閻騰飛，劉秀梅，劉合滿，王華田，洪 弦，賀 闖，王壯壯

（1.信陽農(nóng)林學(xué)院，河南 信陽464000；2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)黃河下游森林培育國家林業(yè)局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 泰安271000；3.上海市環(huán)境學(xué)校，上海200135）

中國是一個(gè)水資源相對(duì)匱乏的國家，人均淡水資源占有量及單位土地面積水資源占有量均低于世界平均水平。提高農(nóng)業(yè)水資源利用效率和開發(fā)新的農(nóng)業(yè)水源成為緩解農(nóng)業(yè)用水供需矛盾的主要途徑［1］。中國擁有豐富的地下咸水資源，合理開發(fā)利用微咸水資源可以有效緩解淡水資源緊缺的矛盾。有研究表明［2-4］，利用微咸水灌溉不僅不會(huì)影響作物生長，還能提高部分作物和果樹的產(chǎn)量。然而長期使用微咸水灌溉也面臨著土壤可溶性鹽分含量過高，使用不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致土壤退化、污染水源等問題，給農(nóng)業(yè)環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)帶來一系列嚴(yán)重后果。因此，開展微咸水灌溉應(yīng)用技術(shù)研究，對(duì)于促進(jìn)農(nóng)業(yè)的安全穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。磁化水處理技術(shù)是當(dāng)前開展鹽堿地治理的一項(xiàng)較新技術(shù)，在世界各國得到了廣泛的應(yīng)用［5-6］。相關(guān)研究表明，磁化水灌溉能夠顯著改善鹽漬化土壤脫鹽效果，增強(qiáng)植物抗逆性，提高作物產(chǎn)量和水分利用效率；對(duì)高礦化度地下水磁化后灌溉，能有效減輕對(duì)植物的傷害，促進(jìn)根系生長，活化土壤養(yǎng)分，提高作物產(chǎn)量和質(zhì)量［5，7-8］。在中國，關(guān)于磁化水技術(shù)在農(nóng)林業(yè)中的應(yīng)用，目前尚屬初級(jí)階段，研究的重點(diǎn)主要集中在對(duì)土壤的脫鹽效果、作物生理生化特性和產(chǎn)量影響、水分利用效率等方面［9-11］。因此，了解磁化水灌溉條件下的土壤水鹽運(yùn)移規(guī)律，能更好地推廣應(yīng)用磁化技術(shù)。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)鹽漬土水鹽遷移規(guī)律采用傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法進(jìn)行了大量的研究，管孝艷等［12］結(jié)合GIS技術(shù)分析了河套灌區(qū)沙壕渠土壤電導(dǎo)度EC 值的空間變異特征及地下水埋深對(duì)土壤鹽分分布的影響，宗含等［13］研究了膜下滴灌對(duì)鹽荒地土壤鹽分變化規(guī)律，李娟等［14］研究了不同排水模式對(duì)鹽堿地土壤改良效應(yīng)的影響，而關(guān)于磁化水灌溉對(duì)土壤水鹽時(shí)空變化規(guī)律的研究未見報(bào)道。

黃河三角洲地區(qū)屬于典型的濱海鹽堿地類型，由于自然和人為活動(dòng)等因素，造成該區(qū)土地次生鹽堿化嚴(yán)重、淡水資源匱乏，使得植被生態(tài)系統(tǒng)脆弱，嚴(yán)重制約著當(dāng)?shù)剞r(nóng)林業(yè)的發(fā)展［15-16］。本試驗(yàn)以黃河三角洲山東省東營市河口區(qū)新營造的刺槐林地為研究對(duì)象，利用不同處理的水源進(jìn)行灌溉，通過分析土壤鹽分的時(shí)空分布及變化規(guī)律，以期為濱海鹽堿地磁化水灌溉技術(shù)提供理論參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于山東省東營市河口區(qū)新戶鎮(zhèn)北李村刺槐人工林基地（118°34′08″N，37°44′37″E）。屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，雨熱同季，四季分明。年平均氣溫12.5 ℃，年降水量550～600 mm，多集中在夏季，7—8月份降水量約占全年降水量的一半，鹽漬化黏壤土，地下10 m 以上淺表層地下水礦化度7.4 g／L。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2015年4月初，在467 hm2刺槐人工林內(nèi)西北方向選擇當(dāng)年刺槐新造林地作為試驗(yàn)地，選用2 a生幼樹當(dāng)年造林，保存率95%，試驗(yàn)地塊面積90 m×240 m，林木栽植株行距2 m×2 m，南北行，靠近外圍2行為保護(hù)行。以自來水作為灌溉淡水。在試驗(yàn)地南頭打10 m 深水井，引地下水作為淺表層微咸水。利用磁化器（型號(hào)A400p，出水量20 m3／h，磁感應(yīng)強(qiáng)度1400Gs，Magnetic Technologies L.L.C.，迪拜）分別接入兩種灌溉水磁化灌溉。沿樹行鋪設(shè)滴灌設(shè)施，沿主管道引3 m 長滴管，每個(gè)滴管5個(gè)滴頭，沿樹盤環(huán)形鋪設(shè)，每次灌溉持續(xù)灌水2 h，春秋旱季10 d灌溉一次，雨季不灌溉。沿東西向每隔22.5 m 設(shè)置一試驗(yàn)處理，分別為淡水灌溉（FW）、磁化淡水灌溉（MFW）、磁化地下淺表層微咸水灌溉（GW）、地下淺表層微咸水灌溉（MGW）。在試驗(yàn)地旁邊選相同面積地塊采用相同采樣方法作為對(duì)照，對(duì)照不采用任何灌溉方式（自然降水）。

1.3 采樣及測定方法

研究區(qū)面積約為2.16 hm2，矩形取樣，沿東西向5.5，16.5，27.5，38.5，53.9，64.9，75.9，86.9 m 處，南北向10，30，50，70，90，110，130，150，170，190，210，230 m 處，采用網(wǎng)格法取樣，共96個(gè)取樣點(diǎn)，均為單點(diǎn)采樣。采樣時(shí)間分別為4 月10 日，4 月25日，5月10日，5月25日，6月20日，8月20日，9月20日。土壤鹽分測定采用雷磁電導(dǎo)儀（DDS-308A，上海雷磁）測定土壤浸提液（土水比1∶5）的電導(dǎo)度，用LY／T1215-1999標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算全鹽含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

相對(duì)偏差［17］：測點(diǎn)i處測定時(shí)間j 時(shí)土壤水分（Sij）相對(duì)偏差（δij）的計(jì)算公式為

任一測點(diǎn)i處土壤鹽分平均相對(duì)偏差計(jì)算公式為：

式中：m——試驗(yàn)測點(diǎn)總次數(shù)。

任一測點(diǎn)i處土壤鹽分平均相對(duì)偏差的標(biāo)準(zhǔn)偏差（σ（δi））計(jì)算公式為：

采用3倍標(biāo)準(zhǔn)差的原則對(duì)數(shù)據(jù)序列的特異值進(jìn)行異常檢驗(yàn)和修正［18］。運(yùn)用SPSS19.0對(duì)土壤鹽分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行描述統(tǒng)計(jì)分析。利用surfer14.0地學(xué)制圖軟件繪制土壤鹽分空間分布等值線圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同層次土壤鹽分含量的統(tǒng)計(jì)特征值

由表1可知，0—20 cm 土壤鹽分含量平均值變化范圍為2.75～7.77 g／kg，在4月25日達(dá)到最大值；從變異系數(shù)來看，5月25日表現(xiàn)為強(qiáng)變異性，其他各日期均表現(xiàn)為中等變異強(qiáng)度。20—40 cm 土壤鹽分含量平均值變化范圍為2.77～5.78 g／kg，在4月25日達(dá)到最大值；從變異系數(shù)來看，各日期均表現(xiàn)為中等變異強(qiáng)度。40—60 cm 土壤鹽分含量平均值變化范圍為2.69～5.14 g／kg，在4月25日達(dá)到最大值；從變異系數(shù)來看，各日期均表現(xiàn)為中等變異強(qiáng)度。各土層各日期土壤鹽分含量值分布均呈正態(tài)分布。

表1 不同層次土壤鹽分統(tǒng)計(jì)特征值

2.2 不同處理土壤鹽分含量的時(shí)空穩(wěn)定性分析

將不同土壤層次不同灌溉處理土壤鹽分含量平均相對(duì)偏差，每種灌溉處理24個(gè)采樣點(diǎn)由小到大排列，描述其時(shí)間穩(wěn)定性，其中誤差線為各測點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)差（見圖1）。由圖1，圖2和圖3可以看出，淡水灌溉條件下0—20，20—40，40—60 cm 各土層土壤鹽分含量平均相對(duì)偏差變化范圍為－36.4%～95.8%，－45.4%～68.7%，－36.5%～70%，標(biāo)準(zhǔn)差變化范圍為11.8%～56.3%，11.8%～53.6%，15.88%～47.38%。磁化淡水灌溉條件下0—20，20—40，40—60 cm 各土層土壤鹽分含量平均相對(duì)偏差變化范圍為－30.5%～60.9%，－39.6%～61.2%，－38%～62.5%，標(biāo)準(zhǔn)差變化范圍為14.2%～67.6%，9.7%～63.25%，11.2%～69.1%。這表明磁化淡水灌溉相較于淡水灌溉各土層土壤鹽分含量時(shí)間穩(wěn)定性較強(qiáng)，各測點(diǎn)土壤鹽分含量數(shù)據(jù)離散程度較大。淡水灌溉和磁化淡水灌溉處理?xiàng)l件下各土層土壤鹽分含量數(shù)據(jù)之間時(shí)間穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)離散度差異不明顯。

圖1 不同灌溉處理0－20 cm 土層土壤鹽分值平均相對(duì)偏差變化

圖2 不同灌溉處理20－40 cm 土層土壤鹽分值平均相對(duì)偏差變化

圖3 不同灌溉處理40－60 cm 土層土壤鹽分值平均相對(duì)偏差變化

地下淺表層微咸水灌溉條件下0—20，20—40，40—60 cm 各土層土壤鹽分含量平均相對(duì)偏差變化范圍為－38.2%～61%，－38.3%～58.1%，－42.7%～81.3%，標(biāo)準(zhǔn)差變化范圍為14.6%～72.3%，11.3%～56.4%，10.5%～60.5%。磁化地下淺表層微咸水灌溉條件下0—20，20—40，40—60 cm 各土層土壤鹽分含量平均相對(duì)偏差變化范圍為－43.6%～53.9%，－42.4%～62.5%，－48.1%～74.4%，標(biāo)準(zhǔn)差變化范圍為18.1%～51.9%，18.3%～51.8%，8.26%～51.5%。這表明磁化地下淺表層微咸水灌溉較地下淺表層微咸水灌溉各土層土壤鹽分含量時(shí)間穩(wěn)定性較強(qiáng)，各測點(diǎn)土壤鹽分含量數(shù)據(jù)離散程度較小。地下淺表層微咸水灌溉和磁化地下淺表層微咸水灌溉條件下各土層土壤鹽分含量隨土層深度增加時(shí)間穩(wěn)定性減弱，數(shù)據(jù)離散程度隨土層深度增加減小。

由圖4可以看出，不同灌溉處理不同層次土壤鹽分含量均值均表現(xiàn)出：GW ＞CK＞FW ＞MGW ＞MFW，不同土層土壤鹽分含量隨著土層深度增加逐漸降低。這表明磁化處理能夠顯著降低各土層土壤鹽分含量，提高土壤鹽分淋溶。磁化淡水灌溉處理相較淡水灌溉處理3個(gè)土壤層次上分別降低了12.5%，12.3%，9.2%，磁化淺表層微咸水灌溉處理相較淺表層微咸水灌溉處理3 個(gè)土壤層次上分別降低了10.8%，10.8%，9.2%。這表明磁化處理對(duì)于土壤鹽分含量的淋溶作用隨著土壤深度的增加逐漸降低。這與王淥［13］、李夏［11］等的研究結(jié)果是一致的。

圖4 不同灌溉處理各土層土壤鹽分含量

由圖5可以看出，4種灌溉處理?xiàng)l件下各土層土壤鹽分含量季節(jié)動(dòng)態(tài)變化規(guī)律均表現(xiàn)出春季升高夏季降低秋季緩慢回升的變化趨勢。這是由于春季氣溫逐漸升高，土壤水分蒸發(fā)上升，土壤鹽分隨著水分蒸發(fā)上移，土壤鹽分含量增大；進(jìn)入夏季以后，降水增多，鹽分隨著降水下移；進(jìn)入秋季以后，土壤水分蒸發(fā)回升，鹽分重新上移，土壤鹽分含量升高。從土壤鹽分含量值上來看，淡水灌溉和淺表層微咸水灌溉處理各土層土壤鹽分含量在春季0—20 cm＞20—40 cm＞40—60 cm，在夏季40—60 cm＞20—40 cm＞0—20 cm，在秋季0—20 cm 土壤鹽分含量最高，明顯大于其它兩個(gè)層次。磁化淡水和磁化淺表層地下水灌溉處理土壤鹽分含量值在4月10日和5月25日表現(xiàn)出0—20 cm＞20—40 cm＞40—60 cm，在4月25日、5月10日和9月20日表現(xiàn)出0—20 cm＞40—60 cm＞20—40 cm，在6 月20 日表現(xiàn)出40—60 cm＞20—40cm＞0—20 cm。在4月25日、5月10日和9月20日都表現(xiàn)出了20—40 cm 土層土壤鹽分含量較低的現(xiàn)象，這表明磁化處理措施在春、秋季均能有效地降低20—40 cm 土層土壤鹽分含量。

圖5 不同灌溉處理各土層土壤鹽分含量的季節(jié)變化

對(duì)不同層次土壤鹽分分布特征進(jìn)行相關(guān)性分析（見表2），可知不同層次與土壤鹽分分布具有顯著的正相關(guān)關(guān)系。因此，為了更好地描述濱海鹽堿地不同灌溉方式處理?xiàng)l件下土壤鹽分時(shí)空分布特征，以0—20 cm 土壤層次鹽分分布繪制不同時(shí)期土壤鹽分分布特征的等值線圖（圖6）。

由圖6可以看出，表層土壤鹽分含量空間分布在4月10日時(shí)磁化處理區(qū)域鹽分含量明顯降低，隨著春季氣溫升高，地表水分蒸發(fā)增強(qiáng)，鹽分上行，部分區(qū)域出現(xiàn)了“積鹽”現(xiàn)象；進(jìn)入雨季后，降水增多，土壤鹽分下壓，磁化處理區(qū)域土壤鹽分降低；隨著雨季的深入，鹽隨水走，鹽分分布特征“魚眼”區(qū)域增多（高土壤鹽分含量區(qū)域），各處理區(qū)域間分布無規(guī)則；進(jìn)入秋季以后，磁化灌溉處理措施實(shí)施，處理區(qū)土壤鹽分含量開始下降。

表2 不同土層土壤鹽分含量均值相關(guān)性

3 討論

液態(tài)水經(jīng)過磁場切割的磁化處理后，可以明顯降低灌溉水含鹽量，從而降低土壤鹽分含量［7，9，19］。本研究中，2種磁化灌溉處理措施對(duì)濱海鹽堿地土壤鹽分都表現(xiàn)出了明顯的脫鹽效果，顯著地降低土壤中各層次的土壤含鹽量，尤其在春、秋季對(duì)20—40 cm 土層土壤鹽分脫鹽效果最為明顯，這與卜東升等［20］的研究結(jié)果相一致。這表明磁化灌溉水處理技術(shù)能夠有效地降低濱海鹽堿地土壤鹽分含量，通過磁化地下淺表層微咸水進(jìn)行適度灌溉，可以有效地為該地區(qū)節(jié)約用水資源，提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)能效益。

通常土壤鹽分的時(shí)空分布是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)［21］，具有一定的空間依賴性。在本研究中，由于采用了4種不同的灌溉處理措施，各土壤層次土壤鹽分分布特征值都表現(xiàn)為中等變異強(qiáng)度，磁化灌溉處理措施對(duì)土壤鹽分的時(shí)空分布穩(wěn)定性產(chǎn)生了一定的影響，這可能也是導(dǎo)致局部區(qū)域出現(xiàn)土壤“積鹽”現(xiàn)象的原因。從土壤鹽分的空間分布來看，在磁化處理灌溉水后，磁化處理區(qū)域起到了良好的脫鹽效果，隨著時(shí)間的推移和水分蒸發(fā)等因素的綜合影響，磁化處理區(qū)域?qū)ν寥辣韺用擕}效果降低，但在20—40 cm 土層深度仍表現(xiàn)出了較好的脫鹽效果。進(jìn)入雨季后，降雨量增大，磁化灌溉措施暫停，但磁化區(qū)域相較未磁化灌溉區(qū)域仍表現(xiàn)出了較好的土壤鹽分含量的穩(wěn)定性，磁化處理顯示出了較好的土壤鹽分空間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。在秋季，磁化水處理區(qū)域土壤鹽分含量明顯低于未處理區(qū)域。

圖6 0－20 cm 土層土壤鹽分含量空間分布特征

土壤中鹽分的分布與水分密切相關(guān)，土壤水分是土壤鹽分遷移的重要載體，即通常所說的“鹽隨水走”。研究表明，土壤鹽分會(huì)隨著地表水分蒸發(fā)向表面聚集，稱為“表聚”現(xiàn)象［22］。在本研究中，不同灌溉處理措施下土壤鹽分都表現(xiàn)出了“表聚”現(xiàn)象，對(duì)比磁化灌溉處理和未磁化灌溉處理措施的時(shí)間動(dòng)態(tài)變化，磁化處理措施能夠有效降低土壤鹽分表聚。

土壤鹽分含量的變化除了受降雨和土壤水分蒸發(fā)的影響，還受植被覆蓋度的變化以及地下水埋深的影響［23-24］。本研究中四月份刺槐剛剛展葉，土地裸露面積大，土壤鹽分含量上升。五月份刺槐枝葉生長發(fā)育加快，郁閉度逐漸增大，抑制土壤水分蒸發(fā)，土壤鹽分含量出現(xiàn)回落。進(jìn)入雨季以后，降雨量增大，土壤鹽分下行，地下水埋深上移，土壤鹽分迅速下降。秋季土壤水分蒸發(fā)增強(qiáng)，枯落的枝葉也帶回了大量的鹽分，土壤鹽分含量回升；全年土壤鹽分含量表現(xiàn)為春、秋季積鹽，夏季脫鹽。

由于田間試驗(yàn)的限制，本研究在布設(shè)試驗(yàn)地時(shí)未進(jìn)行隔離處理，不同試驗(yàn)處理之間的邊際效應(yīng)勢必對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生一定影響。因此，對(duì)不同灌溉處理之間的脫鹽效果精準(zhǔn)分析是下一步的研究方向。土壤鹽分含量的時(shí)空變化受多種因素的綜合影響，本研究亦未進(jìn)行相關(guān)因素的觀測，試驗(yàn)數(shù)據(jù)有一定的局限性。

4 結(jié)論

（1）兩種磁化處理灌溉方式均能夠降低濱海鹽堿地土壤鹽分含量，通過磁化地下淺表層微咸水進(jìn)行適度灌溉，可以為該地區(qū)節(jié)約用水資源，有效地促進(jìn)鹽堿地的土壤脫鹽。

（2）不同灌溉處理的不同層次土壤鹽分含量均值均表現(xiàn)出：GW＞CK＞FW＞MGW＞MFW，不同土層土壤鹽分含量隨著土層深度增加逐漸降低。磁化水灌溉能夠顯著的降低土壤表層的含鹽量，對(duì)濱海鹽堿地土壤鹽分具有較好的淋溶效果。淋溶作用隨著土壤深度的增加逐漸降低。

（3）磁化處理措施能夠降低土壤鹽分表聚，尤其是在春季溫度回升，土壤水分蒸騰不斷增強(qiáng)的情況下，適時(shí)采用磁化水灌溉能夠?qū)ν寥利}分的上行起到抑制作用，對(duì)20—40 cm 土層的抑鹽效果更明顯一些。