微咸水灌溉對鹽堿土水鹽運(yùn)移的影響

張盼盼 趙慧 榮昊

摘要：中國淡水資源短缺，微咸水資源儲量豐富，合理利用微咸水是緩解水資源短缺的重要舉措之一。為了研究微咸水灌溉對鹽堿土土壤水鹽運(yùn)移的影響，進(jìn)行了室內(nèi)土柱一維微咸水入滲試驗，對比了不同礦化度微咸水對鹽堿土土壤水鹽運(yùn)移的影響。結(jié)果表明：微咸水灌溉條件下，Kostiakov模型可以較好地模擬土壤入滲率隨時間的變化規(guī)律;土壤入滲能力與灌溉水礦化度成正比;土壤累積入滲量與濕潤鋒推進(jìn)距離具有良好的線性關(guān)系;不同礦化度條件下，土壤脫鹽深度為15～18 cm，脫Na+深度為15～16 cm，脫Cl-深度為22～23 cm，且均與礦化度水平成反比;隨著灌溉水礦化度的增加，積鹽區(qū)各土層含水率、含鹽量及其Na+、Cl-濃度總體上逐漸增大，但脫鹽區(qū)差異不明顯。研究表明微咸水灌溉對鹽漬化土壤的水鹽分布具有一定程度的影響。

關(guān) 鍵 詞：

微咸水; 水鹽運(yùn)移; 礦化度; 入滲試驗; 鹽堿土

中圖法分類號： S152.7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.05.031

0 引 言

中國是一個水資源十分短缺的國家，人均水資源量僅為世界平均水平的1/4，且時空分布不均。中國農(nóng)業(yè)用水比重一直在60%以上，但是中國水資源時空分布與耕地資源的不匹配性使農(nóng)業(yè)用水難以得到滿足，嚴(yán)重制約了農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。非常規(guī)水資源作為一種替代資源，可以用來灌溉農(nóng)業(yè)，緩解淡水資源不足的壓力，因此非常規(guī)水資源的安全開發(fā)利用引起了重視。中國非常規(guī)水資源總量比較豐富，農(nóng)業(yè)利用的非常規(guī)水資源以再生水和微咸水為主，每年能夠開采利用的微咸水為130億m3[1-2]。在農(nóng)業(yè)灌溉中合理開發(fā)利用再生水和微咸水，既增辟了灌溉水源，又提高了灌溉保障率，同時也保證了作物產(chǎn)量，是緩解水資源短缺的重要舉措之一。充分利用再生水和微咸水等非常規(guī)水資源對解決水資源短缺和水環(huán)境污染都具有重要的現(xiàn)實和長遠(yuǎn)意義。

目前，不同地區(qū)對微咸水和再生水的利用都進(jìn)行了大量研究，并取得了很多成果。與傳統(tǒng)的淡水灌溉相比，微咸水灌溉一方面提供了作物生長所需要的水分，節(jié)約了淡水資源，另一方面也會增加土壤的鹽分含量，鹽分過度積累會影響土壤質(zhì)量和作物生長。尉寶龍等[3]研究發(fā)現(xiàn)鹽分對作物的危害及對產(chǎn)量的影響小于水分，提出實行咸淡輪灌，控制咸水灌溉的土壤含鹽量，保證土壤相對溶液濃度指標(biāo)不超過作物耐鹽限度，適當(dāng)?shù)乩孟趟喔瓤梢员ＷC農(nóng)業(yè)增產(chǎn)。根據(jù)華北連續(xù)2 a微咸水灌溉試驗可知：當(dāng)微咸水礦化度不超過3 g/L、灌水量370 mm時，產(chǎn)量不會顯著降低且可以提高水分利用效率[4]。山東省慶云縣水科所發(fā)現(xiàn)利用礦化度為2～4 g/L的微咸水灌溉農(nóng)作物，可使小麥增產(chǎn)3 750 kg/hm2，夏玉米增產(chǎn)3 375 kg/hm2，棉花增產(chǎn)750 kg/hm2[5]。短期微咸水灌溉對土壤化學(xué)性質(zhì)和土壤鹽漬化沒有明顯影響，但是長期微咸水灌溉可能會引起土壤鹽漬化問題[6]。4 a輪作試驗表明：第一年作物產(chǎn)量不受灌溉水鹽度的影響，但第三年輪作時，微咸水灌溉使土壤平均鹽分從3.8 dS/m提高到了7.4 dS/m[7]。微咸水灌溉影響?zhàn)べ|(zhì)石灰土15～72 cm土層有效持水率[8]。在營養(yǎng)生長階段灌溉淡水（1.2 dS/m）可以提高潛在產(chǎn)量，在生殖階段灌溉7 dS/m咸水可以提高果實品質(zhì)[9]。Hydrus-1D模擬結(jié)果表明，長期使用微咸水灌溉相對更適宜均質(zhì)土壤[10]。Hydrus-2D/3D模擬結(jié)果表明：滴灌條件下，滴頭埋深較淺時，深層滲漏量較小且土壤鹽分在作物耐鹽閾值之內(nèi)[11]，但也有研究發(fā)現(xiàn)滴灌條件下土壤鹽分超過最優(yōu)產(chǎn)量時的鹽分閾值[12]。研究發(fā)現(xiàn)，淺層地下水是土壤鹽漬化的主要風(fēng)險[13]。

可見，國內(nèi)外均提出了一些合理的微咸水利用模式，但由于區(qū)域氣候差異、微咸水理化性質(zhì)差異較大，不同作物的耐鹽性不同以及種植結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展不平不同，研究結(jié)果具有局部性，不能大面積的推廣。同時微咸水利用機(jī)制仍未完全揭示，相應(yīng)的水鹽運(yùn)移模型沒有完全建立。尤其是在淡水資源嚴(yán)重缺乏地區(qū)，利用微咸水灌溉時，如何有效防止土壤次生鹽漬化，如何模擬土壤水鹽運(yùn)移的長期變化過程，這些尚未有效解決，均有待進(jìn)一步加強(qiáng)研究。為此，本文通過室內(nèi)土柱一維入滲試驗，分析不同礦化度微咸水灌溉條件下土壤水鹽運(yùn)移規(guī)律，對缺乏淡水資源的鹽漬化地區(qū)合理利用微咸水提供一定的理論參考。

1 材料與方法

供試土樣屬于鹽堿土，取自新疆維吾爾自治區(qū)瑪納斯縣。土壤去除雜物后，自然風(fēng)干、磨碎過篩備用。室內(nèi)通過吸管法進(jìn)行土壤顆粒分析，土壤黏粒、粉粒、砂粒分別占12.01%，66.98%，21.01%，按照國際制劃分標(biāo)準(zhǔn)土壤質(zhì)地為粉壤土，土壤浸提液電導(dǎo)率EC1∶5為1 113.5 μS/cm，土壤容重為1.45 g/cm3。

一維土柱入滲試驗在室內(nèi)進(jìn)行。入滲試驗裝置主要由馬氏瓶供水裝置、入滲土柱和固定支架組構(gòu)成。入滲土柱由有機(jī)玻璃制作（Ф8 cm，高60 cm），底部打孔。用馬氏瓶控制恒定入滲水頭（2 cm），自動供水。入滲過程中為減少蒸發(fā)的影響，土柱上面覆膜，膜上均勻開小孔。

鹽堿土按設(shè)計土壤容重（1.45 g/cm3） 分層裝入土柱，每層5 cm，裝土高度為40 cm。為對比不同礦化度的微咸水對土壤入滲的影響，試驗設(shè)3種不同礦化度（1.7，3.4，5.1 g/L），并以蒸餾水入滲為對照，共計4個處理，每個處理裝3個土柱，試驗結(jié)束時每個處理選取入滲時間基本一致的一個土柱進(jìn)行取樣分析。微咸水由蒸餾水添加NaCl顆粒配制而成，當(dāng)入滲深度達(dá)到30 cm時停止試驗，取樣分析。

試驗過程中，用秒表記時，記錄馬氏瓶水位變化，并觀測土柱濕潤鋒變化過程。試驗結(jié)束后沿垂向每3 cm取土樣，采用烘干法測定土壤質(zhì)量含水率，利用電導(dǎo)率儀法測定土壤浸提液電導(dǎo)率EC1：5，利用原子吸收分光光度計測定Na+含量，利用滴定法測定Cl-含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 灌溉水礦化度對土壤入滲性能的影響

2.1.1 不同礦化度微咸水灌溉對土壤累積入滲量的影響

土壤累積入滲量是土壤入滲性能的重要指標(biāo)之一。灌溉礦化度不同，對土壤累積入滲量具有一定的影響。為了分析對比不同灌溉礦化度對土壤累積入滲量的影響，將0，1.7，3.4，5.1 g/L礦化度灌溉水灌溉時土壤累積入滲量歷時曲線繪于同一幅圖中，如圖1所示。

由表2可以看出：累積入滲量與濕潤鋒推進(jìn)距離的擬合系數(shù)R2均在0.77以上，說明二者具有良好的線性關(guān)系。n值隨灌溉水礦化度的增大而減小，這可能是因為控制計劃濕潤深度均為33 cm，灌溉水礦化度越高，入滲速率越快，入滲歷時越短，達(dá)到入滲深度時累積入滲量有降低的趨勢（見圖2），說明微咸水有利于土壤水分的入滲，但不利于土壤水分的儲存。

2.3 微咸水灌溉對土壤水鹽運(yùn)移的影響

2.3.1 剖面土壤水鹽的分布

淡水灌溉條件下，土壤鹽分隨水向下層移動，具有向下淋洗鹽分的效果。而利用不同礦化度微咸水灌溉時，由于灌溉水中本身就有一定的鹽分，灌溉水中的鹽分離子與土壤中的鹽分可能會進(jìn)行一定的重組，發(fā)生某種理化反應(yīng)，其鹽分淋洗效果與淡水灌溉可能會有所不同。不同礦化度微咸水灌溉后，土壤水分和鹽分在不同土層中的分布如圖3所示。

從圖3（a）可以看出，不同礦化度灌溉水入滲后，各土層土壤含水率在土壤表層差異不大，數(shù)值較為接近;在0～3 cm深度范圍內(nèi)，土壤含水率急劇減小;在3～21 cm深度范圍內(nèi)土壤含水率變化很小;在21～30 cm深度范圍內(nèi)，土壤含水率再次減小。相同土層，土壤含水率隨著灌溉水礦化度的升高而升高，尤其在3～27 cm深度范圍內(nèi)更為明顯，這與土壤累積入滲量在相同歷時內(nèi)的變化趨勢一致。

從圖3（b）可以看出：同一土層，0～21 cm土層總體上表現(xiàn)為灌溉水礦化度越大，土層含鹽量越高;21～30cm土層中，5.1 g/L礦化度微咸水灌溉后土壤鹽分依舊最高，而其他礦化度水平的規(guī)律性不太明顯。此外，3.4，5.1 g/L礦化度微咸水灌溉后，脫鹽深度非常接近，在15～16 cm左右;而0，1.7g/L灌溉水（淡水）灌溉后，脫鹽深度在17～18 cm左右。在脫鹽區(qū)，不同處理方式間含鹽量遠(yuǎn)低于初始含鹽量，且處理方式間差異較小;而在脫鹽深度以下，總體上隨著礦化度的增加，土壤鹽分及灌溉水中的鹽分隨水分入滲而運(yùn)移，導(dǎo)致土壤含鹽量逐漸增加。

2.3.2 剖面土壤Na+和Cl-的分布

鹽害對植物的危害主要表現(xiàn)在：① 滲透脅迫，即土壤中過多的可溶性鹽使土壤水勢降低，導(dǎo)致植物吸水困難，嚴(yán)重時，甚至造成植物組織內(nèi)水分外滲，造成生理干旱;② 光合作用下降，因鹽分過多使PEP羧化酶和RuBP羧化酶活性下降;③ 離子失調(diào)，土壤中某種離子過多往往排拆植物對其他離子的吸收。如小麥生長在Na+過多的環(huán)境中，其體內(nèi)缺K+，則會阻礙土壤膠體離子交換，降低土壤水氣透性，危害作物生長。此外，植物對Cl-的需求較低，土壤中Cl-含量一般均超過植物生長所需量。因此分析Na+和Cl-的遷移具有重要意義。不同礦化度灌溉水灌溉后，剖面土壤Na+和Cl-的分布如圖4所示。

由圖4（a）可知，由于淋洗的作用，表層土壤Na+含量很低，隨著土層深度的增加，土層Na+含量略微增加，幅度較小，且不同礦化度微咸水灌溉后剖面土壤Na+含量基本沒有差異;但當(dāng)土層深度達(dá)到15 cm時，隨著土層深度的增加Na+含量快速提高，且不同礦化度微咸水灌溉后土壤剖面Na+含量差異較為明顯。相同土層，總體上Na+含量隨著灌溉水礦化度的增加而增加。不同礦化度微咸水灌溉后，均存在“脫Na+”現(xiàn)象（深度15～16 cm），且礦化度越高，該深度越低，但差異不明顯。礦化度為0 g/L時，脫鹽區(qū)域和積鹽區(qū)域面積基本相等，而隨著礦化度的增大，積鹽區(qū)域面積均大于脫鹽區(qū)域面積，這是因為不同礦化度微咸水中存在一定量的Na+，灌溉后土壤剖面Na+含量受灌溉水礦化度和土壤Na+含量初始值的共同影響。

由圖4（b）可知：由于淋洗的作用，表層土壤Cl-含量很低，隨著土層深度的增加，土層Cl-含量略微增加，幅度較小，且不同礦化度微咸水灌溉后剖面土壤Cl-含量差異較小，但相對Na+而言，差異稍大一些;但當(dāng)土層深度超過24 cm時，隨著土層深度的增加Cl-含量快速提高，且不同礦化度微咸水灌溉后土壤剖面Cl-含量差異較為明顯。相同土層，總體上Cl-含量隨著灌溉水礦化度的增加而增加。不同礦化度微咸水灌溉后，均存在“脫Cl-”現(xiàn)象（深度22～23 cm），且差異不明顯。礦化度為0 g/L時，脫鹽區(qū)域和積鹽區(qū)域面積基本相等，而隨著礦化度的增大，積鹽區(qū)域面積均大于脫鹽區(qū)域面積，這是因為不同礦化度微咸水中存在一定量的Cl-，灌溉后土壤剖面Cl-含量受灌溉水礦化度和土壤Cl-含量初始值的共同影響。

3 結(jié) 論

（1） 微咸水灌溉條件下，鹽堿土土壤入滲能力隨灌溉水礦化度的增加而提高。

（2） 微咸水灌溉條件下，隨著灌溉水礦化度的增加，積鹽區(qū)各土層含水率、含鹽量及其Na+、Cl-濃度總體上逐漸增大，脫鹽區(qū)域差異不明顯。

本文主要考慮了4種不同礦化度微咸水灌溉條件下鹽堿土土壤水鹽運(yùn)移規(guī)律，由于經(jīng)驗不足，重復(fù)土柱未全部取樣，導(dǎo)致后期無法進(jìn)行差異顯著性分析以及土壤類型單一，后期有待進(jìn)一步對比分析其他土壤類型;再者，本次試驗屬于短期連續(xù)入滲試驗，以后長期微咸水灌溉條件下土壤水鹽運(yùn)移有待進(jìn)一步研究，后期擬模擬3～5 a長期微咸水灌溉，探究長期微咸水灌溉條件下土壤水鹽運(yùn)移規(guī)律。最后，本試驗側(cè)重機(jī)理研究，根據(jù)試驗結(jié)果，實際種植操作中可以根據(jù)種植作物的根系分布情況以及耐鹽閾值，控制灌溉水的礦化度或者加大灌溉量以提高淋洗深度，保證作物正常生長發(fā)育。

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（編輯：謝玲嫻）