膜下滴灌棉田盐分空间分布特征分析

2020-09-16杨未静虎胆吐马尔白米力夏提米那多拉

节水灌溉 2020年9期

杨未静，虎胆·吐马尔白，米力夏提·米那多拉

(1.南京水利科学研究院水文水资源与水利工程国家重点实验室，南京 210029；2.新疆农业大学水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052)

0 引言

新疆气候类型及不完善的农业基础灌溉设施、耕作意识及技术限制等因素导致该地区成为我国典型水资源紧缺地区及最大的盐碱地省份。膜下滴灌已在新疆多个地区推广应用了多年且取得了较好的经济及社会效益，是具有高效节水、保墒增温等特点的节水灌溉技术。前人研究成果[1-3]可知，在土质、水质、施肥量等相同的前提下，实施滴灌的耕地土壤含盐率大于大水漫灌的耕地，并且土壤中盐分随着灌水及土壤蒸发、作物蒸腾上下运移，不仅危害作物生长，还会使得传统的土壤水盐空间分布发生改变[4-9]。因此，对连作膜下滴灌条件下土壤盐分空间分布的进一步研究是有必要的。

国内外专家学者对土壤水盐的空间分布进行了大量研究[10-16]。李艳菊等[17]通过对渭-库绿洲土壤盐渍化的空间分布特征的监测，分析了样本点海拔、植被覆盖度、地下水位、TWI (地形湿度指数)、地下水矿化度5个因素对土壤盐渍化的影响，结果发现造成渭-库绿洲绿洲-荒漠交错带区域土壤盐渍化的首要原因是地下水矿化度。虎胆·吐马尔白等[18]研究了不同灌溉定额对土壤盐分累积特征的影响，研究表明在作物正常生长范围内，灌溉定额越大，出现盐分峰值的土层越深，盐分主要积累在60～100 cm土层。张伟等[19]从不同生育阶段研究了膜下滴灌盐分的运移，结果证明随着作物生育期的推后，土壤含盐率逐渐增大，0～60 cm深度土壤盐分的积累均在增加，而60～100 cm深度影响较小。王树仿等[20,21]专家学者结合地统计学方法与分形理论分析了膜下滴灌棉田不同尺度、深度的土壤水盐的空间分布规律及空间变异性，揭示了导致土壤水盐空间变异的控制因素。

为探索连作膜下滴灌棉田盐分高值区土壤盐分的空间分布特征，本研究以长期监测连作膜下滴灌棉田土壤含盐率数据为基础，通过SPSS19.0软件对各剖面土壤盐分含量数据进行统计特征值描述，结合surfer软件对各剖面土壤盐分分布特征进行了分析，以期为未来农田土壤盐渍化的防控和改良及土壤的可持续利用提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区选于新疆生产建设兵团农八师121团炮台试验站，该地区干旱缺水，多风少雨，降水多集中在春季，秋冬较少，平均风速1.5 m/s，年均降雨量164.3 mm，地下水埋深3～5 m，光照充足，蒸发强烈，年平均日照时间为2 864 h，年均蒸发量2 036.2 mm，无霜期平均180 d，最高气温可达43.1 ℃，最低气温可达-42.3 ℃，土壤类型主要为沙壤土，平均容重为1.40 g/cm3，田间持水率为20.6%，是连作19年的膜下滴灌棉田。

1.2 取样点布置与样品测定

取样点选取在研究区西南部边长为200 m的正方形积盐区，各以东西、南北方向，间隔50 m为剖面，分别按0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm深度内5个土层进行土钻取样，共计取样125个，将土样密封装好带回试验室进行试验。取样点布置图见图1。

图1 取样点布置图

将土样烘干，拣去杂质后磨碎过2 mm孔筛，制取土水比为1∶5(18 g土与90 g蒸馏水)的土壤浸提液，使用DDSJ-308A型号电导率仪分别测定电导率。并选取具有代表性的浸提液50个用烘干法测定其盐分含量，分别与对应电导率值进行拟合，得到拟合结果：Y=0.000 6X-0.028 2(Y为含盐率，%；X为电导率，μS/cm；R2=0.949)，按此等式将所有测得电导率值换算为土壤含盐率值。

1.3 研究方法

本研究运用经典统计学，结合SPSS19.0、surfer软件对研究区内土壤盐分高值区2016、2017、2018连续3 a垂直方向、东西方向5、6、7、8、9及南北方向G、H、I、J、K各剖面盐分含量数据进行描述性统计分析，通过计算样本极大值、极小值、标准差、均值、峰度、偏度和变异系数以及进行显著性检验等统计量来描述土样的盐分分布规律，从而来描述土壤特性的空间变异性。

(1)

(2)

(3)

4.3.2 分析：从终端日志可以看到，UE侧接收到paging后无法正常接入，UE日志体现在RACH时，RAR超时，超时原因是未收到基站的RAR调度信息，如下图所示。

(4)

式中：分布对称时Sk=0，正偏时Sk>0，负偏时Sk<0。

(5)

式中：ku=0时属于正态分布，ku>3时属于高狭峰，ku<3时属于低阔峰。

2 结果与分析

2.1 土壤盐分统计特征值分析

2.1.1 垂直方向土壤盐分统计特征值分析

经典统计学是通过假设研究的变量为随机变量，样本之间是完全独立且服从某已知的概率分布。运用经典统计学方法，结合SPSS19.0软件对研究区内土壤盐分高值区2016-2018连续三年垂直方向及南北方向G、H、I、J、K各剖面盐分含量数据进行统计特征值分析。垂直方向土壤含盐率统计特征值见表1。

表1 不同年份土壤含盐率垂直方向统计特征值

偏度和峰度是反映实测数据的频数分布是否对称和陡峭程度的度量参数，可以简单判断数据是否服从正态分布。变异系数Cv表示土壤特性参数的变异程度，Cv≤0.1为弱变异性，0.11为强变异性。土壤含盐率<3 g/kg，属非盐渍化土；3～6 g/kg，属轻度盐渍化土；6～10 g/kg，属中度盐渍化土；>10 g/kg，属重度盐渍化土[1]。

综上所述，本研究区域土壤含盐率整体呈增长趋势，深层土壤含盐率持续增大，0～20 cm土层土壤由非盐渍化土转化为轻度盐渍化土，20～100 cm土层土壤由轻度盐渍化土转化为中度盐渍化土，盐分随灌溉水逐渐向下运移。

2.1.2 南北剖面土壤盐分统计特征值分析

南北方向G、H、I、J、K各剖面盐分含量数据进行统计特征值见表2。

表2 不同年份土壤含盐率南北剖面统计特征值

由表2可得，连续三年中，G、H、I、J、K各剖面盐分含量数据偏度均大于0，即该剖面盐分数据大部分集中分布在平均值的左边；2016年中I、J剖面、2017年中G、I剖面、2018年中G、H、I剖面近似于正态分布；2016年中H、K剖面、2017年中J剖面盐分数据的分布比正态分布高耸且狭窄，更集中于平均值附近。2016、2017年该区域土壤为轻度盐渍化土，2018年该区域的西南部转化为中度盐渍化土。该盐分高值区土壤含盐率及变异系数均由G向K逐渐增大，并且含盐率在逐年增大，即土壤盐分由东向西运移，原因在于研究区地形东高西低，土壤盐分随水从地形高的地方向地形低的地方运移，并积累在该研究区的东部。

2.2 土壤盐分空间分布特征分析

为了更直观地描述该盐分高值区土壤盐分在空间上的分布，通过SPSS19.0对数据整理后，采用Surfer8.0软件绘制了研究区域棉田2016、2017、2018年5、7、9剖面土壤含盐率的空间分布图，如图2～图4所示。

图2 2016年5、7、9剖面土壤含盐率空间分布图

图3 2017年5、7、9剖面土壤含盐率空间分布图

图4 2018年5、7、9剖面土壤含盐率空间分布图

由图2可知，本研究区域内整体土壤盐分呈南高北低分布，各剖面土壤含盐率逐年增大，由非盐渍化土或轻度盐渍化土逐渐转化为中度盐渍化土，部分区域转化为重度盐渍化土，且土壤盐渍化程度在逐年增加。

在水平方向上，连续三年内7、8、9剖面土壤含盐率增长较大，盐分主要聚积在5-9剖面，2016年，5、7剖面盐分较高，2017年，7剖面盐分较高，2018年7、9剖面盐分较高，即土壤盐分逐渐由北向南运移，通过进一步对研究区的调查，研究区南高北低的倾斜型地形分布，水源位于研究区北部，滴灌管为南北方向铺设，棉田由北向南进行灌溉，“盐随水动”使得盐分随着水分由北向南运移，然而南部地形较高，导致土壤含盐率由北向南逐渐增大，形成盐分高值区。垂直方向上，0～20 cm深度土壤含盐率变化较大，说明表层土壤受外界环境影响、认为干扰较大；20～60 cm土层为棉花的主要根系层，由于整个生育期天气变化及棉花生育期内耗水量不同，该土层土壤含盐率变化无明显规律。60～100 cm土层受灌溉及降水的影响，土壤盐分随水由东向西、由南向北、由表层向深层运移，并积累在西南、西北及80 cm以下土层，变化梯度较明显，由南向北均呈递减趋势，且土壤含盐率随土层的增加而增加。