水资源“三条红线”约束下玛纳斯河灌区退耕土壤质量评价

2022-02-03李小龙何新林乔长录李鹏飞王春霞

干旱区研究 2022年6期

黄洲，杨广，苏军，李小龙，刘兵，何新林，乔长录，李鹏飞，王春霞，赵丽

（1.石河子大学水利建筑工程学院，新疆石河子 832000；2.第八师石河子市水利工程管理服务中心，新疆石河子 832000）

土壤质量综合反映了土壤物理、化学与生物特性，揭示了人类活动对土壤的影响与土壤动态变化［1］。开展土壤质量评价不仅能够揭示土壤质量状况与变化规律，而且可以为土地资源的科学利用和管理提供重要依据。土壤质量评价涉及诸多土壤因子，如何确定评价指标与方法成为土壤质量评价的关键［2］。

目前，国内外土壤质量评价多集中于土壤质量综合指数法、内梅罗综合指数法、最小数据集法、模糊综合评价法等。Mishra等［3］选择电导率、镁、磷等利用土壤质量综合指数法，分析了印度喜马拉雅地区人工林土壤质量；Vasu 等［4］研究了土壤容重、孔隙、颜色等属性特征值，利用最小数据集法对印度西北海岸带不同土壤质量进行综合评价；Obade等［5］选择土壤pH、容重、孔隙度等，利用主成分分析法对美国俄亥俄州5 个不同农田的土壤质量进行评价；赵敬坤等［6］选择pH和有机质等指标，利用模糊综合评价法对重庆花椒区进行评价；赵娜等［7］选取土壤容重、孔隙度、电导率、有机质、全氮、硝态氮、铵态氮、速效磷、速效钾对华北低丘山地退耕还林区的耕地、退耕刺槐林土壤质量进行评价与分级。学者们结合区域特征、气候差异及土地利用方式等采用了多种方法结合的评价方法。Rahmanipour 等［8］选取有机质、电导率、镉、钴等物理化学评价指标，利用土壤质量综合质量指数法和内梅罗综合指数法对加兹温省的耕地土壤质量进行评价；姜艳等［9］以玛纳斯河流域棉田土壤为研究对象，选择土壤碱解氮、有机质、速效钾、速效磷、pH、盐分及镉、铬、铅、镍、铜、砷，采用因子分析法和土壤质量综合评价指数法对棉田土壤质量状况进行定量评价；周伟等［10］以长春城市森林绿地为研究对象，选取有机质、氮、磷等土壤肥力指标，利用GIS 与内梅罗指数相结合的方法分析了长春城市森林绿地土壤养分空间分布特征；郑琦等［11］选取新疆主要棉区土壤pH、盐分、有机质、全氮、速效磷、速效钾及镉、铜、锌、砷、磷，采用模糊评价法与内梅罗指数法对棉田土壤质量进行综合评价。综上所述，土壤质量评价集中于农业耕地、林地、草地等尺度，对退耕撂荒地研究较少。

新疆玛纳斯河灌区位于天山北麓中段，属于干旱半干旱区，2020 年玛纳斯河灌区农业用水为12.09×108m3，占总用水量的87%，农业用水量过大严重影响了区域水资源可持续发展。随着水资源“三条红线”的实施，到2030年灌区农业用水总量控制在9.01×108m3，减少了3.08×108m3，农业用水量缩减严重。为满足水资源“三条红线”的控制量，玛纳斯河灌区自2012 年起实施退地减水措施，累计退耕土地2×104hm2，出现退耕土地撂荒问题，土壤质量局部下降。基于此，本文通过分析退耕地块和临近耕作地块土壤pH、可溶性总盐、有机质、全氮、全磷、碱解氮、速效钾7个土壤质量指标，通过构建模糊综合评价模型计算退耕地块和临近耕作地块土壤肥力指数，分析水资源“三条红线”约束下，玛纳斯河灌区退耕土壤质量变化状况，为灌区水资源总量约束下退地方案的实施及土壤质量保护提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于新疆玛纳斯河灌区，地理坐标为84°98′～86°39′E，44.04′～45°19′N。土壤多为灰漠土、潮土、草甸土，土质多为砾质土、沙质土等。年降雨量在125～200 mm之间，年蒸发量在1700～2200 mm 之间。水资源总量约为22.91×108m3，可用水资源量约为20.92×108m3，地下水资源总量约为11.97×108m3。灌区自2012 年起实施退地减水措施，至今累计退耕土地2×104hm2，用水总量共减少2.14×108m3，后续还需退耕2.49×104hm2。

1.2 试验方案

采样时间为2021 年4月中旬，采样点位于玛纳斯河灌区141 团、142 团、134 团、150 团和148 团，设置2 个处理：临近耕作地块（CK，均为棉田，灌溉方式为膜下滴灌）、退耕地块（RF，退耕2 a 地块），2 个处理分别设置6 个采样点，共12 个采样点，所选采样点均处于重点退耕区，采样点地理位置见图1。利用梅花采样法［12］将样地分为5个5 m×5 m的矩形地进行土壤剖面采样，每块矩形地设置5个采样点，利用土钻采集表层土、0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm深度土壤，5个矩形地取得的各深度土壤分别进行混合，最后按照四分法［13］取土壤样品1 kg，共取84个样品，取样布局见图2。为避免土壤肥力受人为因素干扰，土壤样品采集于春耕前进行。

图1 采样点地理位置Fig.1 Geographical location map of sampling points

图2 取样布局示意图Fig.2 Sampling layout

土壤样品参照乔胜英［14］所采用方法对pH、可溶性总盐、有机质、全氮、全磷、碱解氮、速效钾进行分析测定。其中pH采用1:1水土比酸度计法，可溶性总盐采用1:5 土水比电导法，有机质采用重铬酸钾外加热法，全氮采用凯氏定氮法，全磷采用氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法，碱解氮采用碱解扩散法，速效钾采用乙酸铵浸提-火焰光度法测定。

1.3 土壤质量评价

利用模糊综合评价法对退耕地块及临近耕作地块的土壤质量进行评价，选取土壤pH、可溶性总盐、有机质、全氮、全磷、碱解氮、速效钾7 个肥力指标［9,15］，根据肥力指标与作物生长的关系分别采用抛物线型、S 型函数、戒下型计算各养分指标的隶属度值。

有机质、碱解氮、速效钾、全氮、全磷含量5个指标属于S型隶属关系，其隶属度函数为：

土壤pH 属于抛物线型隶属关系，其隶属度函数为：

土壤可溶性总盐属于戒下型隶属关系，其隶属度函数为：

根据研究区土壤肥力特征，参考前人研究结果［16-18］，确定土壤各肥力指标在隶属度函数曲线转折点取值（表1、表2）。

表1 各评价指标隶属度函数曲线转折点取值Tab.1 Value of turning point of membership function curve of each evaluation index

表2 pH隶属度函数曲线转折点取值Tab.2 Value of turning point of pH value membership function curve

利用相关系数法为各评价指标权重赋值，能客观地反应出各指标对土壤肥力影响程度。确定指标隶属度值和权重系数后，应用模糊综合评价法通过加权求和计算得出土壤肥力指数（IFI）。

式中：n为参评指标数量；fi为第i个指标的隶属度；wi为第i个指标的权重。IFI 肥力指数取值范围为0～1，指数越大，土壤肥力水平越高。根据研究区土壤肥力指数进行分级，分为高（＞0.8）、较高（0.6～0.8）、中（0.4～0.6）、较低（0.2～0.4）和低（＜0.2）5个等级。

2 结果与分析

2.1 土壤肥力分析

由表3可知，RF处理pH范围为7.18～8.78，平均值为7.82；盐分范围为0.22～12.47 g·kg-1，均值为2.76 g·kg-1，整体上为中度盐化土，变异系数为107.01%，为强变异程度；碱解氮、有机质、全氮含量分别为37.07 mg·kg-1、7.30 g·kg-1、0.37 g·kg-1，总体含量较低；速效钾、全磷含量分别为262.53 mg·kg-1、0.70 g·kg-1，含量较高。CK 处理pH 为7.86，盐分范围为0.48～7.97 g·kg-1，均值为2.49 g·kg-1；碱解氮、有机质、全氮含量分别为47.62 mg·kg-1、7.80 g·kg-1、0.47 g·kg-1，含量偏低；速效钾、全磷含量分别为243.16 mg·kg-1、0.76 g·kg-1，含量较高；pH 变异系数4.02%，为弱变异，其余指标变异程度在16.39%～73.06%之间，均呈中等变异强度，这些指标受外界影响较大。RF处理含盐量平均值、最大值和变异系数比CK处理提高了0.27 g·kg-1、4.5 g·kg-1、33.95%，速效钾提高了19.37 mg·kg-1；碱解氮、有机质、全氮和全磷平均值RF 处理均低于CK 处理，差值为10.55 mg·kg-1、0.5 mg·kg-1、0.1 g·kg-1、0.06 g·kg-1，退耕后土壤肥力出现下降。

表3 土壤肥力指标的统计特征值Tab.3 Statistical characteristic values of soil nutrients

由图3可知，RF处理pH与土壤深度呈正相关，在80～100 cm 时，pH 变化较小，为7.95；CK 处理pH沿剖面先减小后增大，表层土pH为7.70，0～20 cm处pH减小，为7.63，20～100 cm逐渐增加，在80～100 cm达到8.19。2个处理含盐量40 cm深度后发生变化，0～40 cm RF 处理含盐量小于CK 处理，40 cm RF 处理与CK 处理含盐量分别为2.71 g·kg-1、2.88 g·kg-1，在40～100 cm 则相反；RF 处理盐分主要堆积在40～100 cm，最高时达到3.74 g·kg-1，CK处理盐分主要堆积在0～40 cm，最高达到3.25 g·kg-1。碱解氮、全氮、全磷总体上随着土层深度增加而减少，到达100 cm深度时，变化率均减小，并且RF处理含量均低于CK处理，2 个处理其表层含量分别为62.46 mg·kg-1、0.60 g·kg-1、0.79 g·kg-1，74.17 mg·kg-1、0.76 g·kg-1、0.86 g·kg-1。2个处理均含有大量的速效钾，其含量与土壤深度呈负相关，在0～20 cm RF处理速效钾含量大于CK 处理，20 cm 以后则相反；在80～100 cm RF 处理与CK 处理含量分别为179.15 mg·kg-1、181.12 mg·kg-1。2个处理有机质含量随深度的变化规律与速效钾一致，表层含量达最高，分别为11.82 g·kg-1、10.26 g·kg-1。

图3 土壤剖面各项养分指标垂直分布Fig.3 Distribution of nutrient content in soil profile

2.2 土壤肥力评价

表征土壤肥力指标间相关性分析结果如图4所示，能够反映出各指标间的相关性系数。通过计算得到肥力指标间相关系数绝对值之和的平均值，该平均值占所有肥力指标相关系数平均值总和的百分比即为该项肥力指标的权重系数。土壤各肥力指标的权重系数如表4所示，碱解氮、速效钾相关系数绝对值的平均值最大，为0.503、0.398，权重系数也最大，为0.274、0.217，说明碱解氮、速效钾对土壤肥力影响最大；而有机质与全氮权重系数最低，分别为0.047、0.059，影响较小。

表4 各土壤肥力指标的相关系数平均值和权重系数Tab.4 Average value and weight coefficient of correlation coefficient of each soil fertility index

图4 相关系数Fig.4 Correlation coefficient diagram

通过对2个处理的单项肥力指标的隶属度值分别求平均值，从而获得2 个处理不同肥力指标的隶属度值如图5所示。由图5可知，RF处理与CK处理不同指标的隶属度值随深度的增加而降低，说明其土层越深，土壤肥力越弱。

图5 2个处理不同指标隶属度值Fig.5 Membership values of different indexes of two kinds of cultivated land

土壤肥力指数如图6所示，RF处理土壤肥力指数变化范围为0.50～0.76，CK 处理为0.49～0.77。由图6可知，2个处理土壤肥力指数和土壤深度均为负相关，RF 处理在0～60 cm 肥力指数减少了32.89%，在60～100 cm趋于稳定；CK处理在0～100 cm肥力指数减少明显，减少了36.36%。RF 处理土壤肥力状况达到较高水平的有表层土、0～20 cm、20～40 cm 深度，肥力指数分别为0.76、0.70、0.62；40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm 深度肥力指数分别为0.51、0.50、0.50，肥力均为中等水平。CK 处理表层土、0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm 深度土壤肥力均达到了较高的水平，肥力指数分别为0.77、0.75、0.68、0.61，60～80 cm、80～100 cm 深度肥力均达到了中等水平，土壤肥力指数分别为0.53、0.49，由此可知，CK 处理0～100 cm土层土壤肥力均在中等偏上的水平，有利于农业耕作。RF处理在0～100 cm深度肥力水平均略低于CK 处理，在20～60 cm 深度土壤肥力指数差值达到最大，为0.11；20～40 cm深度RF处理为0.62，CK 处理为0.68，土壤肥力属于较高水平；在40～60 cm土层，RF处理土壤肥力指数比CK处理低了0.1，肥力状况差异大。RF处理与CK处理肥力指数均值分别为0.60、0.64，相差0.04。根据模糊综合评价法分析结果显示，玛纳斯河灌区2 个处理的肥力水平整体均处于中等偏上。

图6 土壤肥力指数Fig.6 Comprehensive fertility index of soil

3 讨论

3.1 土地退耕对土壤pH和含盐量的影响

本研究区灌溉用水含有大量的可溶性阳离子Na+、Mg+、Ca+、K+，土壤胶体对碱性离子吸附达到一定饱和度后，会引起交换性阳离子的水解作用，在土壤中产生NaOH，使土壤成碱性［19］，且与深度呈正相关，这与王嫒华等［20-21］研究结果一致。RF处理由于没有进行施肥与灌溉，土壤pH 整体上与退耕前无明显变化，这与钱凤魁等［22］研究结果一致。RF处理和CK处理0～100 cm深度含盐量均值分别为2.76 g·kg-1、2.49 g·kg-1，RF处理的含盐量总体上高于CK处理，这是由于CK处理在耕种期间进行灌溉，根据“盐随水动”的原理，部分盐分被运移至深层土壤，0～100 cm盐分减少，RF处理由于土壤蒸发以及盐生植物的影响将盐分带到了表层，盐分在表层累积，这与冯小平等［23-24］的研究结果一致，灌区棉田进行膜下滴灌耕作有利于对土壤盐分的淋洗［25-26］，预防土壤盐渍退化。

3.2 土地退耕对土壤养分含量的影响

董利军等［27］研究表明，随着土地的退化，有机质在表层土壤中流失严重，而本研究结果显示，RF处理0～20 cm处有机质含量略高于CK处理，这是由于棉田耕深不超过20 cm，在土壤中形成了坚实的犁底层，制约了棉花根系纵向生长及吸收深层土壤水分和养分［28］，对有机质吸收主要集中在0～20 cm，并且在此深度棉花对有机质的吸收能力大于RF 处理的盐爪爪、盐穗木［29］；而80 cm以下的深层土壤受土地利用方式影响减弱，RF 处理与CK 处理有机质含量相差不大，并且变化规律一致，这与王舒等［30］研究结果一致。全氮、碱解氮在0～100 cm土层均出现CK 处理土壤含量高于RF 处理，这是由于CK 处理正常耕作期施加氮肥，导致氮素总体含量与向下发生运移的含量均高于RF 处理［31-32］。在0～100 cm土层RF处理全磷含量均低于CK处理，这是由于CK处理在耕作时段有磷肥施用，并且磷在土壤中的移动性较差，固定率可达70%以上，向下发生运移较慢［33］。2个处理速效钾含量较高，在0～60 cm深度变化率较大，在60 cm深度则趋于稳定，这是由于棉花及盐生植物盐爪爪、盐穗木的根系对速效钾的吸收主要集中在0～60 cm 土层［34-35］。2 个处理的肥力指数在40～60 cm深度达到最大，为0.1，原因是土壤养分含量在垂直方向递减［36］，CK处理受灌溉与施肥影响，部分可溶性养分随水运移至深层土壤，在深层土壤形成累积［37］；RF处理无养分补充，盐爪爪、盐穗木对养分进行消耗，深层土壤退化严重。