水平翻耕措施對覆膜滴灌土壤水鹽分布調(diào)控效果研究

陳文娟 李明思 秦文豹 徐亞南 聶錦杰 梁萌帆

(石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，石河子 832003)

0 引言

覆膜滴灌技術(shù)的應(yīng)用使膜下土壤中的鹽分被定向排至濕潤鋒周圍及膜間裸地，形成鹽分表聚，造成土壤次生鹽堿化[1-2]。然而，生產(chǎn)實踐表明，鹽堿地采用膜下滴灌技術(shù)后，耕作層土壤鹽堿含量逐年下降、作物產(chǎn)量逐步上升[3-4]。靳姍姍[5]對不同質(zhì)地(沙土、壤土、粘土)的農(nóng)田土壤鹽分分布情況進行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)當(dāng)年開墾的不同質(zhì)地農(nóng)田經(jīng)過1年的膜下滴灌后，其0～30 cm土層含鹽量明顯下降，后期年內(nèi)和年間的土壤鹽分分布基本處于動態(tài)平衡狀態(tài)。文獻[6-10]通過研究不同開墾年限土壤的鹽分演變規(guī)律也得到相似結(jié)論，認為在膜下滴灌條件下，荒地開墾初期土壤剖面含鹽量明顯降低，隨著開墾年限的增加，土壤中累積的含鹽量逐漸減少，并最終趨于穩(wěn)定狀態(tài)。對于產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因，普遍認為是由于灌溉的淋洗作用造成了土壤含鹽量的降低。李朝陽等[11]研究發(fā)現(xiàn)，由于各滴灌年限內(nèi)滴灌帶鋪設(shè)位置的差異，膜內(nèi)脫鹽區(qū)和膜外積鹽區(qū)在下一年發(fā)生位置互換，促使農(nóng)田上層土壤含鹽量有下降趨勢。

翻耕技術(shù)作為一種處理農(nóng)田土壤普遍的機械手段，不僅可以增加土壤的蓄水保墑能力、提高土壤的呼吸速率，還能夠有效改善土壤的耕層結(jié)構(gòu)。文獻[12-18]對翻耕措施影響農(nóng)田土壤問題進行了相關(guān)研究，認為翻耕不僅可以更好地提高土壤水分利用效率、增加耕層土壤孔隙度、消除土壤斥水性，還有利于增大土壤中非吸附性溶質(zhì)的淋失，為作物根系生長創(chuàng)造有利環(huán)境。李文鳳等[19]利用染色劑法對免耕及秋耕處理的土壤進行研究，發(fā)現(xiàn)秋耕使土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，土壤滲透率及滲透深度都明顯小于免耕處理；翟振等[20]研究了翻耕措施對土壤物理性質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)翻耕能夠有效降低耕層土壤容重和穿透阻力，明顯增加降水或灌溉后的水分入滲量；崔建平等[21]對土壤進行了不同翻耕深度(20、40、60 cm)的處理，發(fā)現(xiàn)翻耕深度的增加有利于降低0～20 cm耕層土壤的含鹽量。

眾多學(xué)者對不同耕種年限的膜下滴灌土壤水鹽分布以及翻耕對土壤物理性狀的影響進行了大量研究[22-26]，但對于土壤含鹽量隨著耕種年限的延長而呈降低趨勢的現(xiàn)象，普遍認為是灌溉作用導(dǎo)致的結(jié)果，很少有學(xué)者關(guān)注翻耕對覆膜滴灌土壤鹽分分布的影響。水利改良是治理土壤鹽堿化過程中必不可少的先決條件，翻耕也是新疆農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中普遍應(yīng)用的技術(shù)措施。本文通過室內(nèi)土槽試驗與田間試驗相結(jié)合的方法，研究滴灌技術(shù)與翻耕措施結(jié)合對土壤鹽分產(chǎn)生的調(diào)控效果，觀測和分析覆膜滴灌土壤中水鹽在不同翻耕措施下的變化機理，為解決膜下滴灌條件下裸地土壤鹽分表聚問題提供思路，同時為滴灌條件下翻耕措施的合理使用提供參考。

1 材料與方法

1.1 室內(nèi)試驗

1.1.1試驗材料

試驗于2016年6月—2017年5月在石河子大學(xué)水利與土木工程實驗中心(86°3′31″E，44°18′21″N，海拔451 m)進行。試驗所用玻璃土槽長×寬×高為100 cm×20 cm×80 cm。土槽底部鋪置20 cm厚礫石墊層模擬透水界面，墊層上覆多孔PVC隔板(孔距50 mm)，板厚10 mm。具體土槽結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 土槽結(jié)構(gòu)與取樣點分布圖

供試土壤取自石河子大學(xué)實驗農(nóng)場。比重計法分析土壤物理粘粒(粒徑0～0.01 mm)質(zhì)量分數(shù)為26.91%，根據(jù)卡慶斯基土壤質(zhì)地分類法，可定為中壤土。土壤干容重為1.45 g/cm3、田間持水率(質(zhì)量含水率)為26.46%、風(fēng)干含水率(質(zhì)量含水率)為1.92%。無水硫酸鈉溶解后用淋噴的方法對試驗用土進行配鹽，配鹽后的土壤含鹽量為33.50 g/kg，根據(jù)土壤鹽分分級標(biāo)準[27]，可定為輕鹽化土壤。滴灌水礦化度為0.35 g/L。

1.1.2試驗方法

試驗所用土壤經(jīng)碾壓、粉碎及風(fēng)干處理，過2 mm篩去除雜質(zhì)，拌均勻后按設(shè)計容重(體積質(zhì)量1.45 g/cm3)分層裝填土槽。每次裝填時，將土壓實至5 cm厚度，最終填土至60 cm高度。在土體表面的中間位置覆蓋30 cm×20 cm(長×寬)規(guī)格的地膜(圖1)。距表土55 cm處懸掛275 W紅外輻射燈，以增加表土蒸發(fā)強度，輻射燈于10:00—21:00為打開狀態(tài)。自制微型土壤蒸發(fā)器測表土蒸發(fā)量。醫(yī)用吊瓶和針頭模擬滴灌供水系統(tǒng)進行單點源入滲試驗。試驗過程中，滴頭流量控制為1.8 L/h，每次灌水量均控制為55 mm。

設(shè)置水平翻耕處理(Tillage，T)與免耕處理(No tillage，NT)進行對照試驗，觀測土壤隨翻耕次數(shù)或免耕灌水次數(shù)的增加其含鹽量的變化情況。根據(jù)土壤宜耕性原則，當(dāng)0～20 cm土層的土壤含水率達到田間持水率的40%～60%時[28]，采用膜外與膜內(nèi)土壤互換的方式進行翻耕，依據(jù)西北地區(qū)氣候條件及農(nóng)田初級耕作與次級耕作對翻耕深度的要求[28]并結(jié)合本試驗所用土壤質(zhì)地，將翻耕深度定為15 cm左右。試驗共進行3次翻耕，分別標(biāo)注為T1、T2、T3；翻耕前的狀態(tài)標(biāo)注為T0。每次翻耕間隔7～11 d不等，翻耕后采用順耙的方法[29]將翻耕土壤耙平，再次覆膜進行灌水。翻耕處理重復(fù)3次。對照處理(NT)只灌水不翻耕，與翻耕處理(T)同時段進行，共灌水4次，分別標(biāo)注為NT1、NT2、NT3、NT4；對照處理重復(fù)2次。由于試驗是在室內(nèi)進行，試驗過程中測得各處理土壤的日平均蒸發(fā)強度比較穩(wěn)定(表1)。

表1 不同處理下土壤的日平均蒸發(fā)強度

1.1.3測定指標(biāo)與方法

灌水結(jié)束96 h后，用直徑1 cm的土鉆分別在與滴頭水平距離0 cm(膜內(nèi))、10 cm(膜內(nèi))、25 cm(膜外)及40 cm(膜外)處取樣，取樣深度分別為0～2 cm、2～5 cm、5～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、40～50 cm、50～60 cm，具體取樣點位置分布見圖1。

所取土樣用于測定不同翻耕措施處理下土壤的含水率及含鹽量。干燥法測定土壤含水率；土壤浸提液電導(dǎo)率法測定土壤含鹽量(DDS-11A型數(shù)顯電導(dǎo)率儀，上海雷磁創(chuàng)益儀器儀表有限公司)，干燥殘渣法標(biāo)定土壤電導(dǎo)率與土壤含鹽量之間的關(guān)系，標(biāo)定結(jié)果為

C1=0.000 03Ec+0.014 6 (R2=0.992 4,n=62)

(1)

式中C1——土槽試驗土壤含鹽量，g/kg

Ec——土壤浸提液電導(dǎo)率，μS/cm

n——樣本數(shù)

分析不同耕作措施處理下土壤的含鹽量相對于初始含鹽量(土壤本底值)的變化率，評估土壤的積鹽或脫鹽程度，計算方法為

(2)

式中ω1——試驗后土樣鹽分質(zhì)量，g

ω0——初始土壤鹽分質(zhì)量，g

η——鹽分相對變化率，%，正值表示土壤積鹽率，負值則表示土壤脫鹽率

1.2 田間試驗

1.2.1試驗地概況

田間試驗于2019年3—9月在新疆維吾爾自治區(qū)庫爾勒市普惠農(nóng)場(85°52′E，41°25′N，海拔880 m)進行。該區(qū)常年干旱少雨、蒸發(fā)強烈，自動氣象站(中科正奇科技有限公司)測定試驗期間空氣溫度及降水情況(總降雨量69 mm)，結(jié)果如圖2所示。

圖2 試驗期間大氣溫度及降雨量分布

試驗地土壤為沙質(zhì)壤土，田間持水率(質(zhì)量含水率)28.67%，孔隙率45.75%。根據(jù)當(dāng)?shù)孛藁ǚN植模式，苗期不進行灌水，為保證棉花苗期的正常生長并減少鹽分對幼苗的脅迫，2018年12月對棉田進行冬灌，冬灌水量為300 mm，灌溉水礦化度為1.21～1.94 g/L。春耕后用100 cm3環(huán)刀測定0～40 cm土層土壤容重，結(jié)果如表2所示。生育期內(nèi)的滴灌用水取自井水(礦化度為1.54 g/L)。試驗小區(qū)0～100 cm土層含鹽量為2.96～8.66 g/kg。試驗期間測得該區(qū)地下水平均埋深2.45 m，礦化度3.80～7.40 g/L。

表2 不同翻耕方式處理下田間各土層土壤容重

圖3 田間試驗棉花、滴灌管、地膜配置模式示意圖及取樣點分布圖

1.2.2試驗方法

田間試驗同樣設(shè)置水平翻耕(T*)與免耕(NT*)兩種耕作方式處理。其中，T*處理的試驗區(qū)面積為240 m2；4月15日采用水平翻耕方式進行春耕作業(yè)，翻耕深度為滴灌棉田采取的常規(guī)翻耕深度20 cm；棉花生育期內(nèi)共進行3次膜外(間)中耕(5月11日、5月30日、6月25日)，中耕犁刀的深度可達25 cm。NT*處理的棉田不春耕，直接播種；棉花生長期間也不進行中耕，試驗區(qū)面積480 m2。

試驗地種植作物為棉花，2019年4月16日播種，品種為“新陸中”系列。根據(jù)當(dāng)?shù)孛藁ǚN植及灌溉模式，采用“一膜一管四行”的方式對棉花進行種植和灌溉，覆膜寬度115 cm，膜外(間)、膜內(nèi)寬行、膜內(nèi)窄行的間距分別為30、55、25 cm，株距10 cm。采用內(nèi)徑16 mm、滴頭間距30 cm的單翼迷宮式滴灌帶進行滴灌作業(yè)，滴灌帶鋪設(shè)于膜下寬行中間位置，滴頭設(shè)計流量為2.2 L/h，具體種植模式見圖3。試驗期間對各處理均灌水8次，首次灌水定額均設(shè)置為55 mm，后期灌水定額均設(shè)置為60 mm，生育期內(nèi)的總灌水量均為475 mm。

1.2.3測定指標(biāo)與方法

田間試驗在土壤翻耕(包括春耕及中耕)前后及每次灌水前1天及灌水后第2天用鉆頭直徑5 cm的螺旋土鉆分別在膜內(nèi)寬行、膜內(nèi)窄行及膜外(間)裸地位置取土樣，取樣深度分別為0～5 cm、5～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm。具體取樣點位置分布見圖3。每個處理均選取固定點設(shè)置3組重復(fù)。干燥殘渣法標(biāo)定土壤電導(dǎo)率與土壤含鹽量之間的關(guān)系

C2=0.000 05Ec-0.019 4 (R2=0.981 2,n=60)

(3)

式中C2——田間試驗土壤的含鹽量，g/kg

分別在5月下旬定苗后及8月下旬灌水結(jié)束后，計算不同翻耕措施處理下棉花的出苗率及有效株占比率，計算公式為

η′=n′/N×100%

(4)

ξ=ω/γ×100%

(5)

式中η′——出苗率，%

n′——單位面積出苗數(shù)，株/m2

N——單位面積播種數(shù)，株/m2

ξ——有效株占比率，%

ω——單位面積有效株數(shù)，株/m2

γ——種植密度，株/m2

1.3 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2003處理，SPSS 20.0軟件進行不同翻耕措施處理下土壤水鹽分布的差異性分析，Excel 2003及Photoshop CC軟件進行相應(yīng)圖表的繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 翻耕措施對土壤含水率分布特征的影響

室內(nèi)物理試驗結(jié)果顯示，不同翻耕措施處理下的膜內(nèi)土壤始終保持較高的含水率，其中，T處理的膜內(nèi)上層土壤含水率高于對照處理，而膜內(nèi)下層土壤含水率小于對照處理。各處理膜外土壤的含水率均比膜內(nèi)土壤的含水率低(圖4)。

深度方向，不同耕作措施處理下膜內(nèi)土壤平均含水率分布差異性不顯著(滴頭下方P=0.400，距滴頭10 cm處P=0.586)，但局部土層含水率分布規(guī)律略有不同。對于0～20 cm土層，T處理的膜內(nèi)耕層土壤平均含水率比NT處理的耕層土壤平均含水率高3.66個百分點。另外，T處理滴水點處0～20 cm土層的平均含水率比距滴頭10 cm處相同深度的土壤平均含水率高1.87個百分點；而NT處理由于薄膜邊緣對土壤水分運動產(chǎn)生阻擋，導(dǎo)致滴水點處0～20 cm土層的平均含水率卻比距滴頭10 cm處土壤的平均含水率低0.74個百分點。

各處理膜內(nèi)20 cm以下土層深度的含水率分布特點與20 cm以上土層的含水率分布特點相反。滴頭下方及距滴頭10 cm處，不同耕作措施處理下的土壤平均含水率分布有顯著差異(滴頭下方P=0.052，距滴頭10 cm處P=0.054)(圖4a、4b)，這與翻耕深度相一致，T處理膜內(nèi)下層土壤平均含水率比NT處理的土壤平均含水率低4.13個百分點。這進一步表明，T處理可提高膜內(nèi)局部土層(耕層)的蓄水能力，降低其向膜外土壤的水平擴散及向深層土壤的垂直入滲速度。

距滴頭25 cm處的膜外土壤，T處理下的土壤平均含水率與NT處理相比差異性不顯著(P=0.072)，但距滴頭40 cm處，兩者之間的土壤含水率分布有顯著差異(P=0.028)，且T處理的膜外土壤含水率始終小于NT處理(圖4c、4d)。其中，距滴頭25 cm處，T處理(T0～T3)的平均含水率分別比相同時段內(nèi)NT處理(NT1～NT4)小0.26、1.54、3.07、5.54個百分點；在距滴頭40 cm處，前者的含水率也分別比后者小0.44、1.60、6.62、6.44個百分點。這說明T處理不僅對深層土壤水分的水平運移有抑制作用，同時也可減少耕層內(nèi)水分的水平運移通量。

2.2 翻耕措施對土壤鹽分分布特征的影響

2.2.1室內(nèi)試驗土壤鹽分分布特征

不同耕作措施處理下，膜內(nèi)土壤呈上層脫鹽、下層積鹽狀態(tài)，T處理的膜內(nèi)下層積鹽率大于NT處理。對于膜外土壤，T處理逐漸呈現(xiàn)上層脫鹽、下層積鹽狀態(tài)，而NT處理的土壤始終處在積鹽狀態(tài)且含鹽量在深度方向上呈“Г”型分布(圖5)。

圖5 免耕與翻耕處理下的土壤鹽分分布

不同耕作措施處理下，膜內(nèi)土壤鹽分分布差異性不顯著(P>0.1)(圖5a、5b)，但局部土層的鹽分分布規(guī)律略有不同。NT與T處理下，膜內(nèi)滴水點處的土壤脫鹽深度基本都在35 cm以內(nèi)；35 cm以下土層呈積鹽狀態(tài)。其中，NT處理的下層土壤積鹽率隨免耕-灌水次數(shù)的增加分別為44.79%、285.36%、220.25%、180.98%；T處理的積鹽率明顯比NT處理的積鹽率高，隨翻耕-灌水次數(shù)的增加分別為45.72%、331.84%、363.41%、235.25%。這是因為翻耕作用將膜外部分高鹽分土壤翻至膜內(nèi)，再次灌水作用又將膜內(nèi)土壤的這些高鹽分淋洗至耕層以下的土壤中。

膜內(nèi)距滴頭10 cm處，NT處理的土壤脫鹽深度在20 cm左右，平均脫鹽率為-56.60%；而T處理的土壤脫鹽深度在30 cm左右，平均脫鹽率達-69.84%。各處理脫鹽深度以下均為積鹽區(qū)；其中，NT處理的下層土壤積鹽率隨免耕-灌水次數(shù)的增加分別為115.94%、231.9%、269.31%、92.03%；T處理的下層土壤積鹽率隨翻耕-灌水次數(shù)增加也比NT處理高，分別為90.32%、231.14%、302.65%、178.67%。T處理的膜內(nèi)(距滴頭0 cm和10 cm)下層土壤總積鹽率是NT處理同類指標(biāo)的1.23倍，說明翻耕后灌水對膜內(nèi)土壤鹽分的淋洗效果更明顯，使翻耕至膜內(nèi)土壤中的鹽分在水分淋洗作用下聚集在膜內(nèi)底層土壤。

不同耕作措施處理下的膜外土壤鹽分分布有顯著差異(P<0.05)(圖5c、5d)。距滴頭25 cm處的膜外土壤，T處理的土壤脫鹽深度明顯比NT處理的土壤脫鹽深度深，其中，NT處理的土壤在2～10 cm深度范圍內(nèi)表現(xiàn)為脫鹽，平均脫鹽率為-12.27%；10 cm以下土層的積鹽率隨免耕-灌水次數(shù)的增加分別為201.22%、249.70%、414.72%、153.37%。T處理的土壤脫鹽深度可達30 cm，平均脫鹽率為-68.50%；30 cm以下土層積鹽率隨翻耕-灌水次數(shù)的增加逐漸增大，分別為111.45%、73.12%、197.47%、244.27%。

距滴頭40 cm處的膜外土壤，NT處理在整個土層深度范圍內(nèi)都處在積鹽狀態(tài)(圖5d)；且表土層(0～2 cm)積鹽量最多，占整個土層深度含鹽量的22.68%～34.64%，是下層土壤含鹽量的3倍多；2 cm以下土層積鹽率較低，且含鹽量隨免耕-灌水次數(shù)的增加變化不大。T處理在沒有進行翻耕前(T0)，表土層(0～2 cm)含鹽量較高，翻耕后(T1～T3)，表層土壤僅有少量鹽分聚集，且脫鹽深度隨翻耕-灌水次數(shù)的增加也逐漸加深，由T1處理的20 cm深度逐漸增大至T3處理的30 cm深度，平均脫鹽率為-38.89%。T處理膜外土壤平均脫鹽區(qū)范圍比NT處理深25 cm。說明機械翻耕作用與灌水作用相結(jié)合對降低膜外土壤含鹽量效果明顯。

試驗數(shù)據(jù)表明，盡管T處理的膜外土壤含水率并不高(圖4c、4d)，但脫鹽深度卻比NT處理的脫鹽深度大，且耕層土壤含鹽量也比NT處理低(圖5c、5d)。這是由于試驗中將膜內(nèi)低鹽分土壤翻到了膜外，使膜外土壤在前一次翻耕后及后一次灌水前都比膜內(nèi)土壤具有較低的含鹽量(表3)。

圖6 不同耕種措施處理下田間土壤鹽分分布

數(shù)據(jù)顯示，翻耕后灌水前的膜內(nèi)(距滴頭0、10 cm處)土壤含鹽量是膜外(距滴頭25、40 cm處)土壤含鹽量的1.18～4.09倍。因此，翻耕后的膜外耕層土壤含鹽量要比NT處理的同類指標(biāo)低。這進一步表明了翻耕措施在調(diào)控覆膜滴灌條件下膜內(nèi)、外土壤鹽分分布方面的特殊作用，這對于降低膜間土壤鹽分表聚現(xiàn)象以及保證種植在地膜邊緣附近作物(生產(chǎn)中稱為邊行作物)的正常生長具有積極作用。

2.2.2田間試驗土壤鹽分分布特征

不同耕作措施對覆膜滴灌農(nóng)田土壤的鹽分分布結(jié)果顯示，T*處理相比于NT*處理對土壤鹽分的擾動幅度較大；生育期內(nèi)的灌水作用結(jié)束后，T*處理的膜內(nèi)、外上層土壤含鹽量與春耕后相比都有所降低，NT*處理的膜外土壤呈鹽分表聚特征(圖6)。

上年度覆膜滴灌技術(shù)的應(yīng)用，導(dǎo)致土壤鹽分在原膜外(間)位置聚集；春季溫度回升使得此處土壤呈現(xiàn)明顯鹽分表聚現(xiàn)象(圖6a)。NT*處理的試驗區(qū)內(nèi)，膜外位置的土壤含鹽量分別是膜內(nèi)寬行及膜內(nèi)窄行位置土壤含鹽量的1.24、1.21倍，T*處理的試驗區(qū)分別為1.25、1.37倍。

春耕后(圖6b)，經(jīng)T*處理的耕層土壤鹽分分布較為均勻，膜內(nèi)寬行、膜內(nèi)窄行以及膜外位置對應(yīng)的平均土壤含鹽量依次為5.64、5.43、6.11 g/kg；NT*處理的膜內(nèi)寬行、膜內(nèi)窄行及膜外位置的含鹽量分別是T*處理的0.98、1.06、1.17倍，且膜外土壤鹽分表聚現(xiàn)象仍十分明顯。這一結(jié)果表明，水平翻耕作用可擾動田間土壤結(jié)構(gòu)，促使耕層土壤中的鹽分重新分布，將處于膜外位置的高鹽分土壤與膜內(nèi)低鹽分土壤重新混合，造成膜內(nèi)、外耕層土壤鹽分分布更加均勻。另外，膜外土壤含鹽量的降低勢必會造成膜內(nèi)耕層土壤含鹽量的增加，但同時有利于生育期內(nèi)灌水對膜內(nèi)土壤鹽分的淋洗，使農(nóng)田土壤總體含鹽量降低。

如圖6c所示，生育期內(nèi)灌水作用結(jié)束后，T*處理的膜內(nèi)外土壤鹽分分布規(guī)律大體相同，膜內(nèi)寬行、膜內(nèi)窄行及膜外位置垂直方向上土壤的平均含鹽量依次為3.64、3.92、4.52 g/kg，表現(xiàn)為“鹽分底聚型”分布，膜外0～10 cm土層含鹽量與春耕前相比下降42.94%。NT*處理的土壤含鹽量明顯比T*處理高，其膜內(nèi)寬行、膜內(nèi)窄行及膜外位置的平均土壤含鹽量依次為4.23、4.37、5.80 g/kg。另外，雖然NT*處理的膜外土壤含鹽量整體有所下降，但仍有明顯的鹽分表聚特征，其0～5 cm土層含鹽量達6.96 g/kg，比T*處理同類指標(biāo)高2.30 g/kg。

棉花作為一種比較耐鹽堿的非鹽生植物，在萌芽出苗和幼苗階段對鹽分最為敏感[30]，對不同耕作措施處理下棉花的出苗率及有效株占比率進行統(tǒng)計，結(jié)果如表4所示。

表4 棉花出苗率及有效株占比率

圖7 土壤含水率與含鹽量之間的關(guān)系

數(shù)據(jù)顯示，T*處理可有效提高棉花出苗率及有效株占比率，總出苗率及總有效株占比率分別比NT*處理高23.62、25.19個百分點。隨著棉花生育期的延長，T*處理的棉花存活率也高于NT*處理，T*處理的總出苗率與總有效株占比率之間的差值為3.16個百分點，NT*處理為4.73個百分點。這可能是由于NT*處理的膜內(nèi)、外表土含鹽量均較高，出現(xiàn)在棉花生育期內(nèi)的降雨再次提高了表土積鹽率，使根層土壤鹽分超過了棉花出苗及苗期生長的耐鹽值；另外，NT*處理較高的根層土壤容重降低了土壤的通氣性及提墑性[21]，環(huán)境不利于棉花出苗及生長，使NT*處理的棉花出苗率及存活率都比T*處理低。不同耕作措施處理下，邊行作物的出苗率及有效株占比率均低于相應(yīng)的總體值，說明邊行作物受土壤鹽分脅迫的影響要高于內(nèi)行。

2.3 翻耕處理下土壤含水率與含鹽量之間的關(guān)系

覆膜滴灌條件下，灌水及翻耕作用對土壤水鹽分布都具有顯著影響。為進一步探求覆膜滴灌土壤在翻耕處理下膜內(nèi)、外土壤含水率與含鹽量之間的關(guān)系，將室內(nèi)物理試驗及田間試驗的膜內(nèi)、外土壤含水率及含鹽量進行線性回歸，結(jié)果如圖7所示。

覆膜滴灌條件下，膜內(nèi)土壤鹽分隨灌溉水淋洗到土壤底層；灌水量相同時，膜內(nèi)土壤含鹽量越高，淋洗到底層土壤中鹽分的量就越大。對于室內(nèi)土槽試驗(圖7a～7d)，膜內(nèi)土壤含水率與含鹽量之間在不同翻耕次數(shù)處理下均呈顯著的線性負相關(guān)關(guān)系，決定系數(shù)不小于0.933 9。這進一步說明，膜內(nèi)土壤中的鹽分受水分淋洗作用明顯。

膜外土壤含水率與含鹽量之間的相關(guān)性明顯較弱。除翻耕前(T0)(圖7a)，膜外土壤含水率與含鹽量之間具有較明顯的線性負相關(guān)(決定系數(shù)為0.967 1)以外，首次翻耕(T1)(圖7b)所對應(yīng)的土壤含水率與含鹽量之間不再呈線性關(guān)系(決定系數(shù)為0.034 5)，隨翻耕次數(shù)的增加(T2、T3)，兩者之間的決定系數(shù)依然很低，不大于0.031 6。這表明膜外土壤含鹽量的降低不完全取決于水分作用，實際上翻耕措施起了主導(dǎo)作用。

田間試驗結(jié)果與室內(nèi)土槽試驗結(jié)果規(guī)律性大體相同。T*處理下(圖7e)，膜內(nèi)土壤含鹽量與含水率之間具有較高的線性相關(guān)性(決定系數(shù)為0.892 2)，而膜外土壤含鹽量與含水率之間的相關(guān)性明顯較低(決定系數(shù)為0.332 5)。對于田間試驗的NT*處理(圖7f)，膜內(nèi)外土壤含水率與含鹽量之間的決定系數(shù)大于0.6；說明在NT*處理下，膜內(nèi)及膜外土壤含鹽量的降低依賴于水分的影響均比較大，T*處理其膜外土壤鹽分分布受水分的影響不如NT*處理明顯。

膜下滴灌條件下的土壤水鹽分布受多種因素影響，水利作用及翻耕措施是其中的兩個重要因素。滴灌淋洗和機械翻耕都可使土壤鹽分分布狀況發(fā)生改變，這實際上是土壤鹽分在水利改良與客土改良相結(jié)合作用下產(chǎn)生了效果。

3 討論

本研究分別在室內(nèi)土槽和田間對土壤進行免耕與水平翻耕處理，對比觀察不同翻耕措施對覆膜滴灌土壤水鹽分布的調(diào)控作用。從試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，翻耕作用可疏松耕層土壤結(jié)構(gòu)，室內(nèi)土槽試驗的耕層土壤高度比首次灌水前高1.8 cm左右，田間試驗也表明，翻耕作用使上、下層土壤容重明顯不同(表2)，這對土壤基質(zhì)勢與含水率之間的關(guān)系以及土壤的機械特性都產(chǎn)生了影響[31-32]。因此，可將翻耕后的土壤以耕層為分界線視為兩種不同結(jié)構(gòu)的土壤；其中，分界線以上的土層對水分的滯留作用大于下層土壤，增加了上層土壤的蓄水能力[33]，為膜內(nèi)上層土壤壓鹽積聚了水量；另外，上層土壤含水率的增大也增強了水分對土壤鹽分的溶解程度[34]，使土壤水分在下滲過程中所攜帶的鹽分增加。

翻耕處理的膜內(nèi)深層土壤含水率低于免耕處理(圖4a、4b)，但其相應(yīng)的積鹽率卻比免耕處理大(圖5a、5b)；同時，翻耕處理的膜外土壤含水率也小于免耕處理(圖4c、4d)，而相同深度處土壤的脫鹽率卻大于免耕處理(圖5c、5d)，這與土壤脫鹽需要大量水分的結(jié)論相違背。這是因為本研究采用的是膜內(nèi)與膜外土壤互換的水平翻耕措施，使翻耕后、灌水前的膜外土壤含鹽量低于膜內(nèi)土壤的含鹽量(表3)；且翻耕處理的膜內(nèi)上層土壤比下層土壤疏松，其蓄水能力增大，為溶解膜內(nèi)土壤所增加的鹽分提供了條件；在此情況下，盡管上層土壤的水分下滲量少于免耕處理，但是由于水分中溶解的鹽分多，所以膜內(nèi)深層土壤積鹽率較高。由此產(chǎn)生的結(jié)果是，隨著翻耕-灌水次數(shù)的增加，土壤鹽分的空間分布由早期的“膜外表聚型”逐漸向后期的“膜內(nèi)底聚型”轉(zhuǎn)變。

田間試驗結(jié)果表明，春耕前，膜內(nèi)區(qū)域的土壤在40 cm深度處出現(xiàn)鹽分突變，膜外區(qū)域土壤在20 cm附近(耕層以下)出現(xiàn)鹽分突變，突變點以下的土壤含鹽量隨深度增加而增大(圖6a)，說明春季升溫作用導(dǎo)致地下水向上層運動，并攜帶土壤鹽分向上運移。但春耕后(圖6b)，膜外0～20 cm土層的含鹽量經(jīng)水平翻耕處理后明顯降低，灌水后其平均含鹽量比免耕處理低2.02 g/kg(圖6c)；盡管地下水仍然存在，但水平翻耕作用對膜外土壤鹽分的抑制效果很顯著。另外，生育期內(nèi)的中耕作用疏松了膜外(間)土壤結(jié)構(gòu)，使存在于土壤中的上升毛管水結(jié)構(gòu)斷裂，造成土壤鹽分很難再次聚集于膜間地表。最終，經(jīng)水平翻耕處理下的田間土壤鹽分分布也由春耕前的“膜外(間)表聚型”逐漸向灌水后的“膜內(nèi)底聚型”轉(zhuǎn)變。

免耕處理下，膜外表層土壤中的鹽分很難被滴灌水淋洗到土壤深層。但是，采用水平翻耕措施可使膜外表層土壤鹽分翻耕至膜內(nèi)，經(jīng)膜下滴灌作用淋洗到土壤深層，從而給聚集在膜外表層土壤中的鹽分提供了淋洗出路，使農(nóng)田土壤含鹽量整體下降。

根據(jù)室內(nèi)土槽試驗的結(jié)果，滴灌農(nóng)田逐年堅持水平翻耕，可以起到很好的治理膜外土壤鹽分表聚的效果。當(dāng)前生產(chǎn)中采用的翻耕多為傾斜翻耕[35]，即土壤上下翻，也有部分水平翻，仍然可以起到部分水平翻耕的作用。田間試驗不僅驗證了室內(nèi)物理試驗的理論結(jié)果，解釋了田間土壤鹽分隨覆膜滴灌技術(shù)使用年限的增加呈逐漸降低趨勢的基本原理，更為覆膜滴灌技術(shù)產(chǎn)生的鹽分表聚現(xiàn)象的治理提供了基本思路。

在治理土壤鹽堿化的技術(shù)領(lǐng)域中，水利改良一般為首選措施，膜內(nèi)土壤隨灌水次數(shù)的增加而脫鹽的現(xiàn)象就是水利改良的效果；而在翻耕措施下，膜內(nèi)低鹽土壤與膜外高鹽土壤之間的互換使得膜外土壤含鹽量降低是客土改良的效果。將客土翻耕技術(shù)作為治理膜外土壤鹽分表聚的一種機械手段與水利改良措施相結(jié)合，對于減緩膜下滴灌技術(shù)產(chǎn)生的膜外土壤鹽分表聚現(xiàn)象具有顯著效果。前人的研究結(jié)果表明[6-10]，田間土壤含鹽量隨著膜下滴灌技術(shù)使用年限的增加呈逐漸降低趨勢，本試驗結(jié)果表明，這一現(xiàn)象不一定單純是由灌溉導(dǎo)致的，翻耕作用在其中可能也產(chǎn)生了重大影響。新疆農(nóng)田每年要進行一次秋耕(或春耕)，根據(jù)種植作物的不同，有時還要進行多次中耕，這都給膜內(nèi)、外土壤鹽分的治理提供了有利條件，特別是播種前的首次翻耕(即春耕或秋耕)作用對于降低土壤含鹽量意義重大。當(dāng)然，不同耕作措施處理下的土壤水鹽動態(tài)變化規(guī)律、水鹽平衡規(guī)律等問題還需要深入探究。

4 結(jié)論

(1)覆膜滴灌條件下，翻耕可提高膜內(nèi)耕層土壤的蓄水能力，降低土壤水平滲吸能力及垂直擴散能力。試驗結(jié)果表明，翻耕處理的膜內(nèi)耕層土壤平均含水率比免耕處理高3.66個百分點，耕層以下土壤的平均含水率比免耕處理低4.13個百分點。

(2)覆膜滴灌條件下，膜內(nèi)土壤鹽分分布受水分淋洗作用影響較大，膜外土壤的鹽分分布主要受翻耕影響；翻耕處理的膜內(nèi)下層土壤總積鹽率是免耕處理的1.23倍，膜外土壤平均脫鹽區(qū)范圍比免耕處理深25 cm。翻耕處理下的棉花總出苗率及總有效株占比率分別比免耕處理高23.62、25.19個百分點。

(3)水平翻耕可有效降低膜外表土層含鹽量，水平翻耕技術(shù)與膜下滴灌技術(shù)相結(jié)合相當(dāng)于綜合利用水利改良與客土改良治理農(nóng)田土壤鹽堿化，最終可使土壤鹽分空間分布由早期的“膜外表聚型”逐漸向后期的“膜內(nèi)底聚型”轉(zhuǎn)變。