半干旱地区环境因素与表层土壤积盐关系的研究

半干旱地区环境因素与表层土壤积盐关系的研究

郭全恩^1，2　王益权¹　郭天文³　刘军¹　南丽丽⁴

（1西北农林科技大学资环学院　杨凌　712100；2甘肃省农业科学院土壤肥料研究所　兰州　730070；3甘肃省农业科学院旱地农业研究所　兰州，730070；4甘肃农业大学草业学院　兰州　730070）

摘要：通过田间试验对半干旱地区甘肃省秦安县果园环境因素（蒸发量、降雨量、近地面空气温度和湿度、土温、土壤水分）与表层土壤的积盐关系进行了研究。结果表明：在综合环境因素的影响下，不同土层的全盐含量随着潜在累积蒸发量的增加而增大，表现为正相关。土壤温度升高，不同土层土壤都有积盐的趋势。土壤0～2cm、2～5cm、5～10cm土层随着水分含量的增加有积盐的趋势，而15～20cm和20～25cm土层随着水分含量的增加有脱盐的趋势。土壤积盐受多种因素综合作用的影响。在果树生育期4～8月，15～20cm土层土壤盐分含量和土壤水分、气温具有较好的耦合效应，其模型为Y（土壤盐分）= 0.0027-0.0002X₁（气温）+0.0154X₂（含水量），（p=0.0047）。因此，根据模型，在生育期4～8月，低气温和高土壤含水量正是该层土壤积盐期。根据气象因子对积盐的影响，科学地提出了15～20cm土层为盐分的“活动面”的概念。

关键词：半干旱地区；环境因素；表层土壤；积盐

土壤盐渍化问题是干旱区可持续发展和改善环境质量的战略问题^[1]，也是影响绿洲生态环境稳定的重要因素^[2]。甘肃省半干旱地区是年平均降雨量在250～500 mm的区域。该区的气候特点是干旱、年降雨量小、蒸发量大，且降雨在年内各月的分配不均。在这种气候条件下，成土母质中的可溶盐类无法淋滤下移，而蒸发作用又将地下水、土壤盐分提升上来聚积于表层土壤内，加上灌溉不当等人类原因，导致土地次生盐渍化，严重阻碍了该区域的可持续发展。

目前，国内外关于环境因素对水盐运移影响的研究报道较少。张仁生、张转放、邱国庆等分别在各自的研究中考虑了冻融过程对土壤水盐运动的影响^[3]，尤文瑞等对蒸发条件下土壤水盐动态规律进行了研究^[4～7]，刘光明等对地下水蒸发规律及其与土壤盐分的关系进行了研究^[8]。而对空气温湿度、蒸发量、降雨量、气温和土壤水分对土壤表层积盐关系研究的报道更少。由于盐分离子在土壤中的迁移不仅受地下水位、土壤溶液中离子的沉淀、溶解，交换吸附等多因素影响，而且还受环境因素如蒸发量、降雨量、气温、土温、土壤水分等的影响。

注：本文发表于《土壤学报》，2008，45（5）:957～963.

以往的学者多以某一环境因子为对象，研究其对盐分运移的影响。由于土壤盐分运移或积盐是各种环境因子影响行为的综合反应。另外，在中国北方灌溉土地中，表层土壤盐分是土壤剖面中土壤特性变化最为活跃和复杂的部分，它受到土壤性质、地下水文、气象等自然条件与耕种、平地、灌溉等人类活动因子的制约。表层土壤盐分分布状态在一定程度上反映了耕作层内的盐渍化程度，也是人们关注的热点之一^[9]。因此，本研究对半干旱地区环境因素与表层土壤积盐的规律做一研究，充分发挥环境因子和水肥生态因子的协同增效作用，提高农业生产力^[10～12]，具有十分重要的意义。

1　材料与方法

1.1　试验区概况

项目区设在典型的有代表性的甘肃省半干旱地区秦安县，海拔高度1120～2230 m，相对高差1110 m，属陇中黄土高原梁峁沟壑区。年平均气温10.4℃，平均日照时数2208.1 h，无霜期178 d，是甘肃省典型的中部半干旱山区。试验期间月降雨量与蒸发量如图1所示。

1.2　试验材料及测定方法

图1　秦安县降雨量与蒸发量

（2004年12月～2005年11月）

图2　果园近地面空气温度和湿度的变化

选择3个有代表性的果园，进行定点定位测定土壤剖面0～2cm、2～5cm、5～10cm、10～15cm、15～20cm、20～25cm土层土壤水分、盐分的含量。土壤水分的测定用烘干法，盐分的测定用电导法（水土比为5∶1）。测定时间于2005年4月中旬开始，大约每半月测定一次，测定到10月中旬结束。同时每天早晨10：00与下午4：00分别用地温计测定土壤温度，用空气湿度计测定果园近地面空气相对湿度，用气温计测定果园近地面空气温度（果园近地面温度和湿度的变化见图2）。同时每天测定大气日蒸发量与每次降雨量。

2　结果与讨论

2.1　大气潜在累积蒸发量与土壤表层积盐的关系

潜在蒸腾蒸发概念是在Thornthwaite推动下形成的^[13]。Thornthwaite曾把自己估算潜在蒸腾蒸发的方法应用到气候分类方案中去，该方法取决于实际降雨量和潜在蒸腾蒸发量的差，以及降雨量和潜在蒸腾蒸发量的全年各月分配^[14]。大气蒸发能使土壤水分汽化，成为土壤水盐向表层运行的动力，并使土壤发生积盐^[2]。由图3可以看出，不同土层的全盐含量随着潜在累积蒸发量（两次测定全盐期间大气日蒸发量的累积值）的增加而增大，表现为正相关。从直线斜率的大小可以看出不同土层土壤积盐能力的强弱：2～5cm土层＞0～2cm土层＞5～10cm土层＞15～20cm土层＞10～15cm土层＞20～25cm土层。这是由于土壤0～10 cm土层的大气蒸发力较土壤10～25cm土层的大，盐分在以水为载体的条件下，通过大气蒸发力把深层土壤中的盐分带到了表层，这样表层盐分增加较底层多。同时，这非常清楚地反应了干旱地区不同土层全盐含量与蒸发量变化具有不同的特征。这一研究结果与刘光明报道的流域降水稀少，淋洗微弱，干旱多风，蒸发强烈，土壤水分以蒸发浓缩运动为主，土壤和地下水盐分随之上升，地表发生大量积聚^[15]相一致。

2.2土壤温度与土壤表层积盐的关系

图3　潜在累积蒸发量与土壤表层不同土层盐分含量的相关关系

温度变化对水势产生影响^[16]。根据热力学，Gibbs自由能是温度的函数。土壤温度影响土壤水分运动，既有液态方面的，也有气态方面的；在液态方面是由于它影响表面张力，在气态方面是由于对水气压有较大影响^[13]。根据Fick定律，水分有从热的区域向冷的区域运动的趋势。因此，可以说土壤温度为土壤盐分运动提供动能。从图4可以看出，土壤温度与盐分累积的趋势关系，随着土壤温度升高，土壤0～5cm、5～10cm、10～15cm、15～20cm、20～25cm土层都有积盐的趋势，且不同土层积盐的趋势不同，直线的斜率表示积盐速率的快慢。表层0～5cm和20～25cm土层，随着土壤温度升高积盐速率较慢；而5～10cm、10～15cm和15～20cm土层，随着土壤温度升高积盐速率较快。这是由于表层0～5cm土层，在干旱强蒸发地区容易形成干土层，而盐分的运动要靠水为载体，没有水分，就没有载体，所以盐分积累较慢。而20～25cm土层，它既是盐分的累积层，又是盐分的传导层，一方面，受温度影响，它把其下层土壤的盐分累积在该层；另一方面，它为上层盐分累积提供盐分来源。

图4　不同土层土壤温度与盐分含量的关系

2.3　土壤含水量与土壤表层积盐的关系

大地盐分来源于岩石风化，为降水淋溶并随水运动，在大气降水转化为地表水、土壤水和地下水的过程中，盐分也随之发生积累和迁移^[17]，所以说水是盐分运动的载体。由图5可以明显看出土壤含水量与土壤表层积盐趋势的关系：在0～2 cm、2～5 cm、5～10cm土层，随着土壤水分含量的增加有积盐的趋势，且土壤2～5cm、5～10cm土层积盐速率大于0～2cm土层，这是由于表层0～2cm土层容易形成干土层，切断水分的运动，阻碍盐分的传导。这恰恰证明了S.A.Taylor博士的在干燥土壤中水流以跳动式的运动方式向干处移动的观点^[18]。在15～20cm、20～25cm土层，随着土壤水分含量的增加有脱盐的趋势；而在土壤10～15 cm土层，直线的斜率趋于0，即随着土壤水分含量的增加，既不存在积盐，也不存在脱盐，是盐分的传导区。

图5　土壤含水量与土壤盐分的相关关系

2.4　环境因子和土壤水分对土壤表层积盐的耦合效应分析及方程的拟合

由于盐分的运移不仅受到土壤水分的影响，还受到气象因子如蒸发量、降雨量、气温等多种因素的综合作用。为此，对果树生育期4～8月，果园近地面空气温度和相对湿度、土温、大气潜在累积蒸发量、累积降雨量、土壤水分和土壤表层0～2cm、2～5 cm、5～10cm、10～15cm、15～20cm、20～25cm盐分分别逐层进行多元回归，寻求其耦合效应。

SAS方差分析结果表明，只有土壤15～20cm土层盐分含量与气温、土壤水分具有较好的耦合效应。由多元回归方程的假设测验看，回归方程达到极显著水平（p= 0.0047），复相关系数为0.9273，调整后的复相关系数为0.8691。从偏回归系数的假设测验看，变量X₁（p=0.0023）、X₄（p=0.0070）的偏回归系数达到极显著水平，变量X₂（p= 0.8590）、X₃（p=0.2430）的偏回归系数不显著，应从方程中剔除。共线性诊断部分中，以最大特征值3.0897为100%，求出各组中的条件指数，比较条件指数最大值所在行的系数，系数较大的那些自变量具有较大的共线性。可以看出，变量X₂与X₃具有较强的共线性，这与前述偏回归系数假设测验结果相吻合。

根据气温、土壤水分和盐分的回归系数及截距，可以得出回归方程为：

Y（土壤盐分）=0.0027-0.0002X₁（气温）+0.0154X₂（含水量），（p=0.0047）。

由于受自变量之间存在共线性的影响，一个模型虽然复相关系数值较高，拟合程度较好，但该模型预测精度并不一定高，其原因回归方程包含了非主要变量，区间误差积累将影响预测误差。因此，一个回归模型是不是最好的模型，必须进行验证。为了验证方程的实用性和预测精度，可把实际测得的数据带到方程去验证。如气温20℃，土壤水分12%，可以预测其土壤15～20cm土层盐分含量为0.61g/kg，预测结果符合当地大田盐分含量范围，说明该回归模型是最好模型。

表1　方差分析检验

从偏回归系数的实际意义看，变量X1的偏回归系数为负值，表示该土层既是积盐层又是脱盐层。当气温升高时，该土层盐分含量降低，说明该土层是脱盐层，脱去的盐分用于其上土层积盐；当气温较低时，该土层是积盐层，把其下层土壤的盐分积于该层。

3　结论

在综合环境因素的影响下，不同土层的全盐含量随着潜在累积蒸发量的增加而增大，表现为正相关。其积盐能力表现为：2～5cm土层＞0～2cm土层＞5～10cm土层＞15～20cm土层＞10～15cm土层＞20～25cm土层。土壤温度升高，不同土层土壤都有积盐的趋势，在0～5cm和20～25cm土层，随着土壤温度升高积盐速率较慢；而5～10cm、10～15cm和15～20cm土层，随着土壤温度升高积盐速率较快。在0～2cm、2～5cm、5～10cm土层，随着土壤水分含量的增加有积盐的趋势，在15～20cm、20～25cm土层，随着土壤水分含量的增加有脱盐的趋势，而10～15cm土层，是盐分的传导区。

土壤积盐受多种因素综合作用的影响。在果树生育期4～8月，气温和土壤15～20cm土层水分、盐分含量具有较好的耦合效应。根据拟合的模型与研究区当年气温和土壤水分的变化，积盐期应该发生在5月和6月。

因此，从环境因子对积盐的影响来看，可以说表层0～15cm土层和底层20cm以下土层是反应迟钝层，它们对温度、水分的变化不够灵敏；而15～20cm土层是反应灵敏层，气温或土壤水分的变化会引起盐分在这个面上强烈而又频繁的上下活动。为此，我们把15～20cm土层称作为“活动面”。只有掌握弄清这个活动面，才能为土壤次生盐渍化的防治提供科学依据。