环渤海盐碱地田块尺度水盐时空变异特征

薛 敏， 高明秀，2， 王卓然， 巩腾飞

(1.山东农业大学资源与环境学院，山东泰安 271018； 2.土肥资源高效利用国家工程实验室，山东泰安 271018)

合理开发利用盐碱地是补充耕地、坚守1.2亿hm2耕地红线和提升耕地综合产能、确保我国国家粮食安全的重要途径[1]。土壤盐碱瘠薄、淡水资源匮乏是盐碱地区开发的根本障碍和主要限制因素[2]，及时掌握土壤水盐分布及其运动规律是改良利用盐碱地的首要问题。土壤水盐运动受气候、地形、地貌、水文地质以及人类活动等多种因素的作用[3]，土壤水盐运动的时空变异规律较为复杂，受到国内外学者的广泛关注。Panagopoulos等运用地质统计学与地理信息系统(geographic information system，GIS)技术研究地中海地区的土壤盐分变异性，探讨了Kriging 插值方法[4]。Odeh等运用统计回归对澳大利亚新南威尔士半干旱地区土壤盐分和土壤结构稳定性进行空间分析和预报研究[5]。Douaik等利用贝叶斯最大熵法分析了匈牙利东部田间土壤盐分的时空变异[6]。20世纪90年代以来，国内关于不同尺度水平土壤盐分空间变异的研究不断增多[7-9]。杨红梅等研究了塔里木河下游土壤表层盐分的空间变异格局[10]。郑佳伟等分析了在农牧活动、植被覆盖及节水灌溉等影响下内蒙古河套地区土壤的空间变异性[11]。白由路等研究了黄淮海、银川平原土壤盐分的空间格局[12-13]。贾艳红等研究了黑河下游地下水波动带不同土层盐分的空间变异性[14]。采样尺度的划分和选取与土壤水盐的空间变异性关系密切[15]，国内研究较多集中于内陆盐碱地和宏观区域尺度，而对滨海盐碱地特别是面向粮食生产、服务农田管理的田块小尺度、多层次土壤水盐时空变异的研究相对较少[7]。鉴于环境条件和土壤特性的时空异质性增大了土壤水盐的时空变幅、强化了其运动规律的复杂性，面向生产的研究必须着眼于小尺度田块间的水盐变异分析。因此，本研究以渤海南岸山东省滨州市无棣县某公司盐碱农田为例，采用地质统计学结合GIS技术探讨在灌溉受限、降水量偏少且不均匀的条件下，冬小麦生长期农田土壤水盐时空变异的规律，为环渤海盐碱地的改良利用提供科学依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于山东省滨州市无棣县柳堡镇“渤海粮仓”项目区，地理坐标为37°54′51″～37°56′35″N，117°54′28″～117°56′42″E，东西长约4 km，南北宽约2 km，种植利用总面积514.33 hm2，地下水埋深0.6～1.2 m。该区濒临渤海，属北温带大陆性半干旱半湿润季风气候，春旱多风、夏热多雨、秋凉温和、冬寒季长，年平均气温12 ℃，年平均降水量570.1 mm，年平均蒸发量1 285.5 mm，蒸降比高达2.3；降水年内分配不均，多年汛期降水量达436.8 mm，约占全年降水量的77.8%；1—5月、11—12月多年平均降水量分别为84.3、49.1 mm，分别占年降水量的14.8%、8.6%。该区土地在2012年以前大部分为盐碱荒地，小部分为棉田，2012年秋经灌溉设施和绿化配套后改为冬小麦—夏玉米种植模式。研究区灌溉完全依赖南临的仝家河引黄河水，限于引黄配额、近年来水量持续偏少、地处末梢及上游农田排水汇入等因素，每年最多引黄河水4次且到达时已成盐浓度高于2 g/L的微咸水，春秋季水的盐浓度甚至高于5 g/L。区内土壤为滨海潮盐土，在利用过程中虽经一定的脱盐淡化处理，但仍受海潮倒灌侵袭的影响。剖面在一定程度上保留了沉积母质状态，湿时黏，干时板结、坚实，不利于耕作，心土层以下有锈斑，pH值一般为7.6～8.5。

1.2 数据获取

根据研究区土壤盐碱状况、植被长势，结合路网、沟渠分割情况确定35个采样点，以手持全球定位系统(GPS)定位仪测定实地坐标。每个样点测2组数据，每次调查得到70组土壤含水量和含盐量数据。采样日期根据冬小麦的生长期确定，分别为2014年3月3日(返青期)、4月3日(拔节期)、4月25日(抽穗期)、5月29日(成熟期)。野外调查采用EC110便携式盐分计(仪器已对电导率进行了温度校正)测定深度区间分别为(0，15)、[15，30)、[30，45)、[45，60)cm的土层土壤电导率。

野外采用T系列土壤水分温度速测仪测定(0，15)cm土壤表层的水分含量。室内用烘干法测定土壤表层含水量、用环刀法测定土样容重，计算其容积含水量。将室内化验与野外实测得到的2组土壤表层含水量数据进行相关性分析。其模型为Wo=0.911 2Wi+0.241 8，r2=0.989 4，呈极显著线性关系。式中：Wo为室内化验土壤表层含水量(%)；Wi为野外实测土壤表层含水量(%)。以此对野外含水量数据进行校正。

采用5点取样法采集(0，15)cm的土壤表层样品，带回实验室内风干，磨碎，过2 mm筛，配制水土质量比为5 ∶1的浸提液，振荡5 min，静置30 min。用EC110便携式盐分计测定浸提液电导率，同时采用烘干法测定土壤含盐量。根据土壤盐分含量与水土浸提液电导率的相关性，建立土壤浸提液电导率(ECi)和含盐量(St，单位%)之间的关系方程为St=0.000 4ECi+0.051 52，r2=0.987 8；以土壤浸提液电导率对野外电导率数据进行校正，得ECi=0.524 6ECo+89.59，r2=0.980 5；进而得到野外实测土壤电导率(ECo)与含盐量之间的关系方程为St=0.000 211ECo+0.087 5，r2=0.968 5。

1.3 数据处理

采用SPSS软件，分析土壤水盐含量的统计特征、各层土壤含盐量之间的相关性及不同时期土壤水盐变化的状况。利用ArcGIS软件对各样点表层的土壤含水量和各层含盐量数据进行反距离加权(inverse distance weighted，简称IDW)插值处理，绘制土壤水盐含量的空间分布图，分析土壤水盐含量的空间分布特征。

2 结果与分析

2.1 土壤水盐统计特征

相关的土壤盐渍化分级标准一般分为非盐渍化土、轻度盐渍化土、中度盐渍化土、重度盐渍化土和盐土5级，盐分含量区间分别为(0，0.1%)、[0.1%，0.2%)、[0.2%，0.4%)、[0.4%，0.6%)、[0.6%，∞)[16]。鉴于研究尺度小，为使研究区内土壤盐分的时空差异分析尽量细致，本研究在空间分析时按每隔0.05%划分为1个等级，共分为12个级别。

2.1.1 表层土壤含盐量和含水量统计特征 由表1可知，各时期土壤含盐量与含水量的平均值、中位数、众数三者均有差异。土壤含水量总体偏低，其平均值与中位数两者差距不大。4个时期表层土壤含盐量的平均值、中位数、众数都在 0.2%～0.4%区间内，表明研究区土壤盐渍化程度总体上属于中度，在有效管理控盐的条件下，可以满足耐盐冬小麦正常生长。根据反映离散程度的变异系数的大小，可将空间变异性粗略地分为弱变异性、中等变异性、强变异性3级，其变异系数区间分别为[0，10%)、[10%，100%)、[100%，∞)[17]。各时期表层土壤含水量、含盐量的变异系数均在[10%，100%)区间内，属于中等变异性。4个时期中有3个时期土壤含盐量最大值超过0.40%，部分地块盐渍化程度较高，须及时调控。研究区各时期土壤含水量总体偏低，仅有少数样点含水量高于20%。3月3日的土壤含水量明显高于其他3个时期的含水量，是因为采样前有小雨，且此时地温低，蒸发量小，使表层土壤保持了较高的水分。由于冬季盐分积累，3月3日的土壤含盐量也明显高于其他3个时期。从3月初到5月底，受灌溉、降水淋洗和小麦生长的影响，表层土壤的含盐量总体呈降低的趋势。

2.1.2 不同深度土层土壤含盐量统计特征 由表2可知，从表层向下，每一土层含盐量的平均值、中位数和众数之间的差异逐渐缩小。这也说明，表层土壤受气象、作物及人为管理等外界因素的影响较大，底层所受上述因素的影响是间接的且逐渐减弱，而随着与地下水距离的接近，底层土壤受其影响逐渐增强。但总体来看，平均值与中位数的差异不大，因此分别采用平均值和中位数表示不同时期各土层土壤含盐量的总体特征。

由图1可知，在垂直方向(纵向维度)上，各土层土壤含盐量在不同时期的变化趋势基本相同，呈现从表层到底层逐步升高的趋势。从时序演变(时间维度)来看，从3月初到5月底，土壤全剖面的含盐量呈现逐渐下降的趋势，[15，30)cm层土壤含盐量平均值均呈持续下降的趋势，而(0，15)、[45，60)cm层土壤含盐量平均值则均呈现先下降后略有升高的现象(图1-a)，这种现象在中位数上表现更为明显(图1-b)，而[30，45)cm层土壤兼受来自上下层的影响，变化显示出一定的迟滞性。结果说明，在3月初到5月，小麦从返青到成熟过程中，在灌溉、降水及根系共同作用下， 土壤含盐量不断降低；但到5月底，气温、地温持续升高，蒸发量不断增大，小麦接近成熟，无灌溉亦无降水的情况下，地下盐分随毛管上升，在地表又开始积累。因此，必须根据降水和土壤湿度情况加以调控。盐碱地小麦播种晚、早春气温低，返青、拔节、扬花和成熟均比山东中部地区迟约1周，5月底正是小麦产量形成的关键时期。如果土壤含盐量升高现象出现的时间前移，必须采取灌溉措施调节土壤盐分，否则会影响小麦成熟和最终的产量。

表1 不同时期表层土壤水、盐含量统计特征

表2 不同深度区间土层土壤含盐量统计特征

2.2 不同深度土壤含盐量相关性分析

由表3可知，不同土层两两之间相关系数均呈极显著正相关(P<0.01)。其中，[30，45)cm与[45，60)cm土层土壤含盐量的相关系数>[15，30)cm与[30，45)cm土层土壤含盐量的相关系数>(0，15)cm与[15，30)cm土层土壤含盐量的相关系数，说明随着土层深度的增加，相邻土层的相关性逐渐增强，且相邻土层之间相互影响程度大于对隔层土层的影响程度，这与前人的研究结果[18]一致。因此，在滨海盐碱地地下水埋深度较浅的条件下，通体改良盐碱地难度非常大，但可以通过重点改良耕层土壤、在作物生长期营造适宜的环境条件，达到保障作物正常生长和实现增产的目的。

表3 不同深度区间土壤含盐量相关系数

注：“**”表示在0.01水平上显著相关。

2.3 土壤盐分时空分布特征

由图2可知，研究区土壤含盐量分布在各时期均呈现出南低北高、西低东高的特征，反映了研究区特殊的地理环境条件影响。研究区南临灌溉水源仝家河，东部则受海洋潮汐顶托、咸水逆向侵袭，致使研究区东北部土壤含盐量均普遍高于南部和西部。由图2、表4可以看出，经过冬季盐分的累积，初春3月(图2-a)表层土壤含盐量总体较高，土壤含盐量为[0.2%，0.4%)的中度盐渍化面积为330.69 hm2，占总面积的64.30%；土壤含盐量为[0.4%，0.6%)的重度盐渍化面积达183.64 hm2，占 35.70%。受降水淋洗和4月下旬灌溉(大水漫灌)作用的影响，4月份表层土壤的含盐量整体降低(图2-b、图2-c)。叠加分析图2-b、图2-c可知，从4月初到4月底，表层土壤含盐量为[0.1%，0.2%)轻度盐渍化的面积增加了25.45 hm2，含盐量为[0.4%，0.6%)重度盐渍化的面积减少了2.68 hm2。5月下旬，小麦进入成熟期，此时气温高、蒸发量大，盐分在表层累积，土壤含盐量为[0.1%，0.2%)轻度盐渍化的面积减少，中度和重度盐渍化面积增加(图2-d)。

3 结论与讨论

3.1 结论与建议

3.1.1 结论 研究区表层土壤含水量总体偏低，在区内呈中等变异性，淡水短缺依然是影响该区农业生产的主要限制因素。研究区土壤总体为中度盐渍化，并呈中等变异性，有效管理条件下可适合耐盐作物生长。

在纵向空间维度，由表层到底层土壤盐渍化程度呈上升趋势，同时期的各层土壤含盐量之间呈极显著正相关(P<0.01)； 相邻土层间相互影响程度大于对隔层土层的影响，在滨海盐碱地地下水埋深度较浅的条件下，可重点改良耕层土壤，在作物生长期营造适宜的生产环境。

表4 不同时期表层土壤盐渍化等级及面积统计

在横向空间维度，受南临灌溉水源仝家河、东部海潮顶托咸水逆向侵袭的影响，各时期土壤盐分均呈南低北高、西低东高的特征，但地块均质度差，重度盐渍化斑块状分布特征明显；在时间维度，冬小麦生长期(从返青到成熟)土壤含盐量总体逐步降低，但在5月底出现升高现象。

3.1.2 建议 (1)研究区临海、地下水位浅、矿化程度高，不宜过多采用咸水灌溉。为保障粮食生产，可在仝家河灌溉取水站处建拦河坝，并采取衬砌隔水措施，在淡水丰富时蓄水，以备干旱无雨时用以调控农田盐分。同时，选育选用耐旱耐盐碱抗病和晚播不晚熟的优良品种，加强栽培管理，确保秸秆还田调温保墒，使用抗旱剂、保水剂等田间节水技术。

(2)加强田间养分调节，以肥控盐。播前配合深翻施用磷石膏及糠醛渣、农家肥等有机肥，降碱抑盐供肥；适当减少速效肥料如尿素、碳氨等施用量，以减少因大水漫灌的损失，改施增加酸性缓控释肥，使之在整个作物生长期发挥供肥作用。

(3)加强斑状地块的综合改良。对研究区中的斑状重度盐碱地块，应采取综合改良措施。一是埋设隔离物(如农作物秸秆、塑料布、无纺布等)隔断地下咸水的上升途径，并采用暗管排出淋洗的盐分；二是采用农作物秸秆覆盖抑制土壤水分损失，减少土壤表层积盐；三是在改良初期，种植耐盐植物如碱蓬、苜蓿、田箐等以生物吸收法降盐。

3.2 讨论

本研究采用实地调查法、试验分析法和GIS技术，调查和分析了濒临渤海的山东省滨州市无棣县柳堡镇盐碱农田水盐的时空变异情况，并提出了改良措施，可为当地改良利用盐碱地提供参考。但本研究的分析仅限于小麦返青至成熟期，今后还应对作物全生育期土壤水盐动态加强监测分析，所提出的措施也须经过实践检验修正。

[1]李振声，欧阳竹，刘小京，等. 建设“渤海粮仓”的科学依据——需求、潜力和途径[J]. 中国科学院院刊，2011，26(4)：371-374.

[2]高明秀，李 冉，巩腾飞，等. “渤海粮仓”建设推进策略分析[J]. 农业现代化研究，2015，36(2)：245-251.

[3]徐力刚，杨劲松，张妙仙，等. 作物种植条件下的土壤水盐动态变化研究[J]. 土壤通报，2003，34(3)：170-174.

[4]Panagopoulos T，Jesus J，Antunes M，et al. Analysis of spatial interpolation for optimising management of a salinized field cultivated with lettuce[J]. European Journal of Agronomy，2006，24(1)：1-10.

[5]Odeh I O，Onus A. Spatial analysis of soil salinity and soil structural stability in a semiarid region of New South Wales，Australia[J]. Environmental Management，2008，42(2)：265-278.

[6]Douaik A，van Meirvenne M，Tóth T，et al. Space-time mapping of soil salinity using probabilistic bayesian maximum entropy[J]. Stochastic Environmental Research and Risk Assessment，2004，18(4)：219-227.

[7]姚荣江，杨劲松，刘广明，等. 黄河三角洲地区典型地块土壤盐分空间变异特征研究[J]. 农业工程学报，2006，22(6)：61-66.

[8]周在明，张光辉，王金哲，等. 环渤海微咸水区土壤盐分及盐渍化程度的空间格局[J]. 农业工程学报，2010，26(10)：15-20.

[9]杨劲松，姚荣江. 黄河三角洲地区土壤水盐空间变异性研究[J]. 地理科学，2007，27(3)：348-353.

[10]杨红梅，徐海量，樊自立，等. 塔里木河下游表层土壤盐分空间变异和格局分析[J]. 中国沙漠，2010，30(3)：564-570.

[11]郑佳伟，史海滨，李正中，等. 内蒙古河套灌区解放闸灌域土壤水盐空间变异性研究[J]. 节水灌溉，2010(2)：52-55.

[12]白由路，李保国，胡克林. 黄淮海平原土壤盐分及其组成的空间变异性特征研究[J]. 中国土壤与肥料，1999，(3)：22-26.

[13]张源沛，胡克林，李保国，等. 银川平原土壤盐分及盐渍土的空间分布格局[J]. 农业工程学报，2009，25(7)：19-24.

[14]贾艳红，赵传燕，南忠仁. 黑河下游地下水波动带土壤盐分空间变异特征分析[J]. 干旱区地理(汉文版)，2008，31(3)：379-388.

[15]徐 英，陈亚新，史海滨，等. 土壤水盐空间变异尺度效应研究[J]. 农业工程学报，2004，20(2)：1-5.

[16]鲍士旦. 土壤农化分析[M]. 北京：中国农业出版社，2000：178-200.

[17]雷志栋，杨诗秀，谢森传. 土壤水动力学[M]. 北京：清华大学出版社，1988.

[18]王遵亲，祝寿泉，愈仁培，等. 中国盐渍土[M]. 北京：科学出版社，1993.