暗管排水對河套灌區(qū)下游鹽堿地脫鹽效果的影響

鄭 彥，楊樹青*，張 晶，王文旭，王 雯，李 賀

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；2.內(nèi)蒙古恒源水利工程有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018）

河套灌區(qū)土壤鹽堿化發(fā)育典型，鹽堿化耕地面積占全區(qū)耕地面積的70%，其中中重度鹽堿化面積約為11×104hm2［1］。河套灌區(qū)的排水不暢，是導(dǎo)致原生與次生鹽堿化并存的重要原因，鹽堿地面積大、程度重，嚴(yán)重影響該區(qū)生態(tài)、農(nóng)業(yè)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展［2］?！胞}隨水來，鹽隨水去”。在改良鹽堿地的各種方法中，最關(guān)鍵的一步就是排水措施［3］。因此，選擇正確的排水措施對保障灌區(qū)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

目前國內(nèi)外采取的農(nóng)田排水方式主要有明溝排水、暗管排水和豎井排水［4-5］。與明溝排水和豎井排水相比，暗管排水具有提高土地利用率、便于農(nóng)田機(jī)械化作業(yè)、節(jié)省淋洗水量等優(yōu)點(diǎn)，是更適合河套灌區(qū)的排水控鹽措施。暗管排水在世界各國鹽堿地改良中均得到了良好的應(yīng)用［6-7］，國外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)在突尼斯［6］、印度［8］、巴基斯坦［9］和伊朗［7］采用暗管排鹽技術(shù)能夠有效治理鹽堿地，改善土壤理化環(huán)境。國內(nèi)研究表明：暗管排水能夠有效控制農(nóng)田地下水位［10-11］、防止土壤浸漬［12］、降低土壤鹽分［13-14］，顯著增加作物產(chǎn)量［15-16］，且排鹽效果優(yōu)于明溝排水［17］。

近年來，關(guān)于暗管排水改良鹽堿地已有較多的研究，但關(guān)于河套灌區(qū)地下水埋深較淺且土壤次生鹽漬化嚴(yán)重條件下不同暗管埋深及間距對土壤鹽分變化、脫鹽效果及作物產(chǎn)量等影響的研究鮮見報(bào)道。以此為切入點(diǎn)，選取河套灌區(qū)下游中重度鹽堿地為研究對象，研究了暗管排水措施實(shí)施后對灌區(qū)鹽堿地土壤鹽分變化的影響，分析暗管排水的脫鹽效果及作物產(chǎn)量變化，旨在為河套灌區(qū)合理實(shí)施鹽堿地改良及改善土壤環(huán)境提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)于2019年4月在河套灌區(qū)烏拉特灌域紅衛(wèi)試驗(yàn)區(qū)（中心坐標(biāo)40°35′N，108°90′E）開展。試驗(yàn)區(qū)年平均降水量270 mm，年平均氣溫7.9 ℃，年平均蒸發(fā)量2383 mm，凍土深度115 cm，無霜期146 d，海拔1029 m，屬中溫帶大陸性多風(fēng)干旱氣候。研究區(qū)土壤基本理化性質(zhì)見表1。

表1 試驗(yàn)區(qū)土壤基本理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

據(jù)試驗(yàn)區(qū)土壤理化性質(zhì)及地下水埋深等實(shí)際情況，參考暗管埋深和間距的經(jīng)驗(yàn)值［4］，試驗(yàn)共設(shè)置3個(gè)處理：暗管間距30 m、埋深1.2 m（T1）和暗管間距20 m、埋深0.8 m（T2），對照（T0）為不鋪設(shè)暗管，T1和T2分別鋪設(shè)了5根暗管，見圖1。吸水管采用直徑為8 cm的塑料波紋管，比降為1/1000，管外包有68 g·m-2的透水性土工布，各處理間設(shè)聚氯乙烯薄膜，防止相互滲透，并在T1和T2處理的暗管出水口安裝水表以便觀測暗管排水量。

圖1 田間試驗(yàn)平面布置圖

試驗(yàn)區(qū)主要種植作物為向日葵，種植品種為國葵HF309，6月13日進(jìn)行穴播，10月1日人工收割，春灌淋洗灌水量為300 mm，生育期內(nèi)分為幼苗期（7月7日）、現(xiàn)蕾期（7月24日）、開花期（8月5日）、成熟期（8月30日）共4次進(jìn)行灌水，每次灌水量分別為97.5、82.5、67.5、52.5 mm。

1.3 測定指標(biāo)及方法

選定兩個(gè)暗管排水處理中間的吸水管，分別在吸水管正上方（水平距離吸水管0 m）、5 m和10 m處及空白對照區(qū)設(shè)置土樣觀測點(diǎn)，分別記為T1.1、T1.2、T1.3和T2.1、T2.2、T2.3，土壤樣品每次分為0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm共計(jì)5層進(jìn)行采集。土壤含水率采用烘干法測定，在105 ℃烘干至恒重；土壤含鹽量采用電導(dǎo)率法［18］（上海雷磁DDSJ-308型，測試土水比為1∶5的土壤浸提液的電導(dǎo)率值EC1∶5，mS·cm-1）測定，并用擬合公式將電導(dǎo)率轉(zhuǎn)換成含鹽量，擬合公式為：Y=-0.655+4.678EC1∶5，決定系數(shù)R2=0.96，式中Y代表土壤含鹽量（g·kg-1）。土壤脫鹽率［19］（%）=（土壤含鹽量初始值-土壤含鹽量終值）/土壤含鹽量初始值×100。

向日葵收割時(shí)，在T1.1、T1.3和T2.1、T2.3取樣點(diǎn)附近隨機(jī)選取1行10株作物，進(jìn)行脫粒并自然曬干。用天平測量花盤重、百粒重及籽粒重，再換算成每公頃作物產(chǎn)量。應(yīng)用Excel 2007對數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理及整理，利用SPSS 19.0進(jìn)行顯著性分析，使用Origin Pro 2018繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 暗管排水對表層土壤含鹽量的影響

不同取樣點(diǎn)表層土壤含鹽量變化見圖2，可看出，T0表層土壤含鹽量不同取樣時(shí)期均高于7.63 g·kg-1，T1和T2與暗管水平距離不同處土壤鹽分含量整體呈現(xiàn)下降趨勢且均低于T0，具體表現(xiàn)為無灌水時(shí)下降緩慢，灌水后大幅度降低。春灌后（6月5日），T0取樣點(diǎn)表層土壤含鹽量較灌前增加0.42 g·kg-1，其余均有不同幅度降低，其中T2.1降幅最大，為8.3%。全觀測期內(nèi)，T2與暗管水平距離相同處表層土壤含鹽量均低于T1，呈現(xiàn)T0、T1.3、T2.3、T1.1、T2.1依次降序的趨勢。接近觀測期結(jié)束時(shí)T2.1和T1.1表層土壤已由中度鹽堿化（4～6 g·kg-1）降為輕度（2～4 g·kg-1），T1.3和T2.3由重度鹽堿化（6～20 g·kg-1）降為中度（4～6 g·kg-1），而T0表層土壤含鹽量較4月增加了0.37 g·kg-1。

圖2 暗管排水對表層土壤含鹽量的影響

2.2 暗管排水對中層和深層土壤含鹽量的影響

T0處理中層（20～60 cm）土壤含鹽量不同時(shí)期在14.14～14.63 g·kg-1之間變化，隨時(shí)間變化差異不明顯（P＞0.05）；T1和T2整體呈下降趨勢，且作物收獲后土壤含鹽量比春灌前顯著降低（P＜0.05）。T1播種前、開花期和收獲后土壤含鹽量較春灌前分別降低了0.70、1.55和2.11 g·kg-1，T2分別降低了0.78、1.58和2.51 g·kg-1。暗管鋪設(shè)后，隨著灌溉次數(shù)的增加，T1和T2中層土壤含鹽量不斷降低，且T2降幅優(yōu)于T1（圖3a）。

如圖3b所示，T0深層（60～100 cm）土壤鹽分變化與中層相似，不同時(shí)期含鹽量差異不顯著，在0.02～0.37 g·kg-1之間；T1不同時(shí)期深層土壤含鹽量較春灌前降幅分別為3.58%、9.07%和14.33%；T2開花期深層土壤含鹽量較春灌前下降了0.90 g·kg-1，但與播種前和收獲后相似（P＞0.05）。這說明暗管排水能在一定程度上降低深層土壤鹽分，但由于灌水次數(shù)增多，表層和中層土壤鹽分多被淋洗至深層，使得深層土壤鹽分較為聚集且難以淋洗，隨時(shí)間變化差異不大。

圖3 暗管排水對中層和深層土壤含鹽量的影響

綜上，暗管排水對不同層次土壤鹽分含量的影響有所不同，T1和T2中層顯著降低（P＜0.05），隨著生育期內(nèi)灌水，中層土壤含鹽量分別由9.17和8.51 g·kg-1降至7.76和6.75 g·kg-1。深層土壤含鹽量受暗管排水影響較小，T1和T2該土層土壤鹽分變化較小，春灌前和收獲后差值分別為1.28和1.60g·kg-1，且在生育期內(nèi)隨時(shí)間變化不顯著（P＞0.05）。2.3 暗管排水條件下不同土層土壤的脫鹽效果

脫鹽率是土壤鹽分含量變化的重要指標(biāo)，能夠直觀反映土壤的脫鹽效果。表2為觀測期結(jié)束時(shí)（10月10日）不同處理土壤脫鹽效果。T0各土層鹽分含量均在7.0 g·kg-1以上，仍處于較高值；表層土壤脫鹽率為-4.79%，呈積鹽現(xiàn)象；20～100 cm的4個(gè)土層脫鹽率都≤1%。T2表層脫鹽率最大，平均值達(dá)36.65%，T2.1取樣點(diǎn)20～40、40～60、60～80、80～100 cm土層脫鹽率較T2.3分別高出11.26%、6.68%、4.18%、3.45%，這說明T2處理土壤脫鹽率在土體中隨深度增加而逐漸減小。T1.1表層脫鹽率為29.54%，較T2.1低7.11%，T1.3處0～100 cm的平均脫鹽率比T1.1低6.63%，這表明在T1處理下，與暗管水平間隔越遠(yuǎn)，土壤脫鹽率越小。T1和T2脫鹽率平均值分別為19.63%和23.60%，較T0分別高出20.10%和24.07%。由此可知，暗管排水能夠提高土壤脫鹽效果，且暗管埋深越深，脫鹽率越??；水平方向上距離暗管越遠(yuǎn)，脫鹽率越小。

表2 不同處理土壤含鹽量與脫鹽率

2.4 土壤鹽分淋洗曲線

以灌水淋洗前后，一定深度土壤鹽分變化和灌溉用水量為參數(shù)構(gòu)建的曲線，稱為鹽分淋洗曲線，能夠反映土壤脫鹽效果與灌水量之間的關(guān)系，根據(jù)淋洗曲線可以確定不同的灌溉淋洗水量。淋洗曲線方程［20］為：

式中：Weo和We分別為灌水前后一定土層深度的土壤含鹽量（g·kg-1）；Wep為淋洗平衡土壤含鹽量（g·kg-1），通常取為淋洗結(jié)束后0～10 cm土層土壤含鹽量，本試驗(yàn)取灌水完成后0～10 cm的土壤含鹽量，實(shí)測值為3.55 g·kg-1；DW為灌溉用水量，取值600 mm；DS為淋洗土層深度（cm）。

由圖4可看出，T1和T2小區(qū)不同取樣點(diǎn)灌水淋洗土壤鹽分均能用鹽分淋洗曲線擬合，且決定系數(shù)都在0.90以上。對比不同暗管埋深處理，T2處理的（We-Wep）/（Weo-Wep）值均大于T1，以土層深度100 cm為例，T2其值分別為0.63、0.52和0.47，T1分別為0.60、0.50和0.46，這說明在灌水量和土層深度相同的情況下，T2土壤淋洗脫鹽效果優(yōu)于T1；還可看出，水平間隔暗管越遠(yuǎn)，土壤鹽分淋洗效果越差。T2.1取樣點(diǎn)處決定系數(shù)為0.960，擬合效果最優(yōu)，對河套灌區(qū)鹽堿地進(jìn)行淋洗脫鹽改良有一定的指導(dǎo)作用。

圖4 暗管排水不同埋深的土壤鹽分淋洗曲線

2.5 暗管排水對向日葵產(chǎn)量的影響

向日葵花盤重和百粒重變化基本一致，即T0顯著低于T1和T2（P＜0.05），且T1.1和T1.3、T1.1和T2.1、T2.1和T2.3之間差異顯著（P＜0.05），說明暗管的鋪設(shè)及不同間距對向日葵花盤重和百粒重的影響較大；籽粒重受暗管埋深的影響較小，T1.1和T2.3、T2.3和T1.3的差值分別為8.82和34.91 g，無明顯差異（P＞0.05）；暗管埋設(shè)后向日葵產(chǎn)量增加明顯（P＜0.05），T1和T2產(chǎn)量與T0相比，分別增產(chǎn)達(dá)34.29%和53.51%（表3）。

表3 不同處理小區(qū)的向日葵產(chǎn)量

3 討論

3.1 暗管排水對不同層次土壤鹽分的影響

研究結(jié)果顯示，暗管排水對鹽堿地土壤鹽分調(diào)控具有良好的作用，Qian等［10］通過干旱區(qū)暗管排水管道設(shè)計(jì)參數(shù)的試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究得出，灌水淋洗后，土壤剖面60 cm深度內(nèi)，鹽分含量顯著下降，在60 cm以下發(fā)現(xiàn)土壤鹽分變化相對較小，本試驗(yàn)結(jié)果顯示，暗管排水條件下，表層土壤含鹽量降幅最大，中層次之，深層較為穩(wěn)定，與其結(jié)果基本一致。祝榛等［21］研究發(fā)現(xiàn)，暗管埋設(shè)后，通過多次淋洗，不同處理0～100 cm土層土壤含鹽量明顯下降且變化趨勢一致，而本研究為表層和中層有不同程度降低、深層變化不明顯（P＞0.05），這可能是本試驗(yàn)灌水量僅為其一半而造成深層土壤淋洗效果較差的原因。

有研究表明，暗管排鹽措施能使0～80 cm土壤脫鹽率達(dá)50%以上［22］，而本研究結(jié)果（＞20%）遠(yuǎn)低于其結(jié)果，這說明土壤脫鹽率隨著暗管排水改良年限的增加和相關(guān)的農(nóng)業(yè)改良技術(shù)實(shí)施而不斷增加。張金龍等［23］通過不同暗管埋設(shè)間距下土壤鹽分淋洗試驗(yàn)，得出經(jīng)過多次漫灌淋洗后，暗管排水區(qū)0～100 cm土壤脫鹽率介于56.49%～78.81%之間，本研究經(jīng)過春灌和生育期灌水淋洗后，0～100 cm土壤脫鹽率為9.68%～42.44%，由于本試驗(yàn)暗管埋設(shè)間距較大導(dǎo)致鹽分淋洗不充分，故研究結(jié)果小于前者。研究還發(fā)現(xiàn)，水平方向上距離暗管越遠(yuǎn)，土壤脫鹽率越小，這是由于灌水淋洗后土壤鹽分會(huì)隨著灌溉水一起匯入暗管排出土壤。

3.2 暗管排水對作物產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)效益的影響

暗管排水能夠較好地提升土壤的排水能力，改善作物生長環(huán)境，避免作物遭受濕害而導(dǎo)致減產(chǎn)。相同條件下暗管排水區(qū)作物產(chǎn)量較空白對照區(qū)明顯提高，本研究得出T1和T2產(chǎn)量與T0相比，分別增產(chǎn)達(dá)34.29%和53.51%，與前人［15，24］研究結(jié)果基本一致，暗管埋深淺，土壤脫鹽率較高，作物增產(chǎn)效果較好。暗管布設(shè)的間距和埋深是土壤脫鹽效果的主要影響因素，且暗管間距對土壤鹽分的影響較埋深作用更明顯［25］。王洪義等［26］研究結(jié)果表明，相同條件下暗管埋深一定時(shí)，各處理的平均排水效率和平均排水礦化度均表現(xiàn)為間距5 m高于10和15 m，而本研究結(jié)果顯示水平方向上距離暗管越遠(yuǎn)，土壤脫鹽率越小。從經(jīng)濟(jì)效益上來看，暗管間距越小，土壤脫鹽效果越好，但在實(shí)際工程中成本費(fèi)用相對會(huì)更高［20］。研究僅對不同暗管埋深及間距組合下土壤脫鹽效果和產(chǎn)量進(jìn)行分析，還需進(jìn)一步設(shè)置不同處理，進(jìn)行相關(guān)的研究，在經(jīng)濟(jì)可行的條件下，針對河套灌區(qū)不同的鹽漬化土壤，制定科學(xué)合理的埋深和間距。

4 結(jié)論

暗管排水條件下，土壤表層含鹽量變化幅度最大，中層次之，深層較小。表層土壤基本由中重度鹽堿化（4～20 g·kg-1）降為輕中度（2～6 g·kg-1）；T2處理平均脫鹽率比T1整體高出3.97%，且不同處理暗管正上方土壤脫鹽率要高于與暗管水平距離10 m處6.51%和7.45%。

不同處理的（We-Wep）/（Weo-Wep）值為T2.1＞T1.1＞T2.3＞T1.3，這說明暗管埋深淺和與暗管水平距離小，土壤淋洗脫鹽效果較好，需要灌溉淋洗用水量較少。

在灌水技術(shù)和灌溉定額相同的情況下，T1和T2處理的向日葵產(chǎn)量均顯著高于T0（P＜0.05），分別較T0增產(chǎn)34.29%和53.51%。