盐渍化农田不同埋深暗管排盐效果研究

祝榛，王海江，苏挺，史晓艳，宋江辉，朱永琪，郑琦

(1.石河子大学农学院，新疆石河子 832003； 2.塔里木大学植物科学学院，新疆阿拉尔 843300)

0 引 言

【研究意义】新疆土壤盐分组成类型多种多样，是我国盐碱土分布面积最大的区域[1-2]。耕地土壤盐渍化已成为新疆农业生产和生态环境建设发展的重要限制因素，南疆垦区这一问题更为突出，严重制约兵团南疆垦区的经济发展[3]。有效开展盐渍化土壤改良和治理，对实现盐渍土资源的高效和可持续利用有实际意义。【前人研究进展】暗管排盐技术在国外应用相对较早，荷兰最早采用暗管排盐技术并治理盐碱地取得成功，之后在西方国家进行迅速推广[4]。我国从20世纪80年代开始采用塑料暗管降渍脱盐技术，在天津、新疆、山东、甘肃等干旱半干旱区和地下水埋深浅的盐碱地区陆续开始实施[5,6]，暗管排盐技术主要依据“盐随水来，盐随水去”的水分转化与水盐运移规律，通过埋设地下暗管，配合地面灌水，排出土壤中多余的盐分[7-9]。且暗管排水可以降低地下水位[10,11]，抑制高矿化度的地下水因上升造成土壤返盐，从而减轻土壤次生盐渍化，达到改良盐碱地的目的[12,13]。陈阳等[14]通过设置不同暗管间距(10、14、20 m)，对滨海盐碱地进行排盐实验，结果表明暗管埋深1.2 m时，间距越小，排盐效果越好，表层0～20 cm脱盐率均超过45 %。王海江等[15]设置不同暗管埋深(0.8～1 m)，间距均为10 m，对新疆重度盐渍土进行脱盐实验，得出暗管排盐处理可以有效降低耕层0～80 cm土壤盐分，且土壤脱盐率大于50 %。刘玉国等[16]实验(暗管间距70～100 m)表明，实施暗管排水技术以后，0～20 cm土层盐分下降最多，脱盐率达到90.89 %，且浅层暗管排水与膜下滴管技术配合使用，能更有效的治理农田盐碱土壤。李晓华[17]在黄河三角洲设置不同间距暗管(30、45、50、80 m)进行脱盐实验，暗管埋深2.5 m时，暗管间距在最优距离时(45、50 m)，土壤脱盐效果最好。周明耀等[5]在滨海盐土地区设置不同埋深(0.9、1.1 m)，不同间距(15、20 m)暗管进行脱盐实验，暗管间距15 m，埋深1.1 m时，脱盐效率最好。【本研究切入点】暗管埋设的深度和间距与实施区域的土壤条件、地质地貌、地下水等因素密切相关，不同的区域其自然条件的差异暗管铺设的深度和间距也不相同。研究暗管排盐技术与农业灌溉种植方式结合的土壤脱盐效果。【拟解决的关键问题】对新疆生产建设兵团第三师喀什红旗农场土壤盐渍化状况调查，实施暗管排盐技术实验，分析不同暗管埋设深度对土壤含盐量的影响，比较不同埋深暗管对盐碱土的脱盐效果，为合理设计红旗农场盐碱土改良工程、降低盐碱土盐分含量确定红旗农场暗管最佳布设方案提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验区位于新疆生产建设兵团第三师红旗农场一连(39°47′29.21″N～39°48′00.24″N，76°30′50.15″E～76°31′29.04″E)，试验区总面积70.03 hm2。红旗农场地处中纬度西风带，典型的大陆性干旱气候。全年日照长，年日照时数2 000～3 000 h，辐射强，热量丰富，蒸发量大，年平均气温12.91 ℃，极端高温41.22 ℃，极端低温-24.41 ℃，≥10 ℃年积温4 669.42 ℃，年无霜期225 d，年平均降雨量47.82 mm，属南疆干旱气候区。试验区地面坡度小于1%，地下水埋深在0.50～1.20 m，地下水矿化度较高，土壤次生盐渍化严重，土壤含盐量较高为18.62 g/kg，按照土壤中阴离子组成划分土壤盐渍化类型，0～100 cm土层Cl-/SO42-比值在1.2～1.6，属于典型的硫酸盐-氯化物型盐土；按照新疆土壤盐分分级标准[18]，试验区土壤为重度盐渍化土，抑制作物生长，导致试验区作物低产。

试验区1 m深土层内土壤以中壤土为主，土壤养分含量较低，腐殖层较薄，0～100 cm土层含有机质5.67 g/kg，含速效磷21.53 mg/kg，速效钾127.91 mg/kg，碱解氮10.76 mg/kg，pH 7.72。由于土壤含有粘土夹层，阻止了灌溉水的下渗，雨季洪水携带盐碱排入，造成土壤盐碱增加，耕作层盐渍化较普遍。

1.2 方 法

1.2.1 暗管埋设

试验区埋设3种不同深度的暗管系统，试验共设置3个处理：T1(暗管埋深1.2 m)、T2(暗管埋深1.5 m)、T3(暗管埋深1.8 m)和CK(未铺设暗管，天然对照)，每个处理3个重复。各处理区暗管平均间距均设为25 m，试验暗管采用PVC打孔波纹管，管径110 mm，比降为0.5‰，为防止土壤细颗粒进入管道造成淤堵，增加管道周围的透水性，暗管周围要包裹一层厚8 cm左右的砂滤料，试验区占地总面积为47.01 hm2。

试验自2014年1月开始在红旗农场一连开始铺设暗管，至2014年底暗管铺设完成，铺设暗管区域种植棉花，每年漫灌4次，其中生育期灌溉3次(6、7、8月)，每次灌溉定额为3 000 m3/hm2，冬灌(11～12月)1次9 000 m3/hm2，棉花供试品种、施肥和其他田间管理措施各处理均保持一致。暗管铺设坡降低处有排碱渠，试验区设置有地下水观测井。

1.2.2 样品采集

(1)土壤样品：采样时间在暗管埋设前(2014年1月)、棉花种植1年后(2015年11月冬灌前)和棉花种植2年后(2016年11月冬灌前)，在试验区3个处理，T1、T2和T3的不同水平距离采集土样，距离暗管0 m、6.25 m、12.5 m处分别计为D1、D2和D3，采集0～100 cm深度土样(每20 cm一层)，土壤剖面采集分层土样。每个土壤样品采集点重复三次，为了保证测定数据的可比性，采集样点位置相对固定。

(2)地下水埋深观测：在试验区设置3.5 m深地下水埋深观测点。观测点埋设水位管采用Ф200 mm PVC塑料管，水位管底部设50 cm沉淀段，沉淀段外部进行扎捆处理，50 cm沉淀段用砂石料回填，水位管四周用砂石料进行回填，水位管高出地面20 cm，用塑料袋进行封口。

1.2.3 测试

(1)土样采集以后测定土壤电导率，对所取土样烘干后称取10 g过1 mm筛后放入三角瓶中，加入50 mL蒸馏水，振荡10 min，静置20 min以后过滤，得到土水比1∶5的浸提液，通过电导率仪测定浸提液电导率(EC)，而后用干燥法标定出含盐量与电导率之间的关系：

SCC=3.51×EC+0.38 (R2=0.951 7**)

其中，SCC为全盐量，g/kg；EC为电导率，mS/cm。

土壤脱盐率的计算公式：

式中：N为土壤脱盐率，%；E1为土壤盐分初始值，g/kg；E2为灌后土壤盐分终值，g/kg用 Microsoft Excel 2007、SPSS17.0进行数据处理，SigmaPlot12.5完成制图。

(2)观测地下水埋深：将卷尺深入水位管，至沉淀段，拿出卷尺查看水位段水位高度=卷尺深入水位管长度-卷尺沾水长度，同时每一次对灌溉时间进行登记。

试验区地下水埋深在0.50～1.20 m，由上图可知，暗管埋设以后，试验区的地下水埋深呈下降趋势，地下水埋深在1.68～2.50 m，平均在1.98 m左右。图1

图1 试验期间地下水埋深变化
Fig.1 Ground water depth changes during the exp eriment

2 结果与分析

2.1 暗管铺设对土壤盐分的变化

研究表明，CK、T1、T2、T3的耕层土壤盐分含量在暗管埋设前分别为19.23、19.16、19.26、19.12 g/kg，2015年和2016年所测定的土壤盐分含量都明显的下降，年份间差异达到显著水平(P<0.05，下同)；CK在时间尺度上变化幅度不大，差异不显著；T1处理2015、2016年土壤盐分分别降低了3.71、4.17 g/kg，T2处理分别降低了4.66、4.24 g/kg，T3处理分别降低了3.93、4.20 g/kg，T2处理在2015年和2016年测定的土壤盐分含量降幅均优于T1、T3处理，且2015年测定的土壤盐分含量降幅高于2016年，而T1、T3处理则低于2016年，暗管埋设以后，随着灌溉水的淋洗，3个埋设暗管处理土壤盐分下降明显，脱盐效果较好，但下降趋势不一致。图2

图2 不同处理下2014～2014年土壤盐分变化
Fig.2 Changes of soil salinity at different treatments in 2014-2016

2.2 暗管埋深对各土层土壤盐分的影响

研究表明，暗管埋设前2014年，各土层土壤盐分含量都较高，1 m土层平均含盐量大于12 g/kg，为重度盐渍土；从剖面盐分含量来看表层0～20 cm土壤盐分含量较高，在20～40 cm土层，土壤含盐量随土层深度增加而降低；在中层40～80 cm，盐分又出现积聚，土壤盐分含量随土层深度增加而增加均超过20 g/kg；80～100 cm土层土壤盐分含量有所降低，最低值在17 g/kg左右。1 m土层总体呈现出表层和中层土壤含盐量高，20～40 cm、80～100 cm土层含盐量低的趋势。

随着暗管的埋设和灌溉水的淋洗，2015年3个暗管处理的各土层土壤含盐量显著下降且变化趋势一致，1 m土层平均含盐量仍大于12 g/kg，为重度盐渍土；从剖面盐分含量来看，0～40 cm土层土壤盐分含量较低，土壤含盐量随土层深度增加而降低，在40～80 cm土层土壤含盐量随土层深度增加而增加，在60～80 cm土层土壤含盐量达到最大值，为17 g/kg左右，底层80～100 cm土层，土壤盐分含量有所降低，但高于表层。2016年3个暗管处理各土层土壤含盐量较2015年仍下降，1 m土层平均含盐量降至小于12 g/kg，盐渍土类型变为中度盐渍土；在0～40 cm土层，土壤含盐量随土层深度增加而降低，40～80 cm土层，土壤含盐量随土层深度增加而增加，在60～80 cm土层出现盐分积聚，达到最大值，为12 g/kg左右，底层80～100 cm土层土壤含盐量有所下降，但仍高于表层。

2014、2015和2016年土壤剖面盐分的分布特征相似，但是，暗管铺设后结合地面灌溉，盐分含量在垂直方向上的变化幅度变小，1 m土层盐分含量差异减小。图3

注：T1为暗管埋深1.2 m，T2为暗管埋深1.5 m，T3JgH音管埋深1.8 m，T4为天然对照
Note：T1 buried depth of 1.2 meters，T2 buried depth of l.5 meters，T3 buried depth of l.8 meters，T4 control without any human activity

图3 不同处理下2014～2014年各土层含盐量变化
Fig.3 Changes in soil salinity at different treatments soil layersin 2014-2016

2.3 暗管埋设对水平方向上土壤盐分的影响

暗管埋设后，不同暗管处理均表现出土壤含盐量降低的趋势，2015年较暗管埋设前，T1处理，D1、D2、D3土壤盐分含量分别降低了3.84、3.73、3.58 g/kg；T2处理，D1、D2、D3分别降低了4.62、4.67、4.70 g/kg；T3处理，D1、D2、D3分别降低了4.02、4.09、3.70 g/kg。2016年较于2015年，T1处理，D1、D2、D3土壤盐分含量分别降低了4.22、4.15、4.13 g/kg；T2处理，D1、D2、D3分别降低了4.19、4.09、4.31 g/kg；T3处理，D1、D2、D3分别降低了4.18、4.00、4.40 g/kg。2016年较暗管埋设前，T1处理，D1、D2、D3土壤盐分含量降低了8.06、7.88、7.71 g/kg；T2处理，D1、D2、D3分别降低了8.80、8.76、9.01 g/kg；T3处理，D1、D2、D3分别降低了8.20、8.09、8.09 g/kg。

暗管埋设以后，随着地面灌溉水的淋洗，整个研究区土壤盐分含量下降明显，水平方向上距同一暗管不同距离的土壤盐分含量均有所降低，但差异不显著 。图4

图4 不同埋深暗管水平方向土壤盐分变化
Fig.4 The soil salinity changes in the horizontal direction of different buried depth

2.4 暗管埋深对各土层脱盐率的影响

暗管埋设后，随着灌溉水的淋洗，各土层土壤含盐量下降迅速，不同暗管处理的脱盐效果在不同土层有较大的差别，而对照区CK总体表现平稳。2015年0～20 cm土层，T2处理脱盐率最高为27.66 %，高于T1、T3处理，T1、T3处理脱盐率差别不大，分别为23.13%、23.49%；20～40 cm土层T2处理脱盐率仍然高于T1、T3处理，T1、T3处理脱盐率差异不大，3个处理脱盐率均低于0～20 cm土层；40～60 cm土层，3个处理脱盐率均达到最大值，其中T2处理最高为30.30%，高于T3、T1处理；60～80 cm土层，3个处理脱盐率有所下降，T2处理高于其余2个处理；80～100 cm土层，3个处理脱盐率均降至最低，最低小于15 %，T2处理脱盐率高于T1、T3处理。2014～2015年，3个处理在各土层的土壤脱盐率整体呈现上层优于下层，呈递减趋势，但在40～60 cm土层，土壤脱盐率最高。

2015～2016年，各土层土壤脱盐率较上一年略有提高，各土层脱盐率均超过20%，变化趋势与上一年相似，整体表现仍为上层优于下层，0～60 cm土层脱盐率高于60～100 cm土层，其中40～60 cm土层脱盐率最高。3个处理中T2处理高于T1、T3处理，T1、T3在40～60 cm土层脱盐率差异不大，T1处理脱盐率在0～20 cm、40～60 cm土层高于T3处理；60～100 cm土层3个处理脱盐率均有所下降，T2处理仍高于T1、T3处理，T1处理在80～100 cm土层脱盐率降至最低为20.06%。

对比暗管埋设前与2016年土壤盐分含量，T2处理在各土层土壤脱盐率均超过了34 %，0～100 cm土层平均脱盐率为45.79%，优于T1、T3处理，T1、T3处理脱盐率差异不大，T3处理略高于T1处理。3个处理均在40～60 cm土层脱盐率最高，整体表现出表层优于下层。表1

表1 不同处理不同土层的土壤脱盐率Table 1 Soil desalination rate at different treatment and different soil layers

注：CK天然对照，T1暗管埋深1.2 m，T2暗管埋深1.5 m，T3暗管埋深1.8 m
Note: CK control without any human activity,T1 buried depth of 1.2 meters,T2 buried depth of 1.5 meters,T3 buried depth of 1.8 meters

3 讨 论

盐分是影响植物生长的一种重要环境因素，盐渍土是在一定气候和地质等自然条件下形成的，人类的活动也会对盐渍土的形成和发展起重要作用[19]。有研究表明，盐渍土含盐量受地下水埋深、地下水矿化度、土壤养分情况以及耕种制度等多重因素导致，而人类活动占据主导地位[20,21]。试验区位于南疆喀什红旗农场，地势低洼，多旱少雨，农田蒸发量大，地下水埋深浅，地表水和地下水矿化度高，加上排水不畅和过度灌溉造成灌溉区土壤盐渍化程度加重[16,22-26]，是典型的自然因素和人为因素共同作用产生的土壤盐渍化现象。

经过2年暗管排水试验，研究表明，暗管排盐工程能够有效降低土壤盐分含量，距暗管不同距离，土壤剖面盐分含量降幅差异不大。张洁等[24]研究认为同一暗管，距暗管越近，改良效果越好，刘永等[25]的研究也表明，暗管间距相同，距暗管越近，土壤脱盐效果越好。而研究中距暗管不同距离采样点盐分降幅差异不大，这可能是因为试验区受水资源调配和灌溉技术落后的限制，采用大水漫灌，且冬灌和生育期灌溉定额较大，对土壤盐分淋洗充分，导致距暗管不同距离土壤盐分降幅差异不明显，使暗管间各点均匀脱盐。

不同的暗管埋设深度对土壤剖面盐分分布特征有着重大的影响，万长宇等[26]的试验结果表明在不同埋深的暗管处理下，土壤剖面和水平方向土壤的盐分分布情况也是有很大差别。张金龙等[27]研究不同暗管铺设间距对滨海盐渍土排盐效果发现，不同暗管铺设间距对土壤剖面都表现为表层土壤脱盐率要高于底层，王海江等[15]在新疆对比了不同工程措施对土壤盐分变化的影响，其中根区隔盐处理表层土壤脱盐率要高于底层，但暗管排盐措施40～60 cm土层脱盐率要高于20～40 cm和60～80 cm，研究中3个暗管处理都能够有效降低土壤含盐量，在1 m土层均表现出上层优于底层，40～60 cm土层脱盐率高于其他土层，这或许是因为试验区灌水停止时间为8月，采样时间为11月，南疆地表强烈的蒸发和暗管有效的排水共同造成40～60 cm土层的脱盐率最大。

传统观点认为，暗管排盐效果随暗管铺设深度而降低，以浅埋式排盐较好[28]，衡通等[29]的试验结果表明，相同管径，相同间距条件下，暗管埋深0.6 m土壤脱盐效果要优于暗管埋深1.4 m。而研究表明，3种暗管处理，脱盐效果为T2>T3>T1，有研究表明，随着灌溉水的淋洗，地下水位埋深增加，土壤含盐量也逐渐减少[30,31]，试验区地下水埋深在暗管埋设前为0.5～1.2 m，暗管埋设以后，地下水埋深在1.68～2.50 m，平均在1.98 m。张万钧[32]、牛丽霞等[33]的研究表明暗管的埋深与地下水位有着密切的关系，提出了暗管埋深的计算公式：

hq=he+He+h0.

式中hq—暗管埋设深度，m；

he—作物允许轻微积盐的地下水“允许埋深”，m；

He—两暗管间排水地块中部地下水位与暗管中水位之差，一般取0.1～0.2 m，m；

h0—暗管中水深，一般取暗管半径，m。

根据计算公式和农场实际情况，暗管埋深为1.5 m最好，且研究结果表明，暗管埋深在1.5 m时，土壤脱盐率最高，脱盐效果最佳。

暗管排水改良盐碱地的效果受多种因素影响，长期埋设暗管对土壤进行脱盐处理，虽然能够有效降低土壤的含盐量，但是受区域地下水和暗管排水效果的影响具有反复性，针对不同程度的盐渍化土壤，制定合理的暗管埋设深度和间距，达到有效的脱盐效果，还有待进一步探讨。

4 结 论

4.1 不同埋深暗管配合地面灌溉均能够有效降低土壤盐分，T1、T2、T3处理分别降低了7.88 g/kg、8.90 g/kg、8.13 g/kg；不同土层脱盐效果存在差异，3个处理0～60 cm土层土壤脱盐率均在40%以上，优于60～100 cm土层，其中40～60 cm土层土壤脱盐率最高，高于50%。

4.2 不同埋深暗管水平方向土壤盐分含量均有所下降，但距离暗管各点降幅差异较小，T1处理降幅在7.71～8.06 g/kg，T2处理降幅在8.80～9.01 g/kg，T3处理降幅在8.09～8.20 g/kg。

4.3 管埋深在1.5 m时，1 m土层土壤盐分含量平均降低了8.90 g/kg，土壤脱盐率最高为45.79%，脱盐效果最好。