高垄滴灌条件下盐碱地土壤盐分再分布研究

2017-03-21崔婷婷杨建国李王成

节水灌溉 2017年9期

崔婷婷，杨建国，李王成,3,4

(1.宁夏大学土木与水利工程学院，银川 750021；2.宁夏农林科学院农业资源与环境研究所，银川 750002； 3.宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心，银川 750021；4.旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心，银川 750021)

引黄灌区地处西北干旱地区，降雨稀少，年际年内分配不均，蒸发强烈，农业生产在很大程度上依靠灌溉，可以说没有灌溉就没有农业。在引黄灌区两千多年的发展过程中，同样是由于灌溉技术落后、灌溉管理粗放、灌溉工程不配套以及灌溉工程老化失修等问题，不仅造成水的极大浪费，而且还引起土壤盐渍化危害[1]。水既是造成土壤盐渍化的媒介，也是治理土壤盐渍化的动力，但是对于盐渍化土壤，继续采用大水冲洗控制土壤盐分、维持土壤耕层中盐分动态平衡的粗放方式已经不能适应以节水为中心的灌区现代农业的要求。在日益严峻的水资源形势下，如何进行引黄灌区节水防盐水资源综合管理已经是亟待解决的问题，这一问题的回答不仅是解决引黄灌区农业水资源供需矛盾的需要，对解决长期困扰引黄灌区农业发展的土壤盐渍化问题也具有直接的指导意义。

起垄能提高地温、增加土壤透气性、促进蔬菜根系，滴灌具有能降低棚内空气湿度、减少病虫害的发生、地温降幅较小、节水、节能、增产、省工、省肥等优点，高垄为根系生长提供了与周围土壤相对隔绝的环境[2]，滴灌期间只存在地下土壤的返盐，而不存在根系周围土壤的返盐，与普通滴灌技术相比，高垄滴灌栽培技术采用合理的参数设置能有效淋洗盐分、降低返盐程度，而且节省肥料，降低环境污染[3]。将盐碱地水盐运移理论与合理的滴灌系统相结合探讨高垄滴灌条件下的水盐运移规律对盐碱地治理与农业指导有着重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地位于石嘴山市平罗县前进农场(38°50′N，106°24′E)，属內陆中温带干旱地区，是典型的大陆性气候，境内四季分明，昼夜温差大，日照长，降雨较少，蒸发量大。试验地0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm土层土壤容重分别为1.64、1.58、1.67、1.72、1.57 g/cm3；耕层土壤有机质10.2 g/kg、全量氮0.51 g/kg、全量磷0.60 g/kg、全量钾18.0 g/kg、碱解氮32 mg/kg、有效磷15.5 mg/kg、速效钾410 mg/kg、有效铁13.0 mg/kg、有效锰5.06 mg/kg、有效铜0.92 mg/kg、有效锌1.11 mg/kg。

1.2 试验内容

1.2.1 试验设计与布置

本试验区面积根据种植模式设置为10 m×67 m2。采用高垄滴灌的农艺措施，试验区共分两个区域：中度盐渍化区域和重度盐渍化区域。滴灌带布置方式为7月10日之前一管两行，滴灌带位于垄中间，7月10日以后一管一行，滴灌带位于作物处。垄肩宽0.5 m，垄高0.25 m，垄距1.1 m，垄作种植模式如图1所示。采用宽窄行的种植方式，宽行间距70 cm，窄行间距40 cm，株距20 cm。滴头间距25 cm。每个小区配备一个水表以保证每个小区单独灌水的要求并使用张力计测量土壤水吸力，根据需要换算为土壤水分。

图1 滴灌带田间布置图(单位：cm)

图2 滴灌带取土位置图(单位：cm)

1.2.2 土壤样品采集

本试验依据土壤盐渍化程度分为两个大区，中度盐渍化Ⅰ区和重度盐渍化Ⅱ区，在春灌前、播种前、灌水前后、雨后取土，布置一条滴灌带时，取样点分别距离滴头0、20、40 cm。布置两条滴灌带时，取样点分别距离滴头-20、0、20 cm。取样点分布图见图2(A、B、C代表中度盐渍化农田取样点，a、b、c代表重度盐渍化农田取样点)，每个取样点分0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm 5层取样。由于地下水位比较低，忽略地下水补给。中度盐渍化区土壤初始全盐量为3.805%、pH为9.66；重度盐渍化区土壤初始全盐量为7.849%、pH为9.96。

1.2.3 全生育周期灌水情况

全生育周期共灌水5次，每次灌水450 m3/hm2(见表1)。

表1 作物全生育周期灌水时间及灌水量 m3/hm2

2 结果与分析

2.1 土壤水分的变化

2.1.1 土壤水分随时间的变化

土壤含水率的升降主要受到降雨和灌溉的影响[4]。灌溉后土壤含水率会明显上升。由图3和图4可知0～20 cm土层中出现3个峰值，分别是灌水或降雨结束后3～4 d，且土壤含水率C>B>A，c>b>a。高垄在滴灌作用下，水分从水势高的地方向水势低的地方运动，通过垂直入渗以及水平入渗，使更多的水分汇集在了垄沟中。随着土壤深度的增加，土壤含水率受降雨和灌溉影响较小，变化波动较为平缓，由于没有地下水补给，深层的土壤含水率主要受上层水下渗、植物对土壤水的吸收以及黏土的保水能力所控制。但整体而言，3个点位的土壤含水率C>B>A、c>b>a。由此说明高垄滴灌影响了水分的分布，使滴灌带下的点位含水率处于较高水平，使更多的水汇集在垄沟里，从而有助于盐分的淋洗，达到脱盐效果。

图3 中度盐渍化农田不同点位土壤含水率的变化

图4 重度盐渍化农田不同点位土壤含水率的变化

2.1.2 土壤水分随深度的变化

由图5和表2可知，在中度盐渍化农田以及重度盐渍化农田中，随着土壤深度的增加，土壤含水率逐渐增加，3个点位的土壤含水率C>B>A、c>b>a，但差异不大。在高垄滴灌条件下中度盐渍化农田处于垄沟中的点位C比处在垄中央的点位A在表层高6.0%，比处在垄边的点位B高5.6%。在测定土壤最下层80～100 cm，土壤含水率C比A大2.6%，比B大0.5%。重度盐渍化农田中，表层的c比a的含水率高7.9%，比b高0.7%。测定土壤最下层c比a高3.6%，比b高2.5%。说明，盐渍化农田中，垄沟中的土壤含水率要高于垄的土壤含水率，高垄有助于土壤水的运移。

由表2可知，不同盐渍化程度农田的同一点位的同一土层深度，重度盐渍化农田的含水率略高于中度盐渍化农田，且在测定的最下层80～100 cm最为显著，a比A高35.1%，b比B高33.7%，c比C高36.4%。出现这种情况的原因是：重度盐渍化农田作物生长较差，株高茎粗均不及中度盐渍化农田作物，因此对于水的吸收较弱，底层土壤水向上运移供植物吸收作用较小。由于表层受降雨和灌溉的影响较大，故表层的含水率变异性最大，Cv均在0.11以上最大可达到0.17。其他土层Cv值较小，平均都在0.1以下。根据雷志栋[5]等人所著的《土壤水动力学》中对Cv的评估标准可以判定出表层土壤含水率呈中等变异性，其余土层呈弱变异性。

图5 不同深度土壤含水率变化

2.2 土壤盐分的变化

2.2.1 土壤盐分随时间的变化

(1)随着时间变化各个土层土壤盐分分布整体情况。生育周期内，土壤盐分随着时间的变化，各个土层的3个点位全盐量呈现出下降-上升的规律。在4-6月大田没有起垄，在此期间随着温度的升高，土壤蒸发加剧，引起土壤水向地表运动，使盐分随着土壤水向土壤上层运移。6月8日试验田起垄，在垄中间布置一条滴灌带并在当月18日、19日进行第一次高垄滴灌灌水，灌水量为450 m3/hm2，取土位置位于滴头水平方向0 cm(A/a)，20 cm(B/b)，40 cm(C/c)。由于起垄的原因，人为干扰了盐分的分布，伴随着水分下渗盐分向下运移，起到了洗盐的效果，因此在第一次灌水后盐分有了明显的下降。在7月5日加铺一条滴灌带，滴灌带布置位置位于垄上作物生长的位置。在7月5日至9月20日之间进行了四次灌水，土壤水分是盐分迁移的重要载体，盐分随着水分向下的淋洗以及自然条件下盐分随着蒸发上移使盐分在表层出现较大的波动。从9月20日之后，没有进行灌水，此时蒸发对盐分的运移占主要因素，盐分向上层运动，土壤盐分处于蒸发积盐的状态，全盐量有上升趋势。

表2 不同点位的土壤含水率统计特征值

(2)中度盐渍化农田盐分随着时间的变化。铺设一条滴灌带时，A位于滴头正下方即距低头位置0 cm处，在6月18日、19日灌水过后，A表层含盐量较低，此时处于灌水结束前期，属于盐分随着土壤水分运动迁移的第一个过程：水分下渗的过程中携带盐分运移，表层土壤淋洗脱盐的过程。由于在滴头附近形成一个饱和区，土壤含水率比较高，土壤水的基质势和重力势均处于较高水平，土壤吸力较小，所以土壤水分运动比较快，并由滴头处向四周扩散[6]，随着取点位置远离滴头位置土壤含水率也随之降低，水分运动变慢，盐分运移随水分运动也变缓慢，因此，刚刚灌水结束后处于垄中间的A全盐量最低，由于试验田的土质属于黏壤土，水的渗透力减弱，垄沟中容易产生积水[7-9]，因此垄沟中的盐分在灌水结束初期随着水的下渗向下运移使表层土壤含盐量较低，因此，在垄中间布置一条滴灌带时表层3个点全盐量含量为B>A>C。从7月5日起，加铺滴灌带，滴灌带位于B处。处于垄间的A成为远离点源的位置，由之前的饱和区成为现在两个滴灌湿润体交汇区土，交汇区含盐量的分布与滴头下的含盐量分布不同，含盐量在两湿润体相互干扰下进入入渗阶段。在7月5日-9月20日经历了4次灌水，表层盐分分布较为均匀，全盐量C>B>A，盐分有效的分布到了滴头四周，使湿润体内部含盐量低，而外围含盐量高[10]，因此在滴头处形成脱盐区。9月20日之后，不再灌水，盐分重新分布，全盐量A>C>B。9月23日C在0～20 cm土层深度出现峰值，垄沟中的盐分出现2个过程，第一：盐分在水的运移下聚集在垄沟中，同时有蒸发作用，因而盐分向上迁移；第二：高垄中的水盐发生侧渗现象。这两个过程使垄沟盐分骤升在9月23日达到峰值。使3个点位的盐分重新分布。

玉米生育期内，在高垄滴灌耕种模式下，20～60 cm土层3个点位的土壤盐分随着时间变化的变化规律整体一致，呈现降低-升高-降低的趋势。6月23日-9月23日变化较为平稳，B点处全盐量较低，滴灌有效降低了滴头处的全盐量使盐分再分布，使盐分积压在下层土壤及滴头四周。土壤全盐量在9月27日出现高峰值，9月23日晚，降雨量较大，使盐分在雨水的作用下重新再分布，随着降雨时间的结束，在蒸发的作用下，盐分向上迁移，高垄中的水盐发生测渗现象，因此9月27日出现高峰值。在土壤底层，3个点位的全盐量变化基本一致，滴灌条件下，对于底层盐分的影响较小，通过上层盐分随水的运移，呈现规律基本一致，全盐量分布呈现A>B>C(见图6)。

(3)重度盐渍化农田盐分随着时间的变化。在重度盐渍化土壤中，0～20 cm盐分分布波动较大，全盐量c>a>b，在滴灌水源淋洗下处于滴灌带处的b含盐量最低，远离点源的a土壤含水率较低，土壤基质势也随之降低，土壤吸力增加，土壤水运动速率变慢，盐分随水分运移变缓，因此垄中间的a全盐量高于滴头处。由于在重度盐渍化大田中，土壤全盐量很高，盐分的淋洗效果一般与冲洗前的土壤原始含盐量有关。土壤原始含盐量愈大，脱盐率则愈大，因此高垄中的盐分大量被淋洗在垄沟中，因此，在重度盐渍化土壤高垄滴灌条件下，表层盐分全盐量c>a>b。

重度盐渍化条件下全盐量变化趋势一致，峰值出现在9月20日-9月23日。最后一次灌水在9月15日、16日，随着灌水结束时间的增加土水势梯度、植物蒸腾、土面蒸发的作用下，土壤水分再分布，盐分随之发生运移，使盐分淋洗在垄沟中，从而在9月20日-9月23日出现峰值，最终在作物收获后达到一个稳定值。重度盐渍化农田经过高垄滴灌对盐分分布的影响，使盐分重新得到分布，使滴头下方的区域盐分含量最低(见图7)。

图6 中度盐渍化农田不同点位土壤全盐量变化

图7 重度盐渍化农田不同点位土壤全盐量变化

2.2.2 土壤盐分随土壤深度的变化

在玉米全生育周期内，高垄的3个点位的变化趋势一致：盐分随着土壤深度增加呈现出先升高后降低的规律，盐分在高垄与滴灌的结合下得到重新分布。在没有地下水补给的情况下，盐分主要受灌水及降雨的影响，通过全生育周期的试验，表层土壤盐分均值较低，土层盐分在滴灌的淋洗下向下运动，使盐分聚集在40～80 cm深处。

中度盐渍化农田的高垄3个点位全盐含量在表层分布情况为C>A>B，20 cm土层以下，全盐量A>B>C。处于滴头处的B点，土壤含水率较高，土壤基质势和重力势均较高，土壤吸力小，因此土壤水分运动较快，并由滴头处向四周扩散，随着取点位置远离滴头位置土壤含水率也随之降低。盐分随水分的入渗而进行运移，在垂直入渗和水平入渗作用下，盐分垂直方向聚集在40～80 cm土层，水平入渗在垄沟及垄中间位置。在重度盐渍化下，高垄滴灌对盐分的再分起到明显作用，表层全盐量呈现c>b>a，盐分主要聚集在中间土层40～80 cm深处以及垄沟的表层。土壤原始含盐量越大，脱盐率则越大，因此高垄中的盐分大量被淋洗在垄沟中。因此高垄滴灌有效地使水盐进行再分布(见图8)。

图8 不同深度土壤全盐量变化

土壤盐分在3个不同位点均表现出上层波动大，下层波动小的规律，从统计特征值判断，玉米生育周期各土层的全盐量呈中等变异性。这种情况说明高垄滴灌对于盐分的淋洗、再分布作用明显。整体而言，通过方差可知：重度盐渍化的盐分波动情况大于中度盐渍化。0～20 cm土层中度全盐量方差最高可达到11.92，Cv值可达到0.589 8。由此可知，盐渍化程度越高，表层盐分受到外界条件影响的波动性越大，变异性越强，高垄滴灌作用下盐分再分布现象越明显(见表3)。