不同灌水頻率條件下設施土壤水鹽運移特征

劉　濤，吳　漩，鄭子成①，李廷軒

(1.四川農(nóng)業(yè)大學資源學院，四川 成都　611130；2.什邡市農(nóng)業(yè)局，四川 什邡　618400)

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不同灌水頻率條件下設施土壤水鹽運移特征

劉濤1，吳漩2，鄭子成1①，李廷軒1

(1.四川農(nóng)業(yè)大學資源學院，四川 成都611130；2.什邡市農(nóng)業(yè)局，四川 什邡618400)

摘要：為了尋求防治設施土壤次生鹽漬化的最適灌水頻率，通過野外調查與室內(nèi)土柱模擬試驗相結合的方法，分析了不同灌水頻率條件下設施土壤剖面水分、鹽分及主要離子的變化特征。結果表明，各灌水處理土壤剖面水分變化主要集中在0～20 cm深度土壤，30和40 cm深度土壤為土壤水分的“過渡層”，提高灌水頻率可使上部土壤含水量增高至0.36 cm3·cm-3。當灌水總量一定時，1次·(5 d)-1處理不利于土壤剖面水分蓄存。1次·(5 d)-1處理對土壤剖面鹽分的淋洗效果優(yōu)于其他處理，但其質量中心深度為23.71 cm，存在返鹽風險。就1次·(5 d)-1處理而言，除對Na+淋洗率較低外，其余離子的淋洗率均高于其他處理，其中NO3-淋洗率可達65.68%。根據(jù)各灌水處理土壤剖面中的水鹽分布狀況，提出1次·(10 d)-1為此次試驗條件下的最適灌水頻率。

關鍵詞：設施土壤；灌水頻率；水鹽運移

土壤次生鹽漬化已成為制約設施土壤持續(xù)利用和設施農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展的瓶頸[1]。為了有效緩解次生鹽漬化對土壤和作物的危害,并解決土壤積鹽問題,需要提高鹽分的淋洗效率[2]。鹽分淋洗效率除受灌水量和灌水方式影響外,還與灌水頻率密切相關[3-4]。根據(jù)土壤的返鹽周期確定適宜的灌水頻率以減少耕層土壤中的鹽分含量,進而減輕土壤鹽害,已備受學者們的關注[5-7]。曹紅霞等[8]和WEISBROD等[9]開展了不同灌水頻率條件下土壤水鹽運移規(guī)律研究,但由于受實驗條件等因素的限制,目前尚未得到統(tǒng)一的結論。灌水條件下,灌溉水的運動是鹽分離子遷移的主要動力,表層土壤在灌水間隔內(nèi)的脫水作用會產(chǎn)生較大的吸力梯度,使下一次灌水初期的入滲速率較高[10],但隨著時間的推移,多次灌水后表層土壤易產(chǎn)生結皮現(xiàn)象,阻礙灌溉水下滲[11]。當灌水總量一定時,提高灌水頻率會促進土壤水分的深層滲漏[7],但在土表蒸發(fā)強烈條件下,高頻灌水處理土體中的水分反而易滯留在上部土層,只有降低灌水頻率并增加次灌水量才會引起水分深層滲漏[12]。隨著灌水頻率的升高,第1次灌水后溶質峰呈現(xiàn)分布越淺、越集中的變化趨勢[7]。一些學者通過田間或室內(nèi)灌水試驗研究得出高頻灌水的洗鹽效果優(yōu)于低頻灌水[7,13],但當土表蒸發(fā)量較大時,高頻少量灌水則難以將表層土壤鹽分淋洗至深層[14]。設施土壤由于缺少雨水淋洗,溫度、濕度、通氣條件和水肥管理等均與露地環(huán)境存在較大差異,使土壤水鹽運移過程變得更加復雜。鑒于此,筆者采用野外調查與室內(nèi)土柱模擬試驗相結合的方法,探討不同灌水頻率條件下設施土壤水分運動和鹽分運移特征,以期促進設施土壤的持續(xù)利用和設施農(nóng)業(yè)的持續(xù)發(fā)展。

1研究區(qū)域概況

研究區(qū)位于四川省溫江區(qū)金馬鎮(zhèn)四友村(30°24′26″ N,103°59′19″ E),屬亞熱帶濕潤季風氣候區(qū),年均氣溫為16.2 ℃,年均降水量為921 mm。供試土壤取自四川省成都市溫江區(qū)金馬鎮(zhèn)四友村,該地屬于成都郊區(qū)典型大棚種植區(qū),土壤為近代河流沖積物發(fā)育而成的水稻土,主要種植茄子、辣椒和黃瓜。施用化肥主要為復合肥。經(jīng)調查,研究區(qū)地下水位介于50～60 cm之間。

2材料與方法

2.1供試土壤

于2012年8月2日采集土樣。采集土樣時開挖5個剖面,按0～10、>10～20、>20～30、>30～40和>40～50 cm分層采集。土樣風干磨碎后過2 mm孔徑網(wǎng)篩,一部分用于裝填土柱,另一部分用于土壤基本理化性質的測定,結果見表1。

表1供試土壤基本理化性質

Table 1Basic properties of the soils tested

土層深度/cm不同粒徑顆粒組成/%0.02～2mm0.002～<0.02mm<0.002mm質地容重/(g·cm-3)pH值孔隙度/% 0～1035.546.518.0粉砂質黏壤土0.9976.0862.39>10～2046.037.816.2黏壤土1.1335.9457.25>20～3055.534.510.0砂質壤土1.4436.2845.55>30～4062.026.012.0砂質壤土1.5616.1641.09>40～5067.026.56.5砂質壤土1.4516.3145.24

2.2試驗設計

垂直一維土柱模擬試驗于2013年8月7日至9月6日在四川農(nóng)業(yè)大學成都校區(qū)溫室內(nèi)進行,灌溉用水為去離子水。根據(jù)前期試驗結果、當?shù)毓嗨晳T以及作物需水量,采用一次灌水方式，灌水量設置為5 400 mL,灌水頻率設置3個處理,分別為1次·(5 d)-1、1次·(10 d)-1和1次·(15 d)-1,每個處理設置3次重復。按照供試土壤含量最大的陰陽離子SO42-和Ca2+的質量比進行級配,級配依據(jù)為供試土壤各層次的鹽分組成,其中陽離子以Ca2+和Na+為主,陰離子以NO3-和SO42-為主,4種離子質量占全鹽質量的70%以上,選用K2SO4和Ca(NO3)2進行級配,將0～10和>10～20 cm土層的全鹽含量級配為2.00和1.65 g·kg-1。

試驗裝置包括馬氏瓶、玻璃柱和水分監(jiān)測儀3個部分。玻璃柱高65 cm,截面積為15 cm×15 cm(圖1)。自柱壁頂部向下5、10、20、30、40和50 cm深處開圓形取樣孔,孔徑為4 cm,在其相對一側相同位置開直徑為3 cm的圓孔,安裝探頭,監(jiān)測土壤水分變化。馬氏瓶置于土柱頂部以控制入滲水頭,土柱底部安裝玻璃管用以與出流液收集裝置連接。試驗前先在土柱底部填充5 cm厚細沙進行反濾,土柱頂部留有10 cm高度,保證供水。

1—馬氏瓶;2—玻璃柱;3—水分監(jiān)測儀。

土柱填充前先自然風干,過2 mm孔徑篩后,混合均勻的土壤按照各土層田間實測含水量進行配水處理,然后按照實測容重分層填裝,將級配好的溶質與供試土壤充分混合均勻后填入0～10和>10～20 cm土層,填土時以5 cm厚度為單位進行填充,并按一定強度壓實,保證填土均一,每填充完一層土壤后均要進行刨毛處理,保證相鄰土層緊密接觸。

試驗過程中每次采集1個完整的土柱。共設54個土柱。

2.3觀測項目及方法

試驗過程中于每天10:00和18:00用Hydra水分監(jiān)測儀(WS2POGO,美國)直接測定不同深度土壤體積含水量,分別在灌水后5、10、15、20、25和30 d通過取樣孔采集土樣用于鹽分離子含量的測定。鹽分待測液采用無CO2的去離子水按m(土)∶V(水)=1∶5浸提,振蕩3 min后過濾澄清制得。指標測定方法[15]如下:Ca2+和Na+含量分別采用原子吸收分光光度法和火焰光度法測定,NO3-含量采用雙波段紫外分光光度法測定,SO42-含量采用BaSO4比濁法測定,鹽分總量采用電導法測定,顆粒組成、孔隙度和pH值均采用常規(guī)方法測定。

3結果與分析

3.1不同灌水頻率條件下設施土壤水分變化特征

3.1.1設施土壤水分分布特征

由圖2可知,試驗過程中各處理土壤剖面的水分變化主要集中在0～20 cm深度土壤,且越接近土表,各灌水處理間的差異越大。>20 cm深度土壤各灌水處理含水量變幅較小,處理間差異不大。灌水后5 d內(nèi),不同灌水頻率條件下5、10和20 cm深度土壤含水量由高到低依次為1次·(15 d)-1、1次·(10 d)-1和1次·(5 d)-1。灌水后>5～15 d,各灌水處理5 cm深度土壤含水量呈隨灌水頻率增加而增加的變化趨勢。灌水后>15～25 d,各灌水處理0～20 cm深度土壤表現(xiàn)出與前15 d相同的變化趨勢,灌水后>25～30 d,各灌水處理含水量變化逐漸趨于穩(wěn)定,且表現(xiàn)為高頻處理略高于低頻處理;試驗結束時,除1次·(15 d)-1處理含水量降低到灌水前的狀態(tài)外,其他處理含水量均略高于初始狀態(tài)。30和40 cm深度土壤各灌水處理含水量在整個試驗過程中變幅均較小,至試驗結束時與灌水前基本一致。50 cm深度土壤除1次·(5 d)-1處理含水量隨時間推移呈逐漸升高趨勢外,其他處理含水量變化趨勢較一致。上述結果表明1次·(15 d)-1處理在灌水間歇期內(nèi)水分再分布后,通過內(nèi)排水和土面蒸發(fā),使土壤水分處于動態(tài)平衡。1次·(5 d)-1和1次·(10 d)-1處理由于灌水間隔相對較短,土壤水分在間歇期內(nèi)沒有及時完全排出,而是滯留于土壤的非飽和區(qū)。在該試驗條件下,可認為1次·(5 d)-1和1次·(10 d)-1處理水分分布處于動態(tài)平衡狀態(tài)。

圖2　不同灌水頻率條件下不同深度設施土壤含水量分布特征

3.1.2設施土壤水量蓄存變化

在灌水總量一定條件下,灌水頻率改變了水分在整個土壤剖面的分布,進而影響了水量蓄存狀況。土壤剖面蓄水量是通過土壤體積含水量與土壤蓄水量的厚度計算所得。由圖3可知,灌水后5 d,除1次·(5 d)-1處理剖面蓄水量與灌水前較為一致外,其他處理剖面蓄水量均顯著增加,較灌水前約提高9%。隨著時間的推移,灌水后10 d,各灌水處理剖面蓄水量均有不同程度的下降,其中以1次·(15 d)-1處理降幅最大,各處理剖面蓄水量由高到低依次為1次·(10 d)-1、1次·(15 d)-1和1次·(5 d)-1。

灌水后15 d,1次·(10 d)-1和1次·(5 d)-1處理剖面蓄水量在第2和第3次灌水后均顯著升高,1次·(15 d)-1處理較前期顯著下降。灌水后20 d,1次·(15 d)-1處理剖面蓄水量在第2次灌水后顯著升高,各處理剖面蓄水量由高到低依次為1次·(15 d)-1、1次·(10 d)-1和1次·(5 d)-1。灌水后25 d,除1次·(15 d)-1處理剖面蓄水量下降外,其他處理在接受水分補給后均有不同程度增加。試驗結束時,除1次·(15 d)-1處理剖面蓄水量基本降低到初始狀態(tài)外,其他處理均顯著高于灌水前?？梢?在該試驗條件下,灌水頻率提高,土壤剖面蓄水量增幅較小,而過低的灌水頻率卻會加速水分的散失,不利于剖面水分的蓄存。因此,選擇適宜的灌水頻率是提高設施土壤剖面蓄水量的關鍵,實際生產(chǎn)中可根據(jù)不同生育期作物根系的埋深特點,確定適宜的灌水頻率。

直方柱上方英文小寫字母不同表示同一時期不同灌水處理土壤剖面蓄水量差異顯著(P<0.05);英文大寫字母不同表示同一灌水處理不同時期土壤剖面蓄水量差異顯著(P<0.05)。

3.2不同灌水頻率條件下設施土壤鹽分遷移特征

3.2.1設施土壤全鹽含量變化特征

由圖4可知,各灌水處理雖能有效降低土壤全鹽含量,但各處理之間溶質峰形狀和分布深度存在較大差異。

圖4　不同灌水頻率條件下不同深度設施土壤含鹽量變化

隨著時間的推移,不同灌水處理各土層全鹽含量均呈逐漸降低的變化趨勢,且在灌水25 d后逐漸趨于穩(wěn)定。灌水后5 d,各灌水處理溶質峰均集中在0～20 cm深度土壤,隨灌水頻率增加溶質峰呈峰形變陡、峰值升高的變化趨勢,表層土壤全鹽含量表現(xiàn)為1次·(5 d)-1>1次·(10 d)-1>1次·(15 d)-1。灌水后10 d,各灌水處理全鹽含量的差異主要集中于0～30 cm深度土壤,>30 cm深度土壤各灌水處理全鹽含量分布趨勢較為一致。在土表蒸發(fā)的作用下,各灌水處理10～30 cm深度土壤鹽分逐漸向上遷移并在<10 cm深度土壤累積,具體表現(xiàn)為1次·(5 d)-1>1次·(10 d)-1>1次·(15 d)-1。灌水后15 d,1次·(5 d)-1和1次·(10 d)-1處理在灌水淋洗后表層土壤全鹽含量較前期明顯下降,1次·(10 d)-1處理溶質峰因受灌水的影響而下移至20 cm深處,1次·(5 d)-1和1次·(15 d)-1處理全鹽含量則呈隨土壤深度增加而減小的變化趨勢。灌水后20 d,1次·(10 d)-1和1次·(5 d)-1處理整個土壤剖面中全鹽含量基本上可降低至1 g·kg-1以下,各灌水處理全鹽含量在<20 cm深度土壤呈現(xiàn)隨灌水頻率增加而增加的變化趨勢,>20 cm深度土壤則呈相反的變化趨勢。灌水后25～30 d,各灌水處理土壤剖面中的鹽分分布特征較為一致,土壤剖面中的鹽分含量基本上低于1 g·kg-1。試驗結束時,1次·(5 d)-1處理除5 cm深度土壤全鹽含量略高于其他處理外,10～40 cm深度土壤全鹽含量均低于其他處理?？梢?在灌水總量一定的條件下,高頻灌水處理脫鹽效果雖與中、低頻灌水處理相差甚小,但由于灌水后鹽分分布較淺,受土表強烈蒸發(fā)的影響,鹽分易于表聚。因此,在脫鹽效果相當條件下,選擇適宜的灌水頻率可有效減緩土表返鹽現(xiàn)象。

3.2.2設施土壤Ca2+遷移特征

課題組前期研究表明,設施栽培條件下,土壤耕層有效Ca2+含量與露地土壤間存在明顯差異,設施土壤陽離子以Ca2+為主,其含量比露地土壤高2倍以上,占土壤陽離子總量的74.09%[16]。由圖5可知,在灌水后20 d內(nèi),不同灌水處理不同深度土壤Ca2+含量均降低;灌水20～30 d,各灌水處理土壤剖面中Ca2+含量逐漸趨于穩(wěn)定。灌水后5 d,<20 cm深度土壤Ca2+含量呈隨灌水頻率的提高而增加趨勢,>20 cm深度土壤則表現(xiàn)為1次·(15 d)-1處理大于1次·(10 d)-1處理。隨灌水頻率的增加,各灌水處理Ca2+溶質峰的位置也呈加深趨勢。灌水后10 d,各灌水處理土壤剖面中Ca2+分布與灌水后5 d相似,但<10 cm深度土壤除1次·(15 d)-1處理外,其他處理均出現(xiàn)返鹽現(xiàn)象,且以1次·(5 d)-1處理返鹽程度為最高。

圖5　不同灌水頻率條件下不同深度設施土壤Ca2+含量變化

灌水后15 d,除1次·(10 d)-1處理Ca2+溶質峰下降至30 cm深處外,其他處理Ca2+溶質峰均集中在5 cm深度土壤。此外,除1次·(15 d)-1處理Ca2+溶質峰峰值升高、峰形變陡外,其他處理均呈現(xiàn)峰值下降、峰形變緩的趨勢。灌水后20 d,各灌水處理土壤剖面中Ca2+含量均呈下降趨勢,且灌水頻率越高,Ca2+溶質峰分布越淺。灌水后20～30 d,各處理土壤剖面中Ca2+分布狀況逐漸趨于一致。在少量多次灌水作用下,灌水結束時,1次·(5 d)-1處理土壤剖面中Ca2+含量在>10 cm深度處均低于其他處理,1次·(10 d)-1和1次·(15 d)-1處理Ca2+溶質峰分別遷移至20和40 cm深處。上述結果表明,灌水總量一定條件下,土壤中Ca2+分布主要受到灌水頻率和蒸發(fā)的影響,高頻灌水處理雖然在灌水初期對Ca2+的淋洗效果不及中頻和低頻灌水處理,但隨灌水次數(shù)的增加,其有效淋洗逐漸與其他處理相當。

3.2.3設施土壤Na+遷移特征

研究區(qū)0～20 cm深度土壤Na+含量僅次于Ca2+含量,占陽離子總量的14.32%。由圖6可知,各灌水處理均能影響土壤中Na+分布,灌水后各時期土壤Na+變化主要集中于<20 cm深度土壤。灌水后5 d,各灌水處理<30 cm深度土壤Na+含量表現(xiàn)為1次·(5 d)-1>1次·(10 d)-1>1次·(15 d)-1,>30 cm深度土壤則呈現(xiàn)相反趨勢。灌水后10 d,由于土壤水分的再分布及蒸發(fā)作用,各灌水處理5 cm深度土壤Na+含量均有不同程度增加,其中以1次·(10 d)-1處理增幅最大。1次·(15 d)-1處理Na+溶質峰呈峰形變緩、峰值下降趨勢,其他處理卻呈相反趨勢。灌水后15 d,各灌水處理土壤剖面中Na+分布較為一致,均呈隨土壤深度增加而增加趨勢,其中1次·(5 d)-1處理10～20 cm深度土壤Na+含量高于其他處理,表明1次·(5 d)-1處理<10 cm深度土壤Na+在持續(xù)灌水作用下向下遷移。灌水后20 d,各灌水處理Na+均在>30 cm深度土壤累積,呈現(xiàn)1次·(15 d)-1>1次·(10 d)-1>1次·(5 d)-1,<30 cm深度土壤Na+含量則以1次·(10 d)-1處理為最高。灌水后25 d,1次·(5 d)-1和1次·(10 d)-1處理<40 cm深度土壤Na+分布趨勢基本一致,1次·(15 d)-1處理土壤剖面中Na+則呈“S”形分布。試驗結束時,5 cm深度土壤除1次·(15 d)-1處理略有上升外,其他處理Na+含量均降低至0.02 g·kg-1以下,且Na+溶質峰均集中于>40 cm深度土壤。

圖6　不同灌水頻率下不同深度設施土壤Na+含量變化

3.2.4設施土壤NO3-遷移特征

NO3-化學性質較穩(wěn)定,不易被吸附在土壤膠體表面,易隨水遷移。由圖7可知,土壤剖面中NO3-受灌水的影響較大,灌水后20 d內(nèi),隨時間的推移,各灌水處理土壤中NO3-含量逐漸降低,呈明顯的“下移”現(xiàn)象;灌水后20～30 d,各灌水處理土壤剖面中NO3-分布逐漸趨于一致;灌水后5 d,隨灌水頻率的增加,NO3-溶質峰形變陡,峰值升高,且NO3-溶質峰向下遷移緩慢,1次·(5 d)-1、1次·(10 d)-1和1次·(15 d)-1灌水處理溶質峰深度分別為10、5和30 cm。

灌水后10 d,各灌水處理下層土壤NO3-表現(xiàn)出向上遷移趨勢,0～10 cm深度土壤NO3-含量較前期有所上升,且以1次·(5 d)-1處理上升幅度為最大,這主要是5～10 d內(nèi)強烈蒸發(fā)所致。灌水后15 d,由于受到灌水補充影響,1次·(5 d)-1和1次·(10 d)-1處理<30 cm深度土壤NO3-向下遷移,1次·(15 d)-1處理在蒸發(fā)作用下表層土壤NO3-含量略有增加。灌水后20 d,1次·(15 d)-1和1次·(10 d)-1處理土壤剖面NO3-分布狀況基本一致;1次·(5 d)-1處理NO3-含量則呈隨土壤深度增加而逐漸降低的變化趨勢。灌水后25～30 d,各灌水處理土壤剖面中NO3-含量逐漸趨于均勻,試驗結束時,剖面NO3-含量表現(xiàn)為1次·(10 d)-1>1次·(15 d)-1>1次·(5 d)-1。

圖7　不同灌水頻率下不同深度設施土壤NO3-含量變化

3.2.5設施土壤SO42-遷移特征

研究區(qū)陰離子以SO42-為主,占陰離子總量的50%以上。由圖8可知,灌水后各處理SO42-含量變幅均較小,表明灌水對SO42-的淋洗作用相對較弱。

圖8　不同灌水頻率條件下不同深度設施土壤SO42-含量變化

灌水后5 d,各灌水處理SO42-含量差異主要體現(xiàn)在<20 cm深度土壤,表現(xiàn)為1次·(5 d)-1>1次·(10 d)-1>1次·(15 d)-1,各灌水處理>20 cm深度土壤SO42-分布趨勢較一致,且隨灌水頻率增加,SO42-溶質峰位置呈升高趨勢。灌水后10 d,各灌水處理0～10 cm深度土壤SO42-表聚明顯,其中1次·(10 d)-1處理增幅最大。就土壤剖面SO42-含量而言,1次·(15 d)-1處理均低于其他處理。灌水后15 d,1次·(5 d)-1和1次·(10 d)-1處理在灌水3次和2次條件下,對應SO42-溶質峰分別下移至10和20 cm深處,且灌水頻率越低,SO42-溶質峰峰形越緩,峰值越低。灌水后20 d,0～20 cm深度土壤各處理SO42-含量表現(xiàn)為1次·(5 d)-1>1次·(10 d)-1>1次·(15 d)-1,>20 cm深度土壤SO42-含量則以1次·(10 d)-1處理為最高。灌水后20～30 d,各灌水處理土壤剖面中SO42-變化逐漸趨于穩(wěn)定。

4討論

4.1不同灌水頻率對設施土壤水量蓄存及蒸發(fā)的影響

由表2可知,灌水總量一定時,各灌水處理土壤剖面蓄水量表現(xiàn)為1次·(10 d)-1>1次·(5 d)-1>1次·(15 d)-1,日均蒸發(fā)量則表現(xiàn)為相反趨勢,出流液總量呈現(xiàn)隨灌水頻率的降低而增加的變化趨勢。這表明灌水頻率過低會導致土壤水分滲漏,而高頻灌水土壤水分散失則以蒸發(fā)為主。在蒸發(fā)強烈的情況下,第1次灌水后表層土壤水分主要以蒸發(fā)形式損失,而下1次灌水只有在補足蒸發(fā)虧缺后,多余的水分才能向下再分布[17]。灌水頻率越高,表層土壤獲得水分補給的次數(shù)增加,故在相同灌水總量條件下,灌水頻率越高,次灌水量越少,下移水量隨之減少,進而導致土壤剖面的濕潤范圍變窄[18]。同時,過高灌水頻率條件下,表層土壤長期較高的含水量導致其蒸發(fā)量遠高于低頻灌水,故土壤剖面蓄水量相對較小。在試驗過程中,中頻灌水處理表層土壤含水量雖然在一段時間內(nèi)處于較高水平,但總體而言其日均蒸發(fā)量處于較低水平。這是由于在灌水總量一定條件下,灌水頻率過低,其較大的次灌水量促進了土壤水分的深層滲漏[19],而過于頻繁的灌水使表層土壤水分長期處于飽和或過飽和狀態(tài),間接地延長了其維持穩(wěn)定蒸發(fā)的時間,導致土壤剖面蓄水量減少[20]。中頻灌水條件下,表層土壤含水量在達到與低頻灌水相同的總灌水量前較長時間內(nèi)處于相對較低狀態(tài),因此其對應的蒸發(fā)量較低[21]。

表2不同灌水頻率條件下設施土壤水分蓄存和蒸發(fā)狀況

Table 2Soil water storage and evaporation in greenhouse soil relative to irrigation frequency

灌水處理蓄水量/cm出流液總量/mL總蒸發(fā)量/cm日均蒸發(fā)量/cm1次·(5d)-117.54±1.05864.00±21.0519.41±0.950.65±0.041次·(10d)-118.07±0.981794.00±40.0314.79±1.020.49±0.031次·(15d)-117.27±1.021857.00±32.0815.77±0.980.53±0.02

4.2不同灌水頻率對設施土壤鹽分淋洗效果的影響

質量中心反映的是物質在土壤剖面中的分布重心[11],灌水前土壤剖面的鹽分主要集中于表層,因而質量中心主要集中于土柱上部。可見,若有足夠的灌溉水量,則可使灌水后土壤鹽分分布趨于均勻,質量中心會逐漸向土柱中部遷移。質量中心向土柱中部遷移過程中,鹽分向下遷移和排出土體以及隨蒸發(fā)向上表聚會使質量中心向下和向上遷移[10]。不同灌水頻率下設施土壤鹽分分布狀況見表3。

表3不同灌水頻率下設施土壤鹽分分布狀況

Table 3Distribution of salt in greenhouse soil profile relative to irrigation frequency

時間/d鹽分質量中心深度/cm鹽分總量/g1次·(5d)-11次·(10d)-11次·(15d)-11次·(5d)-11次·(10d)-11次·(15d)-1020.3020.3020.3014.9114.9114.91523.3823.5422.9012.6012.4712.411023.6023.4824.2312.3812.2411.861524.0926.7325.5412.1112.0311.532024.5626.2226.7511.8311.7111.252525.4125.9027.1611.1611.0011.023023.7125.6526.0810.2610.8510.89

由表3可知,各灌水處理質量中心的變化是上述3個過程共同作用的結果。灌水后15 d,各灌水處理鹽分受灌水作用而向下層土壤聚集并排出土體,因而質量中心逐漸下降。隨著灌水后時間的延續(xù),在鹽分外排和土表蒸發(fā)作用下1次·(10 d)-1處理土壤剖面中的鹽分逐漸趨于均勻,使其質量中心位置逐漸上移,最終穩(wěn)定于土柱中部。1次·(5 d)-1處理質量中心在灌水后15～25 d仍在下移,但由于其蒸發(fā)強度較大,致使其質量中心最終遷移至23.71 cm深處。就1次·(15 d)-1處理而言,由于次灌水量較大,使得鹽分向下聚集作用強于鹽分外排和土表蒸發(fā)作用,故質量中心最終僅遷移至26.08 cm深處。土柱鹽分總量的變化也表明,各灌水處理均對土壤中的鹽分具有一定淋洗作用。灌水后5 d,各處理土柱中的鹽分排出量差異均較小;灌水后5～20 d,1次·(5 d)-1和1次·(10 d)-1處理鹽分排出量均低于1次·(15 d)-1處理,灌水后20～30 d,各灌水處理土柱中的鹽分總量基本一致。上述結果表明,灌水總量一定條件下,灌水頻率過高或過低均會使土壤剖面中鹽分存在表聚或向下遷移污染地下水的風險。這是由于在筆者試驗條件下,鹽分分布主要取決于灌水頻率和蒸發(fā)量,灌水頻率越高,灌水間歇期越短,土壤表層水分處于飽和或過飽和狀態(tài)的時間就越長,高頻灌水的蒸發(fā)量也就較大[16],促使被灌溉水淋洗下移的鹽分表聚;灌水頻率過低,易導致土壤水分的深層滲漏。

由于研究區(qū)以種植蔬菜為主,受設施特殊環(huán)境影響,耕層土壤中積累大量Ca2+、Na+、NO3-和SO42-。根據(jù)設計的灌水頻率,設施土壤鹽分離子淋洗情況各異。Ca2+表現(xiàn)出與水分運動的一致性,各處理對Ca2+的淋洗效率表現(xiàn)為1次·(5 d)-1>1次·(10 d)-1>1次·(15 d)-1。灌水后10 d,<10 cm深度土壤除1次·(15 d)-1處理外,其他處理均出現(xiàn)返鹽現(xiàn)象,且以1次·(5 d)-1處理返鹽程度為最高。有研究表明,5 cm深度土壤既是Ca2+的累積層,也是脫鈣層[22],這可能與水分、溫度的耦合效應有關。另一方面,由于0～10 cm深度土壤鹽分離子含量較高,而鹽分離子與水分子之間存在吸力,降低了土壤水的土水勢,加上Ca2+水合離子半徑大,且易于被土壤膠體吸附,故出現(xiàn)上述結果。在灌水總量一定時,灌水頻率越高,Na+淋洗效果越好。究其原因在于,在筆者試驗條件下,Na+受次灌水量影響較大,單次灌水量越大,Na+向下遷移的距離越大,灌水頻率越高,單次灌水的有效淋洗水量越少,因此隨灌水向下遷移的Na+也越少。同時,Na+受土壤蒸發(fā)作用較強烈,在設施栽培環(huán)境下,仍以表聚為主。NO3-和SO42-是影響設施土壤質量的主要離子[23],其在設施土壤中的大量累積存在較大的環(huán)境風險。筆者試驗結果表明,1次·(5 d)-1、1次·(10 d)-1和1次·(15 d)-1處理NO3-淋洗率分別為65.68%、58.04%和61.35%?？梢?灌水頻率較高或過低均會使較多NO3-被淋洗出土體。這是由于灌水頻率降低,次灌水量增加,單次灌水就能使NO3-遷移到較深處并排出土體,而高頻灌水通過多次灌水也能使NO3-達到相同深度,但由于低頻灌水處理單次灌水量較大,水流流速相對較高,攜帶至下層土壤的NO3-相對較少,因此其NO3-的淋洗效率反而不及1次·(5 d)-1處理。試驗結束時,1次·(5 d)-1、1次·(10 d)-1和1次·(15 d)-1處理SO42-淋洗率分別為10.65%、4.31%和0.53%?？梢?當灌水總量一定時,雖然灌水對土壤中SO42-影響較小,但當灌水次數(shù)增多時仍具有一定的淋洗作用,這與譚軍利等[24]的研究結果相似。

5結論

(1)灌水頻率可改變土壤水分的縱向分布,各灌水處理土壤剖面的水分變化主要集中在0～20 cm深度土壤,30和40 cm深度土壤為土壤水分的“過渡層”。低頻灌水處理對土壤剖面中原有的水分分布影響較小,中、高頻灌水處理可使0～20 cm深度土壤含水量在一定范圍內(nèi)增高。灌水總量一定時,灌水頻率過高,土表蒸發(fā)強度較大,不利于土壤剖面水分蓄存。

(2)當灌水總量一定時,高頻灌水處理土壤剖面的鹽分總量雖低于中頻和低頻灌水處理,但其質量中心深度分布相對較淺,存在返鹽風險。不同灌水頻率條件下設施土壤主要鹽分離子淋洗效率存在差異,Ca2+、NO3-和SO42-均以高頻灌水處理的淋洗效果為最優(yōu),Na+則以低頻灌水處理淋洗效果為最好,但由于各灌水處理NO3-的淋洗效率較高,從環(huán)境角度考慮,應調整灌水總量以避免過量NO3-進入地下水體。

(3)基于不同土層水分、鹽分及主要鹽分離子的分布特征,確定1次·(10 d)-1為該試驗條件下的最適灌水頻率,既能保持土壤剖面水量平衡,又可達到淋洗土壤鹽分的目的。

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(責任編輯： 李祥敏)

收稿日期：2015-12-21

基金項目：國家自然科學基金(40901138);四川省學術和技術帶頭人培養(yǎng)基金(2012)

通信作者①E-mail: zichengzheng@aliyun.com

中圖分類號：S275.4

文獻標志碼：A

文章編號：1673-4831(2016)04-0622-10

DOI：10.11934/j.issn.1673-4831.2016.04.017

作者簡介：劉濤(1980—),男,四川江油人,助理研究員,碩士,主要從事土壤物理與信息技術方面的研究。E-mail: tao666@163.com

Effects of Irrigation Frequency on Water and Salt Movement in Greenhouse Soil.

LIU Tao1, WU Xuan2, ZHENG Zi-cheng1, LI Ting-xuan1

(1.College of Resources, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130, China; 2.Agriculture Bureau of Shifang, Shifang 618400, China)

Abstract:In order to explore the most suitable irrigation frequency that could prevent secondary salinization of the soil in greenhouse, field investigations and an indoor soil column simulation experiment were carried out and variation of soil moisture, soil salt and some other major ions in soil profile were monitored and analyzed relative to irrigation frequency. Results show that variation of soil water content with irrigation frequency occurred mainly in the 0-20 cm depth soil. The 30 and 40 cm depth soil were soil water transition layers. Increased irrigation frequency could increase soil moisture content in the top soil layer up to 0.36 cm3·cm-3. When the total volume of irrigation water was set, Treatment one time·(5 d)-1, that is, irrigation conducted once every 5 days, was not conductive to moisture storage in the soil profile, but conducive to salt leaching, and better than any other treatments in this effect. However, in this case the mass center was at 23.71 cm in depth, posing a risk of salt uprising. Treatment one time·(5 d)-1was higher than all the other treatments in leaching rate of all the ions, except Na+, and the leaching rate of NO3- could reach as high as 65.68%. Based on the data of distribution of water and salt in soil profiles of all the treatments, Treatment one time·(10 d)-1or irrigation once every 10 days is considered to be the most suitable irrigation frequency under the conditions of this experiment.

Key words:greenhouse soil; irrigation frequency; movement of soil water and salt