干旱区土壤盐分的分布及分布特征

干旱区土壤盐分的分布及分布特征

土壤盐是干旱地区土地沙漠的主要问题。这意味着土壤质量下降，限制了作物的生长，削弱了农业生产力。严重的情况下，耕地会萎缩。同时盐渍化也会引起环境危害,如水质恶化,植物多样性减少等。长期以来,在全球范围内土壤盐渍化问题受到广泛关注,控制和缓解土壤盐渍化已成为现代农业的一个主要挑战。据统计世界上仅有15%的适耕土地为灌溉土地,却占了世界食物生产的1/3以上,在这些灌溉土地中,FAO和UNESCO评价有1/2以上的区域受到盐渍化影响。在干旱、半干旱区,每年因土壤盐渍化有1×108hm2灌溉土地遭到荒废。在我国土壤盐渍化问题也广泛存在,主要分布于东北,西北,华北以及沿海滩涂地,现有盐渍化面积0.82×108hm2,另有0.17×108hm2的土壤面临潜在盐渍化的威胁。因此,监测和量化土壤盐渍化过程在农业生产安全和区域稳定中起到重要作用,并且研究土壤盐分的运移规律是有效防治土壤盐渍化的前提和基础。土壤盐分分布具有明显特征,大量的盐分随径流在土壤中聚积,主要沿河口向内陆区延伸,末端沉积作用较强,在剖面上,主要聚集于近地表层。对于盐分聚积的评价理解是很重要的,因为在强烈的蒸发作用下,土壤自身会发生盐分的累积作用,并且土地利用方式的改变会使土壤中物质的聚积作用发生改变。在干旱区内陆河流域由于水及土壤母质含盐,土壤表面蒸发强烈,使土壤含盐量高,常常造成危害,其危害主要发生在扇缘、冲积平原、三角洲、湖滨平原等区域。自20世纪80年代以来,由于干旱地区绿洲农业的迅速发展,导致大面积的土地次生盐渍化。无论是古老灌区还是新垦灌区,土壤盐渍化的发生、发展已成为影响绿洲农业可持续发展和绿洲农业安全的重要因素。为此本文以新疆三工河流域农业绿洲为例,研究土地利用变化对土壤积盐的影响,为干旱区绿洲土地管理提供科学依据。1绿化区5-20年研究区位于新疆天山北麓中段阜康市境内的三工河流域(87°47′-88°17′E,44°09′-44°29′N),地势南高北低,由东南向西北倾斜。南北长36.97km,东西宽37.65km,海拔450~680m,总面积约为942km2,绿洲区面积为702.81km2。该区域主要由山前倾斜平原和地下水溢出带以及细土平原区三部分组成,其中山前倾斜平原区和地下水溢出带是以阜康市为主的洪积扇和扇缘老绿洲,农业耕作历史悠久,而细土平原区主要为冲洪积平原六运湖农场和阜北农场。该流域气候属干旱大陆性气候,年气温在-15.7~25.75℃,多年平均气温7.3℃。年降水量为106.1~337.3mm,多年平均降水234.5mm。年蒸发量1533~2540mm,多年平均蒸发量1850mm。区域植被的垂直分布和生态系列明显,随海拔高度不同,在不同地貌区域内形成不同的植被群落类型。自南向北依次是短命植物-琵琶柴荒漠、多汁盐柴类荒漠、扇缘柽柳灌丛直至沙丘的梭梭、白梭梭荒漠。目前流域内绿洲区主要土地利用类型包括耕地、园地、有林地、灌木林地、草地、盐碱地、建设用地等多种类型。地带性土壤主要为灰漠土,主要农作物有棉花、玉米、啤酒花、葡萄等,尤以棉花和葡萄为主。2样地与实验方法根据区域土壤、土地利用类型、植被类型等因素设置典型样地308个,用直径3cm的土钻多点采集0~20cm表层土壤样品。耕地、人工林地、灌木林地、草地、盐碱地分别设置141,47,26,35,17个样地,其它类型样地如河道\水库、沙地、居民地等42个。耕地种植玉米、小麦、棉花、葡萄等;人工林地主要为杨树和沙枣树为主的退耕还林地和防护林带,灌木树种有柽柳、梭梭和琵琶柴;草地主要有芦苇、旱麦草和角果藜等;盐碱地主要为木本盐柴类荒漠植物。采样点用GPS定位,并详细记录采样点周围的景观信息。在每个样地内采取0~20cm土层土壤,然后将采集的土壤样品带回实验室内,自然风干、磨碎、过2mm筛后备用。土壤盐分含量、土壤pH值和土壤有机质含量的测定采用中国生态系统研究网络观测与分析标准方法进行。采用SPSS11.5软件和OriginPro7.0软件进行数据处理与检验分析。3结果与分析3.1不同类型土壤盐分含量的差异由表1可以看出,研究区主要以农业为主,其中耕地分布的面积最大,占区域总面积的31.14%,其次为草地,最小的为人工林地,仅为1.59%。尽管区域人工景观土地利用类型如耕地占有很大面积,但相对于其他自然景观的分布(如草地\灌木林地\盐碱地)来说,仍然属于农业土地开发利用较低的区域,自然景观土地利用类型占有较大的面积比例。整个绿洲区土壤盐分含量平均为9.33g/kg(表1),其中耕地土壤盐分均值仅为6.1g/kg。与耕地相比,人工林地土壤盐分均值(10.89g/kg)相对较高,草地、灌木林地和盐碱地土壤盐分的均值均高于10g/kg以上。从含盐量的均值来看,研究区总体上属于重盐土类型(含盐量大于4g/kg),表明土壤高度盐渍化是制约绿洲农业生产的重要因素。耕地与草地之间土壤盐分含量无显著差异,而耕地与其它景观类型如人工林地、灌木林地和盐碱地间存在显著差异(P<0.05)。灌木林地和盐碱地土壤盐渍化程度比较高,并且盐分含量无显著的差异性,表明当前灌木林地和盐碱地土壤盐渍化程度相同。草地与人工林地土壤盐分含量无显著差异,且与灌木林地和盐碱地差异显著(P<0.05)。整个三工河流域土壤盐分的变异系数为153%,以耕地最大,为158%,草地次之,为119%,而在人工林地、灌木林地和盐碱地中,土壤盐分的变异系数均小于100%。变异系数反映的是样本的离散程度,为样本的标准差对平均数的百分数。若该比值<10%,说明具有弱的变异性;若该比值在10%~100%之间,则说明具有中等强度的空间变异性;若该比值>100%,则说明具有强的空间变异性。由此可以看出,整个流域空间土壤含盐量具有强的空间变异性,在不同的景观中表现不同,耕地和草地为强变异性,而人工林地、灌木林地和盐碱地为中等变异性,造成土壤含盐量的空间变异较大的原因在于研究区不同的地质结构、地形、人为活动、灌溉管理制度以及灌溉方式等多种因素。3.2不同类型土壤盐分分布规律通过对不同土地利用类型土壤盐分的分布分析,由图1可以看出,流域耕地中,土壤盐分含量的分布主要集中于<2g/kg,分布频率高于75%,而高于30g/kg样点所占比例较少,仅为1.5%,介于20~30k/kg之间的样点相对比较均匀,均有一定比例的分布,说明耕地盐分主要以低盐区为主,其它盐分等级区间也有分布。在草地类型中,盐分的频率分布与耕地分布格局相似,以<2g/kg的盐分区间为主,伴随分布其它盐分等级。但在灌木林、人工林地和盐碱地盐分的分布频率相似,频率相对比较分散,以<2g/kg和2~10g/kg等级盐分分布为主,分布频率相差不大,而在10~20g/kg,20~30g/kg,<30g/kg,随盐分等级的升高,分布频率减小。然而,相比较灌木林地和盐碱地盐分频率分布,各等级盐分的分布频率均低于26%,而高于14%,表明在这两种土地利用方式下,高盐含量分布比例较多,分布较广。当农业绿洲土地利用方式由耕地向人工林地和草地变化时,土壤盐分含量增加,而且分布区间也由低值区向高值区转变。随着流域内退耕还林(草)的实施,以及绿洲内普遍发生的弃耕、撂荒现象,其土壤盐渍化的程度必然提高,这对于监测和量化土壤盐渍化过程,认识绿洲内部的土地贫瘠化与次生盐渍化的发生具有重要的意义。3.3不同地貌单元的土壤盐分含量分布在三工河流域农业绿洲中,自南向北地貌单元类型依次为冲洪积扇中上部、地下水溢出带、冲洪积平原上部和冲洪积扇下部4个类型(表2)。由表2可以看出,研究区主要以冲洪积平原为主的农业绿洲,其分布比例最大,占流域面积的48.79%,其次为冲洪积扇中上部,为23.62%,最小的为地下水溢出带。由于地貌单元的差异,土壤盐分含量分布,具明显的差异性。自南向北,随地貌单元的变化,盐分含量明显增加(表2),其顺序为:冲洪积扇中上部<地下水溢出带<冲洪积平原上部<冲洪积平原下部。在冲洪积扇区域,土壤盐分含量明显低于冲洪积平原(P<0.05),其中冲洪积扇中上部和地下水溢出带,土壤盐分含量低于3.81g/kg,并且无显著差异,而在冲洪积平原上部和下部土壤盐分含量高于10g/kg,并且无显著差异(表2,P<0.05),由此说明绿洲区高盐渍化主要集中于绿洲北部,南部相对较低。同时由表2可以看出,在4个地貌单元中,土壤盐分的变异系数均高于100%以上,表明均具有强的空间变异性,由此说明地貌单元的差异,对于土壤盐分在区域土地利用中的分布具有一定的影响。3.4工河流域土壤盐分与气候变化的关系对于三工河流域来说,流域内不同单元水资源利用结构差异,使得上游老绿洲地下水位持续下降,而下游地下水位持续抬升,并且区域地下水矿化度持续升高,在强烈的蒸发作用下,引起地表积盐作用差异。为了了解区域不同土地利用类型土壤积盐特征的影响性因素,由于受研究区土壤盐分影响因素样本量的限制,根据所能收集到的流域相关数据样本,进行相关性分析。研究区现有25口地下水井的数据,主要包括9口地下水监测井和16口抽水井的同期分析数据。区域景观样点数据选择与地下水井最近位置的土壤盐分数据,初步选取了地形、地下水水位、地下水矿化度、地下水pH值、土壤有机质、土壤pH值等6个因素进行相关性分析(Pearson相关性检验),结果如表3所示。由表3可以看出,土壤pH值与盐分含量之间呈现显著的相关性(P<0.01),地形和地下水特征也是影响土壤积盐的因素之一。整个流域土壤盐分含量与地形、地下水位和土壤有机质呈现显著负相关性,且与土壤pH呈现显著正相关性(P<0.01),并且其相关特征与耕地景观相同,表明在地形高程较低和地下水位较浅的位置,土壤碱性越强,并且土壤有机质含量越低,土壤盐分含量越高,盐渍化程度就越重。由于耕地在流域中分布面积最大,所占比例最高(表1),因此,其土壤盐分的相关特征与整个流域相同。草地土壤盐分含量主要与地形、有机质和土壤pH之间相关性显著(P<0.01),土壤盐分含量越高,碱性越强,相对土壤养分有机质含量就越低。人工林地由于分布面积较小,其土壤积盐与地下水位具显著负相关(P<0.05),与土壤pH具显著正相关性。灌木林地则与地形、地下水矿化度之间具显著负相关性,与土壤pH呈显著正相关性。由于三工河流域存在4个有显著差异的水文地质单元,其分布面积比例差异较大(表2),相互间存在着不同的地下水化学状况与运动规律,在人类活动影响下显现的地下水特征变化与土壤盐分的相关性呈现出复杂的表现(表3)。由此表明,区域不同土地利用方式下土壤盐分聚积特征,一方面是地形和水文地质特征差异所引起,另一方面人为活动如施肥、灌溉、地下水利用在土壤盐分聚积上也起到一定的作用。3.5地表和地下水的水量和水质的分区水是土壤盐分运移发生的主要载体,区域不同土地利用类型盐分发生的差异主要由于区域内水资源利用的差异性引起。表层土壤易受气象因素影响,更能体现土壤蒸发对水盐运移的影响。对于自然景观土地利用类型来说,引起土壤盐分空间变异差异主要为自然降水和地下水的区域作用差异。由图2可以看出,自1985-2005年,区域自然降水南部明显多于北部,并且地下水位南部高,北部低,但地下水矿化度却是南部低,北部高。说明在流域空间,降水的不均性和地下水作用,对于自然景观土地利用类型草地、灌木林地和盐碱地地表土壤盐分都会产生较大的影响,尤其是草地,具有强的变异性(表1)。而对于人工土地利用类型耕地和人工林地来说,表层土壤主要受农业灌溉用水作用,由图2还可以看出,区域南部与北部地表水与地下水均有利用,但是利用的程度不同,南部绿洲主要用地表水,并且地下水矿化度较低,而北部绿洲地下水用量较大,并且地下水矿化度较高,由此说明,耕地和人工林地局地用水水量和水质的差异性,在一定程度上引起表层土壤盐分的空间变异性较高,局地差异性大。由于区域水资源在流域空间存在差异,在一定程度上在不同地貌单元盐分的聚积也表现出高的变异性。4不同土地利用方式下土壤盐分的聚积特征(1)三工河流域农业绿洲区,土地利用方式是影响农业绿洲土壤盐分聚积的重要因素。从均值来看,流域空间土壤盐分含量为9.33g/kg,耕地仅为6.1g/kg,而其它土地利用类型均高于10g/kg。在盐分含量的分布区间上,耕地超过75%的样点低于2g/kg,并且相对集中,而其它土地利用方式,则比较分散,表明在区域土地利用由耕地转变为其它土地利用方式下,会发生盐分的积聚。在干旱区农业绿洲内,普遍存在弃耕与撂荒现象,这种利用方式的转变,其最终的结果是土壤盐渍化程度增加,区域土壤质量下降。(2)不同地貌单元土壤盐分含量具有明显特征,自南向北,随地貌单元的转变,绿洲内盐分含量增高。在冲洪积扇中上部和地下水溢出带土壤盐分含量较低,均值均低于3.81g/kg,而在冲洪积平原上部和下部,盐分含量较高,均值均高于10g/kg。在三工河流域农业绿洲区,引起不同土地利用方式