灌溉方式对荒漠绿洲过渡带地下水与土壤理化性质的影响

席琳乔 马丽亚 王 栋 张 玲 韩 路 马春晖，2*

（1 塔里木大学动物科学学院/新疆生产建设兵团塔里木畜牧科技重点实验室，新疆 阿拉尔843300）

（2 石河子大学动物科技学院，新疆 石河子832000）

引言

荒漠绿洲过渡带是绿洲工农业生产的天然屏障，具有重要的生态意义，塔里木盆地是我国典型的极端干旱荒漠区，该地区土壤贫瘠化、沙化、次生盐渍化趋势愈发严重。近年来，新疆在农作物生长期由滴灌逐渐替代了漫灌［1-2］。当前众多学者研究了干旱区不同地理环境条件下的生态学问题［3］，对塔里木河上中下游植被、土壤水盐运移的研究较为广泛［4］。塔里木河下游典型绿洲边缘物种多样性特征受到土壤水分、盐分等因素限制，土壤水盐是影响荒漠-绿洲过渡带植物群落分布格局的主要因子。塔里木河干流岸边，当土地利用类型为农用地时，其地下水位的变化受到塔里木河水位、农田灌溉及蒸发等影响［5-6］。从上世纪80年代起新疆开始进行节水灌溉技术的推广应用［6］，膜下滴灌使作物根区土壤常保持较高的含水量，进而使根系层形成脱盐区，为作物生长创造了良好土壤环境，但在膜外(根系外围)明显积盐［7-8］；漫灌方式使土壤盐分随水下渗而脱盐，但长期漫灌易引起地下水位上升、盐分表聚而产生土壤次生盐渍化。南疆农业采用冬/春漫灌，作物生长季采用滴灌［9-10］。灌溉方式对上游过渡带土壤理化性质与地下水的影响报道较少，集中在中下游区域［11-15］。因此，研究作物生长期滴灌、漫灌对上游过渡带土壤理化性质和地下水的影响，揭示灌溉方式对过渡带生境的影响，以期为塔里木荒漠绿洲过渡带植被恢复提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区地处叶尔羌河下游至塔里木河干流上游，属典型的暖温带干旱荒漠性气候。该区年均温度10. 7 ℃，≥10 ℃积温4 113 ℃，年均日照2 556.3-2 991. 8 h，无霜期180-224 d；年均降雨量为40. 1～82.5 mm，年均蒸发量1 876.6～2 558.9 mm。荒漠绿洲过渡地带土壤为砂壤土，主要植被有胡杨(Populus euphratica)、灰叶胡杨(Populus pruinosa)、柽柳(Tamarix chinensis)、黑 果 枸 杞(Lycium ruthenicum)、盐 穗 木（Halostachys Caspica)、骆驼刺(Alhagi sparsifolia)、甘草(Glycyrrhiza uralensis) 和 芦 苇（Phragmites australis)等［9］。

1.2 试验设计

研究区分别在作物生长期进行滴灌和漫灌的地区，滴灌试验区位于新疆阿拉尔市第一师十二团，漫灌试验区位于新疆阿克苏地区阿瓦提县丰收三场，垂直于农田在荒漠过渡带内设置样地，滴灌试验区4个样地离农田距离由近及远分别为A1、A2、A3、A4；漫灌试验区4 个样地离农田由近及远分别为B1、B2、B3、B4，具体位置(表1）。每块样地内人工打地下水位观测井1 口(PVC 管，10 m)，观测地下水位，采集地下水和样地土壤。

表1 地下水位观测井位置

1.3 研究方法

1.3.1 土壤理化性质测定

每块样地内按梅花形5 点取样，每月取样1 次，取0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm 土样［16］。土壤水溶性盐采用水浴蒸干法测定（水土比为5:1），酸度计测定土壤pH值，烘干法测定土壤含水量。有机质（TOM）用重铬酸钾容量法；全氮(TN)半微量滴定法；全钾(TPo)和全磷(TPh)用碱熔法；碱解氮(AN)用扩散皿法；速效磷(APh)用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法；有效钾(APo)用乙酸铵浸提-火焰原子吸收光谱法［18］。

1.3.2 地下水位和水质测定

采用电导法测量地下水位［17］，重量法测定地下水矿化度。Cl-含量采用AgNO3滴定法；含量采用EDTA 间接滴定法；CO32-/含量采用双指示剂滴定法；Ca2+和Mg2+含量采用EDTA 络合滴定法；K+/Na+含量采用火焰原子吸收光谱法［18］。

1.3.3 数据处理与分析

数据采用Excel 2010 进行整理，数据处理采用SPSS11.0。单因素方差分析(ANOVA)检验不同样地土壤总盐含量及土壤含水率的差异(α=0.05)，多重比较采用新复极差法(DUNCAN）进行检验。

2 结果与分析

2.1 灌溉方式对荒漠绿洲过渡地下水位的影响

不同灌溉方式对过渡带地下水位的影响（表2），漫灌下地下水位的极差与变异系数均明显高于滴灌方式，漫灌方式下6-11 月对过渡带地下水补给作用明显。滴灌方式下4-11 月对地下水补给作用不明显。滴灌和漫灌方式对过渡带地下水位极差、变异系数与地下水埋深均随离农田距离增加而降低，漫灌方式对地下水位的提升作用明显大于滴灌，滴灌对地下水位的影响较小（p＞0.05）。

表2 不同灌溉条件下过渡带地下水位变化

2.2 灌溉方式对荒漠绿洲过渡地下水水质的影响

滴灌方式下地下水矿化度、pH值、阴阳离子含量随着距农田由近至远逐渐降低，A1 样地地下水各指标均最高，除pH 值与Mg2+含量外均与其他样地间差异显著(p＜0.05)。漫灌方式下地下水矿化度与阴、阳离子含量随远离农田均呈“V”字形变化，B4 样地除pH值外，其他指标均明显高于其他样地（表3）。

滴灌方式下过渡带地下水矿化度、pH值、阴阳离子含量均明显高于漫灌方式，尤其2种灌溉方式间水质矿化度、Cl-、SO42-与K+/Na+离子含量差异显著(p＞0.05)，漫灌方式有利于改善地下水水质。

表3 不同灌溉方式对地下水水质的影响

2.3 灌溉方式对荒漠绿洲过渡带土壤水分、盐分的影响

2.3.1 盐分

滴灌下0～100 cm 土壤总盐由A1 至A4 样地逐渐降低，A1样地最高17.67 g/kg，A4样地最低3.54 g/kg（表4），A1 样地0～40 cm 土壤总盐含量显著高于其他样地(p＜0. 05），且其40～100 cm 土壤总盐含量与A3、A4 样地差异达显著水平(p＜0.05）。漫灌下0～100 cm土壤总盐从B1到B4样地逐渐增加趋势，B4样地最高达14.20 g/kg 与其他样地差异显著(p＜0.05）。

2.3.2 水分

滴灌方式下距农田由近及远土壤含水量逐渐降低趋势，A1 样地0～100 cm 土壤含水量最高达11. 72%，与A3、A4 样地差异显著(p＜0. 05）；0～40 cm土壤含水量在各样地之间差异达显著水平(p＜0.05），A1、A2 样地60～100 cm 土壤含水量显著高于A3、A4样地(p＜0.05）；A1、A2、A3 样地土壤含水量随土壤深度增加而增加，但是A4 呈现降低趋势。漫灌下0～100 cm 土壤含水量依次为B1＞B4＞B3＞B2，距农田最近样地B1 土壤含水率最高，土壤含水量随土层深度增加而增加；距离农田较远的B2、B3、B4 样地土壤含水量则随土壤深度增加而降低。漫灌方式下0～40 cm 土壤含水量明显高于滴灌方式，漫灌方式有利于提高过渡带土壤含水量（表5）。

表4 不同灌溉方式对土壤盐分的影响 单位：g/kg

表5 不同灌溉方式对土壤含水量的影响(%)

2.4 灌溉方式对荒漠绿洲过渡土壤化学性质的影响

滴灌方式下过渡带土壤有机质、全氮、速效钾随离农田距离增加而降低，其中有机质含量降幅显著（p＜0. 05）。漫灌方式下则相反，土壤有机质和全氮呈增加趋势，B3、B4 样地土壤有机质均显著高于B1、B2样地（p＜0.05）。漫灌方式下土壤有机质高于滴灌方式（表6）。

表6 灌溉方式对荒漠绿洲过渡带样土壤化学性质的影响

2. 5 灌溉方式下地下水水质与土壤化学性质的相关性分析

滴灌方式下地下水矿化度与八大离子呈极显著相关（p＜0.01），土壤有机质(TOC)与地下水pH 值、矿化度、Cl-、/HCO3-、Ca2+、Mg2+显著正相关（p＜0. 05），与、Na+/K+离子呈极显著相关（p＜0. 01）。漫灌方式下地下水矿化度与Cl-、、Na+/K+呈极显著相关（p＜0. 01），TOC 与TPo 呈显著相关（p＜0. 05）（表7）。

2.6灌溉方式地下水位、土壤水分盐分与离农田距离的相关性分析

滴灌下土壤含水量、土壤含盐量与离农田距离均呈显著线性负相关（r=-0. 978 3，p＜0. 05；r=-0. 997 0，p＜0. 01）；地下水位与离农田距离的相关系数低(r=0.044 7，p＞0.05），滴灌方式下农田距离对过渡带地下水位的影响不明显（图1）。漫灌下土壤含盐量、土壤含水量、地下水位与离农田距离的相关系数较低，差异不显著(r=0. 781 7、-0. 266 5、0.824 0，p＞0. 05）(图2)。二次回归，滴灌和漫灌距离农田距离与土壤含盐量相关性高（r2=0. 997，r2=1. 000），漫灌方式下距离农田与地下水位埋深相关性高（r2=0.974）。

图1 滴灌方式距离农田距离与下地下水位、土壤水分盐分的关系

图2 漫灌方式距离农田距离与下地下水位、土壤水分盐分的关系

3 讨论

3.1 灌溉方式对荒漠绿洲过渡地下水的影响

在作物时期不同灌溉方式下，荒漠绿洲过渡带离农田距离越远其地下水位越深，可能是农田灌溉对地下水起到了一定的补充。4 月滴灌地下水埋藏深最浅（p＜0.05），可能由于农田冬灌/春灌，对地下水进行了补充，导致地下水埋深变浅，11 月份地下水位埋深最深（p＜0. 05），由于夏季作物需水量和蒸发量大等因素导致地下水位下降。漫灌下4-6 月地下水位明显深于其他月份，可能是该阶段作物对水分需求较少，灌溉量减少和蒸发等因素导致地下水下降，6-11 月地下水位上升，可能是由于作物旺盛生长期需水量大，农田多次漫灌补给地下水而引起。同时，漫灌能够显著降低地下水矿化度，这与张宏锋研究输水对水质矿化度的影响较为明显结果一致［19］。漫灌能够引起地下水pH值适当降低，但pH值表现距农田由近及远呈下降的趋势与陈永金等研究结果一致［13］。漫灌能够降低农田到荒漠过渡带地下水中的Cl-、、K+/Na+、Ca2+离子浓度，改善地下水的品质，矿化度由半咸水过渡到微咸水［21-22］。

3.2 灌溉方式对荒漠绿洲过渡土壤化学性质的影响

在小尺度滴灌后距滴灌带越近含水率越高，距滴灌带越远含水率越低；盐分在水平方向距管近的土层处于脱盐状态，在距管远的土层处于积盐状态，对于漫灌，地表上层全部表现为淋洗状态，而下层表现为积盐状态［22-24］。在较大尺度滴灌方式下荒漠绿洲过渡带相对于农田则表现为积盐；在距农田较近的区域，形成明显的积盐区，对距离农田近的区域影响较大，距离较远的样地土壤含水量和含盐量比较低；随着距离的增加，植物多样性下降，距离农田较近区出现了耐盐植物，如盐穗木。漫灌下近农田过渡带样地土壤含水量比较高、盐分含量较低，可能是漫灌对过渡带土壤水分补充较多引起的。距离农田最远处的样地土壤含盐量最高，出现了明显的积盐区。滴灌和漫灌都会在过渡带土壤中，形成积盐区，滴灌在距离农田较近的区域形成积盐区，漫灌在距离农田较远的区域形成积盐区［25-27］。有机质、全氮、磷、钾，尤其是有机质的变化能在一定程度上反映物种多样性的变化［28］。滴灌下荒漠绿洲过渡带距离农田越近，有机质、全氮、碱解氮、速效磷和速效钾含量越高，且土壤含水量较高，有利于凋落物的分解和积累有机质，促进植被生长［21］。漫灌下土壤有机质和速效磷含量较高，全氮与碱解氮含量略高于滴灌方式，这是漫灌增加了土壤含水量，有利于植物的生长，从而增加了土壤有机质。因此，滴灌方式导致灌水量减少，引起积盐区距离农田更近，加剧过渡带生境恶化。

3. 3 不同灌溉方式下地下水水质与土壤化学性质的关系

滴、漫灌方式下在过渡带土壤形成了积盐区，离子主要包括从农田洗脱出来的Cl-、SO42-、K+/Na+离子。马晓东等［29］研究表明塔里木河下游植被的生长与土壤水分和地下水位密切相关，土壤含水率水平空间分布随离水源地距离增加而降低，垂直分布随土层深度的增加而增加；土壤含水率的时间变化受生态输水量和持续时间的制约［30］。因此，漫灌输水量较大，增加了土壤含水量，提升了地下水位，降低土壤盐分，改善地下水质效果明显优于滴灌。滴灌方式下TOC 与八大离子和矿化度相关性较高，滴灌使植物处于低水分状态，影响植被的生长，从而诱发过渡带植被的退化［31-33］。

3.4 灌溉方式下地下水位、土壤水分盐分与离农田距离的关系

滴灌下土壤含水量、土壤含盐量与离农田距离均呈负相关（p＜0.05），可能是滴灌灌水定额较小，对荒漠过渡带的水分补充范围较小，对过渡带地下水埋深影响有限，使过渡带地下水位年内波动较小。距离农田近的区域地下水位较浅与土壤含水率高，强烈蒸发下盐分随水上移而形成明显的积盐区；相反，距离农田远的区域土壤水分、盐分低。漫灌下地下水位、土壤含盐量与离农田距离相关性较小。漫灌能够改善过渡带的生境，有利于促进植被生长。

4 结论

滴灌方式地下水位年内波动较小，土壤含盐量与地下水矿化度、pH值及阴、阳离子含量均明显高于漫灌方式；漫灌方式提升了地下水位和增加土壤水分，降低土壤含盐量、改善地下水水质；滴灌方式加剧了过渡带生境恶化。