綠洲灌區(qū)春灌效應(yīng)及定額研究

楊鵬年，孫珍珍，汪昌樹(shù)，魏光輝

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆烏魯木齊 830052)

春灌是干旱灌區(qū)一種常規(guī)的水鹽管理措施，在西北及河套灌區(qū)廣泛采用。在2010年之前，新疆灌區(qū)在作物生育期內(nèi)以常規(guī)地面灌溉為主，灌區(qū)內(nèi)地下水埋深較淺從而導(dǎo)致在生育期結(jié)束后表層土壤積鹽程度較高，調(diào)控的方式主要是以冬春灌溉的方式進(jìn)行。隨著灌區(qū)內(nèi)以膜下滴灌為代表的高效節(jié)水措施的實(shí)施，灌溉方式轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的節(jié)水效果轉(zhuǎn)化為灌溉面積的同步增大，使得農(nóng)業(yè)用水總量難以下降甚至還有所增加，用水矛盾不斷加劇。2012年1月國(guó)務(wù)院提出的最嚴(yán)格水資源管理制度正切合了這種形勢(shì)的需要，成為破解，“節(jié)水不見(jiàn)水”這一“節(jié)水悖淪”的突破口?？偭靠刂葡碌亩~管理將成為今后的常態(tài)化措施，同時(shí)也將對(duì)干旱內(nèi)陸灌區(qū)用水理念與方式的轉(zhuǎn)變起到促進(jìn)作用。在這種管理模式，可用于淋洗鹽分的水量將越來(lái)越有限，而春灌由于水量小且效率高而逐漸成為灌區(qū)重要的儲(chǔ)水降鹽與播前備耕的用水方式［1～2］。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)站簡(jiǎn)介

試驗(yàn)地點(diǎn)位于新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)庫(kù)爾勒灌溉試驗(yàn)站內(nèi)，地處庫(kù)爾勒市西尼爾鎮(zhèn)。區(qū)域內(nèi)光熱資源豐富，降雨少，溫差大，多年平均降水量53.3～62.7 mm，多年平均蒸發(fā)量2 273～2 788 mm(φ 20 cm蒸發(fā)皿)，蒸降比達(dá)43.6，地表高程在895～903 m之間，屬暖溫帶大陸性荒漠氣候。試驗(yàn)區(qū)土壤質(zhì)地為粉土，土壤肥力較低。

1.2 試驗(yàn)方法

春灌試驗(yàn)于2014年3月8日—2014年3月26日進(jìn)行，共設(shè)計(jì)了3種灌水梯度，分別為1 350 m3/ha、1 800 m3/ha、2 250 m3/ha(90 m3/畝、120 m3/畝、150 m3/畝)。春灌用水的電導(dǎo)率為457μs/cm。冬灌地的樣方為5 m×8 m的矩形，灌水時(shí)間為3月10日—11日。分別于灌前及灌后進(jìn)行取樣測(cè)試質(zhì)量含水率及表征土壤鹽分的電導(dǎo)率值。取樣深度為1.0 m，累計(jì)取樣3次，時(shí)間為3月10日、3月18日及3月23日。為避免土壤的空間差異性，取樣時(shí)采用井徑(φ=3.0 cm)較小的圓鑿鉆取樣，可以得到相應(yīng)層位的連續(xù)樣而不產(chǎn)生棄土;同時(shí)增加取樣的數(shù)量，取樣的重復(fù)數(shù)量為6組。土壤含水率與鹽分的取樣層次從地表開(kāi)始，每10 cm鉆取一個(gè)樣品。春灌試驗(yàn)區(qū)域的土壤剖面具有二元結(jié)構(gòu)的特征，通過(guò)顆粒分析表明:表層至60～80 cm深為粉土，60～80 cm以下過(guò)渡為粉砂。土壤田間持水量(質(zhì)量)為16.0%～18.0%，0～100 m土層的平均容重為1.58g/cm3。土壤含水率用烘干法測(cè)定;電導(dǎo)率值則按1∶5水土比配制水溶液，使用雷磁DDS-307型電導(dǎo)儀測(cè)定。2014年3月9日測(cè)定的地下水埋深為4.6 m，試驗(yàn)期間地下水位變化不大。

2 結(jié)果與分析

2.1 春灌的儲(chǔ)水效應(yīng)

試驗(yàn)區(qū)域種植的作物為棉花，從8月底最后一次滴灌結(jié)束至翌年3月春灌前處于沒(méi)有水分輸入的狀態(tài)。土壤水分以垂向的騰發(fā)消耗為主。經(jīng)過(guò)近6個(gè)多月的休耕期后，灌前土壤含水率非常接近于自然條件下的穩(wěn)定分布狀態(tài)。不同春灌定額灌溉前后1.0 m深度內(nèi)土壤剖面質(zhì)量含水率的變化情況，見(jiàn)圖1。不同處理灌前曲線形態(tài)具有一定的相似性，即在50～60 cm處有一個(gè)峰值，而表層與深層值均較低。灌后剖面各層含水率均有一定程度的增加，尤其以表層含水率增加最為顯著?？紤]到灌后土壤水分從表層運(yùn)移到深層需要一定的時(shí)間，因此灌后第11天(3月23日)較灌后第6天的剖面含水率有了一定程度的下降。若不考慮試驗(yàn)期間蒸發(fā)的影響，以1.0 m深土體為水均衡計(jì)算單元，灌溉水的轉(zhuǎn)化途徑主要是補(bǔ)充土壤水與深層滲漏，由圖中的數(shù)據(jù)可以計(jì)算出灌溉水量的轉(zhuǎn)化特征，見(jiàn)表1。

從水分利用角度看，灌水量主要轉(zhuǎn)化為土壤水以便被作物利用。若以1.0 m土層內(nèi)增加的含水率為作物可利用水量，滲流到1.0 m的以下區(qū)域則為難利用水量，以此可作為判斷適宜春灌定額的一項(xiàng)指標(biāo)。至灌后第11天，此時(shí)重力水分的運(yùn)移已較充分，土壤水分接近于田間持水量，從表1中數(shù)據(jù)的計(jì)算結(jié)果可以看出:1 350 m3/ha處理的水分保持率最高，達(dá)87.3%;1 800 m3/ha處理的水分保持率為46.3%;2 250 m3/ha處理的水分保持率為51.1%，深層滲漏水量最大。上述事實(shí)表明受田間持水量的制約，即使灌溉了較多的水量也無(wú)法使土壤保持水分的能力隨之增大，過(guò)量灌溉導(dǎo)致了深層滲漏水量的增加，作物很難利用這部分水量。但另一方面，滲漏的水量可將鹽分帶入深層，有利于土壤鹽分的淋洗，這對(duì)中、重度鹽漬土的改良卻是必要的。

圖1 春灌前后土壤剖面含水率變化特征Fig．1 Characteristics of soil water content before and after spring irrigation

表1 灌前后1.0 m剖面土壤含水率及灌水量轉(zhuǎn)化表Table 1 The profile soil water content and water transformation before and after spring irrigation

2.2 春灌的降鹽效應(yīng)

春灌前后土壤含鹽量的變化，見(jiàn)圖2。從圖中可以看出:灌前剖面含鹽量具有表層(0～10 cm)最高、中部(10～60 cm)次之和下部(60～100 cm)最小的三級(jí)遞減特征;春灌后土壤剖面含鹽量則呈現(xiàn)出了表層下降，中部凸起而深層略增的形態(tài)。呈現(xiàn)出灌水定額越大，鹽分淋洗深度越低的特征。隨著灌水定額的增加，表層鹽分分別被淋洗到了10～50 cm、30～60 cm、40～80 cm的深度。按照鹽分淋洗率的計(jì)算方法，即以灌前與灌后電導(dǎo)率差與灌前的比值，可分別計(jì)算出各層的淋洗效果，若結(jié)果為正則為脫鹽，反之則為積鹽，見(jiàn)表2。

圖2 春灌前后土壤剖面含鹽量變化特征Fig．2 Characteristics of soil salt before and after spring irrigation

表2 不同春灌定額下土壤鹽分淋洗率Table 2 Soil Salt leaching rate after different spring irrigation quota /%

不同定額對(duì)土壤的脫鹽主要體現(xiàn)在表層，且效應(yīng)基本一致;10 cm以下的區(qū)域均呈現(xiàn)出積鹽的特征，這是水分將表層鹽分帶入下層造成的。隨春灌定額的增加，10～50 cm深度的平均積鹽率分別為-80.6%、-65.1%、-44.2%，表明該層的積鹽程度隨灌水量的增加而降低;70～100 cm深度的平均積鹽率為-129.2%、-129.3%、-211.1%，表明定額越大，將鹽分帶入深層的作用越強(qiáng)。因此針對(duì)不同的土壤鹽漬化程度可以采用不同的淋洗水量［1～3］。

2.3 春灌的降氮效應(yīng)

旱地土壤中的無(wú)機(jī)氮主要以硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的形態(tài)存在，但以硝態(tài)氮為主。硝態(tài)氮屬氧化態(tài)氮，在水中電離為陰離子，不易被土壤膠體吸附，易隨水移動(dòng)而流失;銨態(tài)氮屬還原態(tài)氮，在水中可電離為陽(yáng)離子，易被土壤膠體吸附固定，移動(dòng)性差，但在通氣良好的土壤中可以轉(zhuǎn)化成硝態(tài)氮。這兩種形態(tài)的氮均是作物吸收氮肥的主要來(lái)源，而過(guò)量灌溉則會(huì)造成土壤中硝態(tài)氮淋失。春灌前后土壤中硝態(tài)氮的變化參見(jiàn)圖3。灌前剖面硝態(tài)氮在0～30 cm的含量較高，以下則變化不大;灌后這一峰值則消失。圖3(a)、(b)中灌水前后兩條曲線在60 cm處有交叉，圖3(c)沒(méi)有，表明前兩個(gè)定額下水分對(duì)60 cm以下的硝態(tài)氮淋洗的程度較低，而2 250 m3/ha對(duì)整個(gè)剖面的硝態(tài)氮均具有淋洗作用。參照前述計(jì)算土壤鹽分淋洗率的公式，可以計(jì)算出不同定額下硝態(tài)氮的淋洗率［3～5］，見(jiàn)表 3。

表3 不同春灌定額下土壤硝態(tài)氮淋洗率Table 3 Leaching rate of nitrate nitrogen after different spring irrigation quotas /%

在0～50 cm范圍內(nèi)，不同灌溉定額下硝態(tài)氮的淋洗程度較接近;在60～100 cm深度內(nèi)，1 350 m3/ha處理為輕度淋洗，1 800 m3/ha處理為輕度積累;2250 m3/ha處理為中等程度的淋洗，表明春灌定額越大，對(duì)硝態(tài)氮的淋洗程度越強(qiáng)，這與鹽分的運(yùn)移特征相似［6～12］。

圖3 春灌前后土壤硝態(tài)氮含量變化特征Fig．3 Characteristics of soil nitrate nitrogen before and after spring irrigation

3 結(jié)論與討論

從本次試驗(yàn)結(jié)果看:春灌具有增墑降鹽與降氮的多種效應(yīng)。春灌后土壤中增加的水量以田間持水量為上限，超出土壤持水能力的水量則向深層滲漏，起到了淋洗土壤鹽分與硝態(tài)氮的作用。其中前者對(duì)改良土壤有利，而后者則在降低土壤肥力的同時(shí)，將硝酸鹽帶入了深層甚至地下水中，從而導(dǎo)致養(yǎng)分流失與地下水污染，不利于灌區(qū)地下水環(huán)境的保護(hù)。春灌定額應(yīng)與土壤的實(shí)際條件相結(jié)合而并非越大越好。從春灌后增墑降鹽的效應(yīng)看，1.0 m深土體內(nèi)保持的水量以田間持水量為上限。對(duì)于輕度鹽漬化土壤，1 350 m3/ha的定額是合適的，灌溉水量的87.3%保持在1.0 m的深度內(nèi)，可將表層鹽分淋洗至10～50 cm;對(duì)于中度鹽漬化，可采用1 800 m3/ha的定額，灌水量的46.3%可保持在土體內(nèi)，表層鹽分被淋洗至30～60 cm;對(duì)于重度鹽漬化土壤可采用2 250 m3/ha的定額，灌水量的51.1%保持在土體內(nèi)，表層鹽分被淋洗至70 cm以下，其對(duì)鹽分的淋洗作用在三個(gè)處理中最高。

本次試驗(yàn)中三種灌溉定額均會(huì)對(duì)表層30 cm土層的硝態(tài)氮產(chǎn)生較強(qiáng)的淋洗作用，0～50 cm的淋洗率分別為49.9%、43.2%、54.6%。土壤硝態(tài)氮的運(yùn)移特征與鹽分的運(yùn)移相似，定額越大，下移的深度也越大。從保持土壤硝態(tài)氮，避免其隨水下移入滲補(bǔ)給地下水后，造成水質(zhì)污染這一角度來(lái)看，小定額的灌水量更為有利。從保持土壤肥力的角度看，對(duì)于非鹽漬化或輕度鹽漬化的土壤，可以考慮采用替代常規(guī)春灌的一些新方法，如干播濕出、滴水春灌等近年來(lái)興起的播種方式，灌水定額為450～900 m3/ha，是常規(guī)春灌定額的50%左右，但作物出苗率較常規(guī)春灌并未降低甚至還有所提高。既緩解了春灌爭(zhēng)水的矛盾，同時(shí)又可避免硝態(tài)氮的淋失，提高氮肥的利用率，有利于綠洲水環(huán)境的維系與改善。

從干旱綠洲灌區(qū)內(nèi)多年生產(chǎn)實(shí)踐中形成的觀念認(rèn)為春灌定額越大越好，但這一做法在當(dāng)前最嚴(yán)格水資源管理制度下不僅難以維系，同時(shí)在理論上也缺乏依據(jù)。從灌溉策略講:不同的土壤可采用不同的灌水量。較經(jīng)濟(jì)的方法是將鹽分淋洗至土壤中的某一深度(如60～80 cm)，在這一深度下，不會(huì)造成作物生長(zhǎng)期內(nèi)的快速返鹽，同時(shí)可以維持耕作層內(nèi)鹽分的年度均衡。與鹽分具有相似運(yùn)移特征的硝態(tài)氮也可保持在土壤中，這樣既可避免鹽分過(guò)多對(duì)作物的脅迫，作物還可以再次利用這一深度內(nèi)的養(yǎng)分，同時(shí)也避免了過(guò)度淋洗造成的養(yǎng)分流失與下水環(huán)境問(wèn)題。當(dāng)耕作層鹽分呈現(xiàn)出一定程度的積累并達(dá)到預(yù)警值時(shí)，可通過(guò)大定額的春灌將表層鹽分淋洗至深層，這一改變不僅避免了過(guò)量春灌造成的不利影響，更重要的是改變了人們對(duì)春灌作用的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)，洗鹽效率也要高于常規(guī)春灌，這在當(dāng)前水土資源矛盾突出的干旱灌區(qū)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

［1］ 李寧，張永玲，王興鵬，等.南疆灌區(qū)春灌對(duì)棉花生長(zhǎng)及產(chǎn)量的影響研究［J］.中國(guó)農(nóng)村水利水電，2013(9):41-43.［LI N，ZHANG Y L，WANG X P，et al.A study of the effect of spring irrigation on the growth and yield of cotton in south Xinjiang irrigation distract［J］. China RuralWaterand Hydropower，2013(9):41-43.(in Chinese)］

［2］ 張勝全，方保停，王志敏，等.春灌模式對(duì)晚播冬小麥水分利用及產(chǎn)量形成的影響［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2009，29(4):2035-2044.［ZHANG S Q，F(xiàn)ANG B T，WANG Z M，et al.Influence of different spring irrigation treatments on water use and yield formation of late-sowing winter wheat［J］.Acta Ecologica Sinica，2009，29(4):2035-2044.(in Chinese)］

［3］ 李巧，周金龍，栗現(xiàn)文，等.微咸水膜下滴灌棉田春灌壓鹽效果的初步分析［J］.干旱區(qū)研究，2012，29(1):167-172.［LI Q，ZHOU J L，LI X W，et al.Leaching through spring drip irrigation under film in cotton field［J］.Arid Zone Research，2012，29(1):167-172.(in Chinese)］

［4］ 王海江，石建初，張花玲，等.不同改良措施下新疆重度鹽漬土壤鹽分變化與脫鹽效果［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，22:102-111.［WANG H J，SHI J C，ZHANG H L，et al.Soil salinity dynamic change and desalting effect under different improvement measures in severe salinity soil in Xinjiang［J］.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2014，22:102-111.(in Chinese)］

［5］ 史曉杰，萬(wàn)力，張永庭，等.銀北地區(qū)土壤鹽漬化形成機(jī)理與模擬研究［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2007，34(6):116-120.［SHI X J，WAN L，ZHANG Y T，et al.Simulation model for soil salinization in the northern region of the Yinchuan Plain［J］.Hydrogeology ＆ Engineering Geology，2007，34(6):116-120.(in Chinese)］

［6］ 潘田，張幼寬.太湖流域長(zhǎng)興縣淺層地下水氮污染特征及影響因素研究［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2013，40(4):7-12.［PAN T，ZHANG Y K.A study of nitrogen pollution in shallow groundwater and its affecting factors in Changxing county in the TaihuBasin［J］.Hydrogeology ＆ Engineering Geology，2013，40(4):7-12.(in Chinese)］

［7］ 袁利娟，龐忠和.包氣帶硝酸鹽分布的差異性及其形成機(jī)理:以正定、欒城為例［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2012，39(1):75-80.［YUAN L J，PANG Z H.Differences in nitrate mechanism:distribution in the unsaturated zone and its formation a case study of Zhengding and Luancheng［J］.Hydrogeology ＆Engineering Geology，2012，39(1):75-80.(in Chinese)］

［8］ 安巧霞，孫三民.不同灌水量對(duì)阿拉爾墾區(qū)棉田土壤硝態(tài)氮淋失量的影響［J］.干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2009，27(3):154-167.［AN Q X，SUN S M.Effect of different irrigation amount on N03-N leaching in the soil of cotton field in Alaer irrigated area［J］.Agricultural Research in the Arid Areas，2009，27(3):154-167.(in Chinese)］

［9］ 段磊，王文科，孫亞喬，等.關(guān)中盆地淺層地下水氮污染的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2011，38(3):92-97.［DUAN L，WANG W K，SUN Y Q，et al．Health risk assessment of“Three Nitrogen”in shallow groundwater in the Guanzhong Basin ［J］.Hydrogeology＆ Engineering Geology，2011，38(3):92-97.(in Chinese)］

［10］ 王久生，王毅.干播濕出在鹽堿地棉花膜下滴灌條件下的試驗(yàn)效果［J］.塔里木大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，18(1):77-78.［WANG J S，WANGY.Effect of dry seeding and wet budding of cotton with drip irrigation under plastic film ［J］.Journal of Tarim University，2006，18(1):77-78.(in Chinese)］

［11］ 肖讓，姚寶林.干播濕出膜下滴灌棉花現(xiàn)蕾初期地溫變化規(guī)律［J］.西北農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2013，22(5):49-54.［XIAO R，YAO B L.Soil temperature variation in cotton budding pre-stage with drip irrigation under mulch with dry seeding and wet emergence method［J］.Acta Agriculture Boreali Occidentalis Sinica，2013，22(5):49-54.(in Chinese)］

［12］ 陳緒蘭.南疆棉花膜下播前滴水春灌技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐［J］.中國(guó)棉花，2014，41(1):39-40.［CHEN X L.Application of cotton spring drip irrigation under plastic mulch in south Xinjiang before sowing ［J］.China Cotton，2014，41(1):39-40.(in Chinese)］