土壤水鹽運(yùn)移規(guī)律的試驗(yàn)研究

李 炎

(天津農(nóng)學(xué)院水利工程學(xué)院，天津 300384)

農(nóng)作物生長條件下的農(nóng)田水鹽運(yùn)動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)。當(dāng)灌溉水中含有鹽分或在鹽漬化土地上進(jìn)行節(jié)水灌溉時(shí)，就有可能使土壤鹽分積累，造成土壤溶液濃度過高，引起作物生理性干旱[1]。鹽分因素存在引起的生理干旱，如同水分因素不足引起的干旱缺水一樣，會(huì)造成作物減產(chǎn)或死亡。隨著作物水分關(guān)系的深入研究，隨之也展開了作物水鹽關(guān)系的探索[2-5]。早在20世紀(jì)80年代，我國學(xué)者就已對土壤水鹽運(yùn)移進(jìn)行了研究。近幾年土壤水鹽運(yùn)移的深入研究趨于明確，對指導(dǎo)農(nóng)田生產(chǎn)提供了充足的理論依據(jù)[6-8]。在全世界范圍內(nèi)水資源短缺的前提下，農(nóng)學(xué)、土壤、水利、植物生理等多學(xué)科交叉融合，還將進(jìn)行更加深入的內(nèi)在機(jī)制性的研究[9]。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)場概況及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)研究采用兩個(gè)試驗(yàn)場，一是西青區(qū)試驗(yàn)場，另一個(gè)是天津農(nóng)學(xué)院西校區(qū)試驗(yàn)基地。2015年3月15日各試驗(yàn)場分別取出測試。

(1)西青區(qū)試驗(yàn)場位于天津市西青區(qū)大柳灘村灌區(qū)上，地處西青區(qū)楊柳青鎮(zhèn)北部。海拔僅15 m左右，耕作層密度為1.35 g/cm3，土質(zhì)為砂壤土，田間持水率為39.5%，土壤有機(jī)質(zhì)含量為1.09%。灌溉水源為地下井水。試驗(yàn)設(shè)覆膜灌溉、淺濕灌溉、淺水灌溉3個(gè)處理，采取大區(qū)對比試驗(yàn)，各處理不設(shè)重復(fù)。各大區(qū)面積均為1 330 m2。供試水稻品種為常規(guī)稻“津原45號”，覆膜區(qū)的灌溉制度為田間持水率75%(3 cm水層)；淺濕區(qū)的灌溉制度為田間持水率75%(3 cm水層)；淺水區(qū)的灌溉制度為0～5 cm水層。3個(gè)處理的施肥量為復(fù)合肥(N+P2O5+K2O>45%)375 kg/hm2作基肥，氯化鉀112.5 kg/hm2，磷酸二銨150 kg/hm2，尿素525 kg/hm2，作返青肥和分蘗肥分三次施入。

(2)天津農(nóng)學(xué)院西校區(qū)試驗(yàn)基地位于北緯39°15′，東經(jīng)117°16′，海拔5 m，土質(zhì)為潮棕壤土，耕作層平均土壤容重為1.38 g/cm3，田間持水率為35.8 cm3/cm3，試驗(yàn)期平均地下水埋深為2.5 m。在試驗(yàn)基地的東側(cè)用保溫板圍成南北長3 m，東西長3 m，高0.6 m的3個(gè)相鄰的小區(qū)，從南至北依次命名為1區(qū)、2區(qū)、3區(qū)，利用保溫板的低導(dǎo)熱性阻隔每個(gè)區(qū)與外界環(huán)境在水平方向上的熱質(zhì)交換。在2014年12月20日下午14∶00，1區(qū)撒KCl為143.1 g，(NH4)2SO4為266.1 g, NH4NO3為47.5 g，K2HPO4為159.7 g；2區(qū)撒KCl、(NH4)2SO4，NH4NO3，K2HPO4的量與1區(qū)相同，三區(qū)未撒鹽。各區(qū)的積雪時(shí)間和深度分別為：時(shí)間是在2014年12月20日下午14∶00。一區(qū)積雪厚度20 cm，二區(qū)積雪厚度10 cm，三區(qū)積雪厚度5 cm。

1.2 土壤鹽分的測定

1.2.1 電導(dǎo)法測定土壤鹽分

在一定濃度范圍內(nèi)，溶液的含鹽量與電導(dǎo)率成正相關(guān)。因此，土壤浸出液的電導(dǎo)率的數(shù)值能反映土壤含鹽量的高低，但不能反映混合鹽的組成。如果土壤溶液中幾種鹽類彼此間比值比較固定時(shí)，則用電導(dǎo)率值測定總鹽分濃度的高低是相當(dāng)準(zhǔn)確的。土壤浸出液的電導(dǎo)率可用電導(dǎo)儀測定，并可直接用電導(dǎo)率的數(shù)值來表示土壤含鹽量的高低。

將連接電源的兩個(gè)電極插入土壤浸出液中，構(gòu)成一個(gè)電導(dǎo)池。正負(fù)兩種離子在電場作用下發(fā)生移動(dòng)，并在電極上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而傳遞電子，因此電解質(zhì)溶液具有導(dǎo)電作用。根據(jù)歐姆定律，當(dāng)溫度一定時(shí)，電阻與電極間的距離(L)成正比與電極的橫截面積(A)反比。

(1)

式中：R為電阻，Ω；ρ為電阻率。當(dāng)L=1 cm時(shí)，A=1 cm2，則R=ρ，此時(shí)測得的電阻稱為電阻率(ρ)。溶液的電導(dǎo)率(EC)則是電阻率的倒數(shù)。

(2)

式中：EC為電導(dǎo)率，S/m。土壤溶液的電導(dǎo)率一般小于1 S/m，因此常用μS/cm來表示。兩電極片間的距離和電極片的截面積難以精確測量，一般可用標(biāo)準(zhǔn)KCl溶液(其電導(dǎo)率在一定溫度下是已知的)求出電極常數(shù)。

(3)

式中：K為電極常數(shù)；KCKCl為標(biāo)準(zhǔn)KCl溶液(0.02 mol/L)電導(dǎo)率，dS/m。SKCl為同一電極在相同條件下實(shí)際測得標(biāo)準(zhǔn)KCl溶液的電導(dǎo)度值。那么，待測液的電導(dǎo)度St乘以電極常數(shù)K就是待測液電導(dǎo)率ECt。

ECt=KSt

(4)

式中：St為待測液的電導(dǎo)度。大多數(shù)電導(dǎo)儀是電極常數(shù)的調(diào)節(jié)裝置，可以直接讀出待測液的電導(dǎo)率，無須再考慮用電極常數(shù)進(jìn)行計(jì)算結(jié)果，因此可利用電導(dǎo)率儀讀數(shù)來計(jì)算土壤鹽分。土壤浸出液的電導(dǎo)率用EC25表示，粗略校正時(shí)，可按每增高1 ℃，電導(dǎo)度約增加2%計(jì)算。當(dāng)液溫在17～35 ℃之間時(shí)，液溫與標(biāo)準(zhǔn)液溫25 ℃每差1 ℃，則電導(dǎo)率約增減2%，所以EC25可按下式直接算出。將(4)代入下式，可得：

EC25=ECt-0.02ECt(t-25 ℃)=

ECt[1-0.02(t-25 ℃)]=KSt[1-0.02(t-25 ℃)]

(5)

式中：t為土壤浸出液的溫度，℃；EC25為土壤浸出液的電導(dǎo)率，μS/cm。

1.2.2 土壤電導(dǎo)率的測定步驟

本試驗(yàn)土壤的電導(dǎo)率由DDS-307型數(shù)字電導(dǎo)率儀測定。其試驗(yàn)步驟如下。

(1)取土樣。首先將用來裝土的杯放在天平上調(diào)零，然后稱取每一深度下10 g的土樣；

(2)量水。用量筒取50 mL水。

(3)振蕩溶液。將土樣和水混合放在特制的塑料瓶中，放于變頻振蕩機(jī)上振蕩3 min，用秒表計(jì)時(shí)，起初20 s旋轉(zhuǎn)振蕩器第二個(gè)旋鈕，使速度逐級加大到最大速度后，使其均勻振蕩，當(dāng)2 min 40 s時(shí)再均勻調(diào)此旋鈕使速度在3 min時(shí)達(dá)到最小，最后切斷電源。使得土壤顆粒與水充分接觸，將土壤中的可溶性鹽溶解在水中。

(4)測溫。將塑料瓶中的溶液倒入杯中，測溶液的溫度。

(5)測定溶液電導(dǎo)率。用DDS-307型數(shù)字電導(dǎo)率儀測定土壤溶液的電導(dǎo)率，首先將儀器預(yù)熱30 min，把電導(dǎo)率儀的旋鈕由左到右依次排序?yàn)?～4，然后將旋鈕1調(diào)到校核檔，旋鈕4調(diào)到25 ℃，再將旋鈕2調(diào)到1.0，最后調(diào)旋鈕使電導(dǎo)率儀的顯示數(shù)為100。然后進(jìn)行常數(shù)和溫度補(bǔ)償，將溫度調(diào)到溶液的溫度，常數(shù)調(diào)到99.7，將量程調(diào)到Ⅱ檔，將電極放到浸取液中，讀數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 西青區(qū)試驗(yàn)場土樣的分析結(jié)果

圖1是不同節(jié)水措施處理0～80 cm的電導(dǎo)率對比曲線。可以看出，覆膜土壤的電導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他兩種節(jié)水措施，說明灌溉區(qū)的保肥能力較強(qiáng)，其平均值為108.29 μS/cm，較淺濕高17.15 μS/cm，較淺水高18.63 μS/cm，而淺濕與淺水在不同深度的電導(dǎo)率值相近。電導(dǎo)率的最大值出現(xiàn)在地表0～10 cm處，覆膜最高為159.5 μS/cm，較淺濕高13.2 μS/cm，較淺水高15.4 μS/cm；隨著土層深度的增加，電導(dǎo)率呈直線下降趨勢，40 cm土層往下的電導(dǎo)率值基本保持穩(wěn)定，上下波動(dòng)不大。

圖1 不同節(jié)水措施處理的電導(dǎo)率Fig.1 The electroconductibility of the different saving water measures

圖2是不同節(jié)水措施對播前水稻土壤含水率的影響曲線。土樣含水率的測定方法是烘干法。由圖2可知，60 cm以上的土壤平均含水率，覆膜為27.01%，淺濕灌為25.13%，淺水灌為24.85%，覆膜明顯高于淺水灌和淺濕灌，較淺濕灌高1.88%，較淺水灌高2.15%，其中，10～20 cm深度最為明顯；而60 cm以下覆膜的含水率與其他兩種節(jié)水措施相差不大，甚至還低于其他兩種節(jié)水措施，平均值淺水灌最高，為24.57%，次之淺濕灌為24.09%，覆膜最低為23.52%，淺水灌較覆膜高1.06%，較淺濕灌高0.49%。這說明，覆膜對60 cm以上的土壤含水率的影響較大，含水率均明顯高于淺水灌和淺濕灌，對60 cm以下的土壤含水率影響不大。

圖2 不同節(jié)水措施對播前水田土壤含水率的影響Fig.2 The soil moisture effect of the different saving water measures before sowing

2.2 天津農(nóng)學(xué)院西校區(qū)試驗(yàn)基地土樣的分析結(jié)果

三個(gè)區(qū)壟臺(tái)電導(dǎo)率平均值變化特征曲線如下圖3所示。很明顯，在土壤表層甚至20 cm以上的土層，在同一深度三區(qū)壟臺(tái)的電導(dǎo)率值最大，二區(qū)次之，一區(qū)最小。到20 cm時(shí)，三個(gè)區(qū)壟臺(tái)的電導(dǎo)率值基本相同。而在20～40 cm之間，正好與20 cm以上土層相反，一區(qū)電導(dǎo)率值最大，二區(qū)次之，三區(qū)最小。當(dāng)達(dá)到50 cm時(shí)，三個(gè)區(qū)的基本相同。20 cm以上土層電導(dǎo)率的差異可能是因?yàn)橐粎^(qū)積雪厚度最深20 cm，由于雪的淋溶作用相對來說強(qiáng)，把土層表面的鹽分基本都帶到土壤深處，而二區(qū)積雪厚度是10 cm，所以它的雪的淋溶作用要較一區(qū)弱，所以土表的鹽分被帶到地下的要少，所以在土壤表層電導(dǎo)率值要比一區(qū)的大。三區(qū)的積雪厚度最小，同理，電導(dǎo)率值在土表最大。

圖3 三個(gè)區(qū)壟臺(tái)電導(dǎo)率平均值特征曲線Fig.3 The electroconductibility average value of the three ridge

三個(gè)區(qū)壟溝電導(dǎo)率平均值變化特征曲線如下圖4所示。在土壤表層電導(dǎo)率變化最劇烈，特別是30 cm以上的土層。但是明顯可以看出在地表二區(qū)壟溝的電導(dǎo)率值最大，三區(qū)次之，一區(qū)最小。而到50 cm以下的土層各區(qū)的電導(dǎo)率值基本沒有太大的變化，但是有逐漸變小的趨勢。這種曲線的形成原因可能是因?yàn)楦鲄^(qū)撒鹽量的不同和積雪厚度不同引起的。

圖4 三個(gè)區(qū)壟溝電導(dǎo)率平均值特征曲線Fig.4 The electroconductibility average value of the three ditch

天津農(nóng)學(xué)院西校區(qū)試驗(yàn)基地土樣含水率的測定方法也是烘干法。西校區(qū)試驗(yàn)基地三個(gè)區(qū)壟臺(tái)含水率平均值變化特征曲線如圖5所示。在10 cm以上的土層二區(qū)壟臺(tái)的含水率值最大，而一區(qū)和三區(qū)的基本一致。到地下20 cm以后就基本沒有什么變化，但是有一個(gè)整體變小的趨勢。三個(gè)壟臺(tái)在地表的含水率最大的原因可能是與積雪厚度和撒鹽量有關(guān)系，也可能是實(shí)驗(yàn)誤差?？偟膩碚f，在三個(gè)區(qū)的50 cm以上土層的含水率變化都不大。

圖5 三個(gè)區(qū)壟臺(tái)含水率平均值變化特征曲線Fig.5 The water content average value of the three ridge

西校區(qū)試驗(yàn)基地三個(gè)區(qū)壟溝含水率平均值變化特征曲線如圖6所示。三個(gè)區(qū)含水率變化范圍不大，基本都在20%～25%之間。其中一區(qū)含水率的波動(dòng)最大，是15%～30%之間，而且三個(gè)區(qū)土層之間的含水率相差都很大。但是二區(qū)和三區(qū)的波動(dòng)都很小，但是由地表到地下有含水率逐漸變大的趨勢。

圖6 三個(gè)區(qū)壟溝含水率平均值變化特征曲線Fig.6 The water content average value of the three ditch

3 結(jié) 語

通過土壤水鹽運(yùn)移規(guī)律的試驗(yàn)研究，可得出如下結(jié)論。

(1)西青區(qū)土壤的電導(dǎo)率在40 cm土層以上是急劇變小，而到了40 cm以下的土層，電導(dǎo)率基本就沒有太大的變化，其中三種灌溉方式中覆膜土壤的電導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他兩種節(jié)水措施，說明覆膜灌溉區(qū)的保肥能力較強(qiáng)。

(2)西青區(qū)含水率主要差異在于0～60 cm的土層，播前60 cm以上土層的含水率覆膜最高，淺濕灌次之，淺水灌最低。

(3)天津農(nóng)學(xué)院西校區(qū)綜合試驗(yàn)基地土壤電導(dǎo)率變化趨勢大致一樣，在50 cm以上的土層電導(dǎo)率是逐漸變小，50 cm以下的土層電導(dǎo)率基本就沒有太大變化。這說明土壤中的鹽分主要存在于土壤表層。這種變化的主要原因是各個(gè)區(qū)的撒鹽量不同以及積雪厚度不同造成。三區(qū)沒有撒鹽，但是在地表的電導(dǎo)率值最大，主要是因?yàn)槿齾^(qū)的積雪厚度最小，所以淋溶強(qiáng)度最小，土壤表層的鹽分基本仍保留在原處，而二區(qū)的電導(dǎo)率在地表較三區(qū)小，主要是因?yàn)槎^(qū)積雪厚度是10 cm，遠(yuǎn)大于三區(qū)，所以淋溶作用就比較強(qiáng)，導(dǎo)致土表鹽分隨著淋溶過程運(yùn)移到地下。一區(qū)電導(dǎo)率在地表最小，主要原因是積雪厚度最大，達(dá)20 cm，地表的鹽分隨著淋溶過程運(yùn)移到地下導(dǎo)致地表的電導(dǎo)率值小。

(4)天津農(nóng)學(xué)院西校區(qū)綜合試驗(yàn)基地土壤含水率的變化趨勢都不大，隨著土層加深，含水率緩慢變大，但是主要集中在15%～25%之間。

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