磁化水灌溉条件下黄河三角洲刺槐林地土壤盐分时空分布特征及变化规律

2019-12-11阎腾飞刘秀梅刘合满王华田王壮壮

水土保持通报 2019年5期

阎腾飞，刘秀梅，刘合满，王华田，洪弦，贺闯，王壮壮

（1.信阳农林学院，河南信阳464000；2.山东农业大学黄河下游森林培育国家林业局重点实验室，山东泰安271000；3.上海市环境学校，上海200135）

中国是一个水资源相对匮乏的国家，人均淡水资源占有量及单位土地面积水资源占有量均低于世界平均水平。提高农业水资源利用效率和开发新的农业水源成为缓解农业用水供需矛盾的主要途径［1］。中国拥有丰富的地下咸水资源，合理开发利用微咸水资源可以有效缓解淡水资源紧缺的矛盾。有研究表明［2-4］，利用微咸水灌溉不仅不会影响作物生长，还能提高部分作物和果树的产量。然而长期使用微咸水灌溉也面临着土壤可溶性盐分含量过高，使用不当会导致土壤退化、污染水源等问题，给农业环境和生态系统带来一系列严重后果。因此，开展微咸水灌溉应用技术研究，对于促进农业的安全稳定和可持续发展具有重要意义。磁化水处理技术是当前开展盐碱地治理的一项较新技术，在世界各国得到了广泛的应用［5-6］。相关研究表明，磁化水灌溉能够显著改善盐渍化土壤脱盐效果，增强植物抗逆性，提高作物产量和水分利用效率；对高矿化度地下水磁化后灌溉，能有效减轻对植物的伤害，促进根系生长，活化土壤养分，提高作物产量和质量［5，7-8］。在中国，关于磁化水技术在农林业中的应用，目前尚属初级阶段，研究的重点主要集中在对土壤的脱盐效果、作物生理生化特性和产量影响、水分利用效率等方面［9-11］。因此，了解磁化水灌溉条件下的土壤水盐运移规律，能更好地推广应用磁化技术。国内外学者对盐渍土水盐迁移规律采用传统统计学和地统计学的方法进行了大量的研究，管孝艳等［12］结合GIS技术分析了河套灌区沙壕渠土壤电导度EC 值的空间变异特征及地下水埋深对土壤盐分分布的影响，宗含等［13］研究了膜下滴灌对盐荒地土壤盐分变化规律，李娟等［14］研究了不同排水模式对盐碱地土壤改良效应的影响，而关于磁化水灌溉对土壤水盐时空变化规律的研究未见报道。

黄河三角洲地区属于典型的滨海盐碱地类型，由于自然和人为活动等因素，造成该区土地次生盐碱化严重、淡水资源匮乏，使得植被生态系统脆弱，严重制约着当地农林业的发展［15-16］。本试验以黄河三角洲山东省东营市河口区新营造的刺槐林地为研究对象，利用不同处理的水源进行灌溉，通过分析土壤盐分的时空分布及变化规律，以期为滨海盐碱地磁化水灌溉技术提供理论参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于山东省东营市河口区新户镇北李村刺槐人工林基地（118°34′08″N，37°44′37″E）。属暖温带大陆性季风气候，雨热同季，四季分明。年平均气温12.5 ℃，年降水量550～600 mm，多集中在夏季，7—8月份降水量约占全年降水量的一半，盐渍化黏壤土，地下10 m 以上浅表层地下水矿化度7.4 g／L。

1.2 试验设计

2015年4月初，在467 hm2刺槐人工林内西北方向选择当年刺槐新造林地作为试验地，选用2 a生幼树当年造林，保存率95%，试验地块面积90 m×240 m，林木栽植株行距2 m×2 m，南北行，靠近外围2行为保护行。以自来水作为灌溉淡水。在试验地南头打10 m 深水井，引地下水作为浅表层微咸水。利用磁化器（型号A400p，出水量20 m3／h，磁感应强度1400Gs，Magnetic Technologies L.L.C.，迪拜）分别接入两种灌溉水磁化灌溉。沿树行铺设滴灌设施，沿主管道引3 m 长滴管，每个滴管5个滴头，沿树盘环形铺设，每次灌溉持续灌水2 h，春秋旱季10 d灌溉一次，雨季不灌溉。沿东西向每隔22.5 m 设置一试验处理，分别为淡水灌溉（FW）、磁化淡水灌溉（MFW）、磁化地下浅表层微咸水灌溉（GW）、地下浅表层微咸水灌溉（MGW）。在试验地旁边选相同面积地块采用相同采样方法作为对照，对照不采用任何灌溉方式（自然降水）。

1.3 采样及测定方法

研究区面积约为2.16 hm2，矩形取样，沿东西向5.5，16.5，27.5，38.5，53.9，64.9，75.9，86.9 m 处，南北向10，30，50，70，90，110，130，150，170，190，210，230 m 处，采用网格法取样，共96个取样点，均为单点采样。采样时间分别为4 月10 日，4 月25日，5月10日，5月25日，6月20日，8月20日，9月20日。土壤盐分测定采用雷磁电导仪（DDS-308A，上海雷磁）测定土壤浸提液（土水比1∶5）的电导度，用LY／T1215-1999标准计算全盐含量。

1.4 数据处理

相对偏差［17］：测点i处测定时间j 时土壤水分（Sij）相对偏差（δij）的计算公式为

任一测点i处土壤盐分平均相对偏差计算公式为：

式中：m——试验测点总次数。

任一测点i处土壤盐分平均相对偏差的标准偏差（σ（δi））计算公式为：

采用3倍标准差的原则对数据序列的特异值进行异常检验和修正［18］。运用SPSS19.0对土壤盐分数据进行描述统计分析。利用surfer14.0地学制图软件绘制土壤盐分空间分布等值线图。

2 结果与分析

2.1 不同层次土壤盐分含量的统计特征值

由表1可知，0—20 cm 土壤盐分含量平均值变化范围为2.75～7.77 g／kg，在4月25日达到最大值；从变异系数来看，5月25日表现为强变异性，其他各日期均表现为中等变异强度。20—40 cm 土壤盐分含量平均值变化范围为2.77～5.78 g／kg，在4月25日达到最大值；从变异系数来看，各日期均表现为中等变异强度。40—60 cm 土壤盐分含量平均值变化范围为2.69～5.14 g／kg，在4月25日达到最大值；从变异系数来看，各日期均表现为中等变异强度。各土层各日期土壤盐分含量值分布均呈正态分布。

表1 不同层次土壤盐分统计特征值

2.2 不同处理土壤盐分含量的时空稳定性分析

将不同土壤层次不同灌溉处理土壤盐分含量平均相对偏差，每种灌溉处理24个采样点由小到大排列，描述其时间稳定性，其中误差线为各测点标准差（见图1）。由图1，图2和图3可以看出，淡水灌溉条件下0—20，20—40，40—60 cm 各土层土壤盐分含量平均相对偏差变化范围为－36.4%～95.8%，－45.4%～68.7%，－36.5%～70%，标准差变化范围为11.8%～56.3%，11.8%～53.6%，15.88%～47.38%。磁化淡水灌溉条件下0—20，20—40，40—60 cm 各土层土壤盐分含量平均相对偏差变化范围为－30.5%～60.9%，－39.6%～61.2%，－38%～62.5%，标准差变化范围为14.2%～67.6%，9.7%～63.25%，11.2%～69.1%。这表明磁化淡水灌溉相较于淡水灌溉各土层土壤盐分含量时间稳定性较强，各测点土壤盐分含量数据离散程度较大。淡水灌溉和磁化淡水灌溉处理条件下各土层土壤盐分含量数据之间时间稳定性和数据离散度差异不明显。

图1 不同灌溉处理0－20 cm 土层土壤盐分值平均相对偏差变化

图2 不同灌溉处理20－40 cm 土层土壤盐分值平均相对偏差变化

图3 不同灌溉处理40－60 cm 土层土壤盐分值平均相对偏差变化

地下浅表层微咸水灌溉条件下0—20，20—40，40—60 cm 各土层土壤盐分含量平均相对偏差变化范围为－38.2%～61%，－38.3%～58.1%，－42.7%～81.3%，标准差变化范围为14.6%～72.3%，11.3%～56.4%，10.5%～60.5%。磁化地下浅表层微咸水灌溉条件下0—20，20—40，40—60 cm 各土层土壤盐分含量平均相对偏差变化范围为－43.6%～53.9%，－42.4%～62.5%，－48.1%～74.4%，标准差变化范围为18.1%～51.9%，18.3%～51.8%，8.26%～51.5%。这表明磁化地下浅表层微咸水灌溉较地下浅表层微咸水灌溉各土层土壤盐分含量时间稳定性较强，各测点土壤盐分含量数据离散程度较小。地下浅表层微咸水灌溉和磁化地下浅表层微咸水灌溉条件下各土层土壤盐分含量随土层深度增加时间稳定性减弱，数据离散程度随土层深度增加减小。

由图4可以看出，不同灌溉处理不同层次土壤盐分含量均值均表现出：GW ＞CK＞FW ＞MGW ＞MFW，不同土层土壤盐分含量随着土层深度增加逐渐降低。这表明磁化处理能够显著降低各土层土壤盐分含量，提高土壤盐分淋溶。磁化淡水灌溉处理相较淡水灌溉处理3个土壤层次上分别降低了12.5%，12.3%，9.2%，磁化浅表层微咸水灌溉处理相较浅表层微咸水灌溉处理3 个土壤层次上分别降低了10.8%，10.8%，9.2%。这表明磁化处理对于土壤盐分含量的淋溶作用随着土壤深度的增加逐渐降低。这与王渌［13］、李夏［11］等的研究结果是一致的。

图4 不同灌溉处理各土层土壤盐分含量

由图5可以看出，4种灌溉处理条件下各土层土壤盐分含量季节动态变化规律均表现出春季升高夏季降低秋季缓慢回升的变化趋势。这是由于春季气温逐渐升高，土壤水分蒸发上升，土壤盐分随着水分蒸发上移，土壤盐分含量增大；进入夏季以后，降水增多，盐分随着降水下移；进入秋季以后，土壤水分蒸发回升，盐分重新上移，土壤盐分含量升高。从土壤盐分含量值上来看，淡水灌溉和浅表层微咸水灌溉处理各土层土壤盐分含量在春季0—20 cm＞20—40 cm＞40—60 cm，在夏季40—60 cm＞20—40 cm＞0—20 cm，在秋季0—20 cm 土壤盐分含量最高，明显大于其它两个层次。磁化淡水和磁化浅表层地下水灌溉处理土壤盐分含量值在4月10日和5月25日表现出0—20 cm＞20—40 cm＞40—60 cm，在4月25日、5月10日和9月20日表现出0—20 cm＞40—60 cm＞20—40 cm，在6 月20 日表现出40—60 cm＞20—40cm＞0—20 cm。在4月25日、5月10日和9月20日都表现出了20—40 cm 土层土壤盐分含量较低的现象，这表明磁化处理措施在春、秋季均能有效地降低20—40 cm 土层土壤盐分含量。

图5 不同灌溉处理各土层土壤盐分含量的季节变化

对不同层次土壤盐分分布特征进行相关性分析（见表2），可知不同层次与土壤盐分分布具有显著的正相关关系。因此，为了更好地描述滨海盐碱地不同灌溉方式处理条件下土壤盐分时空分布特征，以0—20 cm 土壤层次盐分分布绘制不同时期土壤盐分分布特征的等值线图（图6）。

由图6可以看出，表层土壤盐分含量空间分布在4月10日时磁化处理区域盐分含量明显降低，随着春季气温升高，地表水分蒸发增强，盐分上行，部分区域出现了“积盐”现象；进入雨季后，降水增多，土壤盐分下压，磁化处理区域土壤盐分降低；随着雨季的深入，盐随水走，盐分分布特征“鱼眼”区域增多（高土壤盐分含量区域），各处理区域间分布无规则；进入秋季以后，磁化灌溉处理措施实施，处理区土壤盐分含量开始下降。

表2 不同土层土壤盐分含量均值相关性

3 讨论

液态水经过磁场切割的磁化处理后，可以明显降低灌溉水含盐量，从而降低土壤盐分含量［7，9，19］。本研究中，2种磁化灌溉处理措施对滨海盐碱地土壤盐分都表现出了明显的脱盐效果，显著地降低土壤中各层次的土壤含盐量，尤其在春、秋季对20—40 cm 土层土壤盐分脱盐效果最为明显，这与卜东升等［20］的研究结果相一致。这表明磁化灌溉水处理技术能够有效地降低滨海盐碱地土壤盐分含量，通过磁化地下浅表层微咸水进行适度灌溉，可以有效地为该地区节约用水资源，提高农业产能效益。

通常土壤盐分的时空分布是一个相对稳定性结构［21］，具有一定的空间依赖性。在本研究中，由于采用了4种不同的灌溉处理措施，各土壤层次土壤盐分分布特征值都表现为中等变异强度，磁化灌溉处理措施对土壤盐分的时空分布稳定性产生了一定的影响，这可能也是导致局部区域出现土壤“积盐”现象的原因。从土壤盐分的空间分布来看，在磁化处理灌溉水后，磁化处理区域起到了良好的脱盐效果，随着时间的推移和水分蒸发等因素的综合影响，磁化处理区域对土壤表层脱盐效果降低，但在20—40 cm 土层深度仍表现出了较好的脱盐效果。进入雨季后，降雨量增大，磁化灌溉措施暂停，但磁化区域相较未磁化灌溉区域仍表现出了较好的土壤盐分含量的稳定性，磁化处理显示出了较好的土壤盐分空间结构稳定性。在秋季，磁化水处理区域土壤盐分含量明显低于未处理区域。

图6 0－20 cm 土层土壤盐分含量空间分布特征

土壤中盐分的分布与水分密切相关，土壤水分是土壤盐分迁移的重要载体，即通常所说的“盐随水走”。研究表明，土壤盐分会随着地表水分蒸发向表面聚集，称为“表聚”现象［22］。在本研究中，不同灌溉处理措施下土壤盐分都表现出了“表聚”现象，对比磁化灌溉处理和未磁化灌溉处理措施的时间动态变化，磁化处理措施能够有效降低土壤盐分表聚。

土壤盐分含量的变化除了受降雨和土壤水分蒸发的影响，还受植被覆盖度的变化以及地下水埋深的影响［23-24］。本研究中四月份刺槐刚刚展叶，土地裸露面积大，土壤盐分含量上升。五月份刺槐枝叶生长发育加快，郁闭度逐渐增大，抑制土壤水分蒸发，土壤盐分含量出现回落。进入雨季以后，降雨量增大，土壤盐分下行，地下水埋深上移，土壤盐分迅速下降。秋季土壤水分蒸发增强，枯落的枝叶也带回了大量的盐分，土壤盐分含量回升；全年土壤盐分含量表现为春、秋季积盐，夏季脱盐。

由于田间试验的限制，本研究在布设试验地时未进行隔离处理，不同试验处理之间的边际效应势必对试验结果产生一定影响。因此，对不同灌溉处理之间的脱盐效果精准分析是下一步的研究方向。土壤盐分含量的时空变化受多种因素的综合影响，本研究亦未进行相关因素的观测，试验数据有一定的局限性。