玛纳斯河流域出苗期棉田土壤膜下滴灌前后水分-盐分-养分运移分析
2021-11-25陈霖明李艳红李发东何新林
陈霖明，李艳红,李发东,3,4,何新林
(1.新疆师范大学地理科学与旅游学院，新疆 乌鲁木齐 830054；2.新疆维吾尔自治区重点实验室，新疆干旱区湖泊环境与资源实验室，新疆 乌鲁木齐 830054；3.中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101；4.中国科学院大学资源与环境学院，北京 100190；5.石河子大学水利建筑工程学院，新疆 石河子 832000；6.现代节水灌溉兵团重点实验室,新疆 石河子 832000)
自1996年新疆建设兵团农八师对盐碱地膜下滴灌实践取得较好的效果后，膜下滴灌技术在新疆大规模应用推广开来[1-3].由于膜下滴灌的单次供水量较小，且新疆灌溉水具有较高的矿化度，难以利用膜下滴灌将土壤中盐分淋洗至地下水中，盐分仍然在土壤内部集聚[4-6].棉花出苗期是棉花生长的重要阶段，土壤内部盐分的累积在一定程度上会抑制棉花的出苗，而土壤中养分的多寡又会影响棉花出苗的品质[7-8].目前，国内外众多研究结果表明，土壤在滴灌条件下会在滴头至棉花根区形成湿润区和盐分淡化区，水平方向上盐分会由滴头处向膜间迁移，具有明显的定向迁移机制；而土壤养分主要累积在膜内的滴头处至棉花根区[9-13].齐志娟等[14]在分析内蒙古河套灌区土壤膜下滴灌过程中滴头下方30 cm附近形成主要脱盐区，盐分逐渐向湿润区外缘积聚.苏里坦等[15]在新疆南疆地区得出在时间尺度上，棉花根层(0～50 cm土层)土壤的脱盐率顺序为:灌溉1 d后>灌溉3 d后>灌溉7 d后>灌溉前.Gärdenäs等[16]通过在水肥一体化条件下建立土壤硝态氮淋失模型，得出在干旱地区硝态氮的淋失范围.玛纳斯河流域(简称玛河流域)，是新疆开垦面积最大的人工绿洲，是重要的棉花生产基地，也是最典型的积盐区.玛河流域棉田有着长期的膜下滴灌历史，土壤含水率常年处于较低状态，土壤含盐量较高，且多集聚在20～60 cm层面，土壤养分呈现出氮肥较丰富而磷肥和钾肥匮乏[17-19].滴灌后棉田土壤水分-盐分-养分变化会直接影响到棉花苗期的出苗率以及幼苗品质.目前，众多学者对玛河流域棉田土壤水盐运移规律研究主要集中在6～8月或者整个棉花生育期，认为在土壤内部盐分呈现出水平方向上由膜内向膜间和垂直方向上由下至上的双向累积的分布特征[20-23].而部分学者探究了棉花出苗期土壤水盐分布规律，认为土壤水分呈现出由地表向土壤深层递减的分布特征；土壤含盐量较小，盐分主要集中在40～60 cm深度处[24-25].但是对出苗期棉田土壤灌水后的水分-盐分-养分的时间变化规律的研究较为薄弱，因此本研究通过在棉花出苗期进行野外实地采样，取得农业种植状态下的棉田土壤水分、盐分、养分数据；基于对玛河流域棉花出苗期棉田土壤水分-盐分-养分变化规律进行分析，揭示棉花生长阶段膜下滴灌前后土壤水分-盐分-养分运移规律.以期确定玛河流域出苗期棉田土壤水分-盐分-养分分布规律，为控制棉田土壤次生盐渍化、提高棉花出苗率和提升幼苗品质提供数据支持和科学依据，为促进区域农业发展提供一定的参考.
1 研究区概况及研究方法
1.1 研究区概况
玛纳斯河流域(N 43°27′～45°21′，E 85°01′～86°32′ )位于新疆天山北麓中段，准噶尔盆地南缘，是典型的山盆体系结构；地处欧亚大陆腹地，也是典型的内陆河流域.流域面积约3.1×104km2，地势南高北低；该流域多年干旱少雨，年降水量不足200 mm，年蒸发量高达1 800 mm.年均气温为4.7～5.7 ℃，光热资源丰富，属典型的温带大陆性干旱半干旱气候.安集海灌区位于玛河流域西北部，是由冲洪积扇形成的中游平原地带，地下水位埋深较小(约1～3 m)，矿化度较低，土壤质地以沙壤土、壤土和黏土为主.自1999年实行膜下滴灌以来，棉田土壤盐渍化得到一定控制，但由于受到地下水位埋深较小、土质、气候及人为活动等的综合影响，部分农田仍处于脱盐不稳定或者积盐状态[17、26].出苗期是棉花重要的生长发育阶段，在此阶段滴灌1～2次，一般选择地下水灌溉，灌溉水矿化度为100～200 mg/L，每次滴灌量为190～240 m3/hm2.
1.2 研究方法
1.2.1 样品采集及样品分析 于2019年5月在玛河流域安集海灌区棉田依据实地情况分别选取样地，选取142团作为土壤采集点，分别在滴灌前2天，滴灌后第2天、5天、7天内进行采样，设置4个采样点，记录每一个采样点的海拔高程、经/纬度土壤类型.除去土壤表层凋零碎屑.采用5点法对滴头处、覆膜边缘处、膜间的土壤进行采集，共获取土壤剖面20个.每个剖面自上而下采集0～5、5～10、10～20、20～40、40～60 cm土壤，共采集土壤样品100个，装入样品袋后标记带回实验室，经过自然风干、研磨、剔除杂质、过2 mm筛后保存.
1.2.2 试验方法 土壤各项理化性质均参照《土壤·水·植物理化分析教程》[26].制备1∶5的土水质量比浸提液，pH值采用HANNA公司 pH 电 极 (pH 211 Microprocessor pH Meter)进行测定；土壤盐分用HANNA公司便携式电导仪进行测定；土壤温度使用地温计测量；土壤含水量用烘干法测定；土壤铵态氮和硝态氮采用2 mol/L KCl浸提，使用双波长紫外比色法测定.
1.2.3 数据处理 采用Excel对数据进行常规统计计算，差异性分析使用SPSS 17.0软件完成，用Orgin 16.0、Surfer 15.0作图.
2 结果与分析
2.1 膜下滴灌土壤理化性质描述性统计
对滴灌前后样地土壤( 0～60 cm) pH值、含水量、盐分和铵态氮、硝态氮进行描述性统计分析(表 1) 可知， 按照变异系数划分等级，当CV<10%为弱变异性;10%
表1 滴灌前后土壤理化性质描述性统计
2.2 膜下滴灌水分变化规律
土壤含水量的变化对出苗期棉花生长影响较大，土壤含水量在时间尺度上的变化规律如图1.由图1可见，在滴灌后土壤内部形成湿润区，含水量均在增加，在垂直方向上表现出由表层向深层递增的趋势.在滴灌后2天湿润区范围最大，土壤含水量也最大，较滴灌前土壤平均含水量增幅达到27.1%.随着时间推移，湿润区范围减小，土壤含水量在缓慢下降，滴灌后5天、7天较滴灌前土壤平均含水量增幅为17%、10%.出苗期棉花根系主要生长在0～20 cm，随着生育期的变化，棉花根系会逐渐向下延伸.滴灌前棉花根层(0～20 cm)土壤平均含水量为124.8 g/kg，滴灌后2天、5天、7天棉花根层土壤平均含水量分别达到155.91、141.23、139.76 g/kg，较滴灌前增幅为24.9%、13.2%、12%.土壤含水量在滴灌后表现为增加趋势，在垂直方向上呈现出由表层向深层递增的特征.
图1 滴灌前后土壤水分变化图
2.3 膜下滴灌pH值分布规律
pH值代表土壤的酸碱程度，也能够表现农作物对土壤肥效的利用效果.滴灌前后土壤pH值均属于弱碱性.滴灌前土壤pH值呈现出滴头处向膜间递减的分布特征.滴灌后2天在棉花根区(0～20 cm)以外区域，土壤pH值呈现出明显增加的趋势.随着时间推移，土壤pH值开始缓慢降低，滴灌后7天，土壤pH值在膜内呈现出由地表向深层土壤递增的分布特征(图2).
图2 滴灌前后土壤pH值分布图
2.4 膜下滴灌盐分变化规律
膜下滴灌是一种局部灌溉方式，湿润区土壤内部在水平和垂直方向均有扩散，盐分随着湿润区的扩散也在随之变化.滴灌后随着时间推移，土壤盐分表现出地表向深层土壤，滴头处向膜间双向递增的分布特征(图3).滴灌后2天，土壤内部盐分减小，平均脱盐率达到53.6%，棉花根区(0～20 cm)脱盐率为51.6%.随着时间推移，滴灌后5天、7天土壤内部盐分出现返盐趋势，平均脱盐率分别为35.1%、0.6%，棉花根区(0～20 cm)脱盐率分别为32.2%、10.5%.滴灌7天后，膜内40 cm以下和膜间20 cm以下开始积盐.土壤盐分在滴灌后总体呈现脱盐状态，时间尺度上的变化滴灌后2天<滴灌后5天<滴灌后7 d<滴灌前；在空间尺度上表现出在垂直方向上从深层向地表，在水平方向上从膜内向膜间的双向迁移趋势，在灌后7 d膜内40 cm以下和膜间20 cm以下土壤盐分形成积盐区.
图3 滴灌前后土壤盐分分布图(g·kg-1)
本研究采用幂函数拟合土壤盐分随时间的变化：
Y=exp0.359×X0.392，R2=0.944
式中：X代表滴灌天数；Y代表土壤盐分(g/kg).决定系数R2=0.944，说明此幂函数方程能够较好地拟合出滴灌后土壤盐分随时间的变化规律.
2.5 膜下滴灌养分变化规律
土壤铵态氮、硝态氮是棉花生长过程中最容易吸收的无机氮.土壤铵态氮含量随时间变化如图4所示，在滴灌后总体呈现出累积的趋势.滴灌后2 d，土壤铵态氮平均含量最小，仅为3.02 mg/kg，较滴灌前降幅为2.6%；但膜间土壤铵态氮含量较滴灌前呈增加趋势，增幅为70.5%.随着时间推移，滴灌后5、7 d土壤内部铵态氮含量呈现逐渐增加趋势，分别达到3.16、3.97 mg/kg，增幅为2.6%、28.9%.随着时间推移，棉花根区(0～20 cm)铵态氮含量呈现降低趋势，在滴灌后第2天、5天、7天分别为3.17、3.02、3.06 mg/kg，降幅分别达到9.2%、13.5%、12.3%.滴灌后土壤铵态氮含量呈现出从地表至土壤深层和滴头处至膜间双向累积的分布特征，但是在棉花根区(0～20 cm)表现出下降趋势.
图4 滴灌前后土壤铵态氮分布图
土壤硝态氮含量随时间变化如图5所示，在滴灌后总体呈现累积的趋势.滴灌后2 d，土壤内部硝态氮含量明显降低，平均含量仅为0.41 mg/kg，降幅达到46.1%；其中在滴头处土壤硝态氮平均含量降幅最大，为53.6%.随着时间推移，滴灌后5、7 d土壤内部硝态氮含量呈现递增的趋势，分别为0.77、1.45 mg/kg，增幅达到1.3%、90.8%.棉花根区(0～20 cm)土壤在滴灌后随着时间推移，硝态氮含量总体呈现出累积趋势，仅在滴灌后2天时出现降低，仅为0.24 mg/kg.滴灌后土壤硝态氮含量呈现出从地表至土壤深层和滴头处至膜间双向累积的分布特征.
图5 滴灌前后土壤硝态氮分布图
3 影响因素分析
通过对滴灌前后土壤水分-盐分-养分差异性分析(表3)，滴灌后2天深层土壤含水量和盐分P<0.05，差异显著，说明滴灌后土壤水分增加明显，盐分被淋洗充分.滴灌后5天时，土壤含水量P>0.05，差异性不显著，说明土壤湿润区范围在减小，土壤水分在蒸发.根区(0～20 cm)土壤盐分P<0.05，深层土壤盐分P>0.05，说明根区(0～20 cm)土壤盐分仍然处于较低水平，而深层土壤出现返盐趋势.滴灌后7天，土壤含水量和盐分差异均不显著，说明滴灌后随着时间推移，土壤含水量在减少，土壤湿润区范围减小明显，脱盐区范围也随之减小，土壤盐分出现返盐趋势.土壤铵态氮含量和硝态氮含量均随着时间推移呈现累积趋势.其中铵态氮在滴灌后表现为差异性不显著，表明铵态氮累积趋势缓慢.硝态氮在滴灌后2天根区(0～20 cm)土壤中均表现为差异性显著，说明硝态氮在根区(0～20 cm)土壤中急剧减少；滴灌7天后土壤硝态氮均表现为差异性显著，这说明随着时间推移，土壤中的硝态氮累积明显.
表3 滴灌前后土壤水分-盐分-养分差异性分析
P>0.05 no significant difference;P<0.05 significant difference.
如图6所示，滴灌时间变化对土壤水分影响表现为逐渐增加的趋势，这是因为采样期是5月份，正值棉花的出苗期，棉花正处于出苗阶段，需水量较大，含水量逐渐减少.滴灌时间变化对土壤盐分影响表现为逐渐脱盐的趋势，这是因为在滴灌后由于滴灌水的灌入，表层土壤中的盐分被淋洗到深层土壤.而随着时间推移，由于土壤蒸发作用和棉花根部吸水，土壤内部湿润区范围缩小，土壤水分在减少，无法对深层土壤起到很好的压盐效果，所以深层土壤中的盐分缓慢向表层迁移，出现返盐趋势.
图6 滴灌后土壤水肥盐随时间变化积累量
土壤中的铵态氮和硝态氮都属于速效养分，滴灌时间变化对铵态氮的影响表现为增加的趋势.
由于铵态氮起效较慢，肥效期较长，进入土壤后主要固定于土壤胶体中；硝态氮极易溶于水，随着滴灌水的淋溶易流失或者转化为其他物质，且肥效期为当天，所以在滴灌2天时积累量为负值.滴灌前棉花株高8～10 cm，滴灌7天后棉花株高基本达到13 cm以上.这也说明滴灌后土壤中的水肥盐随着时间的变化对棉花的生长是有促进作用.
4 讨论
4.1 滴灌前后土壤中水分-盐分-养分的时间变化
研究干旱区膜下滴灌土壤水-肥-盐运移机制对棉花生长具有重要作用[28-31].本研究通过对滴灌前，滴灌后2天、5天、7天土壤水分-盐分-养分变化机理进行分析，认为滴灌后土壤水分随着时间推移呈现递减趋势，湿润区的范围逐渐减小；滴灌后土壤盐分随着时间推移呈现出返盐趋势.在棉花花铃期以及出苗期至花铃期，新疆昌吉[32]、南疆[33]和玛河流域[34]均呈现出在0～60 cm区间内土壤内部水分含水率较低，但大于滴灌前，而土壤盐分则呈现出累积现象.而在棉花吐絮期[3]，玛河流域土壤内部盐分较出苗期呈现出累积现象，这主要是因为随着棉花生育期的延长，气温较出苗期越来越高，土壤蒸发作用越来越强烈，土壤内部所形成的湿润区和脱盐的范围缩小的速率较出苗期更快，从而导致了在棉花花铃期和吐絮期较出苗期土壤盐分更高，水分较少.玛河流域[35]棉花全生育期中土壤养分随着滴灌表现出一定的规律性；铵态氮呈现出向下累积趋势，硝态氮在滴灌后又被淋洗至深层土壤，会提高土壤中硝态氮的含量，这也说明土壤养分在棉花的出苗期和其他生育期中变化规律基本保持不变.
4.2 滴灌前后土壤中水分-盐分-养分的空间变化
不同研究区以及不同的棉花生长期，土壤水分-盐分-养分的空间变化规律均会存在异同.在玛河流域[36-38]以及南疆地区[39]，棉花整个生育期中，苗期土壤盐分总体呈现脱盐趋势，且在膜间仍处于脱盐状态；花铃期以及吐絮期土壤盐分在水平方向上呈现出由膜内向膜边以外的区域定向迁移的趋势，在垂直方向上表现为由下往上迁移的趋势，且多出现在0～20 cm层面，而养分则出现表层大于深层，在0～20cm层面累积的现象.这也与本研究的结果存在一些异同.在出苗期，土壤内部水分呈现出在垂直方向上由地表向深层递增的特征；盐分则呈现出在水平方向上由滴头处向膜间和垂直方向上由地表向深层的双向累积趋势，在膜内40 cm以下则形成积盐区；膜间20 cm以下形成积盐区，其中在棉花根区(0～20 cm)则形成恒定的湿润区和盐分淡化区；而养分呈现出由地表向深层和滴头处向膜间的双向累积的分布特征.与棉花其他生育期的区别主要是两部分，一是棉花其他生育期较出苗期温度更高，土壤蒸发作用强烈，其内部的湿润区和脱盐区缩小的速率较出苗期更快；所以会造成土壤盐分累积.二是出苗期膜内土壤较为松散，而在其他生育期土壤表层已出现部分板结，影响了灌水后湿润区在垂直方向上的延伸距离，较深层的土壤得不到充足淋洗从而影响了氮素进入深层土壤；在河套灌区[40]，在滴灌后1～3 d水平方向上盐分逐渐向膜间堆积，垂直方向上盐分在0～30 cm形成脱盐区.其与玛河流域也存在较多差异，河套灌区较玛河流域因土壤质地黏粒较多而砂粒较少，湿润区的范围主要集中在水平方向上，所以玛河流域膜内土壤在滴灌2天后垂直方向上形成脱盐区；在水平方向上均表现出滴头处向膜间迁移的趋势.
表4 不同棉花生育期以及不同研究区的对比分析
5 结论
本项目在玛河流域安集海灌区研究了棉花出苗期单次灌水条件下土壤水分-盐分-养分在灌后2、5、7 d的时空变化规律，得到结果如下.
1) 土壤含水量在滴灌后较滴灌前增幅分别为27.1%、17%、10%；在垂直方向上呈现出由表层向深层递增的特征.
2) 土壤盐分在滴灌后总体呈现脱盐状态.时间尺度上的变化是滴灌后2 d>滴灌后5 d>滴灌后7 d>滴灌前，脱盐率为53.6%、35.1%、0.6%.在空间尺度上呈现出垂直方向上从深层土壤向地表和水平方向上从滴头处向膜间的双向迁移趋势，在膜内40 cm以下和膜间20 cm以下形成积盐区.
3) 土壤铵态氮和硝态氮在滴灌后均表现出累积趋势；在滴灌后7 d土壤铵态氮和硝态氮较滴灌前增幅分别为78.8%、90.8%，均表现出由地表向深层和滴头处向膜间的双向累积的分布特征.
4) 土壤水分-盐分-养分的运移规律主要受时间变化和土壤蒸发作用的影响.滴灌后时间的推移和土壤蒸发作用使得土壤内部湿润区和盐分淡化区的范围在减小，出现返盐趋势；弱碱性土壤使铵态氮向硝态氮的转化速率增加，从而使土壤硝态氮累积.
