典型荒漠植物梭梭在咸水滴灌条件下土壤水盐运移特性

刘赛华，杨广 *，张秋英，何新林，薛联青，王泽林，李发东，任富天

典型荒漠植物梭梭在咸水滴灌条件下土壤水盐运移特性

刘赛华1，杨广1*，张秋英2，何新林1，薛联青3，王泽林1，李发东4,5，任富天1

（1.石河子大学水利建筑工程学院/现代节水灌溉兵团重点实验室，新疆石河子 832000；2.中国环境科学研究院，北京 100012；3.河海大学水文水资源学院，南京 210098；4.中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101；5.中国科学院大学，北京 100049）

咸水；梭梭；水盐运移；水化学特性

0 引言

我国西北干旱区水资源紧缺，生态环境脆弱，农业用水比重高达90%以上。近年来，随着社会的发展及农业规模的进一步扩大，水资源供需矛盾进一步加剧，生态环境局部退化。我国咸水资源储量丰富，主要分布在东南沿海及西北干旱区，可开发的潜力巨大[1-2]。梭梭（）作为我国西北干旱区广泛分布的优生荒漠植物，也是生态植物对维持生态平衡有着重要的作用[3-4]，同时具有良好的耐盐特性，因此开展咸水滴灌荒漠植物梭梭对于水资源的可持续利用及生态建设具有重要意义[5]。

咸水灌溉对土壤水盐分布及作物生长有着重要的影响，盐分带入土壤，会造成土壤盐渍化。国内很多学者对微咸水灌溉条件下玉米、小麦、番茄等主要农作物进行了研究[6-8]，其中，张余良等[9]对长期微咸水灌溉条件下耕地土壤理化性质的研究，表明长期灌溉微咸水导致土壤表层盐分积累，土壤理化性质趋于恶化，土壤入渗速度降低。土壤含盐量过高，会导致土壤潜在盐碱化。将咸水用于灌溉生态植物梭梭，能有效利用水资源，在一定矿化度下研究土壤水盐分布特征，发现土壤积盐不会影响梭梭的生长。周智彬等[10]对塔克拉玛干沙漠腹地长期用4 g/L 的咸水灌溉梭梭研究发现，虽然土壤积盐，但不影响梭梭的正常生长，说明咸水对绿洲荒漠造林是可行的。刘江涛等[11]利用Piper 三线图和主要离子比值关系分析地下水化学组成的时空分布特征及区域水化学类型及其形成的主要控制因素，有助于了解区域地下水循环过程。长期灌溉咸水会降低土壤含水率的入渗，灌溉水浓度达到某一临界值时，盐分在一定深度的土层内显著聚集，影响植物生长[12-15]。分析咸水滴灌下对土壤水分和盐分运移的特性，指定咸水灌溉水盐调控灌溉制度，对于缓解干旱区水资源紧缺具有重要意义[16]。在已有的研究成果，对微咸水灌溉分析土壤水盐运移影响，所研究的盐分梯度少，对于复合盐分组成的不同矿化度咸水灌溉生态植物的土壤水盐运移方面的研究较

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地位于天山北麓准噶尔盆地南缘，新疆石河子市西郊石河子大学农试场二连现代节水灌溉兵团重点试验室（东经85°59′，北纬44°19），平均海拔高度约400 m。试验于2018 年5—9 月在石河子大学现代节水灌溉兵团重点试验室（E85°59′，N44°19）进行，平均海拔高度约400 m，属于典型的干旱少雨温带大陆性气候，年降水量125.0~207.7 mm，年平均蒸发量1 000~1 500 mm，平均气温25.1~26.1 ℃，全年日照时间2 797.5 h，蒸发量1 500 mm 左右[17]。

表1 2018 年气象状况

Table 1 Meteorological conditions in 2018

表2 测坑土壤体积质量与田间持水率

Table 2 Measuring pit soil bulk density and field water holding capacity

1.2 试验设计

试验以梭梭为供试植物，供试土壤为沙土。选择人工移栽2a生的荒漠植物梭梭，在测坑内种植梭梭。测坑规格为3 m×2 m×2 m，四周侧壁进行防渗处理，底部设30 cm 反滤层，每个测坑种植植株4 棵。土壤平均体积质量为1.46 g/cm3，田间持水率为19.13%（质量含水率），滴灌矿化度设5个处理，分别为1、3、6、9、12 g/L，每个矿化度处理设3 次重复。测坑土壤初始含盐量为0.35%。灌水方式为滴灌，滴头流量为7.9～10.5 L/h。滴头布置于距植物基径约5 cm。根据准噶尔南缘莫索湾灌区地下水的主要组成成分，灌溉水溶液为人工配置而成，所配化学药品NaHCO3、Na2SO4、NaCl、CaCl2、MgCl2的质量比例为1∶7∶8∶1∶1。梭梭的灌水下限为相对田间持水率的30%～40%，灌水上限为相对田间持水率80%，灌水周期为15 d/次，灌水定额为30 L/株。

图1 滴灌布置方案图

1.3 数据处理

1.3.1 土壤水分和盐分

土壤含水率在室内采用烘干法测定。将土壤剖面分为0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm这5个采样区间进行土壤含水率的测定，A到E表示5种不同矿化度的咸水。每个处理设3个重复，例如A-1、A-2 和A-3（图1）。在灌水前收集所有深度区间的土样，用土钻取土样。测量土壤的盐分，将烘干的土壤杨平磨碎后，用5 mm的筛子筛土，土样风干后，采用1:5的土水比来浸提土样，然后采用上海雷磁DDS-11A电导仪测定土壤电导率（EC）。

1.3.2 土壤离子

1.4 数据分析

使用Origin (Edwards 2002)进行方差分析（ANOVA）。采用Tukey’s HSD 检验进行多重比较，检验不同方法之间的显著性差异，当≤0.05时，差异性被认为具有统计学意义。舒卡列夫法进行水化学分类和Piper 三线图处理数据。

2 结果与分析

2.1 土壤水分运移分析

土壤的水分运移是水分在土壤中循环的重要过程，影响着荒漠植被的生长，降雨、太阳辐射和灌溉等都会对土壤的水分产生影响[18-19]。由图2 可见，咸水灌溉梭梭土壤水分分布具有明显的分层现象。在表层（0～20 cm）土壤中，土壤含水率有明显波动，主要是由于表层土壤接近地表，受灌溉，蒸发，降水等因素影响，含水率变化剧烈[20]；深层（80～100 cm）土中，由于积盐量较大，盐分胁迫影响植物根系吸水，土壤含水率缓慢降低，但波动性不大，深层土壤很难受外界因素影响，含水率相对稳定。5 月灌水后，在不同矿化度处理下土壤含水率没有明显的波动，主要由于气温较低，蒸发较弱7 月中旬土壤含水率呈现最高值，主要由于在气温强烈的蒸发作用下，植被需水急剧上升，土壤含水率总消耗量在增加。由图2 可以看出，随矿化度的增大，同一深度下矿化度为6 g/L的土壤含水率最大，矿化度增大到9 g/L 和12 g/L 时土壤含水率不再增加，反而降低，这是由于土壤盐分胁迫使得土壤结构受到一定程度的破坏，从而影响梭梭对土壤水分的吸收能力。

2.2 土壤盐分运移分析

土壤含盐量直接影响梭梭成活及生理生长。在试验条件下，灌溉水的矿化度会影响梭梭主根区的含盐量，含盐量过高会引起根系盐胁迫，影响梭梭对水分的有效利用。图3 显示了不同矿化度处理对土壤含盐量分。在梭梭生长阶段，1、3、6、9、12 g/L 矿化度咸水灌溉后不同深度土壤含盐量的变化趋势相似。5、6月时，由于初期灌水量少，带入土壤中的盐分较少，而且降雨对土壤盐分的淋洗，土壤中含盐量下降；进入7月，正是干旱地区最热的季节，干旱少雨，大量咸水灌溉，土壤盐分缺乏淡水淋洗，土壤盐分逐渐累积。在20～60 cm 土层中，矿化度为3、6 g/L 咸水进行滴灌时，含盐量逐渐下降，说明在梭梭生长期未出现盐分积累，甚至还有脱盐现象。不断地累积灌溉，积盐现象逐步显现出来，在60～80 cm 土层处，整个生育期内9、12 g/L 咸水灌溉后土壤内均积盐，最高积盐量分别比6 g/L 咸水灌溉高1.4、2.1 g/kg。可以看出，在60～80 cm 深度处积盐量最高，“盐随水动”上层土壤盐分随着灌溉水向下迁移，滴灌过程中将盐分带入湿润区最边缘土层聚集，在土壤湿润锋处的含盐量最大[21]。

2.3 土壤离子变化

咸水滴灌入渗带入一定量盐分离子与土壤胶体颗粒间发生着物理化学变化，影响土壤结构，导致土壤盐渍化。离子毒害主要是由于植物摄取了过量的Na+、Cl-、K+等离子，土壤中的钠离子量是反映土壤盐分的重要指标[22-23]。不同矿化度处理梭梭土壤8大离子如图4 所示。在土壤表层0～20 cm，不同矿化度处理下，土壤中阳离子中K+、Na+量最高，阴离子中SO42-量最高，HCO3‑量最低，表3为不同矿化度处理下土壤离子量。

由图4可知，土壤表层0～20 cm，随着矿化度不断增加，各离子量不同程度增加。咸水中的分布及离子量变化关系分析，SO42-、Cl-、K++Na+是咸水化学组成中占主导作用，离子的量是随矿化度增加显著增加，其他离子量变化不明显；由于灌溉水矿化度越大，带入土壤盐分量越多，，SO42-、Cl-、K++Na+离子浓度就越大，影响植物生长。

2.4 土壤pH值

土壤盐分增加可能导致土壤盐渍化。随灌水矿化度的升高，土壤盐分离子量的相对比例发生变化，因而会影响其pH 值[24]。不同矿化度对土壤pH 值变化如图5 所示，随着矿化度升高，土壤pH 值增加，矿化度超过6 g/L 时，土壤pH 值升高至8.5 左右。深度在0～40 cm，60～80 cm 土壤pH 值变化明显，其矿化度为1、3、6 g/L，pH 值变化范围在0.25 左右，矿化度为9、12 g/L 时，pH 值变化范围在0.58。

图5 不同矿化度咸水灌溉土壤pH值

表3 不同矿化度处理下土壤离子量

Table 3 Soil ion content under different salinity treatments

注 小写字母代表在0.05 水平差异显著。

Note Lowercase letters represent the significance difference at 0.05.

2.5 土壤水化学特征

图6 不同矿化度处理土壤水化学piper 三线图

3 讨论

3.1 咸水灌溉对土壤水分的影响

含水率是土壤重要物理性状之一，是作物良好生长发育的基础，是评价土壤渗透性能和影响作物生长状况的重要指标[26-29]。不同矿化度（1、3、6、9、12g/L）处理下的土壤含水率如图3所示。随着灌溉水矿化度的增大，土壤含水率不断增加，当矿化度大于6 g/L 时，含水率随着矿化度的升高而减小。主要是随着矿化度增大，滴灌过程中土壤中的Na+数量会增多，Na+的存在会引起土壤颗粒的膨胀和分散，在干湿交替作用下改变土壤物理特性[30]，使土壤的透水性和透气性变差。吴忠东等[22]研究表明，同一土层中矿化度为3 g/L 的入渗水土壤含水率最大，矿化度进一步增大到3.5 g/L和4.3 g/L时土壤含水率并未有增大现象，反而略有减小即相同湿润锋深度，土壤含水率反而与入渗水矿化度负相关。

3.2 咸水灌溉对土壤盐分的影响

高矿化度咸水长期灌溉导致深度0～100 cm土壤有明显积盐，盐分呈底聚型分布，咸水灌溉带入的盐分与土壤本身化学元素及土壤颗粒发生相互作用，改变土壤理化性质，导致土壤水分和盐分运移规律的变化，影响土壤水分和盐分分布。随着矿化度的升高，土壤中Na+数量也随之增加，Na+是引起土壤退化的主要盐分，是影响土壤盐化和碱化的主要离子。土壤碱度变化也与灌溉水矿化度有关，长期高矿化度咸水灌溉会导致土壤碱化。许多研究发现[31-34]，滴灌土壤湿润区将盐分推移到湿润锋附近，使其含盐量增加；长期滴灌条件下，土壤湿润锋处的盐分积累是造成土壤次生盐碱化的原因之一。Ben等[35]研究发现咸水灌溉导致土壤盐分显著增加。这与本研究的结果一致。

4 结论

1）在垂直条件咸水滴灌下，同一深度处，矿化度以6 g/L 为界，土壤含水率呈现先随矿化度增加而增加，而后随矿化度的升高而减小的规律，高矿化度带入的盐分及离子数量影响土壤的持水与导水能力。

2）咸水滴灌梭梭土壤含盐量与灌水矿化度呈正相关，灌溉不同咸水会引起土壤含盐量的不同，其影响的大小排列顺序为：12 g/L>9 g/L>6 g/L>3 g/L>1g/L，在垂直方向60～80 cm 深度处积盐量最高，可达6.2 g/kg，体现灌溉矿化度越高，土壤含盐量也越高的特性。

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Experimental Study on Water and Solute Movement in Soil Grown with Desert Plantunder Drip Irrigation Using Saline Water

LIU Saihua1, YANG Guang1*, ZHANG Qiuying2, HE Xinlin1, XUE Lianqing3, WANG Zelin1, LI Fadong4,5, REN Futian1

（1. School of Water Conservancy and Architectural Engineering, Shihezi University/Key Laboratory of Modern Water-saving Irrigation Corps, Shihezi 832000, China; 2. Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China;3. College of Hydrology and Water Resources, Hohai University, Nanjing 210098, China; 4. Institute of Geography and Resources,Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China; 5. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

saline water; haloxylon ammodendron; water and salt migration; hydro-chemical property

S153.5

A

10.13522/j.cnki.ggps.2019186

1672 - 3317（2020）01 - 0052 – 09

2019-08-22

国家自然科学基金项目（41601579，U1803244）；国家重点研发计划专项（2017YFC0404303）；兵团中青年科技创新领军人才项目（2018CB023）；兵团优秀青年教师项目（CZ027204）；石河子大学青年创新人才项目（CXRC201801）

刘赛华（1995-），女。硕士研究生，主要从事干旱区生态水文方向的研究。E-mail:1321751104@qq.com

杨广（1983-），男，河北新乐人。副教授，主要从事干旱区生态水文方向的研究。E-mail:mikeyork@163.com

刘赛华, 杨广, 张秋英, 等.典型荒漠植物梭梭在咸水滴灌条件下土壤水盐运移特性[J]. 灌溉排水学报, 2020,39(1):52-60.

LIU Saihua, YANG Guang, ZHANG Qiuying, et al. Experimental study on water and solute movement in soil grown with desert plant haloxylon ammodendron under drip irrigation using saline water[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2020,39(1): 52-60.

责任编辑：赵宇龙