盐渍化土壤剖面盐分与养分分布特征及盐分迁移估算

窦 旭 史海滨 李瑞平 苗庆丰 田 峰 于丹丹

(1.内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院， 呼和浩特 010018；2.高效节水技术装备与水土环境效应内蒙古工程研究中心， 呼和浩特 010018)

0 引言

土壤是农业生产的基础，是影响作物产量和品质的关键因子[1]，世界上约有1/3的土壤发生盐渍化，严重影响着农业可持续发展[2-3]，土壤盐渍化已经成为当今社会土地的突出问题之一[4-6]。内蒙古河套灌区土壤盐渍化面积约33.33万hm2，占总耕地面积的63.8%，还有继续蔓延的趋势。土壤中盐分和养分是影响土壤质量的重要指标，其含量变化不仅直接影响植物生长，又是为微生物提供营养的基质[7-8]。土壤盐渍化的发生受区域性因素的影响和制约，其盐分组成及离子比例呈现地域性特点，积盐和脱盐过程也存在差异，对植物和作物生长发育的影响也不尽相同[9-10]，盐分的迁移规律也有较大差异。同时盐分含量与作物生长的响应关系，也可间接反映盐渍化状况[11-13]；因此，了解土壤中盐分离子组成从而确定区域内土壤盐渍化类型，明确土壤离子与养分之间的关系以及耕荒地间的盐分迁移，对制定有针对性的改良措施尤为重要[14]。

目前国内外对盐渍化土壤盐分离子与养分以及耕荒地间的土壤盐分迁移已展开了大量研究，结果表明土壤盐渍化与土壤中盐分离子有着密切关系，同时影响着养分分布[15-18]。当前有关盐分离子与养分研究多集中在我国中南部与滨海地区[19-22]，河套灌区也有一些研究[23-25]，同时这些研究大多是采用传统的统计分析，如方差分析、因子分析、相关分析和回归分析等，并且大多只考虑了单因子对土壤性质或者养分的影响，而数量生态学中的冗余分析(RDA)[26]可以较好地反映研究对象与环境因子之间的相关关系，能够直观地给出多变量间的相互作用关系，弥补了常规分析方法的不足。对河套灌区耕地和荒地的盐分迁移有大量的研究，王国帅等[27-28]研究表明，在作物生育期，地下水运移方向为耕地-荒地-海子；同时水分携带盐分进入荒地和海子，海子成为储盐区。李亮等[29]利用HYDRUS-1D模型对荒地土壤水盐的迁移规律进行了模拟，结果表明，灌区荒地在作物生育期处于积累盐分的过程，在灌溉期内，荒地附近耕地的灌溉水携带盐分，向无灌水的荒地积聚。任东阳等[30]对河套灌区典型灌排单元灌溉水利用状况及盐分归趋进行了分析，表明农田腾发消耗总引水量的78%，积累总引入盐分的39%，荒地腾发消耗总引水量的11%，承纳总引入盐分的40%，荒地盐分积累较严重。

本文以改良耕地和荒地为研究对象，采用相关性分析方法，探讨改良耕地和荒地土壤盐碱化特征与土壤盐分离子的关系，同时采用冗余分析方法(RDA)比较土壤盐分离子含量与土壤全盐含量、pH值、土壤养分含量的相关关系，旨在揭示影响盐渍化土壤的主控盐分因子；并计算改良耕地与荒地间的盐分迁移量，为盐碱地治理和改良提供依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

试验于2018年4月(春季)至10月(秋季)在乌拉特前旗盐碱地改良综合试验区进行，试验区位于内蒙古自治区巴彦淖尔市河套灌区下游乌拉特灌域西山咀农场四分场和五分场，位于108°37′28″～108°39′49″E、40°44′54″～40°45′49″N，海拔1 017.97～1 019.95 m。试验区东西宽约2.39 km，南北长约1.7 km，总土地面积400 hm2，如图1所示。其中南侧为改良耕地，种植利用面积205 hm2，北侧荒地面积195 hm2，试验区地处中温带大陆性气候区，气温多变，干燥多风，日照充足，光能丰富，降水少，蒸发强，无霜期较短。试验区多年平均气温6～8℃，多年平均降雨量196～215 mm，蒸发量为2 172.5 mm；无霜期130 d；风速2.5～3 m/s；最大冻土深度为1.2 m。试验区pH值为7.9～8.9。主要作物为葵花，主要灌溉方式为畦灌，年引水量为1 137 750 m3。共布设10个地下水位观测井、6处田间负压计，在荒地、改良耕地上各安放3个微型蒸发器来测量土壤蒸发量，其水盐运移依据水盐平衡原理(图2)。试验区内设置田间微型气象站(HOBO-U30型，美国Onset公司)自动记录气象数据(图3)。

图1 研究区和采样点分布示意图Fig.1 Schematic of study area and sampling point distribution

图2 研究区试验设计剖面图Fig.2 Section view of experimental design in study area

图3 2018年生育期降雨量和气温Fig.3 Rainfall and temperature during growth period in 2018

1.2 试验设计与数据采集

1.2.1土壤基本物理性质

试验区田间布置采用100 m×100 m网格，于网格节点处设采样点，共150个采样点，并设9处垂直剖面进行土壤各项指标的测试，采用土钻法采集土壤深度1 m，共5层(0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm)进行土壤基础数据采集与测定，试验区各层土壤物理性质如表1所示。

表1 试验区土壤物理性质Tab.1 Soil physical properties in test area

1.2.2土壤养分

采用分光光度计与火焰光度计对土壤养分进行检测，包括全氮、有效磷、速效钾和有机质含量。春灌前和收获后各测定1次。采用土钻法采集土壤深度1 m，共5层(0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm)进行土壤养分采集与测定，试验区各层土壤养分含量如表2所示。

表2 试验区土壤养分含量Tab.2 Soil nutrient content in experimental area

1.2.3土壤盐分与土壤盐分离子

1.2.4地下水埋深

改良耕地和荒地分别布设5眼地下水位观测井，间距分别为50、100、500、1 000 m，荒地由西向东分别表示为H1、H2、H3、H4、H5，改良耕地由西向东分别为G1、G2、G3、G4、G5。地下水埋深每隔7 d测定1次，灌溉前后每天测定1次，观测井为直径110 mm的PVC管，长6 m，垂直埋入地下，埋入深度5.7 m，埋入部分打孔及滤布包裹，人工利用铅锤测量地下水埋深。

1.2.5土水势

改良耕地和荒地分别安装3组负压计，安装深度分别为60、80、100 cm。测得改良耕地和荒地土壤各层土水势数据，分别取平均值。

1.2.6灌溉水量和水质

用流速仪测量灌溉水量，收集灌溉水，每次取3次重复，利用雷磁DDS-307A型电导率仪测定水样电导率。分别于生育期6月25日灌水105 mm，7月24日灌水90 mm，8月18日灌水90 mm。灌溉水平均矿化度为0.67 g/L。

1.3 研究方法

1.3.1土壤含盐量计算

土壤电导率转换为土壤全盐量计算公式为[31]

C=3.765 7EC1∶5-0.240 5

(1)

式中C——土壤全盐量，g/kg

EC1∶5——土水质量比为1∶5土壤浸提液电导率，dS/m

土壤含盐量计算公式为

S=1 000Cρsl

(2)

式中S——土壤含盐量，kg/hm2

ρs——土壤容重，g/cm3

l——土壤深度，cm

1.3.2地下水补给量计算

采用定位通量法计算试验区地下水补给渗漏量。在某一特定位置设置好定位点，然后在其上(Z1)和下(Z2)处安装负压计，测定土水势，计算两个边界面水力梯度。结合达西定律计算出根系层下边界土壤水分通量[32]，计算式为

(3)

(4)

(5)

(6)

m=1-1/n(n>1)

式中q——某观测时段t内土壤水通量，cm/d

h1、h2——断面Z1和Z2处的土水势，kPa

ΔZ——Z1和Z2的差值，cm

K(h)——非饱和导水率，cm/d

θ——土壤体积含水率，cm3/cm3

θs——土壤饱和含水率，cm3/cm3

θr——土壤残余含水率，cm3/cm3

α、n、m、λ——经验参数

Ks——饱和导水率，cm/d

h——土壤基质势，kPa

某研究时段T内土体水流量Q(T)为

(7)

式中T——作物生长周期，d

1.3.3地下水补给盐量计算

地下水补给盐量计算公式为[27]

(8)

式中Sb——地下水补给土壤盐量，kg/hm2

Nd——计算时长，d

n′——土壤层数

φ——土壤孔隙度，取0.47

地下水电导率(EC)和地下水矿化度(TDS)转换公式为[27]

TDS=0.69ECw

(9)

式中TDS——地下水矿化度，g/L

ECw——地下水电导率，dS/m

1.3.4改良耕地水平渗透盐量计算

根据盐分平衡理论，改良耕地水平渗透给荒地盐量计算公式为[27]

Sl=Si-Si-1-Sib-Sd

(10)

式中Sl——改良耕地水平渗透给荒地盐量，kg/hm2

Si——第i时期荒地储盐量，kg/hm2

Si-1——第i-1时期荒地储盐量，kg/hm2

Sib——第i-1～i时期内地下水补给荒地的盐量，kg/hm2

Sd——灌溉时期荒地深层(60～100 cm)积累盐量，kg/hm2

1.3.5土壤脱盐率计算

脱盐率是指土壤含盐量(电导率)的减小值占初始值的百分比，计算公式为[33-34]

(11)

式中N——脱盐率,%

S1——灌溉前土壤含盐量，dS/m

S2——灌溉后土壤含盐量，dS/m

1.4 数据处理

采用Excel整理数据与制图，利用SPSS 17.0软件进行相关性分析，采用国际标准通用软件CANOCO 5.0进行冗余分析(RDA)，用双序图表示排序结果[35]；Sufer 12绘制研究区地下水EC图。

2 结果与分析

2.1 土壤盐分离子分布特征

图4 试验区土壤离子含量Fig.4 Soil ions content in test area

荒地中土壤盐分含量明显高于改良耕地，土壤全盐含量平均值超过7.0 g/kg，且0～20 cm土层含盐量明显高于20～40 cm土层，属于典型的表聚型盐渍化土壤(表现为盐斑、盐霜甚至盐结皮)，其原因为河套灌区夏季气温高、降水少，蒸发量较大；加之试验区荒地无灌溉淋洗，地势较低，地下水埋深较浅，在长期持续的强烈蒸发作用下，包气带毛细水上升，把深层土壤以及地下水中的可溶性盐类带到土壤表层，致使地表盐分升高，这也是导致荒地次生盐渍化的主要原因。

2.2 土壤盐分离子与全盐、pH值、土壤养分冗余分析

图5 试验区RDA分析结果Fig.5 RDA analysis result of test area

如图5所示，改良耕地有效磷与Mg2+存在负相关关系，速效钾与K+存在正相关关系，与Na+存在负相关关系，有机质与Ca2+存在正相关关系，但均不显著，只有有效磷与Na+显著负相关(P<0.05)；荒地中有效磷与Cl-、Mg2+、Na+存在负相关关系，与K+存在正相关关系，速效钾与Cl-、Ca2+、Mg2+、Na+存在负相关关系，有机质与Ca2+存在正相关关系，但均不显著，只有速效钾与K+显著正相关(P<0.05)，有效磷与Na+显著负相关(P<0.05)。荒地中盐分较大，离子含量较多，土壤养分含量受离子影响较大。

表3 改良耕地与荒地RDA前2个排序轴分析结果Tab.3 Two-axis analysis results of RDA for improved cultivated land and wasteland

试验区研究对象排序轴与环境因子相关关系如表3所示，改良耕地在前2个排序轴中，研究对象与环境的相关系数分别为0.848 3、0.660 3，研究对象与环境关系的变量累积百分比分别为71.38%、71.65%。荒地在前2个排序轴中，物种与环境的相关系数分别为0.944 5、0.831 7，研究对象与环境关系的变量累积百分比分别为89.02%、89.16%。能够很好地反映出改良耕地与荒地各自的研究对象与环境变量之间的线性关系，故本文排序结果能较好地解释研究对象与环境之间的相关关系。

2.3 试验区盐分迁移量

2.3.1试验区盐分变化

由表4可知，在改良耕地1 m土体中，从葵花播种开始到秋浇前(5月30日至10月20日，共144 d)计算，5月30日葵花开始播种至6月24日，土壤积盐41 247 kg/hm2，积盐14.75%；灌溉期(6月25日至8月23日)，改良耕地盐量平均值为278 941 kg/hm2，较灌前脱盐13.05%；秋浇前(10月20日)较灌溉期积盐量72 124 kg/hm2，积盐25.86%。由表5可知，在荒地1 m土体中，5月30日至6月24日，返盐现象严重，土壤返盐量348 502 kg/hm2，盐分增加13.16%；灌溉期(5月25日至8月23日)，荒地盐量平均值为3 170 113 kg/hm2，较灌溉前(5月16日)积盐172 886 kg/hm2，积盐5.77%，秋浇前(10月20日)较灌溉期积盐量418 454 kg/hm2，积盐13.20%。

表4 不同时期改良耕地各层土壤含盐量Tab.4 Changes of soil salt in different layers of cultivated land in different periods kg/hm2

表5 不同时期荒地各层土壤含盐量Tab.5 Changes of soil salt in different layers of waste land in different periods kg/hm2

经过一个生育期，改良耕地中盐分通过灌溉淋洗未能将土壤中的盐分排出土体，同时因为试验区夏季高温以及强烈的蒸发作用，土壤积盐25.58%。荒地中在整个生育期内一直处于积盐状态，10月20日较5月30日积盐35.48%，其中灌溉期改良耕地中地下水位抬升，导致耕荒地之间地下水交换频繁，盐分向荒地迁移较多。

2.3.2试验区地下水埋深和地下水EC变化

由图6可以看出，由于试验区东南高西北低，地下水埋深在试验区东南侧较深，西北侧较浅。由于改良耕地进行灌溉，荒地无灌溉，仅靠改良耕地地下水补给荒地，在灌溉期，改良耕地地下水明显高于荒地。试验区地下水埋深变化趋势基本一致，改良耕地灌溉后，地下水明显上升，地下水位在60～100 cm，荒地地下水位随着耕地灌溉后同步上升，较改良耕地变化幅度减小，地下水位在75～120 cm，因此，在改良耕地灌溉时地下水补给荒地较多，盐分也随之被带入荒地，主要集中在60～100 cm土体中。

图6 试验区地下水埋深动态变化曲线Fig.6 Dynamic changes of groundwater depth in test area

图7为试验区地下水EC时空变化图，由于试验区荒地多数为重度盐渍化土壤，有的甚至达到了盐土程度，因此在试验区北侧荒地中，地下水EC较高，同时试验区由于东南高、西北低的原因，导致盐分随着地下水由东南向西北方向迁移，日积月累导致试验区西北侧地下水盐分增大，因此荒地成为土壤的储盐区。由图可知，试验区西北侧地下水EC最大，高达35.33～53.26 dS/m，改良耕地地下水平均EC为10.40 dS/m，荒地地下水平均EC为39.11 dS/m，地下水EC分布呈现条带状分布，存在较强的空间相似性。河套灌区由于蒸发强烈，且降雨稀少，地下水中的盐分会随着毛管水上升到土壤中，因此试验区应当采取一定的措施控制地下水中盐分，防止土壤进一步恶化。

2.3.3试验区水盐迁移估算

试验区改良耕地灌溉时，地下水位开始上升，耕荒地间地下水频繁地水平侧向交换，同时灌溉水中盐分渗透补给荒地，荒地中盐分积累，导致荒地盐分逐年增多。在荒地中，地下水的消耗主要靠试验区强烈的蒸发作用，地下水通过土壤毛管作用向上运移补给土壤水分，使地下水水位下降。

对葵花播种开始到秋浇前(5月30日至10月20日，共144 d)1 m土体进行盐分迁移计算，由表5可知，在荒地中盐分积累总量为939 842 kg/m2，0～60 cm土壤中587 294 kg/m2，占积盐量的62.49%，为蒸发作用带动地下水补给到土壤中的盐分；如图8所示，60～80 cm、80～100 cm土层平均地下水补给量分别为0.51、0.45 mm/d，由图7和式(8)可知，地下水平均矿化度为26.99 g/L，地下水补给盐分量为71 116 kg/m2，占积盐量的7.57%。因此，荒地土壤中的盐分主要是由于地下水补给将盐分带到土壤中，占盐分积累量的70.06%。灌溉时期，由于改良耕地中地下水位在60～100 cm之间，荒地地下水位在75～120 cm之间，因此改良耕地地下水迁移给荒地的盐分集中在60～100 cm土体中，荒地土壤盐量为214 578 kg/m2，占积盐量的22.83%，由式(10)计算可知，改良耕地水平渗透给荒地的盐量为积盐量7.11%。

图7 试验区地下水EC时空变化Fig.7 Spatiotemporal variations of groundwater EC in test area

图8 荒地地下水补给量Fig.8 Groundwater recharge of wasteland

3 讨论

土壤全盐、pH值、养分以及离子组成能够反映盐渍化土壤的基本特征，也是区域盐碱地改良利用的基本依据[37]。河套灌区受气候、地形、土壤母质和人为因素等的影响，导致灌区内土壤盐渍化严重[38]，因此许多学者研究河套灌区水盐运移规律，为改良和防治土壤盐渍化提供科学依据。李亮[39]研究表明，盐荒地积聚盐分是一个动态平衡的过程，主要受到蒸发、降雨、地下水及耕地灌溉水等多方面因素的影响，盐荒地具有一定积累盐分能力，但动态变化较大，当荒地盐分积聚到一定程度时，积盐能力必将下降。黄权中等[40]研究表明，河套灌区土壤盐分含量分布在空间上具有较强的规律性，主要受上、中、下游各灌域灌溉、排水条件及地下水埋深差异影响。同时，在灌区局部地区影响因素复杂，土壤盐渍化空间分布也呈现出明显的不均匀性。因此需要进一步采取一定的措施进行盐渍化土壤的防治。试验区北侧荒地盐分显著高于南侧改良耕地，且土壤0～20 cm土层盐分明显高于20～40 cm土层，土壤盐分表聚现象明显，荒地受自然因素影响，改良耕地灌溉淋洗，且试验区南高北低，盐分通过深层渗漏或水平运移到荒地土壤中，荒地成为灌区盐分的贮存地，同时荒地盐分也通过对流-弥散作用反侵蚀耕地，盐分形成动态平衡[41]。河套灌区夏季气温高、降水少，蒸发量不断增大，在长期持续的强烈蒸发作用下，包气带毛细水上升，把深层土壤以及地下水中的可溶性盐类带到土壤表层，而耕地由于种植作物，增加了地表覆盖度，减少土壤水分蒸发，从而能有效地抑制土壤返盐[42-43]。灌溉使土壤表层的盐分淋洗到土壤深层，也抑制了土壤返盐程度。河套灌区地下水中含盐量较大，地下水埋深较浅，由于强烈的蒸发作用，导致地表聚积盐分。因此需要建设健全的灌溉与排水系统来有效地控制地下水位，从而防治土壤次生盐渍化，同时灌区农田排水踏沟严重，地下径流不畅，排水效果微乎其微。因此，结合土壤化学改良，采用暗管排水排盐技术控制地下水位、同时靠排水排盐来改良盐碱地是一个很好的选择[44]。

冗余分析是将样点投射到两条排序轴构成的二维平面上，通过样点的散集形态、在象限的分布等来反映研究区的特点。在RDA二维排序图上直观地给出各盐分离子以及与土壤全盐、pH值、养分之间的关系，并通过各盐分离子与研究对象前两个排序轴的相关系数，来确定影响试验区土壤盐渍化的主要因子，与传统的统计学相比较，冗余分析能够更加清楚地表明影响土壤盐渍化的主要因素，因此，冗余分析是一种更加科学的分析土壤盐碱化变化特征的评价方法。

土壤中盐分随水迁移是一个相当复杂的过程，岳卫峰等[45]研究结果表明，在研究区农田土壤中的部分盐分随灌溉水的入渗，被带入到地下水，分别有53%和22%的盐分随地下水进入到盐荒地和水域。王国帅等[27]指出，耕地-荒地-海子是河套灌区典型的地类，是灌区盐分重分配的主要区域。在灌溉时期，地下水的水力梯度较大，地下会水由耕地向荒地再向海子迁移，海子成为储盐区。在整个生育周期内，耕地地下水迁移给荒地深层土壤盐量为114 015 kg/hm2，占积盐量的30%；耕地水平渗透给荒地的盐量为43 305 kg/hm2，占积盐量11%。在本研究中，灌溉期耕地地下水迁移给荒地的盐分集中在60～100 cm土体中，占积盐量的22.83%，耕地水平渗透给荒地的盐量占积盐量7.11%。耕地中土壤盐分向荒地中迁移量相对较小，原因为试验区在灌溉时期水力梯度相对较小，以及试验区土壤较黏，地下水迁移量相对较少，研究区盐分迁移也相对较少。

4 结论

(1)研究区内改良耕地和荒地土壤阴离子均以Cl-为主，分别占阴离子总量的45.27%、58.78%，阳离子以Na+为主，分别占阳离子总量的60.67%、53.94%。改良耕地和荒地的土壤全盐量秋季比春季分别降低了51.9%、35.08%；荒地中土壤盐分含量明显高于改良耕地。荒地全盐平均值在7.0 g/kg以上，土壤盐渍化程度较重。

(2)改良耕地有效磷与Na+呈显著负相关(P<0.05)，荒地中速效钾与K+呈显著正相关(P<0.05)，有效磷与Na+呈显著负相关(P<0.05)；荒地中盐分较高，盐分离子含量较多，对土壤养分含量影响较大。在前2个排序轴中，改良耕地研究对象与环境关系的变量累积百分比分别为71.38%、71.65%，荒地研究对象与环境关系的变量累积百分比分别为89.02%、89.16%，反映出改良耕地与荒地各自的研究对象与环境变量之间的线性关系。改良耕地中Na+对全盐、pH值、土壤养分的影响最大，其次是Ca2+；荒地中Na+对全盐、pH值、土壤养分的影响最大，其次是K+。

(3)在作物一个生育周期内，荒地1 m土体中积盐量为939 842 kg/hm2。地下水补给将盐分带到土壤中，占盐分积累量的70.06%，灌溉期改良耕地地下水迁移给荒地的盐分集中在60～100 cm土体中，占积盐量的22.83%，改良耕地水平渗透给荒地的盐量占积盐量7.11%。