不同盐度土壤水盐时空分布特征及对棉花出苗的影响

2022-05-12徐鑫张金珠李宝珠王振华李文昊

石河子大学学报（自然科学版） 2022年2期

徐鑫，张金珠,2*，李宝珠，王振华,2，李文昊,2

(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；3 新疆天业节水灌溉股份有限公司,新疆石河子 832000)

西北地区降水量少、蒸发量大，属于干旱半干旱地区，新疆干旱指数大于20[1]，农业用水需求量大。新疆盐渍土面积占全国盐渍土总面积的1/3，新疆是我国盐碱地分布范围最广的地区[2]，严重制约了新疆农业的发展。近年来，膜下滴灌在棉花种植中广泛应用，促进了兵团乃至新疆农业经济的发展，新疆棉花总产、单产、种植面积、商品调拨量连续25年位居全国第一[3-4]。因此，研究干旱区农田盐渍化程度对作物生长有重要意义。

邹小阳等[5]认为随着土壤深度的增大，土壤盐分空间自相关尺度逐渐减小；何平如等[6]认为滴头流量越大，湿润体交汇区土壤含水率越高，土壤盐分淋洗效果越好，棉花产量越高；崔永生等[7]、赵丹丹等[8]基于不同灌溉定额、不同土壤质地、不同灌溉方式研究土壤水盐运移，研究Hydrus模型在土壤水盐运移中的应用，得出大多数情况下实测值与模拟值高度吻合。另外，膜下滴灌条件下膜内地表的盐分会以滴头为中心由地表向深层呈放射状路径运移，到达一定深度后，处在中轴位置的盐分由于水量充足运移，盐分运移深度也会逐渐变浅[9-14]。现有的研究揭示了土壤水盐运移特征，但都基于多因素对土壤含水率、含盐量以及作物的生长状况(生理指标、荧光、叶面积指数等)进行分析，而对不同盐度土壤的含水率、含盐量变化规律及最佳的棉花出苗含盐量区间的研究较少，因此，本文研究不同盐渍化程度棉田土壤水盐动态，并用Hydrus-2D软件模拟土壤水盐运移过程，既可以为水盐运移理论发展提供坚实基础，又可以与实测结果进行耦合验证，提高模型的可靠性，这对探索膜下滴灌棉花盐分阈值和提高水资源利用效率、改良盐碱土有重要意义，并为新疆盐碱地棉花产业的长足发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2019年3—5月在现代节水灌溉兵团重点实验室进行。该实验室位于新疆石河子市区，海拔412 m，平均地面坡度6‰。该地区气候为温带大陆性气候，降水少，年平均200 mm；蒸发强烈，年平均1 600 mm；0 ℃以上的活动积温为4 070 ℃，10 ℃以上的活动积温为3 649 ℃，无霜期为171 d，年平均风速为1.5 m/s，静风占32%，偏南风占22%，偏北风占15%，偏东风占14%，偏西风17%[15]，地下水埋深5 m以下。

表1 试验区土壤物理性状

1.2 试验设计

试验在测坑内进行，测坑规格为1.5 m×1.5 m×2 m，四周侧壁进行防渗处理。试验设置土壤电导率为四水平，即1.0 mS/cm(A1)、3.0 mS/cm(A2)、5.0 mS/cm(A3)、0.5 mS/cm(CK)，其中A1、A2、A3分别为轻度、中度、重度盐碱土。试验用土分别取自石河子市周边盐荒地，取土时间为2019年3月29日，将土风干，过5 mm土筛去除杂质，于2019年3月30日分层填装至不同测坑内，填装深度为2 m，每10 cm夯实1次，保证每次夯实度相同，CK为对照。

供试作物为棉花，品种采用抗盐碱9112号。试验区棉花种植采用1膜2管4行的布置方式(图1)，窄行间距为20 cm，宽行间距为60 cm，滴灌带铺设在膜行正中央，滴灌带间距80 cm，滴头间距30 cm，株距10 cm。

棉花灌水方式为滴灌，潜水泵加压，0.1 MPa为灌水压力，滴头间距为30 cm，滴头流量2.6 L/h，每平方米地灌水0.03 m3，灌溉水矿化度1.1 mS/cm。在滴灌带下、滴灌带间、膜间设置3个取样点，每个取样点沿行距方向布置3个取样点，每次试验3组重复，试验地布置如图1所示，b1为膜间、b2为滴灌带下、b3为滴灌带间。棉花覆膜时间为2019年4月22日，播种时间为4月23日，灌水时间为5月1日。

试验期间气象数据见图2。

图1 棉花种植示意图

图2 2019年3月30日至5月5日气象数据

1.3 测试指标与方法

(1)土样收集方法。采样前先将铝盒编号并称重，将土壤剖面分为0～3、3～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60、60～70、70～80、80～90、90～100 cm这11个区间进行采样。

(2)土壤含水率采取烘干法测定。

(3)土壤含盐量。取10 g土样和50 g蒸馏水按土水比1∶5混合成浸提液，采用DDB-2型电导率仪测定浸提液的电导率(EC)，电导率的单位为mS/cm。

(4)棉花出苗率、成活率。棉花播种1周后，观测不同处理棉花的出苗状况，用出苗株数除以总株数即为棉花出苗率。播种两周以后，观测棉花的存活状况，存活株树除以出苗株树即为棉花的成活率。

1.4 数据分析

采用WPS2019进行数据分析，利用origin2018和Auto CAD2014绘图，利用Hydrus-2D进行模拟。

2 结果与分析

2.1 不同类型盐碱土土壤水分时空分布特征

不同盐渍化程度土壤含水率垂向变化特征见图3。试验中含水率的变化范围为9.42%～23.9%，灌前表层土壤含水率为9.84%～17.93%，底层土壤含水率为11.84%～18.31%，表层土壤含水率始终低于底层。由气象数据图2看出，4月降水较多，故浅层土壤含水率随时间呈增加趋势。

不同处理土壤含水率差值显著(P<0.05)，具体表现为ΔCK>ΔΔA3>ΔA2>ΔA1，换土后土壤的含水率较初始含水率有很大差异(图3a)。

5月1日灌水后，0～40 cm土层深度土壤含水率变幅较大，增加0.5%～2%，30～40 cm土层深度土壤含水率增加最为明显，增加0.5%～1.5%；40～100 cm内土壤含水率呈下降趋势，减小0.3%～0.6%(图3f)。这是因为灌后土壤水分以滴头为中心平整下渗及向两侧扩散，同时下渗作用强烈，而土层深度超过40 cm后，水分下渗速率减慢，土壤含水率呈递减趋势，随着土层深度的增加，土壤受外界的影响较小，土壤含水率波动较小。30～40 cm土壤含水率最大，因为40 cm左右时，土壤接近饱和，土壤含水率值达到极值。

整个试验过程中，A1、A2、A3、CK处理的土壤含水率变化分别为12.6%～22.89%、12.81%～23.21%、16.59%～23.49%、9.84%～21.82%，土壤含水率变化由大至小依次为A3>A2>A1>CK，土壤电导率值越大，土壤水分含量越高，灌水前后，CK处理的土壤含水率始终最低，A1、A2、A3处理的土壤含水率与CK处理存在显著差异(P<0.05)，说明土壤盐碱化程度会影响土壤水分。

图3 不同盐渍化程度土壤含水率垂向变化特征

图4为灌水前后不同处理土壤含水率分布图(θ表示土壤含水率)，由图4可知：

灌水前，各个处理土壤含水率较低，CK处理含水率为8.4%～18.3%，A1、A2、A3处理土壤含水率接近，为16.53%～19.84%，各个处理间表层土壤含水率始终最低。这是由于3月下旬气温回升，蒸发作用逐渐增强，土层深度越浅，蒸发越强烈，故表层土壤含水率最低。垂直方向上，土壤含水率随深度的增加先增加后减小，底层土壤含水率随毛管水向上运移，故底层土壤含水率低，30～40 cm土层深度内，土壤含水率最大，同一深度水平剖面上，土壤含水率差异较小。

灌水后，土壤含水率明显增加，CK处理土壤含水率变幅为4.8%，A1、A2、A3处理的变幅分别为2.79%、1.07%、0.78%，表明土壤盐分含量越低，土壤含水率增幅越明显。

灌水后，水平方向60 cm即b2处土壤含水率最高，CK处理最大值为24.12%，A1、A2、A3处理的最大值分别为23.2%、23.22%、23.79%，土壤含水率表现为以滴头为中心向两侧逐渐递减，表现为b2>b3>b1，而30～50 cm深度内土壤含水率呈圆周分布。这是由于滴头出水的持续作用，推动水分向下运动。

图4 垂向面尺度土壤含水率变化特征

2.2 不同类型盐碱土土壤盐分时空分布特征

土壤含盐量小于土壤初始含盐量的为脱盐区，相反，土壤含盐量大于土壤初始含盐量的为积盐区[16]。本研究不同盐渍化程度土壤含盐量垂向变化特征(图5)显示：

灌水前，电导率值随深度的增加先增加后减小。0～60 cm土层深度A1、A2、A3、CK处理的电导率值分别为1.19～2.77、2.77～4.48、4.48～5.99、0.4～1.6 mS/cm。4个处理电导率均在40 cm时达到最大值，A1、A2、A3、CK处理电导率最大值分别为2.53、4.18、5.77、1.70 mS/cm。

灌水后，土壤盐分分布存在着明显的积盐区和脱盐区，滴头下的水分持续向下入渗，浅层土壤的湿度较高，因此盐分被淋洗，随着水分运动速率减慢，盐分在边缘处累积下来；60～100 cm土层深度，土壤盐分累积的程度逐渐减小，土层越深，土壤水分运动速率越缓慢，随水分运动的盐分也逐渐减少。取样周期内，0～100 cm土层深度A3、A2、A1、CK处理的电导率变化值分别为4.19～5.99、2.87～4.45、1.19～2.53、0.44～1.704 mS/cm，土壤电导率差异显著(P<0.05)，表现为ΔA3>ΔA2>ΔA1>ΔCK。

灌水前后，土壤含盐量越大，电导率的变化值也越大(图5e、f)。无论灌前还是灌后，土壤含盐量大多聚集在40～60 cm的土层中。将图5f和其余图60～100 cm土层深度含盐量对比，电导率值分别增长0.379、0.548、0.338、0.758、0.578 mS/cm，图5f中5月5日为灌后，据此认为土壤含盐量受膜下滴管的影响很小。

图5 不同盐渍化程度土壤含盐量垂向变化特征

图6为灌水前后不同处理土壤电导率分布图，EC是电导率。由图6可见：

灌水前，CK处理电导率值变化范围为0.834～1.630 mS/cm，随着土层深度的增加，土壤含盐量表现为先增加后减小，电导率最值出现在b2、40 cm，值为1.63 mS/cm，这是因为CK处理未经换土，呈现原有的盐分分布规律，滴灌带下>膜间>滴灌带间。另外，A1、A2、A3处理变化规律一致，均表现为表层土壤含盐量高，30～50 cm土壤含盐量高于除表层之外其他土层深度。这是因为水分蒸发向上运移，盐分随着移动，故积聚在土壤表层。

灌水后，水平方向上电导率表现为b2>b1>b3，电导率最大值出现在b1、40 cm，CK、A1、A2、A3处理的最大值为1.692、2.8、4.5、6.05 mS/cm，水分向下运移时将滴灌带下盐分淋洗，盐分随水分向两侧扩散，在边缘累积。土层深度50～100 cm土壤水分运动速率减慢，盐随水动，故盐分变化不明显。

图6 垂向面尺度土壤含盐量变化特征

2.3 不同类型盐碱土棉花出苗率

不同盐度土壤会对土壤水盐运移产生影响，水盐分布又会影响作物的生长发育。不同处理土壤电导率与棉花出苗率关系(图7)显示：CK小区棉花出苗情况最好，出苗率最值为96.5%，A1、A2、A3处理的出苗率最值分别为94.7%、74.1%、55%，可见重度盐碱土棉花出苗率最低，表明作物的生长发育受到盐分抑制，作物生长的最佳环境是轻度盐碱土壤。

由图7拟合结果计算出y的最大值，即最优棉花出苗率为96.5%，当y≥90%时可以认为棉花出苗效果好，由拟合的一元二次方程可以计算x范围，故适宜棉花出苗的最佳土壤含盐量为[0，1.267] mS/cm。盐分胁迫对棉花生长发育影响很大，种子吸胀发芽存在很大困难，因此，当土壤盐分含量过高时，应合理增大灌水定额来淋洗土壤表层盐分，使土壤表层含盐量保持在较低范围内。

图7 棉花出苗率与土壤电导率值关系图

2.4 不同土层土壤水分运动模拟结果

图8为灌水前后A3处理质量含水率随着土层深度的变化与Hydrus-2D软化模拟的结果,通过对比分析可知模拟值与实测值并不完全一致，但是土壤含水率的变化趋势相同。灌水前，浅层土壤深度上模拟值小于实测值，这是因为受到降雨、覆膜抑制蒸发等外界环境的干扰，故实测值要略高于模拟值。50～100 cm土层内，受各种因素的干扰比较小，考虑误差后实测值与模拟值基本一致。灌水后，0～20 cm土层深度范围内模拟值和实测值相吻合，30～40 cm土层深度内实测值大于模拟值，这是因为模拟值与滴头流量存在误差，滴头滴水是一个持续的过程，整个过程是均匀的，水分入渗作用强。此外，土壤水分运动参数、实测数据的准确程度、灌水量的多少、降水、气温、蒸发、各层土壤之间理化性质的不同，以及试验过程中人为操作失误都会导致实测值与模拟值之间存在不同程度的差异。灌水后，土壤含水率变幅最大，整个土层深度30～60 cm内土壤含水率都有明显的增加，这与实测数据的变化情况一致。

图8 灌水前后A3处理含水率模拟

图9为不同周期内A3处理在土层埋深30～40 cm的水分分布模拟图，从图9中颜色变化可以看出，土壤含水率随着模拟时间而变化。模拟第10天时，30～40 cm土层深度内含水率最低；第20天时，土壤含水率逐渐增大，土壤水分随着时间的推移逐渐下移；第30天时，土壤含水率值最大。表明从测坑换土到覆膜再到灌水，土壤含水率呈递增趋势，这是因为4月降水偏多，覆膜以后蒸发减少，土壤始终保持湿润状态，故土壤含水率呈增加趋势。

a—10 d;b—20 d;c—30 d;d灌水后图9 不同周期内A3处理随土层埋深的水分分布模拟图

2.5 不同土层土壤盐分运动模拟结果

图10为灌水前后A3处理含盐量的模拟结果。将实测情况与Hydrus-2D软件模拟情况进行对比分析后可知：土壤水分的运动在一定程度上影响土壤盐分的变化，表明灌水后实测值与模拟值存在着不同。0～20 cm土层深度内，实测值均小于模拟值，这是因为受到水分淋洗的作用。灌水前浅层土壤电导率模拟值接近实测值，因为受到水分的干扰因素比较小；灌水前后30～40 cm土层深度内实测值大于模拟值，且在40 cm处电导率值最大，表明盐分在40 cm处累积。此外，土壤水分运动参数、实测数据的正确程度、灌水定额、各层土壤之间理化性质的不同，以及试验过程中人为操作失误，都会使实测值与模拟值之间存在不同程度的差异。

图10 灌水前后A3处理含盐量模拟

不同周期内A3处理在土层埋深30～40 cm的盐分分布模拟图(图11)显示：模拟土壤含盐量没有明显的变化，土层深度40 cm的土壤含盐量达到最大值。灌水后土层深度30 cm两侧的含盐量大于中间的，说明灌水后盐分向两侧扩散；同时，土层深度40 cm的土壤含盐量达到最大值，这与实测结果一致。

a—10 d;b—20 d;c—30 d;d灌水后图11 不同周期内A3处理随土层埋深的盐分分布模拟图

3 讨论

(1)土壤水分是土壤肥力的重要组成部分，是植物生长发育的重要影响因素，也是研究土壤，植物，大气三者所构成的复杂系统中能量与物质交换的重要指标，同时，土壤含水率是评价土壤渗透性能和影响作物生长状况的重要指标[17-19]。本研究中，0 ～ 40 cm，土壤含水率变化较大，40 cm以后，变化速率减慢，这是因为上层土壤受土壤温度、太阳辐照、气流的影响较大，下层土壤所受影响较大。如图4所示，滴灌带下土壤含水率最大，且土壤水分以滴头为中心，呈圆周向各个方向扩散，形成湿润锋。与黄晓敏等[20]研究结果一致，黄晓敏等的研究表明 0～40 cm深度土壤含水率为膜下窄行>宽行>膜间，40 cm以下土壤含水率波动变化不明显，深层土壤含水率产生波动受灌水与渗漏的影响。不同处理中，土壤盐分含量越高，盐离子浓度越高，离子从游离态变为被包围态需要吸收能量，此时吸收的能量远大于水分蒸发所需能量，故含盐量越高，土壤含水率越高。

(2)灌溉水源中水分含有一定矿化度，因此灌后各个处理中土壤电导率值增加[21]。从滴灌带下到滴灌带间、膜间，土壤含水率逐渐降低，土壤电导率值呈增加趋势，水分对盐分有淋洗作用，水分越多，对盐分的淋洗作用越强，故滴灌带下浅层土壤形成脱盐区；反之，水分越少，淋洗作用越弱，膜间、滴灌带间形成积盐区。学者们研究[22-24]表明滴水在水平方向上和垂直方向上缓缓向四周、向下扩散，将盐分带入湿润区最边缘土层中聚集。苏里坦等[25]研究膜下滴灌土壤含盐量对土壤水盐运移及再分布的影响时发现，水平方向上土壤盐分从滴头到膜间呈现逐渐增大的分布特征；垂直方向上膜下土壤盐分从地表到深层呈现先逐渐增大后减小的分布特征。本研究与上述研究的结果一致。

(3)滴灌条件下，土壤盐分含量越低，棉花出苗效果越好。土壤含盐量高时，会发生盐分胁迫，使根系中盐分浓度升高，水势下降，从而引起种子吸水困难，吸收大量盐分离子，盐分离子导致细胞膜渗透性发生变化，代谢失调，最终影响种子萌发[26]，同时，盐分离子会造成土壤颗粒的膨胀与分散，在干湿交替下改变土壤物理特性[27]。本研究试验中对各个处理的测坑进行换土，改善了盐碱地的物理性质，有抑盐、压碱和增加土壤肥力的作用，故盐分含量高的处理中棉花依然出苗，只是出苗率低。张磊等[28]研究结果表明，在灌溉定额相同的情况下，土壤盐分含量越大，棉花出苗率越低，本研究的结果与其一致，因此，应根据实际情况适当淋洗盐碱地土壤表层盐分，使其达到最佳的棉花出苗率。由于石河子是北疆典型代表地区，本研究结果不仅适用于石河子地区，针对其他北疆干旱地区盐碱地也适用此电导率阈值。