磁化不同水质滴灌对土壤盐分的影响

朱 珠,王则玉,许咏梅,刘 迪,李 杨

(1.塔里木大学 水利与建筑工程学院,新疆阿拉尔 843300;2. 新疆农业大学水利与土木工程学院,乌鲁木齐 830000;3．新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所,乌鲁木齐 830091)

0 引 言

【研究意义】新疆是典型的干旱绿洲灌溉农业区,由于长年降雨稀少和高蒸发量,使灌区农田在作物生育期面临水资源匮乏问题[1-3]。不合理灌溉会导致土壤盐碱化问题日趋凸出[4-5]。在盐碱土壤中,存在大量的盐类物质,导致土壤盐害,从而限制作物的生长发育和农业可持续发展[6-7]。丰富的浅层非常规水资源为农业灌溉提供了广阔的发展前景[8]。在盐碱土壤环境下探索多种水资源灌溉成为当前的研究热点。【前人研究进展】在现行的常规水资源开发利用的基础上,通过对微咸水、磁化水和电解水等非常规水源的开发利用,可以有效增加供水量、缓解农业灌溉用水危机和提高水资源利用效率。微咸水指矿化度为1～5 g/L的浅层地下水及地表含盐水[9]。在淡水资源紧缺的干旱半干旱地区,有研究发现当作物生育期缺水时,使用微咸水灌溉可以满足作物水分需求,并促进其正常生长[10-12]。而微咸水中的盐分离子进入土壤,会与土壤发生一系列化学反应,从而引起土壤结构变化,并对土壤中的水分运动和盐分运移产生影响[13-15]。磁化水滴灌可以提高土壤含水率,降低土壤中阴阳离子含量,不仅能促进对土壤盐分的淋洗,降低土壤含盐量,还能提高土壤养分的吸收利用效率[16-20]。电解水具有制备简单、杀菌高效、无残留毒性等优势,能够在农业领域推广应用[21-22]。【本研究切入点】虽然前人针对于微咸水灌溉和磁化水灌溉开展了相关研究,但对于电解水灌溉条件下土壤盐分离子的脱盐效应研究还少见报道。另外,现有研究仅关注单一水质灌溉对土壤盐分的影响规律,以及灌溉带来的盐分胁迫,而较少关注土壤盐分以及盐分离子占比对不同水质灌溉的响应,以及以增大土壤盐分和盐分离子脱盐率为目标的不同水质灌溉优劣比较研究。【拟解决的关键问题】对比分析微咸水、磁化微咸水、磁化渠道水、渠道水和电解水不同水质滴灌对盐碱土壤总盐含量、脱盐率、土壤盐分离子以及土壤SAR的影响规律,研究磁化水与非磁化水灌溉对土壤盐分和盐分离子脱盐效果的差异性,并探索电解水灌溉的优势,制定合理的水盐管理措施,降低土壤盐分含量,增加土壤脱盐率,为新疆盐碱地节水灌溉研究提供一定理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

灌溉用水采自当地灌区渠道水,渠道水的矿化度为0.52 g/L,选用4.0 g/L备用,磁化水选用磁化强度0.4 T的磁化器,按照2 m/s水流速度穿过磁化器获得磁化水,电解水由新疆鑫耐米生物科技有限公司生产,pH为2.29。表1

表1 灌溉用水初始理化性质

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

于石河子市炮台试验站开展滴灌入渗试验,取回土样经风干,过2 mm筛备用。采用室内土柱试验,研究磁化不同水质滴灌以及电解水滴灌对盐碱土壤盐分的影响规律。试验土柱为厚度5 mm的亚克力柱,土柱高为80 cm,直径为10 cm,填土容重为1.54 g/cm3,以10 cm分层装填土壤,表面凿毛,装填深度为70 cm。以渠道水滴灌为对照CK,各处理滴头流量恒定且相同为0.15 L/h,且各处理灌水量相同,总灌水2.5 L。设置微咸水滴灌T1处理、磁化微咸水滴灌T2处理、磁化渠道水滴灌T3处理和电解水滴灌T4处理。设5个处理,每个处理设置3组重复,开展室内土柱试验。表2

表2 试验方案

1.2.2 指标测定

1.3 数据处理

Origin 2019分析数据与作图,SPSS20.0进行单因素方差分析。

根据上述模糊判断的结果，通过加权平均法就可以得到最终的精确输出量，即在特定偏移条件下，支撑油缸应采取的液压缸压力差。

土壤钠吸附比SAR计算[24]:

式中,Na+、Ca2+和Mg2+表示离子含量(g/kg)。

2 结果与分析

2.1 磁化不同水质滴灌对土壤总盐分布的影响

研究表明,各处理滴灌后土壤剖面盐分分布存在一定差异性。在整个土壤剖面中,土壤总盐含量随深度增加而增加。

与对照处理相比,微咸水灌溉处理显著增加土壤表层和深层总盐含量(P<0.5),磁化微咸水灌溉处理显著增加土壤表层总盐含量(P<0.5),而磁化渠水灌溉处理和电解水灌溉处理降低土壤表层总盐含量,但不具有统计学意义。与对照处理比较,微咸水处理土壤表层总盐含量增加了15.58%,磁化微咸水处理增加了17.14%,磁化渠道水处理降低了3.68%,电解水处理降低了11.47%。土层深度20 cm处,与对照处理比较,微咸水处理土壤总盐含量增加了6.19%,磁化微咸水处理降低了1.58%,磁化渠道水处理降低了6.11%,电解水处理降低了10.36%。土层深度30 cm处,与对照处理比较,微咸水处理土壤总盐含量增加了12.13%,磁化微咸水处理降低了4.32%,磁化渠道水处理增加了1.61%,电解水处理增加了8.25%。40～60 cm土层深度处,各处理土壤总盐含量均比对照处理降低,降幅为3.56%～27.12%。而在70 cm土层深度处,均显著增加,微咸水处理土壤总盐含量增加了36.18%,磁化微咸水处理增加了12.31%,磁化渠道水处理增加了11.14%,电解水处理增加了13.96%。微咸水灌溉处理增加了土壤总盐含量,相较于微咸水灌溉处理,磁化微咸水灌溉处理能够降低土壤总盐含量,并在30 cm深度以下达到显著性水平(P<0.5),而磁化渠水灌溉处理土壤总盐含量在整个土壤剖面内呈显著减小趋势(P<0.5),电解水灌溉处理也呈现出降低土壤总盐含量的作用。表3

表3 各处理土壤剖面总盐含量变化

2.2 磁化不同水质滴灌对土壤脱盐率的影响

研究表明,当滴灌后土壤盐分含量降低表现为脱盐状态,当滴灌后土壤盐分含量增加则表现为积盐状态。0～60 cm土层深度范围内表现为脱盐状态,70 cm土层深度表现为积盐状态。 图1

各处理土壤剖面平均总盐含量大小比较为T1>T2>CK>T3>T4,脱盐率达到51.8%～59.36%。与对照处理比较,微咸水灌溉处理土壤平均总盐含量增加了4.07%,磁化微咸水处理增加了3.14%,磁化渠道水处理降低了4.62%,电解水处理降低了7.42%。各处理土壤剖面脱盐区的平均脱盐率大小比较为T4>T3>T2>CK>T1,与对照处理比较,微咸水灌溉处理土壤剖面脱盐区的平均脱盐率降低了2.18%,磁化微咸水处理增加了7.2%,磁化渠道水处理增加了8.99%,电解水处理增加了13.25%。不同水质经磁化后滴灌能够抑盐降盐。磁化微咸水灌溉处理显著优于微咸水灌溉处理,能够增加脱盐区的脱盐率,降低积盐区的积盐率。电解水灌溉处理土壤剖面总盐含量最低,脱盐效果最好。图2

图2 各处理脱盐区平均脱盐率和 土壤剖面平均总盐含量

2.3 磁化不同水质滴灌对土壤盐分离子和SAR值的影响

图3 各处理盐分离子占比变化特征Fig.3 Characteristics of changes in the proportion of salt ions of each treatment

图4 各处理盐分离子平均脱盐率和 平均积盐率变化

各处理SAR值随土层深度增加而增加。0～60 cm土壤剖面SAR值大小比较为T1>T2>CK>T4>T3。土层深度60 cm以下SAR值呈显著增大趋势,微咸水灌溉处理和磁化微咸水灌溉处理SAR值大于土壤初始值,比初始值增大13.9%和31.21% ,其他处理均低于初始值。0～50 cm土层深度处磁化渠水处理土壤SAR值较其他处理最低,由初始值5.48降低至0.2～1.35。60 cm深度以下电解水处理土壤SAR值较其他处理最低,SAR值为2.65～4.93,低于土壤初始值。磁化微咸水处理虽增大了表层和深层SAR值,但在20～50 cm土层深度处土壤SAR值仅高于磁化渠水灌溉处理,由初始值5.48降低至0.63～1.82。磁化微咸水较微咸水灌溉处理具有降低作物根系层土壤SAR的作用,而磁化渠水灌溉处理显著优于渠道水灌溉处理。图5

图5 各处理不同土层深度SAR值变化Fig.5 SAR value changes in different soil depth of each treatment

3 讨 论

3.1研究结果表明,与其他灌溉水质处理比较,微咸水灌溉处理增加了土壤剖面中的土壤总盐含量,由于微咸水本身含有盐分,矿化度为4 g/L,灌溉时将灌溉水中的盐分带入土壤中,但盐随水动,与滴灌前比较,微咸水灌溉处理中土壤盐分含量在0～60 cm土层深度范围内显著低于初始总盐含量,呈显著脱盐状态,仅在土层深度70 cm深度处显著积盐。与刘庆贺[25]研究结果一致,认为微咸水灌溉能够在棉花根系层产生低盐区。以降低土壤剖面盐分含量和增大土壤湿润区脱盐率为目标,比较不同水质滴灌对土壤盐分和土壤脱盐率的影响优劣,磁化水灌溉显著优于非磁化水,微咸水和渠道水在磁化后均比磁化前降低了土壤剖面盐分含量,同时增大脱盐区的脱盐率。与王全九[20]等研究结论一致,认为灌溉水质经磁化后可增大土壤盐分淋洗效率。

4 结 论

4.1微咸水灌溉处理与其他处理比较,在整个土壤剖面内增加了土壤总盐含量。土壤剖面平均总盐含量大小比较为T1>T2>CK>T3>T4。磁化水灌溉处理在降低土壤平均总盐含量方面优于非磁化水灌溉处理,而电解水灌溉处理最优。磁化微咸水灌溉处理较微咸水灌溉处理在土层深度30～40 cm以及深层土壤内土壤总盐含量降幅达到显著性水平(P<0.5)。磁化渠道水灌溉处理较渠道水灌溉处理土壤平均总盐含量降低了4.85%,在40 cm土层深度以下降幅达到显著性水平(P<0.5)。

4.2滴灌后,各处理0～60 cm土层深度范围内呈脱盐状态,70 cm土层深度内呈积盐状态。各处理土壤剖面脱盐区的平均脱盐率大小比较为T4>T3>T2>CK>T1。磁化微咸水灌溉处理显著优于微咸水灌溉处理,能够增加脱盐区的脱盐率,降低积盐区的积盐率。电解水和磁化渠水滴灌有利于作物根系层土壤剖面脱盐。电解水灌溉处理土壤脱盐效果最优。