内蒙古河套灌区不同灌溉模式对土壤温度及盐分的影响

孙贯芳，屈忠义，杜 斌，任中生，李金刚

(内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，呼和浩特 010018)

土壤温度和盐分是土壤环境的重要参数，其作为影响作物生长发育的重要因素一直是研究的热点[1-5]。灌溉可以调控土壤温度和盐分，明显地增加作物产量,但因灌溉不当引起的区域水资源亏缺和农田水土环境恶化会严重威胁灌溉农业生态系统的可持续性[6]。

内蒙古河套灌区属于典型的干旱盐渍化灌区，近年来虽相继实施了以骨干渠道衬砌与建筑物配套为重点的节水配套与改造工程，解决了输水过程中的渗漏损失，但田间灌水模式基本为传统的黄河水地面灌溉，灌溉水利用系数低，灌溉水大量补给地下水，造成土壤次生盐渍化。为解决好田间节水“最后一公里”问题，河套灌区以井渠结合为基础，在井灌区采用膜下滴灌，渠灌区采用黄河水地面灌溉的灌排模式正在初步进行尝试，灌区内黄河水地面灌溉、井水地面灌溉和井水滴灌三种灌溉模式并存。本文针对这一现状，研究了不同灌溉模式(黄灌、井灌、滴灌)对玉米田土壤温度及盐分平衡的影响，以期为内蒙古河套灌区井渠结合膜下滴灌提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验监测区位于内蒙古河套灌区临河区双河镇进步村九庄农业合作社(107°18′E，40°41′N)。该地深处内陆，属于中温带半干旱大陆性气候，多年年均降水量140 mm，平均气温 6.8 ℃，昼夜温差大，日照时间长，多年日照时间平均值为3 229.9 h，是我国日照时数较长的地区之一。光、热、水同期，无霜期为130 d左右，适宜于农作物生长。试验区以粉砂壤土为主，土壤平均密度为1.38 g/cm3，土壤全氮量、全磷量、全钾量(质量比)分别为0.093%、0.07%、1.60%，有机质1.2%，pH值为7.6。年内地下水位变化较大，埋深在0～3 m之间，3月最深，在2.5 m以下，11月秋浇后最浅，与地表齐平。试验研究区井灌、滴灌灌溉水矿化度1.07 g/L，灌溉所用黄河水矿化度0.6～0.8 g/L。

1.2 土壤温度的观测

土壤温度采用地埋式8通路温度记录仪(YM-04)实时观测，温度计埋设位置分别为膜内滴头正下方5、15、25、40 cm，膜外(即指两地膜之间裸地正中间位置)5、15、25、40 cm处，分别简记为M5、M15、M25、M40，X5、X 15、X 25、X 40。土壤温度记录仪精度±0.02 ℃，温度分辨率0.05 ℃。6月1日晚20∶00点开始自动记录，每1 h记录一次温度，滴灌监测和黄河水地面灌溉(简记为黄灌)监测田块处理号分别记为D、H，是9月24日上午10∶00结束记录,井水地面灌溉(简记为井灌)监测地块处理号记为J，由于8月13日收成青储，故温度记录数据处理到8月上旬结束。

1.3 土壤盐分的观测

土壤盐分在播前和收获后分别取土测试。播前取土方法为监测田块随机取三点，0～60 cm每10 cm取一层，60～100 cm每20 cm取一层。玉米收获后黄灌、井灌按照播前取土方法在膜内、膜外分别取土，滴灌在距滴灌带垂直距离0、17.5、35、60 cm处分别取土，分层方法同播前。风干土经碾磨、过筛后，用电导率仪(上海雷磁电导率仪DDSJ-308A)测试水土比为 5∶1的土壤浸提液的电导率，后经该实验区土壤盐分Y(%)与电导率EC的数理统计关系方程式Y=0.349EC计算土壤全盐含量。

2 结果与分析

2.1 不同灌溉模式下土壤剖面温度时空变化

从图1可知，不同监测田块土壤剖面温度月季变化明显，不论膜内膜外土壤温度均是6月>7月>8月>9月，而大气气温则是7月最高，主要原因可能是由于6月份玉米处于苗期，叶面积指数小，太阳对地面辐射强烈，白天地面升温快，土壤表层温度明显高于底层，土壤温度由表层向底层传输。而7月份，玉米几乎完全覆盖地面，太阳对地面的直接辐射作用减弱，加之作物耗水量增大，灌水频繁，作物的吸水吸热作用致使7月份土壤剖面温度明显低于6月份，土壤温度随深度变化差距进一步缩小。8月份时大气温度下降太阳直射作用进一步较弱，土壤剖面温度由下至上逐渐散失，土壤各层温度趋于一致。9月份大气气温进一步下降，土壤表层温度随之下降致使土壤温度表层低于深层温度。但整个作物生育期膜内膜外温度差距不大，滴灌各月膜内较膜外温度低0.04%～5.95%，且随着时间的推移，膜内外温度差异越来越小；黄灌膜内较膜外增温-0.41%～1.88%，井灌膜内较膜外增温0.11%～0.78%，也呈现差异性随时间推移降低的规律。黄灌、井灌和滴灌，不同月份土壤温度与土层深度均符合指数关系，决定系数R2最小是0.75，最大是0.99，其拟合的程度是生育期前期好于后期。

图1 土壤温度时空变化图

2.2 不同灌溉模式下膜内5 cm土壤温度对比

六七月份是玉米需水的旺季，黄灌灌水两次(6月21日、7月12日)；井灌灌水两次(6月19日、7月12日)，滴灌灌水5次(6月11日、6月20日、6月27日、7月9日、7月24日)，土壤温度受气温、灌水的影响而波动，如图2(a)所示，黄灌灌水后膜内表层温度波动较小，井灌灌水使膜内土壤表层温度下降，滴灌灌水使得土壤温度剧烈下降，其原因主要是黄河水经过长距离的渠道输水，温度基本同环境温度一样，灌溉后对农田土壤温度影响较小，井灌也经过田间毛渠输水，水温提升，而滴灌是管道输水，水温始终很低，灌溉后农田温度剧烈下降，降幅10 ℃左右,但平均温度黄灌较井灌温度高0.47 ℃，较滴灌高1.18 ℃。如图2(b)所示，膜内5 cm土壤日温度10日滑动平均结果表明，黄灌、井灌膜内5 cm土壤温度波动较小，且变化趋势一致，6月中下旬的灌水使得膜内5 cm土壤温度平均降低4～5 ℃，自6月下旬开始黄灌10 d平均土壤温度始终高于井灌0.35～1.53 ℃。滴灌10日平均温度基本小于井灌，灌水期内更加明显，而在无灌水的时间内滴灌温度会上升高于井灌，接近于黄灌温度，说明频繁滴灌井水是土壤温度降低的主要原因。膜内5 cm土壤30日平均温度计算结果表明土壤温度始终是黄灌>井灌>滴灌，如图2(c)所示，黄灌较井灌温度始终高0.34～1.02 ℃，较滴灌高1.12～1.98 ℃。综上可知，膜下滴灌频繁的灌水使得土壤温度总体低于地面灌溉，且灌水后土壤表层5 cm温度较地面灌溉下降剧烈，但灌后膜下滴灌土壤处于非饱和状态，气热的频繁交换会使土壤温度快速恢复至玉米生长发育所需的适宜水热气环境。

图2 6-7月膜内5 cm土壤温度变化图

2.3 不同灌溉模式下土壤盐分平衡分析

对不同灌溉模式下1 m 土体土壤盐分进行平衡分析是评价不同灌溉模式盐分累积状况的重要方法。土壤亩含盐总量根据不同取样点控制质量加权计算，参考文献[7]计算公式如下：

(1)

式中：S为盐分总量，kg/hm2；Sni为取样点的含盐量，g/kg；Ln为取样点控制土体宽度，m；hi为取样点控制土体厚度，m；γ为土壤密度(取均值1.38 g/cm3)；n为1.2 m宽度土壤剖面取样点；i为1 m深土体取样点。

仅考虑播前收后土壤盐分总量变化，根据质量守恒定律，盐分均衡方程为：

ΔS=S2-S1

(2)

式中：ΔS为播前收后土壤盐分的改变量，kg/hm2，ΔS>0说明生育期土壤积盐，ΔS<0 说明生育期土壤脱盐，ΔS1=0说明生育期土壤盐分平衡；S2为收割后土壤盐分总量，kg/hm2；S1为播种前土壤盐分总量，kg/hm2。

分别按照公式(1)、(2)计算黄灌、井灌、滴灌0～100、0～60 cm土壤盐分改变量，结果如图3所示。不论黄灌、井灌还是滴灌生育期0～100、0～60 cm范围内均积盐，由于地膜保墒的作用减小土体垂直蒸发抑制了盐分向上运动，而膜外蒸发强烈，故0～100 cm膜外盐分增加量较膜内盐分分别高 26.5%、97.7%、67.8%，0～60 cm较膜内分别高112.7%，78.8%，787%，滴灌0～60 cm膜外增加盐分远远高于膜内的主要原因是膜下滴灌膜外微区环境的蒸发作用使得盐分随水分上移，而滴灌的局部湿润作用使得膜外盐分得不到淋洗，盐分表聚明显。通过膜内膜外土壤盐分的平衡计算，进一步解释和揭示了干旱强蒸发灌区膜下滴灌盐分定向迁移机制，即膜下滴灌土壤水盐具有水平方向由膜中向膜边地表裸露区定向迁移，垂直方向则由下向上层运移且趋于膜外边界积累的趋势[8]。因此，周和平等人提出膜下滴灌地表排盐模式，并取得了良好的效果[9]，但其必须要求盐分向农田下游末端排泄有出路，在河套灌区真正实施有一定困难。

图3 不同灌溉模式盐分平衡图

相比于地面灌溉，滴灌灌溉定额小，同一水质条件下引入土壤的盐分少，有利于盐分的进一步控制，Meixian Liu等[10](2013年)研究发现，用电导率达到7.42 dS/m的微咸水进行膜下滴灌，用150 mm秋浇定额淋洗后，土壤盐分均淋洗到60 cm以下土层，作物根区土壤电导率在下一年仅为0.2 dS/m，说明秋浇可很好的控制滴灌土壤盐分，同时又符合河套灌区的灌溉传统。但目前对于滴灌条件下的秋浇或春汇洗盐灌溉制度尚缺乏系统的研究，而一般作物利用水分的有效土层深度为 1 m[11]，根据“盐随水动”的理论，可以认为，土壤盐分被淋洗出 1 m 土层后不会再对作物生长造成大的影响。故假设滴灌盐分累积至井灌生育期始末盐分差值水平洗盐且井灌一年一洗盐，根据0～100 cm播前收后土壤盐分的改变量进行判断，滴灌需2年一次秋浇洗盐。但由于灌溉水质的差异，生育期井灌、滴灌灌溉制度的差异及降雨等各因素的影响，具体合理的滴灌洗盐制度还需进一步细致研究。

3 结 语

(1)玉米生育期内不同灌溉模式土壤温度月季变化明显，膜内膜外土壤温度均是6月>7月>8月>9月，且膜内外土壤温度随着时间的推移差异越来越小，不同月份土壤温度与土层深度均符合指数关系，其拟合的程度是生育期前期好于后期。玉米需水旺季(6、7月)膜内5 cm土壤日温度受灌水影响程度依次是滴灌>井灌>黄灌，膜下滴灌频繁的灌水使得土壤温度总体低于地面灌溉，且灌水后土壤表层5 cm温度较地面灌溉下降剧烈，但灌后膜下滴灌土壤处于非饱和状态，气热的频繁交换会使土壤温度快速恢复至玉米生长发育所需的适宜水热环境。

(2)由于地膜保墒抑盐及膜外的强烈蒸发作用，生育期0～60 cm膜外较膜内盐分增加率远远大于0～100 cm，解释和揭示了干旱强蒸发灌区膜下滴灌盐分定向迁移机制。综合考虑作物生长需求及河套灌区灌溉习惯，建议采用秋浇进行滴灌盐分控制，若井灌一年一洗盐，滴灌 0～100 cm盐分累积至井灌土壤盐分需2年一次秋浇洗盐。

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