宁夏南梁农场土壤水盐特征研究

吴军涛，景何仿，王维红，郭笑笑，郭新霞

（1.北方民族大学 数学与信息科学学院，宁夏 银川 750021；2.北方民族大学 土木工程学院，宁夏 银川 750021；3.北方民族大学宁夏智能信息与大数据处理重点实验室，宁夏银川 750021）

据统计，中国受土壤盐渍化危害的面积共计0.9×108hm2，约为全球土地面积的7%，而且这一数字还在继续上升。进入21 世纪后，土壤盐碱化问题已经严重影响了农业生产和生态环境的可持续发展[1]。宁夏引黄灌区盐渍化耕地主要集中在银川以北的区域，主要包括银川市兴庆区、贺兰县、大武口区、平罗县、惠农区和农垦集团公司所属的南梁农场、前进农场、贺兰山农牧场、暖泉农场和简泉农场，该区域耕地总面积1.7×105hm2，盐渍化耕地面积占到50.7%，严重制约了当地农业生产可持续发展[2]。近年来，国内外学者对宁夏土壤水盐动态的研究集中在盐渍化土壤的分布格局及特征[3]，草甸湿地土壤盐分的分布和空间累积特征[4]，土地利用强度变化和土壤盐渍化程度的关联度[5]，以及盐分时空运移变化机制和形成机理[6—7]等方面。何文寿等[8]分析了不同类型盐渍化土壤水溶盐含量与其电导率的关系。樊丽琴等[9]对平罗县西大滩和石嘴山市惠农区礼和乡星火村盐碱地土壤盐分特征及相关性开展了研究。李重阳等[10]根据银北灌区的土壤盐渍化时空分布特征，提出了盐渍化分区治理重点及相应治理措施。然而，针对宁夏引黄灌区西干渠沿岸土壤盐分特征分布规律方面的研究比较少。西干渠沿岸位于宁夏引黄灌区西部，土壤盐渍化现象比较严重。本文以西干渠沿岸的南梁农场土壤盐渍化问题为研究对象，对土壤各土层盐分、pH 值及含水率的变化进行量化分析，并对土壤盐分特征和主要影响因子进行剖析，旨在掌握西干渠沿岸土壤水盐运移规律，为改良土壤盐渍化提供相应的理论依据[11]。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区域概况

宁夏引黄灌区位于黄河上游下河沿—石嘴山两水文站之间，涉及银川市、青铜峡市、永宁县、平罗县、石嘴山市等市（县）的引黄灌溉部分，共计11 个市（县）和20 多个国营农、牧、林场。宁夏引黄灌区以青铜峡水利枢纽为界，分成卫宁灌区与青铜峡灌区[12]。灌区内分布有众多的渠道系统，总长1 540 km。宁夏引黄灌区属大陆性气候，干旱少雨。灌区年均蒸发量1 100～1 650 mm，年均降水量180～210 mm，年内降水分配不均，农作物主要依靠灌渠从黄河引水灌溉。

西干渠于1959 年冬兴建，是青铜峡河西灌区自流部位海拔最高的一条新干渠。干渠沿贺兰山东麓洪积扇边缘北行，贯穿青铜峡市、银川市、贺兰县等市（县），止于平罗县崇岗镇暖泉村，尾水入第二农场渠。西干渠现全长113 km，最大引水量60 m3/s，实际灌溉面积4.67 多万hm2，同时肩负着银川市以及贺兰山沿线防洪重任。南梁农场地处宁夏首府银川市北郊20 km。土地资源丰富，总面积0.53 多万hm2，以灰钙土、半固定沙丘、白僵土和盐土为主。

1.2 取样点设置

项目组综合考虑土壤盐渍化情况、土地利用与人类活动的影响，利用GPS 定位技术，在南梁农场布设10 个样点，如图1 所示。于2019 年9 月，项目组利用土壤取样器、环刀等仪器进行取样，共取样20 份。

图1 取样点分布

1.3 研究方法

根据南京土壤研究所编著的《土壤理化分析》[13]中的方法对土样进行盐分及其组成的测定。采集的土样在室内自然风干，研磨，过1 mm 筛，按水土比5:1 配制土壤浸提液，测定各种盐离子含量，其中CO32-和HCO3-采用双指示剂中和滴定法测定，Cl-采用硝酸银滴定法测定，SO42-采用EDTA（乙二胺四乙酸）间接络合滴定法测定，Ca2+和Mg2+采用EDTA 滴定法测定，Na+和K+用火焰光度计法测定。pH 值采用pH 计测定[14]。本文所有数据运用Excel、SPSS 25 进行统计分析，用ArcGIS 10.2 和Matlab 软件绘制土壤水盐分布图。

2 结果与分析

2.1 土壤盐分分布特征

为了直观地反映研究区土壤盐分分布特征，本文对所有土样的影响因子（pH 值、8 大离子及全盐量）进行统计分析，计算均值、标准差、最大值、最小值、变异系数、偏度、峰值等参数，如表1 所示。可以发现，研究区域土壤pH 均值约为8.6，说明土壤呈碱性分布，且碱性较强。表1 中最后一行为K-S（Kolmogorov-Smirnov）检验，根据其值可以判定pH 值、八大离子含量及全盐量是否服从正态分布[15—16]。通过对土壤各盐分因子和pH 值进行K-S检验可知：土壤pH 值双侧渐进显著性检验值P＞0.05，在概率分布上均服从正态分布；其余各土壤盐分因子双侧渐进显著性检验值P＜0.05，均为非正态分布。

表1 研究区域土壤各离子含量、全盐量及pH 值的统计特征

变异系数反映了土壤盐分含量空间变异强度。研究区土壤CO32-、Cl-、Ca2+、Na+、K+含量的变异系数均大于1，属于强变异，说明各因子空间分布不均，变化率较大；pH 值，HCO3-、SO42-、Mg2+含量，全盐量及含水率变异系数均小于1，表明这些因子空间分布比较均匀，变化率较小，其中土壤pH 值变异系数值最低，说明南梁农场碱性土壤分布较均匀且相对稳定。

2.2 土壤盐分因子的相关性分析

本文通过Pearson 相关分析，给出了土壤全盐量、含水率、pH 值与盐分离子间的内在相关程度，如表2 所示。由表2 可知，全盐量与SO42-、Ca2+、Mg2+、Na+均呈极显著正相关，其中与SO42-的相关性最高，相关系数高达0.969，其次为Na+，相关系数为0.967，说明土壤全盐量受SO42-、Na+影响最大。另外，从表2 还可以看出，以上各盐分离子含量也呈正相关关系。其中Na+与SO42-相关性最强，相关系数为0.989（P＜0.01），其次为Mg2+，相关系数为0.915；SO42-和Ca2+、Mg+的相关性也较强，相关系数分别为0.842 和0.882。K+与CO32-呈极显著负相关，说明两种盐分离子基本不存在同一土壤样品中。土壤含水率与pH 值、K+呈显著负相关。可以推断出该区域可溶性盐主要为硫酸盐，存在形式为Na2SO4、CaSO4、MgSO4等。

表2 研究区域土壤盐渍化指标的Pearson 相关分析矩阵

2.3 土壤盐分因子的主成分分析

为了更准确地分析该区域离子分布状态，本文采用主成分分析法对土壤盐渍化的主导因子进行分析。通过对土壤全盐量、pH 值、CO32-、HCO3-、Cl-、SO42-、Ca2+、Mg2+、Na+、K+以及方差土壤含水率进行主成分分析，得到各主成分特征值及方差贡献率和主成分载荷矩阵，如表3～表4 所示。可以看出，前3 个成分的初始特征值大于1，由此判定主成分个数是3，其中各主成分的方差贡献率分别为59.157%，17.493%，12.860%，前3 个主成分的累积贡献率为89.510%，说明可以用前3 个主成分近似代表原来11 个成分所包含的信息。

表3 土壤盐渍化主成分的特征值及方差贡献率

表4 主成分载荷矩阵

在第一主成分中，具有较大的正向载荷值，数值分别为0.969，0.949，0.933，0.922，说明全盐量、Cl-、SO42-、Na+这四个指标与西干渠土壤盐渍化关系密切，可以大体代表西干渠土壤盐渍化状况。在第二主成分中各成分的载荷值相对较低，土壤含水率、Ca2+与pH 值的载荷值相对较大，分别为0.874，0.356，0.254。在第三主成分中HCO3-、CO32-、Ca2+的载荷值较大，分别为0.736，0.583，0.370，说明南梁农场附近受碳酸盐影响较大。

2.4 研究区土壤全盐量含水率空间分布

为了更加直观地反映研究区域不同深度下土壤盐分空间分布状况，本文利用ArcGIS 10.2 空间分析模块中的径向基插值对研究区域0～20 cm 和20～40 cm深度的土壤全盐量以及含水率进行插值，并绘制其空间分布图，如图2～图5 所示。

图2 0～20 cm 土层全盐量分布

图3 20～40 cm 土层全盐量分布

图4 0～20 cm 土层含水率分布

图5 20～40 cm 土层含水率分布

从土壤全盐量的整体空间分布可以看出，土壤全盐量呈现“北高南低”趋势。该区域地形南高北低，利用西干渠从黄河青铜峡水利枢纽引水自流灌溉，黄河水中的盐分在灌渠水流的作用下，渗入西干渠沿岸土壤中，部分盐分会通过排水沟重新回到黄河或其支流中。然而，西干渠沿岸北部地势较低，渗入土壤中的盐分无法通过排水沟全部排出去，盐分逐日累积，从而形成了土壤含盐量“北高南低”的现状。从全盐量的垂向分布来看，研究区域土壤表层（0～20 cm）的全盐量一般高于深层土壤（20～40 cm）的全盐量。这是因为取样是在2019 年秋季进行的，这段时间大部分农作物已经收割，土壤中的水分受到强烈蒸发作用，从地下运动到地表，从而也将盐分带到地表。

从土壤含水率的整体空间分布看出，0～20 cm土层含水率呈“东高西低”趋势，这是由于在南梁农场的东部区域多种植枸杞，在西部地区多种植玉米，使得整体含水率呈现“东高西低”的趋势。而在20～40 cm 土层，可以看出含水率整体分布呈现“北高南低”的趋势，这是由于该区域地形南高北低，且利用西干渠从黄河青铜峡水利枢纽引水自流灌溉，从而导致北部地区地下水位较高，20～40 cm 土层含水率呈现“北高南低”的趋势。

3 结论

本文围绕宁夏西干渠沿线的土壤盐渍化现状进行了实测分析，并运用Pearson 相关分析、主成分分析等方法，对该区域土壤盐分特征以及含水率分布进行了研究，得出反映该区域土壤盐渍化的主要影响因子，研究结果对于区域性土壤盐渍化成因研究及土壤盐渍化治理具有一定的参考价值。主要结论包括以下几个方面：

（1）研究区域土壤pH 值均值约为8.6，最小值约为7.2，说明土壤主要为碱性土壤，且碱性较强。另外，土壤pH 值在水平方向上变异较小，分布比较均匀。

（2）土壤盐分各指标都存在不同程度的变异，CO32-、Cl-、Ca2+、Na+、K+含量的变异系数均大于1，变化率较大，空间分布不均，而pH 值，HCO3-、SO42-、Mg2+含量，全盐量及含水率的变异系数均小于1，变化率较小，空间分布比较均匀。

（3）Pearson 相关性分析和主成分分析结果表明，Cl-、Na+、SO42-为研究区域土壤盐分的主要组成成分，且该研究区域可溶性盐主要为硫酸盐，存在形式为Na2SO4、CaSO4、MgSO4等。

（4）通过对取样数据进行插值得到了土壤盐分以及含水率的分布情况。结果表明，研究区域土壤全盐量的空间分布呈“北高南低、上高下低”的趋势，即南部含盐量较低，北部含盐量较高，土壤表层含盐量高于土壤深层，而土壤含水率呈“北高南低、东高西低”的趋势。