高壟滴灌條件下鹽堿地土壤鹽分再分布研究

崔婷婷，楊建國，李王成,3,4

(1.寧夏大學土木與水利工程學院，銀川 750021；2.寧夏農(nóng)林科學院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，銀川 750002； 3.寧夏節(jié)水灌溉與水資源調控工程技術研究中心，銀川 750021；4.旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部工程研究中心，銀川 750021)

引黃灌區(qū)地處西北干旱地區(qū)，降雨稀少，年際年內分配不均，蒸發(fā)強烈，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在很大程度上依靠灌溉，可以說沒有灌溉就沒有農(nóng)業(yè)。在引黃灌區(qū)兩千多年的發(fā)展過程中，同樣是由于灌溉技術落后、灌溉管理粗放、灌溉工程不配套以及灌溉工程老化失修等問題，不僅造成水的極大浪費，而且還引起土壤鹽漬化危害[1]。水既是造成土壤鹽漬化的媒介，也是治理土壤鹽漬化的動力，但是對于鹽漬化土壤，繼續(xù)采用大水沖洗控制土壤鹽分、維持土壤耕層中鹽分動態(tài)平衡的粗放方式已經(jīng)不能適應以節(jié)水為中心的灌區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的要求。在日益嚴峻的水資源形勢下，如何進行引黃灌區(qū)節(jié)水防鹽水資源綜合管理已經(jīng)是亟待解決的問題，這一問題的回答不僅是解決引黃灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源供需矛盾的需要，對解決長期困擾引黃灌區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的土壤鹽漬化問題也具有直接的指導意義。

起壟能提高地溫、增加土壤透氣性、促進蔬菜根系，滴灌具有能降低棚內空氣濕度、減少病蟲害的發(fā)生、地溫降幅較小、節(jié)水、節(jié)能、增產(chǎn)、省工、省肥等優(yōu)點，高壟為根系生長提供了與周圍土壤相對隔絕的環(huán)境[2]，滴灌期間只存在地下土壤的返鹽，而不存在根系周圍土壤的返鹽，與普通滴灌技術相比，高壟滴灌栽培技術采用合理的參數(shù)設置能有效淋洗鹽分、降低返鹽程度，而且節(jié)省肥料，降低環(huán)境污染[3]。將鹽堿地水鹽運移理論與合理的滴灌系統(tǒng)相結合探討高壟滴灌條件下的水鹽運移規(guī)律對鹽堿地治理與農(nóng)業(yè)指導有著重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗地位于石嘴山市平羅縣前進農(nóng)場(38°50′N，106°24′E)，屬內陸中溫帶干旱地區(qū)，是典型的大陸性氣候，境內四季分明，晝夜溫差大，日照長，降雨較少，蒸發(fā)量大。試驗地0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm土層土壤容重分別為1.64、1.58、1.67、1.72、1.57 g/cm3；耕層土壤有機質10.2 g/kg、全量氮0.51 g/kg、全量磷0.60 g/kg、全量鉀18.0 g/kg、堿解氮32 mg/kg、有效磷15.5 mg/kg、速效鉀410 mg/kg、有效鐵13.0 mg/kg、有效錳5.06 mg/kg、有效銅0.92 mg/kg、有效鋅1.11 mg/kg。

1.2 試驗內容

1.2.1 試驗設計與布置

本試驗區(qū)面積根據(jù)種植模式設置為10 m×67 m2。采用高壟滴灌的農(nóng)藝措施，試驗區(qū)共分兩個區(qū)域：中度鹽漬化區(qū)域和重度鹽漬化區(qū)域。滴灌帶布置方式為7月10日之前一管兩行，滴灌帶位于壟中間，7月10日以后一管一行，滴灌帶位于作物處。壟肩寬0.5 m，壟高0.25 m，壟距1.1 m，壟作種植模式如圖1所示。采用寬窄行的種植方式，寬行間距70 cm，窄行間距40 cm，株距20 cm。滴頭間距25 cm。每個小區(qū)配備一個水表以保證每個小區(qū)單獨灌水的要求并使用張力計測量土壤水吸力，根據(jù)需要換算為土壤水分。

圖1 滴灌帶田間布置圖(單位：cm)

圖2 滴灌帶取土位置圖(單位：cm)

1.2.2 土壤樣品采集

本試驗依據(jù)土壤鹽漬化程度分為兩個大區(qū)，中度鹽漬化Ⅰ區(qū)和重度鹽漬化Ⅱ區(qū)，在春灌前、播種前、灌水前后、雨后取土，布置一條滴灌帶時，取樣點分別距離滴頭0、20、40 cm。布置兩條滴灌帶時，取樣點分別距離滴頭-20、0、20 cm。取樣點分布圖見圖2(A、B、C代表中度鹽漬化農(nóng)田取樣點，a、b、c代表重度鹽漬化農(nóng)田取樣點)，每個取樣點分0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm 5層取樣。由于地下水位比較低，忽略地下水補給。中度鹽漬化區(qū)土壤初始全鹽量為3.805%、pH為9.66；重度鹽漬化區(qū)土壤初始全鹽量為7.849%、pH為9.96。

1.2.3 全生育周期灌水情況

全生育周期共灌水5次，每次灌水450 m3/hm2(見表1)。

表1 作物全生育周期灌水時間及灌水量 m3/hm2

2 結果與分析

2.1 土壤水分的變化

2.1.1 土壤水分隨時間的變化

土壤含水率的升降主要受到降雨和灌溉的影響[4]。灌溉后土壤含水率會明顯上升。由圖3和圖4可知0～20 cm土層中出現(xiàn)3個峰值，分別是灌水或降雨結束后3～4 d，且土壤含水率C>B>A，c>b>a。高壟在滴灌作用下，水分從水勢高的地方向水勢低的地方運動，通過垂直入滲以及水平入滲，使更多的水分匯集在了壟溝中。隨著土壤深度的增加，土壤含水率受降雨和灌溉影響較小，變化波動較為平緩，由于沒有地下水補給，深層的土壤含水率主要受上層水下滲、植物對土壤水的吸收以及黏土的保水能力所控制。但整體而言，3個點位的土壤含水率C>B>A、c>b>a。由此說明高壟滴灌影響了水分的分布，使滴灌帶下的點位含水率處于較高水平，使更多的水匯集在壟溝里，從而有助于鹽分的淋洗，達到脫鹽效果。

圖3 中度鹽漬化農(nóng)田不同點位土壤含水率的變化

圖4 重度鹽漬化農(nóng)田不同點位土壤含水率的變化

2.1.2 土壤水分隨深度的變化

由圖5和表2可知，在中度鹽漬化農(nóng)田以及重度鹽漬化農(nóng)田中，隨著土壤深度的增加，土壤含水率逐漸增加，3個點位的土壤含水率C>B>A、c>b>a，但差異不大。在高壟滴灌條件下中度鹽漬化農(nóng)田處于壟溝中的點位C比處在壟中央的點位A在表層高6.0%，比處在壟邊的點位B高5.6%。在測定土壤最下層80～100 cm，土壤含水率C比A大2.6%，比B大0.5%。重度鹽漬化農(nóng)田中，表層的c比a的含水率高7.9%，比b高0.7%。測定土壤最下層c比a高3.6%，比b高2.5%。說明，鹽漬化農(nóng)田中，壟溝中的土壤含水率要高于壟的土壤含水率，高壟有助于土壤水的運移。

由表2可知，不同鹽漬化程度農(nóng)田的同一點位的同一土層深度，重度鹽漬化農(nóng)田的含水率略高于中度鹽漬化農(nóng)田，且在測定的最下層80～100 cm最為顯著，a比A高35.1%，b比B高33.7%，c比C高36.4%。出現(xiàn)這種情況的原因是：重度鹽漬化農(nóng)田作物生長較差，株高莖粗均不及中度鹽漬化農(nóng)田作物，因此對于水的吸收較弱，底層土壤水向上運移供植物吸收作用較小。由于表層受降雨和灌溉的影響較大，故表層的含水率變異性最大，Cv均在0.11以上最大可達到0.17。其他土層Cv值較小，平均都在0.1以下。根據(jù)雷志棟[5]等人所著的《土壤水動力學》中對Cv的評估標準可以判定出表層土壤含水率呈中等變異性，其余土層呈弱變異性。

圖5 不同深度土壤含水率變化

2.2 土壤鹽分的變化

2.2.1 土壤鹽分隨時間的變化

(1)隨著時間變化各個土層土壤鹽分分布整體情況。生育周期內，土壤鹽分隨著時間的變化，各個土層的3個點位全鹽量呈現(xiàn)出下降-上升的規(guī)律。在4-6月大田沒有起壟，在此期間隨著溫度的升高，土壤蒸發(fā)加劇，引起土壤水向地表運動，使鹽分隨著土壤水向土壤上層運移。6月8日試驗田起壟，在壟中間布置一條滴灌帶并在當月18日、19日進行第一次高壟滴灌灌水，灌水量為450 m3/hm2，取土位置位于滴頭水平方向0 cm(A/a)，20 cm(B/b)，40 cm(C/c)。由于起壟的原因，人為干擾了鹽分的分布，伴隨著水分下滲鹽分向下運移，起到了洗鹽的效果，因此在第一次灌水后鹽分有了明顯的下降。在7月5日加鋪一條滴灌帶，滴灌帶布置位置位于壟上作物生長的位置。在7月5日至9月20日之間進行了四次灌水，土壤水分是鹽分遷移的重要載體，鹽分隨著水分向下的淋洗以及自然條件下鹽分隨著蒸發(fā)上移使鹽分在表層出現(xiàn)較大的波動。從9月20日之后，沒有進行灌水，此時蒸發(fā)對鹽分的運移占主要因素，鹽分向上層運動，土壤鹽分處于蒸發(fā)積鹽的狀態(tài)，全鹽量有上升趨勢。

表2 不同點位的土壤含水率統(tǒng)計特征值

(2)中度鹽漬化農(nóng)田鹽分隨著時間的變化。鋪設一條滴灌帶時，A位于滴頭正下方即距低頭位置0 cm處，在6月18日、19日灌水過后，A表層含鹽量較低，此時處于灌水結束前期，屬于鹽分隨著土壤水分運動遷移的第一個過程：水分下滲的過程中攜帶鹽分運移，表層土壤淋洗脫鹽的過程。由于在滴頭附近形成一個飽和區(qū)，土壤含水率比較高，土壤水的基質勢和重力勢均處于較高水平，土壤吸力較小，所以土壤水分運動比較快，并由滴頭處向四周擴散[6]，隨著取點位置遠離滴頭位置土壤含水率也隨之降低，水分運動變慢，鹽分運移隨水分運動也變緩慢，因此，剛剛灌水結束后處于壟中間的A全鹽量最低，由于試驗田的土質屬于黏壤土，水的滲透力減弱，壟溝中容易產(chǎn)生積水[7-9]，因此壟溝中的鹽分在灌水結束初期隨著水的下滲向下運移使表層土壤含鹽量較低，因此，在壟中間布置一條滴灌帶時表層3個點全鹽量含量為B>A>C。從7月5日起，加鋪滴灌帶，滴灌帶位于B處。處于壟間的A成為遠離點源的位置，由之前的飽和區(qū)成為現(xiàn)在兩個滴灌濕潤體交匯區(qū)土，交匯區(qū)含鹽量的分布與滴頭下的含鹽量分布不同，含鹽量在兩濕潤體相互干擾下進入入滲階段。在7月5日-9月20日經(jīng)歷了4次灌水，表層鹽分分布較為均勻，全鹽量C>B>A，鹽分有效的分布到了滴頭四周，使?jié)駶欝w內部含鹽量低，而外圍含鹽量高[10]，因此在滴頭處形成脫鹽區(qū)。9月20日之后，不再灌水，鹽分重新分布，全鹽量A>C>B。9月23日C在0～20 cm土層深度出現(xiàn)峰值，壟溝中的鹽分出現(xiàn)2個過程，第一：鹽分在水的運移下聚集在壟溝中，同時有蒸發(fā)作用，因而鹽分向上遷移；第二：高壟中的水鹽發(fā)生側滲現(xiàn)象。這兩個過程使壟溝鹽分驟升在9月23日達到峰值。使3個點位的鹽分重新分布。

玉米生育期內，在高壟滴灌耕種模式下，20～60 cm土層3個點位的土壤鹽分隨著時間變化的變化規(guī)律整體一致，呈現(xiàn)降低-升高-降低的趨勢。6月23日-9月23日變化較為平穩(wěn)，B點處全鹽量較低，滴灌有效降低了滴頭處的全鹽量使鹽分再分布，使鹽分積壓在下層土壤及滴頭四周。土壤全鹽量在9月27日出現(xiàn)高峰值，9月23日晚，降雨量較大，使鹽分在雨水的作用下重新再分布，隨著降雨時間的結束，在蒸發(fā)的作用下，鹽分向上遷移，高壟中的水鹽發(fā)生測滲現(xiàn)象，因此9月27日出現(xiàn)高峰值。在土壤底層，3個點位的全鹽量變化基本一致，滴灌條件下，對于底層鹽分的影響較小，通過上層鹽分隨水的運移，呈現(xiàn)規(guī)律基本一致，全鹽量分布呈現(xiàn)A>B>C(見圖6)。

(3)重度鹽漬化農(nóng)田鹽分隨著時間的變化。在重度鹽漬化土壤中，0～20 cm鹽分分布波動較大，全鹽量c>a>b，在滴灌水源淋洗下處于滴灌帶處的b含鹽量最低，遠離點源的a土壤含水率較低，土壤基質勢也隨之降低，土壤吸力增加，土壤水運動速率變慢，鹽分隨水分運移變緩，因此壟中間的a全鹽量高于滴頭處。由于在重度鹽漬化大田中，土壤全鹽量很高，鹽分的淋洗效果一般與沖洗前的土壤原始含鹽量有關。土壤原始含鹽量愈大，脫鹽率則愈大，因此高壟中的鹽分大量被淋洗在壟溝中，因此，在重度鹽漬化土壤高壟滴灌條件下，表層鹽分全鹽量c>a>b。

重度鹽漬化條件下全鹽量變化趨勢一致，峰值出現(xiàn)在9月20日-9月23日。最后一次灌水在9月15日、16日，隨著灌水結束時間的增加土水勢梯度、植物蒸騰、土面蒸發(fā)的作用下，土壤水分再分布，鹽分隨之發(fā)生運移，使鹽分淋洗在壟溝中，從而在9月20日-9月23日出現(xiàn)峰值，最終在作物收獲后達到一個穩(wěn)定值。重度鹽漬化農(nóng)田經(jīng)過高壟滴灌對鹽分分布的影響，使鹽分重新得到分布，使滴頭下方的區(qū)域鹽分含量最低(見圖7)。

圖6 中度鹽漬化農(nóng)田不同點位土壤全鹽量變化

圖7 重度鹽漬化農(nóng)田不同點位土壤全鹽量變化

2.2.2 土壤鹽分隨土壤深度的變化

在玉米全生育周期內，高壟的3個點位的變化趨勢一致：鹽分隨著土壤深度增加呈現(xiàn)出先升高后降低的規(guī)律，鹽分在高壟與滴灌的結合下得到重新分布。在沒有地下水補給的情況下，鹽分主要受灌水及降雨的影響，通過全生育周期的試驗，表層土壤鹽分均值較低，土層鹽分在滴灌的淋洗下向下運動，使鹽分聚集在40～80 cm深處。

中度鹽漬化農(nóng)田的高壟3個點位全鹽含量在表層分布情況為C>A>B，20 cm土層以下，全鹽量A>B>C。處于滴頭處的B點，土壤含水率較高，土壤基質勢和重力勢均較高，土壤吸力小，因此土壤水分運動較快，并由滴頭處向四周擴散，隨著取點位置遠離滴頭位置土壤含水率也隨之降低。鹽分隨水分的入滲而進行運移，在垂直入滲和水平入滲作用下，鹽分垂直方向聚集在40～80 cm土層，水平入滲在壟溝及壟中間位置。在重度鹽漬化下，高壟滴灌對鹽分的再分起到明顯作用，表層全鹽量呈現(xiàn)c>b>a，鹽分主要聚集在中間土層40～80 cm深處以及壟溝的表層。土壤原始含鹽量越大，脫鹽率則越大，因此高壟中的鹽分大量被淋洗在壟溝中。因此高壟滴灌有效地使水鹽進行再分布(見圖8)。

圖8 不同深度土壤全鹽量變化

土壤鹽分在3個不同位點均表現(xiàn)出上層波動大，下層波動小的規(guī)律，從統(tǒng)計特征值判斷，玉米生育周期各土層的全鹽量呈中等變異性。這種情況說明高壟滴灌對于鹽分的淋洗、再分布作用明顯。整體而言，通過方差可知：重度鹽漬化的鹽分波動情況大于中度鹽漬化。0～20 cm土層中度全鹽量方差最高可達到11.92，Cv值可達到0.589 8。由此可知，鹽漬化程度越高，表層鹽分受到外界條件影響的波動性越大，變異性越強，高壟滴灌作用下鹽分再分布現(xiàn)象越明顯(見表3)。

表3 不同點位的土壤全鹽量統(tǒng)計特征值

3 結 語

(1)鹽漬化農(nóng)田中，壟溝中的土壤含水率要高于壟的土壤含水率，重度鹽漬化農(nóng)田的土壤含水率要高于中度鹽漬化農(nóng)田的土壤含水率。

(2)試驗結果表明在中度鹽漬化土地中，高壟聚集更多的鹽分，集中聚集在壟中間，高壟與滴灌相結合，可以有效降低表層點位B的全鹽量。

(3)重度鹽漬化土地中，鹽分在高壟中的分布較少，鹽分聚集在壟溝中，在滴灌條件下，有效降低高壟表層土壤鹽分，鹽分多積壓在40～80 cm土層中，壟溝中鹽分聚集在表層0～20 cm土層。

(4)隨著灌水結束時間的增加，土壤側滲現(xiàn)象顯著，高壟鹽分經(jīng)過側滲使壟溝中的鹽分驟升。

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