典型荒漠植物梭梭在咸水滴灌條件下土壤水鹽運(yùn)移特性

劉賽華，楊廣 *，張秋英，何新林，薛聯(lián)青，王澤林，李發(fā)東，任富天

典型荒漠植物梭梭在咸水滴灌條件下土壤水鹽運(yùn)移特性

劉賽華1，楊廣1*，張秋英2，何新林1，薛聯(lián)青3，王澤林1，李發(fā)東4,5，任富天1

（1.石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院/現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆石河子 832000；2.中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012；3.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，南京 210098；4.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101；5.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

咸水；梭梭；水鹽運(yùn)移；水化學(xué)特性

0 引言

我國西北干旱區(qū)水資源緊缺，生態(tài)環(huán)境脆弱，農(nóng)業(yè)用水比重高達(dá)90%以上。近年來，隨著社會的發(fā)展及農(nóng)業(yè)規(guī)模的進(jìn)一步擴(kuò)大，水資源供需矛盾進(jìn)一步加劇，生態(tài)環(huán)境局部退化。我國咸水資源儲量豐富，主要分布在東南沿海及西北干旱區(qū)，可開發(fā)的潛力巨大[1-2]。梭梭（）作為我國西北干旱區(qū)廣泛分布的優(yōu)生荒漠植物，也是生態(tài)植物對維持生態(tài)平衡有著重要的作用[3-4]，同時(shí)具有良好的耐鹽特性，因此開展咸水滴灌荒漠植物梭梭對于水資源的可持續(xù)利用及生態(tài)建設(shè)具有重要意義[5]。

咸水灌溉對土壤水鹽分布及作物生長有著重要的影響，鹽分帶入土壤，會造成土壤鹽漬化。國內(nèi)很多學(xué)者對微咸水灌溉條件下玉米、小麥、番茄等主要農(nóng)作物進(jìn)行了研究[6-8]，其中，張余良等[9]對長期微咸水灌溉條件下耕地土壤理化性質(zhì)的研究，表明長期灌溉微咸水導(dǎo)致土壤表層鹽分積累，土壤理化性質(zhì)趨于惡化，土壤入滲速度降低。土壤含鹽量過高，會導(dǎo)致土壤潛在鹽堿化。將咸水用于灌溉生態(tài)植物梭梭，能有效利用水資源，在一定礦化度下研究土壤水鹽分布特征，發(fā)現(xiàn)土壤積鹽不會影響梭梭的生長。周智彬等[10]對塔克拉瑪干沙漠腹地長期用4 g/L 的咸水灌溉梭梭研究發(fā)現(xiàn)，雖然土壤積鹽，但不影響梭梭的正常生長，說明咸水對綠洲荒漠造林是可行的。劉江濤等[11]利用Piper 三線圖和主要離子比值關(guān)系分析地下水化學(xué)組成的時(shí)空分布特征及區(qū)域水化學(xué)類型及其形成的主要控制因素，有助于了解區(qū)域地下水循環(huán)過程。長期灌溉咸水會降低土壤含水率的入滲，灌溉水濃度達(dá)到某一臨界值時(shí)，鹽分在一定深度的土層內(nèi)顯著聚集，影響植物生長[12-15]。分析咸水滴灌下對土壤水分和鹽分運(yùn)移的特性，指定咸水灌溉水鹽調(diào)控灌溉制度，對于緩解干旱區(qū)水資源緊缺具有重要意義[16]。在已有的研究成果，對微咸水灌溉分析土壤水鹽運(yùn)移影響，所研究的鹽分梯度少，對于復(fù)合鹽分組成的不同礦化度咸水灌溉生態(tài)植物的土壤水鹽運(yùn)移方面的研究較

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地位于天山北麓準(zhǔn)噶爾盆地南緣，新疆石河子市西郊石河子大學(xué)農(nóng)試場二連現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點(diǎn)試驗(yàn)室（東經(jīng)85°59′，北緯44°19），平均海拔高度約400 m。試驗(yàn)于2018 年5—9 月在石河子大學(xué)現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點(diǎn)試驗(yàn)室（E85°59′，N44°19）進(jìn)行，平均海拔高度約400 m，屬于典型的干旱少雨溫帶大陸性氣候，年降水量125.0~207.7 mm，年平均蒸發(fā)量1 000~1 500 mm，平均氣溫25.1~26.1 ℃，全年日照時(shí)間2 797.5 h，蒸發(fā)量1 500 mm 左右[17]。

表1 2018 年氣象狀況

Table 1 Meteorological conditions in 2018

表2 測坑土壤體積質(zhì)量與田間持水率

Table 2 Measuring pit soil bulk density and field water holding capacity

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)以梭梭為供試植物，供試土壤為沙土。選擇人工移栽2a生的荒漠植物梭梭，在測坑內(nèi)種植梭梭。測坑規(guī)格為3 m×2 m×2 m，四周側(cè)壁進(jìn)行防滲處理，底部設(shè)30 cm 反濾層，每個(gè)測坑種植植株4 棵。土壤平均體積質(zhì)量為1.46 g/cm3，田間持水率為19.13%（質(zhì)量含水率），滴灌礦化度設(shè)5個(gè)處理，分別為1、3、6、9、12 g/L，每個(gè)礦化度處理設(shè)3 次重復(fù)。測坑土壤初始含鹽量為0.35%。灌水方式為滴灌，滴頭流量為7.9～10.5 L/h。滴頭布置于距植物基徑約5 cm。根據(jù)準(zhǔn)噶爾南緣莫索灣灌區(qū)地下水的主要組成成分，灌溉水溶液為人工配置而成，所配化學(xué)藥品NaHCO3、Na2SO4、NaCl、CaCl2、MgCl2的質(zhì)量比例為1∶7∶8∶1∶1。梭梭的灌水下限為相對田間持水率的30%～40%，灌水上限為相對田間持水率80%，灌水周期為15 d/次，灌水定額為30 L/株。

圖1 滴灌布置方案圖

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 土壤水分和鹽分

土壤含水率在室內(nèi)采用烘干法測定。將土壤剖面分為0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm這5個(gè)采樣區(qū)間進(jìn)行土壤含水率的測定，A到E表示5種不同礦化度的咸水。每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)，例如A-1、A-2 和A-3（圖1）。在灌水前收集所有深度區(qū)間的土樣，用土鉆取土樣。測量土壤的鹽分，將烘干的土壤楊平磨碎后，用5 mm的篩子篩土，土樣風(fēng)干后，采用1:5的土水比來浸提土樣，然后采用上海雷磁DDS-11A電導(dǎo)儀測定土壤電導(dǎo)率（EC）。

1.3.2 土壤離子

1.4 數(shù)據(jù)分析

使用Origin (Edwards 2002)進(jìn)行方差分析（ANOVA）。采用Tukey’s HSD 檢驗(yàn)進(jìn)行多重比較，檢驗(yàn)不同方法之間的顯著性差異，當(dāng)≤0.05時(shí)，差異性被認(rèn)為具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。舒卡列夫法進(jìn)行水化學(xué)分類和Piper 三線圖處理數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水分運(yùn)移分析

土壤的水分運(yùn)移是水分在土壤中循環(huán)的重要過程，影響著荒漠植被的生長，降雨、太陽輻射和灌溉等都會對土壤的水分產(chǎn)生影響[18-19]。由圖2 可見，咸水灌溉梭梭土壤水分分布具有明顯的分層現(xiàn)象。在表層（0～20 cm）土壤中，土壤含水率有明顯波動(dòng)，主要是由于表層土壤接近地表，受灌溉，蒸發(fā)，降水等因素影響，含水率變化劇烈[20]；深層（80～100 cm）土中，由于積鹽量較大，鹽分脅迫影響植物根系吸水，土壤含水率緩慢降低，但波動(dòng)性不大，深層土壤很難受外界因素影響，含水率相對穩(wěn)定。5 月灌水后，在不同礦化度處理下土壤含水率沒有明顯的波動(dòng)，主要由于氣溫較低，蒸發(fā)較弱7 月中旬土壤含水率呈現(xiàn)最高值，主要由于在氣溫強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用下，植被需水急劇上升，土壤含水率總消耗量在增加。由圖2 可以看出，隨礦化度的增大，同一深度下礦化度為6 g/L的土壤含水率最大，礦化度增大到9 g/L 和12 g/L 時(shí)土壤含水率不再增加，反而降低，這是由于土壤鹽分脅迫使得土壤結(jié)構(gòu)受到一定程度的破壞，從而影響梭梭對土壤水分的吸收能力。

2.2 土壤鹽分運(yùn)移分析

土壤含鹽量直接影響梭梭成活及生理生長。在試驗(yàn)條件下，灌溉水的礦化度會影響梭梭主根區(qū)的含鹽量，含鹽量過高會引起根系鹽脅迫，影響梭梭對水分的有效利用。圖3 顯示了不同礦化度處理對土壤含鹽量分。在梭梭生長階段，1、3、6、9、12 g/L 礦化度咸水灌溉后不同深度土壤含鹽量的變化趨勢相似。5、6月時(shí)，由于初期灌水量少，帶入土壤中的鹽分較少，而且降雨對土壤鹽分的淋洗，土壤中含鹽量下降；進(jìn)入7月，正是干旱地區(qū)最熱的季節(jié)，干旱少雨，大量咸水灌溉，土壤鹽分缺乏淡水淋洗，土壤鹽分逐漸累積。在20～60 cm 土層中，礦化度為3、6 g/L 咸水進(jìn)行滴灌時(shí)，含鹽量逐漸下降，說明在梭梭生長期未出現(xiàn)鹽分積累，甚至還有脫鹽現(xiàn)象。不斷地累積灌溉，積鹽現(xiàn)象逐步顯現(xiàn)出來，在60～80 cm 土層處，整個(gè)生育期內(nèi)9、12 g/L 咸水灌溉后土壤內(nèi)均積鹽，最高積鹽量分別比6 g/L 咸水灌溉高1.4、2.1 g/kg?？梢钥闯?，在60～80 cm 深度處積鹽量最高，“鹽隨水動(dòng)”上層土壤鹽分隨著灌溉水向下遷移，滴灌過程中將鹽分帶入濕潤區(qū)最邊緣土層聚集，在土壤濕潤鋒處的含鹽量最大[21]。

2.3 土壤離子變化

咸水滴灌入滲帶入一定量鹽分離子與土壤膠體顆粒間發(fā)生著物理化學(xué)變化，影響土壤結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致土壤鹽漬化。離子毒害主要是由于植物攝取了過量的Na+、Cl-、K+等離子，土壤中的鈉離子量是反映土壤鹽分的重要指標(biāo)[22-23]。不同礦化度處理梭梭土壤8大離子如圖4 所示。在土壤表層0～20 cm，不同礦化度處理下，土壤中陽離子中K+、Na+量最高，陰離子中SO42-量最高，HCO3?量最低，表3為不同礦化度處理下土壤離子量。

由圖4可知，土壤表層0～20 cm，隨著礦化度不斷增加，各離子量不同程度增加。咸水中的分布及離子量變化關(guān)系分析，SO42-、Cl-、K++Na+是咸水化學(xué)組成中占主導(dǎo)作用，離子的量是隨礦化度增加顯著增加，其他離子量變化不明顯；由于灌溉水礦化度越大，帶入土壤鹽分量越多，，SO42-、Cl-、K++Na+離子濃度就越大，影響植物生長。

2.4 土壤pH值

土壤鹽分增加可能導(dǎo)致土壤鹽漬化。隨灌水礦化度的升高，土壤鹽分離子量的相對比例發(fā)生變化，因而會影響其pH 值[24]。不同礦化度對土壤pH 值變化如圖5 所示，隨著礦化度升高，土壤pH 值增加，礦化度超過6 g/L 時(shí)，土壤pH 值升高至8.5 左右。深度在0～40 cm，60～80 cm 土壤pH 值變化明顯，其礦化度為1、3、6 g/L，pH 值變化范圍在0.25 左右，礦化度為9、12 g/L 時(shí)，pH 值變化范圍在0.58。

圖5 不同礦化度咸水灌溉土壤pH值

表3 不同礦化度處理下土壤離子量

Table 3 Soil ion content under different salinity treatments

注 小寫字母代表在0.05 水平差異顯著。

Note Lowercase letters represent the significance difference at 0.05.

2.5 土壤水化學(xué)特征

圖6 不同礦化度處理土壤水化學(xué)piper 三線圖

3 討論

3.1 咸水灌溉對土壤水分的影響

含水率是土壤重要物理性狀之一，是作物良好生長發(fā)育的基礎(chǔ)，是評價(jià)土壤滲透性能和影響作物生長狀況的重要指標(biāo)[26-29]。不同礦化度（1、3、6、9、12g/L）處理下的土壤含水率如圖3所示。隨著灌溉水礦化度的增大，土壤含水率不斷增加，當(dāng)?shù)V化度大于6 g/L 時(shí)，含水率隨著礦化度的升高而減小。主要是隨著礦化度增大，滴灌過程中土壤中的Na+數(shù)量會增多，Na+的存在會引起土壤顆粒的膨脹和分散，在干濕交替作用下改變土壤物理特性[30]，使土壤的透水性和透氣性變差。吳忠東等[22]研究表明，同一土層中礦化度為3 g/L 的入滲水土壤含水率最大，礦化度進(jìn)一步增大到3.5 g/L和4.3 g/L時(shí)土壤含水率并未有增大現(xiàn)象，反而略有減小即相同濕潤鋒深度，土壤含水率反而與入滲水礦化度負(fù)相關(guān)。

3.2 咸水灌溉對土壤鹽分的影響

高礦化度咸水長期灌溉導(dǎo)致深度0～100 cm土壤有明顯積鹽，鹽分呈底聚型分布，咸水灌溉帶入的鹽分與土壤本身化學(xué)元素及土壤顆粒發(fā)生相互作用，改變土壤理化性質(zhì)，導(dǎo)致土壤水分和鹽分運(yùn)移規(guī)律的變化，影響土壤水分和鹽分分布。隨著礦化度的升高，土壤中Na+數(shù)量也隨之增加，Na+是引起土壤退化的主要鹽分，是影響土壤鹽化和堿化的主要離子。土壤堿度變化也與灌溉水礦化度有關(guān)，長期高礦化度咸水灌溉會導(dǎo)致土壤堿化。許多研究發(fā)現(xiàn)[31-34]，滴灌土壤濕潤區(qū)將鹽分推移到濕潤鋒附近，使其含鹽量增加；長期滴灌條件下，土壤濕潤鋒處的鹽分積累是造成土壤次生鹽堿化的原因之一。Ben等[35]研究發(fā)現(xiàn)咸水灌溉導(dǎo)致土壤鹽分顯著增加。這與本研究的結(jié)果一致。

4 結(jié)論

1）在垂直條件咸水滴灌下，同一深度處，礦化度以6 g/L 為界，土壤含水率呈現(xiàn)先隨礦化度增加而增加，而后隨礦化度的升高而減小的規(guī)律，高礦化度帶入的鹽分及離子數(shù)量影響土壤的持水與導(dǎo)水能力。

2）咸水滴灌梭梭土壤含鹽量與灌水礦化度呈正相關(guān)，灌溉不同咸水會引起土壤含鹽量的不同，其影響的大小排列順序?yàn)椋?2 g/L>9 g/L>6 g/L>3 g/L>1g/L，在垂直方向60～80 cm 深度處積鹽量最高，可達(dá)6.2 g/kg，體現(xiàn)灌溉礦化度越高，土壤含鹽量也越高的特性。

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Experimental Study on Water and Solute Movement in Soil Grown with Desert Plantunder Drip Irrigation Using Saline Water

LIU Saihua1, YANG Guang1*, ZHANG Qiuying2, HE Xinlin1, XUE Lianqing3, WANG Zelin1, LI Fadong4,5, REN Futian1

（1. School of Water Conservancy and Architectural Engineering, Shihezi University/Key Laboratory of Modern Water-saving Irrigation Corps, Shihezi 832000, China; 2. Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China;3. College of Hydrology and Water Resources, Hohai University, Nanjing 210098, China; 4. Institute of Geography and Resources,Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China; 5. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

saline water; haloxylon ammodendron; water and salt migration; hydro-chemical property

S153.5

A

10.13522/j.cnki.ggps.2019186

1672 - 3317（2020）01 - 0052 – 09

2019-08-22

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41601579，U1803244）；國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃專項(xiàng)（2017YFC0404303）；兵團(tuán)中青年科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才項(xiàng)目（2018CB023）；兵團(tuán)優(yōu)秀青年教師項(xiàng)目（CZ027204）；石河子大學(xué)青年創(chuàng)新人才項(xiàng)目（CXRC201801）

劉賽華（1995-），女。碩士研究生，主要從事干旱區(qū)生態(tài)水文方向的研究。E-mail:1321751104@qq.com

楊廣（1983-），男，河北新樂人。副教授，主要從事干旱區(qū)生態(tài)水文方向的研究。E-mail:mikeyork@163.com

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責(zé)任編輯：趙宇龍