绿洲春季不同来源灌溉水土壤盐分离子分布特征

黄雅茹，马迎宾，郝玉光，董礼隆，肖彩虹，赵英铭，董 雪,刘禹廷

(1.中国林业科学研究院 沙漠林业实验中心，内蒙古 磴口 015200；2.国家林业局 内蒙古磴口荒漠生态系统定位研究站，内蒙古 磴口 015200)

【研究意义】土壤盐渍化一直是人类在全球土地资源与生态环境领域内急需解决的重要问题之一。特别是在内陆干旱和半干旱地区，土壤盐渍化是制约人类生活的重要障碍性因素。土壤中的盐分离子处在一个物理、化学、生物相互联系和连续变化的系统之中[1]。土壤盐分含量可以反映土壤的盐渍化程度和状态[2]，与土壤盐溶离子含量密切相关[3]。由于乌兰布和沙漠东北部平原属于断陷盆地，自然排水条件极差，在气候干燥、强烈蒸发的环境条件下，土壤的水盐动态主要表现为显著的垂直方向的运动特征。人工绿洲的建立，大量引进黄河水灌溉，引黄灌溉水既成为绿洲土壤盐分的补给源，又是调节绿洲土壤盐分的廉价的能源[4]。因此，绿洲土壤的易溶盐分随着灌溉水的入渗而下移，又随着土壤水及潜水的蒸发而上移至地表，具有强烈的垂直分异分布规律与再分配规律。长期以来由于引黄灌溉及水分运移的“垂直入渗蒸发型”特性，灌区内地下水位偏高，盐碱化程度日益突出问题一直受到普遍关注。水分是盐分的载体，随着灌溉水的变化，盐分运移规律亦将发生改变[5]。【前人研究进展】目前，不同灌溉引起的土壤盐分变化在国际上的研究已非常活跃，有学者从不同角度进行了研究，例如不同灌水量与盐分、盐与地下水、灌溉试验对盐分影响，还有学者研究了微咸水灌溉对盐分离子的分布特征等。王玉刚等[6-7]成果表明，灌溉在降低绿洲土壤盐渍化的同时，利用水库水灌溉易引起间接土壤盐渍化，李宝富等[8-9]对比研究了绿洲农田灌溉前后土壤水盐的时空变异特征，并结合灌溉量提出了高效洗盐、高效用水的合理灌溉定额。彭丽[10]采用统计学方法，对新疆玛纳斯河流域不同灌溉条件下的夏秋两季土壤盐基离子进行了对比分析，指出天然降水方式下土壤含盐量高于滴灌与漫灌方式，且各盐基离子季节差异最明显。邵建荣[11]研究了玛纳斯河流域冲积扇扇缘和干三角洲区不同浓度微咸水长期滴灌条件下土壤盐分、土壤碱度、主要阳离子的变化，对土壤盐化和碱化均产生主要影响的离子为Na+，对土壤盐分产生主要影响的离子为Na+与Ca2+。在灌区全面推行节水灌溉、提高灌水效率的农业用水政策实施下，开展井水灌溉及黄河水灌溉、混合灌溉下盐分离子的分布特征及各离子间的相关性具有重要的现实意义。【本研究切入点】本文分析了乌兰布和沙区人工绿洲井水灌溉及黄河水灌溉、混合灌溉下盐分离子的分布特征，并探讨了不同盐分离子间的相关关系，摸清不同来源灌溉水土壤盐分离子变化特征。【拟解决的关键问题】为乌兰布和沙漠东北部人工绿洲内农田的灌溉方案制定及合理利用水资源提供依据，对农业的持续发展有一定的指导意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

乌兰布和沙漠地处我国西部荒漠地带东缘，地理位置介于N 39°40′～41°00′，E 106°00′～107°20′，地形起伏不大，主要为10 m以下的圆锥形沙丘或新月形沙丘，沙质为浅黄棕色或微红棕色细沙。平均海拔高程1050 m，属于中温带半干旱大陆性气候，其特点是云雾少降水量少、风大、气候干燥。年降水量138.8 mm，平均气温6.8 ℃，昼夜温差大，年日照时间为3229.9 h，是我国日照时数最多的地区之一，光、热、水同期，地下水源充足。风沙季节在11月至翌年5月之间，主风为西风和西北风，起沙风次数每年200～250次以上。地带性土壤为灰漠土和棕钙土，土壤形成的主要现代地理过程包括土地沙漠化过程、土壤盐渍化过程、草甸化和沼泽化过程以及人为绿洲化过程，这些地理过程形成了不同的土地类型，主要有灰漠土、灌淤土、草甸土、沼泽土、盐碱土、风沙土等。天然植被以旱生、超旱生类型的荒漠植被为主，如白刺(NitrariatangutorumBobr.)、油蒿(Artemisiaordosica)、沙冬青(Ammopiptanthusmongolicus)、梭梭[Haloxylonammodendron(C.A.Mey.) Bunge]等，绿洲防护体系主要以新疆杨(Populusalbavar.pyramidalisBge.)、二白杨(Populusgansuensis)、小叶杨(PopulussimoniiCarr.)等杨树为主，农作物主要以向日葵(HelianthusannuusL.)、玉米(ZeamaysL.)等为主。

1.2 研究方法

样地选择与样品采集。选择较为匀质的样地，面积约为2000 m2，试验小区的面积为666.6 m2，为了减小不同来源灌溉水方式的相互影响，设置保护隔离带。试验选择同一种作物进行种植，均种植玉米，且不覆膜，灌溉时间和灌水量一致。试验设计引黄灌溉、井水灌溉、混合灌溉(井灌+黄灌)，设置对照样地，不灌溉，自然降水。当土壤表层比较干旱时(水吸力>-20 kpa)，进行灌溉，灌溉深度为15 cm。

表1 不同来源灌溉水盐分离子组成

注： %为灌溉水中各离子占总盐的百分比。

Note:% is the percentage of ions in total salt in the irrigation water.

1.3 数据分析

采用Microsoft excel和SPSS 17.0软件。

2 结果与分析

2.1 土壤全盐量

土壤全盐含量作为反映土壤盐分的重要指标，可由土壤中各离子含量相加所得[12]。土壤含盐量是调查评价土壤盐渍化程度的指标之一，是限制植物生长的重要因子，土壤全盐量过高会对植物产生危害，同时盐分的增加可导致土壤盐渍化[13-14]。

从图1中可知，不同来源灌溉水0～120 cm土层土壤全盐量分布趋势基本一致，而且均是表层含量最高，存在表聚现象，井水灌溉、黄河水灌溉、混合灌溉0～10 cm层全盐量分别是10～20 cm层的1.46、166、1.89倍。对照的0～10 cm层土壤全盐量是3.02倍，具有明显的表聚现象。随着土层深度的增加，不同来源灌溉水土壤全盐量呈减小趋势，到60～80 cm深度，全盐量又增大，之后逐渐趋于稳定。图2显示，不同来源灌溉水全盐量大小顺序为对照﹥混合灌溉﹥井水灌溉﹥黄河水灌溉，结合图1～2，各土层深度井水灌溉、黄河水灌溉、混合灌溉的土壤全盐量明显低于对照，平均土壤全盐量亦低于对照，井水灌溉、黄河水灌溉、混合灌溉的土壤全盐量分别与对照差异显著(P﹤0.05)，不同来源灌溉水之间差异不显著(P﹥0.05)。

表2 土壤盐基离子测定方法

图1 土壤全盐量垂直分布Fig.1 Vertical distribution of total salinity of soil

2.2 土壤pH值

土壤pH常被用来表示土壤的酸碱性，它是非常重要的土壤化学性质之一，直接影响土壤养分元素的存在形态及生物有效性[15]。土壤酸碱性对土壤微生物的活性、矿物质及有机质的转化起着非常重要的作用，并影响养分及农药等在土壤中的利用、转化和降解[16]。由图3可知，不同的灌溉水土壤pH值变化趋势一致，pH值呈先增加后减小的趋势，对照pH值随着土层深度的增加也呈现先增加后减小的趋势，0～40 cm层不同的灌溉水土壤pH值小于对照。由图4可知，pH值均值都是在8.5以上，大小顺序为对照﹥黄河水灌溉﹥井水灌溉﹥混合灌溉，对照与黄河水灌溉差异不显著(P﹥0.05)，与混合灌溉、井水灌溉差异显著(P﹤0.05)，而井水与混合灌溉之间差异不显著(P﹥0.05)。

图2 土壤全盐量均值对比Fig.2 Comparison of the mean of total salt content

图3 土壤pH值垂直分布Fig.3 Vertical distribution of soil pH value

2.3 土壤盐基离子含量变化

不同来源灌溉水条件下土壤Ca2+变化趋势一致，都呈先减小后增加的趋势，表层含量最高，表聚现象明显，然后逐渐减小再逐渐增加，增加到60～80 cm层后基本趋于稳定，对照的土壤Ca2+离子也呈现表聚现象，表层含量最高。由表3可知，不同来源灌溉水土壤Ca2+含量大小顺序为对照﹥混合灌溉﹥井水灌溉﹥黄河水灌溉，井水、黄河水灌溉、混合灌溉差异不显著(P﹥0.05)，井水、黄河水灌溉分别与对照差异显著(P﹤0.05)。

图4 土壤pH值均值对比Fig.4 Comparison of the mean of soil pH value

阳离子中Ca2+与Mg2+都是二价离子，其离子代换力、凝聚力、胶体对其吸附性、化学性质等十分相近，因此土壤中Ca2+与Mg2+的分布特征与变化趋势应该存在一定相似性[17]。由图5可知，不同来源灌溉水条件下土壤Mg2+离子变化趋势一致，与Ca2+离子变化趋势一致，都呈先减小后增加的趋势，表层含量最高，表聚现象明显，然后逐渐减小再逐渐增加，对照的土壤Mg2+离子也呈现表聚现象，表层含量最高。由表3 可知，不同来源灌溉水土壤Mg2+离子含量大小顺序为对照﹥混合灌溉﹥井水灌溉﹥黄河水灌溉，差异不显著(P﹥0.05)。

由图5可知，不同来源灌溉水条件下土壤K++Na+变化趋势一致，与Mg2+变化趋势一致，都呈先减小后增加的趋势，表层含量最高，表聚现象明显，然后逐渐减小再逐渐增加，对照的土壤Mg2+也呈现表聚现象，表层含量最高。由表3可知，不同来源灌溉水土壤Mg2+含量大小顺序为对照﹥混合灌溉﹥井水灌溉﹥黄河水灌溉，井水、黄河水灌溉、混合灌溉差异不显著(P﹥0.05)，井水、黄河水灌溉分别与对照差异显著(P﹤0.05)。植物根系对于K+、Na+有较强的吸收能力，根系在吸收盐离子K+、Na+过程中，使得盐离子向表层运输富集[18]。

表3 不同来源灌溉水土壤盐分特征

注：表中数据均为均值±标准差，同行不同字母表示同一盐分离子不同来源灌溉的差异显著(P﹤0.05)。

Note:Values are means±SD. Different letters within same row indicate significant differences at 0.05 level among different sources of irrigation.

图5 不同来源灌溉水土壤盐分离子垂直变化Fig.5 Vertical changes of soil salt ions of irrigation water in different sources

不同来源灌溉水条件下土壤Cl-变化趋势一致，都呈先减小后增加的趋势，表层含量最高，表聚现象明显，然后逐渐减小再逐渐增加。由表3可知，不同来源灌溉水土壤Cl-含量大小顺序为对照﹥混合灌溉﹥井水灌溉﹥黄河水灌溉，井水、黄河水灌溉、混合灌溉差异不显著(P﹥0.05)，井水、黄河水灌溉分别与对照差异显著(P﹤0.05)。这是因为Cl-很少被土壤吸附，也不易于从土壤解离出来，又不易形成难溶性的氯化物形式[20]，主要是随着土壤中水分的运移而移动，土壤蒸发作用使得Cl-随水分由下层向上层积累，使Cl-表层含量较高。

表4 各盐分离子、全盐量、pH值相关系数(n =112)

注：**表示在0.01水平(双侧)上显著相关；*表示在0.05水平(双侧)上显著相关。

Note:**represents significance at 0.01 level(double tailed)；* represents significance at 0.05 level(double tailed).

2.4 土壤盐分离子间相关性分析

3 讨 论

土壤盐分具有“盐随水来，盐随水去，盐水相随”的特征，土壤水分为盐分运移提供了载体，使盐分经历一个重要的再分布过程。土壤溶液通过土壤垂直迁移，溶液中的离子和吸附在固相表面的离子之间发生动力学的相互作用，其中的离子是以对流(离子随着土壤水而移动的过程)、扩散(离子因热运动而引起的混合和分散作用)或者二者兼有的形式迁移。入渗水的矿化度不同必然导致溶液中离子和土壤固相离子之间相互作用不同，从而影响到土壤盐分和盐基离子土层剖面迁移过程[21]。本研究中不同来源灌溉水土壤表层盐分离子含量最高，具有明显的表聚现象，这可能是试验区降水量小于蒸发量，地表蒸发强烈，且地下水埋藏较浅，加之灌溉水中的盐分进入土层，并不断积累，导致盐分聚集，土壤极易积盐返盐[22]。

已有研究发现根系分布层内的土壤高盐分会造成植物的生理干旱，但是突发性强降雨可使结皮层中的盐分向下淋溶，如果淋溶深度恰好到达植物主要根系分布层，那么这可能导致植物的生长受到抑制甚至引起植物的死亡[23-25]，因此如果土壤表层盐分过高对植物生长不利。

4 结 论

(2)不同来源灌溉水土壤全盐量分布趋势基本一致，而且均是表层含量最高，存在表聚现象。大小顺序为对照﹥混合灌溉﹥井水灌溉﹥黄河水灌溉，各土层井水灌溉、黄河水灌溉、混合灌溉的土壤全盐量明显低于对照，井水灌溉、黄河水灌溉、混合灌溉的土壤全盐量分别与对照差异显著(P﹤0.05)，不同来源灌溉水之间差异不显著(P﹥0.05)。不同的灌溉水土壤pH值变化趋势一致，pH值呈先增加后减小的趋势。pH值均值都是在8.5以上，大小顺序为对照﹥黄河水灌溉﹥井水灌溉﹥混合灌溉。