新疆典型绿洲灌区土壤理化性状与盐分离子分布特征

新疆地处中国西北边陲,位于亚欧大陆腹地,自然资源丰富,具有适宜发展农业的水土光热条件,是我国重要的优质商品棉、特色林果和畜产品生产基地[1]。然而,由于新疆干旱少雨、蒸发强烈、地形封闭及成土母质含盐,土壤均受到不同程度盐分的影响。新疆现有耕地约7×106 hm2,其中盐渍化耕地约占37%,是我国最干旱、土壤盐渍化与次生盐渍化分布最广泛的地区[2]。土壤盐渍化和耕地质量下降严重制约新疆绿洲灌溉农业可持续发展[3]。

土壤理化性状和可溶性盐基离子含量是评价土壤肥力和盐渍化程度的重要指标[4]。国内外学者在高光谱土壤盐渍化信息提取[5]、流域尺度盐渍化分布状况[6]、土壤盐渍化特征因子分析方法[7]、盐分离子土壤地貌空间变异性[8]、土壤养分与酶活性地形差异性[9],以及土壤含水率与可溶性盐分离子相关性[10]等方面开展了大量研究,并取得了显著成果。由于成土因素和溶解度等性质的差异,不同盐分离子在土体中的迁移速率也存在差异。绿洲灌区土地利用方式也会直接或间接地影响土壤盐分离子的运移,对土壤理化性状和盐分累积以及某些离子的富集存在一定程度的影响[11]。新疆绿洲灌区土壤具有含盐量高、成分复杂的母质环境。随着节水灌溉技术的大面积推广应用、灌溉量减少和灌排制度不健全,加上渠系水蒸发、渗漏及不合理灌溉等人为因素的综合影响[12],导致绿洲灌区农田耕层盐碱呈聚集趋势、土壤次生盐渍化等问题日益加剧,土壤肥力和耕地质量严重下降[13]。土壤盐渍化已成为制约新疆绿洲农业土地资源利用的主要障碍因素。

因此,研究土壤理化性状与盐分离子分布特征是新疆盐碱地改良与综合利用、绿洲灌区农业高质量发展和绿色生态安全保障的前提和基础。本研究以新疆典型绿洲灌区——北疆玛纳斯河灌区、南疆阿克苏河灌区和喀什噶尔河灌区(阿克苏-喀什噶尔河灌区)为研究对象,定量分析土壤(0～500 cm)养分含量、含盐量和离子组成分布特征,明确典型绿洲灌区土壤盐渍化程度与类型,以期为该区域土地资源优化管理、作物精准施肥、盐碱地综合利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

玛纳斯河灌区(43°27′～45°21′N,85°01′～86°32′E)位于新疆天山北麓准噶尔盆地南缘、玛纳斯河流域中下游的冲洪积扇倾斜平原和冲洪积扇平原,地处新疆天山北坡文化和经济核心地带。东起玛纳斯河,西至巴音沟河,东西长140 km,南北宽102 km,土地总面积为5.0×105 km2。灌区夏季炎热干燥,冬季严寒干燥,属于典型的大陆性气候。气候干旱,多年平均温度为6.5℃,降雨稀少(年降水量110～200 mm),蒸发强烈(年蒸发量1 500～2 000 mm),光照时数长(2 550～3 100 h),无霜期短(148～187 d)。玛纳斯河灌区涉及昌吉回族自治州、第六师、第八师地区,包含石河子、莫索湾、下野地3个分灌区,具有引水、蓄水、灌水、排水和水力发电等多种功能,灌区农业生产以粮食和棉花为主,其次是油料、甜菜和瓜果等,是北疆典型的荒漠绿洲灌溉农业区,是新疆粮棉糖重要生产基地之一。

阿克苏河灌区(40°70′～41°35′N,78°46′～82°44′E)位于新疆天山南麓中段西部、塔里木盆地西北边缘,主要由冲积扇和冲积平原组成,由西北向东南方向倾斜,土地总面积为2.2×106 km2。灌区春秋升降温迅速、温差大,冬冷夏热,气候干燥,属于典型的暖温带大陆性干旱气候。气候干旱,多年平均温度为10.6℃,降雨稀少(年降水量60～90 mm),蒸发强烈(年蒸发量1 800～2 000 mm),光照时数长(2 700～2 800 h),无霜期短(188～227 d)。阿克苏河灌区涉及阿克苏地区、第一师,主要由多浪渠灌区和老大河灌区组成,灌区农业生产以棉花为主,其次是甜菜、苜蓿、特色瓜果等,是南疆典型的荒漠绿洲灌溉农业区。

喀什噶尔河灌区(38°28′～39°55′N,75°19′～78°03′E)位于新疆西南部、塔里木盆地西部边缘、山前冲洪积扇倾斜平原,地势为西部高、东部低,南北高、中部低,土地总面积为1.5×106 km2。灌区日温差大,夏季炎热、酷暑期短,冬季低温期长,四季分明,属于典型的暖温带大陆性干旱气候。气候干旱,多年平均温度为12.2℃,降雨稀少(年降水量50～80 mm),蒸发强烈(年蒸发量2 200～2 500 mm),光照时数长(2 700～3 000 h),无霜期短(212～247 d)。喀什噶尔河灌区涉及喀什地区、第三师,主要由喀什噶尔河灌区1个大型灌区和疏附县卡尔马克灌区、索塞灌区、亚勿灌区、疏勒县跃进灌区、岳普湖县阿其克灌区、英吉沙县胜利灌区、伽师县青年渠灌区7个中型灌区组成,灌区农业生产以粮食作物为主,其次是棉花、林果业、其他经济作物等,是南疆典型的荒漠绿洲灌溉农业区。

1.2 采样点选择与样品采集

综合考虑灌区地形地貌、土地利用方式、作物种植类型等因素,沿玛纳斯河灌区(14个)、阿克苏河灌区(10个)和喀什噶尔河灌区(13个)河道流域两岸方向选取具有典型代表性取样点37个。2022年5—7月,利用土壤钻机(Geoprobe,AMS公司,美国)按不同土层深度(0～30 cm、30～60 cm、60～100 cm、100～200 cm、200～300 cm、300～400 cm、400～500 cm)进行取样,其中有8个取样点由于地下水位和土质原因取样深度为200 cm,共获取土壤样本235个,样品用密封袋保存带回实验室。

1.3 测定指标与方法

土壤样本经过自然风干、研磨、过筛(1 mm)后进行封装备用。采用《土壤农化分析》[14]中的测定方法测定土壤有机质含量、碱解氮含量、有效磷含量、速效钾含量、全氮含量、pH值、水溶性总盐含量、Na+含量、K+含量、Ca2+含量、Mg2+含量

含量

含量、电导率(EC)。

1.4 数据处理

将玛纳斯河灌区样本数据作为北疆典型绿洲灌区样本数据,阿克苏河灌区和喀什噶尔河灌区样本数据合并作为南疆典型绿洲灌区样本数据进行统计分析。由于样本数据中

含量太低,在本研究中该指标数据未进行统计分析。去除受试验方法和仪器检出限影响的指标检测结果小于零值的样本数据,采用Microsoft Excel 2021计算土壤样品理化指标数据,采用Origin 2021进行绘图和指标相关性统计。

2 结果与分析

2.1 新疆典型绿洲灌区土壤理化性状分布特征

由图1可知,玛纳斯河灌区和阿克苏-喀什噶尔河灌区土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾、全氮含量(质量比)均呈现随土层深度增加而逐渐降低的趋势。玛纳斯河灌区0～100 cm土层土壤有机质、碱解氮、速效钾、全氮含量和pH值平均值均高于阿克苏-喀什噶尔河灌区,100～500 cm土层土壤有机质、碱解氮、速效钾、全氮含量平均值均低于阿克苏-喀什噶尔河灌区。玛纳斯河灌区表层土壤 (0～30 cm)和0～100 cm土层土壤有机质含量平均值分别比阿克苏-喀什噶尔河灌区高8.58%和11.88%,碱解氮含量平均值分别比阿克苏-喀什噶尔河灌区高24.97%和32.03%,有效磷含量平均值分别比阿克苏-喀什噶尔河灌区低11.18%和0.04%,速效钾含量平均值分别比阿克苏-喀什噶尔河灌区高114.74%和82.53%,全氮含量平均值分别比阿克苏-喀什噶尔河灌区高19.04%和23.35%,pH值平均值分别比阿克苏-喀什噶尔河灌区高2.82%和3.87%。玛纳斯河灌区表层土壤(0～30 cm)养分(有机质、碱解氮、速效钾、全氮)含量比阿克苏-喀什噶尔河灌区高,因此玛纳斯河灌区土壤更有利于作物生长和减少化肥施用,阿克苏-喀什噶尔河灌区可以通过增加土壤有机质改良土壤结构,提升土壤肥力。

2.2 新疆典型绿洲灌区土壤含盐量及盐基离子组成分布特征

由图2可知,玛纳斯河灌区和阿克苏-喀什噶尔河灌区0～30 cm、30～60 cm、60～100 cm、100～200 cm、200～300 cm、300～400 cm、400～500 cm土层含盐量平均值分别为6.92、6.48、6.02、4.38、3.86、3.10、3.01 g/kg和8.39、6.47、4.96、4.50、5.07、3.63、5.30 g/kg,玛纳斯河灌区和阿克苏-喀什噶尔河灌区土壤全盐量与电导率均呈现随土层深度增加而逐渐降低的趋势,2个灌区盐分分布均有较强的表聚现象。阿克苏-喀什噶尔河灌区表层土壤(0～30 cm)全盐量和电导率平均值比玛纳斯河灌区分别高21.14%和8.53%,60～100 cm土层比玛纳斯河灌区分别低17.55%和16.50%。

由图3(图中MR表示玛纳斯河灌区,AKR表示阿克苏-喀什噶尔河灌区,下同)可知,0～30 cm和30～60 cm土层土壤离子含量明显大于其他土层,各层土壤离子含量总体上呈现自上而下减小的趋势。0～400 cm土层中,玛纳斯河灌区各土层Na+含量高于阿克苏-喀什噶尔河灌区。除0～30 cm和30～60 cm土层,阿克苏-喀什噶尔河灌区土壤K+含量均高于玛纳斯河灌区。玛纳斯河灌区各土层Ca2+和

含量均高于阿克苏-喀什噶尔河灌区,阿克苏-喀什噶尔河灌区各土层Mg2+含量均高于玛纳斯河灌区。阿克苏-喀什噶尔河灌区0～30 cm和 30～60 cm土层Cl-含量均高于玛纳斯河灌区。除60～100 cm土层,阿克苏-喀什噶尔河灌区土壤

含量均高于玛纳斯河灌区。总体而言,玛纳斯河灌区和阿克苏-喀什噶尔河灌区阳离子均以Na+和Ca2+为主,阴离子均以

为主,Na+是玛纳斯河灌区含量最高的盐基离子,

是阿克苏-喀什噶尔河灌区含量最高的盐基离子。

2.3 新疆典型绿洲灌区土壤盐渍化程度与类型

为进一步分析玛纳斯河灌区和阿克苏-喀什噶尔河灌区土壤含盐量的空间分布特征,按照第二次农业土壤普查盐渍化分级标准[15]:非盐渍土(含盐量小于0.20%)、轻度盐渍土(含盐量为[0.20%,0.40%))、中度盐渍土(含盐量为[0.40%,0.60%))、重度盐渍土(含盐量为[0.60%,2.00%))、盐土(含盐量大于等于2.00%),以玛纳斯河灌区和阿克苏-喀什噶尔河灌区各采样点土壤平均含盐量作为土壤盐渍化划分指标,计算分析各层土壤剖面盐渍化程度占比,结果如表1所示。玛纳斯河灌区53.85%的0～30 cm土层属于盐渍土,50.00%的30～60 cm土层属于中度和重度盐渍土,25.00%的60～100 cm土层属于重度盐渍土,100～200 cm、200～300 cm、300～400 cm、400～500 cm土层属于盐渍土的比例分别为38.46%、33.33%、41.67%、33.33%。阿克苏-喀什噶尔河灌区78.26%的0～30 cm土层属于盐渍土,其中重度盐渍土占比最高,60.86%的30～60 cm土层属于轻度和重度盐渍土,39.13%的60～100 cm土层属于非盐渍土,100～200 cm、200～300 cm、300～400 cm、400～500 cm土层属于盐渍土的比例分别为52.38%、58.82%、50.00%、50.00%。

根据《新疆农业技术手册》中

当量比值进行土壤盐渍化类型分类[16]:硫酸盐型(当量比值小于0.2)、氯化物-硫酸盐型(当量比值为[0.2,1.0))、硫酸盐-氯化物型(当量比值为[1.0,2.0))、氯化物型(当量比值大于等于2.0)。由图4可知,除60～100 cm和200～300 cm土层,玛纳斯河灌区硫酸盐型盐渍土占主导地位,其次是氯化物-硫酸盐型盐渍土,30～60 cm、60～100 cm、100～200 cm、300～400 cm土层主要是由硫酸盐型和氯化物-硫酸盐型盐渍土组成。除30～60 cm和60～100 cm土层,阿克苏-喀什噶尔河灌区氯化物-硫酸盐型盐渍土占主导地位,其次是硫酸盐型盐渍土。

2.4 新疆典型绿洲灌区土壤理化性状与盐基离子相关性

从图5(图中*表示p<0.05,**表示p<0.01)可知,玛纳斯河灌区和阿克苏-喀什噶尔河灌区土壤理化性状与盐基离子含量相关性具有一定的相似性,有机质含量与碱解氮、有效磷、速效钾、全氮含量极显著正相关(p<0.01),与pH值极显著负相关(p<0.01),全盐量、电导率、Na+含量、K+含量、Ca2+含量、Mg2+含量

含量、Cl-含量之间均极显著正相关(p<0.01),K+含量与碱解氮、有效磷、速效钾含量均极显著正相关(p<0.01),pH值与有机质、碱解氮含量极显著负相关

含量与Ca2+含量极显著负相关(p<0.01)。玛纳斯河灌区碱解氮含量与

含量显著负相关(p<0.05),有机质含量与K+含量显著正相关(p<0.05)。阿克苏-喀什噶尔河灌区有机质含量与盐基离子

除外)含量均无明显相关性,

与

含量极显著负相关(p<0.01)。

3 讨论

了解土壤理化性质和养分分布是耕地地力评价、测土配方指导合理施肥和提高养分利用率的重要依据[17]。受地形地貌、气候降雨等自然因素和灌排施肥、田间耕作管理等人为因素的影响,北疆玛纳斯河灌区和南疆阿克苏-喀什噶尔河灌区土壤理化性状、养分肥力分布存在较大差异。有研究表明玛纳斯河流域灌区土壤有机质含量随纬度的降低而降低,土壤养分含量随深度增加呈逐渐降低的趋势[18-19]。玛纳斯河灌区表层(0～30 cm)和0～100 cm土层土壤有机质、碱解氮、速效钾、全氮含量平均值比阿克苏-喀什噶尔河灌区高,这与上述研究结果一致。玛纳斯河灌区土壤养分含量比阿克苏-喀什噶尔河灌区高可能与气候、土地利用方式、土壤类型等多个因素有关。一方面是北疆和南疆气候条件和土壤类型存在差异,北疆降雨量比南疆高,蒸发量小,气候相对较为湿润,土壤对养分保持和供应能力相对较强[20];另一方面是玛纳斯河灌区土地利用方式、农田管理和施肥量更加科学,而阿克苏-喀什噶尔河灌区气候干燥,风沙大,灌溉施肥等农业管理相对较为粗放,表层土壤养分保持能力差[21]。因此,耕地地力提升需综合考虑土壤理化性质和养分肥力分布特征,科学的农田管理措施和施肥措施可以促进土壤养分的积累和保持。与北疆玛纳斯河灌区相比,南疆阿克苏-喀什噶尔河灌区表层土壤 (0～30 cm)有机质含量较低,土壤磷含量较高,可以通过施用有机肥(包括农家肥、生物有机肥、菌肥)、秸秆还田、种植绿肥翻压还田等方式增加土壤有机质,改良土壤结构,提升土壤肥力;推广配方施肥和增施农肥,适当减少部分化肥施用量,在作物生育期通过有机无机配施结合膜下滴灌水肥一体化进行精准施肥。

高山积雪和冰川融化汇集的水流将大量的可溶性盐冲刷至平原区,而强烈的蒸发加剧了地下水中的可溶性盐分向地表聚集,加剧了地表含盐量[5,22]。同时,自然和人为因素的干扰,改变了土壤剖面盐分分布,导致土壤盐基离子空间分布的复杂性[23]。景宇鹏等[24]发现河套平原的前套地区主要是苏打盐土,土壤阳离子以Ca2+为主,其次是Na+、K+,阴离子以

为主,其次是Cl-。与之不同的是,本研究发现玛纳斯河灌区阳离子以Na+为主,阿克苏-喀什噶尔河灌区阴离子以

为主,主要是由于不同地区土壤盐渍化特征不同导致的。膜下滴灌的长期应用,有限的灌水量未能将盐分淋洗到土壤深层;同时,不合理的灌溉方式,如漫灌和过度灌溉,也会使地下水位上升,土壤中的盐分也随之上升并积累在表层土壤[25]。采取科学合理的农业生产和灌溉措施,可以减少土壤盐分积累,有利于土壤管理和保护,促进农业可持续发展。

玛纳斯河灌区和阿克苏-喀什噶尔河灌区表层土壤(0～30 cm)属于盐渍土的比例分别为53.85%和78.26%。北疆玛纳斯河灌区土壤剖面盐分分布上下较为均匀,大部分盐碱地只有很薄的盐结皮,没有明显的盐结壳,出现坚硬的盐结壳现象数量不多。然而,南疆阿克苏-喀什噶尔河灌区盐分表聚性则显著增强,盐分集中分布在表层土壤(0～30 cm),结壳盐碱土分布广泛,且坚硬的盐壳犁底层也很常见。南疆阿克苏-喀什噶尔河灌区可以通过加大高标准农田建设改造投入,实施农艺、工程、化学措施综合改良盐碱地,增强农田保土、保水、保肥能力。玛纳斯河灌区和阿克苏-喀什噶尔河灌区阴离子均以

为主,降水量和蒸发量可能是影响南北疆表层土壤盐渍化程度的原因之一。有研究发现随着海拔降低,塔里木河下游典型绿洲灌区盐渍土类型自中游氯化物-硫酸盐型过渡到下游氯化物型[26]。本研究发现玛纳斯河灌区各层土壤(除60～100 cm和200～300 cm)硫酸盐型盐渍土均占主导地位,其次是氯化物-硫酸盐型盐渍土。阿克苏-喀什噶尔河灌区各层土壤(除30～60 cm和60～100 cm)氯化物-硫酸盐型盐渍土占主导地位,其次是硫酸盐型盐渍土。其原因可能与离子溶解度有关,硫酸盐溶解度比氯化物溶解度低,在土体中迁移缓慢,而氯化物移动性强,更容易在土体中迁移[27]。北疆与南疆典型绿洲灌区盐渍化土壤理化性状与盐分离子分布特征均有差异性,因此在高标准农田改造与盐碱地综合利用过程中应根据灌区土壤养分、含盐量以及土壤盐渍化程度与类型,因地制宜合理进行灌排规划,根据作物需水需肥规律测土配方科学施肥,进一步提高盐渍化土壤利用率。

4 结论

(1)北疆玛纳斯河灌区和南疆阿克苏-喀什噶尔河灌区土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾、全氮含量均呈现随土层深度增加而逐渐降低的趋势。玛纳斯河灌区表层土壤(0～30 cm)和0～100 cm土层土壤有机质、碱解氮、速效钾、全氮含量和pH值平均值高于阿克苏-喀什噶尔河灌区,100～500 cm土层土壤有机质、碱解氮、速效钾、全氮含量平均值低于阿克苏-喀什噶尔河灌区。

(2)阿克苏-喀什噶尔河灌区表层土壤(0～30 cm)全盐量和电导率平均值比玛纳斯河灌区分别高21.14%和8.53%,60～100 cm土层比玛纳斯河灌区分别低17.55%和16.50%。玛纳斯河灌区和阿克苏-喀什噶尔河灌区阳离子均以Na+和Ca2+为主,阴离子均以

为主,Na+和

分别为玛纳斯河灌区和阿克苏-喀什噶尔河灌区含量最高的盐基离子。

(3)玛纳斯河灌区53.85%的表层土壤(0～30 cm)属于盐渍土,硫酸盐型盐渍土占主导地位,其次是氯化物-硫酸盐型盐渍土。阿克苏-喀什噶尔河灌区78.26%的表层土壤(0～30 cm)属于盐渍土,氯化物-硫酸盐型盐渍土占主导地位,其次是硫酸盐型盐渍土。

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