鄭曉輝，巴特爾·巴克*，李 宏，賈偉華，趙海珍

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830052；2.新疆林業(yè)科學(xué)院，烏魯木齊 830063）

在自然條件下，強(qiáng)烈的蒸發(fā)條件促使土壤的水分向上運(yùn)移，并且被蒸發(fā)，而深層土壤得到淺層地下水的補(bǔ)充，這就導(dǎo)致了鹽分隨水分向表層土壤運(yùn)移[1]。土壤的入滲特性直接影響著灌溉質(zhì)量和灌溉效率，進(jìn)而影響作物的生長(zhǎng)和能源的有效利用率[2-6]。無(wú)論是哪種灌溉模式，在制定灌溉制度時(shí)，都必須將土壤的入滲特性作為一個(gè)主要的考慮因素。新疆干旱內(nèi)陸河灌區(qū)，長(zhǎng)期以來(lái)由于在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中普遍采用大水漫灌的灌溉方式，造成地下水位升高。又由于獨(dú)特的自然氣候條件，在灌溉水的下滲和強(qiáng)烈的蒸發(fā)、蒸騰作用下，土壤中水鹽運(yùn)移活躍,加上排水系統(tǒng)不健全，導(dǎo)致農(nóng)田土壤發(fā)生次生鹽漬化。新疆灌區(qū)現(xiàn)有不同程度的次生鹽漬化面積達(dá)104萬(wàn)hm2，約占全區(qū)灌溉面積的1/3[7]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，新疆綠洲灌溉面積僅為5.87×104km2，占土地面積的3.57%，其中1/3的耕地（約400×104hm2）發(fā)生著不同程度的土壤次生鹽漬[8]。鹽堿土所特有的反復(fù)性和不穩(wěn)定性特征預(yù)示著土壤鹽漬化防治的長(zhǎng)期性和艱巨性，土壤次生鹽漬化已成為制約干旱地區(qū)灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因子[9-10]。因此，研究滴灌、溝灌和漫灌等干旱區(qū)常用的灌溉方式下水分和鹽分的時(shí)間和空間運(yùn)移及其耦合運(yùn)移規(guī)律對(duì)干旱區(qū)鹽堿地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)至關(guān)重要。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2009年7～8月在新疆昌吉呼圖壁縣國(guó)家生態(tài)園（N44°08′，E86°07′）中進(jìn)行，土壤質(zhì)地為粘土，地下水埋深1.5 m，0～120 cm土層平均重量含水量為20.92%，土壤總鹽含量7.9685 g·kg-1，表層土壤鹽分含量較高，海拔高度446 m，屬呼圖壁河右岸洪積沖積扇潛水溢出帶與沖積平原交錯(cuò)帶。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)小區(qū)設(shè)計(jì)與灌水方式

灌水前對(duì)試驗(yàn)地土壤、水分、鹽分等狀況進(jìn)行了調(diào)查并取土化驗(yàn)。選同質(zhì)地200 m2的地塊，分成4 m×4 m的小區(qū)共9個(gè)，小區(qū)用雙層加厚塑料薄膜垂直分開(kāi)，薄膜垂直埋深1.8 m。試驗(yàn)設(shè)計(jì)滴灌、溝灌和漫灌三種灌水方式，每一種灌水方式3個(gè)小區(qū)，作為重復(fù)，其中溝灌小區(qū)溝頂高40 cm，溝寬60 cm，每個(gè)小區(qū)設(shè)3個(gè)溝，龔溝斷面采用梯形斷面。試驗(yàn)前和試驗(yàn)過(guò)程中小區(qū)內(nèi)植物人工清楚，以免影響土壤水鹽運(yùn)移。

每一個(gè)試驗(yàn)小區(qū)灌溉量根據(jù)灌水前土壤含水量來(lái)確定，灌溉量要求0～120 cm土壤含水量達(dá)到飽和含水量。滴灌采用1個(gè)滴水點(diǎn)，在小區(qū)對(duì)角線(xiàn)交叉出（小區(qū)中心）滴水；溝灌和漫灌采用輸水管灌水，試驗(yàn)地灌水日期為2009年8月8日。

1.2.2 取土方法

用長(zhǎng)1.2 tm的鋼制土鉆取土，每隔3日取土一次，所有灌水方式取土層次為0～10 cm、10～30 cm、30～50 cm、50～80 cm、80～120 cm。滴灌灌溉后按水平（按照滴灌滴水點(diǎn)分4個(gè)方向，按90°，每個(gè)方向在滴水點(diǎn)、離滴水點(diǎn)20、50、80、120 cm）和垂直方向取樣，每次取樣時(shí)按照上次取樣地點(diǎn)，以滴水點(diǎn)為中心水平旋轉(zhuǎn)30°取樣，灌水后共取土3次；溝灌一個(gè)溝取2個(gè)溝頂、1溝底和2個(gè)溝坡五個(gè)采樣點(diǎn)，采樣點(diǎn)水平距離15 cm，每次取土按溝向離前次取土點(diǎn)水平移動(dòng)50 cm取樣；漫灌取1個(gè)點(diǎn)，在小區(qū)對(duì)角線(xiàn)交叉處。2009年8月2日灌水前取土，之后8月14日，8月17日和8月23日所有灌水方式均進(jìn)行取土。

1.2.3 室內(nèi)分析和數(shù)據(jù)處理

土壤重量含水量采用烘干法測(cè)定。土壤總鹽含量使用殘?jiān)娓煞y(cè)定方法:土樣自然風(fēng)干，磨碎、過(guò)2 mm篩后備用，土樣按1∶5比例加入蒸餾水，取20mL的濾清液放入已知質(zhì)量的干燥蒸發(fā)皿中，在200℃電熱板上加熱至干燥，若其中蒸發(fā)皿中出現(xiàn)黃色，滴入30%的雙氧水，氧化至黃色消失為止，后將蒸發(fā)皿放入105℃的烘箱中烘4 h，取出蒸發(fā)皿放入干燥器中，冷卻至室溫，使用千分之一天平稱(chēng)重，記錄差值。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Excel軟件進(jìn)行基本分析統(tǒng)計(jì)做圖分析，等值線(xiàn)圖數(shù)據(jù)采用采用Surfer軟件（Version8.0，Golden Software Inc.）提供的kriging插值功能實(shí)現(xiàn)土壤含水量和總鹽含量水平、垂直網(wǎng)格化，并用該軟件繪制等值線(xiàn)圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 三種灌溉方式土壤含水量變化規(guī)律

2.1.1 土壤重量含水量變化

用見(jiàn)彩版Ⅰ（a）和彩版Ⅰ（b）分別表示灌水前后的土壤含水量的變化，其中橫坐標(biāo)表示水平方向滴水點(diǎn)（0 cm處）不同距離（cm）；縱坐標(biāo)表示土壤深度，顏色的深淺表示土壤重量含水量的變化，虛線(xiàn)為土壤含水量相同的等值線(xiàn)。

灌水前土壤含水量水平方向差異不大，等值線(xiàn)基本呈平行（見(jiàn)彩版Ⅰ（a））。灌水后土壤含水量在水平方向隨著離滴水點(diǎn)距離的增加而降低（見(jiàn)彩版Ⅰ（b））；垂直方向上，滴灌水的下滲范圍為0～30 cm，呈現(xiàn)近似倒圓錐形的土壤濕潤(rùn)區(qū)；30～40 cm處，土壤水分含量最少，40～100 cm處，隨著深度的增加，土壤水分不斷的增加。

溝灌較滴灌的垂直下滲范圍要小，如彩版Ⅱ所示，見(jiàn)彩版Ⅱ（a）和彩版Ⅱ（b）分別表示溝灌灌水前后土壤含水量的變化規(guī)律，灌水前后對(duì)比，灌水后6 d溝底（30 cm處）土壤含水量增加最明顯，溝底表層呈現(xiàn)近似U型等曲線(xiàn)，深層呈現(xiàn)近似倒U型，溝頂含水量在同樣深度下比溝底低，溝頂處水分向溝底運(yùn)移。

漫灌灌水方式下，灌水前后土壤含水量垂直變化如圖1。漫灌灌水后5 d土壤整層含水量均增加，其中0～20 cm表層土壤含水量增加最高，到8月16日深層含水量降低至灌溉前，到8月23日由于土壤表面蒸發(fā)，表層土壤含水量也降到了灌水前。

圖1 漫灌灌水前后土壤含水量變化規(guī)律Fig.1 Water content variation before and after flood irrigation

2.1.2 三種灌溉方式水下滲作用范圍對(duì)比

溝灌，滴灌和漫灌水的下滲范圍有著明顯的不同，存在很強(qiáng)的規(guī)律性，滴灌的水平方向作用范圍較小，在離滴水點(diǎn)水平方向40 cm，垂直方向40 cm的范圍內(nèi)形成一個(gè)倒圓錐型的土壤濕潤(rùn)區(qū)，溝灌則形成一個(gè)U型的土壤濕潤(rùn)區(qū)（見(jiàn)彩版Ⅰ（b）），其作用范圍在40 cm。滴灌灌水量為0.2685 m3，溝灌用灌水為0.796 m3，漫灌灌水量為0.893 m3，但在滴頭正下方，溝底及漫灌在8月17日的取樣點(diǎn)65 cm處，它們的含水量卻有差異，如表1所示，滴灌灌水量＜溝灌灌水量＜漫灌灌水量，但在65 cm處，滴灌含水量＞溝灌含水量＞漫灌含水量，說(shuō)明土壤水分在相同水量不同灌溉條件下，滴灌水的下滲深度均比溝灌和漫灌深。

表1 在滴灌滴頭正下方、溝底及漫灌65 cm深度土壤含水量時(shí)間變化Total 1 Time variation of water content under drip irrigation,flood irrigation and furrow irrigation

2.2 三種灌溉方式土壤總鹽變化規(guī)律

滴灌灌水方式下，由于滴灌的局部灌溉特點(diǎn)，距離滴頭越近的土體，土壤鹽分運(yùn)動(dòng)越劇烈，在有效浸潤(rùn)土體范圍內(nèi)，土壤鹽分含量變化顯著，水滴受重力和毛管吸力的影響，緩慢地呈近倒圓錐形向外擴(kuò)散，滴頭附近的土體逐漸處于脫鹽過(guò)程，同時(shí)濕潤(rùn)土體的脫鹽區(qū)范圍逐漸隨入滲時(shí)間延長(zhǎng)而不斷增加，表現(xiàn)為含鹽量在濕潤(rùn)區(qū)中部低、邊緣高，在濕潤(rùn)鋒處形成了含鹽量相對(duì)較高的積鹽區(qū)。

彩版Ⅲ中（a）和彩版Ⅲ（b）表示滴灌灌水前和灌水后的6 d土壤含鹽量的變化規(guī)律，其中橫坐標(biāo)表示距離滴水點(diǎn)（0 cm）的距離，縱坐標(biāo)表示土壤深度。在滴灌條件下，灌水前土壤總鹽水平方向差異不大（見(jiàn)彩版Ⅰ（a））；灌水后6 d土壤鹽分在重力和毛管吸附力的作用下向土壤深處移動(dòng)；另一方面在毛管力和土壤基質(zhì)勢(shì)的作用下向水平方向緩慢擴(kuò)散，使鹽分在濕潤(rùn)體邊緣自由擴(kuò)散，土壤中的鹽分亦隨水移動(dòng)而被淋洗到浸潤(rùn)體外緣，起到“驅(qū)鹽”的作用，從而使0～20 cm土壤形成了一個(gè)半圓錐形的低鹽區(qū)（見(jiàn)彩版Ⅲ（b））。鹽分被壓倒20～30 cm土層深度，因此這個(gè)深度含鹽量較高；又由于30～100 cm深度受滴灌鹽分運(yùn)移影響很小，加之當(dāng)?shù)氐叵滤辉?.5 m，短時(shí)間內(nèi)不會(huì)因潛水蒸發(fā)造成此深度鹽分的累計(jì)，所以在此深度內(nèi)含鹽量相對(duì)30～50 cm深度降低了，因此20～30 cm深度是鹽分最大聚集區(qū)（見(jiàn)彩版Ⅲ（b））。

溝灌灌水前土壤總鹽含量水平方向差異?。ㄒ?jiàn)彩版Ⅳ（a）），灌水后6 d日表層總鹽含量降低，溝底降低幅度比溝頂大（見(jiàn)彩版Ⅳ（b）），0～20 cm土層總鹽降幅達(dá)15%。由于表層鹽分隨水分淋洗到了深層，灌水后深層土壤總鹽含量有所增加，灌水后9 d表層土壤總鹽含量有所增加，溝頂增幅比溝底大，表層土壤總鹽呈近倒U型，是由于土壤表面水分蒸發(fā)，深層水分流向表層，將深層鹽分帶到了表層，形成返鹽現(xiàn)象。

漫灌條件下灌水前土壤表層鹽分較深層高4～5倍（見(jiàn)圖2），灌水后隨時(shí)間的推移，鹽分隨水分向下移動(dòng)；灌溉后5 d（8月13日）10～30 cm土層土壤總鹽降低近30%，而30～50 cm土壤總鹽增加近5倍，是由于上層土壤洗鹽壓下所至；灌水后14日（8月23日）0～10 cm表層土壤總鹽含量反超灌水前，30～50 cm土層土壤總鹽含量也高出了灌水前，均由于表層強(qiáng)烈蒸發(fā)，將深層鹽分帶到表層。因此，在10～30 cm處形成一個(gè)積鹽區(qū)，30～50 cm處鹽水運(yùn)移活動(dòng)強(qiáng)烈，50～100 cm處鹽分處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。

圖2 漫灌灌水后土壤總鹽變化規(guī)律Fig.2 Salt content variation before and after flood irrigation

土壤中的鹽分一般隨著土壤水分的運(yùn)動(dòng)而遷移，滴灌處理向土壤供水是一個(gè)點(diǎn)源，土壤鹽分在水分的攜帶下延滴頭下滲和隨入滲向四周擴(kuò)散，鹽分在距離滴頭較遠(yuǎn)的地方聚集；而溝灌和漫灌處理，供水是一個(gè)面源，水分運(yùn)動(dòng)主要是均勻下滲，所以鹽分呈現(xiàn)階梯狀分布。通過(guò)對(duì)土壤的水分的監(jiān)控發(fā)現(xiàn)滴灌處理水分可以很容易到達(dá)30 cm土層，甚至可以下滲40～50 cm的土壤，而漫灌處理只有很少的水分下滲到20 cm以下的土壤，可以認(rèn)為0～50 cm土層是滴灌處理的排鹽區(qū)，而溝灌和漫灌處理的潤(rùn)濕區(qū)是0～30 cm。有研究表明滴灌處理土壤鹽分累積在濕潤(rùn)區(qū)邊緣，表現(xiàn)為濕潤(rùn)區(qū)中部低，邊緣高[5-6]，滴灌處理在水平距滴頭20 cm、縱向30 cm以?xún)?nèi)的范圍，形成了脫鹽區(qū)，鹽分低于初鹽度，而漫灌和溝灌處理只對(duì)0～20cm土壤鹽分有淋洗作用。灌水結(jié)束后不再有積水下滲，此時(shí)土壤水分是在土壤勢(shì)梯度和土面蒸發(fā)作用下進(jìn)行再分布，鹽分也將隨著水分的再分布而遷移。漫灌和溝灌處理在外界大氣蒸發(fā)能力的影響下，土壤鹽分多呈現(xiàn)為向表土的積鹽過(guò)程。

3 討論與結(jié)論

a.三種灌水方式相比，灌溉后不久表層土壤含水量水平差異較大的是滴灌。滴灌滴水點(diǎn)下方土壤含水量最大，離滴水點(diǎn)越遠(yuǎn)土壤含水量越低，滴水點(diǎn)土壤0～10 cm土層含水量最高達(dá)0.29 g·g-1，離滴水點(diǎn)70 cm遠(yuǎn)處含水量已經(jīng)降到0.13 g·g-1，差異達(dá)到一倍多；溝灌溝底0～10 cm表層含水量比溝頂大4%，而漫灌灌水后同一個(gè)深度土壤含水量差異小。土壤濕潤(rùn)層空間形態(tài)上，滴灌形成近倒圓錐型的土壤濕潤(rùn)區(qū)，溝灌則形成一個(gè)U型的土壤濕潤(rùn)區(qū)，漫灌濕潤(rùn)層沒(méi)有水平差異。

b.灌水結(jié)束后，土壤鹽分經(jīng)歷一個(gè)重要的再分布過(guò)程。滴灌土壤中的鹽分運(yùn)移完全受滴灌水的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)控制，灌水后滴頭附近的土體逐漸處于脫鹽過(guò)程，同時(shí)濕潤(rùn)土體的脫鹽區(qū)范圍逐漸隨入滲時(shí)間延長(zhǎng)而不斷增加，表現(xiàn)為含鹽量在濕潤(rùn)區(qū)中部低、邊緣高，在濕潤(rùn)鋒處形成了含鹽量相對(duì)較高的積鹽區(qū)；溝灌后起初表層土壤總鹽水平差，土壤水分重新達(dá)到平衡后，由于土壤表面水分蒸發(fā)，深層水分流向表層，將深層鹽分帶到了表層，造成返鹽現(xiàn)象，表層土壤總鹽呈近倒U型；漫灌條件下總鹽水平基本沒(méi)有差異。

c.三種灌水方式，土壤鹽分變化隨時(shí)間的推進(jìn)表現(xiàn)出“鹽隨水動(dòng)”的特點(diǎn)。滴灌方式在比溝灌和漫灌較少水量的情況下形成土壤鹽分淡化區(qū)；漫灌的壓鹽效果最好，滴灌形成半圓錐形的低鹽區(qū)域，并在其外圍形成鹽殼，溝灌的溝頂部分在返鹽的作用下形成積鹽。因此，在鹽堿地水分充足情況下，漫灌是植物抗鹽栽培最好的灌水方式，但在水分短缺條件下可以采取滴灌方式，植物種在滴水點(diǎn)下方，不僅可以使植物得到較充足的水分，還可以節(jié)水；溝灌壓鹽效果間于滴灌和漫灌中間，植物可以栽培在溝底，以避免因溝頂返鹽造成鹽分脅迫。

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