滴灌流量对不同质地土壤水盐运移的影响研究

胡 越，邵光成，蒋 傲，张 颖，尚林鑫

（1.河海大学农业科学与工程学院，江苏南京210098；2.江宁区水务局，江苏江宁211100；3.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州311122）

0 引 言

我国盐碱地的分布范围十分广泛，其中新疆地区是典型的内陆盐渍区，降雨稀少，蒸发强烈，江苏滨海地区是典型的海浸盐渍区，有大面积受海水浸渍而形成的次生盐渍化耕地［1］。随着人口增长和经济发展，盐渍区的水资源供需矛盾日趋突出，水资源短缺已成为制约经济社会健康发展的瓶颈。滴灌作为当今世界最先进的灌水技术之一［2，3］，具有节水、节肥、省工等优点［4，5］，对盐碱地土壤有良好的淋洗作用［6］，在我国各大盐渍区已得到日益广泛的应用。由于淡水资源的缺乏，上述地区在发展滴灌时急需找到适用于本地区盐碱土的滴灌流量。基于此，针对新疆和江苏滨海地区特殊土质，探讨不同滴灌流量下土壤水盐运动特点，寻求在灌水量有限的情况下既能达到压盐目的又尽可能节水的滴灌制度就显得特别重要。

滴灌流量、土壤质地是滴灌条件下影响土壤水盐运移的两项重要因素［7，8］，在相同灌水量条件下，不同的滴灌流量对应不同土壤浸润时间、不同湿润体以及土壤水盐环境，而不同的土壤质地则对应不同的土壤结构、颗粒组成、持水和导水能力，进而产生差异性的水盐环境。国内外学者的已有研究表明，大滴头流量能促进土壤水盐的水平运移，使土壤湿润区更宽浅，表层土含水率更大，且盐分多积聚在土壤表层，小滴头流量能促进土壤水盐向垂直深度运移，更有利于压盐［9-15］。土壤质地对土壤盐分的影响程度随土壤深度递减，而对土壤水分的影响则相反［16］。砂土的土颗粒直径大，水分入渗和蒸发速率快，盐分在土壤中运移频率高，垂直分布性更好，黏土比表面积大保水性好，对盐分有明显的阻碍作用，同等灌水定额下粉砂质黏壤土具有更高的含水量［17-20］。目前关于滴灌条件下土壤水盐运移的研究多集中在阐释滴灌流量等单因素的影响机理上，而对于不同质地盐碱土适宜滴灌流量的遴选研究涉及较少。

本文通过避雨土箱滴灌试验，选取滴灌流量作为控制因素，设置新疆砂质壤土和东台粉砂质壤土两种土壤质地，分析不同滴灌流量对土壤水盐运移的影响，从而筛选出不同土质对应的最优滴灌流量。研究成果可为滴灌系统制定更为合理的灌溉制度提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土壤取自新疆且末垦区与江苏省东台市滨海地区耕层土，根据土壤粒度分析仪测定结果和国际制土壤质地分组法［21］，得到两地土壤分别属于砂质壤土和粉砂质壤土，土壤物理性质见表1。

表1 供试土壤基本物理指标Tab.1 Basic physical indexes of tested soil

1.2 试验方法

试验于2018年3-8月进行。试验装置为30 cm×30 cm×95 cm 的立方体土箱，顶部无封盖，筒底安装有排水阀门。填筑时下部依次铺设5 cm 厚的石子、粗砂、细砂形成反滤层，细砂与土体之间利用土工膜隔离，防止土箱入渗时下端土壤进入沙粒中。供试土样经风干，碾磨，过2 mm 筛，严格按照测定土壤干容重（砂质壤土为1.47 g/cm3，粉砂质壤土1.35 g/cm3）填入土柱中，按10 cm 高度分层填装，称取固定质量的土样装入土箱经人工振捣密实至计算高度，层间凿毛，继续填装下一层，土箱填筑总高度为75 cm。测筒外部用反光薄膜包裹，避免阳光直射造成筒体温度升高。采用马氏瓶供水（保证流量稳定），医用输液器（去针头）为滴灌器，滴头固定在土箱表面的中心位置，每次灌水前均需校正滴头流量，以保障试验精确性，试验装置示意图如图1所示。

图1 试验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of test device

试验共设4种滴头流量0.4、0.7、1.0、1.3 L/h（用字母L1、L2、L3、L4 表示）和2 种土壤质地新疆砂质壤土、东台粉砂质壤土（用字母Z1、Z2 表示）共8 个处理，每个处理设3 个重复，各组处理每次的灌水量保持一致，每次为3 L。3月31日第一次灌水润湿土壤，之后每隔8～12 d灌一次水。

1.3 观测内容与测定方法

在试验开始前对两种土壤土样测定得到新疆砂质壤土的初始电导率为1 090 µS/cm，东台粉砂质壤土的初始电导率为1 003µS/cm，以此为基准值研究土壤中可溶性盐的迁移情况。试验开始前测得新疆砂质壤土土壤Cl-初始含量为280.11 mg/kg，东台粉砂质壤土土壤Cl-初始含量为354.50 mg/kg，新疆砂质壤土Na+初始含量为101.80 mg/kg，东台粉砂质壤土土壤Na+初始含量为174.30 mg/kg，以此为标准判断土层Cl-与Na+的淋洗与积聚等具体运移结果。

从第二次灌水后开始，相邻两次灌水之间对各个处理取一次样（灌水间隔10 d及以上的取两次），用直径为2 cm 的取土器进行取土。每个测桶分别从0～15、15～25、25～35 cm的土层取土（以下分别称上层、中层、下层），分别进行土壤水分及盐分指标的测定。采用烘干法测含水率，用塑料自封袋保存土样统一测电导率、Cl-、Na+含量。测定样液采用水土比为5∶1浸提法提取，风干土样用研钵碾碎，过1 mm 筛，称重放入离心试管中，加入5倍去二氧化碳蒸馏水，震荡3 min，离心5 min。电导率采用DDS-307 电导率仪（SG3，MATTLER TOLEDO，中国上海）测定，每次测定重复读数3 次。土壤阴离子Cl-采用AgNO3滴定法测定，土壤阳离子Na+采用电感耦合等离子体质谱仪（PlasmaMS 300，钢研纳克，中国北京）测定。

1.4 数据处理

采用Excel 2016 处理试验数据，表中各项数据均为整个灌水周期平均值，Origin 9.0 作图，对各处理结果运用SPSS 22.0 进行单因素显著性分析（LSD）。

2 结果与分析

2.1 不同滴灌流量下土壤水分变化

从表2可以看出，砂质壤土平均含水率在垂直方向上随土层深度增加而上升，且随着滴灌流量的增加表现出先增大后减小的规律，其最大值出现在处理L3Z1 的下层土中，达到13.19%。而粉砂质壤土层间含水率分布则表现出与砂质壤土相反的规律，由图2可见，前25 d 各处理的土壤含水率逐层减小，平均含水率随流量的变化趋势与砂质壤土相同，其最大值出现在处理在L2Z2的中层土，达到18.34%。

表2 不同滴头流量下土壤含水率统计特征值Tab.2 Statistical characteristic value of soil moisture content under different drip irrigation flow rates

就土体平均含水率值的分布区间而言，如表2所示，粉砂质壤土保持在15.09%～18.34%之间，大于砂质壤土的9.96%～13.19%，说明粉砂质壤土保水性较好。粉砂质壤土上层土的变异系数Cv值明显大于其他土层，且随着流量增大基本呈上升趋势，说明土壤表层可能存在积水区，灌水与蒸发交替进行，土体含水率变化幅度大（见图2），且随着滴灌流量的增加变化幅度越剧烈。

图2 粉砂质壤土各土层含水率的动态变化曲线Fig.2 Dynamic changing curves of Soil moisture content in different soil layers of silty loam

综上，两种土壤层间含水率分布稍有差异，平均含水率变化规律相同，均表现为随着滴灌流量的增加先增大后减小，砂质壤土和粉砂质壤土分别在1.0、0.7 L/h时含水率最高。

2.2 不同滴灌流量下电导率变化

图3显示了各处理不同土层电导率的动态变化情况，结合表3中的脱盐率可以发现，对于上层土，砂质壤土在流量L1、L2、L3的条件下电导率值始终低于初始值，保持脱盐效果，当流量增大至L4 时，电导率变动幅度显著增加，表现出洗盐速度快但返盐现象也较明显的规律；粉砂质壤土电导率则较稳定的维持在较低水平，且随流量的增加不断下降。对于中层土，砂质壤土各个处理脱盐率L3Z1>L4Z1>L2Z1>L1Z1，相较于上层土总体减小，如图3所示，流量L1、L2条件下对盐分的淋洗效果不稳定，分别在30、65 d后持续积盐，流量L3、L4淋洗效果较好，仅在试验后期出现短时积盐现象；粉砂质壤土脱盐率同样低于上层土，各处理的电导率平均值均低于初始值且表现出随着流量的增加先降低后升高的规律，在流量L2 时脱盐率达到最大值34.25%。下层土整体表现为积盐，砂质壤土电导率平均值L1Z1>L4Z1>L2Z1>L3Z1，仅在流量为L3时试验前期部分时间内出现了盐分淋洗现象，其他流量处理均表现为持续积盐现象（见图3）；粉砂质壤土变化规律则与中层土类似，均在流量L2 条件下盐分积聚率最小。

表3 不同滴灌流量下土壤电导率统计特征值Tab.3 Statistical characteristic value of soil conductivity under different drip irrigation flow rates

图3 不同滴灌流量下土壤电导率动态变化曲线Fig.3 Dynamic changing curves of soil conductivity under different drip irrigation flow rates

由以上分析可知，就上层土而言，砂质壤土较低流量时盐分淋洗更稳定，而粉砂质壤土各处理均表现持续脱盐；两种土壤中层土的盐分含量表现出相同的变化规律，即随着流量的增大先降低再升高，砂质壤土淋洗效果在1.0 L/h 时最好，粉砂质壤土在0.7 L/h 脱盐率最大；下层土为盐分积累区，砂质壤土和粉砂质壤土分别在流量1.0、0.7 L/h时盐分积累率最小。

2.3 不同滴灌流量下土壤离子变化

2.3.1 Cl-的运移规律

两种土壤的Cl-迁移规律存在明显差异。由表4可知，对于砂质壤土，各土层的离子淋失和积聚效应与电导率值表现的规律基本一致，中上层为淋洗层，下层为积聚层，不同流量处理下中上层土Cl-平均含量无显著差异，仅当流量达到L4 时下层土的离子积聚量明显增加，说明流量大小的改变对淋洗层的Cl-迁移没有显著影响。粉砂质壤土中Cl-迁移对流量具有一定的敏感性。如表4所示，上层土中，随着流量的增大平均Cl-含量表现出先减小后小幅增加的规律，离子淋失率在L2流量下达到最高，为59.25%。中层土离子淋失率低于上层土，但变化规律与其保持一致。下层土持续离子聚集，处理间差异较小。

表4 不同滴灌条件下土壤Cl-变化统计特征值Tab.4 Statistical characteristic value of soil Cl-content under different drip irrigation flow rates

2.3.2 Na+的运移规律

从表5可以看出，对于砂质壤土，上层土Na+淋洗率随流量变化各处理差异不显著，中下层土Na+迁移规律基本与对应土层的电导率变化类似，即离子含量随流量的增大先降低再升高，淋洗效果在1.0 L/h 时最佳；对于粉砂质壤土，各土层的迁移规律同样与电导率变化类似，表现为上层土随流量增加淋洗效果持续加强，中下层土Na+含量随流量的增大先降低再升高，淋洗效果在0.7 L/h 时最佳，但当流量增加到L3、L4 时Na+含量及淋洗率则趋于一致。粉砂质壤土黏粒含量高，土壤入渗速率小，一致性的产生可能是因为当流量大于L2 后，土层表面形成积水，灌溉水在土壤中的入渗过程趋于稳定，使得两处理的结果较为相似。

表5 不同滴灌条件下土壤Na+变化统计特征值Tab.5 Statistical characteristic value of soil Na+content under different drip irrigation flow rates

3 讨 论

滴灌能使土壤在垂直方向形成盐分淡化区［22-26］，上层土淋洗效果最好，中层土的淋洗效果次之，下层土为盐分积聚区。通过对本研究各处理的分析比较发现，随着流量的增加土壤含水率和脱盐率呈先升高后减小的变化规律。砂质壤土粒间孔隙大，水分易向下渗透，当流量达到1.3 L/h 后，滴灌水沿土壤孔隙出流引起深层渗漏，使得土层含水率下降，李长城等［27］的研究也表明砂土在相同的灌水历时下，不同滴头流量会造成灌水总量不同。砂质壤土中上层土盐离子运移受灌水历时影响较大，长时间的浸润能带走土壤中溶解态、吸附态甚至部分固态盐离子，供水量一定流量越小灌水历时越长盐分淋洗则越充分，马东豪等［28］通过田间试验也发现小滴头流量能促进土壤中水盐向垂直深度运移，土壤中盐分能随水分压至深层。对于粉砂质壤土，苏里坦等［11］认为，受土壤入渗能力的限制，高强度滴头流量不利于盐分向深层运移，本研究的试验结果也表明，在大滴头流量（1.0、1.3 L/h）下，因供水强度大于水分入渗率导致滴灌水积聚在土层表面向水平方向扩散且蒸发更加强烈，实际渗入土壤水分较小流量条件（0.7 L/h）下降低，同时表面积水的存在，也使得竖直方向淋洗水量变少，淋洗效率下降，各土层随着流量的增大盐分淋洗效果反而变差。

滴灌的盐分淋洗过程包括2个方面，一是总盐分的淡化，二是盐分离子的淡化［29］。Na+的迁移特性表现出与土壤总盐的运移规律相似的特点，而Cl-的迁移特性则与土壤黏性有关，在不同土质中表现出不同的迁移规律。砂质壤土的土壤孔隙较大，土壤颗粒吸附性不强，滴头流量对Cl-迁移的影响很小。这一点与李金刚等［30］的研究结果一致，Cl-与砂质土壤胶体之间的吸附作用弱，其随水分迁移的能力很强，在灌水量一定的情况下，不论是低流量还是高流量条件下，均表现出较好的离子淋洗效果。而粉砂质壤土中Cl-迁移则对滴灌流量具有一定的敏感性，粉砂质壤土粉粒含量多，粉粒比表面积大对Cl-有很强的吸附作用，因而滴灌流量在粉砂质壤土中的Cl-迁移规律中更具有差异性。

滴灌条件下，各土层的淋洗效果还受到土壤质地的影响。本研究结果表明，不同质地土壤各土层具有不同的最优淋洗流量，其中上层土的淋洗规律差异尤为显著，砂质壤土表现为在低流量下洗盐更充分，且含盐量变幅较大；粉砂质壤土表现为含盐量稳定维持在较低水平，且随流量的增加不断下降。薛新伟等［8］总结前人研究认为，土壤质地对表层土壤含盐量的影响更为显著的原因是土壤表层由于水分入渗、蒸发等作用比较活跃，盐分运移变化更为明显，砂土土壤颗粒直径大保水性差，水分在砂土中入渗速率和蒸发速率快，盐分在土壤中移动频率高。陈丽娟［17］等人通过研究微咸水灌溉条件下含黏土夹层土壤的水盐运移规律，发现黏土层明显阻碍了盐分向土壤深层运移，使得黏土层及其上层盐分积累严重，进一步证实了不同质地土壤水盐运移规律的差异。因此本研究根据土壤质地选择适宜的滴头流量，得到较好的压盐效果，这对实际生产中滴灌系统制定合理的灌溉制度具有重要意义。

4 结 论

（1）在不同滴灌流量处理下，砂质壤土和粉砂质壤土的平均含水率均随滴灌流量增加而先升高后降低，土壤平均含水率分别在流量1.0、0.7 L/h时到达最大。相同流量处理下粉砂质壤土的平均含水率明显高于砂质壤土。

（2）土壤距离滴头越近，脱盐率越高。上层土的盐分淋洗效果最好，砂质壤土脱盐率随流量的增加而下降，粉砂质壤土脱盐率则与流量大小成正比关系；中层土的淋洗效果次之，脱盐率随滴头流量先升高后降低，砂质壤土在流量1.0 L/h 时最高，粉砂质壤土在流量0.7 L/h 时最高；下层土为盐分积聚区，砂质壤土和粉砂质壤土分别在流量1.0、0.7 L/h 时盐分累积率最小。

（3）砂质壤土中，Cl-对灌水量较为敏感而受流量变化的影响很小，滴灌流量大小与Cl-迁移之间没有明显规律，Na+迁移在中下层土表现出与总盐一致的变化规律，流量为1.0 L/h 时淋洗相关最好，而上层土处理间差异不显著；粉砂质壤土中，流量对Cl-迁移的影响更具规律性，上层和中层土平均Cl-含量随流量先减小后小幅增加，在滴头流量为0.7 L/h 时淋洗率最高，下层土持续离子聚集，处理间差异不显著，Na+迁移在流量小于1.0 L/h时与总盐规律相同，进一步加大流量则无显著变化。□