典型干旱區(qū)綠洲棉田土壤返鹽、積鹽特征研究

馬合木江·艾合買提，虎膽·吐馬爾白，古萊姆拜爾·艾爾肯，李卓然

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

新疆干旱綠洲區(qū)由于其特定的自然氣候條件能為棉花生長提供較好的條件。近些年來，為擴(kuò)大棉花生產(chǎn)規(guī)模，作為我國最大的優(yōu)質(zhì)棉生產(chǎn)基地的新疆大力推廣應(yīng)用膜下滴灌技術(shù)開發(fā)利用鹽堿地，并取得了較為理想的成就，為新疆水土資源的可持續(xù)發(fā)展奠定了堅實基礎(chǔ)。膜下滴灌技術(shù)作為一種最節(jié)水的灌溉技術(shù)，其擁有節(jié)水、節(jié)肥、增產(chǎn)、省力等諸多優(yōu)點，僅1996-2002年，短短6 a時間，新疆棉花膜下滴灌面積從最初的1.67 hm2擴(kuò)大到12 萬hm2[1]。目前，新疆膜下滴灌面積已突破200 萬hm2，成為世界上大田應(yīng)用膜下滴灌面積最大的地區(qū)[2]。此項技術(shù)在大面積推廣應(yīng)用的同時產(chǎn)生的土壤次生鹽漬化等問題逐漸引起諸多學(xué)者的關(guān)注[3-6]，有學(xué)者專門針對膜下滴灌條件下棉田土壤鹽分的運(yùn)移規(guī)律作了大量室內(nèi)外實驗研究，并取得了較大成就[7,8]。也有人就滴灌是否會引起土壤次生鹽漬化問題以及膜下滴灌技術(shù)利用年限與土壤鹽分累積間的關(guān)系開展了許多課題研究[3,9-11]。李慧等[4]研究了膜下滴灌棉田生育期土壤鹽分運(yùn)移特征，靳志峰等[12]針對北疆季節(jié)性凍融期棉田土壤鹽分與溫度等關(guān)系進(jìn)行了大田實驗研究。以上研究有的雖然是建立在數(shù)學(xué)模型分析基礎(chǔ)之上，但并沒能精確描述大田土壤水鹽運(yùn)移規(guī)律，即使是大田監(jiān)測實驗，由于其監(jiān)測時間較短也缺乏一定的說服力。本研究另辟蹊徑，主要針對棉田生育期初與末土壤鹽分剖面變化特征進(jìn)行了對比研究分析，監(jiān)測時間長達(dá)3 a之久，旨在分析膜下滴灌棉田土壤鹽分在生育期的累積趨勢。

1 材料與方法

1.1 實驗區(qū)概況

本實驗在新疆石河子市農(nóng)八師121團(tuán)進(jìn)行，該團(tuán)位于天山北麓，準(zhǔn)噶爾盆地南緣，地處歐亞大陸腹地(44°46′55″N，85°32′50″E，平均海拔337.1 m)。該地區(qū)夏季炎熱，冬季寒冷，常年干旱缺水，光照充足，蒸發(fā)強(qiáng)烈，年降雨量為141.8 mm，年蒸發(fā)量為1 826.2 mm，年均日照數(shù)約為2 862 h，無霜期平均為167 d，具有典型的大陸性荒漠氣候特點。本實驗所選6塊典型棉田均屬同一灌溉小區(qū)，主要種植作物為棉花，且其灌溉制度基本相同，當(dāng)?shù)啬昶骄叵滤宦裆钤? m左右，其中，每年灌水高峰期時(7月份)，其地下水位平均保持在2.5 m左右。

1.2 實驗方法

2009年初，本課題組初步選取了6塊棉田作為大田實驗基好，所選地塊開始實施膜下滴灌的時間分別為1998、2001、2003、2005、2007、2009年，監(jiān)測時間為2009年3月27日(生育期初)，2009年9月21日(生育期末)；2010年3月22日(生育期初)，2010年10月27日(生育期末)；2011年4月7日(生育期初)，2011年10月27日(生育期末)，共計監(jiān)測6次。初次取樣采用GPS精確定位取樣點位，以后取樣均在這點附近進(jìn)行。每個樣點取樣深度?。?～5、5～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm 6個土層，每個樣點取3個重復(fù)，每次取樣18個，6塊地6次共計取樣648個。每次取完土樣及時帶回實驗室進(jìn)行化驗，土壤含水率采用烘干法進(jìn)行測取，然后將土壤磨碎并過2 mm篩，最終制取土水比為1∶5(土18 g，蒸餾水90 mL )的土壤浸提液并測取溶液電導(dǎo)率值，然后換算成土壤含鹽率。溶液電導(dǎo)率與含鹽率的關(guān)系式為：y=0.000 6x-0.028 2，R2=0.948 6。

2 結(jié)果與分析：生育期始末土壤鹽分分布特征

為分析膜下滴灌棉田土壤在年初、年末的運(yùn)移變化情況，本文在數(shù)據(jù)分析時首先對每個取樣點各土層的3個重復(fù)樣品進(jìn)行相應(yīng)的均值計算并將其作為當(dāng)年各土層含鹽率值，再對3 a取樣數(shù)據(jù)中的同期樣品均值進(jìn)行均值計算并將其作為此地塊各年平均水平。根據(jù)各地塊各年均值繪制如圖1所示的土壤鹽分剖面圖。

按新疆鹽堿土分類標(biāo)準(zhǔn)[13],將土壤分為非鹽化土(土壤鹽分質(zhì)量<3 g/kg)、輕鹽化土(土壤鹽分質(zhì)量3～6 g/kg)、中度鹽化土(土壤鹽分質(zhì)量6～10 g/kg)、重度鹽化土(土壤鹽分質(zhì)量10～20 g/kg)、鹽土(土壤鹽分質(zhì)量>20 g/kg)。由圖1可知，各地塊在生育期初(3月底4月初)表層0～20 cm土壤鹽分保持在2.5 g/kg 左右(<3 g/kg)，故歸類為非鹽化土，對棉花出苗不構(gòu)成抑制作用。這一現(xiàn)象主要與實驗區(qū)地理位置、氣候及實驗取樣時間有關(guān)。實驗區(qū)地處我國季節(jié)性凍土地區(qū)，當(dāng)?shù)孛磕杲笛┥疃绕骄蛇_(dá)35 cm左右。這部分降雪只有少量在外界氣溫作用下被蒸發(fā)，而剩余積雪基本都融化入滲補(bǔ)給土壤水。據(jù)實驗觀察發(fā)現(xiàn)，每年3月中下旬實驗區(qū)棉田凍結(jié)土壤已基本融通。而本實驗在春季取土?xí)r間基本都在3月底4月初，此時段地表積雪已基本融化并入滲至土壤。由于降雪量較大，因此，入滲雪水對表層土壤鹽分起到一定的淋洗作用，這是導(dǎo)致這一時段表層土壤鹽分值保持較低水平的主要原因。然而，實驗區(qū)每年4月初左右氣溫持續(xù)上升，而當(dāng)?shù)孛磕瓴シN時間在4月15日左右，若土壤消融后至播種前這段時間過于長久，就會導(dǎo)致春季棉田土壤因外界蒸發(fā)而產(chǎn)生次生鹽漬化現(xiàn)象。因此，為防止這一現(xiàn)象的發(fā)生，要盡量縮短土壤消融后至播種前這一時段的時間間隔。由圖1(a)還可以看出，各監(jiān)測地塊土壤鹽分在深度方向上呈現(xiàn)出隨深度的增加而增大的趨勢，各地塊在深層100 cm處的鹽分值高達(dá)7 g/kg左右的較高水平，按照新疆鹽堿土分類標(biāo)準(zhǔn)[13]屬于中度鹽化土壤。部分地塊(如2003年地塊)在這一土層鹽分值超過10 g/kg，屬于重度鹽漬化土壤。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的主要原因與當(dāng)?shù)靥赜械墓喔戎贫扰c雪水融化入滲有關(guān)。當(dāng)?shù)貫楣?jié)約用水，一般都在每年秋季棉花第一遍收完之后(每年9月下旬)進(jìn)行一次補(bǔ)水灌溉(當(dāng)?shù)胤Q之為茬灌)，用以代替長期使用的冬灌與春灌壓鹽制度。秋灌不但能為第2批吐絮的棉花提供必要的水分，而且還能起到一定的壓鹽作用。雖然從秋灌后至秋季翻地前土壤一直處于蒸發(fā)耗水狀態(tài)(當(dāng)?shù)孛磕甏蛩笾仓昊臼フ趄v作用，故此時段蒸發(fā)為主要耗水途徑)，但由于上層土體結(jié)構(gòu)較為密實，且后期外界氣溫較低，只能導(dǎo)致棉田表層土壤返鹽，而蒸發(fā)作用對于深層土壤影響較小。再者，由于冬季降雪量較大，雪水在融化入滲的同時會對土壤鹽分起到一定的淋洗作用，這使得上層土壤鹽分在雪水淋洗作用下向下層運(yùn)移，致使深層土壤積鹽。

圖1 土壤鹽分剖面圖Fig.1 Map of soil salt profile

由圖1(b)生育期末土壤鹽分剖面分布圖可以看出，各地塊在表層5～20 cm土層鹽分值呈現(xiàn)隨深度增加而減小趨勢，表層5 cm處鹽分均值高達(dá)5 g/kg左右(除2009年地塊)，屬于輕度鹽化土壤。這主要是因為秋季棉田表層土壤返鹽所致。實驗區(qū)從最后一次灌水以后，土壤鹽分基礎(chǔ)呈現(xiàn)蒸發(fā)耗水狀態(tài)，下層土壤鹽分在水分的攜帶下向地表聚集。但是從實驗數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，此時段返鹽程度較輕，分析其原因主要與土壤結(jié)構(gòu)有關(guān)。實驗區(qū)棉田在經(jīng)過一個生育期的灌溉管理后，由于土壤沒有經(jīng)歷過中途擾動，致使其土壤結(jié)構(gòu)密實，間接抑制下層鹽分的上移。在20～100 cm土層中，隨著深度的增加土壤鹽分值呈現(xiàn)小幅度增加趨勢，直至深層100 cm處，土壤鹽分值保持在5 g/kg左右，同樣屬于輕度鹽化土壤，這主要是生育期灌溉措施導(dǎo)致的。土壤鹽分在經(jīng)歷一個生育期的灌溉后，上層鹽分大部分都被淋洗至作物根系層以下的土層，即在生育期末，下層土壤會出現(xiàn)不同程度的積鹽趨勢。與生育期初相比，生育期末土壤鹽分隨深度的變化幅度較小，生育期初呈現(xiàn)較為嚴(yán)重的深層積鹽現(xiàn)象，這主要與當(dāng)?shù)亟笛┘肮喔戎贫扔嘘P(guān)。當(dāng)?shù)赜捎诙窘笛┝看?，致使大部分積雪在融化后入滲，使得各土層土壤鹽分得到不同程度的淋洗，上層土壤鹽分被淋洗至深層并累積。

綜合分析認(rèn)為，就土壤返鹽情況而言，生育期末及生育期初(土壤消融后不久)土壤返鹽程度較弱。就土壤積鹽情況而論，生育期末土壤積鹽程度小于生育期初，但是從土壤剖面積鹽趨勢而言，生育期初土壤鹽分呈現(xiàn)明顯的隨深度的增大而增加的積鹽趨勢。從長遠(yuǎn)來看，生育期初棉田土壤發(fā)生次生鹽漬化的趨勢較為明顯。

3 結(jié) 論

(1)通過研究發(fā)現(xiàn)，長期膜下滴灌棉田土壤在生育期初與生育期末呈現(xiàn)較為輕度的返鹽趨勢，表層20 cm土層基本為非鹽化土壤或輕度鹽化土壤。因此生育期始末的返鹽現(xiàn)象對棉花生長威脅較小。

(2)對比分析生育期始末鹽分累積特征可以發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)棉田土壤在生育期初呈現(xiàn)較為明顯的積鹽趨勢，且隨深度的增大積鹽程度逐漸增加。相比之下，生育期初土壤鹽分導(dǎo)致次生鹽漬化發(fā)生的潛力大于生育期末。

(3)研究認(rèn)為，秋季茬灌具有一定的淋洗鹽分的作用，且積雪融化入滲在一定程度上也能起到明顯的淋洗鹽分作用。

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