滴灌條件下鹽漬土鹽分淡化區(qū)形成過(guò)程中離子運(yùn)移特征

祁 通，黃 建，孫陽(yáng)訊，徐 菲，張玉鈴，王金鑫，王新勇

(1.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院 土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)水研究所農(nóng)業(yè)部西北綠洲農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830091；2.新疆喀什地區(qū)岳普湖縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，新疆 岳普湖 844400)

0 引 言

新疆鹽漬化耕地面積為1.62 × 106hm2，占耕地總面積的32.07%[1]，土壤鹽漬化是制約新疆灌溉農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要因素。根據(jù)新疆土壤鹽化分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[2]0～30 cm土壤中含鹽量在0.9%～1.3%為中度鹽化土壤，作物減產(chǎn)20%～50%；含鹽量在1.3%～1.6%為重度鹽化(高鹽)土壤，作物減產(chǎn)50%～80%，其中中重度鹽漬化耕地面積為3.91×105hm2，約占鹽漬化耕地的1/4[1]。目前中重度鹽漬土的治理主要調(diào)整土壤中的水鹽平衡，通過(guò)大量的淡水洗鹽及壓鹽，借助排水系統(tǒng)將鹽分排出灌區(qū)，這種模式對(duì)灌區(qū)的水資源與下游的生態(tài)造成了巨大影響。

新疆膜下滴灌技術(shù)在鹽堿地的實(shí)踐表明，將覆膜種植技術(shù)與滴灌節(jié)水技術(shù)結(jié)合起來(lái)，抑制土壤鹽分的上移，而且在滴灌的淋洗作用下，剖面土壤內(nèi)的鹽分定向重分布，形成了脫鹽區(qū)、穩(wěn)定區(qū)與積鹽區(qū)，因而滴灌具有調(diào)控鹽漬化耕地土壤鹽分的作用[3]，可以為作物主根生長(zhǎng)創(chuàng)造一個(gè)鹽分淡化區(qū)[4-5]，這就為重鹽漬耕地的利用提供了新的研究思路和方法。研究發(fā)現(xiàn)，滴灌后鹽漬化土壤垂直方向0～40 cm形成鹽分淡化區(qū)[6-7]，鹽分被淡化的過(guò)程包括 2個(gè)方面，一是總鹽分的淡化，二是鹽分離子的淡化，鹽分淡化區(qū)的形成實(shí)質(zhì)上是土壤鹽分離子遷移和分異的結(jié)果。

土壤水分是土壤鹽分運(yùn)移的載體，伴隨著水分的入滲，土壤鹽分在三維空間內(nèi)發(fā)生運(yùn)移，表現(xiàn)出表層土壤淋洗脫鹽，而由于不同鹽分離子隨水淋洗的速率不相同[8]。雖然鹽分淡化區(qū)內(nèi)總鹽分有很明顯的下降，但部分離子可能并未被淋洗下去，同時(shí)，在這個(gè)過(guò)程中鹽分離子的組成也會(huì)發(fā)生改變。以往的研究只集中在滴灌參數(shù)[4-5,7-11]、種植年限[12-15]等對(duì)總鹽分的變化方面，而對(duì)于鹽離子的研究主要為棉田生育期內(nèi)土壤鹽分離子分布結(jié)果方面[14-16]，并未系統(tǒng)闡明非種植條件下滴灌過(guò)程中離子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。本研究以重鹽堿土壤為研究對(duì)象，利用土柱模擬試驗(yàn)，研究滴灌條件下土壤鹽分淡化區(qū)形成過(guò)程中鹽分離子運(yùn)動(dòng)和分布特征，為淡鹽化耕層構(gòu)建，合理利用重鹽漬化土壤提供理論依據(jù)，進(jìn)一步完善水鹽調(diào)控理論具有重要的理論支撐。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤采自新疆喀什地區(qū)岳普湖縣色也可鄉(xiāng)鹽漬化棉田，土壤為砂質(zhì)壤土(表1)，土壤平均含鹽量為80.55 g·kg-1(表2)，屬于硫酸鹽-氯化物型的重度鹽漬化土壤。對(duì)采集的土壤，進(jìn)行風(fēng)干過(guò)2 mm篩，并進(jìn)行充分摻拌混均，備用。

表1 土壤粒徑分析Table 1 Soil particle size analysis

表2 土壤鹽分及鹽分離子含量(單位：g·kg-1)Table 2 Soil salt and salt ion contents

1.2 研究方法

試驗(yàn)為無(wú)作物土柱模擬試驗(yàn)，在室內(nèi)進(jìn)行。土柱為亞克力材料定制的直徑50 cm，高60 cm上下無(wú)底的圓柱型桶，按干容重1.3 g·cm-3分層均勻裝土(每裝土5 cm高度，用粗木棍均勻壓實(shí)磨平)，裝土高度55 cm，裝土量約140 kg·桶-1[9]，開(kāi)展土柱模擬實(shí)驗(yàn)(圖1)。設(shè)置12個(gè)土柱，每個(gè)柱子按照設(shè)定的時(shí)間進(jìn)行破壞性取樣，取樣后不再滴水，不做重復(fù)。

試驗(yàn)采用揚(yáng)程15 m的水泵進(jìn)行加壓滴灌，設(shè)置壓力表，滴灌帶直徑φ16 mm滴頭為內(nèi)鑲嵌式，間距為40 cm，滴頭流量1.08 L·h-1(新疆天業(yè)公司)。每個(gè)桶由1個(gè)滴頭供水，滴頭固定在桶頂中心位置(圖 1)。灌溉用水為飲用純凈水(礦化度0.1 g·L-1以下)，用1 L量筒測(cè)量滴頭出水量來(lái)控制灌溉量，通過(guò)壓力表控制滴灌壓力。

圖1 土壤模擬實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Soil simulation experimental device

從滴灌開(kāi)始后記錄滴灌時(shí)間，在滴灌時(shí)間達(dá)到1 h，2 h、3 h、5 h、7 h、11 h、15 h、20 h時(shí)，以及結(jié)束滴灌后5 h(即滴灌后25 h)、10 h(30 h)時(shí)，分別選擇一個(gè)土柱立即進(jìn)行取樣。取樣方法：使用直徑為2 cm的采樣器分別在不同水平方向上采集橫向距滴頭(桶中心)0、5 cm、10 cm、15 cm和20 cm處的土壤樣品，采樣深度為0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm和40～50 cm。

圖2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)與取樣圖Fig.2 Field sampling diagram

1.3 樣品測(cè)試

1.4 鹽分及離子脫鹽速率的計(jì)算

通過(guò)計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)鹽分及離子的脫鹽速度，研究土壤鹽分及離子的運(yùn)移速率，V為鹽分和離子脫鹽速率，計(jì)算公式如下，

式中：C0為初始濃度值；t為滴灌時(shí)間；Ct為滴灌時(shí)間t時(shí)的濃度；Δt為時(shí)間差值。

1.5 數(shù)據(jù)處理

用Microsoft Office工具Excel 2017進(jìn)行數(shù)據(jù)整理；Sufer13進(jìn)行插值分析、柵格運(yùn)算、空間分析及分布圖的制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水分分布特征

從圖3可以看出，在垂直方向上，在滴灌2 h(滴水量2.16 L·桶-1)后，濕潤(rùn)鋒達(dá)到20 cm處；滴灌5 h(滴水量5.4 L·桶-1)后，土壤水分達(dá)到25 cm處；滴灌7h(7.56)后，土壤濕潤(rùn)鋒達(dá)到25～30 cm處；滴灌9 h(滴水量9.72 L·桶-1)后，土壤濕潤(rùn)鋒達(dá)到35 cm處；滴灌到11h(滴水量11.9 L·桶-1)時(shí)，土壤濕潤(rùn)鋒還維持在35 cm處；滴灌20 h(滴水量21.4 L·桶-1)后，土壤濕潤(rùn)鋒才到達(dá)40 cm處；滴灌結(jié)束后5h時(shí)，土壤濕潤(rùn)鋒維持在40～45 cm處。隨著滴灌時(shí)間的推移，土壤水分開(kāi)始以20 cm·h-1的最大速度運(yùn)移，但達(dá)到20 cm時(shí)，運(yùn)動(dòng)速率開(kāi)始降低，當(dāng)土壤水分到達(dá)35 cm時(shí)運(yùn)動(dòng)速度降至最低1 cm·h-1。

圖3 不同時(shí)間內(nèi)土壤質(zhì)量含水量的分布特征(單位：%)Fig.3 Distribution characteristics of soil moisture contents in different time periods

在水平方向上，在滴灌1 h后，土壤濕潤(rùn)鋒到達(dá)10 cm處；滴灌2h后，土壤濕潤(rùn)鋒可達(dá)到20 cm處，10 cm處土壤含水量繼續(xù)增加；在滴灌5 h后，土壤濕潤(rùn)鋒超過(guò)20 cm，繼續(xù)向桶邊緣擴(kuò)散，10 cm處含水量達(dá)到飽和，不再增加，15 cm處含水量趨于達(dá)到飽和狀態(tài)，數(shù)量增加緩慢，20 cm處土壤含水量繼續(xù)增大；當(dāng)?shù)喂嗟? h時(shí)，20 cm處土壤含水量趨于飽和，數(shù)量增加緩慢；當(dāng)?shù)喂嗟? h時(shí)，20 cm處土壤含水量不在增加。在重鹽漬化土壤條件下，隨著滴灌時(shí)間的推移，土壤水分先向下移動(dòng)，后向著水平方向移動(dòng)，當(dāng)橫向方向上土壤水分趨于飽和狀態(tài)后，土壤水分向下運(yùn)動(dòng)。

2.2 土壤鹽分的分布特征

由圖4可以看出，在垂直方向上，在滴灌到1 h時(shí)，土壤鹽分在0～5 cm處下降幅度較大；滴灌到2 h時(shí)，0～5 cm處出現(xiàn)鹽分相對(duì)較低區(qū)域即鹽分淡化區(qū)，10 cm處鹽分開(kāi)始下降；當(dāng)?shù)喂? h(滴水量3.24 L·桶-1)時(shí)，鹽分淡化區(qū)持續(xù)擴(kuò)大至8 cm附近，而15 cm處鹽分濃度增加，出現(xiàn)鹽分累積層；當(dāng)?shù)喂嗟? h時(shí)，0～5 cm處鹽分濃度趨于穩(wěn)定不再降低，5～10 cm鹽分繼續(xù)下降，鹽分淡化區(qū)持續(xù)擴(kuò)大10 cm附近；當(dāng)?shù)喂嗟? h(滴水量9.72 L·桶-1)時(shí)，5～10 cm處鹽分濃度趨于穩(wěn)定，15 cm鹽分開(kāi)始下降，鹽分淡化區(qū)持續(xù)擴(kuò)大至15 cm處，鹽分積累層開(kāi)始下移至20～25 cm處；當(dāng)?shù)喂鄷r(shí)間達(dá)到15 h(滴水量16.2 L·桶-1)時(shí)，10～15 cm鹽分濃度趨于穩(wěn)定不再降低，22 cm處鹽分濃度開(kāi)始下降，鹽分淡化區(qū)持續(xù)擴(kuò)大至20 cm處，鹽分積累層下移至22～30 cm；當(dāng)?shù)喂鄷r(shí)間達(dá)到20 h(滴水量21.6 L·桶-1)時(shí)，土壤0～15 cm的鹽分濃度趨于穩(wěn)定不再降低，鹽分淡化區(qū)持續(xù)擴(kuò)大至22 cm處，鹽分積累層下移至30～35 cm；當(dāng)?shù)嗡Y(jié)束5h時(shí)，即滴灌后25 h時(shí)，土壤0～15 cm的鹽分濃度趨于穩(wěn)定不再降低，鹽分淡化區(qū)維持在25 cm處，鹽分積累層下移至35 cm以下；當(dāng)?shù)嗡Y(jié)束10 h，即滴灌后30 h時(shí)，土壤15 cm處的鹽分濃度趨略有升高，鹽分淡化區(qū)維持在25 cm處，鹽分積累層下移至40 cm處。

圖4 不同時(shí)間內(nèi)土壤總鹽分的分布特征(單位：g·kg-1)Fig.4 Distribution characteristics of soil salinities in different time periods

在水平方向上，滴灌1 h時(shí)，距離滴頭中心位置土壤鹽分含量大幅度下降；滴灌3 h(滴水量3.24 L·桶-1)時(shí)，距離滴頭10 cm位置土壤鹽分含量開(kāi)始下降，在滴頭附近位置形成一個(gè)土壤鹽分相對(duì)低的區(qū)域。滴灌5 h(滴水量5.4 L·桶-1)時(shí)，距離滴頭15 cm位置土壤鹽分含量開(kāi)始下降，低鹽分區(qū)域持續(xù)擴(kuò)大，距離滴頭15 cm位置土壤鹽分含量開(kāi)始下降，低鹽分區(qū)域持續(xù)擴(kuò)大至10 cm處；滴灌11 h(滴水量11.9 L·桶-1)時(shí)，距離滴頭20 cm位置土壤鹽分含量開(kāi)始下降，低鹽分區(qū)域持續(xù)擴(kuò)大至15 cm處。在重鹽漬化土壤條件下，隨著滴灌時(shí)間的推移，土壤鹽分先向下移動(dòng)，后向著水平方向移動(dòng)，當(dāng)橫向方向上土壤水分趨于飽和狀態(tài)后，土壤鹽分向下運(yùn)動(dòng)。

從圖5可以看出，滴頭中心位置0～10 cm土層總鹽分含量從滴水后開(kāi)始下降，隨著滴灌時(shí)間的增加，土壤鹽分持續(xù)下降，直至9 h(滴水量9.72 L·桶-1)時(shí)達(dá)到最低濃度，并趨于穩(wěn)定狀態(tài)。10～20 cm土層總鹽分含量，在滴灌開(kāi)始時(shí)快速增加，到3 h時(shí)增加的最大濃度，之后開(kāi)始下降到15 h(滴水量16.2 L·桶-1)時(shí)濃度達(dá)到最低并不再降低。10～20 cm土層總鹽分含量，在滴灌開(kāi)始時(shí)也呈現(xiàn)緩慢增加的趨勢(shì)，到15 h時(shí)，濃度最高，之后鹽分濃度開(kāi)始下降。而30～40 cm土層和40～50 cm土層總鹽分含量，從滴灌開(kāi)始到20 h(滴水量21.4 L·桶-1)時(shí)基本沒(méi)有變化，20 h后鹽分開(kāi)始緩慢增加。這說(shuō)明在垂直方向上，土壤鹽分隨著灌水時(shí)間的增加，從上到下被淋洗到下層，最終在表層可以形成一個(gè)相對(duì)較低的鹽分淡化區(qū)。

圖5 滴頭中心位置不同土層土壤含鹽分隨時(shí)間的變化Fig.5 Variation of soil salinity over time in the stratified soil at the center of the drip head

2.3 土壤鹽分離子分布特征

圖6 不同時(shí)間內(nèi)鹽分離子的分布特征Ⅰ(單位：g·kg-1)Fig.6 Distribution characteristics of salt ions in different time periods Ⅰ

2.4 土壤脫鹽速度變化

在滴孔中心位置表層(0～20 cm)土壤鹽分及離子的濃度相對(duì)較為穩(wěn)定，利用已有數(shù)據(jù)計(jì)算了(0～10 cm)土層鹽分(鹽離子)脫鹽速率(圖8)。從圖8中可以看出，隨著滴灌時(shí)間的增加，土壤總鹽分及Cl-、SO42-、Na+的脫鹽率變化呈現(xiàn)先快速增加，達(dá)到最大值后，再逐漸緩慢降低，最后趨于穩(wěn)定。當(dāng)?shù)喂鄷r(shí)間為3 h時(shí)，總鹽分和各個(gè)離子脫鹽速率均達(dá)到了最大值，其中Cl-的脫鹽速率最大為每小時(shí)31.7%，總體上脫鹽速率的大小順序?yàn)镃l->Na+>總鹽分>SO42-。當(dāng)?shù)喂鄷r(shí)間為15 h時(shí)，總鹽和各個(gè)離子的脫鹽速率趨于穩(wěn)定，變化很小，這說(shuō)明，當(dāng)?shù)喂鄷r(shí)間達(dá)到15 h(滴水量16.2 L·桶-1)時(shí)，表層土壤鹽分基本達(dá)到了最大脫鹽水平。

圖8 表層土壤(0～20 cm)總鹽和離子隨時(shí)間的脫鹽速率Fig.8 Desalination rate of total salts and ions in topsoil (0～20 cm) with time

2.5 土壤鹽分濃度的模擬

表3 鹽分濃度與滴灌時(shí)間的回歸模型Table 3 Regressionmodel of salt concentration and drip irrigation time

3 討 論

滴灌的水分入滲方式是點(diǎn)源入滲，鹽分隨水運(yùn)動(dòng)，在滴灌的過(guò)程中鹽分分布主要集中在濕潤(rùn)體的邊緣，土壤濕潤(rùn)鋒處的鹽分積累主要是由上層土壤鹽分向下遷移所致，因此，在土壤濕潤(rùn)體內(nèi)部必然會(huì)形成一個(gè)鹽分濃度較低的淡化區(qū)。這一淡化區(qū)可以為作物提供較好的生長(zhǎng)環(huán)境，也是滴灌開(kāi)發(fā)利用鹽堿地的主要思路和策略[13]。

鹽堿土壤鹽分淡化區(qū)的概念最早是有王全九等[4]在研究滴灌條件下土壤水鹽運(yùn)移特征時(shí)提出的，根據(jù)滴灌后土壤含鹽等值線(xiàn)提出了脫鹽區(qū)和積鹽區(qū)的概念。通過(guò)本試驗(yàn)可以看出，在重度鹽漬化土壤條件下，隨著灌水時(shí)間的增加，灌水量增加，土壤鹽分隨著土壤水橫向和縱向移動(dòng)，鹽分主要集中在濕潤(rùn)峰附近，不同土層鹽分呈現(xiàn)先增加后降低的過(guò)程，離子也有相似的規(guī)律。滴灌開(kāi)始后不久，鹽分和水分開(kāi)始橫向運(yùn)動(dòng)，鹽分離子也以橫向移動(dòng)，在滴灌一定時(shí)間后土壤鹽分開(kāi)始在0～10 cm區(qū)域形成了一個(gè)橢圓形鹽分濃度較低的鹽分淡化區(qū)域，隨著滴灌時(shí)間的增加這個(gè)鹽分淡化區(qū)逐漸擴(kuò)大，到灌水結(jié)束，鹽分淡化區(qū)的直徑擴(kuò)大到30 cm，并在30 cm以下形成了約10 cm寬的集鹽區(qū)。本研究與許多研究結(jié)果[3-7,12]是相似的，但本研究中鹽分淡化區(qū)的大小與一些研究結(jié)果[3,7]有一定差異，這可能與采用的低頭流量和土壤質(zhì)地等有關(guān)。本研究所使用的滴灌材料是小流量(1.08 L·h-1)的滴灌帶，而其他研究是基于大田尺度，所采用的滴灌材料是大流量(2.4～3.2 L·h-1)滴灌帶，不同的流量，導(dǎo)致不同的出水量，結(jié)果會(huì)有差異[5]。同時(shí)，本研究所用的土壤質(zhì)地為砂質(zhì)壤土，與上述研究的土壤存在差異，進(jìn)而影響了鹽分運(yùn)移，關(guān)于這方面的研究較少，還需要進(jìn)一步深入研究。

4 結(jié) 論