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1、托普仪器、质量第一、诚信至上、服务为本、创新为魂、立足精专、追求卓越土壤水分、温度、盐分三参数速测仪在宁夏引黄灌区土壤研究的应用摘要：气候变暖加剧了土壤水分蒸发，带动土壤盐分向上移动，引起土壤盐分增加，导致土壤盐碱危害加剧。采用托普仪器的TZS-ECW型土壤水分、温度、盐分三参数速测仪监测土壤墒情和近35 年来的土壤盐分定位观测资料和气象资料，研究气候变暖对宁夏引黄灌区土壤盐分变化的影响。研究结果表明：近35 a随着全球变暖，宁夏引黄灌区土壤全盐含量呈明显的增加趋势，轻盐化土壤、中盐化土壤和重盐化土壤全盐质量分数分别增加008、013和O19 gkg；当温度增加0530C时，宁夏引黄灌区轻盐化
2、土壤中盐化土壤和重盐化土壤淋洗土壤增加盐分所需的灌水量分别增加8291、8287和8388，总灌水量增加129140亿m3。关键词：气候变化，盐化土壤，土壤水分、温度、盐分三参数速测仪0引 言全球气候变化是人类迄今面临的最大的环境问题，也是2l世纪人类面临的最复杂的挑战之一【l】。气候变化已对全球生态系统以及社会经济系统产生了明显影响，并将继续造成深远而巨大的影响。政府间气候变化专业委员会(IPCC，2007)【2】第四次评估报告指出，近100 a(1906-2005年)全球平均地表温度上升了07。自1850年以来最暖的12个年份中有11个出现在近期的1995-2006年，过去50 a升温率几
3、乎是过去100 a的2倍【3】。到21世纪末，全球地表平均增温1164*(2t45】。气候变化对土壤环境带来的不良影响已经显现【6】。气候变暖加快了土壤有机碳矿化速率，引起一系列土壤物理、化学和生物反应的变化【J7】；气候变暖，导致微生物对土壤有机质的分解加快，从而加速了土壤养分的变化，可能造成土壤肥力下斛8】；降雨量的变化使土壤微生物活动发生改变，必然引起土壤养分和水分发生变化【9】；气候变暖使得土壤水分蒸发加剧，带动了土壤盐分向上移动，引起土壤盐分增加，导致土壤盐渍化。全球盐碱土壤面积约为96亿hm2，中国约有10亿hm21们。黄河河套地区有灌溉农田100万hm2，但l3以上存在不同程度的
4、土壤盐渍化问题。宁夏引黄灌区有耕地422l万hm2，其中盐化土壤面积2096万hm2，占耕地总面积的497t11】。土壤盐渍化已经严重影响和制约该地区的生态环境和农业可持续发展。目前，有关气候变化对土壤盐渍化影响的研究报道不多。我们以宁夏引黄灌区为例，进行气候变暖对土壤盐分及其灌水量的影响研究。1研究区域概况宁夏引黄灌区地处中温带干旱区，属大陆性气候。其气候特征是干旱少雨，日照充足，蒸发强烈，风大沙多。年平均气温91，年平均降水量185 rtlln，降雨主要集中在79月，占全年降水量的70-一80，年平均蒸发量1 825 rnm12J。宁夏引黄灌区包括青铜峡、吴忠、灵武、永宁、银川、贺兰、平罗
5、、惠农和石嘴山9个市(县)，属黄河冲积和贺兰山洪积平原，南起青铜峡，北至石嘴山，南北长165 km，东西宽4260 km，总面积7 790 km2。地势自西南向东北微倾，海拔高度多在l 1001 150 m。黄河从南部青铜峡流入，从北部石嘴山流出(图1)。主要的灌溉用水来自黄河，农作物以水稻、小麦、玉米为主。根据2005年宁夏土壤盐渍化调查资料，宁夏引黄灌区盐化土壤面积2096万hm2，占耕地总面积的497。其中轻盐化土壤面积942万hm2，中盐化土壤面积641万hm2，重盐化土壤面积513万hm2(表1)。2 材料与方法21 资料来源采用1973-2008年以来的宁夏引黄灌区土壤盐分定位观测
6、资料和气象资料，研究气候变暖对宁夏引黄灌区土壤盐分的影响。根据盐化土壤分级标准，轻盐化土壤全盐质量分数为1O20 gkg，中盐化土壤为2030 gkg，重盐化土壤为30 gkg13】。土壤盐分定位观测点设在西大滩盐碱地改良试验站。定位观测点地下水埋深15 m左右，土壤耕作层(20 cm)碱化度在56153之间，总碱度在015-035 cmolkg之间，DH值在7586之间，全盐在1O46 gkg之间。土壤属于黏壤土。22测定方法土壤全盐测定采取烘干法。对采集的样品在室内自然风干，过1 mill筛备用，所有的土样均制备l：5土水比浸提液测定土壤全盐质量分数。同时还可以采用现代的仪器土壤水分、温度
7、、盐分三参数速测仪来测量土壤的盐分等。土壤水分、温度、盐分三参数速测仪也可称之为土壤墒情速测仪，土壤墒情一般就是包含土壤水分、土壤温度、土壤盐分三个参数。仪器由国家高新技术企业浙江托普仪器独立开发研制而成，其主要型号为：TZS-ECW和TZS-ECW-G。仪器主要由传感器和手持机两部分组成，主要用于农业和林业土壤墒情的测量等，是墒情检测工作不可缺少的工具。23淋洗盐分灌水量计算根据土壤盐分与淋洗水量之间的换算关系，可以计算土壤增加盐分所需要的淋洗水量，计算方法参考土壤物理化学【l51。Dw=100052Ds(I+ACCr)(1)式中：肌淋洗盐分灌水量，m3hm2；Ds土壤改良深度，取土壤耕作层
8、(20 em)；CL_一土壤增加盐分质量分数，gkg；D初始土壤盐分质量分数，gkg；月系数，黏壤土取03。3 结果与分析31 温度升高与土壤盐分变化从1 973-2008年不同年份与土壤盐分和年平均温度之间的关系表明：宁夏引黄灌区在伴随年平均温度升高的同时，土壤全盐含量成明显的增加趋势(图2)。近35 a来，轻盐化土壤、中盐化土壤和重盐化土壤全盐分别增加了008、013和019 gkg。通过年平均温度升高和土壤全盐增加量之间的关系研究表明：近35 a来，宁夏引黄灌区盐化土壤全盐增加量随年平均温度升高的增加而增加(图3)。轻盐化土壤，温度升高与土壤全盐增加量之间存在关系为Y=00088X2+0
9、0277)(+00093(尺2=08082)；中盐化土壤，温度升高与土壤全盐增加量之间存在关系为Y=00722X+00205(尺2：08049)：重盐化土壤，温度升高与土壤全盐增加量之间存在关系为Y=一oo105x2+01296X+00291(R2=08321)。通过年平均温度升高和土壤全盐增加量之间的模拟关系式，可以计算温度升高0530。C时，宁夏引黄灌区盐化土壤全盐增加量。当温度升高0530。C时，轻盐化土壤全盐增加量003017 gkg、中盐化土壤全盐增加量006024 gkg、重盐化土全盐增加量009032 gkg(表2)。32淋洗土壤增加盐分所需的灌水量根据公式(1)计算淋洗土壤增加
10、盐分所需的灌水量(表3)。结果表明：当温度增加0530时，轻盐化土壤、中盐化土壤和重盐化土壤淋洗土壤增加盐分所需的灌水量分别为6153168534、6141065550和6171866033 m3hm2，灌水量分别增加8291、8287和8388。根据宁夏引黄灌区盐化土壤调查资料，轻盐化土壤、中盐化土壤和重盐化土壤面积分别为942、641和513万hm2。当温度升高05-一3O。C时，轻盐化土壤、中盐化土壤和重盐化土壤淋洗增加土壤盐份的灌水量分别为058064、039042和032O34亿o；宁夏引黄灌区盐化土壤总的灌水量增加129140亿m3(表4)。4 讨论温度是加速土壤有机碳矿化作用的主
11、要驱动因子之一，气候变暖加快了土壤有机碳矿化速率。全球气候变化不仅仅是温度的变化，可能还伴随着降水的变化，可能引起一系列土壤物理、化学和生物反应的变化。Alvarez预测，阿根廷因全球气候变化导致有机碳输入量减少而使土壤矿化速率增大，出现土壤有机碳减少的趋势ll 61。大气C02浓度升高对土壤有机矿化和积累的影响也受到关注。大气CO：浓度升高对土壤碳平衡的影响较复杂，涉及到作物生物量的变化，影响到进入土壤有机碳量的变化。Kwon等【I 7】研究表明，在高C02浓度下，由于根系生物量增加，且较容易为微生物利用，土壤微生物趋向于从利用土壤有机碳向利用根系分泌有机碳转移。在植物土壤系统中，土壤呼吸受
12、植物类型、植物生长状况、植物生长阶段的影响，土壤呼吸直接或间接地受温度和水分的控制【l 81。同时，在大气C02浓度升高的背景下，进行温度和水分对农田生态系统士壤呼吸控制程度的研究取得了显著的进展。农田生态系统是受人为影响最大的陆地生态系统，稻麦轮作是中国重要的水早轮作农田生态系统u引。FACE(free air carbon dioxideenrichment)试验研究结果表明，土壤呼吸与基础土壤呼吸速率呈明显的季节变化，与气温和土壤温度季节变化趋势基本一致，呼吸速率与温度具有显著的相关性【20I。基础土壤呼吸比作物下的土壤呼吸更易受温度影响，土壤温度比气温能更好地解释土壤C02排放的季节性
13、变化。高CO，浓度环境中植物土壤生态系统的土壤呼吸对温度增加敏感性的降低，有利于减缓土壤碳分解损失的速度。结果有助于评价未来高CO：浓度气候变暖背景下植物土壤系统下的农田生态系统土壤碳的固定潜力。一般情况下，农田生态系统的初级生产力在C02浓度增加条件下将有所增加。同时，CO，浓度升高将促进作物光合产物流向根系，从而提高农田生态系统地下部分对碳的固定以及植物根系对水分的吸收拉引。地下部分碳汇潜力的加强可导致农田生态系统对大气C02的永久固定。研究表明，大气cO：浓度升高对农田土壤中的细菌数量有一定的影响。增加C02浓度对l七壤呼吸有促进作用，主要是由于CO，浓度升高可促进土壤有机碳的输入，为土
14、壤微生物提供更多的可降解底物，促进微生物活动，因而增强了土壤的呼吸作用123-24。研究气候变化对土壤养分的影响是一个热点问题。有研究表明，温度升高将促使七壤有机质分解，导致土壤肥力迅速下降。庞奖励等【251通过对岐山黄土Pb、Cu、Zn、Cd、Mn元素含量磁化率及粒度的研究表明，黄土母质在分化成土壤过程中，分化程度、植被的发育程度与当地平均降雨量和气温有关。土壤温度升高和降雨量的变化使土壤微生物活动发生改变，必然引起土壤养分发生变化。气候变暖，将导致微生物对土壤有机质的分解加快，从而加速了土壤养分的变化，可能造成土壤肥力下降。但是，高CO，浓度使土壤中碳的储存量增加，豆科作物的固氮能力加强。
15、对大部分分布广泛的土壤来讲，C02浓度增加对土壤的影响是积极的，引起土壤肥力的提高和土壤物理性状的改善26-27J。随着人们对气候变化和水资源短缺问题的高度关注，目前对土壤水分的研究较为广泛。20世纪90年代以后，国内外有关士壤水分蒸发变化的研究主要集中在变化趋势与变化原因两个方面。Hulmc等【2 8认为全球气温升高将导致潜在蒸发(PET)增加。但伞球大部地区潜蒸发和蒸发皿观测的蒸发量都呈减少趋势，而引起减少原因则各不相同。如Peterson等【2州指出云量增加(即辐射减少)造成美国和前苏联蒸发量下降。Chattopadhyay等【30】认为相对湿度增加和辐射减少是印度蒸发皿蒸发和潜在蒸发减少的主要因素。Roderick等f3l-32】发现澳大利亚1970-2002年和新西兰自20世纪70年代以来的蒸发皿蒸发量变化与北半球相似，即总体呈下降趋势，并认为过去50 a蒸发皿蒸发下降是由j二大范围云量和气溶胶浓度增加而造成的。Cohen等p3J发现以色列19641998年的实际蒸发是增加的，而且出现在干燥的夏半年，但参考作物蒸散没有明显的变化，其原因是影响蒸发的动力因素的变化，即水汽压差和风速增加
