灌排协同下冬灌期土壤水盐调控效应分析

摘"要：【目的】""探究灌排协同下冬灌对盐碱土壤的水盐调控效应。

【方法】""基于野外测箱试验，设置2种地下水埋深：G1（2 m）、G2（3 m）和2种灌水方式：W1（冬灌）、W2（非冬灌），研究不同灌水方式下土壤冻融特征，非生育期土壤返盐特征，灌排协同下冬灌的盐分淋洗效率、排水排盐效率，棉花出苗及苗期生长状况。

【结果】""冬灌延迟了土壤日冻融循环和日消融循环，且冬灌后冻融、消融持续时间比非冬灌短。土壤完全冻结期随着土层深度增加在冻结时间上滞后，冻结持续时间变短；冬灌可有效淋洗土壤0～60 cm土层的盐分，且2 m埋深排水排盐量大于3 m；翌年播种前冬灌和非冬灌土壤盐分在0～20 cm土层聚集的差异显著，非冬灌土壤盐分高于冬灌。相同灌水方式下，2 m埋深的表层返盐量大于3 m；相同地下水埋深，冬灌返盐程度低于非冬灌；翌年滴水出苗后棉花出苗及苗期生长差异显著，冬灌后翌年滴水出苗的出苗率和苗蕾期长势优于非冬灌后滴水出苗处理。

【结论】""冬灌可降低气-土界面土壤温度势差，减少0～20 cm土壤冻融交替持续时间，抑制土壤返盐，翌年滴水出苗更有利于棉花促生保苗。灌排协同下，地下排水埋深越大，排水携盐效率越低；灌区在入冬期可利用潜水蒸发与返盐同步变弱的自然特征，通过冬灌将盐分淋洗至地下水中；春季升温期则适时抽取地下水，通过降低地下水位来抑制土壤表层快速返盐，达到灌排协同控制盐分的目标。

关键词：""灌排协同；地下水埋深；冬灌；水盐调控；棉花

中图分类号："S156""""文献标志码："A""""文章编号："1001-4330（2024）11-2722-11

0"引 言

【研究意义】新疆盐渍化土壤分布广泛，约占全国盐渍化面积36.80%［1］，新疆北疆由于冬季降雪的淋洗作用，已普遍适应了“干播湿出”的出苗方式；而南疆干旱少雨，冬季降雪量少，目前仍普遍采用冬灌进行盐分淋洗。在实际生产中冬灌用水量较大，且尚存在农田“重灌轻排”现象［2］，与此同时，当地下水矿化度较高时，地下水在土壤毛管作用下盐分上移，容易导致土壤盐渍化［3-5］，因此灌排协同是治理土壤次生盐渍化的关键。【前人研究进展】冬灌是应对土壤盐渍化的有效措施，具有蓄水保墒、降低土壤盐分、平抑地温、疏松土壤等优势，可为作物生长创造良好的水土环境［6-10］。随着节水灌溉面积增加，田间明沟被平整，造成田间排水不畅。暗管排水是实现灌排协同的重要途径，比传统的明沟节水节地［11］，目前，对暗管下水盐运移、滤料结构、排水参数模拟和优化的研究较多，也有相关结论［12-18］。【本研究切入点】新疆南疆盐渍化土壤面积较大，棉花种植面积亦较大，以往大多数研究主要集中在冬灌定额和方式对土壤水盐及次年作物长势上。通过测箱进行不同埋深下控制性水盐运移试验，将冬灌和控制排水相结合，探究新疆南疆灌区灌排相互作用下的水盐调控研究却鲜有报道。需探究灌排协同下冬灌对盐碱土壤的水盐调控效应。【拟解决的关键问题】在新疆巴音郭楞蒙古自治州（简称巴州）灌溉试验站设置的测箱原位试验，研究灌排协同下冬灌期地下水埋深与灌水方式对土壤水盐动态的运移机理，分析不同地下水埋深和灌水方式对土壤水盐分布特征及棉花苗期长势的影响，为灌区非生育期水盐调控模式的改进提供理论依据。

1"材料与方法

1.1"材 料

试验于2022年10月～2023年6月在新疆水利水电科学研究院库尔勒灌排试验基地进行（41°33′N，83°12′E）。该区域干旱少雨且蒸发强烈，多年平均降雨量为53.30～62.70 mm，年平均蒸发量在2 273～2 788 mm［19］。试验土壤为砂壤土，土壤干容重为1.54 g/cm3，各测箱初始平均含盐量为（7.80±0.40） g/kg。测箱平面为长宽1.50 m×1.00 m的矩形。图1

供试棉花品种为新陆中67号，种植方式为1膜2管4行，棉花采用夹带播种，株行距与大田相当，行距10 cm+66 cm+10 cm，株距8 cm，滴灌带为内镶贴片式，滴头流量2.2 L/h，滴头间距30 cm。

1.2"方 法

1.2.1"试验设计

试验为2种地下水埋深G1（2 m）、G2（3 m）和2种灌水方式W1（冬灌）、W2（非冬灌），地下水位使用马氏瓶控制，以补给潜水蒸发和排出下渗水量。共设4个处理（G1W1、G1W2、G2W1、G2W2），土壤填装前均已过2 mm筛，土壤为分层填装，容重控制为1.54 g/cm3，使土壤结构保持一致，每个试验处理重复1组。冬灌于2022年11月2日进行，灌水量参照大田2 100 m3/hm2的定额控制进行。试验时间为2022年10月1日～2023年6月20日，其中10月1日～翌年4月5日为剖面水盐运移阶段，4月6日～6月20日为作物苗期生长阶段。冬灌和生育期灌溉均为河水，电导率在800～1 000 μs/cm。表1

通过测箱种植棉花可评估不同处理对作物的生长效应。各处理均采用滴水出苗的方式，滴水出苗水量为67.50 mm，出苗后非冬灌处理补水45 mm、冬灌处理补水15 mm，并配合施加生物菌肥（15 kg/hm2）和矿源黄腐酸钾（7.50 kg/hm2）以避免棉花苗期盐害。图2

1.2.2"测定指标

1.2.2.1"土壤水盐

冬灌期分别在冬灌前（11月1日）、冬灌后（11月7日）、翌年4月4日春播前使用土钻采集0～5、5～10、10～20、20～30、30～40、40～60、60～80和80～100 cm土壤样品。每个小区各重复4次，利用烘干法测定土壤质量含水率，并使用DDSJ-308A（上海仪电）电导率仪测定土壤浸取液（土水比1∶"5）电导率值。

1.2.2.2"土壤温度、地下水位、排水电导率

土壤温度采用国产智墒ET100监测，监测时间间隔为1 h，监测深度为0～100 cm，垂向监测间距为10 cm；地下水位用玻璃管由箱壁橡皮塞连通测箱内部以观测地下水位；排水量由容器收集后称重获得，并同步测量其电导率。

1.2.2.3"棉花出苗率及苗蕾期生长指标

棉花出苗后每3 d统计1次出苗率，将第3次统计值作为出苗率指标。每个小区随机选取能代表棉花生长水平的5株棉花测量相关指标，茎粗采用“十字交叉法”在距地上2 cm处用电子游标卡尺测量（精度为0.01 mm）。

1.2.2.4"计 算

土壤电导率转化为土壤全盐量计算公式为［20］：

C=3.945 8EC1∶"5."（1）

式中，C为土壤全盐量（ g/kg）；EC1∶"5 为土水比1∶"5土壤浸提液电导率（ms/cm）。

排水电导率（EC）和全盐量（Cw）计算公式为［21］：

Cw=0.816 4EC1.254 9."（2）

式中，Cw 为水样全盐量（g/L）；EC为水样电导率（ms/cm）。

土壤脱盐率为土壤剖面在灌溉后某一时刻与灌溉前相比土壤含盐量的减少率，计算式为：

ω="S0－St"S0"×100%."（3）

式中，ω 是土壤脱盐率（%）；S0 为灌溉前土壤含盐量（ g/kg），St 为灌溉后土壤含盐量（ g/kg）。

土壤积盐率为土壤剖面某一时刻与其前一时刻相比土壤含盐量的增加率，计算公式为：

t="Wi-Wi-1"Wi"×100%."（4）

式中，t是土壤积盐率（%）；Wi是第i时刻土壤含盐量（ g/kg）；Wi-1是第i-1时刻土壤含盐量（ g/kg）。

根据测得的各土层含盐量，第j次取样时第i层土壤储盐量计算公式［22］为：

Sji=100hiγiCji."（5）

式中，Sji 是第j次取样时第i层土壤的储盐量（g）；hi 是第i层土壤的厚度（cm）；γi 为第i层土壤干容重（g/cm3）；Cji 为第j次取样时第i层土壤的含盐量（ g/kg，i=1，2，…；j=1，2，…）。

前后2次取样时段内土壤储盐量的变化量为：

Δji=Sj+1i－Sji"（6）

式中，Δji 为第j时段（第j次取样和第j+1次取样之间）内第i层土壤储盐量变化量。

一维水盐运动条件下的各土层盐分满足均衡关系，土层内储盐量的变化量与其流入流和出量之差相等，故有［22］下式成立：

Sj+1i－Sji=Qji+1－Qji."（7）

式中，Qji 为第j时刻第i层土壤下边界盐分通量（g）；表层土壤上边界通量为Q0，即为灌溉水引入盐量。

2"结果与分析

2.1"冬灌与非冬灌土壤冻融变化特征

研究表明，由于冬灌水温低于土壤温度，冬灌后土壤温度降幅大于非冬灌土壤。0～100 cm土层冬灌前一周到冬灌后一周的温度降幅（2.14～2.70℃）大于同一时期非冬灌土壤（1.77～2.11℃）。冬灌可提高土壤热容量，随着气温降低，气温对冬灌后土壤温度的影响程度低于非冬灌土壤。在灌后第1周到第2周、第2周到第3周0～100 cm土温降幅（1.53～4.33℃和1.81～2.22℃）小于非冬灌土温降幅（1.63～4.63℃和2.01～2.33℃），使得冬灌土壤的冻融循环时间滞后且持续时间比非冬灌土壤短。图3

土壤冻融过程随着土层深度的增加表现出一定的滞后效应，滞后时间随土层深度增加而增加。根据土壤日最高温度Tmax与日最低温度Tmin，将土壤在冬春季冻融过程分为不同阶段。冬季日冻融循环阶段（Tmaxgt;0℃gt;Tmin），此时气温逐渐降低，直到完全冻结阶段（0℃gt;Tmaxgt;Tmin），春季气温回暖，土壤经历春季日消融循环阶段（Tmaxgt;0℃gt;Tmin）。冻融循环区域主要在0～20 cm土层，随着土层深度增加，日间温差逐渐变小。土壤冬季日冻融循环和春季日消融循环发生在土壤0～20 cm土层区，且在时间上冬灌滞后于非冬灌；其中，冬季0～10 cm土层冻融交替作用持续时间比非冬灌短8 d；春季0～20 cm土层经历了日消融循环，10 cm土层冻融交替作用持续时间比非冬灌短13 d，20 cm土层处短5 d。图4

冬灌和非冬灌土壤在不同土层冻结和消融过程存在不同的差异，在土壤完全冻结时间上，不同土层深度冬灌滞后非冬灌0～5 d，土壤自上向下冻结。土壤消融过程中冬灌土壤上层（0 cm）和下层（100 cm）处先消融，中间（30～40 cm）最后消融；非冬灌土壤自然而下消融。表2

2.2"不同地下水埋深下冬灌与非冬灌土壤水盐迁移特征"

研究表明，2 m埋深较3 m先排水，排水量分别占灌溉水量的57%和33%。在淋洗过程中，灌水溶滤盐分向下运移，排水的电导率随时间不断变大，排水累积量呈指数函数分布。2 m埋深开始排水的时间早于3 m埋深，同时2 m埋深排水的电导率升高较快，土壤盐分得到了淋洗，鉴于两个处理间土壤盐分含量相当，3 m埋深下土壤盐分淋洗程度低于2 m，淋洗的盐分主要储存在土壤下部中。图5"

冬灌能有效淋洗土壤中的盐分，冬灌后，盐分在土壤中重新分布，0～60 cm土层盐分减少，60～100 cm土层盐分增加。2和3 m埋深在0～60 cm土层平均脱盐率为35.36%和43.42%，60～100 cm土层平均积盐率为7.71%和8.01%。

土壤在经历冬-春季的冻融、消融循环过程中，盐分在温度势的作用下以上升为主。到翌年耕作前，大气蒸发势的作用逐渐增强，此时盐分易在表层集聚。非冬灌土壤0～20 cm盐分达到了19.23和15.8 g/kg，属中度盐土；冬灌2和3 m埋深0～20 cm盐分达到7.28和5.68 g/kg，则属轻度盐土，盐分在表层的聚集差异显著。图6"

2.3"地下水埋深与灌水方式共同作用下盐分变化"

研究表明，各阶段盐分迁移方向与土壤水的运动方向一致，灌水时盐分整体向下移动，在非灌水期，盐分随潜水蒸发向上运动。

冬灌前后2和3 m埋深排盐量分别为773.33 g和178.00 g，2 m埋深排盐量是3 m埋深的4.35倍；从冬灌前到播种前，2和3 m埋深100 cm处盐分净通量为-95.08和-245.38 g/m2。根据0～100 cm的盐分通量平衡，从冬灌前到翌年4月初，冬灌2 m埋深土体盐分增加54.32 g，3 m埋深土体盐分减少96.28 g，潜水蒸发对土壤返盐作用明显；非冬灌处理，0～100 cm土体处于积盐状态，2和3 m埋深土体盐分分别增加662.39和572.53 g。表3，表4

将1 m土层按0～20 cm、20～60 cm、60～100 cm分为三个区域，0～20 cm是盐分易聚集区和种子萌发区，20～60 cm是耕作及根系生长区。60～100 cm是水盐运移的过渡区，此处盐分的稳定有利于耕作区土壤安全。冬灌前到播种前，在0～20 cm，冬灌返盐量小于非冬灌处理；在20～60 cm，不同埋深的冬灌均脱盐，非冬灌则积盐；在60～100 cm，各处理均有不同程度的积盐，非冬灌积盐量大于冬灌。图7

2.4"不同埋深下冬灌与非冬灌对棉花苗期生长的影响"

研究表明，冬灌与非冬灌相比，平均出苗率、株高、茎粗、叶片数分别增加了33.03%、55.16%、25.56%和24.60%。非冬灌下2 m埋深苗期根层含水率显著大于3m，对苗期根层电导率、出苗率和生长指标则无显著差异；冬灌对不同埋深各指标均无显著差异。

地下水位对根层含水率和苗期株高有极显著影响（Plt;0.01），2 m埋深苗期根层含水率大于3 m埋深。灌水方式与地下水位交互作用对棉花出苗率有极显著影响（Plt;0.01），冬灌2 m埋深出苗率最好，非冬灌2 m埋深出苗率最差。表5

3"讨 论"""3.1

土壤返盐与地下水埋深、土壤本底盐分及冻融特征相关，且土壤盐分的表聚直接影响翌年作物的播种。冬灌后大气-表土界面的温差明显小于非冬灌土壤，从而使后者土壤剖面温度势差大于前者，导致非冬灌土壤的水盐向上迁移的能力更强。在日内的冻融交替作用下，下部水盐向冻结层迁移的驱动力愈强，从而加速表层土壤的积盐程度，与前人研究结果一致［23，24］。

3.2

冬灌过程中包气带越厚，水盐湿润锋下移至地下水的距离增加，盐分在剖面内的驻留时间增加。试验中冬灌量2 100 m3/hm2对2和3 m埋深在60 cm以上土层盐分的淋洗效果相近。但两者间的排水排盐差异显著，3 m埋深排水的响应时间与水量均低于前者。2和3 m埋深的土壤岩性、含盐量等基本相同，但3 m埋深下淋洗液电导率低于2 m的原因应与土壤剖面含水率和包气带厚度相关。盐分淋洗可分为2个过程，首先土壤水大孔隙排水速率快，带出的盐分少，排盐效率低。随后，从小孔隙内驱替出的水量逐渐增多，这部分水的含盐量高，排盐效率也较高。在盐分迁移的微观尺度上分析：埋深越浅，土壤含水率越高，土粒薄膜水厚度大，淋洗时盐分的水动力弥散作用强，盐分易被淋洗出来；反之，埋深增大，剖面土壤含水率变小，薄膜水厚度减小，土粒对水盐的吸附力强，淋洗时的水动力弥散作用弱，盐分排出土体需要较长的时间。

4"结 论

4.1

冬灌土壤相比非冬灌土壤在冬季日冻融循环、完全冻结和春季日消融循环阶段存在滞后效应：在冬季日冻融阶段，10 cm土层处滞后8 d，完全冻结期0～100 cm土体滞后0～5 d，在春季日消融阶段10、20 cm处滞后12～13 d；冬灌后的土壤水可降低气-土界面温度差，减少0～20 cm土壤冻融交替持续时间，可抑制土壤向上的返盐；非冬灌下的气-土界面温差较大，土壤返盐程度高于前者。

4.2

非生育期冬灌灌水入渗期间，土壤盐分向土壤下层迁移，入渗结束后潜水蒸发作用土壤盐分向上迁移；非冬灌土壤盐分则在非生育期呈持续向上迁移的特征。翌年春播时，各处理的主要积盐区都在0～20 cm土层。冬灌返盐量明显低于非冬灌，有利于棉花的促生保苗，平均出苗率比非冬灌高33.03%，苗期株高、茎粗和叶片数等生长指标均优于非冬灌。

4.3

2 100 m3/hm2的冬灌定额可有效淋洗土壤0～60 cm盐分，2和3 m埋深0～60 cm土层的脱盐率可达35.36%和43.42%，冬灌排水量分别占灌水量的57%和33%，2 m埋深排盐量是3 m埋深的4.35倍。随着排水深度增加，水盐运移至地下水的时间增加，盐分不易排出土体。

4.4

针对非冬灌期气候与水盐运移的特征，通过洗盐、排盐、控盐的方式达到优化调控返盐的目标。即在入冬期利用潜水蒸发与返盐同步变弱的自然特征，通过冬灌将盐分淋洗至地下水中；春季升温期则适时抽取地下水，通过降低地下水位来抑制多风干燥气候下土壤表层的快速返盐，达到灌排协同控制盐分的目标。

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Study on soil water and salt regulation under irrigation ""and drainage coordination in winter irrigation period

LI Zhipeng1， "YANG Pengnian1， "ZHANG Shengjiang2， "SHENGTongmin2， """YE Bingrui1， "YUAN Kai1， "WANG Yongpeng1

（1.College of Hydraulic and Civil Engineering， Xinjiang Agricultural University/Xinjiang Key Laboratory of Hydraulic Engineering Security and Water Disasters Prevention， Urumqi 830052， China; 2. Xinjiang Research Institute of Water Resources and Hydropower，Urumqi 830049， China）

Abstract：【Objective】 ""To explore the effect of winter irrigation on water and salt regulation of saline-alkali soil under irrigation and drainage coordination.

【Methods】 ""Based on field soil box test， two kinds of groundwater depths （G1 （2 m） and G2 （3 m）） and two irrigation methods： （W1 （winter irrigation） and W2 （non-winter irrigation）） were set， and the freeze-thaw characteristics of soil under different irrigation methods， the characteristics of soil salt return during non-growth period， the efficiency of salt leaching and drainage under winter irrigation combined with irrigation and drainage， and the emergence and seedling growth of cotton were studied.

【Results】 """Winter irrigation delayed the daily freeze-thaw cycle and daily ablation cycle of soil， and the duration of freeze-thaw and ablation after winter irrigation was shorter than that of non-winter irrigation.With the increase of soil depth， the freezing time lagged behind and the freezing duration became shorter.Winter irrigation could effectively wash the salt of 0-60 cm soil layer， and the salt drainage of 2 m groundwater depth was greater than 3 m.Before sowing in the next year， there was a significant difference in soil salt accumulation between winter irrigation and non-winter irrigation in 0-20 cm soil layer， and the salt of non-winter irrigation was higher than that of winter irrigation.Under the same irrigation method， the surface salt return amount of 2 m groundwater depth was greater than 3 m; at the same underground water depth， the salinity return degree of winter irrigation waS lower than that of non-winter irrigation.There were significant differences in cotton emergence and seedling growth after drip irrigation in the next year， and the emergence rate and seedling growth in the next year after drip irrigation were better than those after drip irrigation.

【Conclusion】 ""Winter irrigation can reduce the soil temperature potential difference at the air-soil interface， reduce the duration of freeze-thaw alternations of 0-20 cm soil， inhibit soil salt return， and promote the growth and survival of cotton seedlings in the next year.Under the coordination of irrigation and drainage， the higher the groundwater depth of underground drainage， the lower the salt carrying efficiency.In the irrigation area， the salinity can be washed into the rising groundwater by winter irrigation， which is characterized by weak diving evaporation and weak salt return.In the spring warming period， groundwater is extracted timely， and the rapid salt return of soil surface is suppressed by reducing the groundwater level， so as to achieve the dual function of inhibiting salt return by drainage irrigation.

Key words：""irrigation and drainage coordination; groundwater depth; irrigation in winter; water and salt regulation; cotton

Fund projects：""National Key R amp; D Project （2021YFD1900805-1）; “Tianshan Talents” Leading Project （2022TSYCLJ0069）

Correspondence author："""YANG Pengnian （1966-）， male， from Urumqi， Xinjiang， professor， doctor， master and doctoral's supervisor， research direction： groundwater resources utilization in arid areas，（E-mail）ypn10@163.com

收稿日期（Received）：

2024-03-11

基金项目：

国家重点研发计划项目（2021YFD1900805-1）；“天山英才”领军人才项目（2022TSYCLJ0069）

作者简介：

李志鹏（1999-），男，河南汝州人，硕士研究生，研究方向为农业节水灌溉，（E-mail）1173763471@qq.com

通讯作者：

杨鹏年（1966-），男，新疆乌鲁木齐人，教授，博士，硕士生/博士生导师，研究方向为干旱区地下水资源利用，（E-mail）ypn10@163.com