不同改良措施對(duì)新疆鹽漬化棉田的改良效果

陳建華，王海江，宋江輝，祝 榛，史曉艷，朱永琪，李天勝

(新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院，新疆石河子 832003)

0 引 言

【研究意義】土壤鹽漬化問題是一個(gè)全球性的環(huán)境問題[1]，鹽漬化土壤的形成受到氣候、地形以及耕作方式等因素的影響，能夠直接或間接影響作物對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收，降低土壤中養(yǎng)分利用效率，惡化土壤理化性質(zhì)以及生物學(xué)性質(zhì)，對(duì)作物生長發(fā)育造成不良影響[2]。新疆地處我國西北地區(qū)，由于其土壤鹽分含量高、地表蒸發(fā)強(qiáng)及降水量少等原因，使得該地區(qū)鹽漬化土壤分布面積廣、鹽分組成類型多，是我國鹽漬化土壤分布最為集中的區(qū)域之一，是制約新疆農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展以及資源利用的主要因素之一[3]。如何高效持久地改善新疆土壤鹽漬化，對(duì)從根本上改變土壤鹽分富集的現(xiàn)象具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】目前，農(nóng)業(yè)上常用鹽漬化土壤改良方式大體歸為：水利工程改良、農(nóng)業(yè)改良措施、生物改良以及化學(xué)改良四類[4]。其中，暗管排水技術(shù)在國外應(yīng)用相對(duì)較早，在埃及和荷蘭等國家應(yīng)用較為廣泛[5]。20世紀(jì)50年代開始在我國應(yīng)用[6-7]，該技術(shù)能夠有效的影響地下水埋深變化，防止土壤次生鹽漬化和鹽漬化，該措施在內(nèi)陸鹽漬地、沼澤地以及濱海鹽堿地土壤均有研究[8-9]。根區(qū)隔離處理是通過建設(shè)隔離層把土壤中的鹽分隔離在土壤耕層以下，防止底層土壤鹽分隨水位變化呈現(xiàn)出土壤表層鹽分聚集現(xiàn)象。何欣燕等[10]通過設(shè)置3種材料(玉米秸稈、黃沙、粉煤灰)作為隔離墊層進(jìn)行田間試驗(yàn)，3種材料在0～20 cm土層EC值分別降低了65 %、68.7 %、60 %；喬海龍等[11]通過對(duì)秸稈不同覆蓋方式進(jìn)行土柱模擬試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)20 cm土層秸稈深層覆蓋處理土壤鹽分含量較對(duì)照降低0.201 %，隔離墊層可以有效降低耕層土壤鹽堿度，改良鹽漬化土壤。農(nóng)業(yè)改良措施是鹽漬化土壤改良的重要措施，主要包括作物種植、平整土地、深耕深翻、客土改良、秸稈回田和增施追施有機(jī)肥等[12]，研究表明，種植作物可以明顯增加降水對(duì)土壤鹽分的淋洗，并可以抑制蒸發(fā)條件下的土壤返鹽[13]。在干旱、半干旱地區(qū)，地下水埋深與土壤水、鹽變化有緊密的聯(lián)系，是影響土壤鹽分含量變化的主要因素之一，地下水埋深的動(dòng)態(tài)變化一般受到降水、蒸發(fā)以及人為地下水開采等因素的綜合影響[19]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】新疆地區(qū)土壤鹽漬化現(xiàn)象嚴(yán)重，目前有關(guān)新疆鹽漬化治理的研究多是針對(duì)不同區(qū)域的單一改良措施探討其水鹽運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及脫鹽效果[14-16]，但不同改良措施間的作用效果往往很難對(duì)比。研究不同改良措施下鹽漬化土壤鹽分的改良效果?！緮M解決的關(guān)鍵問題】選取新疆鹽漬化農(nóng)田設(shè)置不同鹽堿土改良措施，研究不同改良措施下土壤剖面鹽分分布特征，并對(duì)其脫鹽效果進(jìn)行分析。為新疆鹽漬化土壤資源的可持續(xù)利用與耕地質(zhì)量提升提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

研究區(qū)位于新疆瑪納斯縣北五岔鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)田(44°35′ N，86°15′ E)，地處瑪納斯河流域沖積平原北部，氣候?qū)贉貛Т箨懶詺夂颍堑湫偷墓喔绒r(nóng)業(yè)區(qū)，主要農(nóng)作物為棉花。研究區(qū)整體地勢(shì)由西南向東北方向降低，為已開墾的棉田種植區(qū)。研究區(qū)土壤質(zhì)地以中壤土為主，地下水埋深淺，年地下水位變化保持在0.5 ～2.5 m，土壤鹽漬化嚴(yán)重。

1.2 方 法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用3種鹽漬化土壤改良措施，分別為農(nóng)業(yè)改良措施(T1)、根區(qū)隔離土壤鹽分+農(nóng)業(yè)改良措施(T2簡稱根區(qū)隔離)和暗管排水處理+農(nóng)業(yè)改良措施(T3簡稱暗管排水)，為阻隔小區(qū)間耕層水分相互滲透，各處理耕層土壤間鋪設(shè)隔離層農(nóng)業(yè)改良措施：選用棉花作為農(nóng)業(yè)改良措施主作物，種植模式為當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶常用覆膜滴灌種植，1膜2管6行，行間距為10+30+10+30 (cm)。秋季棉花秸稈全部深翻還田，春季融雪后及時(shí)耙地保墑播種，年施用氮、磷、鉀肥用量分別為純氮450 kg/hm2、純磷(P2O5)150 kg/hm2、鉀肥(K2O)75 kg/hm2?；?0%氮肥和全部磷、鉀肥，追施80%的氮肥，分6次隨水滴施。5月10日到8月25日共灌水8次，灌水間隔15～20 d，每次灌水定額550～650 m3/hm2，生育期總灌水定額為4 800 m3/hm2。因研究區(qū)普遍種植棉花，且優(yōu)質(zhì)渠水資源(礦化度<1 g/L)匱乏，棉花需水高峰的花鈴期(7～8月)會(huì)灌溉部分井水(礦化度3～5 g/L)以緩解渠水不足，但各處理灌溉水水質(zhì)和總量保持一致。表1

表1 研究區(qū)滴灌農(nóng)田灌水定額Table 1 Irrigation amount of drip irrigation field in study area

根區(qū)隔離處理：通過鋪設(shè)隔離層將下層土壤與耕層土壤鹽分隔離，切斷鹽分在土壤表面聚集的毛管水通道，達(dá)到鹽漬化土壤改良的目的。設(shè)置時(shí)，將地表100 cm土壤挖出分層放置，而后鋪設(shè)15 cm厚2～4 cm粒徑的石子，石子上再覆1層土工布，最后將土分層回填，保持耕層土壤深度為80 cm。

暗管排水處理：參考農(nóng)田排水工程技術(shù)規(guī)范(SL/T4-1999)的基礎(chǔ)上，試驗(yàn)設(shè)置暗管埋深為80～100 cm，排水管間距10 m，暗管管壁采用表面打孔的波紋排水管(管內(nèi)徑110 mm)，利用土工布及少量沙碩石作為暗管外包料，工程設(shè)置采用南北方向鋪設(shè)，坡度為1∶500，排水管與集水管間通過閘閥連接，修建集水池將集水管中的水排出至研究區(qū)外。

1.2.2 樣品采集

2016～2018年，在作物生育期(3～9月)進(jìn)行土壤樣品采集，記錄地下水埋深以及地下水礦化度數(shù)據(jù)。土壤樣品采集使用五點(diǎn)取樣法，每小區(qū)分別用土鉆取0～20、20～40、40～60、60～80 cm土壤樣品，去除雜物后裝入自封袋，帶回實(shí)驗(yàn)室分析。地下水位監(jiān)測(cè)利用地下水監(jiān)測(cè)儀器(Solinst 107 Water Level Meter)進(jìn)行水位測(cè)定，將檢測(cè)儀感應(yīng)探頭探入觀測(cè)井內(nèi)，直至感應(yīng)探頭觸碰水體發(fā)出提示聲，記錄地下水埋深深度以及地下水礦化度。

1.2.3 測(cè)定計(jì)量

鹽分含量測(cè)定：土壤鹽分采用電導(dǎo)率儀測(cè)定，其中土壤浸提液電導(dǎo)率與土壤全鹽含量之間的關(guān)系為：

SCC=3.51×EC1∶5+0.38(R2=0.95，P<0.01)[17].

(1)

式中：SCC為全鹽量，g/kg；EC1:5為土壤浸提液的電導(dǎo)率，mS/cm。

土壤脫鹽率：生育期末脫鹽率計(jì)算公式為：

D= (T-E) /T[18].

(2)

式中：D為脫鹽率，%；T為土壤初始鹽分含量，g/kg；E為生育期末土壤鹽分含量，g/kg。

1.3 數(shù)據(jù)處理

所得數(shù)據(jù)均用利用Microsoft Excel 2010、SPSS 19.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，Sigmaplot 12.5 完成制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 灌溉水對(duì)地下水位的影響

研究表明，2016～2018年地下水埋深整體變化趨勢(shì)相近。2016年4月、5月，溫度回升較快，土壤蒸發(fā)強(qiáng)烈，地下水位呈現(xiàn)明顯的降低趨勢(shì)，地下水埋深降低至-1.5 m左右；隨著6月的生育期灌溉，研究區(qū)地下水位整體抬升，T1、T2、T3處理地下水埋深分別比5月抬升了42.58 %、41.48 %、40.91 %。7月，各處理地下水位均有明顯降低，或許是由于該時(shí)期灌溉渠水不足，豎井抽取大量的地下水導(dǎo)致地下水埋深有所降低。8月、9月地下水埋深又有抬升趨勢(shì)，可能是因?yàn)槊藁ㄉ笃谛杷繙p少，對(duì)地下水的抽取量降低使得地下水埋深變淺，T3處理由于暗管的埋設(shè)，能夠?qū)倒苌喜康牡叵滤懦?，地下水位明顯低于其他處理。2017年地下水埋深變化趨勢(shì)與2016年相似，各時(shí)期整體地下水位均有降低，T1、T2、T3處理的地下水埋深均在6月最淺，分別為-1.12 、-1.27 和-1.22 m。2018年T1、T2、T3處理地下水埋深整體抬升幅度較大，但變化趨勢(shì)與2016、2017年趨勢(shì)相似，3月埋深分別為-0.86 、-0.66 和-0.89 m， 4月由于蒸發(fā)作用使得地下水埋深明顯降低， 5～6月地下水位呈現(xiàn)抬升趨勢(shì)，地下水埋深分別為-0.81 、-0.83 和-0.92 m。由于研究區(qū)降水稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，地下水埋深還是受區(qū)域農(nóng)業(yè)灌溉和豎井地下水抽取的影響較大。圖1

圖1 研究區(qū)2016 ～ 2018年地下水埋深變化Fig.1 Change of groundwater burial depth in the research area in 2016 - 2018

2.2 不同改良措施土壤鹽分含量變化

研究表明，T1、T2、T3處理在2016～2018年土壤鹽分含量總體呈降低趨勢(shì)。在2016年，T1處理表層(0～40 cm)土壤鹽分含量變化幅度較大，底層(40～80 cm)鹽分變化相對(duì)較為平緩，隨著6月灌溉量的增加，地下水水位隨之升高，強(qiáng)烈的農(nóng)田蒸散導(dǎo)致底層鹽分隨水上移[20]，0～40 cm土層鹽分含量明顯增加；T2處理的0～20 cm土層鹽分含量由最初4月的11.09 g/kg降低至9月的8.75 g/kg，20～40 cm土層鹽分含量由10.79 g/kg降低至8.20 g/kg，0～40 cm土層深度鹽分均呈現(xiàn)出較為明顯的降低趨勢(shì)，在40～80 cm土層深度鹽分變化較為平緩，且在2016年的6月由于人為灌溉導(dǎo)致地下水位升高，土壤鹽分含量呈現(xiàn)上升趨勢(shì)；T3處理與T2處理鹽分變化趨勢(shì)相似，其中，60～80 cm土層鹽分含量最高，鹽分在土壤底層表現(xiàn)為明顯的聚集現(xiàn)象，位于暗管上方的土層能夠通過排水將鹽分淋洗至暗管中降低土壤鹽分含量，但暗管周邊由于鹽分堆積，導(dǎo)致土層鹽分含量較高。

2017年，T1、T2、T3處理土壤剖面鹽分含量明顯低于2016年，其中，T1處理鹽分呈現(xiàn)“降低-升高-降低”的趨勢(shì)，各土層含鹽量均有不同程度的減少，表層(0～40 cm)土壤鹽分降低幅度要明顯大于底層；T2處理各層土壤鹽分含量呈下降趨勢(shì)，T3處理生育期土壤含鹽量同樣表現(xiàn)出下降趨勢(shì)，8月各層土壤鹽分含量均有升高，可能是與該時(shí)期地下水埋深的抬升以及強(qiáng)烈的地表蒸發(fā)有關(guān)，8月25日灌水后，土壤鹽分隨水下行，60～80 cm土層含鹽量增加。圖2

圖2 不同處理下2016～2018年各土層含鹽量變化Fig.2 Changes in soil salinity at different treatments soil layers in 2016-2018

2018年，T1、T2、T3處理下各層土壤鹽分含量在3～ 9月內(nèi)上下浮動(dòng)，變化幅度相較于2016年、2017年明顯變小，表明在經(jīng)過兩年的改良后，土壤內(nèi)部的鹽分已基本穩(wěn)定在較低的水平，整個(gè)生育期內(nèi)土壤鹽分變化不顯著，但由于作物生長發(fā)育時(shí)期所需的灌水內(nèi)含有鹽分，土壤內(nèi)部的鹽分會(huì)隨著灌水、農(nóng)田蒸散在生育期不斷的波動(dòng)，基本穩(wěn)定在一個(gè)較低的土壤鹽分水平上[21]。

2.3 不同改良措施對(duì)土壤脫鹽率的影響

研究表明，T1、T2、T3處理各個(gè)土層土壤鹽分含量均有不同程度的下降，各處理、各土層間的脫鹽率差異明顯。2016年由于灌溉措施對(duì)土壤鹽分的淋洗，各處理鹽分含量均有所降低，在0～20 cm土層，T2處理脫鹽率最高為21.10 %，高于T1、T3處理，其中T1處理脫鹽率為-4.87 %，T1處理在改良初期出現(xiàn)土壤表層返鹽現(xiàn)象；20～40 cm土層，各個(gè)處理的脫鹽率分別為9.16 %、24.10 %、6.97 %，T2處理脫鹽效果依舊優(yōu)于T1、T3處理，T1、T3處理差異不大；40～60 cm土層，各個(gè)處理脫鹽效果差異不明顯，T2處理脫鹽效果較好，脫鹽率為10.58 %；60～80 cm土層T2處理下土壤脫鹽率最高為12.08 %，其次是T1處理，脫鹽率為9.35 %，T3脫鹽效果最差。從0～80 cm土層平均脫鹽率來看，T2處理脫鹽效果明顯高于其他處理，脫鹽率為16.64 %，T1、T3處理脫鹽效果相近。在2017年，3個(gè)處理在各土層脫鹽率整體上優(yōu)于2016年，脫鹽效果均表現(xiàn)為表層優(yōu)于底層的趨勢(shì)，T1處理40～60 cm土層脫鹽率與2016年相近。從0～80 cm土層脫鹽率來看，T1處理下土壤脫鹽率明顯低于T2、T3處理；2018年，T2處理下底層土壤(40～80 cm)脫鹽效果明顯高于2016年，T1、T3處理下各層脫鹽率相比2016年略有下降，T1、T2、T3處理在0～80 cm土層脫鹽率分別為5.35 %、20.00 %、3.86 %，T2處理脫鹽效果明顯高于其他處理。表2

表2 不同處理不同土層的土壤脫鹽率Table 2 Soil desalination rate at different treatment and different soil layers

對(duì)比2016年生育初期與2018年生育末期鹽分變化，T1、T2、T3處理在各土層脫鹽率均超過36.40 %，3種處理下各土層均具有良好的脫鹽效果，0～80 cm土層脫鹽率分別為43.07 %、66.90 %、58.13 %，T1處理脫鹽率明顯低于T2、T3處理，根區(qū)隔離、暗管排水措施結(jié)合農(nóng)業(yè)改良措施以水鹽運(yùn)移為基礎(chǔ)進(jìn)行綜合改良，相較于單一的農(nóng)業(yè)改良措施具有較好的改良效果[22]。研究初期(2016年)對(duì)于鹽漬化土壤并未產(chǎn)生良好的改良效果，2017、2018年表現(xiàn)出較好的脫鹽效果，一方面是由于研究區(qū)土壤鹽分含量高，結(jié)構(gòu)性質(zhì)差、通水透氣性不強(qiáng)導(dǎo)致的改良初期脫鹽效果不理想，另一方面，農(nóng)業(yè)改良措施深翻、肥料投入和秸稈還田在一定程度上改善了土壤理化性狀，暗管排鹽、根區(qū)隔鹽措施起到了排鹽，抑制土壤返鹽的作用[23-24]，從而降低了土壤中的鹽分含量。

3 討 論

3.1 在干旱和半干旱地區(qū)，土壤鹽漬化是一種普遍現(xiàn)象，其形成受多種因素的影響，如成土母質(zhì)、氣候、地形、地下水以及人類活動(dòng)等[25-26]，其中，地下水埋深是鹽漬化土壤形成的決定性條件[27]。丁光曄等[28]研究表明土壤鹽分含量變化與地下水埋深有著緊密的聯(lián)系。地下水埋深能夠影響土壤鹽分含量變化，主要是由于強(qiáng)烈的地表蒸發(fā)作用使得地下水中的鹽分沿著土壤毛管上移，最終使鹽分在土壤中累積，從而加劇土壤鹽漬化現(xiàn)象[29]。鄭琦等[30]研究表明土壤中的鹽分含量變化與地下水埋深變化之間表現(xiàn)出顯著的相關(guān)性，這與研究相似。研究中，2016年4月平均地下水埋深為-1.28 m，隨后由于灌溉水的影響在4～6月呈現(xiàn)“降低-升高”趨勢(shì)，于6月達(dá)到-0.86 m，土壤中平均鹽分含量(0～80 cm)變化趨勢(shì)于地下水埋深相似，7月平均土壤鹽分含量與地下水埋深均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；2017年4月地下水埋深為-1.72 m，土壤平均鹽分含量為9.22 g/kg，8月地下水位升高至-1.45 m，平均土壤鹽分含量降低到6.27 g/kg；2018年也基本表現(xiàn)出相近的趨勢(shì)，在整個(gè)生育期，土壤中平均鹽分含量(0～80 cm)與地下水埋深之間的變化，證明地下水位的連續(xù)性變化與降水以及連續(xù)的農(nóng)業(yè)灌溉之間具有直接關(guān)系。圖3

3.2 不同的鹽漬化改良措施對(duì)土壤剖面鹽分含量變化具有直接的影響，祝榛等[31]研究表明埋設(shè)暗管配合地面灌溉能夠有效降低土壤鹽分，且不同的埋深暗管處理脫鹽效果均表現(xiàn)出表層大于底層，劉玉國等[32]研究表明通過暗管排水處理后，中度鹽漬化土壤改良后電導(dǎo)率均低于2.98 dS/m，有效的降低了土壤中的鹽分含量，且表層脫鹽效果最為明顯，研究中2016～2018年T3處理0～20、20～40、40～60、60～80 cm土層脫鹽率分別為67.97%、54.81%、57.54%、52.92%，表層脫鹽效果最好，并且研究在40～80 cm土層平均脫鹽率均大于50.00%，暗管排水能夠有效改善土壤整體鹽漬化現(xiàn)象，對(duì)于具有較強(qiáng)的鹽漬化改良效果。根區(qū)隔離通過設(shè)置隔離墊層阻斷了上下層之間的毛管水聯(lián)系，使土壤中的水鹽運(yùn)移現(xiàn)象在隔離墊層附近受到抑制，從而在一定程度上能夠緩解表層土壤中的鹽分累積[33]。研究中2016～2018年根區(qū)隔離處理脫鹽效果表現(xiàn)出表層低于底層，其主要原因可能是實(shí)驗(yàn)設(shè)置過程中隔離墊層較深，由于灌溉措施的進(jìn)行導(dǎo)致的地下水位上升[34]與耕層底部接觸，地下水中的鹽分隨著地表蒸發(fā)作用上移至表層土壤，導(dǎo)致表層土壤脫鹽率低于底層。

研究中農(nóng)業(yè)改良措施、根區(qū)隔離措施、暗管排水措施均能夠?qū)}漬化土壤起到良好的改良效果。武永智等[35]研究表明農(nóng)業(yè)改良措施的應(yīng)用，能夠有效的減少土壤水分蒸發(fā)、控制地表積鹽以及改善土壤理化性質(zhì)，在一定程度上能夠提高農(nóng)業(yè)中水利工程措施的改良效益[36]，與研究結(jié)果相符。研究認(rèn)為根區(qū)隔離、暗管排水措施結(jié)合農(nóng)業(yè)改良措施水鹽運(yùn)移為基礎(chǔ)進(jìn)行綜合改良，相較于單一的農(nóng)業(yè)改良措施具有較好的改良效果。在實(shí)際的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中可根據(jù)農(nóng)田表現(xiàn)出的鹽漬化現(xiàn)象結(jié)合環(huán)境條件進(jìn)行改良措施的選擇，在改良前期可利用農(nóng)業(yè)改良措施如：秸稈還田、種植耐鹽堿作物和深耕深翻等進(jìn)行土壤結(jié)構(gòu)性質(zhì)改良，而后通過根區(qū)隔離或暗管排水措施進(jìn)行下一階段的改良。從地下水埋深結(jié)合土壤脫鹽效果對(duì)各種不同改良措施進(jìn)行比對(duì)，但是針對(duì)不同程度的土壤鹽漬化現(xiàn)象，制定合理的改良措施結(jié)合方案，達(dá)到鹽漬化土壤精準(zhǔn)治理，還需進(jìn)一步探究。

4 結(jié) 論

4.1 農(nóng)業(yè)改良措施、根區(qū)隔鹽措施以及暗管排水措施在作物生育期內(nèi)地下水埋深變化趨勢(shì)相似，生育期灌溉對(duì)地下水埋深具有一定的影響，暗管排水措施能夠?qū)倒苌蠈铀峙懦觯瑢?duì)地下水埋深具有一定的調(diào)節(jié)作用。

4.2 根區(qū)隔離、暗管排水措施結(jié)合農(nóng)業(yè)改良措施均能夠有效降低土壤鹽分，不同土層土壤鹽分含量變化存在差異，農(nóng)業(yè)改良措施在0～80 cm土層整體鹽分含量降幅較低，暗管排水措施在表層(0～40 cm)土壤鹽分含量降幅最大為6.30 g/kg，根區(qū)隔離措施底層(40～80 cm)土壤鹽分含量降低了8.92 g/kg，降幅最大。

4.3 2016年各處理脫鹽率在-4.87%～24.10%，2017年研究區(qū)脫鹽率大幅度提升，農(nóng)業(yè)改良措施、根區(qū)隔離措施、暗管排水措施耕層(0～80 cm)土壤平均脫鹽率分別為30.67%、63.30%、52.47%，土壤平均鹽分含量下降至4.82 g/kg，2018年農(nóng)業(yè)改良措施、根區(qū)隔離措施以及暗管排水措施在0～80 cm土層脫鹽率分別為5.28%、20.00%和3.89%。