孫貫芳，屈忠義，杜 斌，任中生，李金剛

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，呼和浩特 010018)

土壤溫度和鹽分是土壤環(huán)境的重要參數(shù)，其作為影響作物生長(zhǎng)發(fā)育的重要因素一直是研究的熱點(diǎn)[1-5]。灌溉可以調(diào)控土壤溫度和鹽分，明顯地增加作物產(chǎn)量,但因灌溉不當(dāng)引起的區(qū)域水資源虧缺和農(nóng)田水土環(huán)境惡化會(huì)嚴(yán)重威脅灌溉農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性[6]。

內(nèi)蒙古河套灌區(qū)屬于典型的干旱鹽漬化灌區(qū)，近年來(lái)雖相繼實(shí)施了以骨干渠道襯砌與建筑物配套為重點(diǎn)的節(jié)水配套與改造工程，解決了輸水過(guò)程中的滲漏損失，但田間灌水模式基本為傳統(tǒng)的黃河水地面灌溉，灌溉水利用系數(shù)低，灌溉水大量補(bǔ)給地下水，造成土壤次生鹽漬化。為解決好田間節(jié)水“最后一公里”問(wèn)題，河套灌區(qū)以井渠結(jié)合為基礎(chǔ)，在井灌區(qū)采用膜下滴灌，渠灌區(qū)采用黃河水地面灌溉的灌排模式正在初步進(jìn)行嘗試，灌區(qū)內(nèi)黃河水地面灌溉、井水地面灌溉和井水滴灌三種灌溉模式并存。本文針對(duì)這一現(xiàn)狀，研究了不同灌溉模式(黃灌、井灌、滴灌)對(duì)玉米田土壤溫度及鹽分平衡的影響，以期為內(nèi)蒙古河套灌區(qū)井渠結(jié)合膜下滴灌提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)監(jiān)測(cè)區(qū)位于內(nèi)蒙古河套灌區(qū)臨河區(qū)雙河鎮(zhèn)進(jìn)步村九莊農(nóng)業(yè)合作社(107°18′E，40°41′N)。該地深處內(nèi)陸，屬于中溫帶半干旱大陸性氣候，多年年均降水量140 mm，平均氣溫 6.8 ℃，晝夜溫差大，日照時(shí)間長(zhǎng)，多年日照時(shí)間平均值為3 229.9 h，是我國(guó)日照時(shí)數(shù)較長(zhǎng)的地區(qū)之一。光、熱、水同期，無(wú)霜期為130 d左右，適宜于農(nóng)作物生長(zhǎng)。試驗(yàn)區(qū)以粉砂壤土為主，土壤平均密度為1.38 g/cm3，土壤全氮量、全磷量、全鉀量(質(zhì)量比)分別為0.093%、0.07%、1.60%，有機(jī)質(zhì)1.2%，pH值為7.6。年內(nèi)地下水位變化較大，埋深在0～3 m之間，3月最深，在2.5 m以下，11月秋澆后最淺，與地表齊平。試驗(yàn)研究區(qū)井灌、滴灌灌溉水礦化度1.07 g/L，灌溉所用黃河水礦化度0.6～0.8 g/L。

1.2 土壤溫度的觀測(cè)

土壤溫度采用地埋式8通路溫度記錄儀(YM-04)實(shí)時(shí)觀測(cè)，溫度計(jì)埋設(shè)位置分別為膜內(nèi)滴頭正下方5、15、25、40 cm，膜外(即指兩地膜之間裸地正中間位置)5、15、25、40 cm處，分別簡(jiǎn)記為M5、M15、M25、M40，X5、X 15、X 25、X 40。土壤溫度記錄儀精度±0.02 ℃，溫度分辨率0.05 ℃。6月1日晚20∶00點(diǎn)開(kāi)始自動(dòng)記錄，每1 h記錄一次溫度，滴灌監(jiān)測(cè)和黃河水地面灌溉(簡(jiǎn)記為黃灌)監(jiān)測(cè)田塊處理號(hào)分別記為D、H，是9月24日上午10∶00結(jié)束記錄,井水地面灌溉(簡(jiǎn)記為井灌)監(jiān)測(cè)地塊處理號(hào)記為J，由于8月13日收成青儲(chǔ)，故溫度記錄數(shù)據(jù)處理到8月上旬結(jié)束。

1.3 土壤鹽分的觀測(cè)

土壤鹽分在播前和收獲后分別取土測(cè)試。播前取土方法為監(jiān)測(cè)田塊隨機(jī)取三點(diǎn)，0～60 cm每10 cm取一層，60～100 cm每20 cm取一層。玉米收獲后黃灌、井灌按照播前取土方法在膜內(nèi)、膜外分別取土，滴灌在距滴灌帶垂直距離0、17.5、35、60 cm處分別取土，分層方法同播前。風(fēng)干土經(jīng)碾磨、過(guò)篩后，用電導(dǎo)率儀(上海雷磁電導(dǎo)率儀DDSJ-308A)測(cè)試水土比為 5∶1的土壤浸提液的電導(dǎo)率，后經(jīng)該實(shí)驗(yàn)區(qū)土壤鹽分Y(%)與電導(dǎo)率EC的數(shù)理統(tǒng)計(jì)關(guān)系方程式Y(jié)=0.349EC計(jì)算土壤全鹽含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌溉模式下土壤剖面溫度時(shí)空變化

從圖1可知，不同監(jiān)測(cè)田塊土壤剖面溫度月季變化明顯，不論膜內(nèi)膜外土壤溫度均是6月>7月>8月>9月，而大氣氣溫則是7月最高，主要原因可能是由于6月份玉米處于苗期，葉面積指數(shù)小，太陽(yáng)對(duì)地面輻射強(qiáng)烈，白天地面升溫快，土壤表層溫度明顯高于底層，土壤溫度由表層向底層傳輸。而7月份，玉米幾乎完全覆蓋地面，太陽(yáng)對(duì)地面的直接輻射作用減弱，加之作物耗水量增大，灌水頻繁，作物的吸水吸熱作用致使7月份土壤剖面溫度明顯低于6月份，土壤溫度隨深度變化差距進(jìn)一步縮小。8月份時(shí)大氣溫度下降太陽(yáng)直射作用進(jìn)一步較弱，土壤剖面溫度由下至上逐漸散失，土壤各層溫度趨于一致。9月份大氣氣溫進(jìn)一步下降，土壤表層溫度隨之下降致使土壤溫度表層低于深層溫度。但整個(gè)作物生育期膜內(nèi)膜外溫度差距不大，滴灌各月膜內(nèi)較膜外溫度低0.04%～5.95%，且隨著時(shí)間的推移，膜內(nèi)外溫度差異越來(lái)越?。稽S灌膜內(nèi)較膜外增溫-0.41%～1.88%，井灌膜內(nèi)較膜外增溫0.11%～0.78%，也呈現(xiàn)差異性隨時(shí)間推移降低的規(guī)律。黃灌、井灌和滴灌，不同月份土壤溫度與土層深度均符合指數(shù)關(guān)系，決定系數(shù)R2最小是0.75，最大是0.99，其擬合的程度是生育期前期好于后期。

圖1 土壤溫度時(shí)空變化圖

2.2 不同灌溉模式下膜內(nèi)5 cm土壤溫度對(duì)比

六七月份是玉米需水的旺季，黃灌灌水兩次(6月21日、7月12日)；井灌灌水兩次(6月19日、7月12日)，滴灌灌水5次(6月11日、6月20日、6月27日、7月9日、7月24日)，土壤溫度受氣溫、灌水的影響而波動(dòng)，如圖2(a)所示，黃灌灌水后膜內(nèi)表層溫度波動(dòng)較小，井灌灌水使膜內(nèi)土壤表層溫度下降，滴灌灌水使得土壤溫度劇烈下降，其原因主要是黃河水經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離的渠道輸水，溫度基本同環(huán)境溫度一樣，灌溉后對(duì)農(nóng)田土壤溫度影響較小，井灌也經(jīng)過(guò)田間毛渠輸水，水溫提升，而滴灌是管道輸水，水溫始終很低，灌溉后農(nóng)田溫度劇烈下降，降幅10 ℃左右,但平均溫度黃灌較井灌溫度高0.47 ℃，較滴灌高1.18 ℃。如圖2(b)所示，膜內(nèi)5 cm土壤日溫度10日滑動(dòng)平均結(jié)果表明，黃灌、井灌膜內(nèi)5 cm土壤溫度波動(dòng)較小，且變化趨勢(shì)一致，6月中下旬的灌水使得膜內(nèi)5 cm土壤溫度平均降低4～5 ℃，自6月下旬開(kāi)始黃灌10 d平均土壤溫度始終高于井灌0.35～1.53 ℃。滴灌10日平均溫度基本小于井灌，灌水期內(nèi)更加明顯，而在無(wú)灌水的時(shí)間內(nèi)滴灌溫度會(huì)上升高于井灌，接近于黃灌溫度，說(shuō)明頻繁滴灌井水是土壤溫度降低的主要原因。膜內(nèi)5 cm土壤30日平均溫度計(jì)算結(jié)果表明土壤溫度始終是黃灌>井灌>滴灌，如圖2(c)所示，黃灌較井灌溫度始終高0.34～1.02 ℃，較滴灌高1.12～1.98 ℃。綜上可知，膜下滴灌頻繁的灌水使得土壤溫度總體低于地面灌溉，且灌水后土壤表層5 cm溫度較地面灌溉下降劇烈，但灌后膜下滴灌土壤處于非飽和狀態(tài)，氣熱的頻繁交換會(huì)使土壤溫度快速恢復(fù)至玉米生長(zhǎng)發(fā)育所需的適宜水熱氣環(huán)境。

圖2 6-7月膜內(nèi)5 cm土壤溫度變化圖

2.3 不同灌溉模式下土壤鹽分平衡分析

對(duì)不同灌溉模式下1 m 土體土壤鹽分進(jìn)行平衡分析是評(píng)價(jià)不同灌溉模式鹽分累積狀況的重要方法。土壤畝含鹽總量根據(jù)不同取樣點(diǎn)控制質(zhì)量加權(quán)計(jì)算，參考文獻(xiàn)[7]計(jì)算公式如下：

(1)

式中：S為鹽分總量，kg/hm2；Sni為取樣點(diǎn)的含鹽量，g/kg；Ln為取樣點(diǎn)控制土體寬度，m；hi為取樣點(diǎn)控制土體厚度，m；γ為土壤密度(取均值1.38 g/cm3)；n為1.2 m寬度土壤剖面取樣點(diǎn)；i為1 m深土體取樣點(diǎn)。

僅考慮播前收后土壤鹽分總量變化，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，鹽分均衡方程為：

ΔS=S2-S1

(2)

式中：ΔS為播前收后土壤鹽分的改變量，kg/hm2，ΔS>0說(shuō)明生育期土壤積鹽，ΔS<0 說(shuō)明生育期土壤脫鹽，ΔS1=0說(shuō)明生育期土壤鹽分平衡；S2為收割后土壤鹽分總量，kg/hm2；S1為播種前土壤鹽分總量，kg/hm2。

分別按照公式(1)、(2)計(jì)算黃灌、井灌、滴灌0～100、0～60 cm土壤鹽分改變量，結(jié)果如圖3所示。不論黃灌、井灌還是滴灌生育期0～100、0～60 cm范圍內(nèi)均積鹽，由于地膜保墑的作用減小土體垂直蒸發(fā)抑制了鹽分向上運(yùn)動(dòng)，而膜外蒸發(fā)強(qiáng)烈，故0～100 cm膜外鹽分增加量較膜內(nèi)鹽分分別高 26.5%、97.7%、67.8%，0～60 cm較膜內(nèi)分別高112.7%，78.8%，787%，滴灌0～60 cm膜外增加鹽分遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于膜內(nèi)的主要原因是膜下滴灌膜外微區(qū)環(huán)境的蒸發(fā)作用使得鹽分隨水分上移，而滴灌的局部濕潤(rùn)作用使得膜外鹽分得不到淋洗，鹽分表聚明顯。通過(guò)膜內(nèi)膜外土壤鹽分的平衡計(jì)算，進(jìn)一步解釋和揭示了干旱強(qiáng)蒸發(fā)灌區(qū)膜下滴灌鹽分定向遷移機(jī)制，即膜下滴灌土壤水鹽具有水平方向由膜中向膜邊地表裸露區(qū)定向遷移，垂直方向則由下向上層運(yùn)移且趨于膜外邊界積累的趨勢(shì)[8]。因此，周和平等人提出膜下滴灌地表排鹽模式，并取得了良好的效果[9]，但其必須要求鹽分向農(nóng)田下游末端排泄有出路，在河套灌區(qū)真正實(shí)施有一定困難。

圖3 不同灌溉模式鹽分平衡圖

相比于地面灌溉，滴灌灌溉定額小，同一水質(zhì)條件下引入土壤的鹽分少，有利于鹽分的進(jìn)一步控制，Meixian Liu等[10](2013年)研究發(fā)現(xiàn)，用電導(dǎo)率達(dá)到7.42 dS/m的微咸水進(jìn)行膜下滴灌，用150 mm秋澆定額淋洗后，土壤鹽分均淋洗到60 cm以下土層，作物根區(qū)土壤電導(dǎo)率在下一年僅為0.2 dS/m，說(shuō)明秋澆可很好的控制滴灌土壤鹽分，同時(shí)又符合河套灌區(qū)的灌溉傳統(tǒng)。但目前對(duì)于滴灌條件下的秋澆或春匯洗鹽灌溉制度尚缺乏系統(tǒng)的研究，而一般作物利用水分的有效土層深度為 1 m[11]，根據(jù)“鹽隨水動(dòng)”的理論，可以認(rèn)為，土壤鹽分被淋洗出 1 m 土層后不會(huì)再對(duì)作物生長(zhǎng)造成大的影響。故假設(shè)滴灌鹽分累積至井灌生育期始末鹽分差值水平洗鹽且井灌一年一洗鹽，根據(jù)0～100 cm播前收后土壤鹽分的改變量進(jìn)行判斷，滴灌需2年一次秋澆洗鹽。但由于灌溉水質(zhì)的差異，生育期井灌、滴灌灌溉制度的差異及降雨等各因素的影響，具體合理的滴灌洗鹽制度還需進(jìn)一步細(xì)致研究。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)玉米生育期內(nèi)不同灌溉模式土壤溫度月季變化明顯，膜內(nèi)膜外土壤溫度均是6月>7月>8月>9月，且膜內(nèi)外土壤溫度隨著時(shí)間的推移差異越來(lái)越小，不同月份土壤溫度與土層深度均符合指數(shù)關(guān)系，其擬合的程度是生育期前期好于后期。玉米需水旺季(6、7月)膜內(nèi)5 cm土壤日溫度受灌水影響程度依次是滴灌>井灌>黃灌，膜下滴灌頻繁的灌水使得土壤溫度總體低于地面灌溉，且灌水后土壤表層5 cm溫度較地面灌溉下降劇烈，但灌后膜下滴灌土壤處于非飽和狀態(tài)，氣熱的頻繁交換會(huì)使土壤溫度快速恢復(fù)至玉米生長(zhǎng)發(fā)育所需的適宜水熱環(huán)境。

(2)由于地膜保墑抑鹽及膜外的強(qiáng)烈蒸發(fā)作用，生育期0～60 cm膜外較膜內(nèi)鹽分增加率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于0～100 cm，解釋和揭示了干旱強(qiáng)蒸發(fā)灌區(qū)膜下滴灌鹽分定向遷移機(jī)制。綜合考慮作物生長(zhǎng)需求及河套灌區(qū)灌溉習(xí)慣，建議采用秋澆進(jìn)行滴灌鹽分控制，若井灌一年一洗鹽，滴灌 0～100 cm鹽分累積至井灌土壤鹽分需2年一次秋澆洗鹽。

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