旱區(qū)鹽堿地膜下滴灌棉田土壤水鹽運(yùn)移特性研究

焦文娟

(水利部新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，烏魯木齊 830000)

1 概 述

土壤鹽堿化問題一直是制約干旱半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的重要瓶頸，研究鹽堿地的治理措施和土壤水鹽運(yùn)移特性尤為重要。膜下灌溉技術(shù)長期應(yīng)用面臨著一定的問題，覆膜阻斷了土壤水分與大氣之間的直接聯(lián)系，改變了蒸發(fā)體的上邊界條件，使得土壤蒸發(fā)量大大減小，膜下土壤鹽分累積明顯削弱，但膜間裸露土壤在強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用下仍處于鹽分累積狀態(tài)[1-2]。隨著種植年限的增加，土壤中鹽分累積，導(dǎo)致土壤次生鹽堿化越來越明顯[3-4]。劉洪亮[5]等通過實(shí)測年積鹽速率計算，認(rèn)為膜下滴灌輕度鹽漬化耕地達(dá)到重度次生鹽漬化水平總鹽含量20～30 g/kg需要40～70年，達(dá)到中度次生鹽漬化水平總鹽含量10～20 g/kg僅需要15～40年。

不同改良措施對土壤鹽分分布影響作物生長不僅需要足夠的水分，還需要適宜的鹽分環(huán)境，土壤中鹽分過高會抑制生物的生長，對作物產(chǎn)生毒害作用。因此，需要采取一定措施來改善作物生長的鹽分環(huán)境，采用不同的措施來分析各種措施對土壤中鹽分分布以及含量的影響情況。

2 試驗(yàn)區(qū)概況及試驗(yàn)設(shè)計

2.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)在某灌溉試驗(yàn)站進(jìn)行。該試驗(yàn)地區(qū)屬暖溫帶大陸性荒漠氣候，干旱少雨而蒸發(fā)強(qiáng)烈，氣候干燥，晝夜溫差大。年平均降雨量51.2～63.1 mm，年潛在蒸發(fā)量2 272 mm，蒸降比約為43.6，日照時數(shù)為3 036.2 h，無霜期為191 d，年平均氣溫11.48 ℃～11.48 ℃，試驗(yàn)地區(qū)土質(zhì)為砂土，地下水埋深在6.8 m以下。

2.2 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)為同一地下水埋深條件下的生物化學(xué)措施改良鹽堿地處理，同一地下水埋深條件下大田小區(qū)試驗(yàn)方案試驗(yàn)在大田進(jìn)行，共設(shè)置10種處理，包括膜間間作不同鹽生植物的3種生物改良處理；施加3種不同石膏劑量的化學(xué)改良處理；同一施量石膏結(jié)合膜間間作不同鹽生植物的3種生物化學(xué)綜合改良處理以及一個對照組。每種處理2個重復(fù)。各處理對應(yīng)地下水埋深均為當(dāng)?shù)氐叵滤匀宦裆睿梢暈橥宦裆顥l件，試驗(yàn)中其他條件均一致，見表1。

表1 大田小區(qū)生物及化學(xué)改良試驗(yàn)設(shè)計

2.3 試驗(yàn)內(nèi)容與設(shè)計

試驗(yàn)種植模式見圖1。各小區(qū)棉花種植模式為一膜兩管四行，灌水方式為膜下滴灌，灌水水質(zhì)為淡水(當(dāng)?shù)厍?，礦化度0.84 g/L，全生育期灌溉定額為5 250 m3/hm2，滴頭流量2.2 L/h，滴頭間距30 cm。

圖1 種植模式示意圖

棉花于2020年4月21日播種，4月26日左右出苗。同時于2020年4月27日，對生物改良處理的膜間進(jìn)行撒播鹽生植物種子并覆膜以保證種子萌發(fā)對水分的需求，待鹽生植物長出2片子葉后將膜撕掉，并用灑水壺給膜間鹽生植物澆水，直到鹽生植物生長穩(wěn)定后停止?jié)菜Ｌ镩g試驗(yàn)小區(qū)布置見圖2。

圖2 田間試驗(yàn)小區(qū)布置示意圖

3 不同改良措施對棉田土壤水鹽運(yùn)移及棉花生長的影響

3.1 不同生育期土壤平均含鹽量的垂向分布特征

各處理土層平均含鹽量隨生育期變化情況見圖3。由圖3可以看出，各處理不同時期土層含鹽量均表現(xiàn)為上部土層含鹽量明顯大于下部，且在60/80 cm以下含鹽量很小。3個生物改良處理的土層平均含鹽量隨生育期變化差異主要集中在0～60 cm的根區(qū)層，其中孜然(圖3(a))和堿蓬(圖3(b))處理在0～60 cm土層含鹽量呈現(xiàn)一定的累積狀態(tài)，苜蓿(圖3(c))處理含鹽量隨生育期在減小；3個不同施量的化學(xué)改良處理中，7 500 kg/hm2的石膏處理(圖3(d))含鹽量隨生育期主要在0～60 cm土層變化，且隨生育期鹽分在累積，15 000 kg/hm2的石膏處理(圖3(e))土層平均含鹽量在0～50 cm呈減小狀態(tài)，在50～80 cm土層呈一定的減少狀態(tài)，而80 cm以下隨生育期差異性較小，22 500 kg/hm2的石膏處理(圖3(f))土層平均含鹽量在生育期始末差異較小，僅在表層10 cm有一定的脫鹽現(xiàn)象；3個生物與化學(xué)綜合改良處理的土層平均含鹽量總體呈累積狀態(tài)，其中堿蓬+石膏處理(圖3(g))主要在0～40 cm有一定的鹽分累積，而苜蓿石膏(圖3(h))和孜然石膏(圖3(i))處理的鹽分累積主要在0～60 cm土層。對照組則表現(xiàn)為在80 cm以上土體內(nèi)均處于鹽分累積狀態(tài)。由此可知，各處理土層平均含鹽量隨生育期變化主要集中在中上部60 cm以上土層，而下部土層含鹽量隨生育期變化較小，且含鹽量均較為小。

圖3 各生育期各處理土壤平均含鹽量的垂向分布特征

3.2 不同水平位置各處理土壤平均含鹽量分布特征

鹽分的分布變化包括水平和豎直兩個方向。利用棉花鈴期8月3日各處理灌后土壤平均含鹽量的等值線圖(圖4)，來分析鹽分在水平和豎直方向的分布變化情況。從圖4中可以看出，孜然處理(圖4(a))在滴頭下方20 cm形成一個明顯的橢圓狀淋洗區(qū)域，且土壤中鹽分以此橢圓形為中心向周圍擴(kuò)散，鹽分主要在30 cm土層聚集，形成一個很明顯的高鹽區(qū)；堿蓬處理(圖4(b))同樣也有灌水后淋洗現(xiàn)象，鹽分在30 cm聚集，且膜間鹽分高于窄行和寬行位置，表層有一定的隨土面蒸發(fā)表聚的鹽分；苜蓿處理(圖4(c))的土壤鹽分主要集中在0～40 cm土層，且鹽分隨蒸發(fā)表聚現(xiàn)象較為明顯；7 500 kg/hm2的石膏處理(圖4(d))土壤鹽分以滴頭下方20 cm處為中心，向兩側(cè)呈對稱方式遷移；15 000 kg/hm2的石膏處理(圖4(e))與堿蓬(圖4(b))處理較為相似，但該處理鹽分表聚現(xiàn)象出現(xiàn)在寬行位置，可能是該寬行位置地膜破損，土面蒸發(fā)強(qiáng)烈導(dǎo)致的緣故；22 500 kg/hm2的石膏處理(圖4(f))變現(xiàn)為鹽分主要聚集在膜間0～20 cm的土層，窄行和寬行鹽分均很少；堿蓬石膏處理(圖4(g))土壤中的鹽分主要集中在0～40 cm土層，且膜間表層以及滴頭下方30 cm處是兩個高鹽區(qū)；苜蓿石膏處理(圖4(h))的鹽分在30 cm土層聚集，且寬行鹽分含量較窄行和膜間在該土層大；孜然堿蓬處理(圖4(i))在滴頭下方形成一個明顯的淋洗區(qū)，鹽分向30～40 cm土層的膜間和寬行位置遷移；對照組(圖4(j))的鹽分受灌水后淋洗影響較大，鹽分在滴頭下方被淋洗到80 cm以下，而膜間鹽分表聚現(xiàn)象較為明顯。綜上可以看出，灌后各處理鹽分在滴頭淋洗的作用下，土壤中鹽分以滴頭為中心向周圍遷移，主要在30～40 cm土層聚集，且膜間、窄行、寬行在該土層內(nèi)形成明顯的帶狀高鹽區(qū)，總體呈現(xiàn)出膜間土壤鹽分高于窄行和寬行，同時膜間土壤鹽分隨土面蒸發(fā)有一定的表聚現(xiàn)象。

圖4 各處理生育期土壤平均含鹽量沿剖面等值線圖

3.3 不同生育階段各處理土壤鹽分離子的變化情況

3.3.1 各處理Cl-含量隨生育期變化情況

Cl-化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，易隨水流動，且溶解度大，易造成土壤溶液滲透壓升高，使植物不能吸收利用水分而導(dǎo)致植物脫水萎蔫。由各處理土壤中Cl-含量隨生育期變化情況可以看出，各處理Cl-在垂直方向上表現(xiàn)為上層土壤中含量大于下層，且在40 cm左右為轉(zhuǎn)折點(diǎn)。各處理Cl-含量隨生育期變化規(guī)律不一，其中孜然處理和孜然石膏處理的Cl-含量除在表層(0～10/20 cm)有一定減小外，以下土層中Cl-含量均為增加狀態(tài)；堿蓬7 500 kg/hm2石膏、22 500 kg/hm2石膏和對照組的Cl-含量在這個土體中隨生育期均呈減小狀態(tài)；苜蓿處理Cl-含量在0～30 cm土層有一定增加，30 cm以下呈減少狀態(tài)；15 000 kg/hm2石膏和堿蓬+石膏兩個處理的Cl-含量以40 cm土層為分界，40 cm以上隨生育期減小，40 cm以下呈增大趨勢；苜蓿+石膏的Cl-含量在整個土體隨生育期在增大。

由上述分析可以看出，各處理土壤中Cl-含量隨生育期變化主要集中在0～40 cm土層，為更進(jìn)一步分析各處理Cl-含量隨生育期在該土層范圍內(nèi)變化情況，現(xiàn)將各處理Cl-含量在生育期始末的增大減小率情況列于表2。各處理Cl-含量在0～40 cm土層均有一定程度的減小，生育期始末Cl-含量減小率從大到小的順序依次為：7 500 kg/hm2石膏>堿蓬>15 000 kg/hm2石膏>堿蓬+石膏>對照>22 500 kg/hm2/石膏+孜然>石膏>孜然>苜蓿>苜蓿+石膏。

表2 各處理0～40 cm土層Cl-含量變化率

3.3.2 各處理K+/Na+隨生育期變化情況

土壤中Na+是鹽分中一種主要的有害離子，而K+是可以被作物吸收的養(yǎng)分離子，K+/Na+是指土壤中K+含量與Na+含量的比值，其值越大，說明土壤中養(yǎng)分離子K+含量相對鹽分離子Na+的含量較多，反之則較小。表3-表5分別為0～100 cm土層內(nèi)各處理K+含量、Na+含量和K+/Na+隨生育期變化率情況。由表3中可以看出，各處理K+含量隨生育期均在減少，減小率依次為堿蓬+石膏>7 500 kg/hm2石膏>對照>堿蓬。由表4中可以看出，堿蓬處理的Na+含量在生育期始末呈減小狀態(tài)，減小率為72.58%，7 500 kg/hm2石膏處理Na+含量在生育期始末保持平衡，沒有增減；堿蓬+石膏處理和對照組Na+含量隨生育期均在減小。由表5可知，處理K+/Na+隨生育期均在減小，減小率依次為堿蓬+石膏>7 500 kg/hm2石膏>對照>堿蓬，可見堿蓬處理在抑制K+/Na+增大方面表現(xiàn)最優(yōu)。

表3 0～100 cm土層內(nèi)各處理K+含量變化率

表4 0～100 cm土層內(nèi)各處理Na+含量變化率

表5 0～100 cm土層內(nèi)各處理K+/Na+含量變化率

4 結(jié) 語

在膜下滴灌條件下，通過大田試驗(yàn)，分析研究不同改良措施對旱區(qū)鹽堿地的改良情況，可以得到以下結(jié)論：

1) 在深度方向上，各處理土層平均含鹽量隨生育期變化主要集中在中上部60 cm以上土層，而下部土層含鹽量隨生育期變化較小，且含鹽量均較為小。在水平方向上，灌后各處理鹽分在滴頭淋洗的作用下，土壤中鹽分以滴頭為中心向周圍遷移，主要在30～40 cm土層聚集，且膜間、窄行、寬行在該土層內(nèi)形成明顯的帶狀高鹽區(qū)，總體呈現(xiàn)出膜間土壤鹽分高于窄行和寬行，同時膜間土壤鹽分隨土面蒸發(fā)有一定的表聚現(xiàn)象。

2) 各處理Cl-在垂直方向上表現(xiàn)為上層土壤中含量大于下層，且在40 cm左右為轉(zhuǎn)折點(diǎn)；各處理Cl-含量在0～40 cm土層均有一定程度的減小，生育期始末Cl-含量減小率從大到小的順序依次為：7 500 kg/hm2石膏>堿蓬>15 000 kg/hm2石膏>堿蓬+石膏>對照>22 500 kg/hm2石膏+孜然>石膏>孜然>苜蓿>苜蓿+石膏。處理K+/Na+隨生育期的減小率為：堿蓬+石膏>7 500 kg/hm2石膏>對照>堿蓬，可見堿蓬處理在抑制K+/Na+增大方面表現(xiàn)最優(yōu)。