劉遷遷,蘇里坦,劉廣明,沙吾蘭·哈斯木,張 音
(1 中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所,荒漠與綠洲生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,烏魯木齊 830011;2中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049;3 中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所,南京 210008;4 新疆國(guó)土資源規(guī)劃研究院,烏魯木齊 830011)
新疆伊犁察南灌區(qū)土壤鹽分特征①
劉遷遷1,2,蘇里坦1*,劉廣明3,沙吾蘭·哈斯木4,張 音1,2
(1 中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所,荒漠與綠洲生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,烏魯木齊 830011;2中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049;3 中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所,南京 210008;4 新疆國(guó)土資源規(guī)劃研究院,烏魯木齊 830011)
以察南灌區(qū)土壤為研究對(duì)象,對(duì)不同含鹽量土壤進(jìn)行鹽化程度分級(jí),并對(duì)該地區(qū)土壤鹽分特征進(jìn)行相關(guān)分析和主成分分析,以及對(duì)土壤鹽分因子區(qū)域影響因素進(jìn)行探討。結(jié)果表明:察南灌區(qū)以堿性土壤為主,HCO-3是影響該灌區(qū)土壤pH最強(qiáng)的因子;對(duì)灌區(qū)0 ~ 100 cm土體土壤的分析表明,灌區(qū)鹽化土面積約為總灌溉面積的1/4,鹽漬化風(fēng)險(xiǎn)較大;相關(guān)性分析顯示,HCO-3、Cl-、SO2-4、Ca2+、Mg2+、Na+、K+為鹽分主要組成離子,總鹽分與各離子之間均呈正相關(guān)關(guān)系,與總鹽分相關(guān)性最強(qiáng)的陰離子為SO2-4,相關(guān)性最強(qiáng)的陽(yáng)離子為Mg2+;主成分分析顯示,HCO-3、Cl-、K+為影響該灌區(qū)土壤鹽分特征的主導(dǎo)因子;通過(guò)鹽分因子區(qū)域影響因素定性分析可知,除HCO-3和pH是由河流以及地下水綜合作用影響外,其他鹽分因子均主要受河流影響。
土壤鹽漬化;伊犁河谷;干旱、半干旱灌區(qū);鹽分離子
在干旱、半干旱地區(qū),綠洲灌溉土壤中的鹽分是土壤特性中最活躍和復(fù)雜的部分,因降水稀少、蒸發(fā)強(qiáng)烈,鹽分的表聚性特征顯著,極易發(fā)生鹽漬化[1]。鹽漬化可導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的嚴(yán)重衰退,是土地退化的主要原因之一。據(jù)聯(lián)合國(guó)教科文組織(UNESCO)和聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織(FAO)[2]不完全統(tǒng)計(jì),中國(guó)受鹽漬化危害的耕地達(dá) 0.9 × 108hm2,它們主要分布在新疆、河西走廊、柴達(dá)木盆地、河套平原、銀川平原、黃淮海平原、東北平原西部以及濱海地區(qū)。強(qiáng)烈蒸騰作用下鹽分離子隨水分在土壤中的運(yùn)移是導(dǎo)致土壤鹽漬化的原因,對(duì)土壤鹽分的特征研究已成為當(dāng)前鹽漬化土地治理的基礎(chǔ)和關(guān)鍵[3]。
近年來(lái),國(guó)內(nèi)外對(duì)土壤鹽分特征的研究逐漸增多,不僅對(duì)不同土壤類(lèi)型鹽分特征及不同土層土壤鹽分狀況、鹽分離子狀況及pH等理化性狀進(jìn)行了分析[4-6],還對(duì)鹽分時(shí)空運(yùn)移變化機(jī)制及形成機(jī)理進(jìn)行了研究[7-10],但針對(duì)于新疆伊犁灌溉性土壤鹽分特征方面的研究還較少。本研究以伊犁河谷察南灌區(qū)為研究區(qū),一方面對(duì)研究區(qū)鹽漬化狀況進(jìn)行分級(jí)研究,另一方面運(yùn)用相關(guān)分析、主成分分析等方法,對(duì)土壤各土層鹽分、pH以及土壤8大離子進(jìn)行量化分析,并且對(duì)土壤鹽分因子區(qū)域影響因素進(jìn)行探討,旨在充分了解干旱、半干旱區(qū)灌溉農(nóng)業(yè)的特點(diǎn),全面地掌握灌區(qū)內(nèi)水鹽的運(yùn)移規(guī)律;通過(guò)定性、定量研究,分析該地區(qū)土壤鹽分特征及主要影響因子,以增加對(duì)該區(qū)域土壤鹽分研究的理論基礎(chǔ),為后期相應(yīng)的農(nóng)業(yè)措施提供理論依據(jù),并對(duì)同類(lèi)型灌區(qū)土壤鹽分研究提供有益參考。
察布查爾縣地處亞歐大陸中心,地理位置43°17′ ~43°57′ N,80°31′ ~ 81°43′ E(圖1)。該縣有大小河流13條,年均徑流量2.73×109m3,已利用1.3×109m3;地下水資源動(dòng)態(tài)儲(chǔ)量4.31×109m3,已利用量0.72×109m3。伊犁河在該區(qū)年均徑流量1.65×1011m3,年引水量7.6×109m3,南岸干渠引水量1.02×1010m3。研究區(qū)察南灌區(qū)位于察布查爾縣中南部,地處伊犁河流域中、下游區(qū)域,全年有效光照時(shí)數(shù)達(dá)2 846 h,無(wú)霜期177 d,全年有效積溫3 800 ℃,年平均降水量222 mm,屬大陸性北溫帶溫和干旱氣候;土地資源豐富,常年灌溉面積1 870 ~ 2 000 hm2,屬于典型的干旱、半干旱灌溉農(nóng)業(yè)區(qū),是伊犁河谷重要的糧食生產(chǎn)地。區(qū)內(nèi)以水稻種植為主,土壤類(lèi)型為壤土、黏土的互層,區(qū)域中部有河流經(jīng)過(guò),地下水礦化度平均值為2.37 g/L,埋深值在0.3 ~ 1.2 m。
圖1 研究區(qū)位置及土壤樣點(diǎn)分布Fig. 1 Locations of study area and soil sampling sites
察南灌區(qū)為伊犁河谷水土開(kāi)發(fā)(1515工程)的核心區(qū),區(qū)域內(nèi)地形坡度大、重灌輕排,次生鹽漬化不斷加重。經(jīng)過(guò)多年的農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā),區(qū)域內(nèi)質(zhì)量較好的土地資源大部分已被開(kāi)辟為農(nóng)田,開(kāi)墾后易產(chǎn)生水土流失、土地沙化等土地荒漠化問(wèn)題,同時(shí)還面臨著潛水蒸發(fā)及大規(guī)模農(nóng)業(yè)灌溉所引起的土壤鹽漬化風(fēng)險(xiǎn)[11]。
本研究采用定點(diǎn)采樣與實(shí)地測(cè)算相結(jié)合的研究方法,以獲取0 ~ 100 cm土體土壤鹽分狀況,以及相關(guān)的渠灌與地下水灌溉的區(qū)域分布狀況。土樣采集時(shí)間為2015年10月,為農(nóng)作物收割后的時(shí)期,樣點(diǎn)選在植被覆蓋度低,異質(zhì)性較小的區(qū)域,主要是依據(jù)察南灌區(qū)農(nóng)作物分布狀況及土壤鹽分直觀特征,并用GPS定位技術(shù)對(duì)各點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確定位。在每個(gè)樣地的中心處,對(duì)土壤分0 ~ 30、30 ~ 60及60 ~ 100 cm 3層取土,選取70個(gè)具有代表性的樣點(diǎn),共采集210個(gè)土樣各1 kg,帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干分析。
根據(jù)南京土壤研究所編著的《土壤理化分析》[12]對(duì)土樣進(jìn)行鹽分及其組成的測(cè)定。K+、Na+用火焰光度計(jì)法(6410型火焰光度計(jì),上海)測(cè)定;Ca2+、Mg2+、用EDTA容量法測(cè)定;Cl-用硝酸銀滴定法測(cè)定;、用雙指示劑法測(cè)定。土壤鹽分離子及土壤EC測(cè)定采用1∶5土水比的懸濁液測(cè)定,pH采用1∶2.5土水比的懸濁液測(cè)定。因量過(guò)低,土壤總鹽分以土樣中除以外的7大離子的質(zhì)量之和計(jì)算。
土壤中8大離子、總鹽分含量及pH是土壤鹽分的重要指標(biāo),可以作為鹽分特征分析的重要因子。為直觀地反映研究區(qū)土壤鹽分變化特征,對(duì)各因子做統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果如表1所示。對(duì)土壤鹽分因子進(jìn)行K-S檢驗(yàn)可知,土壤HCO-3含量、pH雙側(cè)漸進(jìn)顯著性檢驗(yàn)值P > 0.05,在概率分布上均服從正態(tài)分布;其他各土壤鹽分因子雙側(cè)漸進(jìn)顯著性檢驗(yàn)值P < 0.05,均為非正態(tài)分布。變異系數(shù)反映了土壤鹽分含量空間變異強(qiáng)度,研究區(qū)土壤Cl-、SO2-4、Ca2+、Mg2+、Na+、K+含量以及土壤總鹽分含量的變異系數(shù)均大于1,屬于強(qiáng)變異,說(shuō)明各因子空間分布不均,變化率較大;土壤HCO-3含量及土壤pH變異系數(shù)均小于1,表明二者在空間分布上變化率較小。
土壤具有地帶性分異規(guī)律,因此劃分土壤鹽漬化水平應(yīng)首先考慮該生態(tài)環(huán)境中耕層土壤含鹽量對(duì)作物生長(zhǎng)危害的輕重程度及鹽分組成和積鹽層厚度等因素。我國(guó)土壤鹽化分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),按地區(qū)和鹽漬化類(lèi)型大體上可歸納為兩大系列四小系列[13],依據(jù)不同地區(qū)植物對(duì)鹽分適應(yīng)狀況的差異,將全國(guó)分為濱海、半濕潤(rùn)區(qū),干旱、半干旱區(qū),半漠境區(qū)以及漠境區(qū)4種主要的鹽漬化類(lèi)型區(qū)。
由于特殊的地理位置、氣候環(huán)境及降水狀況,可知察南灌區(qū)為中國(guó)西北地區(qū)干旱、半干旱類(lèi)型區(qū),該類(lèi)型區(qū)以土壤鹽分含量< 1 g/kg為非鹽化土,1 ~ 2 g/kg為輕度鹽化土,2 ~ 4 g/kg為中度鹽化土,4 ~ 10 g/kg為強(qiáng)度鹽化土,> 10 g/kg為鹽土。依據(jù)該鹽漬化分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),得到研究區(qū)非鹽化土占75.7%,輕度鹽化土占4.3%,中度鹽化土占5.7%,強(qiáng)度鹽化土占10%,鹽土占4.3%,非鹽化與鹽化比率約為3∶1,非鹽化土所占比例較大,但是鹽化土產(chǎn)生的影響不可忽視。通過(guò)對(duì)4.3% 鹽土采樣點(diǎn)的分析,發(fā)現(xiàn)土壤表面有明顯的堿斑,鹽化特征明顯。
表1 0 ~ 100 cm土體土壤各離子含量、總鹽量及pH的統(tǒng)計(jì)特征Table 1 Statistic parameters of ion content, total salinity content and pH value in 0—100 cm soil
整個(gè)研究區(qū)土壤pH均大于7,且變異系數(shù)小于0.1,屬于弱變異,pH空間分布上變化水平較低,呈現(xiàn)堿性區(qū)域分布,并逐步呈現(xiàn)土壤堿化的趨勢(shì),表明該灌區(qū)屬于干旱、半干旱堿性土壤類(lèi)型區(qū)。
化學(xué)元素的離子半徑、化合價(jià)、存在形態(tài)等的相似性,使得它們?cè)谥参?、土壤等生命和非生命體中的存在往往具有一定的相關(guān)性[14]。離子相關(guān)性檢驗(yàn)是為了研究與土壤總鹽分相關(guān)性最大的離子,通過(guò)對(duì)各土壤鹽分因子之間的相關(guān)性分析,得到因子間的相關(guān)系數(shù)矩陣(表2)。
由表2可知,總鹽分與各因子均為正相關(guān),相關(guān)性最弱的離子為HCO-3,相關(guān)系數(shù)為0.013,呈現(xiàn)不顯著相關(guān);相關(guān)性最強(qiáng)的陰離子為SO2-4,相關(guān)系數(shù)為0.894,Cl-次之,相關(guān)系數(shù)為0.871,在置信水平為0.01水平上為顯著相關(guān),二者為該地區(qū)總鹽分的主要相關(guān)陰離子,也是伊犁河谷鹽漬化形成的主要陰離子成分。與總鹽分相關(guān)性最強(qiáng)的陽(yáng)離子為Mg2+,相關(guān)系數(shù)為0.939,其次依次為Ca2+、Na+、K+,相關(guān)性均較強(qiáng),說(shuō)明鎂鹽、鈣鹽、鉀鹽、鈉鹽在該灌區(qū)對(duì)鹽分組成具有重要作用。
陰陽(yáng)離子間相關(guān)性最強(qiáng)的為Ca2+與SO2-4,相關(guān)系數(shù)為0.913,為顯著正相關(guān);其次為Na+與Cl-,也為顯著正相關(guān)。由此,在該灌區(qū)Ca2+與SO2-4、Na+與Cl-相互影響較強(qiáng)。這些離子均為巖石沖刷及成土作用所形成,灌溉與潛水蒸發(fā)在相關(guān)離子累積過(guò)程中起到了促進(jìn)作用。對(duì)于pH相關(guān)因子分析,只有HCO-3為顯著正相關(guān),其余均為顯著負(fù)相關(guān),可以得出,碳酸氫鹽是促進(jìn)該灌區(qū)土壤堿性的主導(dǎo)因子。
表2 土壤鹽分因子相關(guān)系數(shù)矩陣Table 2 Correlation matrix between soil salt ions
主成分因子分析是獲取代表性因子的常用方法。通過(guò)對(duì)土壤鹽分因子進(jìn)行主成分分析,獲得主成分因子及其特征值、貢獻(xiàn)率。按特征值大于1,得出2個(gè)主成分Z1、Z2,二者累積貢獻(xiàn)率達(dá)83.707%,說(shuō)明二者在各成分中極具代表性,包含了各成分的大部分信息。在求算主成分因子時(shí),采用方差最大正交旋轉(zhuǎn)法進(jìn)行轉(zhuǎn)軸運(yùn)算(表3),通過(guò)此方法可使得每個(gè)因子最高載荷的變量數(shù)最少,每個(gè)因子可獨(dú)立表達(dá)各自的含義,但每個(gè)變量的共同性不會(huì)改變,這樣易于對(duì)因子載荷量進(jìn)行解釋[15]。旋轉(zhuǎn)后的主成分因子更能突出各個(gè)因子的典型代表變量,這樣更容易顯示因子的作用。
由表3可知,總鹽分、Na+、Mg2+、Cl-、SO2-4、K+、Ca2+在第一主成分Z1上載荷較高,并且均為正向載荷,說(shuō)明各鹽分因子與第一主成分Z1相關(guān)程度高,其中陽(yáng)離子以Na+為最高,陰離子以Cl-為最高,可以推斷出該地區(qū)鹽分特征在一定程度上主要受NaCl的影響。在第二主成分Z2上,HCO-3、pH載荷較高,說(shuō)明二者在Z2時(shí),為鹽分特征的主導(dǎo)因子。綜合分析兩主成分因子,HCO-3、Cl-、K+在主成分Z1、Z2上均為正向載荷,可推斷HCO-3、Cl-、K+為該灌區(qū)鹽分特征的主導(dǎo)因子。
表3 旋轉(zhuǎn)后主成分載荷、特征根、貢獻(xiàn)率Table 3 Rotated principal component load, latentroot and contribution rate
干旱、半干旱區(qū)灌溉性土壤鹽分累積主要有兩個(gè)來(lái)源,一是引河水灌溉的鹽分累積,另一個(gè)是地下水礦化度高導(dǎo)致的鹽分累積[16-17]。察南灌區(qū)灌溉引水方式主要為引地表水與地下水,分為渠灌與井灌,其中渠灌水主要來(lái)源于伊犁河。渠灌水呈弱堿性,各離子含量為Cl->SO2-4>Na+>Ca2+>Mg2+>K+>HCO-3>CO2-3,屬于Cl--Na+型水;對(duì)井灌水理化性質(zhì)分析可知,陰離子含量由高到低依次為SO2-4>Cl->HCO-3>CO2-3,陽(yáng)離子含量由高到低依次為Ca2+>Na+>Mg2+>K+,屬于SO2-4-Ca2+型水?;诘乇硭c地下水的離子含量差異,在二者綜合作用下,形成了研究區(qū)土壤各鹽分因子的相應(yīng)累積過(guò)程。
土壤時(shí)空連續(xù)變化的特性,使得土壤鹽分因子在空間尺度上具有一定的自相關(guān)性,對(duì)研究區(qū)土壤鹽分因子分析可知,各因子在空間分布上具有中、強(qiáng)度的空間自相關(guān)性。為了直觀反映察南灌區(qū)土壤鹽分因子空間分布特征的影響因素,運(yùn)用克立格插值法對(duì)土壤HCO-3、Cl-、SO2-4、Ca2+、Mg2+、Na+、K+、總鹽分含量以及土壤pH作空間插值分析。如圖2所示,深色區(qū)域?yàn)辂}分因子含量高值區(qū),淺色為含量低值區(qū),該圖能比較直觀地反映出土壤鹽分因子空間分布狀況。因該研究區(qū)有河流經(jīng)過(guò),可根據(jù)土壤中各因子含量峰值區(qū)域與河流的分布關(guān)系,對(duì)影響因素進(jìn)行定性分析。
河水以渠灌水的形式對(duì)察南灌區(qū)土壤鹽分特性產(chǎn)生影響,通過(guò)對(duì)水渠分布范圍進(jìn)行測(cè)算,以1.5 km為研究區(qū)內(nèi)河流影響的最大緩沖半徑,得到河流鹽分影響范圍緩沖區(qū)圖(圖3)。綜合圖2、圖3空間布局特征可知,土壤HCO-3含量及土壤pH在整個(gè)研究區(qū)域內(nèi)分布比較均勻,與河流距離遠(yuǎn)近所引起的梯度分級(jí)不明顯,由此可推斷兩者在察南灌區(qū)內(nèi)主要是由河流及地下水共同影響的結(jié)果。另外,研究區(qū)內(nèi)土壤Cl-、SO2-4、Ca2+、Mg2+、Na+、K+含量以及土壤總鹽分含量峰值區(qū)域主要分布在研究區(qū)西北部,根據(jù)疊加測(cè)算分析,相關(guān)土壤離子含量、土壤總鹽峰值區(qū)域與河流影響范圍的交叉面積達(dá)80%以上,并且與距離河流的遠(yuǎn)近總體上呈現(xiàn)含量梯度遞減的趨勢(shì),由此可知,察南灌區(qū)內(nèi)土壤Cl-、SO2-4、Ca2+、Mg2+、Na+、K+、總鹽分含量主要來(lái)自于河流,其次來(lái)自于地下水,是人為引河水灌溉引起的相關(guān)因子的累積效應(yīng)。
1) 研究區(qū)察南灌區(qū)以堿性土壤為主,碳酸氫鹽是該灌區(qū)土壤pH相關(guān)性最強(qiáng)的因子,是促進(jìn)灌區(qū)土壤堿性增加的主要因素。在水平空間方向上,土壤pH變異性較小,灌區(qū)內(nèi)土壤pH空間分布水平較一致。
2) 由土壤總鹽分含量可知,該灌溉區(qū)農(nóng)田鹽化土面積占總灌溉面積約1/4,土壤鹽化水平較高,鹽漬化風(fēng)險(xiǎn)較大;總鹽分與各離子之間均呈正相關(guān)關(guān)系,Mg2+、SO2-4、Cl-為研究區(qū)土壤總鹽分的主要組成離子。
圖2 察南灌區(qū)土壤鹽分因子空間分布圖Fig. 2 Contour maps of soil salt ions in Chanan Irrigation Area
圖3 河流鹽分影響范圍緩沖區(qū)Fig. 3 Buffer area of river salinity influence
3) 主成分分析表明,HCO-3、Cl-、K+在各主成分上均為正向載荷,是影響該灌區(qū)土壤鹽分特征的主導(dǎo)因子,在一定程度上影響該灌區(qū)土壤鹽化特性。
4) 由鹽分因子區(qū)域影響因素分析可知,察南灌區(qū)內(nèi)土壤HCO-3含量和土壤pH主要是由河流以及地下水綜合作用的影響,土壤Cl-、SO2-4、Ca2+、Mg2+、Na+、K+、總鹽分含量累積作用主要由河流影響。
5) 運(yùn)用相關(guān)性分析、主成分分析、半方差函數(shù)擬合以及空間分布等值線(xiàn)圖研究為主的土壤鹽分特征研究方法,能比較直觀地反映出影響土壤鹽分的主要因素,對(duì)于區(qū)域性土壤鹽漬化成因研究及土壤鹽分治理具有重要意義。察南灌區(qū)作為伊犁河谷水稻的重要產(chǎn)區(qū),本研究結(jié)果將為該區(qū)域農(nóng)業(yè)種植及土壤鹽分治理等方面提供重要科學(xué)參考。
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Characteristics of Soil Salinity in Chanan Irrigation Area, Ili of Xinjiang
LIU Qianqian1,2, Sulitan1*, LIU Guangming3, Shawulan·HASIMU4, ZHANG Yin1,2
(1 State Key Laboratory of Desert and Oasis Ecology, Xinjiang Institute of Ecology and Geography, Chinese Academy of Sciences, Urumqi 830011, China; 2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3 Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 4 Xinjiang Institute of Land and Resources Planning, Urumqi 830011, China)
Chanan Irrigation Area in Ili of Xinjiang was selected as the study region, the soils were graded according to the salinization level, the characteristics of soil salts were analyzed by using correlation analysis and principal component analysis,and the regional influential factors on soil salinity were also qualitatively determined. The results showed that soils in the Chanan Irrigation Area are mainly alkaline, the influence of HCO-3on soil pH is most. Salinization soil constitutes of about 25% of the total Irrigation Area, indicating the study area is facing great risk of salinization. Correlation analysis showsed HCO-3, Cl-, SO2-4,Ca2+, Mg2+, Na+and K+are the main ions of soil salt, all ions have positive correlation with total salt content, among of which,and Mg2+are the most correlated anion and cation respectively. The result of PCA disclosed that HCO-3, Cl-and K+are the dominant influential factors on soil salinity characteristics in Chanan Irrigation Area. The qualitative analysis of the regional influential factors suggest HCO-3and pH of soil in Chanan Irrigation Area are comprehensively influenced by river and groundwater, while other salt ions are mainly affected by rivers.
Soil salinization; Ili River Valley; Arid and semi-arid irrigation area; Salt ions
S151.9
A
10.13758/j.cnki.tr.2017.05.022
新疆維吾爾自治區(qū)科技計(jì)劃項(xiàng)目(201531116)和新疆優(yōu)秀青年科技人才培養(yǎng)項(xiàng)目(qn2015yx033)資助。
* 通訊作者(sulitan@ms.xjb.ac.cn)
劉遷遷(1988—),男,河南商丘人,碩士研究生,主要從事生態(tài)水文研究。E-mail: Liuqianqian215@mails.ucas.ac.cn