干旱区膜下滴灌配合暗管与竖井排水对棉田土壤盐分的影响

许 璇，何新林，衡 通，冯 玥

(石河子大学水利建筑工程学院，新疆 石河子 832000)

土壤盐渍化造成环境污染、农业生态安全问题，也是造成农业发展受限的主要原因之一。生态环境随土壤盐渍化程度加重而变得脆弱，不仅抑制作物生长发育、污染灌区地下水环境[1]，还会通过抑制微生物活性来影响土壤养分转化[2]，导致农业生产、生态安全面临巨大风险。据国土资源厅2004年对新疆土地变更的统计显示，新疆耕地总面积为403.72 万hm2，约1/3的耕地发生土壤盐渍化[3]。为减少土壤盐渍化对农作物的影响，许多学者通过设计淡水或微咸水冲洗试验得到土壤淋洗脱盐规律，总结出了适合研究区的灌排方案[4]，但这同时也增加了周边区域土壤次生盐渍化及地下水污染的风险。

目前新疆常用的农田排水的主要形式有明沟、暗管和竖井排水。其中暗管和竖井排水运用较为广泛，原因是其能阻止盐生植物生长，更加有效地提高脱盐效果，降低地下水位[5-6]。近年来，新疆针对农作物产量和品质、土壤水盐、土壤理化性质等指标，开展了大量盐碱地治理的相关试验[7-11]。不同水平方向上的排水工程所能达到的排盐效果不同，随着各地区经济实力和灌区水盐调控手段越来越强, 配合盐分淋洗的排水工程逐渐由单一水平上的排水过渡到明沟、暗管、竖井排水等其中二者间的有机结合。但暗管竖井协同排水改良的研究目前较少，对包气带土体剖面垂向和水平方向盐分的空间运移规律诠释尚不明确，且水盐量变对土壤微生物的影响机理也尚未阐明，此外，也少有研究报道干旱重盐碱化地区较深层土壤改良的成果。因此，本研究采用膜下滴灌淋洗配合暗管与竖井协同排水的改良模式，以分析盐渍化棉田土壤的盐分运移规律、排盐效果及土壤微生物多样性，为进一步推进盐渍化农田改良及废弃耕地恢复提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地位于新疆维吾尔自治区沙湾县安集海乡北端141团13连3号棉田，东经85°21′，北纬44°36′。141团位于塔克拉玛干沙漠边界，属暖温带大陆性气候，当地降水少(年降水量182 mm)，蒸发大(年蒸发量1 717.9 mm)，空气干燥，光热资源充足。根据沙湾县气象局资料，该区域年平均气温25.6℃，全年日照时数为2 721～2 818 h。试验田面积为1.8 hm2，地势东南部高于西北部，坡度2.4‰。未灌溉期间地下水埋深大于5 m。土壤类型以砂壤土和粉砂壤土为主，土壤pH值为8.51。2020年试验区0～200 cm土层的土壤盐分超过16.42 dS·m-1。研究区本底值见表1。

1.2 试验方案

1.2.1 试验设计 试验区内共铺设3条暗管，管径90 mm，埋深100 cm，间距15 m，坡度i=4‰，由集水管连接集水井后排入排水沟内。分别在距离集水井30 m处和150 m处铺设竖井，两井间距120 m。试验采用暗管与竖井两因素协同排水，X轴方向五水平(分别距离竖井0、15、30、45和60 m，记为T1、T2、T3、T4和T5)，Y轴方向三水平(分别距离暗管0、5和7.5 m，记为P1、P2和P3)，共15个处理(不含CK)。小区布置见图1，本试验取中间暗管竖井控制区域作为取样区域(图1阴影部分)。

为确定试验区整体排盐情况，选定小区中间的吸水管利用麻花钻采集土样，深度0～700 cm，将土样按0～20、20～40、40～60、60～80、80～100、100～140、140～200、200～300、300～400、400～500、500～600、600～700 cm，共计12层土样分别编号保存于自封袋中。采样时间：淋洗前后采用700 cm土钻各取一次，作物生长期(3—9月)逐月取样1次，同时在各处理中采集作物样品测定生物量指标。使用当地来源的地表水(盐度为0.8 g·L-1)进行连续淋洗，为防止地表径流形成漫灌，滴灌模式采用轮灌。

1.2.2 施工方案 暗管排水系统施工前，先在试验区周围打田埂(长200 m、宽40 m)，后测量放线，用小型挖掘机开挖管沟，每挖20 m检查沟深与纵坡。将包裹双层反滤土工布(土工布规格为450 g·m-2)的吸水管水平埋设于土壤中，埋深1 m,吸水管采用口径90 mm带孔(开孔面积大于250 cm2·m-2)的PVC单臂波纹管，壁厚3 mm，开孔缝隙≤1 mm，坡降4‰。管周填充厚20 cm的砂砾石(粒径≤4 cm)，最后分层回填。每条排水管的末端设置优质树脂一体化集水井，并通过集水管将水井连接起来，排入排水明沟，回填的同时进行分层夯实，滤料30 cm内的土料不夯实，施工完成后深翻、旋耕整地。除挖掘机和翻地机外其余工作均由人工完成。

2020年5月开始布设竖井并开展各要素调查、观测与取样。竖井采用井径600 mm的hdpe波纹管，使用滤布缠绕包裹，分别设置在距离集水井30 m处和150 m处，井深18 m。采取适用于含水不稳定表土层和深厚表土层的钻井法进行施工。采用回旋式转机机械钻头垂直向下连续破碎岩土，同时保证井内充满泥浆，用于临时维护井帮、循环冲洗工作面和提升下层岩屑。井筒钻成后进行钻孔测斜，冲洗井底和调整泥浆参数。检查符合设计要求后开始沉井，排净井内注水，利用注浆管进行井壁后充填注浆。整体施工完成后对试验区土壤进行深度80 cm的深翻并旋耕整地。

1.2.3 地面淋洗和棉花种植方案 本试验假设地下水运动为一元流，考虑地下渗流进入暗管时存在的附加阻力[12]，将Hooghoudt方程简化为公式(1)并计算出设计暗管间距为15 m，依据农田排水工程技术规范SL4-2013及当地地下水位情况设计竖井内径为600 mm，井深18 m。

L2=4KtH2/q+8KbdH/q

(1)

式中，L表示排水暗管的间距，m；Kt、Kb分别表示暗管上、下层土壤水力传导度，m·d-1；d表示等效深度，m；H表示暗管间中点的水头，m；q表示排水模数，m·d-1。

滴灌系统于2016年铺设完成，用于淋洗和作物生育期内的常规灌溉。在试验小区从2020年7月(时间=0 d)开始利用当地的地表水资源(含盐量为0.8 g·L-1)进行滴灌淋洗压盐，淋洗期间监测暗管排水流量、排水矿化度和竖井排水量。淋洗需水量由土壤含盐量与允许作物生长的临界含盐量确定，见公式(2)；2018—2019年未淋洗土壤，暗管排水系统在生育期内常规灌溉无排水产生。

DW/DS=-Clg[(ECa-2ECi)/(ECS-2ECi)]

(2)

式中，Dw表示淋洗需水量，m；DS表示需要淋洗的土壤层深度，m；ECa表示允许作物生长的土壤含盐量，dS·m-1；ECi表示灌溉水含盐量，dS·m-1；ECS表示初始土壤含盐量，dS·m-1；C表示土壤的淋洗特性系数，取C=1.06。

试验地于2017年开始种植耐盐碱品种棉花(新陆早84号)。采用当地农民习惯的“一膜三管六行”种植模式，其中地膜厚度0.008 mm,宽度为220 cm，棉花窄行距为25 cm，宽行距为50 cm，在窄行中间铺设滴灌带，置于地膜下方、土壤上方，滴灌带间距为75 cm，滴灌带单孔出流量为2.6 L·h-1，滴头间距为30 cm。滴灌水源来自当地地表水，生育期总灌水量为33.35 m3·hm-2，总施肥量为420 kg·hm-2，棉花种植前没有灌水。棉花种植模式详见图2。

1.3 样品采集与分析

1.3.1 土壤采集与分析 在各观测点土样采集时，利用麻花钻一次取出20 cm土样装入对应编号的密封袋，3～4人一组逐次衔接加长杆后取至7 m土层。将土样充分混合后取部分(200 cm以下各层土层的土样充分混合堆成均匀的圆锥形，压成锥台后用四分法随机取出1份)置于4℃保存用于测定微生物多样性，其余土样除去石块根系等杂物后充分研磨过筛测定理化指标，土壤电导率使用雷磁DDB-303A便携式电导率仪测定。地下水位按生育期读取。将在各观测点采集的土样与水样带回实验室测定，土壤电导率使用雷磁DDB-303A便携式电导率仪(上海雷磁，中国)测定，土壤脱盐率由公式(3)计算得出。

N=[(EC1-EC2)/EC1]×100%

(3)

式中，N为脱盐率，%；EC1为土壤电导率初始值，mS·cm-1；EC2为灌溉后土壤电导率最终值，mS·cm-1。

1.3.2 排水监测 水样采集从暗管首次排水开始，对试验区的排水动态进行连续监测，每2～6 h监测1次，直到最后一口集水井停止排水，监测结束。具体的做法是试验人员进入集水井，将水槽放置在暗管的下端同时开始计时，10 s后，将水槽中的水倒入量筒，读数完成后收集水样，在室内采用烘干法测定排水矿化度。竖井采用单相潜水泵抽排水，每次重复采集水样3次。将采集的水样带回实验室测定矿化度指标。

1.3.3 土壤微生物 微生物多样性通过提取土壤总DNA，采用荧光定量PCR和Illumina Miseq高通量测序[13]等方法对引物338F和806R进行土壤细菌16S rRNA基因测序，对引物PolyF、PolgR进行固氮菌nifH基因测序，对引物cd3dR、R3cdR进行土壤细菌nirS基因测序，并解析协同排水改良对土壤固氮菌和反硝化细菌丰度、多样性及群落结构变化的影响。

2 结果与分析

2.1 淋洗前后各层土壤电导率特征分析

试验区2018—2019年未进行淋洗灌溉，土壤处于积盐状态，导致2020年土壤不同土层EC值差异较大，介于4.24～22.5 dS·m-1。将观测的苗期与吐絮期土壤EC绘图(图3)，分别对比T1、T2、T3处理下的EC分布情况。图3a～c为2020年5月苗期(未淋洗)土壤P1、P2、P3对应不同竖井位置的各层土壤电导率变化特征，以暗管处理为切面横向进行对比，发现P1、P2、P3处理下土壤电导率最大值均分布在T3处理0～200 cm和T5处理200～400 cm处，且高于其他处理及深度，达到了22.5 dS·m-1，其原因是T1和T2处设置竖井，土壤部分盐分随水分进入竖井后被排出，造成盐分略微低于未设置竖井处。图3d～f为2020年9月吐絮期(淋洗后)，由图可见各层土壤电导率相比较淋洗前明显降低，其中P1、P2、P3处理下土壤电导率分别在T5处理及T2处理的400～600 cm处相对其他土层较大，未被排出土体的盐分堆积在土壤深层。随着季节更替，蒸发量增大使得深层土壤中所含的盐分随水分向上蒸发迁移至100～200 cm，出现反盐现象。

对比苗期、吐絮期0～700 cm土壤电导率变化情况(表2)，可以看出：对于P1、P2、P3处理，淋洗后絮期的土壤电导率最大值由22.5 dS·m-1降低至6.55 dS·m-1，电导率降幅均达到70%以上，整体上脱盐效果明显。

将观测的苗期与絮期土壤EC绘制图形(图4)，分别对比T1、T2、T3、T4、T5处理下的EC分布情况。以竖井处理为切面，纵向进行对比发现，在滴灌水动力驱动下，不同竖井处理下淋洗前后差异较大，T4处理0～80 cm土层脱盐效果最明显，T1处理80～200 cm土层脱盐效果最明显，T3处理200～700 cm土层脱盐效果最明显。吐絮期各层土壤电导率的分布模式相似，土壤浅层(0～200 cm)电导率下降明显，P2处理下200～400 cm土壤电导率最低，呈条带状和斑块状分布，同时T3处理的浅层土壤盐分高于其他处理组，其原因可能是试验区地势呈西北低东南高，T3处理位于地势最低处，盐分被淋洗到深层后，随土壤水及地下水迁移至地势较低处，且由于气候干燥，蒸发强烈，造成T3处理土壤浅层电导率值比其他处理高。采用滴灌淋洗压盐配合暗管与竖井协同排水的试验结果表明，盐分受到地表及地下水共同补给，以及植物根系的吸收和暗管竖井排水输出，增加了盐分出路，加大了土壤盐分降幅，进一步提升了土壤脱盐效率。

对比滴灌淋洗试验前后不同处理下土壤脱盐情况，如图5所示，棉田土壤在不同土层下的脱盐效果各异。各处理下浅层土壤(0～200 cm)基本处于脱盐状态，在P1T1处理60～80 cm土层脱盐率最高为71.7%，脱盐效果良好。T5P1、T5P2、T5P3、T2P1处理处于完全脱盐状态，T4P1、T2P2、T3P3处理在300～500 cm土层有异常积盐现象，脱盐率达-108.2%，其余处理在200～700 cm土层有不同程度上的积盐趋势，但脱盐率均小于50%。其原因是暗管竖井排水期间，未被排出的部分盐分堆积在深层，呈现轻微积盐现象。

2.2 暗管与竖井排水、排盐性能

研究表明如果地下水位低于排水深度，可能会发生毛细管水向上流动造成再盐化[14]，因此长期盐度管控需要结合深层排水，本试验通过将暗管与竖井结合，协同排出浅层和深层渗漏的盐分，将淋洗期间试验区的排盐量和排水含盐量(电导率值转化为矿化度)的观测结果绘制如图6a所示。暗管与竖井排水期间，地下水矿化度由开始排水时2.3 g·L-1降至断水前0.28 g·L-1，淋洗期间排水矿化度略微上升，在排水第30 h时达到峰值，后呈下降趋势，在第48 h最小。在不考虑试验区侧向补给和渠系入渗补给量的情况下，将滴灌淋洗下暗管与竖井排水试验期间的盐分输出实测数据定量转化见图6b。暗管与竖井滴灌淋洗期间平均排水流量为1.08 m3·h-1，总排水量为145.6 m3，总排盐量为23.96 t。以上结果表明，排水流量与排盐量、排水量随时间的增加，总体上均呈现先增长后下降的趋势。

2.3 地下水位与土壤电导率的关系

区域盐渍化与荒漠化的控制因素与地下水有密不可分的关系[15]，有研究表明地下水位的变化会改变土壤条件[16]。人类活动改变地下水的水文状况，导致地下水补给量增加，进而盐碱地下水量增加，造成土壤盐渍化[17]。如图7a可知，全生育期地下水埋深呈现先减小后增大的趋势，滴灌淋洗前后地下水埋深降幅明显，最大幅度达到2 m。棉田蕾期(6月)进行农业灌溉及地下入渗补给，导致地下水位抬高。花期初期(7月)进行滴灌淋洗下暗管与竖井排水试验使地下水位迅速抬升至2.19 m，盐分被冲刷到深层土壤，100～700 cm土层土壤电导率值随时间整体上呈现迅速下降后基本平稳趋势，膜下滴灌棉田吐絮期(9月)随灌水次数减少地下水埋深降低约70 cm。土壤盐分含量受地下水影响明显，如图7b所示，地下水埋深减小时土壤电导率整体减小，且0～100 cm浅层土壤EC明显低于深层。试验区棉田通过滴灌淋洗下暗管与竖井排水试验导致土壤电导率比淋洗前低，基本能保证作物正常生长。0～200 cm土层土壤电导率随着地下水埋深减小而减小，300～400 cm处的土壤电导率在地下水埋深最小时异常升高，500～700 cm土层的土壤电导率随地下水埋深变化不明显。

由双变量Pearson检验结果(表3)显示，地下水埋深与土壤电导率呈正相关(R=0.807，P<0.01)，且相关性极显著。因此，对于防治因蒸发导致的土壤盐渍化问题，调控地下水埋深是非常有效的措施。

表3 地下水埋深与土壤电导率的相关性分析

2.4 暗管与竖井排水对盐碱土壤微生物多样性的影响

测定试验区T1处理下20～40 cm土壤中与氮素循环功能相关的细菌有4类8属，详见表4。4种功能细菌的相对丰度表现为反硝化细菌>氨化细菌>固氮细菌>硝化细菌，其中芽孢杆菌属是优势菌群，占氮素代谢细菌总数的47%以上；亚硝化球菌属(Nitrosococcus)、伯克氏菌属(Burkholderia)和拜叶林克氏菌属(Beijerinckia)所占比例较小，均不到0.1%。滴灌淋洗后，除硝化细菌及假单胞菌属占氮素代谢细菌总数的比例上升外，其他菌类均降低。

表4 T1处理下氮素循环功能细菌的丰度

研究表明微生物活性与土壤盐分密切相关[2]，土壤盐分含量较高会在一定程度上通过抑制微生物活性来影响土壤的氮素循环过程[18]。如图8所示，发现T1P1、T1P2处理下Chao l指数、Shannon指数以及Obeserved-species指数在全生育期处于波动状态，但在淋洗前后差异显著，均呈现上升状态，其中T1P2处理下丰度指数较其他处理分别提高54.2%以上，多样性指数约9%；T1P3处理相反，滴灌淋洗下暗管与竖井排水试验后，微生物丰度及多样性均呈显著下降后回升趋势。土壤电导率在P1T1和P2T1处理下降低28%～48%，土壤细菌相对丰度增加10.3%～64.5%；土壤电导率在P3T1处理下增大约1%，土壤细菌相对丰度下降32.4%。土壤电导率的增高明显影响了微生物丰度，因此降低土壤电导率有利于微生物菌群的生长繁殖。

3 讨 论

采用滴灌淋洗配合排水工程是解决土壤盐渍化问题的有效改良方式。在土壤结构较差的情况下，暗管排水可加深淡化层[19]，改变土壤物理性质[20]，使轻、中度盐渍化棉田土壤盐分剖面形态特征由表聚型向脱盐型变化[21]。而在竖井影响范围内形成的“漏斗”，使地下水位距离竖井越近下降幅度越大，脱盐效果也呈阶梯状向外递减[22-23]，在距离竖井0～60 m内效果最显著[24]。也有研究表明在浅层地下水位进行地表排水淋洗可能会进一步加剧盐度问题，因此需使用地下排水维持地下水深度以防止盐渍化[25]。本文通过研究滴灌淋洗下暗管与竖井协同排水对土壤电导率的影响，发现淋洗排水期间竖井周围形成了一个“漏斗”型的地下水位线，0～2 m土层土壤盐分下移，导致2～4 m土层土壤电导率有异常增大，5～7 m土层土壤电导率受地下水埋深影响变化不明显。有研究表明砂质黏土层和黏土层会阻碍土壤剖面内的水流，延长土壤水的滞留时间，导致土壤盐分堆积[26-27]。试验区140～200 cm土层土壤性质为粉砂黏壤土，是导致更深层土壤盐分异常变化的原因之一。但全生育期内土壤电导率响应范围整体呈显著下降趋势，降幅达70.89%～79.02%，其中P2、T5处理下的脱盐效果最佳，其次是T3处理。原因可能是T5处理位于两口竖井影响范围交汇区。

滴灌淋洗下土壤电导率随水迁移至更深层，使浅层土壤盐分明显降低，深层土壤盐分堆积，土壤盐的溶解过程[28]受土壤排水的影响[29]，会对地下水矿化度造成影响[30]。且土壤盐分与地下水埋深关系紧密，后者关系到土壤毛细水能否到达地表，决定着土壤的积盐程度[31]。淋洗后地下水埋深为2.19 m，对土壤电导率的影响较突出，故在收获期地下水位转而下降时，试验区土壤电导率呈现上升状态。Bennetts[32]研究表明即使地下水为淡水(<2 mS·cm-1)，浅水位仍会导致地下水中所含的盐分浓度和土壤电导率升高。灌溉蒸发，过量施用肥料等均会导致地下水盐渍化，研究表明淋洗土地导致深层排水增加，盐分浸出，向下朝地下水运动[29]。与单一排水排盐方式[33]相比，本研究将两种排水方式结合起来，利用竖井排水弥补这一缺点，协同排水虽施工较为复杂，但一次性投入可供长期使用。通过0～7 m深度的土壤电导率分析深层土壤脱盐规律，发现协同排水排盐在随土层深度向下0～700 cm，距离暗管0～5 m，距离竖井0～30 m的脱盐效果最佳，其中土层200～400 cm深度有轻微积盐，400～700 cm处又呈现略微下降趋势。暗管排水作用于作物根区(0～1 m)，无法排除深层盐分，利用竖井解决土壤盐分深层渗漏问题，将淋洗至深层土壤的盐分排入竖井后排出土体，控制地下水矿化度的同时也保持了地下水位稳定性，并加速了土壤脱盐。

当地下水上升至地表附近蒸发，使盐分积聚于土壤表层，形成次生盐渍化，影响地表土层微生群落的生物作用，从而阻碍养分吸收影响作物生长。Rietz[34]研究表明土壤含盐量过高会导致因土壤渗透势低而限制植物水分和营养吸收的现象，而且会对土壤微生物的生物量、活性以及生化过程产生负面影响。Mavi[35]研究表明，随着土壤电导率EC的增加，微生物活性和生长的敏感性会随之升高。但在微生物碳氮比约为20的土壤中，添加N可能会增加微生物对氮的固定和吸收，这一现象并不受EC值的影响。张雯雯[36]的研究表明，随着土壤含盐量的增加，棉田土壤微生物群落多样性Shannon指数和丰富度指数均呈减小趋势。本研究对盐渍化土壤微生物多样性试验结果表明，微生物丰度与土壤电导率呈显著负相关，土壤电导率的小幅增加对微生物群落多样性具有极大的负面影响。这与前人关于土壤盐分与微生物相关性的研究相似。但Yang[37]的研究表明，高盐土壤中的微生物群落组成是由土壤pH和盐度决定的，盐分增加会使土壤Shannon多样性指数升高，降低土壤的呼吸作用。本研究发现，T1处理下淋洗后距离暗管5 m处的微生物群落多样性变化最明显，其次是距离暗管0 m处，同时土壤电导率增加使得土壤微生物Shannon多样性指数上升，土壤电导率降低时，优势菌群(芽孢杆菌)占氮素代谢细菌总数的比例下降。这与Xu[38]的研究结果相符合，当土壤盐度降低时，具有较高盐度生态偏好的细菌类群(例如芽孢杆菌)将被消耗或排除。高盐影响土壤微生物活动，导致土壤特性(TC、TN等)发生变化[39]，作物发育生长受到限制。新疆地处干旱、半干旱地区，具有灌溉农业、生态环境脆弱的特点，因此研究土壤微生物与盐分的相关性对土壤盐渍化改良具有重要意义。

4 结 论

本研究以干旱内陆盐碱土为研究对象，建立滴灌淋洗配合暗管与竖井排水田间试验。结果表明，暗管竖井协同排水在全生育期平均脱盐率达到70%以上，有利于干旱区盐渍化改良，可以提高脱盐效果，控制地下水位，提升土壤微生物群落多样性，有效促进棉田养分吸收，提高农作物产量。与传统排水排盐方式相比，协同排水的脱盐率高和影响范围更广，可为高效节水合理改良盐渍化土壤提供依据。