世界干旱、半干旱地区，盐碱化土壤已经成为影响生态环境和农业生产的突出因素^[1-4]，也严重制约农业可持续发展^[5-9]，尤其对灌溉农业来说是一个较为矛盾的问题^[10-11]。世界上100多个国家都有盐碱土分布^[1，12]，面积达9.5亿hm^2[10，13]，占全球陆地面积的25%^[14]，中国盐碱土总面积约3600万hm²，占全国可利用土地面积的4.88%^[10，15]。研究预测，2050年全球盐碱化耕地的比例将会达到50%^[14]。针对耕地逐年减少问题，改良盐碱地、防止土壤盐碱化已经成为世界各国缓解人口增加与土地缺少矛盾的一个重要措施^[10，16-18]，也是社会、经济可持续发展的重要研究内容^[1，19-20]。在开发利用和改良盐碱地方面，世界各国采取了诸多的技术和手段，其根本目的在于改善土壤理化性状，使之能够满足作物正常生长需要^[1，21]。现有的改良措施主要有灌水排盐^[1，22]、暗管排水^[1，23-25]、翻土耕作^[1，26]等。

土壤盐碱化受气候条件、成土母质以及耕作方式等因素的影响，因而土壤盐基离子组成有所不同^[27-28]，其积盐、脱盐过程也有所差异^[29]，可见，探明土壤盐分离子分布特征是盐碱地利用和土壤盐碱化防治的基础^[30]。

宁夏中部干旱带降雨稀少、蒸发量大，农业生产受到严重制约，同时生态环境恶劣，当地群众为了进行农业生产，在土壤表层铺垫15cm左右厚的砂砾用以保水，目前，在宁夏环香山地区压砂地面积接近6.67万hm²。利用压砂地种植西瓜、甜瓜取得了良好的经济效益，但是土壤盐碱化趋势依然存在，严重影响了当地农业发展。由于水资源缺乏、无完善的灌排条件，传统的盐碱地改良措施（如灌溉洗盐、暗管排水等）不能用于压砂地土壤盐碱化治理，探索新的盐碱地治理措施是压砂地持续发展的重要科学问题。

本研究选取表层土壤作为研究对象，是因为0～20cm埋深土壤对作物种子发芽、幼苗根系发育、成活及壮苗有关键的作用，西瓜、甜瓜苗期容易受到盐碱胁迫危害，到圆棵期后抗盐碱能力增强，可以适应一定程度的盐碱土壤。本研究对0～20cm土壤Ca²⁺、Mg²⁺、K⁺、Na⁺、Cl^-、SO₄ ^2-、 CO₃ ^2- 和HCO₃^- 分布特征进行分析，研究覆盖状况、地面倾角和海拔对其分布特征的影响，确定影响离子分布特征的关键因素及盐分存在的主要形式，以期为宁夏中部干旱带压砂地土壤盐碱化防治及土壤改良提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验点位于宁夏中部干旱带环香山地区中卫市沙坡头区香山镇米粮川新村宁夏大学盐碱地改良试验基地，104°55′8″～104°55′29″E， 37°6′45″～37°7′1″N，平均海拔1574.7m。年平均太阳总辐射量6.0×10⁹ J/m²，年平均温度6.8℃， ≥10℃积温为2332℃，无霜期155d左右，年平均降水量247.4mm，多集中于7～9月，年蒸发量2100～2400mm，约为降水量的8～10倍。

1.2 土壤取样方案

引起土壤盐碱化的因素有自然条件和人类活动两个方面，自然条件主要有地形地貌、区域气候、土壤环境和水文地质，而人类活动主要包括灌溉条件和耕作管理两个方面。基于引起土壤盐碱化的人为和自然因素对该地区土壤离子分布研究，取样考虑覆盖状况、地面倾角（倾斜角大于2°为坡地，小于2°为平地）和海拔3个因素。于5月10日、6月10日和7月25日进行了取样，研究区地形、地貌及采样点分布状况如图1所示，对取样点分类如表1所示。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 土壤pH值测定

按照测定土壤养分的方式取土，风干后过1mm筛备用。称取准备好的风干土样25g装入离心管，加入25mL蒸馏水震荡10min，静置30min后按照操作规范用酸度计（上海雷磁精密酸度计PHS-3E）进行测定。

1.3.2 土壤EC值测定

土壤制备与pH值测定相同，所用仪器为电导率仪（上海雷磁电导率仪DDS-307）。

1.3.3 土壤盐分测定

研究测定的主要离子有Ca²⁺、Mg²⁺、K⁺、Na⁺、 Cl^-、SO₄ ^2-、CO₃ ^2- 和HCO₃^-。Cl^- 采用AgNO₃ 滴定法测定；Na⁺、K⁺ 用火焰光度法测定；Ca²⁺、Mg²⁺ 用EDTA滴定法测定；CO₃ ^2-、HCO₃ ^- 用双指示剂盐酸中和滴定法测定；SO₄ ^2- 用EDTA间接络合滴定法测定。

1.4 数据处理

利用Excel2007进行数据整理，利用Minitab17进行统计分析，利用Surfer13软件进行绘图分析。

2 结果与分析

2.1 土壤pH值及EC分析

土壤pH值和EC能够反映土壤酸、碱程度和含盐量状况，对所观测到的土壤pH值和EC进行分析绘制等值线如图2所示。

从测定结果来看，覆盖状况对土壤pH值、EC影响显著（P<0.05），覆砂土壤pH值比裸地大，覆砂土壤pH值均值为9.12，而裸地为8.54。覆砂土壤EC小于裸地，覆砂土壤EC平均值为0.67mS/cm，裸地土壤EC平均值为2.77mS/cm，均表现出较高的含盐量。这是因为覆盖减小了表层土壤的蒸发，进而阻止土壤离子在表层土壤的累积，即避免土壤过快的盐碱化，而裸地条件下，随着土壤表层水分的蒸发，下层土壤水分由于毛细作用向上迁移，随之造成离子迁移，这就会在土壤表面累积较多的各种离子，进而形成次生土壤盐碱化。

从统计结果来看，地面倾角和海拔对土壤pH值没有显著影响（P>0.05），但从测定的结果来看，地面倾角对土壤pH值具有一定的影响，覆砂条件下地面倾角>2°土壤pH值比0～2°土壤高0.47，裸地条件下高0.11，而一定程度上海拔与土壤pH值呈负相关。

平地更容易促使土壤盐分累积，从测定的结果来看，覆砂条件下平地土壤EC比坡地高0.45mS/cm，裸地条件下平地土壤EC比坡地高0.93mS/cm。随着海拔的降低土壤EC有所增大，覆砂、平地时海拔高程>1578m时例外。

2.2 土壤离子分布特征及影响因素

在盐碱地中，盐分离子会因水分淋洗及蒸发有所异同，因此明确盐分离子分布特征对盐碱地改良和利用有参考作用^[31]。本研究对0～20cm埋深土壤离子进行测定，从覆盖状况、地面倾角和海拔3个方面分析影响离子分布特征的因素。用Surfer13软件绘制离子分布等值线（图3），用Minitab17进行单因素方差分析。

除CO₃ ^2- 外，覆盖状况对Ca²⁺、Mg²⁺、Na⁺ 、Cl^-、 SO₄ ^2- 和HCO₃^- 影响极显著（P<0.01），对K⁺ 影响显著（P<0.05）。地面倾角对HCO₃^- 有显著影响（P< 0.05），对Ca²⁺、Mg²⁺、Na⁺、Cl^-、SO₄ ^2-、K⁺ 和CO₃ ^2- 无显著影响。海拔对Mg²⁺ 有极显著影响（P< 0.01），对Ca²⁺、K⁺、Na⁺、Cl^-、SO₄ ^2-、CO₃ ^2- 和HCO₃^-无显著影响。

覆砂土壤Ca²⁺ 低于裸地土壤，其含量范围为0.09～0.19g/kg，裸地Ca²⁺ 含量范围为0.09～0.73g/kg，裸地Ca²⁺ 含量平均值是压砂地的2.9倍。地面倾角和海拔对Ca²⁺ 含量没有显著影响。覆砂土壤Mg²⁺ 含量较低，含量范围为0.051～0.095g/kg，裸地含量范围为0.102～0.219g/kg，覆砂土壤Mg²⁺ 含量均低于0.1g/kg，而裸地Mg²⁺ 均高于0.1g/kg。坡地Mg²⁺ 含量随海拔增加而降低，平地Mg²⁺ 含量随海拔增加而增加。覆砂土壤K⁺ 含量较低，含量范围为0.027～0.047g/kg，裸地K⁺ 含量范围为0.036～0.070g/kg。覆砂土壤K⁺ 含量变化范围较小，最大值和最小值之差为0.02g/kg，而裸地K⁺ 含量变化范围较大，最大值和最小值之差为0.034g/kg。覆砂土壤Na⁺ 含量较低，含量范围为0.265～2.820g/kg，裸地其含量范围为0.748～3.328g/kg，覆砂土壤Na⁺ 含量低于1g/kg的观测点占85.7%，而裸地Na⁺ 含量低于1g/kg的观测点占14.3%。

覆砂土壤Cl^- 含量低于裸地，含量范围为0.147～2.387g/kg，裸地为0.836～5.059g/kg。覆砂土壤SO₄ ^2- 含量相对较低，含量范围在0.365～1.105g/kg，裸地为0.740～2.418g/kg。覆砂土壤CO₃ ^2- 含量比裸地高100%，含量范围为0.005～0.085g/kg，而裸地CO₃ ^2- 含量范围为0.001～0.048g/kg。覆砂土壤HCO₃^- 含量较高，含量范围为0.348～0.518g/kg，裸地为0.235～0.416g/kg。坡地HCO₃^- 相对较高，平均含量为0.398g/kg，而平地平均含量为0.313g/kg。

造成这种结果的原因在于压砂覆盖能够有效防止水分蒸散，降低土壤表层水分迁移，进而降低离子在土壤表层的累积。

2.3 土壤离子相关性分析

对所测定的数据利用Minitab17进行相关分析，计算结果见表2。

注：* 表示显著相关，P<0.05；** 表示极显著相关，P<0.01。

从表2可以看出，Ca²⁺ 与Mg²⁺ 和Na⁺ 呈极显著正相关关系，与K⁺ 呈显著正相关关系，与Cl和SO₄ ^2- 呈极显著正相关关系，与CO₃ ^2- 呈显著负相关关系，与HCO₃^- 呈极显著负相关关系；Mg²⁺ 与K⁺ 呈显著正相关关系，与Na⁺ 呈极显著正相关关系，与Cl^- 和SO₄ ^2- 呈极显著正相关关系，与CO₃ ^2- 和HCO₃^- 呈负相关关系；K⁺ 与Na⁺ 呈极显著正相关关系，与Cl^- 呈极显著正相关关系，与SO₄ ^2- 呈显著正相关关系，与CO₃ ^2- 和HCO₃^-呈正相关关系；Na⁺ 与Cl^- 和SO₄ ^2- 呈极显著正相关关系，与CO₃ ^2- 呈显著负相关关系，与HCO₃^- 呈极显著负相关关系；Cl与SO₄ ^2- 呈极显著正相关关系，与CO₃ ^2- 呈负相关关系，与HCO₃^- 呈极显著负相关关系；SO₄ ^2- 与CO₃ ^2- 呈显著负相关关系，与HCO₃^- 呈极显著负相关关系；CO₃ ^2- 与HCO₃^- 呈极显著正相关关系。这可以判断出该区域表层土壤盐分主要以NaCl、KCl、CaCl₂、 MgCl₂、CaSO₄、MgSO₄ 和Na₂SO₄ 的形式存在，即主要为氯盐和硫酸盐。由于CO₃ ^2- 与HCO₃^- 极显著正相关，可见，该区域表层土壤CO₃ ^2- 由HCO₃^- 造成。

2.4 盐分类型含量预测及盐分比例分析

从相关性分析知道，该区域表层土壤盐分主要以NaCl、KCl、CaCl₂、MgCl₂、CaSO₄、MgSO₄ 和Na₂SO₄ 形式存在，这里对土壤阳离子Na⁺、K⁺、 Ca²⁺ 和Mg²⁺ 盐分含量进行预测，对各种盐分比例进行分析，明确0～20cm表层土壤主要的盐分。

盐分类型预测根据相关分析将阳离子组成的盐分进行分类，即有Mg²⁺ 盐（MgCl₂、MgSO₄）、Ca²⁺ 盐（CaCl₂、CaSO₄）、K⁺ 盐（KCl）和Na⁺ 盐（NaCl、Na₂SO₄），由于Mg²⁺、Ca²⁺ 和K⁺ 在各自所存在的盐分类型中含量相同，所以根据Mg²⁺、Ca²⁺ 和K⁺ 含量可以计算出每种阳离子总盐含量（mol/kg），而Na⁺ 在其所存在的两种盐分类型中含量不同，而且从相关性来看Na⁺ 与Cl^- 和SO₄ ^2-均呈极显著正相关关系，所以假设两种状况，即或者为NaCl盐，或者为Na₂SO₄ 盐，计算结果如表3所示。

覆砂土壤Mg²⁺ 盐和Ca²⁺ 盐含量较为接近，覆砂条件下坡地海拔低于1573m时土壤Mg²⁺ 盐高于Ca²⁺ 盐，而裸地条件下Mg²⁺ 盐和Ca²⁺ 盐含量比值不稳定，这可能是因为受到其他因素影响，随海拔降低Mg²⁺ 盐有所减少。与Na⁺ 盐相比，Mg²⁺ 盐含量均低于NaCl和Na₂SO₄，覆盖状况、地面倾角和海拔没有对Mg²⁺ 盐与NaCl和Na₂SO₄ 比例造成明显的影响。总体来看，该区域Ca²⁺ 盐均高于K⁺ 盐，覆砂时，除坡地海拔<1573m外，其余取样点Ca²⁺ 盐含量是K⁺ 盐含量的3～7倍，覆砂条件下坡地Ca²⁺ 盐与K⁺ 盐相比有所降低，而且随着海拔的降低Ca²⁺ 盐和K⁺ 盐比例接近1。裸地条件下平坦地形Ca²⁺ 盐是K⁺ 盐9倍以上，而坡地时Ca²⁺ 盐对K⁺ 盐比例有所降低。Ca²⁺ 盐和K⁺ 盐含量远远小于Na⁺ 盐，相比较取整数发现其比例均为0，可见，无论是覆盖状况、地面倾角和海拔，均不会影响土壤Ca²⁺ 盐、K⁺ 盐和Na⁺ 盐的比例。

可见，Mg²⁺ 盐含量均高于Ca²⁺ 盐和K⁺ 盐，而低于Na⁺ 盐，Ca²⁺ 盐含量高于K⁺ 盐而低于Na⁺ 盐，K⁺ 盐含量低于Na⁺ 盐。可见，本研究区域0～20cm表层土壤盐分含量排序为：Na⁺ 盐>Mg²⁺ 盐>Ca²⁺ 盐>K⁺ 盐。

2.5 钠吸附比分析

钠吸附比简称SAR，用来表示盐碱地碱度，是盐碱地分类的重要依据，同时也是盐碱地利用和改良过程中反映土壤质量变化的重要指标^[32]。计算方法如下式所示：

$\mathrm{S}\mathrm{A}\mathrm{R}=\frac{\left[{\mathrm{N}\mathrm{a}}^{+}\right]}{\sqrt{\left(\left[{\mathrm{C}\mathrm{a}}^{2+}\right]+\left[{\mathrm{M}\mathrm{g}}^{2+}\right]\right)/2}}$

式中[Na⁺ ]、[Ca²⁺]、[Mg²⁺]单位均为mol/kg。

计算结果发现本研究条件下覆盖方式对土壤表层SAR影响极显著（P<0.01），地面倾角随海拔变化对土壤SAR没有显著影响。

覆砂条件下0～20cm埋深土壤SAR较小，从观测的结果来看，SAR平均值为3.99（mol/kg）^0.5，范围为2.5～6.14（mol/kg）^0.5，裸地0～20cm埋深土壤SAR平均值为10.73（mol/kg）^0.5，范围为6.61～14.13（mol/kg）^0.5。裸地SAR最小值比压砂覆盖SAR最小值高164.4%，裸地SAR最大值比压砂覆盖最大值高130.1%。覆砂明显降低了0～20cm土壤表层SAR，这是因为覆盖有效防止土壤水分蒸发，阻止了因为蒸发盐分在土壤表层的聚集。

坡地SAR相对较低，从测定的结果来看，坡地条件下SAR平均值为6.88（mol/kg）^0.5，坡地0～20cm表层土壤SAR明显受覆盖状况的影响，坡地条件下最大SAR为裸地条件的14.13（mol/kg）^0.5，其次为裸地条件的8.06（mol/kg）^0.5。平地条件下，随海拔增加0～20cm表层土壤SAR有所增加，但是对平地土壤表层SAR影响明显的还是覆盖状况，从测定的结果来看，平地条件下裸地土壤表层SAR最小值为9.12（mol/kg）^0.5，最大值为12.7 （mol/kg）^0.5，明显高于压砂覆盖。

3 讨论

造成宁夏中部干旱带环香山压砂区土壤盐碱化的主要因素是蒸发^[33-34]、地形和地貌、覆盖状况、地面倾角以及海拔，其均会引起土壤离子不同的累积特征，进而形成不同的土壤盐分类型，通过采取压砂措施能够有效阻止土壤盐碱化^[35]。

土壤pH值和EC反映土壤酸、碱程度和含盐量状况，是土壤肥力的一项重要指标^[36]。覆盖减小了表层土壤蒸发，阻止土壤离子在表层土壤的累积，而裸地条件下，随着土壤表层水分的蒸发，下层土壤水分由于毛细孔的形成向上迁移，进而形成次生土壤盐碱化。覆盖状况对土壤pH值和EC具有显著影响（P<0.05），覆砂土壤pH值比裸地大，土壤EC小于裸地。地面倾角>2°土壤pH值高于0～2°，一定程度上海拔与土壤pH值呈负相关^[37]。平坦地形更容易促使土壤盐分累积，无论是覆砂条件还是裸地，平坦地形土壤EC均比坡地高，随着海拔的降低土壤EC有所增大。

覆盖状况对表层土壤Ca²⁺、Mg²⁺、Na⁺、Cl^-、SO₄ ^2- 和HCO₃^- 影响极显著（P<0.01），对K⁺ 影响显著 （P<0.05）。地面倾角对HCO₃^- 影响显著（P<0.05），对Ca²⁺、Mg²⁺、Na⁺、Cl^-、SO₄ ^2-、K⁺ 和CO₃ ^2- 无显著影响。海拔对Mg²⁺ 影响极显著（P<0.01），对Ca²⁺、 K⁺、Na⁺、Cl^-、SO₄ ^2-、CO₃ ^2- 和HCO₃^- 无显著影响。

覆砂土壤Ca²⁺ 低于裸地，地面倾角和海拔对Ca²⁺ 含量无显著影响。压砂地Mg²⁺ 含量低于裸地。坡地Mg²⁺ 含量随海拔增加而降低，平地Mg²⁺ 含量随海拔增加而增加。压砂地K⁺ 含量较低，裸地K⁺ 含量较高。覆砂土壤Na⁺ 含量低于裸地。

覆盖能够有效防止水分蒸散，降低土壤表层水分迁移，进而降低离子在土壤表层的累积，覆砂土壤Cl^-、SO₄ ^2- 含量低于裸地，而CO₃ ^2-、HCO₃^- 含量比裸地高，坡地HCO₃^- 相对较高。

Ca²⁺ 与Cl^-、SO₄ ^2- 呈显著正相关，可以推断Ca盐的存在形式主要有CaCl₂ 或CaSO₄；Mg²⁺ 与Cl^-、 SO₄ ^2- 呈显著正相关，可以推断Mg²⁺ 盐的存在形式主要有MgCl₂ 或MgSO₄；K⁺ 与Cl^- 呈显著正相关，与SO₄ ^2- 呈显著正相关，可以推断K⁺ 盐的主要存在形式有KCl或K₂SO₄；Na⁺ 与Cl^-、SO₄ ^2- 呈显著正相关，可以推断Na⁺ 盐的主要存在形式有NaCl或Na₂SO₄；由于CO₃ ^2- 与HCO₃^- 显著正相关，可以推断该区域表层土壤CO₃ ^2- 由HCO₃^- 造成。

覆砂土壤Mg²⁺ 盐和Ca²⁺ 盐含量较为接近，而裸地Mg²⁺ 盐和Ca²⁺ 盐含量比值不稳定，随海拔降低Mg²⁺ 盐有所减少。覆盖状况、地面倾角和海拔没有对Mg²⁺ 盐与NaCl和Na₂SO₄ 比例造成明显的影响，Mg²⁺ 盐含量均低于NaCl和Na₂SO₄。Ca²⁺ 盐均高于K⁺ 盐，覆砂时，除坡地海拔<1573m，其余观测点Ca²⁺ 盐含量是K⁺ 盐含量的3～7倍，覆砂坡地土壤Ca²⁺ 盐与K⁺ 盐相比有所降低，而且随着海拔的降低Ca²⁺ 盐和K⁺ 盐比例接近1。裸地条件下平坦地形Ca²⁺ 盐是K⁺ 盐9倍以上，而坡地时Ca²⁺ 盐对K⁺ 盐比例有所降低。Ca²⁺ 盐和K⁺ 盐含量远远小于Na⁺ 盐，相比较取整数后发现其比例均为0。

覆盖状况对表层土壤SAR影响极显著 （P<0.01），而地面倾角和海拔变化对土壤SAR没有显著影响。覆砂条件下0～20cm埋深土壤SAR较裸地小。坡地SAR相对较低，平地时，随海拔增加0～20cm埋深土壤SAR有所增加，平地条件下裸地土壤表层SAR明显高于压砂覆盖，这是因为覆砂有效防止土壤水分蒸发，阻止了因为蒸发盐分在土壤表层的聚集^[33-34]。

4 结论

覆盖状况对土壤表层离子含量有极显著影响 （P<0.01），地面倾角对HCO₃^- 影响显著（P<0.05），海拔对Mg²⁺ 具有极显著影响（P<0.01）。压砂地土壤Ca²⁺、Mg²⁺、K⁺、Na⁺、Cl^- 和SO₄ ^2- 低于裸地，而CO₃ ^2- 与HCO₃^- 含量比裸地高。坡地地面倾角Mg²⁺ 含量随海拔增加而降低，平地Mg²⁺ 随海拔增加而增加，坡地HCO₃^- 含量相对较高。

盐分的主要存在形式为：NaCl、KCl、CaCl₂、 MgCl₂、CaSO₄、MgSO₄ 和Na₂SO₄。

进行盐分类型含量预测及盐分比例分析可以预测宁夏环香山压砂区土壤表层0～20cm土壤盐分含量排序为：Na⁺ 盐>Mg²⁺ 盐>Ca²⁺ 盐>K⁺ 盐。

覆盖状况对土壤表层SAR影响显著（P<0.01），地面倾角和海拔变化对土壤SAR没有显著影响，压砂地SAR较小，坡地SAR相对较低，平地时随海拔增加SAR有所增加。

参考文献