不同微咸水灌溉方式对压砂地土壤水盐及pH空间变异的影响

2023-08-28贺英豪谭军利王西娜董昊

节水灌溉 2023年8期

贺英豪，谭军利，2，王西娜，董昊

（1.宁夏大学土木与水利工程学院，银川 750021；2.旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心，银川 750021；3.宁夏大学农学院，银川 750021）

0 引言

土壤水盐空间分布特征是微咸水灌溉水盐调控的关键问题，是精准农业和精准灌溉的研究热点[1]。其特征是由结构性变异即自然环境因素（如地形、母质、气候、降水等）和随机性变异即人为活动（如人为施肥、种植措施、种植制度等）共同作用的结果[2,3]。压砂地是干旱地区群众应对干旱气候而提出的一种耕作措施，具有蓄水保墒、增温、压碱等多种生态功能。覆砂可以有效减少土壤水分蒸发，其土壤含水量显著高于裸地[4]，而砂土比、覆盖厚度、颜色、粒径对土壤水分蒸发均有不同程度的影响[5-8]。覆砂通过减少水分蒸发从而影响土壤盐分分布[9]，研究表明覆砂有效减少了土壤盐分表聚并促进盐分下移，减缓土壤次生盐渍化[10,11]。

压砂地分布区集中于降水稀少且外来淡水资源极度缺乏的地区，而当地有较为丰富的地下微咸水资源[12,13]。西瓜是压砂地主要种植作物，为保证西瓜产量和农民收入的稳定，当地瓜农抽取地下微咸水灌溉西瓜。当地微咸水灌溉方式主要为覆膜滴灌和微喷灌（喷带），微喷灌是全面灌溉而滴灌是局部灌溉。不同的灌溉方式对土壤水盐空间分布必然产生深刻的影响，明确这2种灌溉方式下压砂地土壤水盐空间分布特性对压砂地合理利用微咸水及揭示压砂地抑制土壤盐分表层累积的机理具有重要意义。目前，土壤水盐分布特征研究主要集中在单一灌溉条件下[14,15]，针对不同灌溉方式的研究多集中在典型盐碱地[16,17]，而在压砂地的相关研究较少。本研究通过大田网格调查取样和室内分析，采用经典统计学以及地统计学方法，摸清微喷灌和滴灌对微咸水灌溉下压砂地土壤水盐空间变异的影响规律，以期为压砂地合理利用微咸水灌溉和压砂地田间水分管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

调查区位于宁夏中卫市香山乡红圈子村，地理位置为东经105°08′，北纬37°02′，海拔1 700 m，是宁夏压砂西瓜种植核心地带。土壤类型以灰钙土和风沙土为主，气候属温带大陆性季风气候，年降水量在200～300 mm之间。调查地块0～100 cm土壤基本理化性质如表1所示。灌溉机井水电导率为5.51 mS/cm，pH值为8.46，属于微咸水。

表1 土壤基本理化性状Tab.1 Basic physical and chemical properties of soil

1.2 样点布设以及样品采集

选择相邻的2块压砂地（均为32 m × 32 m的正方形地块）为样地，分别使用覆膜滴灌和微喷灌，其中滴灌灌水6次，灌水定额450 m3/(hm2·次)，微喷灌灌水3次，灌水定额为900 m3/(hm2·次)。于2021年3月17-18日，在东西方向与南北方向，采用规格网格布点法，以网格最小尺寸为32 m × 32 m的正方形网格取样，网格的尺寸取4 m，测点中心距为4 m，共64个取样点。采样点均匀分布在研究正方形内，分布情况如图1所示。采样时将表层砂石小心挖开，分别采集0～20 cm和20～40 cm深度的土壤，共采集256个土样，每个土样重量约为100 g。

图1 田间取样点分布Fig.1 Distribution of field sampling points

样品取回后一部分用烘干法测定土壤含水量，另一部分晾干后碾细过1 mm筛，按照土水比（质量）为1∶5制备土壤浸取液，分别用电导率仪（雷磁DDS-307）和酸度计（Hanna HI2110）测定土壤浸提液的电导率和pH值。

1.3 数据处理及其方法

利用SPSS 23.0对土壤含水量、电导率及pH值进行描述性数据统计、正态分布检验、数据转换，并进行方差分析。利用地统计软件GS+7.0的变异函数分析土壤水盐空间变异结构特征，并通过比较不同模型类型，找出决定系数与残差表现较好的半方差拟合模型[10]。利用Kriging插值法绘制等值线图分析土壤水分、电导率及pH值的空间变化分布规律。

区域化变量Z(x)在点x和x+h处的值Z(x)和Z(x+h)差的方差的1/2称为Z(x)的半变异函数，记为γ(h)[10]。半变异函数的块金系数表示随机部分引起的空间变异占系统总变异的比例，即随机因素引起的空间变异程度[18,19]。块金系数标准为：＜25%（较强空间相关性）、25%～75%（中等空间相关性）、＞75%（弱空间相关性）[20]。以残差值最小和决定系数最大的原则选择最佳拟合模型[21]。半变异函数公式如下：

式中：h为2样本点间的空间分割距离，m；γ(h)为h的半方差函数值；N(h)为间隔距离等于h的样本点的对数；Z(xi)为空间位置点xi处指标的实测值；Z(xi+h)为空间位置点xi+h处指标的实测值。

2 结果与分析

2.1 土壤含水率的空间分布

2.1.1 土壤含水率的统计特征

由表2可知，微喷灌的土壤含水率略高于滴灌，且随着土层深度的增加而增加，滴灌的含水率随着深度的增加而降低。变异系数（CV）反映了变量的离散程度，CV＜10%为弱变异，10%＜CV＜100%为中等强度变异[4]。不同灌溉方式下2个土层土壤含水率的变异系数均介于14%～22%，属于中等变异，微喷灌的变异系数均大于滴灌。土壤含水率数据偏度系数介于-1～1，平均值与中值也相近，其分布符合正态分布。因此，可以直接使用克里格方法进行预测。

表2 不同灌溉方式下的土壤水分统计特征值Tab.2 Statistical characteristic values of soil moisture with different irrigation methods

2.1.2 土壤含水率的空间变异

由表3及图2可知，不同深度土层微喷灌和滴灌土壤含水率的变程均为16.887 m，大于4 m取样间隔，样点布设合理。由于微喷灌20～40 cm及滴灌0～20 cm土层土壤含水率的半方差模型的R2仅为0.2，其模型预测的目标变量值与真实值差距过大，无法拟合模型，故表3和图2中仅展示微喷灌0～20 cm和滴灌20～40 cm土壤含水率的半方差理论模型及参数。微喷灌0～20 cm和滴灌20～40 cm土层土壤含水率的块金系数分别为19.1%和74.4%，说明土壤含水率分别具有较强的和中等强度的空间相关性。

图2 不同灌溉方式土壤含水率半方差理论模型Fig.2 Semivariance theoretical model of soil moisture content with different irrigation methods

表3 不同灌溉方式下土壤含水率半方差函数模型参数Tab.3 Parameters of semivariance function model of soil conductivity with different irrigation methods

2.1.3 土壤含水率空间分布格局

如图3所示，无论微喷灌还是滴灌，土壤含水率呈现明显的斑块状分布。整体上来看，微喷灌土壤含水率的分布较滴灌更为均匀，0～20 cm土层微喷灌土壤含水率小于滴灌，而20～40 cm土层则高于滴灌，这是因为微喷灌的灌水定额一般大于滴灌，促进了水分向下层移动。同时土壤含水率的极值区域出现在地块的中间区域，而地块边缘的土壤含水率较低。从等值线的疏密程度可以看出，微喷灌不同深度土层土壤含水率的空间变异性均大于滴灌。

图3 不同灌溉方式土壤含水率空间分布Fig.3 Spatial distribution pattern of soil moisture content with different irrigation methods

2.2 土壤电导率的空间分布分析

2.2.1 土壤电导率的统计特征

由表4可以看出，微喷灌的土壤电导率均值小于滴灌的，说明与滴灌相比，微喷灌更有效地抑制了盐分表聚，促进了盐分的下移。20～40 cm土层的土壤电导率均值大于0～20 cm，说明覆砂抑制了土壤盐分的表聚。各个土层电导率的变异系数均为40%～100%，属于中等变异。滴灌0～20 cm土层土壤电导率的变异系数大于微喷灌，而微喷灌20～40 cm土层土壤电导率的变异系数大于滴灌。

表4 不同灌溉方式土壤电导率的统计特征值Tab.4 Statistical characteristic values of soil salinity under different irrigation methods

2.2.2 土壤电导率的空间变异

由表5及图4可知，微喷灌和滴灌条件下不同深度土层的电导率变程均介于12～18 m，大于4 m取样间隔，说明样点布设合理。而微喷灌的变程略小于滴灌，说明微喷灌土壤电导率空间自相关的距离小于滴灌。

图4 不同灌溉方式土壤电导率半方差理论模型Fig.4 Semivariance theoretical model of soil electrical conductivity with different irrigation methods

表5 不同灌溉方式土壤电导率半方差函数模型参数Tab.5 Parameters of semivariance function model of soil conductivity with different irrigation methods

经正态检验分析，电导率数据不符合正态分布，因此使用克里格方法预测时需要对数据进行相应的变换。微喷灌条件下0～20 cm土层土壤电导率数据采用开方根转换，20～40 cm土层采用对数转换；而滴灌条件下采用对数转换后，电导率分布均接近正态分布。由表5可以看出微喷灌和滴灌下，块金系数均随土层深度的增加而降低，且各土层深度的块金系数均介于25%～75%，说明具有中等强度的空间相关性。无论是微喷灌还是滴灌，各个土层的块金系数均无明显差异，集中分布在50%～60%。

2.2.3 土壤电导率空间分布特点

如图5所示，无论微喷灌还是滴灌，土壤电导率空间分布均呈现明显的斑块状。0～20 cm土层微喷灌的电导率中值（144 μS/cm）包围的面积大于滴灌中值（212 μS/cm）包围的面积，说明微喷灌的土壤电导率变异程度小于滴灌；而20～40 cm土层微喷灌的中值面积小于滴灌，说明微喷灌的土壤电导率的变异程度大于滴灌。这与描述性统计分析的结果相同。从图5中还可以看出，0～20 cm土层土壤电导率在水平方向存在明显的差异，在地块边缘部分土壤电导率有极大值，甚至20～40 cm土层也有类似规律，这表明压砂地盐分有明显向地边聚积的现象。这是因为地边没有覆盖砂层，覆砂土壤和未覆砂土壤含水率存在差异引起水分向地边运动，从而导致土壤盐分向地边聚积，这是压砂地抑制盐分表聚的作用机制之一。

图5 不同灌溉方式土壤盐分空间分布Fig.5 Spatial distribution pattern of soil salinity with different irrigation methods

2.3 土壤pH值空间分布

2.3.1 土壤pH值的统计特征

由表6可以看出，各土层的pH值相差并不大。不同灌溉条件下各土层深度的pH均值都在8左右，且变异系数均小于10%，属于弱变异，表明该地区的土壤呈碱性且相对于稳定。pH值的数据偏度系数都小于0，呈左偏态分布。

表6 不同灌溉方式下的土壤pH值统计特征值Tab.6 Statistical characteristic value of soil pH value with different irrigation methods

2.3.2 土壤pH值的空间变异

由表7可知，微喷灌和滴灌下0～20 cm和20～40 cm土层土壤pH值的变程大于4 m取样间隔，样点布设合理。pH值半方差函数模型的残差值均小于0.2，拟合效果较好。

表7 不同灌溉方式下土壤pH值半方差函数模型参数Tab.7 Parameters of semivariance function model of soil pH value with different irrigation methods

相同土层深度微喷灌的块金系数小于滴灌，说明微喷灌的土壤pH值空间自相关性比滴灌更强（见图6）。微喷灌0～20 cm和20～40 cm土层土壤pH值的块金系数分别为22.0%和3.0%，均小于25%，具有强烈的空间自相关性；而滴灌相应土层深度块金系数分别为93.8%和95.2%，均大于75%，具有较弱的空间自相关性。这表明微喷灌土壤pH值的空间变异主要由结构性因素引起，而滴灌的则主要由随机性因素引起[9]。

图6 不同灌溉方式土壤pH值半方差理论模型Fig.6 Semivariance theoretical model of soil pH with different irrigation methods

2.3.3 土壤pH值空间分布

如图7所示，土壤pH值的空间分布具有明显的斑块状分布特点。从整体上看，微喷灌0～20 cm土层土壤pH值大于滴灌，20～40 cm土层2种灌溉方式之间无明显差异。滴灌0～20 cm土层的pH值存在明显的低值区，这是因为滴灌是局部灌溉，微咸水灌溉引起土壤pH值升高的区域有限；另外压砂地西瓜种植的株行距较常规种植大，西瓜根系呼吸作用对土壤pH值的影响较小。微喷灌是全面灌溉，微咸水灌溉后提高了0～20 cm土层土壤pH值。

3 讨论

西北干旱区降水少且蒸发强烈，土壤盐分存在明显表聚现象[22,23]而覆砂则有效抑制了土壤盐分的表聚[24,25]。本文也发现，压砂地上无论微喷灌还是滴灌0～20 cm土层的电导率均小于20～40 cm土层的电导率，而微喷灌0～20 cm土层土壤电导率均值为185.02 μS/cm较滴灌的326.22 μS/cm下降了43.3%，且变异系数小于滴灌。这说明微咸水微喷灌比滴灌更能促进表层土壤盐分向下层土壤运移和淋洗。微喷灌20～40 cm土层土壤电导率均值为272.90 μS/cm较滴灌的185.13 μS/cm增加了47.4%，且变异系数大于滴灌的。这是由于微喷灌的灌水定额大于滴灌，上层土壤盐分被淋洗到下层土壤从而引起上层土壤盐分含量减少而下层土壤盐分含量增加。0～40 cm土层土壤电导率属于中等变异，这与赵文举等[26]研究结果一致。与此同时，2种灌溉条件下土壤电导率的变异性随土层深度的增加而减弱，这与杨晓潇等[27]的研究结果一致。

从土壤含水量和土壤电导率的等值线图来看，2种灌溉方式下等值线图均呈现大小不一的斑块状。土壤含水量最大值等值线均分布在采样区域的中间位置，靠近地边的位置土壤含水量则较低；而土壤电导率最小值等值线分布在采样区域的中间位置，地块的边缘位置则存在最大值的等值线。这说明土壤覆砂能够保蓄土壤水分，而在地块边缘则由于有裸地导致土壤水分发生侧向运移，同时带着盐分也向地边运动聚积。在生产实践中，压砂地的地边经常能观察到盐分的累积，这是压砂地压盐和排盐的机理之一。

2种灌溉方式下0～20 cm和20～40 cm土层土壤电导率的块金系数均介于25%～75%，表现出中等强度的空间自相关性。化骞寂等[23]在河套灌区的研究同样发现土壤盐分存在中等强度的空间自相关性。无论微喷灌还是滴灌条件下，不同土层深度的土壤pH值的均值和变异系数相差不大，表明灌溉方式对压砂地土壤酸碱度影响较小。邓茜等[28]指出土壤pH值受结构性和随机性因素的共同影响。微喷灌条件下压砂地0～20 cm和20～40 cm土层土壤pH值的块金系数分别为0.22和0.03，滴灌条件下分别为0.938和0.952。说明微喷灌条件下土壤pH值具有较强的空间自相关性，其空间变异主要由结构性因素引起；滴灌土壤pH值空间自关性较弱，其空间变异主要由随机性因素引起。