薛 敏， 高明秀，2， 王卓然， 鞏騰飛

(1.山東農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，山東泰安 271018； 2.土肥資源高效利用國家工程實驗室，山東泰安 271018)

合理開發(fā)利用鹽堿地是補充耕地、堅守1.2億hm2耕地紅線和提升耕地綜合產(chǎn)能、確保我國國家糧食安全的重要途徑[1]。土壤鹽堿瘠薄、淡水資源匱乏是鹽堿地區(qū)開發(fā)的根本障礙和主要限制因素[2]，及時掌握土壤水鹽分布及其運動規(guī)律是改良利用鹽堿地的首要問題。土壤水鹽運動受氣候、地形、地貌、水文地質(zhì)以及人類活動等多種因素的作用[3]，土壤水鹽運動的時空變異規(guī)律較為復雜，受到國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注。Panagopoulos等運用地質(zhì)統(tǒng)計學與地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)技術(shù)研究地中海地區(qū)的土壤鹽分變異性，探討了Kriging 插值方法[4]。Odeh等運用統(tǒng)計回歸對澳大利亞新南威爾士半干旱地區(qū)土壤鹽分和土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進行空間分析和預報研究[5]。Douaik等利用貝葉斯最大熵法分析了匈牙利東部田間土壤鹽分的時空變異[6]。20世紀90年代以來，國內(nèi)關(guān)于不同尺度水平土壤鹽分空間變異的研究不斷增多[7-9]。楊紅梅等研究了塔里木河下游土壤表層鹽分的空間變異格局[10]。鄭佳偉等分析了在農(nóng)牧活動、植被覆蓋及節(jié)水灌溉等影響下內(nèi)蒙古河套地區(qū)土壤的空間變異性[11]。白由路等研究了黃淮海、銀川平原土壤鹽分的空間格局[12-13]。賈艷紅等研究了黑河下游地下水波動帶不同土層鹽分的空間變異性[14]。采樣尺度的劃分和選取與土壤水鹽的空間變異性關(guān)系密切[15]，國內(nèi)研究較多集中于內(nèi)陸鹽堿地和宏觀區(qū)域尺度，而對濱海鹽堿地特別是面向糧食生產(chǎn)、服務(wù)農(nóng)田管理的田塊小尺度、多層次土壤水鹽時空變異的研究相對較少[7]。鑒于環(huán)境條件和土壤特性的時空異質(zhì)性增大了土壤水鹽的時空變幅、強化了其運動規(guī)律的復雜性，面向生產(chǎn)的研究必須著眼于小尺度田塊間的水鹽變異分析。因此，本研究以渤海南岸山東省濱州市無棣縣某公司鹽堿農(nóng)田為例，采用地質(zhì)統(tǒng)計學結(jié)合GIS技術(shù)探討在灌溉受限、降水量偏少且不均勻的條件下，冬小麥生長期農(nóng)田土壤水鹽時空變異的規(guī)律，為環(huán)渤海鹽堿地的改良利用提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山東省濱州市無棣縣柳堡鎮(zhèn)“渤海糧倉”項目區(qū)，地理坐標為37°54′51″～37°56′35″N，117°54′28″～117°56′42″E，東西長約4 km，南北寬約2 km，種植利用總面積514.33 hm2，地下水埋深0.6～1.2 m。該區(qū)瀕臨渤海，屬北溫帶大陸性半干旱半濕潤季風氣候，春旱多風、夏熱多雨、秋涼溫和、冬寒季長，年平均氣溫12 ℃，年平均降水量570.1 mm，年平均蒸發(fā)量1 285.5 mm，蒸降比高達2.3；降水年內(nèi)分配不均，多年汛期降水量達436.8 mm，約占全年降水量的77.8%；1—5月、11—12月多年平均降水量分別為84.3、49.1 mm，分別占年降水量的14.8%、8.6%。該區(qū)土地在2012年以前大部分為鹽堿荒地，小部分為棉田，2012年秋經(jīng)灌溉設(shè)施和綠化配套后改為冬小麥—夏玉米種植模式。研究區(qū)灌溉完全依賴南臨的仝家河引黃河水，限于引黃配額、近年來水量持續(xù)偏少、地處末梢及上游農(nóng)田排水匯入等因素，每年最多引黃河水4次且到達時已成鹽濃度高于2 g/L的微咸水，春秋季水的鹽濃度甚至高于5 g/L。區(qū)內(nèi)土壤為濱海潮鹽土，在利用過程中雖經(jīng)一定的脫鹽淡化處理，但仍受海潮倒灌侵襲的影響。剖面在一定程度上保留了沉積母質(zhì)狀態(tài)，濕時黏，干時板結(jié)、堅實，不利于耕作，心土層以下有銹斑，pH值一般為7.6～8.5。

1.2 數(shù)據(jù)獲取

根據(jù)研究區(qū)土壤鹽堿狀況、植被長勢，結(jié)合路網(wǎng)、溝渠分割情況確定35個采樣點，以手持全球定位系統(tǒng)(GPS)定位儀測定實地坐標。每個樣點測2組數(shù)據(jù)，每次調(diào)查得到70組土壤含水量和含鹽量數(shù)據(jù)。采樣日期根據(jù)冬小麥的生長期確定，分別為2014年3月3日(返青期)、4月3日(拔節(jié)期)、4月25日(抽穗期)、5月29日(成熟期)。野外調(diào)查采用EC110便攜式鹽分計(儀器已對電導率進行了溫度校正)測定深度區(qū)間分別為(0，15)、[15，30)、[30，45)、[45，60)cm的土層土壤電導率。

野外采用T系列土壤水分溫度速測儀測定(0，15)cm土壤表層的水分含量。室內(nèi)用烘干法測定土壤表層含水量、用環(huán)刀法測定土樣容重，計算其容積含水量。將室內(nèi)化驗與野外實測得到的2組土壤表層含水量數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析。其模型為Wo=0.911 2Wi+0.241 8，r2=0.989 4，呈極顯著線性關(guān)系。式中：Wo為室內(nèi)化驗土壤表層含水量(%)；Wi為野外實測土壤表層含水量(%)。以此對野外含水量數(shù)據(jù)進行校正。

采用5點取樣法采集(0，15)cm的土壤表層樣品，帶回實驗室內(nèi)風干，磨碎，過2 mm篩，配制水土質(zhì)量比為5 ∶1的浸提液，振蕩5 min，靜置30 min。用EC110便攜式鹽分計測定浸提液電導率，同時采用烘干法測定土壤含鹽量。根據(jù)土壤鹽分含量與水土浸提液電導率的相關(guān)性，建立土壤浸提液電導率(ECi)和含鹽量(St，單位%)之間的關(guān)系方程為St=0.000 4ECi+0.051 52，r2=0.987 8；以土壤浸提液電導率對野外電導率數(shù)據(jù)進行校正，得ECi=0.524 6ECo+89.59，r2=0.980 5；進而得到野外實測土壤電導率(ECo)與含鹽量之間的關(guān)系方程為St=0.000 211ECo+0.087 5，r2=0.968 5。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS軟件，分析土壤水鹽含量的統(tǒng)計特征、各層土壤含鹽量之間的相關(guān)性及不同時期土壤水鹽變化的狀況。利用ArcGIS軟件對各樣點表層的土壤含水量和各層含鹽量數(shù)據(jù)進行反距離加權(quán)(inverse distance weighted，簡稱IDW)插值處理，繪制土壤水鹽含量的空間分布圖，分析土壤水鹽含量的空間分布特征。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水鹽統(tǒng)計特征

相關(guān)的土壤鹽漬化分級標準一般分為非鹽漬化土、輕度鹽漬化土、中度鹽漬化土、重度鹽漬化土和鹽土5級，鹽分含量區(qū)間分別為(0，0.1%)、[0.1%，0.2%)、[0.2%，0.4%)、[0.4%，0.6%)、[0.6%，∞)[16]。鑒于研究尺度小，為使研究區(qū)內(nèi)土壤鹽分的時空差異分析盡量細致，本研究在空間分析時按每隔0.05%劃分為1個等級，共分為12個級別。

2.1.1 表層土壤含鹽量和含水量統(tǒng)計特征 由表1可知，各時期土壤含鹽量與含水量的平均值、中位數(shù)、眾數(shù)三者均有差異。土壤含水量總體偏低，其平均值與中位數(shù)兩者差距不大。4個時期表層土壤含鹽量的平均值、中位數(shù)、眾數(shù)都在 0.2%～0.4%區(qū)間內(nèi)，表明研究區(qū)土壤鹽漬化程度總體上屬于中度，在有效管理控鹽的條件下，可以滿足耐鹽冬小麥正常生長。根據(jù)反映離散程度的變異系數(shù)的大小，可將空間變異性粗略地分為弱變異性、中等變異性、強變異性3級，其變異系數(shù)區(qū)間分別為[0，10%)、[10%，100%)、[100%，∞)[17]。各時期表層土壤含水量、含鹽量的變異系數(shù)均在[10%，100%)區(qū)間內(nèi)，屬于中等變異性。4個時期中有3個時期土壤含鹽量最大值超過0.40%，部分地塊鹽漬化程度較高，須及時調(diào)控。研究區(qū)各時期土壤含水量總體偏低，僅有少數(shù)樣點含水量高于20%。3月3日的土壤含水量明顯高于其他3個時期的含水量，是因為采樣前有小雨，且此時地溫低，蒸發(fā)量小，使表層土壤保持了較高的水分。由于冬季鹽分積累，3月3日的土壤含鹽量也明顯高于其他3個時期。從3月初到5月底，受灌溉、降水淋洗和小麥生長的影響，表層土壤的含鹽量總體呈降低的趨勢。

2.1.2 不同深度土層土壤含鹽量統(tǒng)計特征 由表2可知，從表層向下，每一土層含鹽量的平均值、中位數(shù)和眾數(shù)之間的差異逐漸縮小。這也說明，表層土壤受氣象、作物及人為管理等外界因素的影響較大，底層所受上述因素的影響是間接的且逐漸減弱，而隨著與地下水距離的接近，底層土壤受其影響逐漸增強。但總體來看，平均值與中位數(shù)的差異不大，因此分別采用平均值和中位數(shù)表示不同時期各土層土壤含鹽量的總體特征。

由圖1可知，在垂直方向(縱向維度)上，各土層土壤含鹽量在不同時期的變化趨勢基本相同，呈現(xiàn)從表層到底層逐步升高的趨勢。從時序演變(時間維度)來看，從3月初到5月底，土壤全剖面的含鹽量呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，[15，30)cm層土壤含鹽量平均值均呈持續(xù)下降的趨勢，而(0，15)、[45，60)cm層土壤含鹽量平均值則均呈現(xiàn)先下降后略有升高的現(xiàn)象(圖1-a)，這種現(xiàn)象在中位數(shù)上表現(xiàn)更為明顯(圖1-b)，而[30，45)cm層土壤兼受來自上下層的影響，變化顯示出一定的遲滯性。結(jié)果說明，在3月初到5月，小麥從返青到成熟過程中，在灌溉、降水及根系共同作用下， 土壤含鹽量不斷降低；但到5月底，氣溫、地溫持續(xù)升高，蒸發(fā)量不斷增大，小麥接近成熟，無灌溉亦無降水的情況下，地下鹽分隨毛管上升，在地表又開始積累。因此，必須根據(jù)降水和土壤濕度情況加以調(diào)控。鹽堿地小麥播種晚、早春氣溫低，返青、拔節(jié)、揚花和成熟均比山東中部地區(qū)遲約1周，5月底正是小麥產(chǎn)量形成的關(guān)鍵時期。如果土壤含鹽量升高現(xiàn)象出現(xiàn)的時間前移，必須采取灌溉措施調(diào)節(jié)土壤鹽分，否則會影響小麥成熟和最終的產(chǎn)量。

表1 不同時期表層土壤水、鹽含量統(tǒng)計特征

表2 不同深度區(qū)間土層土壤含鹽量統(tǒng)計特征

2.2 不同深度土壤含鹽量相關(guān)性分析

由表3可知，不同土層兩兩之間相關(guān)系數(shù)均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。其中，[30，45)cm與[45，60)cm土層土壤含鹽量的相關(guān)系數(shù)>[15，30)cm與[30，45)cm土層土壤含鹽量的相關(guān)系數(shù)>(0，15)cm與[15，30)cm土層土壤含鹽量的相關(guān)系數(shù)，說明隨著土層深度的增加，相鄰土層的相關(guān)性逐漸增強，且相鄰土層之間相互影響程度大于對隔層土層的影響程度，這與前人的研究結(jié)果[18]一致。因此，在濱海鹽堿地地下水埋深度較淺的條件下，通體改良鹽堿地難度非常大，但可以通過重點改良耕層土壤、在作物生長期營造適宜的環(huán)境條件，達到保障作物正常生長和實現(xiàn)增產(chǎn)的目的。

表3 不同深度區(qū)間土壤含鹽量相關(guān)系數(shù)

注：“**”表示在0.01水平上顯著相關(guān)。

2.3 土壤鹽分時空分布特征

由圖2可知，研究區(qū)土壤含鹽量分布在各時期均呈現(xiàn)出南低北高、西低東高的特征，反映了研究區(qū)特殊的地理環(huán)境條件影響。研究區(qū)南臨灌溉水源仝家河，東部則受海洋潮汐頂托、咸水逆向侵襲，致使研究區(qū)東北部土壤含鹽量均普遍高于南部和西部。由圖2、表4可以看出，經(jīng)過冬季鹽分的累積，初春3月(圖2-a)表層土壤含鹽量總體較高，土壤含鹽量為[0.2%，0.4%)的中度鹽漬化面積為330.69 hm2，占總面積的64.30%；土壤含鹽量為[0.4%，0.6%)的重度鹽漬化面積達183.64 hm2，占 35.70%。受降水淋洗和4月下旬灌溉(大水漫灌)作用的影響，4月份表層土壤的含鹽量整體降低(圖2-b、圖2-c)。疊加分析圖2-b、圖2-c可知，從4月初到4月底，表層土壤含鹽量為[0.1%，0.2%)輕度鹽漬化的面積增加了25.45 hm2，含鹽量為[0.4%，0.6%)重度鹽漬化的面積減少了2.68 hm2。5月下旬，小麥進入成熟期，此時氣溫高、蒸發(fā)量大，鹽分在表層累積，土壤含鹽量為[0.1%，0.2%)輕度鹽漬化的面積減少，中度和重度鹽漬化面積增加(圖2-d)。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論與建議

3.1.1 結(jié)論 研究區(qū)表層土壤含水量總體偏低，在區(qū)內(nèi)呈中等變異性，淡水短缺依然是影響該區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要限制因素。研究區(qū)土壤總體為中度鹽漬化，并呈中等變異性，有效管理條件下可適合耐鹽作物生長。

在縱向空間維度，由表層到底層土壤鹽漬化程度呈上升趨勢，同時期的各層土壤含鹽量之間呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)； 相鄰土層間相互影響程度大于對隔層土層的影響，在濱海鹽堿地地下水埋深度較淺的條件下，可重點改良耕層土壤，在作物生長期營造適宜的生產(chǎn)環(huán)境。

表4 不同時期表層土壤鹽漬化等級及面積統(tǒng)計

在橫向空間維度，受南臨灌溉水源仝家河、東部海潮頂托咸水逆向侵襲的影響，各時期土壤鹽分均呈南低北高、西低東高的特征，但地塊均質(zhì)度差，重度鹽漬化斑塊狀分布特征明顯；在時間維度，冬小麥生長期(從返青到成熟)土壤含鹽量總體逐步降低，但在5月底出現(xiàn)升高現(xiàn)象。

3.1.2 建議 (1)研究區(qū)臨海、地下水位淺、礦化程度高，不宜過多采用咸水灌溉。為保障糧食生產(chǎn)，可在仝家河灌溉取水站處建攔河壩，并采取襯砌隔水措施，在淡水豐富時蓄水，以備干旱無雨時用以調(diào)控農(nóng)田鹽分。同時，選育選用耐旱耐鹽堿抗病和晚播不晚熟的優(yōu)良品種，加強栽培管理，確保秸稈還田調(diào)溫保墑，使用抗旱劑、保水劑等田間節(jié)水技術(shù)。

(2)加強田間養(yǎng)分調(diào)節(jié)，以肥控鹽。播前配合深翻施用磷石膏及糠醛渣、農(nóng)家肥等有機肥，降堿抑鹽供肥；適當減少速效肥料如尿素、碳氨等施用量，以減少因大水漫灌的損失，改施增加酸性緩控釋肥，使之在整個作物生長期發(fā)揮供肥作用。

(3)加強斑狀地塊的綜合改良。對研究區(qū)中的斑狀重度鹽堿地塊，應(yīng)采取綜合改良措施。一是埋設(shè)隔離物(如農(nóng)作物秸稈、塑料布、無紡布等)隔斷地下咸水的上升途徑，并采用暗管排出淋洗的鹽分；二是采用農(nóng)作物秸稈覆蓋抑制土壤水分損失，減少土壤表層積鹽；三是在改良初期，種植耐鹽植物如堿蓬、苜蓿、田箐等以生物吸收法降鹽。

3.2 討論

本研究采用實地調(diào)查法、試驗分析法和GIS技術(shù)，調(diào)查和分析了瀕臨渤海的山東省濱州市無棣縣柳堡鎮(zhèn)鹽堿農(nóng)田水鹽的時空變異情況，并提出了改良措施，可為當?shù)馗牧祭名}堿地提供參考。但本研究的分析僅限于小麥返青至成熟期，今后還應(yīng)對作物全生育期土壤水鹽動態(tài)加強監(jiān)測分析，所提出的措施也須經(jīng)過實踐檢驗修正。

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