陕北沙地节水灌溉与土壤肥力变化研究

马超群，张 晖，解 蕾，赵永华

(1.长安大学 地球科学与资源学院，陕西 西安 710054；2.陕西省土地整理中心，陕西 西安 710003)

陕北沙地节水灌溉与土壤肥力变化研究

马超群1，张 晖2，解 蕾2，赵永华1

(1.长安大学 地球科学与资源学院，陕西 西安 710054；2.陕西省土地整理中心，陕西 西安 710003)

采集陕北沙地、实施节水灌溉技术的改良地和川道熟地中土壤水分、温度及养分指标，分析土壤肥力变化状况。结果表明：土壤水、温与改良状态和灌溉方式有较高相关性，呈现出无灌溉设施的改良地高于沙地，无覆膜有灌溉设施的田块高于无灌溉设施田块，覆膜田块高于未覆膜田块；改良地的有机质、全氮、速效钾、全盐等养分指标含量均优于未改良沙地，且除速效磷外，各养分指标有随农业利用历史增长而增加的趋势。通过改良可以有效改善陕北沙地水分和养分条件；合理的农业生产措施可以进一步提高改良地土壤肥力水平。

沙地；节水灌溉；土壤水分；土壤肥力；陕北

近年来随着能源开发，工业化、城镇化进程加快，陕北长城沿线风沙区社会经济快速发展，临近城镇区域大量耕地被占用，农业生产基础受到较大影响。增加农业生产用地面积，提高土地生产能力，成为该区域保障粮食安全的必由之路。同时该地区面临严重的沙漠化威胁，建国后就开展了大规模的流沙治理工作，通过生物、机械和化学固沙，有效地扼制了沙漠的扩张，并利用引水拉沙、机械推沙和人工平整，辟沙造田对风沙地进行改良，取得了突出的效果。但陕北长城沿线风沙区土质疏松、保水性差，肥水流失严重，严重影响作物产量。如何通过技术措施减少土壤水分无效蒸发和下渗，通过保水达到保肥的目的提高土壤肥力，已成为影响该地农业生产进一步发展的制约因素[1]。

目前，关于陕北沙地利用的研究已取得了大量成果，但受区域生态脆弱性影响，研究多集中在生态保护与农业资源合理利用方面，从理论构建和宏观规划进行了大量研究[2][3][4][5][6]，而涉及土地水肥的微观研究[7][8]相对不足；近年来，在砒砂岩与沙复配成土这一新技术领域[9][10][11][12]的沙地整治和改良的研究不断涌现，但对于传统垫土改良的方式也无过多关注。而在陕北沙地整治过程中，覆土改良仍是目前区域治沙的主要方式，这部分改良地土壤水分和肥力变化地成为了研究盲点。本文通过对不同土地类型土壤水分、温度、养分条件的对比观测，探求节水灌溉对沙地改良的影响。

1 研究区概况

陕北长城沿线风沙区地处毛乌素沙地东南缘、陕西黄土高原北部，古长城从东北向西横穿而过，包括榆林市长城沿线的定边、靖边、横山、神木、府谷和榆阳6县(区)及佳县的极小部分，总土地面积占榆林市总面积的47.23%，占陕西省土地面积的9.5%。陕北长城沿线风沙区地势平坦，属于典型的中温带大陆性气候，四季分明，风沙大，气候干燥少雨，年蒸发量高达2 000 mm以上，而多年平均降雨量仅为316～445 mm，且降水变率大，干旱极易发生，大小旱情年均3.4～4.1次[13]。沙地区土质松散，透水性强，降水易于蒸发、下渗，并带走表土中的养分，土壤贫瘠。干旱的气候，水资源的贫乏是制约本区域沙地土地整治与开发利用的瓶颈，单纯依靠降水很难满足作物生长需求，节水灌溉技术是该区域解决这一瓶颈的主要途径[14]。

2 样地及实验方法

在榆林市榆阳区和靖边县分别选择沙地和实施节水灌溉技术的改良地作为水分、养分观测样地。改良地通过机械推沙和人工平整垫50 cm厚黄土，并配套灌溉措施，其中榆阳区样地为改良后第一年用于生产，靖边县样地为投入农业生产5年的改良后沙地。同时在靖边县客土源区选择持续利用的耕地作为养分对照样地。

土壤水分观测在榆阳区和靖边县改良地分别对沙地、无灌溉措施改良地、喷灌地、滴灌地、地膜覆盖地等不同节水技术方式下地块土壤含水量进行观测，观测时间分别为2014年5月和2014年8月，取样土层为0～30 cm，采用TRIME TDR法观测。其中榆阳区样地内观测点25个，靖边县样地内观测点15个。土壤养分观测则分别对改良地和对照耕地的有机质、全氮、速效磷、速效钾、pH、全盐进行观测，以随机方式进行采样，取样土层为0～30 cm。其中榆阳区改良地样地取样16个，靖边县改良地样地取样6个，靖边县客土源地区耕地取样16个。土样检测中，有机质用重铬酸钾外加热氧化法测定；全氮用半微量凯氏法测定；速效钾含量采用NH4OAc浸提，原子吸收法测定；速效磷含量采用NaHCO3浸提，钼锑抗比色法测定[15][16][17]。数据录入及分析采用统计Excel和SPSS19.0软件。

3 结果与分析

3.1 不同节水措施下土壤水分条件变化

土壤水分是沙地农业生产系统中最重要影响因子，决定着沙地土壤的演化和土地生产力，制约着沙地植被的形成和发展。陕北风沙地区，降水量少，蒸发量大。通过节水灌溉措施达到减少蒸发和无效损耗，提高作物根系周围的土壤含水量，保证作物生长需要是节水灌溉的主要目的。

图1 榆阳沙区农田土壤水分监测

图1反映了榆阳区采用不同节水灌溉技术的改良的地块中作物耕作层0～30 cm深度的土壤水分、土壤温度等数据。对实验数据进行统计分析可发现(图1)，背景沙地土壤通气性好，几乎无毛管作用，故持水力差，导致其土壤含水量很低，平均值为仅为3.5%；改良地由于有50 cm左右客黄土覆盖，加之采用节水灌溉技术，含水量显著提高，其中以“滴灌+地膜”地块含水量最高，平均值为20.90%，两者相差近6倍。土壤温度在各不同地块中也呈现规律性变化，其中以背景沙地最高，为22.5℃，最低为“覆膜”地块，平均温度为18.95℃。经过对样地水分、温度数据进行分析可以看出，水分含量在各地块间呈现出：沙地<未灌改良地块<喷灌地块<滴灌地块<“滴灌+地膜”地块；温度则表现为：沙地>未灌改良地块>喷灌地块≈滴灌地块>“滴灌+地膜”地块。改良地土壤水分和温度条件明显优于沙地。

同时，经一维方差分析，可以看出改良地中不同节水灌溉方式下水分和温度指标差异较大，组间差异显著(表1)，说明节水灌溉方式对土壤中的水分含量与热量指标有直接影响。

表1 榆阳土样一维方差分析结果

进一步通过相关性分析可以看出(表2)，灌溉技术方式与土壤水分和土壤温度之间有显著的相关性，其相关性达到0.601；而土壤水分与土壤温度之间也具有较明显的相关性，其相关性指标达到0.49。

表2 榆阳区不同灌溉类型土壤水分和温度相关性分析

通过对土壤水、温数据进行分析，可以发现改良地的水、温条件明显优于当地沙地。然而这仅是榆阳区一地的特点，陕北其他地区是否具有同样特征，仍有待检验。

为了验证陕北风沙区其他地区改良地得水温条件是否优于当地沙地，于2014年8月，在榆阳区南部，降水条件略优于榆阳区的靖边县进行了再次调查(见图2)。

图2 靖边沙区农田土壤水分监测

靖边县改良地的土壤水、温数据中，沙地含水量最小，平均值仅为5.45%，而客土覆盖后的改良地水分含量较大提高，达到6.76%，有灌溉设施的地块含水量则进一步提高。虽然靖边县样地和榆阳区样地相比较，在灌溉类型、土壤水分和土壤温度三者的相关性数值上略有不同(表3)，但三者具有比较明显的相关性，同样说明灌溉方式对土壤水、温指标有较强的影响。另外，从总变化特征来看，靖边县样地具有与榆阳区同样的水、温变化特征，整体呈现出改良地土壤水分和温度条件明显优于沙地；而改良地中不同节水灌溉方式下水分和温度指标差异明显。

表3 靖边县不同灌溉类型土壤水分和温度相关性分析

由此可以看出，陕北长城沿线风沙地区的风沙土主要由砂粒组成，通气性好，水分易流难存，水分含量低，热容小，土壤升温快、降温亦很迅速，土壤理化条件变幅大。通过垫土改良后，有效改善了土壤通透性能,，提高了土壤保水能力，增大了土壤热容，提高了土壤保温能力。采用不同节水灌溉方式的地块，其水分含量大致可以分为四个含量水平：无灌溉设施的改良地高于沙地，无覆膜有灌溉设施的田块高于无灌溉设施田块，覆膜田块高于未覆膜田块。实验数据说明在陕北风长城沿线沙地区采用节水灌溉措施是提高改良土地土壤水分、缓解旱情的重要措施。沙地整治后的节水技术可以分成灌溉和保水两方面，采用节水灌溉的方式可以使水分更有效的达到作物根系，被作物利用，表膜和地膜等保水措施可以减少土壤水分的无效损耗，进一步提升节水灌溉的效果，二者相辅相成共同使用可以极大改善沙地农业土壤水分条件[18]。

3.2 土壤养分

表4是各样地土壤养分。各样地中土壤有机质含量最低为0.074%，最高为0.94%，有机质含量水平差异较大。沙地、新改良地、多年耕种的改良地、耕地之间有机质平均含量的比值为1：1.66：3.15：5.80。各样地全氮含最低为0.10%，最高为0.964%，经对比可以看出，全氮平均含量水平同样具有沙地<新改良地<多年耕种改良地<耕作熟地的特征；速效钾在各样地内的含量水平与有机质和全氮的分布特征相似，但其最低值及最低平均值均出现在新改良地中分别为1.73 ppm和4.59 ppm，最高值和最高平均含量仍属熟地，除沙地外在农业用地类型中仍呈现出养分指标随耕种时间延长而增加的趋势；速效磷最高值为79.94 ppm，最低为1.650 ppm，其平均含量表现为农业用地高于未改良沙地，而在农业用地类型内则呈现不同变化趋势，平均含量新改良地>多年耕种改良地>熟地>沙地，可能是由于人工施肥和农作物长期吸收所导致的养分水平差异；全盐含量最高为1 090 mg/kg，最低为342.5 mg/kg，其在各样地内的分布特征与速效磷一致，但在改良后的地块中变幅微小，改良地盐分含量水平高于未改良地说明沙土通透性强、养分易流失的缺点得到了改善[8]。

表4 样地土壤养分含量对比表

通过对各样地土壤养分含量的分析可以看出，农业用地地块各养分指标均优于未改良沙地，而在农业用地类型内部，改良地与耕种熟地相比，改良地土壤肥力水平偏低，土壤中有机质含量、磷含量明显不足，是影响土地质量的限制因素。其主要是由于以下原因形成的：一方面，平整后铺垫的客黄土属生土，缺乏肥力积累，因此养分含量水平低下；另一方面，新改良地未经耕种，生物作用弱，有机质含量少、养分含量低。同时，采用国家土地复垦技术标准中土壤肥力指标进行对比，可以发现，改良地土壤肥力属于低肥力土地，长期耕作熟地则可达到中肥力土地。这些问题在生产初期会对产量造成一定影响，但沙土地通过垫土改良后，有效改善了土壤通透性能，从而使土壤的肥力水平可以得到持续提高。农业生产活动则继续通过长期的有效灌溉、施肥，对土地不断投入，土壤中有机质、氮、磷、钾含量提升显著，其肥力水平得到持续提升[8]。新改良地、多年耕种改良地和耕作熟地之间的养分变化趋势也证明了这一点，说明合理的农业生产活动有利于土壤改良。

4 结语

经过对沙地区域实施节水灌溉的改良地和未改良样地进行观测，结果表明：

(1)在实施节水灌溉的地块中，采用不同节水措施会使土壤水、温条件产生较大差异。采用先进灌溉技术，减少沙土无效下渗的同时，防止土壤水分蒸发是提高土壤水分含量的重要措施；

(2)陕北长城沿线风沙区背景沙土中水分、土壤温度和土壤养分含量条件都逊于改良地，通过节水灌溉措施和覆土改造可以有效改善沙土土质疏松，通透性强，保水保肥能力差的缺点，提高土壤肥力；

(3)长期的合理的农业利用可以提高土壤中有机质、氮、速效钾及全盐等养分的含量，显著提高改良地肥力水平，缩小与耕作熟地之间的养分差距。

陕北长城沿线风沙区沙地面积约 35 万 hm2，地形平坦，具有较丰富的地下水资源，经过合理规划和布局后，预计每年均可为陕西提供 0.3～0.5 万 hm2补充耕地。长城沿线风沙区又是典型的生态脆弱区，在该区域进行农业开发具有很大生态风险。但在该区域目前仍有大量处于实际利用状态的未改良沙地，如以现代农业园区形式进行统一改良，一方面可以增强土地肥力提高生产力，消除土地疏松易风蚀的缺陷；另一方面通过节水技术的实施，可以在同等生产能力下减少水资源消耗[19]。对沙土地进行改良是一个长期系统工作，改良地水肥耦合研究仍需进一步深入，对该地区环境友好的新开发模式进行系统研究，并进而从深层次解释如何实现人类活动和荒漠化区域资源开发之间的协调、平衡，使土地改良技术更加科学合理，并有利于推广。

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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

陕西省国土资源厅沙地整治节水灌溉研究项目(214029140183)；教育部项目(12XJC840001)；中央高校基金(2013G6274063,2013G1271094)

马超群(1976-)，男，陕西西安人，博士，主攻方向：土地利用和覆被变化研究。

S274

A

1004-1184(2017)01-0073-04