干旱區(qū)土壤鹽分的分布及分布特征

干旱區(qū)土壤鹽分的分布及分布特征

土壤鹽是干旱地區(qū)土地沙漠的主要問題。這意味著土壤質(zhì)量下降，限制了作物的生長，削弱了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力。嚴(yán)重的情況下，耕地會萎縮。同時鹽漬化也會引起環(huán)境危害,如水質(zhì)惡化,植物多樣性減少等。長期以來,在全球范圍內(nèi)土壤鹽漬化問題受到廣泛關(guān)注,控制和緩解土壤鹽漬化已成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的一個主要挑戰(zhàn)。據(jù)統(tǒng)計世界上僅有15%的適耕土地為灌溉土地,卻占了世界食物生產(chǎn)的1/3以上,在這些灌溉土地中,FAO和UNESCO評價有1/2以上的區(qū)域受到鹽漬化影響。在干旱、半干旱區(qū),每年因土壤鹽漬化有1×108hm2灌溉土地遭到荒廢。在我國土壤鹽漬化問題也廣泛存在,主要分布于東北,西北,華北以及沿海灘涂地,現(xiàn)有鹽漬化面積0.82×108hm2,另有0.17×108hm2的土壤面臨潛在鹽漬化的威脅。因此,監(jiān)測和量化土壤鹽漬化過程在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全和區(qū)域穩(wěn)定中起到重要作用,并且研究土壤鹽分的運移規(guī)律是有效防治土壤鹽漬化的前提和基礎(chǔ)。土壤鹽分分布具有明顯特征,大量的鹽分隨徑流在土壤中聚積,主要沿河口向內(nèi)陸區(qū)延伸,末端沉積作用較強,在剖面上,主要聚集于近地表層。對于鹽分聚積的評價理解是很重要的,因為在強烈的蒸發(fā)作用下,土壤自身會發(fā)生鹽分的累積作用,并且土地利用方式的改變會使土壤中物質(zhì)的聚積作用發(fā)生改變。在干旱區(qū)內(nèi)陸河流域由于水及土壤母質(zhì)含鹽,土壤表面蒸發(fā)強烈,使土壤含鹽量高,常常造成危害,其危害主要發(fā)生在扇緣、沖積平原、三角洲、湖濱平原等區(qū)域。自20世紀(jì)80年代以來,由于干旱地區(qū)綠洲農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展,導(dǎo)致大面積的土地次生鹽漬化。無論是古老灌區(qū)還是新墾灌區(qū),土壤鹽漬化的發(fā)生、發(fā)展已成為影響綠洲農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和綠洲農(nóng)業(yè)安全的重要因素。為此本文以新疆三工河流域農(nóng)業(yè)綠洲為例,研究土地利用變化對土壤積鹽的影響,為干旱區(qū)綠洲土地管理提供科學(xué)依據(jù)。1綠化區(qū)5-20年研究區(qū)位于新疆天山北麓中段阜康市境內(nèi)的三工河流域(87°47′-88°17′E,44°09′-44°29′N),地勢南高北低,由東南向西北傾斜。南北長36.97km,東西寬37.65km,海拔450~680m,總面積約為942km2,綠洲區(qū)面積為702.81km2。該區(qū)域主要由山前傾斜平原和地下水溢出帶以及細(xì)土平原區(qū)三部分組成,其中山前傾斜平原區(qū)和地下水溢出帶是以阜康市為主的洪積扇和扇緣老綠洲,農(nóng)業(yè)耕作歷史悠久,而細(xì)土平原區(qū)主要為沖洪積平原六運湖農(nóng)場和阜北農(nóng)場。該流域氣候?qū)俑珊荡箨懶詺夂?年氣溫在-15.7~25.75℃,多年平均氣溫7.3℃。年降水量為106.1~337.3mm,多年平均降水234.5mm。年蒸發(fā)量1533~2540mm,多年平均蒸發(fā)量1850mm。區(qū)域植被的垂直分布和生態(tài)系列明顯,隨海拔高度不同,在不同地貌區(qū)域內(nèi)形成不同的植被群落類型。自南向北依次是短命植物-琵琶柴荒漠、多汁鹽柴類荒漠、扇緣檉柳灌叢直至沙丘的梭梭、白梭梭荒漠。目前流域內(nèi)綠洲區(qū)主要土地利用類型包括耕地、園地、有林地、灌木林地、草地、鹽堿地、建設(shè)用地等多種類型。地帶性土壤主要為灰漠土,主要農(nóng)作物有棉花、玉米、啤酒花、葡萄等,尤以棉花和葡萄為主。2樣地與實驗方法根據(jù)區(qū)域土壤、土地利用類型、植被類型等因素設(shè)置典型樣地308個,用直徑3cm的土鉆多點采集0~20cm表層土壤樣品。耕地、人工林地、灌木林地、草地、鹽堿地分別設(shè)置141,47,26,35,17個樣地,其它類型樣地如河道\水庫、沙地、居民地等42個。耕地種植玉米、小麥、棉花、葡萄等;人工林地主要為楊樹和沙棗樹為主的退耕還林地和防護(hù)林帶,灌木樹種有檉柳、梭梭和琵琶柴;草地主要有蘆葦、旱麥草和角果藜等;鹽堿地主要為木本鹽柴類荒漠植物。采樣點用GPS定位,并詳細(xì)記錄采樣點周圍的景觀信息。在每個樣地內(nèi)采取0~20cm土層土壤,然后將采集的土壤樣品帶回實驗室內(nèi),自然風(fēng)干、磨碎、過2mm篩后備用。土壤鹽分含量、土壤pH值和土壤有機質(zhì)含量的測定采用中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)觀測與分析標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行。采用SPSS11.5軟件和OriginPro7.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與檢驗分析。3結(jié)果與分析3.1不同類型土壤鹽分含量的差異由表1可以看出,研究區(qū)主要以農(nóng)業(yè)為主,其中耕地分布的面積最大,占區(qū)域總面積的31.14%,其次為草地,最小的為人工林地,僅為1.59%。盡管區(qū)域人工景觀土地利用類型如耕地占有很大面積,但相對于其他自然景觀的分布(如草地\灌木林地\鹽堿地)來說,仍然屬于農(nóng)業(yè)土地開發(fā)利用較低的區(qū)域,自然景觀土地利用類型占有較大的面積比例。整個綠洲區(qū)土壤鹽分含量平均為9.33g/kg(表1),其中耕地土壤鹽分均值僅為6.1g/kg。與耕地相比,人工林地土壤鹽分均值(10.89g/kg)相對較高,草地、灌木林地和鹽堿地土壤鹽分的均值均高于10g/kg以上。從含鹽量的均值來看,研究區(qū)總體上屬于重鹽土類型(含鹽量大于4g/kg),表明土壤高度鹽漬化是制約綠洲農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要因素。耕地與草地之間土壤鹽分含量無顯著差異,而耕地與其它景觀類型如人工林地、灌木林地和鹽堿地間存在顯著差異(P<0.05)。灌木林地和鹽堿地土壤鹽漬化程度比較高,并且鹽分含量無顯著的差異性,表明當(dāng)前灌木林地和鹽堿地土壤鹽漬化程度相同。草地與人工林地土壤鹽分含量無顯著差異,且與灌木林地和鹽堿地差異顯著(P<0.05)。整個三工河流域土壤鹽分的變異系數(shù)為153%,以耕地最大,為158%,草地次之,為119%,而在人工林地、灌木林地和鹽堿地中,土壤鹽分的變異系數(shù)均小于100%。變異系數(shù)反映的是樣本的離散程度,為樣本的標(biāo)準(zhǔn)差對平均數(shù)的百分?jǐn)?shù)。若該比值<10%,說明具有弱的變異性;若該比值在10%~100%之間,則說明具有中等強度的空間變異性;若該比值>100%,則說明具有強的空間變異性。由此可以看出,整個流域空間土壤含鹽量具有強的空間變異性,在不同的景觀中表現(xiàn)不同,耕地和草地為強變異性,而人工林地、灌木林地和鹽堿地為中等變異性,造成土壤含鹽量的空間變異較大的原因在于研究區(qū)不同的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地形、人為活動、灌溉管理制度以及灌溉方式等多種因素。3.2不同類型土壤鹽分分布規(guī)律通過對不同土地利用類型土壤鹽分的分布分析,由圖1可以看出,流域耕地中,土壤鹽分含量的分布主要集中于<2g/kg,分布頻率高于75%,而高于30g/kg樣點所占比例較少,僅為1.5%,介于20~30k/kg之間的樣點相對比較均勻,均有一定比例的分布,說明耕地鹽分主要以低鹽區(qū)為主,其它鹽分等級區(qū)間也有分布。在草地類型中,鹽分的頻率分布與耕地分布格局相似,以<2g/kg的鹽分區(qū)間為主,伴隨分布其它鹽分等級。但在灌木林、人工林地和鹽堿地鹽分的分布頻率相似,頻率相對比較分散,以<2g/kg和2~10g/kg等級鹽分分布為主,分布頻率相差不大,而在10~20g/kg,20~30g/kg,<30g/kg,隨鹽分等級的升高,分布頻率減小。然而,相比較灌木林地和鹽堿地鹽分頻率分布,各等級鹽分的分布頻率均低于26%,而高于14%,表明在這兩種土地利用方式下,高鹽含量分布比例較多,分布較廣。當(dāng)農(nóng)業(yè)綠洲土地利用方式由耕地向人工林地和草地變化時,土壤鹽分含量增加,而且分布區(qū)間也由低值區(qū)向高值區(qū)轉(zhuǎn)變。隨著流域內(nèi)退耕還林(草)的實施,以及綠洲內(nèi)普遍發(fā)生的棄耕、撂荒現(xiàn)象,其土壤鹽漬化的程度必然提高,這對于監(jiān)測和量化土壤鹽漬化過程,認(rèn)識綠洲內(nèi)部的土地貧瘠化與次生鹽漬化的發(fā)生具有重要的意義。3.3不同地貌單元的土壤鹽分含量分布在三工河流域農(nóng)業(yè)綠洲中,自南向北地貌單元類型依次為沖洪積扇中上部、地下水溢出帶、沖洪積平原上部和沖洪積扇下部4個類型(表2)。由表2可以看出,研究區(qū)主要以沖洪積平原為主的農(nóng)業(yè)綠洲,其分布比例最大,占流域面積的48.79%,其次為沖洪積扇中上部,為23.62%,最小的為地下水溢出帶。由于地貌單元的差異,土壤鹽分含量分布,具明顯的差異性。自南向北,隨地貌單元的變化,鹽分含量明顯增加(表2),其順序為:沖洪積扇中上部<地下水溢出帶<沖洪積平原上部<沖洪積平原下部。在沖洪積扇區(qū)域,土壤鹽分含量明顯低于沖洪積平原(P<0.05),其中沖洪積扇中上部和地下水溢出帶,土壤鹽分含量低于3.81g/kg,并且無顯著差異,而在沖洪積平原上部和下部土壤鹽分含量高于10g/kg,并且無顯著差異(表2,P<0.05),由此說明綠洲區(qū)高鹽漬化主要集中于綠洲北部,南部相對較低。同時由表2可以看出,在4個地貌單元中,土壤鹽分的變異系數(shù)均高于100%以上,表明均具有強的空間變異性,由此說明地貌單元的差異,對于土壤鹽分在區(qū)域土地利用中的分布具有一定的影響。3.4工河流域土壤鹽分與氣候變化的關(guān)系對于三工河流域來說,流域內(nèi)不同單元水資源利用結(jié)構(gòu)差異,使得上游老綠洲地下水位持續(xù)下降,而下游地下水位持續(xù)抬升,并且區(qū)域地下水礦化度持續(xù)升高,在強烈的蒸發(fā)作用下,引起地表積鹽作用差異。為了了解區(qū)域不同土地利用類型土壤積鹽特征的影響性因素,由于受研究區(qū)土壤鹽分影響因素樣本量的限制,根據(jù)所能收集到的流域相關(guān)數(shù)據(jù)樣本,進(jìn)行相關(guān)性分析。研究區(qū)現(xiàn)有25口地下水井的數(shù)據(jù),主要包括9口地下水監(jiān)測井和16口抽水井的同期分析數(shù)據(jù)。區(qū)域景觀樣點數(shù)據(jù)選擇與地下水井最近位置的土壤鹽分?jǐn)?shù)據(jù),初步選取了地形、地下水水位、地下水礦化度、地下水pH值、土壤有機質(zhì)、土壤pH值等6個因素進(jìn)行相關(guān)性分析(Pearson相關(guān)性檢驗),結(jié)果如表3所示。由表3可以看出,土壤pH值與鹽分含量之間呈現(xiàn)顯著的相關(guān)性(P<0.01),地形和地下水特征也是影響土壤積鹽的因素之一。整個流域土壤鹽分含量與地形、地下水位和土壤有機質(zhì)呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)性,且與土壤pH呈現(xiàn)顯著正相關(guān)性(P<0.01),并且其相關(guān)特征與耕地景觀相同,表明在地形高程較低和地下水位較淺的位置,土壤堿性越強,并且土壤有機質(zhì)含量越低,土壤鹽分含量越高,鹽漬化程度就越重。由于耕地在流域中分布面積最大,所占比例最高(表1),因此,其土壤鹽分的相關(guān)特征與整個流域相同。草地土壤鹽分含量主要與地形、有機質(zhì)和土壤pH之間相關(guān)性顯著(P<0.01),土壤鹽分含量越高,堿性越強,相對土壤養(yǎng)分有機質(zhì)含量就越低。人工林地由于分布面積較小,其土壤積鹽與地下水位具顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05),與土壤pH具顯著正相關(guān)性。灌木林地則與地形、地下水礦化度之間具顯著負(fù)相關(guān)性,與土壤pH呈顯著正相關(guān)性。由于三工河流域存在4個有顯著差異的水文地質(zhì)單元,其分布面積比例差異較大(表2),相互間存在著不同的地下水化學(xué)狀況與運動規(guī)律,在人類活動影響下顯現(xiàn)的地下水特征變化與土壤鹽分的相關(guān)性呈現(xiàn)出復(fù)雜的表現(xiàn)(表3)。由此表明,區(qū)域不同土地利用方式下土壤鹽分聚積特征,一方面是地形和水文地質(zhì)特征差異所引起,另一方面人為活動如施肥、灌溉、地下水利用在土壤鹽分聚積上也起到一定的作用。3.5地表和地下水的水量和水質(zhì)的分區(qū)水是土壤鹽分運移發(fā)生的主要載體,區(qū)域不同土地利用類型鹽分發(fā)生的差異主要由于區(qū)域內(nèi)水資源利用的差異性引起。表層土壤易受氣象因素影響,更能體現(xiàn)土壤蒸發(fā)對水鹽運移的影響。對于自然景觀土地利用類型來說,引起土壤鹽分空間變異差異主要為自然降水和地下水的區(qū)域作用差異。由圖2可以看出,自1985-2005年,區(qū)域自然降水南部明顯多于北部,并且地下水位南部高,北部低,但地下水礦化度卻是南部低,北部高。說明在流域空間,降水的不均性和地下水作用,對于自然景觀土地利用類型草地、灌木林地和鹽堿地地表土壤鹽分都會產(chǎn)生較大的影響,尤其是草地,具有強的變異性(表1)。而對于人工土地利用類型耕地和人工林地來說,表層土壤主要受農(nóng)業(yè)灌溉用水作用,由圖2還可以看出,區(qū)域南部與北部地表水與地下水均有利用,但是利用的程度不同,南部綠洲主要用地表水,并且地下水礦化度較低,而北部綠洲地下水用量較大,并且地下水礦化度較高,由此說明,耕地和人工林地局地用水水量和水質(zhì)的差異性,在一定程度上引起表層土壤鹽分的空間變異性較高,局地差異性大。由于區(qū)域水資源在流域空間存在差異,在一定程度上在不同地貌單元鹽分的聚積也表現(xiàn)出高的變異性。4不同土地利用方式下土壤鹽分的聚積特征(1)三工河流域農(nóng)業(yè)綠洲區(qū),土地利用方式是影響農(nóng)業(yè)綠洲土壤鹽分聚積的重要因素。從均值來看,流域空間土壤鹽分含量為9.33g/kg,耕地僅為6.1g/kg,而其它土地利用類型均高于10g/kg。在鹽分含量的分布區(qū)間上,耕地超過75%的樣點低于2g/kg,并且相對集中,而其它土地利用方式,則比較分散,表明在區(qū)域土地利用由耕地轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌恋乩梅绞较?會發(fā)生鹽分的積聚。在干旱區(qū)農(nóng)業(yè)綠洲內(nèi),普遍存在棄耕與撂荒現(xiàn)象,這種利用方式的轉(zhuǎn)變,其最終的結(jié)果是土壤鹽漬化程度增加,區(qū)域土壤質(zhì)量下降。(2)不同地貌單元土壤鹽分含量具有明顯特征,自南向北,隨地貌單元的轉(zhuǎn)變,綠洲內(nèi)鹽分含量增高。在沖洪積扇中上部和地下水溢出帶土壤鹽分含量較低,均值均低于3.81g/kg,而在沖洪積平原上部和下部,鹽分含量較高,均值均高于10g/kg。在三工河流域農(nóng)業(yè)綠洲區(qū),引起不同土地利用方式