錢 爭，馮紹元，莊旭東，2，袁成福，3

（1.揚州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇揚州 225009；2.宿遷市新沂河調(diào)度工程管理處，江蘇宿遷 223800；3.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)國土資源與環(huán)境學(xué)院，江西南昌 330045）

0 引 言

河套灌區(qū)是我國重要的商品糧、油生產(chǎn)基地，也是北方干旱地區(qū)的重要生態(tài)屏障［1］。目前河套灌區(qū)正面臨著土壤鹽堿化和水資源短缺等制約灌區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵問題。河套灌區(qū)鹽堿地分布廣泛，鹽分組成復(fù)雜，可通過滲透脅迫、離子毒害和礦質(zhì)營養(yǎng)缺乏等方式造成鹽分脅迫［2］，影響作物生長發(fā)育。灌區(qū)常采用水利、農(nóng)業(yè)、生物和化學(xué)等措施改良鹽堿化土地［3］。其中，水利措施中的暗管排水技術(shù)是根據(jù)“鹽隨水來，鹽隨水去”的水鹽運移特點，布設(shè)適宜埋深和間距的排水暗管，通過控制地下水位和抑制潛水蒸發(fā)，改善土壤水鹽環(huán)境。

近年來，國內(nèi)外有關(guān)土壤鹽分分布和組成等方面的研究逐漸增多［4-6］。劉延峰［7］等通過對不同深度土壤鹽離子進行相關(guān)性分析和主成分分析，評價了焉耆盆地耕地和荒地土壤鹽漬化狀況。徐友信等［8］在河北近濱海高水位鹽堿區(qū)治理的研究得出暗管排水可加強鹽分離子的淋洗，減緩?fù)寥缐A化趨勢。鄭復(fù)樂等［9］研究的表明鹽堿地微咸水滴灌較常規(guī)黃河水灌溉會促使土壤鹽分鈉質(zhì)化發(fā)展，生物炭和脫硫石膏可以抑制鈉質(zhì)化問題。竇旭等［10］在烏拉特灌域針對春秋季土壤鹽分和離子分布的研究得出Na+、Cl-、鹽分含量、Ca2+和Mg2+代表了土壤鹽堿化狀況。侯晨麗等［11］通過紫花苜蓿和玉米根系對水鹽分布的研究得出鹽分離子分布及濃度隨作物種類而改變。綜上可知，已有部分研究從灌溉方式、改良材料、季節(jié)變化和作物品種等不同角度分析土壤鹽堿化與鹽離子組成，但針對河套灌區(qū)田間尺度不同土層深度作物生育期內(nèi)土壤鹽堿化及其鹽離子特征的研究相對薄弱，有待進一步的研究。

本文基于2020年田間試驗觀測資料，通過對葵花生育期內(nèi)土壤樣品進行全鹽量與鹽離子分析，以期得到鹽離子與全鹽量之間的相關(guān)關(guān)系以及主導(dǎo)鹽堿化的特征因子。旨在為當?shù)匕倒芘潘畢^(qū)域合理布設(shè)和改良土壤鹽堿化提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

本研究于2020年在內(nèi)蒙古巴彥淖爾市中國農(nóng)業(yè)大學(xué)永濟試驗基地（107°16′E，40°44′N）進行。該試驗基地所在的河套灌區(qū)緊鄰黃河，平均海拔為1 043.4 m，為中溫帶半干旱大陸性氣候。該地區(qū)擁有豐富的光熱資源，年日照時間約3 200 h，年蒸發(fā)量2 032～3 179 mm，而降雨匱乏，年降雨量90～300 mm，故常年采用黃河水灌溉。2020年葵花生育期內(nèi)總降雨量121.2 mm，地下水位埋深在0.7～2.0 m范圍內(nèi)變化。

1.2 試驗設(shè)計

2020年試驗區(qū)種植作物為食用向日葵RH1號，采用寬窄行種植，種植密度為22 725株/hm2，種植日期為6月2日，收獲日期為9月20日。暗管排水工程采用1.5 m埋深、45 m間距、13.3 cm直徑的PE 打孔波紋管進行布置。灌溉方式為畦灌，灌溉用水為引黃河水，灌水量用水表控制，灌水定額為1 200 m3/（hm2·次），來水時間由當?shù)毓芾砭纸y(tǒng)一調(diào)配，2020年灌水日期為7月10日，其離子組成見表1。其余田間管理措施與當?shù)匾恢?，具體參考《內(nèi)蒙古河套灌區(qū)鹽堿地食用葵花抗鹽高產(chǎn)栽培技術(shù)規(guī)范》［12］。

表1 灌溉及降雨的離子組成 mg/LTab.1 Salt ion composition of irrigation and rainfall

1.3 測定項目與方法

土壤數(shù)據(jù)主要通過采集并分析各試驗小區(qū)土壤樣品，分析項目主要包括土壤全鹽量、顆粒級配等。其中，采用馬爾文帕納科激光粒度儀（Mastersizer 3 000）測定顆粒級配；采用環(huán)刀法測定干體積質(zhì)量；采用電導(dǎo)率儀（DDSJ-308A）測定純水與土壤樣品配制的土水比1∶5 土壤浸提液的電導(dǎo)率值EC1∶5，并運用內(nèi)蒙古河套灌區(qū)經(jīng)驗公式（TS=2.882EC1∶5+0.183）換算成相應(yīng)的土壤全鹽量TS［13］。試驗區(qū)土壤機械組成及水力參數(shù)見表2。主要鹽離子測定方法見表3。

表2 試驗區(qū)土壤機械組成Tab.2 Mechanical composition of soil in experimental area

表3 主要鹽離子測定方法Tab.3 Method for determining salt-based ions

1.4 數(shù)據(jù)處理和分析方法

采用Excel 2016 進行數(shù)據(jù)處理、初步分析和繪圖，使用SPSS 23.0對數(shù)據(jù)進行顯著性分析、相關(guān)性分析和主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤鹽離子剖面分布特征

將研究區(qū)的0～1 m 剖面土壤劃分為表層（0～20 cm）、中層（20～40 cm）和深層（40～100 cm），葵花生育期內(nèi)各層土壤全鹽量TS、pH及鹽離子含量如圖1所示。

圖1 各土層土壤全鹽量、pH值及鹽離子含量Fig.1 Total salt content，pH value and salt ion content of each soil layer

生育期內(nèi)各層土壤pH 值均呈堿性，其變化趨勢一致，均有所增大，平均值從生育初期的7.79 增大到生育末期的8.22，均為堿性土。土壤全鹽量TS呈“Γ”型分布，在生育期內(nèi)土壤鹽分積聚性加強，且各土層TS均呈現(xiàn)波動增大。

在生育初期，各層土壤陰離子以HCO3-為主。就整個0～1 m剖面而言，HCO3-、Cl-和SO42-含量占陰離子百分比分別為45.02%、28.34%和26.63%；在葵花生長進程中，各層土壤同一陰離子變化趨勢相同，HCO3-含量減少且占比降低，SO42-含量增加且占比升高，而Cl-含量增加但占比基本不變；在生育末期，各層土壤陰離子以SO42-為主，0～1 m剖面SO42-、Cl-和HCO3-占比分別為55.62%、27.59%和16.79%，表明研究區(qū)土壤鹽分組成類型經(jīng)歷了從生育初期的蘇打型到生育末期的硫酸鹽的轉(zhuǎn)變。

各層土壤陽離子始終以K++Na+為主，生育初期0～1 m 剖面土壤K++Na+、Ca2+和Mg2+的陽離子占比分別為65.26%、23.52%和11.22%，生育末期分別為74.76%、12.52%和12.72%；葵花生長進程中，各層K++Na+和Mg2+總體表現(xiàn)為含量增加且占比升高，Ca2+含量基本不變而占比降低?？紤]到K+含量遠低于Na+含量，因此在葵花生育期內(nèi)研究區(qū)的土壤鹽分以鈉鹽為主。

2.2 土壤鹽離子相關(guān)性分析

通過對土壤鹽離子進行相關(guān)性分析，可以揭示鹽分在土體中的分布和存在狀態(tài)，在一定程度上反映鹽離子的同源性、差異性和組合情況。研究區(qū)的各土層TS 和不同離子的相關(guān)性分析結(jié)果如表4所示。

表4 各土層土壤鹽離子相關(guān)系數(shù)表Tab.4 Correlation coefficients of soil ions in different soil layers

在各土層中，土壤全鹽量均與陰離子中的SO42-均呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），相關(guān)系數(shù)最大且相關(guān)系數(shù)隨深度增加而減少，說明硫酸鹽在表層上積聚強烈，鹽分以向上運動為主［14］；各土層土壤全鹽量與Cl-均呈極顯著正相關(guān)，說明Cl-離子是促進1 m 土體中土壤鹽分變化的重要原因之一；各層土壤全鹽量與Cl-的相關(guān)系數(shù)均小于SO42-，說明土壤鹽分中硫酸鹽較氯化物有更高的含量，這與研究區(qū)蒸發(fā)強烈、有效灌溉與降雨的頻率集中以及地質(zhì)構(gòu)造等因素有關(guān)，多次的積鹽和脫鹽過程使得更易溶于水的氯化物并未在土壤表層有效積聚；全鹽量與HCO3-的相關(guān)性較差，且在20～40 cm 土層深度中呈顯著負相關(guān)（P＜0.05），說明HCO3-離子并不是促進土壤鹽分變化的主導(dǎo)因素。在各土層中，土壤全鹽量均與K++Na+離子的相關(guān)性最高，均呈極顯著正相關(guān)，說明K++Na+離子是促進各層土壤鹽分變化的主導(dǎo)因素之一；全鹽量與Mg2+的相關(guān)性較好，且在0～40 cm 土壤深度中呈極顯著正相關(guān)；全鹽量與Ca2+的相關(guān)性較弱，僅在20～40 cm土層深度呈顯著相關(guān)。

陰離子中，各土層土壤中的HCO3-與其他離子的相關(guān)性較差，其原因是HCO3-在水中有較高的占比，在降雨和灌溉后，其他離子受淋洗作用含量降低，而土壤碳酸鈣溶解和生物厭氧呼吸導(dǎo)致HCO3-含量上升，這也導(dǎo)致HCO3-和Ca2+相關(guān)性大于其他離子；在0～20 cm 土層，Cl-與SO42-、K++Na+和Mg2+均具有較好的相關(guān)性，而隨著土壤深度增加，Cl-僅與K++Na+呈顯著相關(guān)。陽離子中，僅K++Na+和Mg2+在0～20 cm 土層深度呈極顯著相關(guān)，而在其余土層深度陽離子之間的相關(guān)性較弱。

2.3 土壤鹽離子主成分分析

主成分分析法是將眾多的指標化為少數(shù)幾個相互獨立的綜合指標（主成分）的一種多元統(tǒng)計方法［15］。本文采用累計方差貢獻率≥85%的標準確定各土層的主成分數(shù)目，找出具有代表性的主導(dǎo)因子，使得選取的主成分能夠較為全面地表達原有數(shù)據(jù)信息，以正確評價研究區(qū)土壤鹽堿化狀況，結(jié)果如表5所示。

表5 各土層土壤鹽離子主成分分析表Tab.5 Principal component analysis of soil ions in different soil layers

在表層土壤中，Cl-、SO42-、K++Na+、Mg2+在第一主成分上的荷載較大，在0.878 以上，特征值為4.956，方差貢獻率為70.806%，第一主成分主要包含土壤鹽漬化（中性鹽）的信息，可作為土壤鹽漬化的特征因子。在第一主成分中，與其相關(guān)程度最高的陰離子為SO42-、陽離子為K++Na+，說明該土層鹽分特征在一定程度上受Na2SO4的影響最大［16］。而第二主成分的特征值為1.215，方差貢獻率為17.354%，主成分為與第一主成分離子相關(guān)性較差的HCO3-，HCO3-主要表征土壤堿性離子，說明第二主成分可作為土壤堿性的特征因子。同理可知，中層和深層土壤的第一主成分可作為土壤鹽漬化的特征因子，第二主成分可作為土壤堿性的特征因子，在一定程度上受Na2SO4的影響最大。

綜合各土層各項指標對各主成分的系數(shù)大小，各主成分方差貢獻率，以及研究區(qū)的實際情況，可以認為全鹽量、SO42-、Cl-、HCO3-、K++Na+作為研究區(qū)鹽堿化狀況的特征因子。

R-分析可用于性狀或指標的分類［17］。利用R-分析，對土壤鹽堿化狀況指標在第一、第二主成分構(gòu)成的空間作散點圖，直觀反映各項指標間的相互關(guān)系，指標之間越靠近表示關(guān)系越密切，結(jié)果如圖2所示。

從圖2 中可根據(jù)各項指標的離散情況進行歸類?？傮w來看，HCO3-可以單獨歸類，代表土壤堿化特征；全鹽量TS、SO42-、Cl-、K++Na+可以歸為一類，代表土壤鹽分組成及土壤鹽化趨勢。

圖2 各土層R-分析圖Fig.2 R-analysis diagram of each soil layer

各土層主成分荷載向量除以相應(yīng)主成分特征值的算術(shù)平方根得到不同土層土壤鹽離子系數(shù)矩陣，結(jié)果如表6 所示。第一主成分得分F1、第二主成分得分F2和第三主成分得分F3可用于表征研究區(qū)2020年葵花生育期內(nèi)各土層土壤可溶性鹽離子特征，按公式（1）計算各主成分得分，并按公式（2）計算綜合得分Y。

表6 各土層土壤鹽離子系數(shù)矩陣Tab.6 Matrix of ion coefficient of soil salt base in each soil layer

式中：F為各主成分得分；i為主成分的指標個數(shù)；xi為第i個主成分指標系數(shù)；Xi為第i個主成分指標的含量；Y為綜合得分；j為主成分個數(shù)；Fj為第j個主成分的得分；fj為第j個主成分的方差貢獻率在總累計方差貢獻率中的占比。

以0～20 cm 表層土壤為例，各主成分條件下的得分與綜合得分表達式如下所示：

計算得到2020年研究區(qū)葵花生育期內(nèi)不同取樣時間下的土壤得分，結(jié)果如圖3所示。

圖3 生育期內(nèi)各土層土壤主成分得分圖Fig.3 Soil PCA score of each soil layer during growth period

在表層中，由第一主成分得分F1可知，生育期內(nèi)土壤受鹽化影響程度總體增加；由第二主成分得分F2可知，土壤受堿化影響程度總體降低，土壤受堿性影響最小的時間為生育末期；由綜合得分Y可知，土壤受鹽化和堿化的綜合影響總體呈波動上升。同理可知，生育期內(nèi)中層土壤受鹽堿化綜合影響程度總體呈波動上升。深層土壤受鹽化影響程度總體呈波動上升，受堿化影響程度總體下降，受鹽堿化綜合影響程度呈先增加后平穩(wěn)的狀態(tài)。上述結(jié)果表明，通過各主成分得分和綜合得分可以反映不同取樣時間的各土層土壤受鹽化和堿化的影響程度，為治理該地區(qū)土壤鹽堿化提供理論依據(jù)。

3 結(jié) 論

（1）研究區(qū)葵花生育期內(nèi)，0～1 m 剖面的土壤鹽分組成類型以鈉鹽為主，經(jīng)歷了從生育初期的蘇打型到生育末期的硫酸鹽的轉(zhuǎn)變；生育期始末各層土壤中，陰離子從HCO3-為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐許O42-為主，陽離子始終以K++Na+為主。

（2）隨土壤剖面深度增加，土壤全鹽量與可溶性鹽離子的相關(guān)性發(fā)生改變，相關(guān)性最強的陰離子為SO42-，陽離子為K++Na+。

（3）在各層土壤中，HCO3-可代表土壤堿化特征，SO42-、Cl-、K++Na+可代表土壤鹽分組成及土壤鹽化趨勢。