滨海农区微咸水-淡水交替灌溉对土壤EC和入渗的影响

朱成立，刘宗潇，翟亚明，郑君玉

（1.河海大学，a.南方地区高效灌排与农业水土环境教育部重点实验室，b.水利水电学院，江苏 南京 210098）

滨海农区微咸水-淡水交替灌溉对土壤EC和入渗的影响

朱成立1a,1b，刘宗潇1b，翟亚明1a,1b，郑君玉1b

（1.河海大学，a.南方地区高效灌排与农业水土环境教育部重点实验室，b.水利水电学院，江苏 南京 210098）

以玉米为载体，取滨海农区土壤开展温室避雨盆栽试验，采用矿化度为0.2 g/L的自来水配置NaCl溶液，设置了3种（NaCl，分析纯）矿化度水平（1 g/L，3 g/L，5 g/L）和3种微咸水-淡水交替灌溉方式（“咸淡淡”，“淡咸淡”，“淡淡咸”），研究灌水矿化度和微咸水-淡水交替灌溉方式对试验土壤EC及入渗的影响。结果表明：灌水矿化度对土壤EC值有显著影响，EC值随着矿化度和土层深度的增加而增加；同一土层深度、相同矿化度、不同微咸水-淡水交替灌溉方式，土壤EC值表现为“咸淡淡”＜“淡咸淡”＜“淡淡咸”。同时土壤的累积入渗量和稳定入渗率均有随矿化度增加而增大的特性；灌水矿化度差异显著影响土壤稳定入渗率，土壤稳定入渗率随灌水矿化度增加而增大；而同一矿化度、不同微咸水-淡水交替灌溉方式处理下，土壤的稳定入渗率差异不大。本实验研究成果可为滨海农区微咸水安全利用与农业可持续发展提供科学依据。

微咸水灌溉；矿化度；灌水方式；EC值；累积入渗量；稳定入渗率

我国滨海农区分布面积广，农业发展潜力巨大，是重要的粮食生产基地，滨海农区的农业可持续发展是保障国家粮食安全的重要途径之一。滨海农区淡水资源短缺，咸水资源丰富，水资源时空分布不均，旱季降雨不足，易造成季节性干旱。在全球淡水资源紧缺的条件下，微咸水作为缓解农田灌溉水资源短缺的重要水源之一，已引起社会各方面的广泛关注[1]。国内外大量研究表明，微咸水用于田间灌溉，可以增加土壤湿度，提供作物生长所需要的水分，同时降低土壤溶液的浓度及渗透压，从而有利于作物吸收水分。另外，微咸水灌溉也给土壤带来了盐分，微咸水的使用会导致土壤中盐分的累积，从而引起对作物的盐分胁迫[2]，造成潜在盐渍化危险[3-4]。玉米对于土壤盐分胁迫属于中度敏感[5]。土壤盐分的增加会致使土壤物理性质改变[6]。土壤入渗率是评价土壤透水性的重要参数[7]，与土壤质地有直接关联。

王诗景等[8]研究了宁夏引黄灌区微咸水灌溉对土壤水盐动态、春小麦产量存在影响。通过试验得出：0-30 cm土层深度范围内土壤含水率和含盐量变化范围较大，而30 cm以下土层的含水率和含盐量变化相对较小。杨军等[9]研究了微咸水灌溉对土壤盐分动态与作物产量的影响，发现微咸水灌溉下，施用改良剂能提高土壤渗透性，降低土壤pH值和土壤电导率（EC），降低了土壤含盐量，同时在试验周期0-60 cm的土层内未出现积盐现象。刘春成等[10]基于实测资料探讨几种常规的入渗模型在斥水土壤中的适用性。利用Green-Ampt模型、Philip模型、Kostiakov公式和指数公式对入渗率与入渗历时的关系进行拟合，发现Kostiakov公式更接近于实测值，在后续的室内土柱微咸水入渗试验中，对比了不同矿化度和斥水程度对两种土质水盐运移的影响，证明了不斥水土壤的入渗能力随矿化度的增加而增加，微咸水入渗后，土壤会产生一定的斥水性，说明微咸水灌溉对盐渍化土壤的水盐分布和斥水性均有一定程度的影响。吴忠东和王全九[11]连续以3 g/L的微咸水对冬小麦进行田间灌溉试验，发现连续利用3 g/L的微咸水灌溉，会造成土壤表层盐分的累积，尤其在降水量偏少的年度会使作物受到盐分胁迫。Sameni和Morshedi[12]研究提出土壤盐分浓度过高会导致土壤中黏粒含量的改变，从而引起土壤饱和导水率的改变。土壤中的盐分从黏粒的膨胀和分散两个方面影响土壤入渗性能。由此可见，微咸水灌溉对土壤的影响不仅仅表现为对盐分的含量及分布的影响，还会对土壤的其他物理性质产生影响。

本文针对不同微咸水灌水矿化度和不同微咸水-淡水交替灌溉方式，研究滨海农区土壤盐分运移特征、不同处理后整个土层深度的平均累积入渗量，以及不同处理下、不同深度土层的稳定入渗率，进而分析灌水矿化度和微咸水-淡水交替灌溉方式两因素对盐分分布和入渗的影响，为微咸水的合理利用提供科学依据。

1 试验区概况

试验于2015年8月初至11月中旬在南京市河海大学江宁校区节水园区移动大棚测坑内进行。地处北纬31°43'，东经118°46'，试验区属亚热带季风性气候,年平均降雨量1 106.5 mm，年平均蒸发量900 mm，年平均气温15.7 ℃，无霜期为237 d，年平均湿度81%。节水园区自来水电导率为387 µs/cm，矿化度约为0.2 g/L，试验用土取自东台市弶港农场，土壤类型为粘壤质土。为控制灌水量，雨天关棚，非雨天开棚。

因试验用土是扰动土，经过相同的分层压实装桶处理，可认为不同处理的前期土壤性质相似，但不同土层深度对土壤物理性质有较大影响。故玉米生育期开始前，在随机五个桶中分三层取试验用土，测定各个土层深度处的土壤物理性质指标，结果见表1。

表1 土壤基本理化性质Table 1 Basic physical properties of soil

2 材料与方法

2.1 试验设计

本试验为夏玉米盆栽试验，采用直径35.5 cm，高50 cm的圆筒，玉米品种为隆平206。采用分层压实的方式填土装桶，每千克风干土施用尿素（CO(NH2)2）0.22 g、硫酸钾（K2SO4）0.09 g，磷酸二氢钾（KH2PO4）0.25 g，有机肥1.67 g，其中有机肥氮素质量分数为3.75%。实验前土壤理化性质见表1。本试验设微咸水交替灌溉方式和灌水矿化度两个因素。不同矿化度（1 g/L、3 g/L、5 g/L）的灌溉水均由工业盐（NaCl,分析纯AR）配置而成，对夏玉米用三种不同组合微咸水交替灌溉方式（“咸淡淡”、“淡咸淡”、“淡淡咸”）进行灌溉，控制三个生育期的咸淡水轮灌，其中的淡水灌溉是用节水园区自来水灌溉。试验共设三个空白，九个处理：T0空白对照；T1仅壮苗期1 g/L微咸水灌溉，此处理其他两个生育期由节水园区自来水灌溉；T2仅壮苗期3 g/L微咸水灌溉；T3仅壮苗期5 g/L微咸水灌溉；T4仅拔节期1 g/L微咸水灌溉；T5仅拔节期3 g/L微咸水灌溉；T6仅拔节期5 g/L微咸水灌溉；T7仅灌浆期1 g/L微咸水灌溉；T8仅灌浆期3 g/L微咸水灌溉；T9仅灌浆期5 g/L微咸水灌溉。每个处理3次重复，随机排列。其中，壮苗期是八月下旬至九月上旬，拔节期为九月上旬至九月下旬，灌浆期为九月下旬至十月中旬。三个生育期每桶的灌水量分别为10 L，12 L，13 L。

2.2 观测项目与方法

2.2.1 土壤EC 试验后期，利用土钻分层（0-10 cm，10-25 cm，25-40 cm）取土，将土样风干，充分研磨后，过1 mm筛，采用5∶1的水土比配制土壤饱和浸滴液，测定土壤饱和浸滴液的电导率EC。

2.2.2 土壤入渗率 采用环刀法[13]测量土壤毛管充满水情况下土壤入渗率。环刀法测量土壤入渗是在装有原状土的环刀上方对接一个空环刀，从外侧用医用防水胶带密封两个环刀间的缝隙，利用铁架台固定粘结后的双环刀，保持环刀口水平，在土体下方放置漏斗和烧杯，收集穿透土体的水分。试验用环刀高5 cm，体积为100 cm3。试验装置固定后，向空环刀内加水至与环刀口水平，待漏斗下方滴下第一滴水开始计时，根据水分流出的快慢，每隔2、3、5、10、20 min更换漏斗下的烧杯，并分别测量渗水量。试验过程中，加水保持水层厚度为5 cm处，用温度计测定入渗水温度，将测得的渗透速率θ值，换算为10 ℃时的渗透速率K10值。

式中：θ表示渗透测定时的水温（℃），Kθ是水温为θ时的渗透速率（mm/min）。

利用SPSS统计软件对土壤累积入渗量和稳定入渗率进行方差分析和显著性分析。

3 结果与分析

3.1 矿化度和灌水方式对土壤E C值的影响

不同微咸水-淡水交替灌溉方式下土壤EC值差异较小，而矿化度差异会明显导致土壤EC值产生差异（表2）。EC值大小表现为：“咸淡淡”＜“淡咸淡”＜“淡淡咸”；1 g/L＜3 g/L＜5 g/L。同一矿化度不同微咸水-淡水交替灌溉方式所导致的土壤EC差异主要由各生育期灌水量不同导致的。灌水量较多的生育期，盐灌处理后带入土壤中的盐分也随之增大。1 g/L时，由于微咸水矿化度值低，不同微咸水-淡水交替灌溉方式对土壤EC值无显著影响。

表2 不同处理对土壤EC值的影响（μs/cm）Table 2 Effect of treatment on soil EC values

图1为不同处理下0-40 cm深度土层中盐分剖面分布情况。从图中可以看出，整个生育期内，使用微咸水灌溉，可以增大土壤EC值，且灌水矿化度越高，土壤EC值越大。0.2 g/L空白对照的土壤EC值则基本稳定在150.67 μs/cm左右。盐分积累会对土壤的物理性质造成影响。

由图1(a、b、c)可以看出，在0-40 cm土层深度范围内，土壤EC值表现出随深度增加而增大的趋势。此现象说明盐分有向深层土壤淋洗的趋势。同时，可由图1(a、b、c)观察出同一土层深度、不同矿化度处理后的土壤EC值存在明显差异，EC值有随矿化度增加而增大的趋势，这说明灌溉矿化度越大，留存在土壤中的盐分含量越高。

由图1(d、e、f)可以看出，相同处理下，土壤EC值依然表现出随深度增加而增大的趋势，但相同土层深度处土壤EC值差异不大。相同土层比较下，EC值表现为“咸淡淡”＜“淡咸淡”＜“淡淡咸”。

3.2 微咸水灌溉矿化度对土壤质地的影响

夏玉米盆栽试验前和其生育期结束后分别取土，用以分析微咸水灌溉对土壤质地产生的影响。试验共取三层土，取土深度分别为[0，10]，(10，25]，(25，40] cm。算出0-40 cm深度范围内黏粒、粉粒和砂粒各自所占的百分比的平均值P，以便综合比较土壤质地的变化。图2为两次测量结果的对比图。从图中可以看出，不同矿化度处理下土壤中的黏粒比重较实验前均有增加，且矿化度越大，其土壤黏粒比重增加越多。导致此结果可能是微咸水灌溉对土壤结构产生了影响，但亦不能排除施用有机肥对土壤结构产生的影响。本试验只为一年的试验数据，欲说明此结果还需通过更多后续实验。

图1 不同处理后的土壤EC值剖面分布Fig. 1 Soil EC values of cross-sectional profle under different treatments

图2 微咸水灌溉后土壤质地分析对比Fig. 2 Comparison of soil texture after saline water irrigation

3.3 矿化度和灌水方式对土壤累积入渗量的影响

为了对比不同矿化度微咸水灌溉对土壤累积入渗量的影响，在玉米生育期结束后，用环刀取不同矿化度微咸水灌溉条件后的土壤，打开环刀底盖，让其通过滤纸吸水，至环刀表层土壤湿润为止，此时的土壤含水量为土壤毛管充满水时的含水量。点绘其累积入渗量随时间变化曲线（图3），由曲线图可看出，入渗的前170 min内，土壤累积入渗量随时间延长而增加，且累积入渗量均在入渗前期增长较快，随着入渗时间延长，累积入渗量的增长速率逐渐减缓。在相同入渗时段内，0.2 g/L、1 g/L、3 g/L和5 g/L矿化度咸水灌溉处理后土壤的累积入渗量呈依次增加关系。0.2 g/L和1 g/L的微咸水灌溉在入渗初期没有快速增长阶段，5 g/L矿化度微咸水灌溉处理在入渗初期的增长明显。

图3 累积入渗量随时间变化Fig. 3 Cumulative infltration amount versus time

3.4 矿化度和灌水方式对土壤稳定入渗率的影响

3.4.1 土壤入渗率拟合 目前，非饱和土壤水分运动和饱和土壤水分运动的研究日益完善[14]，理论性和经验性入渗模型被不断分析推导出[15]。常用的有Green-Ampt模型、Philip入渗模型、Smith降水入渗模型、Kostiakov公式及指数模型。刘春成等[10]研究结果表明，Kostiakov公式对斥水性土壤与不斥水性土壤的适用性都较好，因此，本文将玉米生育期结束后的土壤，在不同微咸水-淡水交替灌溉方式及灌水矿化度下，由Kostiakov公式[10]拟合，土壤入渗率相关参数列于表3。

Kostiakov公式为：

式中：it表示时刻入渗率（mm/min）；t表示入渗历时（min）；B，c表示入渗参数。

由表3可以看出，Kostiakov公式在“淡咸淡”和“淡淡咸”这两种微咸水-淡水交替灌溉方式下适用性较好，R2均在0.87以上。此外，随灌水矿化度增加，入渗参数B值随之增加，说明土壤初始入渗速率随灌溉水矿化度的增加而增加。

表3 采用Kostiakov公式拟合土壤稳定入渗率的相关参数Table 3 Soil infltration parameters ftted by the Kostiakov equation

表4 不同处理对土壤稳定入渗率的影响(mm/min)Table 4 Effect of treatment on soil infltration rate(mm/min)

3.4.2 土壤稳定入渗率变化规律 由表4可以看出，灌水矿化度对土壤稳定入渗率影响较大。各处理间土壤稳定入渗率呈显著差异，且随着灌溉水矿化度的增加，土壤稳定入渗率增加；不同灌溉水矿化度可以导致入渗率差异。如0.2 g/L与1 g/L微咸水处理的土壤稳定入渗率差异不显著，与3 g/L，5 g/L灌溉处理的差异显著；不同微咸水-淡水交替灌溉方式下，1 g/L矿化度处理后的土壤稳定入渗率亦均小于0.2 g/L的淡水处理，但0.2 g/L与1 g/L矿化度处理后的土壤稳定入渗率差异不显著。相同微咸水-淡水交替灌溉方式下，灌水矿化度差异显著影响土壤稳定入渗率，土壤稳定入渗率随灌水矿化度增加而增大；同一矿化度、不同微咸水-淡水交替灌溉处理，土壤的稳定入渗率相近。

由图4(a、b、c)可知，同一处理各层土壤的稳定入渗率随土层深度增加而增大，且随着土层深度增加，入渗的增加幅度呈减小趋势。而由图4(d、e、f)可以看出，同一矿化度、不同微咸水-淡水交替灌溉处理后，相同土层的土壤稳定入渗率相近。除“咸淡淡”的交替灌溉方式外，其余处理的稳定入渗率均随土层深度增加而增大，且25-40 cm土层深度的土壤稳定入渗率与10-25 cm深度的土壤稳定入渗率变化值，小于10-25 cm与0-10 cm深度之间的土壤稳定入渗率变化值。

综上，土壤的稳定入渗率与土壤EC值变化趋势相一致。随着盐水灌溉总水量的增加，土壤EC值越大，土壤稳定入渗率越大。相同处理下，土壤EC值较大的土层深度，土壤稳定入渗率相对较大。故推测随灌水矿化度的增加，土壤稳定入渗率增大这一现象是因为盐分含量及分布对土壤结构产生影响。随着溶液中盐分浓度增加，扩散双电子层会向黏粒表面收缩，土壤颗粒之间排斥力降低，增强土壤胶体的絮凝作用，有利于形成团粒结构，增加土壤导水能力，所以蒸馏水的入渗能力最小。

图4 不同处理后各土层深度入渗率比较Fig. 4 Soil infltration rates of various depths under different treatments

4 结论

1）灌水矿化度对土壤EC值有显著影响，EC值随着矿化度和土层深度的增加而增加，这说明灌溉矿化度越大，留存土壤中的盐分含量越高。同一土层深度同一矿化度不同微咸水-淡水交替灌溉方式，土壤EC值表现为“咸淡淡”＜“淡咸淡”＜“淡淡咸”，与盐分累计施入量结果相一致，说明盐水灌溉总水量越高，土壤EC值越大。

2）在相同入渗时段内，土壤累积入渗量随灌溉水矿化度增加而增加，0.2 g/L和1 g/L的微咸水灌溉在入渗初期没有快速增长阶段，5 g/L矿化度咸水灌溉处理在入渗初期增长明显。

3）相同灌水方式条件下，矿化度差异显著影响土壤稳定入渗率。在0-5 g/L范围内，随灌水矿化度的增加，土壤稳定入渗率增大；且在0-40 cm土层深度范围内，同一处理各层土壤的稳定入渗率有随土层深度增加而增大的趋势，但随土层深度增加，其增加幅度减小。

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（责任编辑：王育花）

Effect of alternative irrigation with brackish and fresh water on soil electrical conductivity and infiltration in coastal farming areas

ZHU Cheng-li1a,1b, LIU Zong-xiao1b, ZHAI Ya-ming1a,1b, ZHENG Jun-yu1b
（1. Hohai University, a. Key Laboratory of Effcient Irrigation-drainage and Agricultural Soil-water Environment in Southern China Ministry of Education, b. College of Water Conservancy and Hydropower, Nanjing, Jiangsu 210098, China）

Pot experiments with corn and coastal agricultural soils were conducted in a greenhouse without exposition to rainfall. Salinity of 0.2 g/L tap water and NaCl solution were used to set up three salinity levels (i.e., 1, 3, and 5 g/L) of saline water. Three types of alternative irrigation modes (“brackish water-fresh water-fresh water”, “fresh water -brackish water-fresh water”, and “fresh water-fresh water-brackish water”) were used to study the effect of water salinity and irrigation mode on soil electrical conductivity (EC) value and infltration. The result showed that salinity had a signifcant infuence on soil EC value, and EC value increased with the increase of salinity and soil depth. Soil EC value ranked in the order of “brackish water-fresh water-fresh water”＜“fresh water-brackish water-fresh water”＜“fresh water-fresh water-brackish water” in terms of alternative irrigation mode. Accumulative soil infltration amount and stable infltration rate also increased with the increase of salinity. Soil stable infltration rate increased with enhanced salinity levels, whereas it was similar under different types of alternative irrigation modes. These results provide scientifc basis for the security of brackish water use and agricultural sustainable development in coastal agriculture.

brackish water irrigation; salinity levels; irrigation methods; EC value; soil cumulative infltration; soil stable infltration rate

ZHAI Ya-ming, E-mail: 20110050@hhu.edu.cn.

S278

A

1000-0275（2017）01-0154-07

10.13872/j.1000-0275.2016.0140

朱成立, 刘宗潇, 翟亚明, 郑君玉. 滨海农区微咸水-淡水交替灌溉对土壤EC和入渗的影响[J]. 农业现代化研究, 2017, 38(1): 154-160.

Zhu C L, Liu Z X, Zhai Y M, Zheng J Y. Effect of alternative irrigation with brackish and fresh water on soil electrical conductivity and infltration in coastal farming areas[J]. Research of Agricultural Modernization, 2017, 38(1): 154-160.

国家自然科学青年基金项目（51409086）；江苏省科学技术厅项目（BK20130838）。

朱成立（1967-），男，江苏宝应人，博士，副教授，硕士生导师，主要从事水土资源规划、农田灌溉与排水、土地整理节水灌溉理论与技术等方面的研究，E-mail：clz@hhu.edu.cn；通讯作者：翟亚明（1982-），男，江苏泰州人，博士，讲师，主要从事水土资源规划、农田灌溉排水、土地整理节水灌溉理论与技术等方面的研究，E-mail: 20110050@hhu.edu.cn。

2016-04-23，接受日期：2016-09-07

Foundation item: National Natural Science Foundation for Young Scientists of China (51409086); Science Foundation of Jiangsu Province (BK20130838).

Received 23 April, 2016;Accepted 7 September, 2016