不同灌水频率下设施土壤盐分时空变化特征

刘 涛，杜 磊，郑子成，李廷轩，张锡洲

(四川农业大学 资源学院，四川 成都 611130)



不同灌水频率下设施土壤盐分时空变化特征

刘 涛，杜 磊，郑子成*，李廷轩，张锡洲

(四川农业大学 资源学院，四川 成都 611130)

通过室内土箱模拟试验，探讨了不同灌水频率(5，10，15 d·次-1)下，栽培辣椒的设施土壤的盐分时空动态变化特征。结果表明，在各灌水频率条件下，根据土壤EC值变化，均可分为3个阶段：快速降低阶段(第1次灌水后1—20 d)、缓慢降低阶段(第1次灌水后21—40 d)和稳定阶段(第1次灌水后41—62 d)。不同灌水频率下0—20 cm土层EC值，在快速降低阶段和稳定阶段表现为5 d·次-1>10 d·次-1>15 d·次-1，而在缓慢降低阶段却表现为5 d·次-1>15 d·次-1>10 d·次-1。0—20 cm土层积盐量，在缓慢降低阶段和稳定阶段，均以10 d·次-1灌水频率下最低，表明其对0—20 cm土层盐分的淋洗作用较强。

灌水频率；次生盐渍化；土壤盐分；时空动态

设施农业的高效持续生产，对于促进现代农业的发展和进步，缓解我国人地矛盾具有重要的战略意义[1]。目前，我国设施栽培面积已达350万hm2[2]。由于设施大棚内的土壤长期缺乏雨水淋洗，加之水肥管理措施不合理等，土壤的次生盐渍化已成为设施农业生产中最为普遍的生产障碍问题。这不仅直接影响设施蔬菜产业发展，同时也给区域水土环境造成了一定的风险，制约着设施农业的可持续发展[3-5]。有研究表明，随着大棚种植年限的延长，设施土壤阳离子交换量和盐分含量均呈稳定上升的趋势[6-7]。如何解决生产上已出现的土壤次生盐渍化问题，确保设施农业的优质、高效持续发展，已成为土壤科技工作亟待解决的重要生产课题。

目前，土壤次生盐渍化防控的方法主要包括灌水[8-9]、施加化学改良剂[10-11]和系列工程措施[12-14]等。水分显著影响土体中溶质的迁移，“盐随水来，盐随水去”，灌水是解决设施土壤次生盐渍化较为常见的方式之一[15]。有研究表明，沟灌或漫灌条件下盐分主要以垂直运动为主，而滴灌条件下则是以滴灌带为中心盐分呈放射状运移[16]。不同灌水强度(包括灌水量和灌水频率等)的灌水洗盐效果各异。王若水等[1]研究表明，土壤剖面EC降幅随着总灌水量的增加而增加。高频灌水可增强耕层土壤盐分淋洗作用，有效抑制盐分向表层聚集[8]；低频灌水能使耕层土壤保持较高的水分，但却存在将盐分淋洗到深层土壤甚至淋洗出土体的风险[17-20]。可见，灌水频率对盐分淋洗的影响较为明显。

辣椒是经济价值较高的反季节蔬菜之一，在四川地区冬季大棚种植范围广，其根系分布浅，对设施土壤水分和盐分较敏感[21-22]。目前，土壤水盐运移研究多以西北干旱地区或典型盐渍化区的露地土壤为研究对象，且仅局限于灌水期前后土壤剖面水盐分布规律及土壤脱盐率等方面，针对大棚蔬菜种植地区作物生育期内土壤剖面盐分时空动态变化特征的相关报道甚少。因此，本研究拟采用室内土箱模拟试验方法，就不同灌水频率对栽培辣椒的设施土壤盐分时空动态变化的影响进行研究，以期寻求辣椒栽培条件下的最适灌水频率，为区域设施土壤次生盐渍化的有效防治提供一定理论依据。

1 材料与方法

1.1 土样的采集与制备

供试土壤于2012年7月下旬采自四川省成都市温江区金马镇四友村，该区域为成都市郊典型设施蔬菜栽培区。经实地调查可知，该区主要以种植辣椒、茄子和黄瓜等为主，施用肥料主要以化学复合肥为主，地下水埋深介于50～60 cm。按0—10，10—20，20—30，30—40，40—50 cm分层采集，采集土样分为两部分，一部分风干备用，一部分用于测定土壤基本理化性质。

1.2 试验处理

本课题组前期研究成果表明，设施栽培条件下，单次灌水后，盐分在灌水15 d后出现明显表聚，且在灌水后5—15 d内，表层土壤盐分运移受温度影响较明显[23]。因此，本研究灌水频率分别设定为5 d·次-1(5 d灌1次水)、10 d·次-1(10 d灌1次水)和15 d·次-1(15 d灌1次水)3个水平。基于当地设施蔬菜需水量的平均水平，且为避免灌水总量差异给试验带来的影响，确定本研究各灌水频率辣椒生育期内每一土箱灌水总量均为22.75 L。

1.3 土箱设计与填充

室内土箱模拟试验于2013年11月5日在四川农业大学教学科研园区标准温室内进行。试验设备由土箱和Hydra土壤水分/盐分/温度测试仪两部分组成，测试仪分别埋设于距表层5，15，25，35和45 cm处。土箱采用厚6 mm的PVC板和透明有机板制成，土箱长、宽、高分别为36，15，70 cm。经室内测定可知，采集土壤质地为黏壤土，各土层容重介于1.00～1.45 g·cm-3之间，土壤pH值6.2左右，微酸性，表层土壤EC值为0.5 mS·cm-1，属轻度盐渍化土。填土前，在土箱底部填充10 cm细沙做反滤层，并安装玻璃管连接出流液收集装置，土箱顶部预留一定高度，保证供水。将自然风干土过2 mm筛，混合均匀的土壤按照各土层田间实测含水量进行配水处理，然后按原位采集各土层的实测容重，以10 cm为单位分层装入土箱。

1.4 辣椒定植与后期管理

土箱填充完毕后，将辣椒苗以每箱一株进行移植，肥料按当地施肥方式，环施于土壤表层，氮(N)、磷(P2O5)、钾肥(K2O)用量分别为0.067，0.033，0.047 g·kg-1(换算成大田施用量分别为150，75，105 kg·hm-2)，所施肥料均为分析纯。监测时间内，各灌水频率灌水次数分别为13次、7次和5次，采用漫灌方式直接灌于土壤表层，为避免灌溉水带入盐分离子，灌溉用水为去离子水[24]。

1.5 测定项目及方法

试验过程中，于每天10∶00用Hydra土壤水分/盐分/温度测试仪(WS2POGO，USA)直接测定不同土层电导率(EC)，监测时间持续至辣椒成熟期，持续时间为62 d。

1.6 数据处理

土壤含盐量计算公式如下[25]：

Si=EC×0.064×5×10。

(1)

式(1)中，Si为第i土层含盐量(g·kg-1)；EC为Hydra土壤水分/盐分/温度测试仪监测所得电导率。

各监测期的单位体积盐含量计算公式如下[26]：

S=∑(A×H×Di×Si)。

(2)

式(2)中，S为土体积盐量(g)；A为土箱底面积(cm2)；H为土层厚度(cm)；Si为第i土层含盐量(g·kg-1)；Di为第i土层容重(g·cm-3)。

采用Microsoft Excel 2003和Surfer 8.0进行数据处理和图表制作，利用DPS v7.5版进行统计分析，对有显著差异的处理采用LSD法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 土壤剖面EC值的时间动态

如图1所示，第1次灌水后，各灌水频率0—40 cm土层EC值在0—20 d内快速降低，21—40 d缓慢降低，41—62 d趋于稳定；40—50 cm土层EC值在5 d·次-1和10 d·次-1的灌水频率下呈先增大后减小的趋势，并在灌水40 d后趋于稳定。这表明，各灌水频率对土壤剖面盐分的淋洗作用均随时间的推移逐渐减弱。据此，可将辣椒生育期内土壤剖面EC值的变化分为3个阶段：快速降低阶段(第1次灌水后1—20 d)、缓慢降低阶段(第1次灌水后21—40 d)和稳定阶段(第1次灌水后41—62 d)。

在0—40 cm土层，各灌水频率条件下第1次灌水后土壤EC值总体表现为5 d·次-1>10 d·次-1>15 d·次-1，且各灌水频率间土壤EC值差异随着时间推移而增大。其中，0—20 cm土层，灌水频率5 d·次-1的土壤EC值比10 d·次-1和15 d·次-1的分别高11.66%～14.69%和17.90%～25.89%，土壤EC值的变异系数在各灌水频率条件下表现为10 d·次-1>15 d·次-1>5 d·次-1。40—50 cm土层，灌水频率10 d·次-1的土壤EC值分别较5 d·次-1和15 d·次-1的高31.40%和25.17%，土壤EC值的变异系数表现为10 d·次-1>5 d·次-1>15 d·次-1(表1)。

2.2 不同阶段土壤剖面EC值分布特征

按2.1节所述，将监测期按土壤剖面EC值的变化分为3个阶段：快速降低阶段(第1次灌水后1—20 d)、缓慢降低阶段(第1次灌水后21—40 d)和稳定阶段(第1次灌水后41—62 d)。分别对比各阶段不同灌水频率土壤剖面EC值的变化情况。如图2所示，0—20 cm土层在快速降低阶段和稳定阶段，不同灌水频率下土壤EC值表现为5 d·次-1>10 d·次-1>15 d·次-1，而在缓慢降低阶段，EC值却表现为5 d·次-1>15 d·次-1>10 d·次-1。这表明，在快速降低阶段，灌水对0—20 cm土层盐分的淋洗作用随着灌水频率的降低而逐渐增强，这是由于低频灌水每次灌水量较大，EC值降幅相应增大所致(表2)。不同灌水频率下40—50 cm土层EC值在各阶段均表现为10 d·次-1>5 d·次-1和15 d·次-1。快速降低阶段，灌水频率为5 d·次-1和10 d·次-1的处理，其盐分离子有累积于下部土层的优势，且以10 d·次-1处理的优势强于5 d·次-1，但由于在EC值缓慢降低阶段后这2种灌水频率下均出现优先流，40—50 cm土层EC值降幅大幅增加(表2)，导致这一优势逐渐减弱。

从左到右对应的灌水频率分别为5 d·次-1、10 d·次-1、15 d·次-1图1 各灌水频率土壤剖面EC值(S·m-1)分布特征Fig.1 Distribution of EC (S·m-1) in soil profile under different irrigation frequencies

表1 不同灌水频率下各土层EC平均值及其变异系数

Table 1 Mean and variation coefficient of EC in each soil layer under different irrigation frequencies

土层/cm不同灌水频率的土壤EC值/(S·m-1)5d·次-110d·次-115d·次-1不同灌水频率的土壤EC值变异系数/%5d·次-110d·次-115d·次-10—100.0520.0470.04436.48240.75037.05010—200.0600.0520.04831.32846.07942.50620—300.0610.0460.05416.94629.40223.11030—400.0580.0470.05524.97244.16223.74340—500.0490.0640.05133.63036.62926.650

在稳定阶段，5 d·次-1灌水频率下0—10 cm土层EC值与其他灌水频率下差异较小，且EC值降幅较大，表明其能有效缓解盐分表聚。竖直方向上，5 d·次-1灌水频率下EC值随着土层向下呈先增大后减小的单峰趋势，以20—30 cm土层EC值最大，表明5 d·次-1灌水能将盐分离子累积于中部土层，降低盐分流失出土壤剖面的风险。而10 d·次-1灌水频率下却由于优先流作用使得40—50 cm土层EC值降幅较大(表2)，有增大盐分流失量、危害地下水环境的风险。

2.3 不同阶段单位土体积盐量空间分布特征

如图3所示，5 d·次-1、10 d·次-1、15 d·次-1灌水频率下0—20 cm和20—50 cm土层积盐量，从快速降低阶段到缓慢降低阶段分别降低了31.52%，47.83%，31.45%和28.09%，38.17%，25.69%；从缓慢降低阶段到稳定阶段分别降低了28.15%，13.64%，18.70%和11.06%，24.79%，20.46%。总体来看，灌水对0—20 cm土层盐分的淋洗作用强于20—50 cm土层，且0—20 cm和20—50 cm土层积盐量均随时间的推移而降低，但降幅在逐渐减小。0—20 cm土层积盐量，在缓慢降低阶段和稳定阶段，均以10 d·次-1灌水频率下最低，分别比5 d·次-1、15 d·次-1低26.07%，19.80%和11.13%，14.81%，这表明，10 d·次-1的灌水频率对0—20 cm土层盐分的淋洗作用较强。20—50 cm土层积盐量，在快速降低阶段，10 d·次-1较5 d·次-1、15 d·次-1高6.19%，10.23%，而在稳定阶段，却较5 d·次-1、15 d·次-1低22.78%，13.27%，这表明10 d·次-1的灌水频率下，在EC值快速降低阶段有将更多盐分离子累积于下部土层的优势，但在EC值稳定阶段时，这一优势已不明显。反观5 d·次-1的灌水频率，其在稳定阶段不仅可保证0—20 cm土层积盐量较低，还可有效将更多的盐分离子累积于20—50 cm土层，优势更明显。

从左到右对应的分别为快速降低阶段、缓慢降低阶段和稳定阶段图2 不同灌水频率下各阶段EC值分布Fig.2 Distribution of EC in each stage under different irrigation frequencies

表2 不同灌水频率下各阶段EC值降幅(单位：%)

Table 2 Amplitude reduction of EC in each stage under different irrigation frequencies(Unit: %)

土层/cm快速降低阶段降幅5d·次-110d·次-115d·次-1缓慢降低阶段降幅5d·次-110d·次-115d·次-1稳定阶段降幅5d·次-110d·次-115d·次-10—1040.5943.1464.2928.3333.3327.6626.835.712.8610—2042.0658.0454.3126.0941.5141.510.005.006.4520—3048.6042.6834.483.5113.6422.411.755.268.8930—4020.4841.5733.7230.4343.4022.814.266.254.3540—50-5.36-24.6424.3248.4448.8622.228.3328.007.50

A, 快速降低阶段；B, 缓慢降低阶段；C, 稳定阶段。相同监测阶段各处理间无相同小写字母的表示灌水频率间差异显著(P<0.05)；相同灌水频率下无相同上标小写字母的表示在不同监测阶段差异显著(P<0.05)。图3 不同灌水频率下各阶段0—20 cm(上)和20—50 cm(下)土层单位土体积盐量Fig.3 Salt accumulation in 0-20(up) and 20-50(down) cm soil layers in each stage under different irrigation frequencies

3 讨论

本研究结果表明，灌水以后，土壤剖面EC值变化可分为快速降低阶段、缓慢降低阶段和稳定阶段，对盐分的淋洗作用随时间推移逐渐减弱。这主要是因为：首先，土壤剖面干湿交替会影响土壤导水能力[19]，导致盐分离子在土壤中的迁移能力降低，进而影响灌水对盐分离子的淋洗作用[12]；其次，随着时间的推移，表层部分土壤结皮，进入土壤的水分逐渐减少，加上作物耗水作用的增强，会加快表层土壤水分消耗速度，导致每次灌水前土壤水分含量逐渐降低，影响下次灌水的水分入渗[27]，从而降低灌水对土壤剖面盐分的淋洗效果；再次，Bogner等[28]和张英虎等[29]研究表明，优先流的产生与植物根系生长关系密切。在本试验条件下，干湿交替和辣椒根系穿插使得土壤剖面产生裂隙，土壤水分除垂直入渗外，形成的优先流直接到达下层土壤[30-31]，降低了水分对表层土壤盐分的淋洗作用。

本试验条件下，优先流的出现会影响到土壤剖面盐分迁移，各灌水频率土壤剖面出现优先流的时间有所差异。研究结果表明，当灌水频率为5 d·次-1时，在缓慢降低阶段出现优先流现象；当灌水频率为10 d·次-1时，在稳定阶段出现优先流现象；而当灌水频率为15 d·次-1时，在整个试验阶段均未出现此现象。可见，在本研究条件下，灌水频率越高，优先流的出现时间越早。竖直方向上，不同灌水频率下各时期土壤剖面盐分离子迁移规律、各土层积盐特征以及灌水对盐分离子淋洗作用均有所差异。其中，0—20 cm土层，快速降低阶段盐分离子降幅随着灌水频率的降低而逐渐增大。这是因为，此阶段土壤保水性较好[18]，灌水能够持续保证土壤剖面较高的水分含量，且水分主要靠重力势向下运动，盐分得到充分淋洗；但随着灌水频率的降低，单位时间内下渗的水分在增加，被淋洗的盐分增加。至稳定阶段，0—20 cm土层10 d·次-1灌水频率下土壤积盐量均低于其他灌水频率。可见，在本试验条件下，在灌水前期，低的灌水频率对土壤剖面盐分的淋洗作用强于高的灌水频率，这与王克全等[32]的研究结果较一致，但10 d·次-1灌水频率下对土壤剖面盐分的持续淋洗效果明显优于其他灌水频率。对于20—50 cm土层，在快速降低阶段，积盐量在10 d·次-1灌水频率下最大，这表明在该灌水频率下，盐分在下层土壤的累积现象强于其他灌水频率，15 d·次-1的灌水频率存在将盐分离子淋洗出土体的风险。需要指出的是，虽然10 d·次-1的灌水频率下，盐分在40—50 cm土层的累积情况优于其他灌水频率，但随着时间的推移，其对下部土层盐分离子的淋洗作用有所增强，盐分离子流失现象会更加明显。综上，在缓慢降低阶段之前均可使用中频灌水，但在稳定阶段，高频灌水不仅可有效避免盐分表聚，还能降低下部土层盐分离子流失风险，因此，在EC值稳定阶段，使用高频灌水较为适宜。

4 结论

(1)在各灌水频率条件下，根据土壤EC值变化，均可分为3个阶段：灌水后0—20 d为快速脱盐阶段，灌水后21—40 d为缓慢脱盐阶段，在灌水41 d后为盐分稳定阶段。以各频率灌水，其对土壤盐分的淋洗效果均随时间推移而逐渐减弱。

(2)在本试验条件下，各灌水频率产生优先流的顺序为5 d·次-1>10 d·次-1>15 d·次-1。10 d·次-1灌水频率对土壤盐分的淋洗效果明显优于其他灌水频率，可有效避免盐分离子向表层聚集；5 d·次-1的灌水频率在灌水后期可有效避免下部土层盐分离子流失。因此，建议在灌水中前期采用10 d·次-1的灌水频率，而在灌水后期采用5 d·次-1的灌水频率。

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(责任编辑 高 峻)

Temporal and spatial variation characteristics of salt in greenhouse soils under different irrigation frequencies

LIU Tao， DU Lei， ZHENG Zi-cheng*， LI Ting-xuan， ZHANG Xi-zhou

(CollegeofResources，SichuanAgriculturalUniversity，Chengdu611130，China)

In the present study， temporal and spatial variation characteristics of salt in greenhouse soils were explored under different irrigation frequencies (every 5， 10， 15 d) during pepper growth by simulated experiments of soil box in greenhouse. It was shown that the whole monitoring period could be classified into 3 phases based on the changes of soil electrical conductivity (EC): rapid decrease phase (1-20 d after first irrigation)， slow decrease phase (21-40 d after first irrigation) and stable phase (41-62 d after first irrigation). In rapid decrease phase and stable phase， EC value in 0-20 cm soil layer decreased as every 5 d > every 10 d > every 15 d. In slow decrease phase， EC value in 0-20 cm soil layer decreased as every 5 d > every 15 d > every 10 d. In both slow decrease phase and stable phase， the smallest salt accumulation in 0-20 cm soil layer was found under the irrigation frequency of every 10 d， indicating a stronger salt-leaching effect of this irrigation frequency.

irrigation frequercy; secondary salinization; soil salinity; spatial and temporal dynamic

10.3969/j.issn.1004-1524.2016.06.23

2016-01-26

国家自然科学基金资助项目(40901138)；四川省学术和技术带头人培养资金资助项目(2012)；四川农业大学学科建设双支计划团队项目(2015)

刘涛(1980—)，男，四川绵阳人，硕士，助理研究员，从事土壤物理与信息技术方面的研究。E-mail：tao666@163.com

*通信作者，郑子成，E-mail：zichengzheng@aliyun.com

S158.5

A

1004-1524(2016)06-1048-07

刘涛，杜磊，郑子成，等. 不同灌水频率下设施土壤盐分时空变化特征[J]. 浙江农业学报，2016，28(6)： 1048-1054.