长期滴灌棉田非灌溉季节土壤盐分累积特征

谭明东， 王振华， 王 越， 李文昊， 宗 睿， 邹 杰

（1.石河子大学水利建筑工程学院，新疆 石河子 832000；2.现代节水灌溉兵团重点实验室，新疆 石河子 832000）

相比于传统灌溉模式，膜下滴灌技术凭借其出色的节水、保墒等性能［1-2］，被干旱半干旱地区大面积采用。新疆作为我国最典型的膜下滴灌技术示范地，距今，其膜下滴灌面积已经超过1.28×106hm2［3］。但在新疆规模化膜下滴灌技术的推广应用过程中，大部分排碱沟渠被填平，土壤中的盐分失去了减少的途径，只是在土壤内部重新分布，盐分依然累积在土体中［4］。耕层形成盐分淡化层［5］，造成“脱盐假象”，虽短时期内能够保证作物正常生长发育，开春后土壤表层盐分依然较高，长期膜下滴灌棉田土壤脱盐和积盐的矛盾始终存在。

非灌溉季节土壤盐分运动贯穿冻融发展的整个过程。由于冻土中地温随时间和空间变化，导致土体周期性的冻结和融化。在土体自上往下冻结过程中，土壤水分相变为冰，冻层上下发生明显的土水势梯度，会导致盐分随水分自下往上运移［6］，使得冻结期土壤表层也有积盐的可能。李伟强等［7］研究表示，由于消融期大量降雪及“冻层滞水”的融化，表层土壤盐分可得到有效淋洗，土壤表层脱盐。但方汝林等［8］的研究认为，在开春消融期由于强烈的蒸发作用以及雪水融化，土壤地下水位被抬高，盐分表聚趋势强烈。还有学者指出冻融作用是土壤盐碱化的主要驱动因素［9-10］。因此，非灌溉季节棉田土壤水盐的时空分布变化特征对棉花的生长有着不可忽视的影响。新疆作为我国最大的优质棉产区和季节性冻土地区，棉花种植面积达到8.69×105hm2［3］，冻土面积更是达到7.40×106hm2［11］。土壤盐分含量直接影响棉花生长情况，但应用膜下滴灌技术将会显著降低浅层土壤含盐量，从而达到提高棉花出苗率和产量的可能［5］。所以探究季节性冻融对不同滴灌年限棉田土壤盐分时空变化的影响对科学指导春季灌水决策和膜下滴灌技术的可持续发展具有重要意义。

在分布着大量季节性冻土的国家和地区，冻融过程中土壤水盐的运动情况和分布变化规律一直是学者研究的热点问题［12-17］，弄清冻融过程中土壤水分和盐分的运动，对于合理开发利用土地资源，提高作物产量以及预防盐碱灾害等方面都具有重要意义。因此，本文通过对6 块不同滴灌年限的棉田进行自然取土观测，旨在揭示盐分在冻融过程中的迁移规律，以及不同滴灌年限下盐分累积特征情况，为膜下滴灌技术在绿洲棉田的可持续应用提供参考。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

试验区位于新疆生产建设兵团第八师121 团（85°32′47″～85°34′15″E，44°45′85″～44°48′48″N，平均海拔300～500 m）。该地属于典型的温带大陆性气候，为典型的季节性冻土地区。2020年试验区全年总降雨量为84.3 mm，日均气温为8.37°C，最高气温38.7°C，最低气温-27.1°C，试验期间（2020-11-15—2021-03-31）总降水量为38.5 mm、平均气温为-8.56°C（图1）。本研究选取的6个地块分别是自1998年、2002年、2004年、2006年、2008年开始应用膜下滴灌技术的棉田，以及荒地作为对照地块（CK），对应的连续膜下滴灌应用年限分别为23 a、19 a、17 a、15 a、13 a、0 a。

图1 试验期间日降水量和日平均气温Fig.1 Daily precipitation and daily average temperature during the experimental period

1.2 数据测定和处理

1.2.1 土壤水分和盐分 在冻融的3个阶段即冻结前期（2020-11-15—2020-12-15）、冻结期（2020-12-15—2021-03-11）和消融期（2021-03-11—2021-03-31）取样，土壤样品通过土钻法获得。为消除滴灌带来的盐分水平方向上的差异，每块棉田选择3 个取样区，每个取样区选择3 个水平间距30 cm 取样点，取样深度200 cm，分别在0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、40～50 cm、50～60 cm、60～70 cm、70～80 cm、80～90 cm、90～100 cm、100～120 cm、120～140 cm、140～160 cm、160～180 cm 和180～200 cm共15个土层进行采样，相同深度土层土壤样品混合，取3 个取样区的平均值作为各地块的表征数据。

采用烘干法得到土壤的质量含水率。将烘干后的土样磨碎，过2 mm 筛，按土水比1：5 配制土壤浸提液，经震荡、沉淀、过滤后，取上清液，利用DDS-11A 电导率仪测出其电导率（Electrical Conductivity，EC，dS·m-1）。通过残渣法标定土壤全盐含量，标定结果见图2。

图2 土壤电导率和含盐量标定曲线Fig.2 Calibration curve of soil EC and salt content

1.2.2 土壤储盐量和盐分通量 将换算得到的各土层土壤含盐量通过公式（1）［18］计算其单位面积（1 m2）的储盐量（简称储盐量）：

式中：S为hcm深度土层内储盐量（g）；γ为该土层土壤容重（g·cm-3），荒地平均土壤容重取1.66 g·cm-3，滴灌棉田平均土壤容重取1.51 g·cm-3；h为土层深度（cm）；C为土壤含盐量（g·kg-1）。

假设盐分在土壤中只进行一维垂直运动，则盐分通量可通过公式（2）［19］计算：

式中：Qi+1和Qi分别是目标土层上下界面的盐分通量（g·m-2·d-1），并规定表层（0 cm）土壤盐分通量为0；ΔSi为第i层土壤储盐量变化量（g）；t为时段持续时间（d）。根据定义可知，若Q＞0，则表示该土层在计算时段内盐分累积；若Q＜0，则表示该土层在计算时段内盐分降低。

1.2.3 土壤贮水量和水分损失 各土层贮水量通过公式（3）［20］计算：

式中：W为hcm 深度土层内贮水量（mm）；γ为该土层土壤干容重（g·cm-3）；h为土层深度（cm）；θ为土壤质量含水量（%）。

水分损失通过公式（4）［21］计算：

式中：ΔW为土壤贮水量损失量（mm）；Wj为当前土壤贮水量（mm）；Wi为上一阶段土壤贮水量（mm）。当ΔW＜0 时，则为水分损失；当ΔW＞0 时，则为水分增加。

1.3 数据分析

本次试验采用Excel 2010软件对数据进行整理和预处理，使用SPSS 20.0 软件进行单因素方差分析，用Origin 2020软件进行图形的绘制。

2 结果与分析

2.1 长期膜下滴灌棉田土壤盐分变化特征

2.1.1 不同滴灌年限棉田土壤盐分时空分布特征 从冻结前期荒地（CK）、13 a、15 a、17 a、19 a 和23 a地块盐分垂直分布特征可以发现（图3），荒地储盐量分布特征整体表现出随剖面往下逐层递减的趋势，表层土壤储盐量最大（1809.84 g），盐分分布特征属典型的表聚型剖面（图3a）。滴灌棉田土壤储盐量表现出随深度增加而增加的趋势，盐分分布特征属底聚型剖面（图3b）。

图3 荒地和不同滴灌年限棉田土壤盐分布特征Fig.3 Distribution characteristics of soil salt in wasteland and cotton field with different drip irrigation years

2.1.2 不同滴灌年限棉田土壤盐分演变特征 由冻结前期不同滴灌年限棉田各土层以及总储盐量随滴灌年限变化可以发现（图4），0～60 cm 和60～120 cm 土层土壤总储盐量随滴灌年限均显著降低（P＜0.05），决定系数R2分别为0.98、0.74。120～200 cm土层和全剖面土壤储盐量也呈现降低的趋势，决定系数R2分别为0.13、0.66，但随滴灌年限变化并不显著。

图4 不同土层储盐量随滴灌年限变化特征Fig.4 Variation characteristics of soil salt storage in different soil layer with drip irrigation years

2.2 冻融过程中土壤盐分累积特征和水分损失情况

2.2.1 冻融过程中土壤盐分累积特征 从冻结前期不同滴灌年限棉田各土层的盐分通量图可以看出（图5a），荒地盐分运动幅度明显大于滴灌地块，平均盐分通量为-155.59 g·m-2·d-1，盐分通量随深度的增加呈递减的趋势，说明此时期内荒地盐分整体被淋溶，土壤含盐量降低。滴灌地块0～120 cm土层盐分运动明显不如120～140 cm剧烈。此时期内，除滴灌19 a 和23 a 地块30～70 cm 土层和滴灌15 a 地块140～200 cm土层土壤盐分表现为累积外，其余地块土壤盐分均表现为降低。另外可以发现，荒地（CK）、13 a、15 a、17 a、19 a和23 a地块0～20 cm土层盐分均向下迁移流失，平均盐分通量为-59.20 g·m-2·d-1、-5.83 g·m-2·d-1、-5.08 g·m-2·d-1、-0.46 g·m-2·d-1、-0.88 g·m-2·d-1和-0.55 g·m-2·d-1。

从图5b可以看出，冻结期土壤盐分变化幅度较小，各地块盐分通量变幅明显小于冻结前期。此时期内，荒地0～120 cm土层，滴灌13 a地块40～180 cm土层，滴灌15 a 和23 a 地块20～200 cm 土层和滴灌17 a 地块0～60 cm 土层盐分继续降低，平均盐分通量分别为-2.08 g·m-2·d-1、-4.44 g·m-2·d-1、-5.48 g·m-2·d-1、-3.19 g·m-2·d-1和-1.00 g·m-2·d-1。而剩余土层盐分表现出累积的现象，其中滴灌19 a 地块土壤盐分则表现出全面增加的现象，盐分通量随土层的增加呈增加的趋势，平均盐分通量为5.67 g·m-2·d-1。

图5 冻融过程中各地块盐分通量分布特征Fig.5 Distribution characteristics of salt flux in each plot during freezing and thawing

从图5c可以看出，消融期是各地块土壤盐分活动最活跃的时期。此时期内，以滴灌年限15 a为界限，盐分的变化可大致分为两种。一种是整体降低，盐分通量随深度的加深而降低，以滴灌13 a 和15 a地块为例，其平均盐分通量分别为-61.46 g·m-2·d-1和-53.87 g·m-2·d-1。另一种盐分运动表现形式则是整体增加，随土层深度的增大盐分通量的增幅也表现为增大，以荒地和滴灌17 a、19 a和23 a地块为例，平均盐分通量分别为43.61 g·m-2·d-1、172.57 g·m-2·d-1、38.18 g·m-2·d-1和10.53 g·m-2·d-1。

2.2.2 冻融过程中土壤水分损失特征 通过各地块在冻融期间贮水量的分布特征可以看出（图6），可以将土壤贮水量的分布大致分为3个区段。第1个区段为0～60 cm 敏感区（Ⅰ区），第2 个区段为60～120 cm 稳定区（Ⅱ区），第3个区段为120～200 cm 深层活跃区（Ⅲ区）。敏感区土壤贮水量受太阳辐射、日照强度、气温等环境因素影响较大［21］，水分易于损失和恢复。同时此区段为棉花根系生长主要场所，其土壤贮水量动态变化情况直接影响根系生长状况，是本次试验重点分析区段。稳定区贮水量波动幅度较小，土壤贮水量分布特征相对稳定，受外界因素影响较小。而深层活跃区土壤贮水量的变化波动主要受到地下水位动态影响，水分有较强的变化波动。

图6 各地块贮水量分布特征Fig.6 Distribution characteristic of water storage in each plot

从各地块土壤敏感区总贮水量水分损失情况可知（表1），在冻结前期，荒地敏感区土壤贮水量降低3.89 mm，而其他滴灌地块均增加，平均增加14.82 mm。在冻结期，滴灌13 a 和23 a 地块土壤贮水量分别降低20.98 mm和10.96 mm，其余地块均增加。而消融期所有地块土壤贮水量均增加，平均增加45.89 mm。冻融后，荒地（CK）、13 a、15 a、17 a、19 a 和23 a 滴灌棉田敏感区土壤贮水量均增加，分别增加23.43 mm、81.26 mm、31.68 mm、62.39 mm、96.98 mm和69.64 mm，平均增加60.90 mm。对比荒地和滴灌地块的水分损失情况可知，荒地不论是在水分活动强烈的消融期，还是水分运动相对较弱的冻结期和冻结前期，其水分损失幅度均小于滴灌地块平均值。

表1 各地块敏感区段水分损失情况Tab.1 Soil water loss in sensitive layer of each plot

3 讨论

本研究中，盐分分布特征随滴灌年限的增加由表聚型分布逐渐转变为均匀型分布，观察滴灌23 a地块可发现其土壤盐分分布整体波动较小，深层土壤储盐量明显小于其他地块，盐分在竖直方向上的分布已趋于均匀（图3b）。这与李宝富等［22］对不同耕作时间下土壤盐分动态监测的研究结果基本一致。不过，其研究中追踪的耕作年限最多只到10 a，而对10 a后土壤盐分的分布变化情况无法确定。本研究发现，棉田盐分分布特征随滴灌年限转变的进程中，滴灌17 a 和19 a 的地块深层土壤含盐量相较滴灌15 a 地块不减反增。而滴灌19 a 地块在160～180 cm 土层含盐量甚至超过了荒地和滴灌13 a 地块，已经出现了土壤次生化盐渍化的趋势。由于缺乏对滴灌年限为0～13 a内相应地块的监测，对滴灌应用早期棉田土壤盐分变化规律及影响机制只能借助理论和前人研究来理解。研究结果表明，长期膜下滴灌能够显著淋洗0～120 cm土层内土壤盐分，但对120～200 cm 土层土壤盐分的淋洗作用并不显著，这与多数学者［23-25］的研究结果相似。同时，这也体现了滴灌压盐的局限性，盐分始终续存在土体中，加上地表强烈的蒸发作用和地下水动态的影响，土壤盐渍化发生的机率增大。张伟等［26］人的研究显示，棉田0～60 cm 土层内土壤盐分随滴灌年限累积，这与本研究结论明显不同，但这是由于其研究中采用的是微咸水（平均含盐量2.52 g·L-1）灌溉，外界盐分输入是导致其在土壤中累积的主要原因。还需注意的是，本研究收集的是棉花收获后的盐分数据，表征的是灌水停止后盐分在土壤相对稳定的状态，因此可以更客观的比较不同滴灌年限地块之间盐分的变化特征。而前人研究多在生育期进行，此时，土体中盐分动态更多会受到当时灌溉制度的影响。

盐分通量［18,27］作为表征盐分在不同土层上下运移的有力参数，对于刻画盐分累积特征有显著效果。李文昊等［27］研究发现，冻融前后棉田0～140 cm土层土壤储盐量均降低，指出自然冻融循环作用可淋洗棉田土壤盐分，但其研究缺乏对冻融过程中盐分运动情况的分析。本文中，冻结前期各地块0～20 cm土层盐分均向下迁移，且盐分通量随滴灌年限的增加呈降低的趋势（图5）。这主要是由于该土层内土壤含盐量随滴灌年限显著降低的原因，从而导致盐分运动幅度随滴灌年限减弱。而冻结期盐分的运动出现了地块差异，滴灌19 a的地块各土层盐分均向上运动，而其余地块则在不同土层出现盐分通量正负交替的现象（图6）。这与彭振阳等人［18］的研究结果相似。在消融期，除滴灌13 a和15 a地块外，其余地块盐分整体向上运动，出现返盐的征兆，这与康双阳等［28］、张殿发等［29］的研究结果相似。而滴灌13 a 和15 a 地块盐分继续下移，这与李伟强等［7］冻层滞水淋洗盐分的结论有一定呼应。本研究发现，冻结前期荒地土壤盐分变化幅度比棉田土壤更剧烈。除了土体本身含盐量的改变外，还可能是由于长期膜下滴灌影响了棉田土壤结构，土壤颗粒之间排列发生变化，土壤孔隙分布受到影响，使得土壤中盐分的运动通道变化，导致的盐分在冻融过程中运动幅度降低。

本研究结果表明，消融期是冻融前后各地块敏感区土壤水分增加贡献最大的时期（表1）。这是由于气温回升导致积雪融化，引起土壤含水率增大的结果。但本次试验监测距棉花播种截止时间仍有一定时间间隔，期间气温还将继续升高，且降水稀少（图1），土壤水分大概率将处于一种损失的状态。而本试验区棉花均是按照“干播湿出”的播种模式，因此这段时间内土壤水分的损失情况将决定棉花出苗定额的多少。前人研究［30-32］指出，在全年或者冻融期对地表进行覆盖措施能有效保存土壤水分。单小琴等［33］研究指出，在冻融期覆膜蓄水保墒方面更具现实意义。因此，在为了保持土壤水分以及节约水资源的条件下，建议在冻融期对棉田进行秸秆覆盖［34］，这对预防土壤冻害和蓄水保墒等方面都能起到积极的作用［35］。

4 结论

通过对121 团6 块不同滴灌年限棉田的土壤水分和盐分在冻融过程中变化特征的分析，得出以下结论：

（1）随滴灌年限的增加，棉田0～120 cm 土壤含盐量显著降低（P＜0.05），盐分分布特征从表聚型向底聚型转变。

（2）冻结前期荒地（CK）、13 a、15 a、17 a、19 a和23 a 地块的0～20 cm 土层盐分下移，平均盐分通量分别为-59.20 g·m-2·d-1、-5.83 g·m-2·d-1、-5.08 g·m-2·d-1、-0.46 g·m-2·d-1、-0.88 g·m-2·d-1和-0.55 g·m-2·d-1。冻结期和消融期盐分运动出现地块差异，冻结期滴灌19 a 地块土壤盐分表现出全面增加的现象，平均盐分通量为5.67 g·m-2·d-1，其余地块在不同层位出现盐分通量正负交替的现象。消融期土壤盐分运动强烈，滴灌13 a 和15 a 地块盐分含量整体降低，平均盐分通量为-61.46 g·m-2·d-1和-53.87 g·m-2·d-1，其余地块表现为整体增加，出现返盐趋势，平均盐分通量分别为43.61 g·m-2·d-1、172.57 g·m-2·d-1、38.18 g·m-2·d-1和10.53 g·m-2·d-1。

（3）0～60 cm是棉田土壤贮水量敏感区，冻融后荒地（CK）、13 a、15 a、17 a、19 a 和23 a 地块的敏感区土壤贮水量分别增加23.43 mm、81.26 mm、31.68 mm、62.39 mm、96.98 mm 和69.64 mm，消融期是土壤贮水量增加的主要贡献时期。

新疆干旱区绿洲棉田是重要经济作物的基础，为抑制冻融后土壤返盐对春季播种后棉花的生长，在坚持现行灌溉制度的基础下，可在非灌溉季节进行棉秆还田等覆盖措施，在减少土壤水分蒸发的同时抑制返盐。并可适当追加淋洗定额，但仍需注意节约水资源。