微咸水灌溉对盐碱土水盐运移的影响

张盼盼 赵慧 荣昊

摘要：中国淡水资源短缺，微咸水资源储量丰富，合理利用微咸水是缓解水资源短缺的重要举措之一。为了研究微咸水灌溉对盐碱土土壤水盐运移的影响，进行了室内土柱一维微咸水入渗试验，对比了不同矿化度微咸水对盐碱土土壤水盐运移的影响。结果表明：微咸水灌溉条件下，Kostiakov模型可以较好地模拟土壤入渗率随时间的变化规律;土壤入渗能力与灌溉水矿化度成正比;土壤累积入渗量与湿润锋推进距离具有良好的线性关系;不同矿化度条件下，土壤脱盐深度为15～18 cm，脱Na+深度为15～16 cm，脱Cl-深度为22～23 cm，且均与矿化度水平成反比;随着灌溉水矿化度的增加，积盐区各土层含水率、含盐量及其Na+、Cl-浓度总体上逐渐增大，但脱盐区差异不明显。研究表明微咸水灌溉对盐渍化土壤的水盐分布具有一定程度的影响。

关 键 词：

微咸水; 水盐运移; 矿化度; 入渗试验; 盐碱土

中图法分类号： S152.7

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.05.031

0 引 言

中国是一个水资源十分短缺的国家，人均水资源量仅为世界平均水平的1/4，且时空分布不均。中国农业用水比重一直在60%以上，但是中国水资源时空分布与耕地资源的不匹配性使农业用水难以得到满足，严重制约了农业的可持续发展。非常规水资源作为一种替代资源，可以用来灌溉农业，缓解淡水资源不足的压力，因此非常规水资源的安全开发利用引起了重视。中国非常规水资源总量比较丰富，农业利用的非常规水资源以再生水和微咸水为主，每年能够开采利用的微咸水为130亿m3[1-2]。在农业灌溉中合理开发利用再生水和微咸水，既增辟了灌溉水源，又提高了灌溉保障率，同时也保证了作物产量，是缓解水资源短缺的重要举措之一。充分利用再生水和微咸水等非常规水资源对解决水资源短缺和水环境污染都具有重要的现实和长远意义。

目前，不同地区对微咸水和再生水的利用都进行了大量研究，并取得了很多成果。与传统的淡水灌溉相比，微咸水灌溉一方面提供了作物生长所需要的水分，节约了淡水资源，另一方面也会增加土壤的盐分含量，盐分过度积累会影响土壤质量和作物生长。尉宝龙等[3]研究发现盐分对作物的危害及对产量的影响小于水分，提出实行咸淡轮灌，控制咸水灌溉的土壤含盐量，保证土壤相对溶液浓度指标不超过作物耐盐限度，适当地利用咸水灌溉可以保证农业增产。根据华北连续2 a微咸水灌溉试验可知：当微咸水矿化度不超过3 g/L、灌水量370 mm时，产量不会显著降低且可以提高水分利用效率[4]。山东省庆云县水科所发现利用矿化度为2～4 g/L的微咸水灌溉农作物，可使小麦增产3 750 kg/hm2，夏玉米增产3 375 kg/hm2，棉花增产750 kg/hm2[5]。短期微咸水灌溉对土壤化学性质和土壤盐渍化没有明显影响，但是长期微咸水灌溉可能会引起土壤盐渍化问题[6]。4 a轮作试验表明：第一年作物产量不受灌溉水盐度的影响，但第三年轮作时，微咸水灌溉使土壤平均盐分从3.8 dS/m提高到了7.4 dS/m[7]。微咸水灌溉影响黏质石灰土15～72 cm土层有效持水率[8]。在营养生长阶段灌溉淡水（1.2 dS/m）可以提高潜在产量，在生殖阶段灌溉7 dS/m咸水可以提高果实品质[9]。Hydrus-1D模拟结果表明，长期使用微咸水灌溉相对更适宜均质土壤[10]。Hydrus-2D/3D模拟结果表明：滴灌条件下，滴头埋深较浅时，深层渗漏量较小且土壤盐分在作物耐盐阈值之内[11]，但也有研究发现滴灌条件下土壤盐分超过最优产量时的盐分阈值[12]。研究发现，浅层地下水是土壤盐渍化的主要风险[13]。

可见，国内外均提出了一些合理的微咸水利用模式，但由于区域气候差异、微咸水理化性质差异较大，不同作物的耐盐性不同以及种植结构和经济发展不平不同，研究结果具有局部性，不能大面积的推广。同时微咸水利用机制仍未完全揭示，相应的水盐运移模型没有完全建立。尤其是在淡水资源严重缺乏地区，利用微咸水灌溉时，如何有效防止土壤次生盐渍化，如何模拟土壤水盐运移的长期变化过程，这些尚未有效解决，均有待进一步加强研究。为此，本文通过室内土柱一维入渗试验，分析不同矿化度微咸水灌溉条件下土壤水盐运移规律，对缺乏淡水资源的盐渍化地区合理利用微咸水提供一定的理论参考。

1 材料与方法

供试土样属于盐碱土，取自新疆维吾尔自治区玛纳斯县。土壤去除杂物后，自然风干、磨碎过筛备用。室内通过吸管法进行土壤颗粒分析，土壤黏粒、粉粒、砂粒分别占12.01%，66.98%，21.01%，按照国际制划分标准土壤质地为粉壤土，土壤浸提液电导率EC1∶5为1 113.5 μS/cm，土壤容重为1.45 g/cm3。

一维土柱入渗试验在室内进行。入渗试验装置主要由马氏瓶供水装置、入渗土柱和固定支架组构成。入渗土柱由有机玻璃制作（Ф8 cm，高60 cm），底部打孔。用马氏瓶控制恒定入渗水头（2 cm），自动供水。入渗过程中为减少蒸发的影响，土柱上面覆膜，膜上均匀开小孔。

盐碱土按设计土壤容重（1.45 g/cm3） 分层装入土柱，每层5 cm，装土高度为40 cm。为对比不同矿化度的微咸水对土壤入渗的影响，试验设3种不同矿化度（1.7，3.4，5.1 g/L），并以蒸馏水入渗为对照，共计4个处理，每个处理装3个土柱，试验结束时每个处理选取入渗时间基本一致的一个土柱进行取样分析。微咸水由蒸馏水添加NaCl颗粒配制而成，当入渗深度达到30 cm时停止试验，取样分析。

試验过程中，用秒表记时，记录马氏瓶水位变化，并观测土柱湿润锋变化过程。试验结束后沿垂向每3 cm取土样，采用烘干法测定土壤质量含水率，利用电导率仪法测定土壤浸提液电导率EC1：5，利用原子吸收分光光度计测定Na+含量，利用滴定法测定Cl-含量。

2 结果与分析

2.1 灌溉水矿化度对土壤入渗性能的影响

2.1.1 不同矿化度微咸水灌溉对土壤累积入渗量的影响

土壤累积入渗量是土壤入渗性能的重要指标之一。灌溉矿化度不同，对土壤累积入渗量具有一定的影响。为了分析对比不同灌溉矿化度对土壤累积入渗量的影响，将0，1.7，3.4，5.1 g/L矿化度灌溉水灌溉时土壤累积入渗量历时曲线绘于同一幅图中，如图1所示。

由表2可以看出：累积入渗量与湿润锋推进距离的拟合系数R2均在0.77以上，说明二者具有良好的线性关系。n值随灌溉水矿化度的增大而减小，这可能是因为控制计划湿润深度均为33 cm，灌溉水矿化度越高，入渗速率越快，入渗历时越短，达到入渗深度时累积入渗量有降低的趋势（见图2），说明微咸水有利于土壤水分的入渗，但不利于土壤水分的储存。

2.3 微咸水灌溉对土壤水盐运移的影响

2.3.1 剖面土壤水盐的分布

淡水灌溉条件下，土壤盐分随水向下层移动，具有向下淋洗盐分的效果。而利用不同矿化度微咸水灌溉时，由于灌溉水中本身就有一定的盐分，灌溉水中的盐分离子与土壤中的盐分可能会进行一定的重组，发生某种理化反应，其盐分淋洗效果与淡水灌溉可能会有所不同。不同矿化度微咸水灌溉后，土壤水分和盐分在不同土层中的分布如图3所示。

从图3（a）可以看出，不同矿化度灌溉水入渗后，各土层土壤含水率在土壤表层差异不大，数值较为接近;在0～3 cm深度范围内，土壤含水率急剧减小;在3～21 cm深度范围内土壤含水率变化很小;在21～30 cm深度范围内，土壤含水率再次减小。相同土层，土壤含水率随着灌溉水矿化度的升高而升高，尤其在3～27 cm深度范围内更为明顯，这与土壤累积入渗量在相同历时内的变化趋势一致。

从图3（b）可以看出：同一土层，0～21 cm土层总体上表现为灌溉水矿化度越大，土层含盐量越高;21～30cm土层中，5.1 g/L矿化度微咸水灌溉后土壤盐分依旧最高，而其他矿化度水平的规律性不太明显。此外，3.4，5.1 g/L矿化度微咸水灌溉后，脱盐深度非常接近，在15～16 cm左右;而0，1.7g/L灌溉水（淡水）灌溉后，脱盐深度在17～18 cm左右。在脱盐区，不同处理方式间含盐量远低于初始含盐量，且处理方式间差异较小;而在脱盐深度以下，总体上随着矿化度的增加，土壤盐分及灌溉水中的盐分随水分入渗而运移，导致土壤含盐量逐渐增加。

2.3.2 剖面土壤Na+和Cl-的分布

盐害对植物的危害主要表现在：① 渗透胁迫，即土壤中过多的可溶性盐使土壤水势降低，导致植物吸水困难，严重时，甚至造成植物组织内水分外渗，造成生理干旱;② 光合作用下降，因盐分过多使PEP羧化酶和RuBP羧化酶活性下降;③ 离子失调，土壤中某种离子过多往往排拆植物对其他离子的吸收。如小麦生长在Na+过多的环境中，其体内缺K+，则会阻碍土壤胶体离子交换，降低土壤水气透性，危害作物生长。此外，植物对Cl-的需求较低，土壤中Cl-含量一般均超过植物生长所需量。因此分析Na+和Cl-的迁移具有重要意义。不同矿化度灌溉水灌溉后，剖面土壤Na+和Cl-的分布如图4所示。

由图4（a）可知，由于淋洗的作用，表层土壤Na+含量很低，随着土层深度的增加，土层Na+含量略微增加，幅度较小，且不同矿化度微咸水灌溉后剖面土壤Na+含量基本没有差异;但当土层深度达到15 cm时，随着土层深度的增加Na+含量快速提高，且不同矿化度微咸水灌溉后土壤剖面Na+含量差异较为明显。相同土层，总体上Na+含量随着灌溉水矿化度的增加而增加。不同矿化度微咸水灌溉后，均存在“脱Na+”现象（深度15～16 cm），且矿化度越高，该深度越低，但差异不明显。矿化度为0 g/L时，脱盐区域和积盐区域面积基本相等，而随着矿化度的增大，积盐区域面积均大于脱盐区域面积，这是因为不同矿化度微咸水中存在一定量的Na+，灌溉后土壤剖面Na+含量受灌溉水矿化度和土壤Na+含量初始值的共同影响。

由图4（b）可知：由于淋洗的作用，表层土壤Cl-含量很低，随着土层深度的增加，土层Cl-含量略微增加，幅度较小，且不同矿化度微咸水灌溉后剖面土壤Cl-含量差异较小，但相对Na+而言，差异稍大一些;但当土层深度超过24 cm时，随着土层深度的增加Cl-含量快速提高，且不同矿化度微咸水灌溉后土壤剖面Cl-含量差异较为明显。相同土层，总体上Cl-含量随着灌溉水矿化度的增加而增加。不同矿化度微咸水灌溉后，均存在“脱Cl-”现象（深度22～23 cm），且差异不明显。矿化度为0 g/L时，脱盐区域和积盐区域面积基本相等，而随着矿化度的增大，积盐区域面积均大于脱盐区域面积，这是因为不同矿化度微咸水中存在一定量的Cl-，灌溉后土壤剖面Cl-含量受灌溉水矿化度和土壤Cl-含量初始值的共同影响。

3 结 论

（1） 微咸水灌溉条件下，盐碱土土壤入渗能力随灌溉水矿化度的增加而提高。

（2） 微咸水灌溉条件下，随着灌溉水矿化度的增加，积盐区各土层含水率、含盐量及其Na+、Cl-浓度总体上逐渐增大，脱盐区域差异不明显。

本文主要考虑了4种不同矿化度微咸水灌溉条件下盐碱土土壤水盐运移规律，由于经验不足，重复土柱未全部取样，导致后期无法进行差异显著性分析以及土壤类型单一，后期有待进一步对比分析其他土壤类型;再者，本次试验属于短期连续入渗试验，以后长期微咸水灌溉条件下土壤水盐运移有待进一步研究，后期拟模拟3～5 a长期微咸水灌溉，探究长期微咸水灌溉条件下土壤水盐运移规律。最后，本试验侧重机理研究，根据试验结果，实际种植操作中可以根据种植作物的根系分布情况以及耐盐阈值，控制灌溉水的矿化度或者加大灌溉量以提高淋洗深度，保证作物正常生长发育。

参考文献：

[1] 刘静，高占义.中国利用微咸水灌溉研究与实践进展[J].水利水电技术，2012，43（1）：101-104.

[2] 龚雨田.不同矿化度微咸水灌溉对冬小麦农艺性状及产量的影响研究[D].天津：天津农学院，2017.

[3] 尉宝龙，邢黎明，牛豪震.咸水灌溉试验研究[J].人民黄河，1997（9）：28-31，62.

[4] YUAN C，FENG S，HUO Z，et al.Effects of deficit irrigation with saline water on soil water-salt distribution and water use efficiency of maize for seed production in arid Northwest China[J].Agricultural Water Management，2019（212）：424-432.

[5] 康金虎.寧夏引黄灌区微咸水灌溉技术试验研究[D].银川：宁夏大学，2005.

[6] TAHTOUH J，MOHTAR R，ASSI A，et al.Impact of brackish groundwater and treated wastewater on soil chemical and mineralogical properties[J].Science of the Total Environment，2019（647）：99-109.

[7] CUCCI G，LACOLLA G，BOARI F，et al.Effect of water salinity and irrigation regime on maize （Zea mays L.）cultivated on clay loam soil and irrigated by furrow in Southern Italy[J].Agricultural Water Management，2019（222）：118-124.

[8] LOY S，ASSI A T，MOHTAR R H，et al.The effect of municipal treated wastewater on the water holding properties of a clayey，calcareous soil[J].Science of the Total Environment，2018（643）：807-818.

[9] BUSTAN A，COHEN S，MALACH Y D，et al.Effects of timing and duration of brackish irrigation water on fruit yield and quality of late summer melons[J].Agricultural Water Management，2005，74（2）：123-134.

[10] LI X H，HASSON D，SEMIAT R，et al.Intermediate concentrate demineralization techniques for enhanced brackish water reverse osmosis water recovery – A review[J].Desalination，2019（466）：24-35.

[11] ABOU L T S，BERNDTSSON R，PERSSON M，et al.Numerical evaluation of subsurface trickle irrigation with brackish water[J].Irrigation Science，2013，31（5）：1125-1137.

[12] CHEN W，JIN M，FERR T P A，et al.Spatial distribution of soil moisture，soil salinity，and root density beneath a cotton field under mulched drip irrigation with brackish and fresh water[J].Field Crops Research，2018（215）：207-221.

[13] BOUKSILA F，BAHRI A，BERNDTSSON R，et al.Assessment of soil salinization risks under irrigation with brackish water in semiarid Tunisia[J].Environmental and Experimental Botany，2013（92）：176-185.

[14] 岳海晶，樊贵盛.土壤入渗模型参数的多元线性预测模型精度的对比分析[J].灌溉排水学报，2016，35（10）：73-77，96.

（编辑：谢玲娴）