李向春，李文昊，韓冬梅，孫秀敏，楊金文

(1. 新疆石河子職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆 石河子 832000；2. 石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832000；3. 現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 石河子 832000)

新疆地處歐亞大陸腹地是中國(guó)典型的綠洲灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)，降水稀少、蒸發(fā)強(qiáng)烈使農(nóng)業(yè)區(qū)土壤鹽分易于聚集[1,2]。目前新疆鹽堿地面積2 810萬(wàn)hm2，占我國(guó)鹽堿地總面積近1/3，并且大部分鹽堿地分布在綠洲區(qū)域范圍內(nèi)，綠洲農(nóng)業(yè)的發(fā)展受到土壤鹽堿化的嚴(yán)重制約。自1996年新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)兵團(tuán))率先將滴灌與覆膜技術(shù)結(jié)合，并在121團(tuán)進(jìn)行小面積(1.7 hm2)應(yīng)用成功后；膜下滴灌技術(shù)開(kāi)始迅猛發(fā)展，至今已經(jīng)遍布整個(gè)新疆，并且正在向東北和華中地區(qū)擴(kuò)展，據(jù)統(tǒng)計(jì)2012年僅新疆的膜下滴灌面積就已超過(guò)200萬(wàn)hm2[3]。采用膜下滴灌種植棉花體現(xiàn)出的便于田間管理并且高產(chǎn)等優(yōu)勢(shì)被專(zhuān)家和農(nóng)戶(hù)所認(rèn)可；但是滴灌“小定額”的灌溉方式，導(dǎo)致土壤水濕潤(rùn)范圍有限，計(jì)劃濕潤(rùn)層附近勢(shì)必呈積鹽狀態(tài)，長(zhǎng)此以往這種積鹽狀態(tài)也必然會(huì)影響甚至阻止膜下滴灌技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展。

部分學(xué)者對(duì)長(zhǎng)期應(yīng)用膜下滴灌技術(shù)棉田的土壤鹽分演變趨勢(shì)進(jìn)行了探究。部分研究者認(rèn)為隨著膜下滴灌應(yīng)用年限的延長(zhǎng)，棉田計(jì)劃濕潤(rùn)層或者根層土壤中鹽分逐年降低[3-9]。另一部分研究者則認(rèn)為棉花生育期過(guò)程中只有膜內(nèi)一定深度土層處于脫鹽狀態(tài)，膜間0～40 cm土層鹽分聚集，在生育期結(jié)束后棉田土壤鹽分逐年增加[10-13]。上述研究成果對(duì)于指導(dǎo)膜下滴灌農(nóng)田進(jìn)行水鹽調(diào)控起到了積極作用。但文章中作者都只研究了膜下滴灌棉田土壤中總鹽的變化，而對(duì)作物產(chǎn)生直接脅迫作用的鹽分離子的遷移規(guī)律未進(jìn)行深入研究。本文以膜下滴灌發(fā)源地121團(tuán)連續(xù)應(yīng)用膜下滴灌技術(shù)灌溉年限為2、4、6、8、10、14 a 6塊典型棉田為例進(jìn)行研究，分析膜下滴灌灌溉年限為2～14 a棉田土壤總鹽和鹽分離子的分布特征，為膜下滴灌技術(shù)在綠洲的可持續(xù)應(yīng)用提出具有借鑒意義的結(jié)論。

1 材料與方法

研究區(qū)位于下野地灌區(qū)內(nèi)121團(tuán)，以同一支渠灌溉的6塊不同滴灌年限棉田作為調(diào)查研究對(duì)象，各地塊開(kāi)墾年份與應(yīng)用膜下滴灌技術(shù)年限的對(duì)照表，見(jiàn)表1。121團(tuán)是兵團(tuán)最早采用膜下滴灌技術(shù)種植棉花試驗(yàn)的團(tuán)場(chǎng)；經(jīng)過(guò)近20年的發(fā)展，已經(jīng)成為兵團(tuán)最大的優(yōu)質(zhì)棉生產(chǎn)基地之一。其地理坐標(biāo)為東經(jīng)112°47′50.058″～112°20′626″、北緯44°56′13.323″～44°36′58.871″。春季升溫急劇，秋季降溫迅速，春短，冬長(zhǎng)，晝夜溫差大。夏季炎熱，極端最高氣溫達(dá)43.1 ℃，冬季寒冷，極端最低氣溫達(dá)-42.3 ℃，年平均氣溫7.5～8.2 ℃。日照時(shí)數(shù)2 318～2 732 h，無(wú)霜期147～191 d，≥0 ℃的活動(dòng)積溫為4 023～4 118 ℃，≥10 ℃的活動(dòng)積溫為3 570～3 729 ℃。降水量少，年均148.4 mm，蒸發(fā)強(qiáng)烈，年均蒸發(fā)量1 900.5 mm。

表1 各地塊開(kāi)墾年份與應(yīng)用膜下滴灌技術(shù)年限的對(duì)照表

兵團(tuán)實(shí)施以水定地、依地配水的灌溉方案以及特殊體制下，各研究地塊自1998年來(lái)陸續(xù)開(kāi)墾種植棉花，并且棉花的種植模式、灌溉制度、施肥方式甚至農(nóng)藝措施都基本一致。近年來(lái)各研究地塊一直采用 “一膜兩管六行”的種植方式(棉花窄行和寬行間距分別為11和66 cm，膜間間距為60 cm)，見(jiàn)圖1。研究區(qū)典型灌水、施肥制度，見(jiàn)表2；全生育期灌水9次，灌溉定額731.13 mm；肥料施入以尿素和磷酸鉀銨為主，年合計(jì)施入量829.47 kg/hm2。研究區(qū)灌溉水源來(lái)自瑪納斯河，觀測(cè)到灌溉季節(jié)瑪納斯河水礦化度為0.502～0.973 g/L<2 g/L，符合灌溉水水質(zhì)要求。

2014年對(duì)各滴灌年限棉田進(jìn)行定點(diǎn)定位取樣，考慮到生育期內(nèi)灌水、季節(jié)變化以及降雨對(duì)土壤中鹽分、鹽分離子分布的 影響，取樣時(shí)間定為每年棉花播種后但未滴頭水的4月中旬以及棉花生育期結(jié)束一段時(shí)間后且封凍開(kāi)始前的10月中旬，同時(shí)保證取樣前4～5 d沒(méi)有降雨。對(duì)角線法在棉田內(nèi)布選3個(gè)取樣區(qū)，以各棉田東北角為起點(diǎn)各樣區(qū)分別位于對(duì)角線的1/4、1/2和3/4附近，第一次取樣后對(duì)每個(gè)樣區(qū)進(jìn)行人工標(biāo)記定位，方便第二次定點(diǎn)取樣；在各取樣區(qū)布設(shè)3個(gè)采樣點(diǎn)，分別為膜內(nèi)毛管處、棉花窄行中點(diǎn)、膜外兩膜中點(diǎn)，見(jiàn)圖1。樣點(diǎn)的取樣深度分別為0～3、20±3、40±3、60±3、80±3、100±3、120±3、140±3 cm，每次取樣432個(gè)，共計(jì)獲取土樣864個(gè)。樣品經(jīng)過(guò)自然風(fēng)干后，進(jìn)行研磨，過(guò)1 mm土工篩后將相同地塊相同土層深度的土樣混合，然后按照土水質(zhì)量比1∶5混合后震蕩、過(guò)濾，對(duì)每個(gè)樣本的浸提液用DDS-11A數(shù)顯電導(dǎo)率儀測(cè)定提取液EC值，采用烘干殘?jiān)▽?duì)EC值進(jìn)行標(biāo)定換算為鹽分質(zhì)量分?jǐn)?shù)(g/kg)。參見(jiàn)鮑士旦《土壤農(nóng)化分析》[14]，對(duì)土壤中Na+采用火焰光度計(jì)進(jìn)行測(cè)定，Cl-用AgNO3滴定法，SO2-4用EDTA 間接滴定法，Mg2+、Ca2+采用絡(luò)合滴定法；結(jié)果換算成g/kg的統(tǒng)一單位。

圖1 棉花種植模式(單位：cm)

時(shí)間4月下旬5月中旬6月中旬6月下旬7月上旬灌水定額/mm165.4563.6489.1863.3956.02施肥量/(kg·hm-2)41.2582.9598.7093.75時(shí)間7月中旬7月下旬8月中旬8月下旬合計(jì)灌水定額/mm94.8754.4360.1084.05731.13施肥量/(kg·hm-2)127.80150.00155.2579.80829.47

2014年4月同樣對(duì)2012年開(kāi)墾地塊土壤質(zhì)地和化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了分析，比重計(jì)法測(cè)定不同土層土壤顆粒含量，依據(jù)《土壤物理學(xué)》[15]對(duì)土壤質(zhì)地進(jìn)行分類(lèi)(見(jiàn)表3)，環(huán)刀法測(cè)定土壤干容重(見(jiàn)表2)；耕層以下土壤質(zhì)地比較均勻。0～100 cm土層平均含鹽量為17.85 g/kg，依據(jù)《新疆墾區(qū)鹽堿地改良》[16]棉田鹽化程度屬于鹽土；Na+在0～100 cm土層的平均含量為7.43 g/kg，Cl-平均含量為0.38 g/kg，Ca2+平均含量為1.30 g/kg，Mg2+平均含量為0.89 g/kg，SO2-4平均含量為0.67 g/kg。

表3 土壤物理性質(zhì)

2 結(jié)果與分析

2.1 應(yīng)用膜下滴灌2～14 a棉田土壤鹽分分布

可溶性總鹽是評(píng)價(jià)鹽堿地危害最直接的指標(biāo)之一；圖2為膜下滴灌2～14 a棉田0～140 cm土層鹽分的等值線圖。

圖2 總鹽分布特征

由圖2可知，在垂直方向表現(xiàn)為受干旱氣候條件的影響，棉田鹽分始終呈現(xiàn)“淺集表聚”現(xiàn)象，尤其在膜下滴灌10 a以?xún)?nèi)表現(xiàn)得更為明顯；水平方向呈現(xiàn)出隨膜下滴灌年限的延長(zhǎng)土壤鹽分含量逐年降低，到膜下滴灌8 a以后鹽分土層中分布相對(duì)均勻。其中膜下滴灌第2 a棉田地表鹽分含量達(dá)33.20 g/kg，土壤鹽分含量隨土層深度的增加逐漸降低，到80 cm以下土層含鹽量降到<12.52 g/kg以下，但在100～120 cm土層形成13.47～15.48 g/kg的積鹽區(qū)。這可能是因?yàn)閼?yīng)用膜下滴灌技術(shù)第1 a，由于灌水洗鹽作用土壤鹽分在100～120 cm聚集。應(yīng)用膜下滴灌技術(shù)2 a后0～60 cm(主要根系層)土壤鹽分平均含量為19.78 g/kg，膜下滴灌第6 a降至6.50 g/kg，膜下滴灌第14 a降至3.27 g/kg。膜下滴灌2～14 a不同階段棉田土壤平均脫鹽量，如表4所示。

表4 應(yīng)用膜下滴灌2～14 a不同階段棉田土壤平均脫鹽量 g/(kg·a)

由表4可知，應(yīng)用膜下滴灌2～14 a不同階段棉田土壤平均脫鹽量呈逐年降低趨勢(shì)，0～60 cm土層在膜下滴灌2～4 a棉田土壤平均脫鹽量為21.36 g/(kg·a)，膜下滴灌6～8 a平均脫鹽量降為2.99 g/(kg·a)，到膜下滴灌10～14 a平均脫鹽量是0.50 g/(kg·a)。應(yīng)用膜下滴灌2～14 a棉田0～140 cm土層平均脫鹽量9.26 g/(kg·a)。

2.2 應(yīng)用膜下滴灌2～14 a棉田土壤陽(yáng)離子分布

應(yīng)用膜下滴灌2～14 a棉田土壤Na+、Ca2+和Mg2+分布，見(jiàn)圖3～圖5。

圖3 Na+分布特征

圖4 Ca2+分布特征

圖5 Mg2+分布特征

Na+是一價(jià)陽(yáng)離子，其水化半徑小、膠體對(duì)其吸附力、交換力以及離子凝聚都比較弱。因此Na+是土壤中最活躍的離子之一。如圖3所示，膜下滴灌8 a內(nèi)棉田土壤中Na+的“淺集表聚”現(xiàn)象一直比較明顯。膜下滴灌第2 a表層土壤中Na+含量達(dá)13.81 g/kg，隨著土層深度的增加，距地表100 cm處Na+含量逐漸降至4.00 g/kg以下。年際間表現(xiàn)出隨著膜下滴灌年限的延長(zhǎng)棉田土壤中Na+含量逐年降低的變化趨勢(shì)；膜下滴灌第2 a棉田0～60 cm土層Na+平均含量為9.00 g/kg，到膜下滴灌第8 a 0～60 cm土層Na+平均含量降至3.05 g/kg，膜下滴灌第14 a棉田0～60 cm土層Na+平均含量為1.09 g/kg。

陽(yáng)離子中Ca2+與Mg2+同作為二價(jià)，因此其離子代換力、凝聚力、膠體對(duì)其吸附性、化學(xué)性質(zhì)等十分相近；因此長(zhǎng)期膜下滴灌棉田土壤中Ca2+和Mg2+的分布特征與變化趨勢(shì)應(yīng)該存在一定相似性。由圖4和圖5可知，應(yīng)用膜下滴灌技術(shù)14 a內(nèi)棉田土壤中Ca2+和Mg2+的“淺集表聚”現(xiàn)象一直存在，同時(shí)呈現(xiàn)出隨膜下滴灌年限的延長(zhǎng)含量逐年降低的趨勢(shì)。應(yīng)用膜下滴灌技術(shù)第2 a棉田0～60 cm土壤中Ca2+平均含量為1.54 g/kg，到膜下滴灌第8 a 0～60 cm土層Ca2+平均含量降至0.53 g/kg，膜下滴灌第14 a棉田0～60 cm土層Ca2+平均含量為0.44 g/kg。應(yīng)用膜下滴灌技術(shù)第2 a棉田0～60 cm土壤中Mg2+平均含量為1.10 g/kg，到膜下滴灌第8 a 0～60 cm土層Mg2+平均含量降至0.79 g/kg，膜下滴灌第14 a棉田0～60 cm土層Mg2+平均含量為0.54 g/kg。

應(yīng)用膜下滴灌技術(shù)2～14 a不同階段棉田土壤平均脫Na+量、脫Ca2+量、脫Mg2+量，如表5所示。

表5 應(yīng)用膜下滴灌2～14 a不同階段棉田土壤平均脫Na+量、脫Ca2+量、脫Mg2+量 g/(kg·a)

由表4可知，應(yīng)用膜下滴灌2～14 a不同階段棉田各土壤平均脫Na+量、脫Ca2+量、脫Mg2+量均呈逐年降低趨勢(shì)。0～60 cm土層在膜下滴灌2～4 a棉田土壤平均脫Na+量、脫Ca2+量、脫Mg2+量分別為8.68、1.43和0.50 g/(kg·a)，到膜下滴灌10～14 a年分別降至0.82、0.08和0.20 g/(kg·a)。應(yīng)用膜下滴灌2～14 a棉田0～140 cm土層平均脫Na+量、脫Ca2+量、脫Mg2+量分別為3.69、0.60和0.35 g/(kg·a)。

2.3 應(yīng)用膜下滴灌2～14 a棉田土壤陰離子分布

應(yīng)用膜下滴灌2～14 a棉田土壤SO2-4和Cl-的分布特征見(jiàn)圖6和圖7。

圖6 SO2-4分布特征

圖7 Cl-分布特征

在干旱氣候條件下，土壤中SO2-4多以難溶性化合物沉淀積累在土壤中；同時(shí)作為二價(jià)陰離子，膠體對(duì)其吸附力以及離子凝聚力都比較強(qiáng)，因此SO2-4是土壤中較穩(wěn)定的離子之一。因此由圖6可知，膜下滴灌14 a內(nèi)SO2-4在土壤中的“淺集表聚”現(xiàn)象一直很明顯，膜下滴灌第2 a表層SO2-4含量為0.79 g/kg，隨著土層深度的增加，到80 cm土層SO2-4含量降至0.56 g/kg；但在100 cm土層出現(xiàn)了SO2-4集聚現(xiàn)象。隨著膜下滴灌年限的延長(zhǎng)棉田土壤中SO2-4逐年降低。0～60 cm土層SO2-4平均含量由滴灌第2 a的0.71 g/kg，到滴灌14 a后降至0.34 g/kg。

Cl-具有自身性質(zhì)穩(wěn)定，膠體對(duì)其吸附能力弱且難與其他離子形成穩(wěn)定化合物等性質(zhì)，因此土壤中Cl-遷移多以水為驅(qū)動(dòng)力[7]。由圖7可知，Cl-的“淺集表聚”現(xiàn)象亦很明顯，膜下滴灌第2 a表層Cl-含量為0.48 g/kg，隨著土層深度的增加，到140 cm土層Cl-含量降至0.27 g/kg；膜下滴灌第10 a表層Cl-含量為0.20 g/kg，隨著土層深度的增加，到140 cm土層Cl-含量降至0.06 g/kg。隨著膜下滴灌年限的延長(zhǎng)棉田土壤中Cl-逐年降低。0～60 cm土層Cl-平均含量由滴灌第2 a的0.41 g/kg，到滴灌14 a后降至0.11 g/kg。

應(yīng)用膜下滴灌技術(shù)2～14 a不同階段棉田土壤平均脫SO2-4量和脫Cl-量，如表6所示。

表6 應(yīng)用膜下滴灌2～14 a不同階段棉田土壤平均脫SO2-4量和脫Cl-量 g/(kg·a)

由表6可知，應(yīng)用膜下滴灌2～14 a不同階段棉田各土壤平均脫SO2-4量和脫Cl-量均呈逐年降低趨勢(shì)。0～60 cm土層在膜下滴灌2～4 a棉田土壤平均脫SO2-4量和脫Cl-量分別為0.42和0.31 g/(kg·a)，到膜下滴灌10～14 a分別降至0.02和0.05 g/(kg·a)。應(yīng)用膜下滴灌2～14 a棉田0～140 cm土層平均脫SO2-4量和脫Cl-量分別為0.21和0.17 g/k(g·a)。

3 結(jié) 語(yǔ)

受干旱氣候條件影響綠洲區(qū)域長(zhǎng)期膜下滴灌棉田土壤中總鹽、Na+、Ca2+、Mg2+、SO2-4和Cl-始終呈現(xiàn)“淺集表聚”的分布特征。在現(xiàn)行灌溉制度的影響下，土壤中總鹽和5種鹽分離子均隨膜下滴灌年限的延長(zhǎng)逐年降低，應(yīng)用膜下滴灌技術(shù)2～14 a不同階段棉田土壤平均脫鹽量和脫離子量也隨膜下滴灌年限的延長(zhǎng)逐年降低。由于棉田土壤中鹽分離子本底含量以及化學(xué)性質(zhì)的差異，應(yīng)用膜下滴灌2～14 a棉田0～140 cm土層五種離子年平均降低3.69、0.60、0.35、0.21和0.17 g/kg。

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