当前世界环境

介绍

由于水的用途变得更加多样化，对水的需求一直在增加。水在人类活动中是不可缺少的。使用的水源包括河流、溪流、湖泊、池塘、雨水和地下水，如泉水、井水、钻孔水等。在尼日利亚北部，由于干旱条件，灌溉发展方案取得了巨大进展(Ahmed和Tanko, 2000年)。贝努埃州位于尼日利亚中北部地缘政治地带，位于南几内亚稀树草原农业生态区，降雨量经常不稳定，而且在数量和分布上不足以生产某些作物。贝努埃州(阿尤巴)的耕地面积超过142 200公顷等艾尔,2007)。在尼日利亚，年降雨量从最北部的约500毫米到南部的约3000毫米不等，降雨强度高。贝努埃的年降雨量从900毫米到1200毫米不等(Jimba和Adegoye, 2000年)。在贝努埃州，旱作农业遭受了长度和强度不等的农业干旱，因此必须进行灌溉，以满足粮食和纤维需求所需的作物对水分的需求。贝努埃州的耕地包括高地和洪泛平原。这片旱地种植了许多高价值的农艺和园艺作物。法达玛农业在雨季依靠雨水，在旱季依靠剩余的土壤水分。为了缓解雨季和旱季长时间的水分压力问题，提供了补充灌溉。这是通过从常年地表水水体和深水井或浅水井中抽取水来实现的。尽管灌溉对维持任何地方的农业生产都是有用的，但必须只使用质量好的水。 Poor quality water affects both soil quality and crop production adversely (Bello, 2001; USDA, 2001; FAO, 1994). Considering large hectares of land which are agriculturally productive within River Katsina-Ala catchment areas, there is a felt need to encourage irrigated agriculture. This can support year round crop production on medium and consequently alleviate poverty.The river Katsina-Ala, is the tenth most important river in Nigeria (The National Atlas of the Federal Republic of Nigeria, 1978). It has a length of about 346 km and numerous tributaries (Welcomme, 1976). The main aim of the study is to investigate and evaluate the qualities of surface and ground water within the river Katsina-Ala catchment areas of Benue State, for irrigation purposes.

研究区域

这项研究是在卡齐纳-阿拉河选定的三个集水区进行的。集水区是Logo, Ambighir和Katsina-Ala。Katsina-Ala河位于可称为下贝努埃水区的地方⁰50^”和7⁰48'N和8⁰49分和9分⁰50(图1)。它起源于巴门达高地，喀麦隆山脉的一部分，(海拔1000 - 2000米)蜿蜒向西北，穿过国际边界进入卡什比拉的贝努埃州⁰55’,9⁰37'E)，然后在Gbajimba(7)排入Benue河⁰48'N和8⁰49'N)约1.6 m a.s.l， (Ogueri, 2001)。它有大约346公里的长度和众多的支流(Welcomme, 1976)。Ambighir河集水区位于Gboko地方政府的Ambighir。研究区域以经度为界⁰36 '和8 '⁰东经45度，纬度7度⁰45 '和8 '⁰徽标河集水区位于徽标地方政府区的徽标，以经度9为界⁰16'E和9⁰东经28度，北纬7度⁰36 '和7 '⁰50镑。Katsina-Ala河流域最高海拔151.5 m，最低海拔121.21 m，海拔高度在90 ~ 262 m之间，海拔高度在121 ~ 159 m之间。研究区气候为热带稀树草原气候。

图1:研究区域地图 点击这里查看图

最低气温是9.7度⁰C，最大值为33.5⁰C.月平均气温27.3度⁰C.研究区干湿季节明显，年总降雨量在900 ~ 1200mm之间。雨季从四月开始，至十月/十一月结束。研究区植被类型为几内亚大草原类型，以禾草为主，灌木、乔木零星分布。通常种植的作物包括山药、木薯、几内亚玉米、玉米、小米、花生、大豆、豆荚、大米、甜瓜和其他蔬菜作物。树木作物如芒果、棕榈树、柑橘、腰果和其他经济树木也在该地区发现。主要生产的作物(图2)是山药(26%)，其次是大豆(16%)、花生和水稻(各8.67%)。尽管贝努埃州降雨不稳定，但该州频繁的农业活动使其成为“全国粮仓”。

图2:主要作物的分布 研究地区生产 点击这里查看图

方法

在雨季和旱季都采集了水样。在三个集水区(Ambighir、Logo和Katsina-Ala)的不同地点采集了河流和井水样本）.用玻璃电极pH计测定水的pH值(Mclean, 1965)。用电导率仪测定电导率。根据标准方法(APHA, 1998)在实验室分析了水的阳离子交换容量(CEC)。用火焰光度计测定钠、钾、氯和硼。用原子吸收分光光度计(AAS)测定钙、镁、铁和锰(Mclean, 1965)。以萘烷和甲基橙为指示剂，用滴定法测定碳酸氢盐(Landon, 1991)。用蒸发干燥法测定水中溶解固体总量(Chopra和Kanwar, 1991)。在卡齐纳-阿拉河的三个集水区进行了渗透能力试验。在每个集水区确定了6个地点。在每个位置挖10 cm × 10 cm × 10 cm的坑进行入渗试验。水量250厘米^3.将水倒入坑中，以秒为单位记录水向土壤的传输时间。在每个地点重复了四次。

结果与讨论

河流和井水的化学特性

物理化学参数是评估灌溉水适宜性的最重要因素(Rhoades, 1977, Rogers，等艾尔,2003)。与粮农组织1994年的灌溉用水标准相比，各种化学成分的平均值似乎落在适合灌溉的建议范围内(表1)。干湿季节河水浊度为42.1 ~ 72.1 mg/l，干湿季节为2.3 ~ 30 mg/l。湿季和干季井水浊度分别为8.1 ~ 65 mg/l和8 ~ 30 mg/l。干湿季节河水pH值为7.5 ~ 8.3，干湿季节为7.2 ~ 8.1。干湿季节井水pH值为6 ~ 7.81，干湿季节井水pH值为6 ~ 7.2。雨季河水的pH值普遍高于旱季，这是由于雨季形成碱性的阳离子(Ca、Mg、K和Na)的饱和程度较高。在井水样品的情况下，阳离子预计会浸出土壤剖面，从而增加井水中的碱浓度。所有的数值都显示轻微的碱性，但落在6 - 8.5的建议标准范围内(粮农组织，1994年)。河水pH值呈微碱性;在研究区域的土壤中持续使用这种水可能是有害的。这是因为在旱季，土壤的含盐量略高。 The values of the electrical conductivity (EC) of the river water ranged from 0.03 to 0.07 ds/m and from 0.04 to 0.09 ds/m for wet and dry season respectively. The EC of the well water ranged from 0.08 to 0.13 ds/m and from 0.03 to 0.1 ds/m in the wet and dry season respectively.The values of calcium in the river water ranged from 0.24 to 0.33 meq/l and from 0.25 to 0.51 meq/l for wet and dry season respectively.Calcium content of the well water ranged from 0.23 to 0.66 meq/l and from 0.2 to 0.6 meq/l for wet and dry seasons respectively.The magnesium values in river water ranged from 0.23 to 0.33 meq/l and 0.26 to 0.42 meq/l for wet and dry season respectively. For well water, Mg ranged from 0.28 to 0.52meq/l and from 0.28 to 0.47 meq/l for wet and dry seasons respectively. Thesodium concentration in river water ranged from 0.09 to 0.21 meq/l and from 0.18 to 0.32 meq/l for wet and dry season respectively. The values of sodium in well water ranged from 0.08 to 0.39 meq/l and from 0.07 to 0.33meq/l in the wet and dry season respectively.The potassium values in river water ranged from 0.44 to 5.41 mg/l and from 1 to 20.4 mg/l in the wet and dry season respectively. The K values in the well water ranged from 1 to 16 mg/l and from 0.08 to 7mg/l in wet and dry seasons respectively.The values of boron in the river water ranged from 0.46 to 0.76 mg/l and from 0.09 to 0.14 mg/l for wet and dry seasons respectively. In well water, boron values ranged from 0.1 to 0.3 mg/l and from 0.07 to 0.23 mg/l for wet and dry season respectively.The values of Fe ranged from 0.41 to 1.1 mg/l and from 0.41 to 2.3 mg/l for river and well water respectively. Mn ranged from 0.11 to 0.18 mg/l and from 0.09 to 0.23 mg/l for river and well water respectively. Sulphate values in the river water ranged from 0.07 to 0.92 meq/l and from 0.4 to 0.7 meq/l for wet and dry season respectively. In the well water, the values ranged from 0.1 to 1.06 meq/l and from 0.09 to 1 meq/l for wet and dry season respectively.The values of bicarbonate in the river water ranged from 0.60 to 1.01 meq/l and from 0.61 to 1.52 meq/l for wet and dry seasons respectively. The bicarbonate in the well water ranged from 0.59 to 1.63 meq/l and 0.3 to 0.96 meq/l for wet and dry seasons respectively.The values of total dissolved solids in water ranged from 87 to 340 mg/l and from 25 to 200 mg/l for river and well water respectively.

表1:描述性统计 点击这里查看表格

表2理化参数相关性 点击这里查看表格

通过生成Piper trili近图对水样进行了进一步分析。阳离子在左三角形上画，阴离子在右三角形上画。然后，通过将两个三角形的点投射到菱形处(图3,4)，获得菱形场。主要的水化学类型是Ca-Mg(土碱金属)类型，井水和河水样品均记录了100%(表3)，其次是SO₄^2－cl^-井水和河水的类型记录率分别为77.8%和50%。井水和河水样品中Na - K(碱金属)、碳酸钠和氯化钠类型完全不存在(0%)。两种HCO的比例_3.^-+有限公司_3.^2－河流水样中的钙型和碳酸钙型(各占50%)是井水中钙型和碳酸钙型(各占22.2%)的两倍以上。河水与大气接触，这使得二氧化碳在水中溶解形成碳酸氢盐离子成为可能。这种情况不容易发生在地下水中，因为地下水与大气隔绝。井水样品中不属于特定水化学相的比例大约是河流样品中不属于特定水化学相的比例的两倍。这可以归因于这样一个事实，即河水在流动过程中经历了更多的湍流混合，而地下水的混合较少。

图3:井水的Piper三线性图 点击这里查看图

图4:河水的Piper三线性图 点击这里查看图

表3:水样水化学分布 点击这里查看表格

灌溉用水水质评价

就灌溉而言，水的数量和质量同样重要(Sangodoyin和Ogedemgbe, 1991年)。水质是根据其预期用途来评估的。水的质量高度依赖于它的来源和在它周围发生的人为活动。对于灌溉用水，关注的不仅仅是它对作物生产力的适宜性;它对农业土壤和灌溉系统的影响也必须考虑在内。灌溉水适宜性(SIW)表示为:

SIW = f (Q, S, P, C, D)

在那里;Q =灌溉水质量，S =土壤类型，P =植物耐盐特性，C =气候，D =土壤排水特性。

索迪市的风险

评估灌溉水中的钠浓度至关重要，因为它在水中的高溶解度以及与灌溉水中的钠相关的负面影响。灌溉水钠含量超标会影响植物生长，并通过破坏土壤结构影响土壤渗透性。在极端情况下，可能对植物产生毒性，因此需要对灌溉水的钠含量进行评估。钠的百分比为



水样中钠的浓度通常很低。所有样品的钠浓度都在粮农组织(1994年)建议的范围内，而百分比钠值低于3meq/l，这意味着预计不会出现碱化问题。碱度是指土壤中存在过量的钠(Singh, 2000)。碱度引起粘土颗粒的膨胀和分散，表面结壳和孔隙堵塞(Bauder)等Al, 2011)，这些都加剧了渗透问题。这种情况使得植物很难获得足够的水分。过量的钠还会与植物争夺营养，因为钠的反应性极强。在使用洒水器的灌溉系统中，过量的钠会对树叶造成损害。由于Ca/Mg的比值大于1，钠的潜在影响就减小了。

盐度问题评价

灌溉水含有天然盐的混合物。用这种水灌溉的土壤将含有类似的混合物，但浓度通常高于施用的水(Oster和Rhoades, 1983)。一般来说，水样的电导率值较低。电导率是对溶解固体总量的测量。枯水期河水的电导率高于枯水期河水。河流水质往往与流量有关。雨季径流的稀释通常使总盐浓度保持在较低水平(Ochtman和Debele, 1975)。对于井水，雨季的电导率值高于旱季。根据FAO(1994)的标准，3.0 ds/m是灌溉水电导率的上限。为了正确评估灌溉水造成的盐度问题，必须考虑钠吸附比(SAR)和电导率的组合(Rhoades, 1977)。 SAR is used to evaluate sodium hazard and is determined as follows:



使用USSL(1954)灌溉水分类对盐度危害进行评估(图5)。三条斜线可以用以下表达式绘制:

上曲线S=43.75-8.87LogC .......(3)
中间曲线S= 31.31-6.66LogC .......(4)
下曲线S= 18.87-4.44LogC .......(5)

在哪里年代=钠吸附比和C=电导率。

图5显示，分析的所有样品在盐度危害方面均为优良质量(C1-S1级)。从表6可以看出，采样的河水和井水的含盐量都很适合灌溉。pH、EC、Ca、Mg和Na的值表明水没有盐度问题。因此，这三个集水区的水质很好，适合灌溉。这一点很重要，因为盐水增加了植物从土壤中吸收水分所需的渗透作用。因此，随着盐度的增加，即使土壤中有足够的水分，可供植物吸收的水分也会减少。灌溉水中过量的盐会进一步导致植物产量下降、植物叶片干燥和果实变色，从而导致市场价值下降。灌溉水含盐量高的问题可以通过优质水的浸出和稀释来解决。

图5:灌溉水质 基于USSL的分类(1954) 点击这里查看图

渗透风险

最常遇到和用来评价水质的土壤问题是与盐度、水入渗率和毒性问题有关的土壤问题(罗杰斯等, 2003;粮农组织,1994;Ayers and Westcot, 1994;美国农业部,2001;雅库布et al。, 2006)。高含盐量的灌溉水会引起土壤中的盐分积累，从而导致土壤结构问题。根据Ayers和Westcot(1985)的建议，SAR和电导率可以用来评估渗透风险。如前所述，水样不构成盐度威胁，但表5显示它们构成严重的渗透问题。所分析的水样均存在较高的渗水风险。灌溉水的入渗风险程度与土壤特性有关，土壤粘粒含量越高，风险越大。尽管水带来的入渗问题风险很高，但由于含沙量高，土壤尚未出现入渗问题(表4)。表4分别是在Logo、Ambighir和Katsina-Ala进行的入渗能力试验结果。入渗能力的数值落在适合多种作物和灌溉的范围内。从表4可以看出，土壤的入渗能力值较高，为9.56 × 10³厘米/秒到5.32 × 10²cm / s。入渗能力与土壤中砂的比例成正比，粘土含量随深度增加而增加。得到入渗能力与掺砂比例的多元回归模型(R= 0.773)(式6)。

K = 0.1砂+ 0.076粉- 0.089 .......(6)

Ks时的入渗能力为和和淤泥分别为砂和粉的比例(分数)。在模型中加入粘土含量并没有改善模型，因此可以推断，当这些土壤中发现的粘土含量存在时，粘土含量不应该引起关注。渗透问题也可能由极低的导电性(溶解盐太少)引起。在水样中观察到的电导率范围(0.0ds /m至0.13ds/m)可引起土壤团聚体的崩解。

表4:研究地点的渗透能力(K) 点击这里查看表格

当水渗入土壤和通过土壤的速度由于特定盐类的作用或水中缺乏盐类而降低，以致作物得不到充分的水供应而减产时，就可能发生与水质有关的渗透性问题。

表5:可能的危害摘要 与灌溉用水有关 点击这里查看表格

残余碳酸钠(RSC)

剩余碳酸钠的估算值为碳酸氢盐加碳酸氢盐与钙加镁的差值。井水的RSC范围为-0.573 ~ 1.594meq/l，河水的RSC范围为0.364 ~ 1.365meq/l。RSC值低于零被认为是安全的灌溉，而高于零则使土壤容易受到结构问题的影响。当高RSC导致钙通过降水(石灰沉积)从土壤中流失时，土壤结构问题就会出现。从表5可以看出，由于RSC高，所有河流水样都存在不同程度的土壤问题(55.6%为低，44.4%为中)，而33%的井水样品完全没有风险。这证明了井水中的钙含量比河水高，这可能是由于岩石中存在石灰石。当地下水流经石灰岩地层时，钙含量因阳离子交换而增加。虽然水样的RSC值表明可能存在结构问题，但表5显示不会发生石灰沉积。石灰沉积是由蒸发、二氧化碳作为气体的损失、温度升高和ph升高引起的。石灰沉积会在叶子和果实上留下白色斑块，从而降低作物的适销性，堵塞灌溉系统，并通过沉淀或降低溶解度减少植物可利用的营养物质。

其他危险

如果表1中总结的水样分析的值按表面值计算，则所有地点的所有参数无一例外都符合粮农组织(1994年)的标准。最常见的毒性问题来自灌溉水中的氯化物。这是因为氯化物不会被土壤吸附或阻挡。因此，它很容易随土壤-水移动(Maas, 1984)。一般来说，在干湿季节，河水和井水中的氯化物浓度都低于每升30立方米的安全限度(粮农组织，1994年)。低氯化物浓度可能是由于玄武岩的存在，阻止了海相白垩纪沉积物与淡水接触。但由表4可知，存在氯化物危害的可能性。经分析的所有河水样本均不存在氯化物危害，而50%的井水样本可能对洋葱、辣椒、胡萝卜和葡萄等作物有害。高浓度的氯化物会腐蚀植物的叶子和果实。这可以通过稀释和在灌溉期间避免叶子与水接触来防止。Pratt(1972)指出，微量元素的含量都在100微克/升以上，因此根本不构成任何风险。

结论

对贝努埃州卡齐纳-阿拉河流域一些地点的水质进行了评估，以确定这些水是否适合灌溉。发现河水和井水的水质适合广泛的灌溉，因为盐度、渗透性、毒性和其他与水质有关的参数都在粮农组织建议的可容忍限度之内(1994年)。因此，目前与使用地表水和地下水进行灌溉有关的危害非常低。然而，如果不采取适当的管理措施，土壤结构问题可能会发展。

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