種植后土壤鹽分空間分布變化可知，種植前土壤鹽分變化分布差異大，空間分布規(guī)律性不十分明顯，分布格局較為雜亂[圖1(a)]。0～20 cm含鹽量變化幅度??；40～80 cm等值線密集，高值和低值交錯；在40～80 cm、200～400 m段等值線密集度高，鹽分含量也高；100 cm以下等值線相對均勻?？傮w上種植前土壤鹽分空間分布格局較為雜亂，低值和高值數(shù)量多且分布交錯，由于試驗(yàn)區(qū)實(shí)行膜下滴管灌棉花種植，土壤的耕種活動可能是這種現(xiàn)象形成的重要因素。種植后，0～20 cm含鹽量變化相對于種植前等值線的變化幅度大，在水平尺度上等值線明顯減少。在80～120 cm，400～600 m段種植后鹽分空間變異大、等值線密集。淺層土壤鹽分空間變異自東向西逐漸增大，自上而下土壤鹽分等值線變得更密集。

土壤水分等值線分布如圖1(c)、圖1(d)，從中可以看出種植前0～20 cm含水量在水平尺度方向上表現(xiàn)出西高東低的變化趨勢，等值線分布東密西疏；20 cm以下，0～200 m含水量隨深度的增加逐漸增加； 60～120 cm、400～600 m段土壤含水量隨深度增加而減少；40～60 cm土層等值線變化幅度明顯高于其他土層，含水量低值和高值在空間分布上共存。種植后，土壤含水量等值線變的均勻，0～40 cm空間變異強(qiáng)度降低，空間變異性隨著深度的增加逐漸增長的趨勢。

圖1 種植前后土壤鹽分和水分空間分布圖Fig.1 Distribution of soil salt content and water content at different soil layerers planting period

由空間分布分析可知，實(shí)驗(yàn)區(qū)淺層土壤鹽分和水分均成西部高于東部，土壤鹽分和水分主要從西部向東部逐漸降低，鹽分變化比水分的變化更加復(fù)雜。在實(shí)驗(yàn)區(qū)西部有一條十余米寬的生產(chǎn)道路，鹽分向此處聚集，路邊地下埋著有供水干管，灌溉水量相對充足而造成西部水分和鹽分偏高。實(shí)驗(yàn)區(qū)長期實(shí)行膜下滴灌，灌溉水量少而不能充分洗淋土壤中鹽分可能是導(dǎo)致鹽分分布格局形成的另一個(gè)重要因素。從局部上看，土壤鹽分最高值在研究區(qū)的中間部位，且在該范圍內(nèi)空間變異性最大，這是由于土壤鹽分與微地形、氣候條件等因素密切相關(guān)，導(dǎo)致該部位地勢較高處土壤鹽分的積聚性和空間變異性要明顯強(qiáng)于其他部位[16]。

2.5 土壤鹽分和水分的相關(guān)分析

采用Pearson相關(guān)性分析法，分析土壤各層含鹽量和含水量之間的關(guān)系。如表2所示，土壤水鹽的Pearson相關(guān)性比較：①種植前0～20 cm土層高度相關(guān)，100～120 cm土層相關(guān)性弱；②種植后，0～40 cm為中度相關(guān)，80～100 cm相關(guān)性增加。通過對比種植前后土壤水分與鹽分的Pearson相關(guān)性，種植后各層土壤水分和鹽分相關(guān)性更加趨于均勻，說明種植和灌溉活動影響了土壤的水分和鹽分的相關(guān)性。

表2 土壤鹽分與水分Pearson相關(guān)系數(shù)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 結(jié) 語

干旱區(qū)膜下滴灌棉田土壤鹽漬化問題是影響干旱區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要因素。影響土壤鹽分的分布因素不僅包括降水量、蒸發(fā)量、作物種植類型、地表覆蓋程度等，還與灌溉水質(zhì)、土壤成土母質(zhì)、土層結(jié)構(gòu)、化肥使用等因素有關(guān)。影響土壤鹽分的因素不僅多而且復(fù)雜，也就造成土壤鹽分變異相對復(fù)雜。膜下滴灌棉田經(jīng)過多年種植后，土壤鹽分自上而下逐漸增加。鹽分在土壤一定層面上的積累，對長期鹽分積累是一個(gè)需要關(guān)注的問題[17]。

結(jié)合上述，主要結(jié)論如下。

(1)經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)分析表明，各層土壤含水量均值差距較小，種植前土壤含水量在水平方向上的變異系數(shù)分布區(qū)間在[0.13，0.36]之間，變異程度屬于中等偏弱，種植后，含水量變異系數(shù)相比種植前明顯減小；種植后土壤鹽分在水平方向上的變異系數(shù)分布區(qū)間在[0.46，0.91]之間，變異程度屬于中等偏強(qiáng)，各土層土壤含鹽率變異系數(shù)差值較大，在40～60 cm土壤變異系數(shù)值較高，土壤鹽分變異分布總體上成自上而下先增大后減小的波動趨勢。

(2)采用聚類分析法分析土壤水分和鹽分的活躍層次，表明了生育期灌溉對土壤水分影響大于對鹽分的影響。Pearson相關(guān)分析表明，種植活動對土壤水分和鹽分的相關(guān)性變化具有顯著的影響。

(3)由土壤水鹽的空間分布顯示，種植前土壤鹽分空間分布格局較為雜亂，低值和高值數(shù)量多且分布交錯。灌溉后，自上而下土壤鹽分等值線逐漸變得密集，0～20 cm空間變異自東向西逐漸增大。土壤水分在種植前等值線密集，變異程度大；種植后等值線變得比較均勻。0～20 cm含水量變化自東向西逐漸增大。灌溉后土壤水分等值線變得均勻，土壤鹽分由于受影響因素多，等值線的變化比土壤水分等值線變化復(fù)雜。

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