楊玉輝,李朝陽,王興鵬,2
(1.塔里木大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院,新疆 阿拉爾 843300;2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所,河南 新鄉(xiāng) 453000)
土壤鹽漬化問題長期以來一直困擾著南疆地區(qū)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。為了有效改善土壤鹽漬化所帶來的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)問題,當(dāng)?shù)仄毡椴捎幂^為傳統(tǒng)的大定額冬春灌淋洗方式控制和減少土壤含鹽量[1]。在膜下滴灌條件下,棉田含鹽量在生育期0~60 cm土層范圍內(nèi)表現(xiàn)為積鹽狀態(tài),并以40~60 cm積鹽最多,所以定期大水漫灌洗鹽是土壤脫鹽的重要手段[2]。Letey等[3]建立了以淋洗需要量和鹽分平衡指數(shù)作為淋洗灌水量和淋洗效率的評價(jià)指標(biāo),Chen等[4]認(rèn)為大水漫灌對土壤鹽分的淋洗效果更佳。一般冬灌淋洗深度可達(dá)60 cm,效果較春灌要好[5]。彭振陽等[6]認(rèn)為局部秋澆會(huì)促使鹽分向上層土壤運(yùn)動(dòng),從而增加土壤剖面的含鹽量。羅玉麗等[7]提出內(nèi)蒙古引黃灌區(qū)適宜秋澆定額為1 500 m3/hm2。在南疆地區(qū)開展的相關(guān)研究表明,春灌水量為1 800 m3/hm2,冬灌定額在3 500~4 000 m3/hm2對鹽分淋洗效果較好[8,9]。當(dāng)然,并非冬春灌水量越多,脫鹽效果越好[10]。因此,對于不同鹽漬化程度的土壤而言,適宜的淋洗定額是決定土壤脫鹽效果的關(guān)鍵因素,應(yīng)根據(jù)自然條件和灌溉排水條件的不同因地制宜地確定相應(yīng)的冬春灌定額[11]。目前,南疆地區(qū)冬春灌淋洗定額一般是大田等定額統(tǒng)一地面灌溉,灌水定額的確定也較為隨意,較少考慮不同鹽漬化程度及不同淋洗深度對鹽分淋洗定額的影響。本文確定了不同鹽漬化程度條件下的排鹽系數(shù),并計(jì)算出不同鹽漬化程度及不同深度土壤的理論淋洗定額,對理論值進(jìn)行實(shí)測驗(yàn)證,為合理制定南疆地區(qū)農(nóng)田冬春灌定額提供理論依據(jù)。
本試驗(yàn)位于新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第一師阿拉爾市11團(tuán)(81°17′56.52″E,40°32′36.90″N),屬于典型大陸性極端干旱沙漠氣候,干旱少雨,年降水量46.7~61.2 mm,年蒸發(fā)量高達(dá)1 877.5~2 337.4 mm,日照長,晝夜溫差大,年均日照時(shí)數(shù)2 729.0 h,最熱月平均氣溫為25~27 ℃,氣溫最低月為1月,多在-22~-30℃,無霜期長,達(dá)200 d以上,干旱指數(shù)為7~20。土壤質(zhì)地為沙壤土,土壤平均密度為1.35~1.56 g/cm3,土壤透氣性良好,0~80 cm田間持水率為25%~28%(重量含水率),土壤鹽分值在0.18%~1.29%,地下水埋深在2 m左右。
在阿拉爾墾區(qū)11團(tuán)根據(jù)不同的土壤鹽漬化程度選擇7個(gè)采樣點(diǎn),將0~40 cm深度的土樣取回室內(nèi)自然風(fēng)干磨碎備用,測定土壤鹽分初始值 (%),測定的土樣含鹽量分別為0.446%、0.588%、0.593%、0.779%、0.829%、1.039%、1.109%。環(huán)刀分層取樣測定的0~40 cm土壤密度均值為1.56 g/cm3,土壤類型為沙壤土。
將不同鹽分初始值的風(fēng)干土過篩,分層裝入不同的土柱內(nèi),土柱直徑25 cm,高度為40 cm,下部開孔,并用無紡布多層鋪設(shè),防止土粒隨水排出。按照土壤鹽分初始值大小依次編號1~7,每個(gè)處理3次重復(fù)。
將m=0.02 m3(相當(dāng)于1 050 m3/hm2)的水量灌入土柱內(nèi),待底部不再有水分排出后靜置3~5 d,分層取土(5~10、10~20、20~30、30~40 cm)測定淋洗后土柱剖面的鹽分均值s1(%),由式(1)分別計(jì)算出不同處理的排鹽系數(shù)k[12]:
k=s′/m
(1)
式中:k為排鹽系數(shù),表示單位體積淋洗水能排走的鹽量,kg/m3,一般取值為15~75;s′=s0-s1,淋洗前后的鹽分差值,%;m是灌溉水量,m3。
土壤淋洗定額由下式計(jì)算所得[12]:
M=m1+m2+E-P可簡化為M=M1+M2
(2)
m1=β1-β2=γh(θmax-θ0)
(3)
m2=1 000γh(s0-s2)/k
(4)
式中:M為淋洗定額,mm;m1為計(jì)劃淋洗層的土壤含水量與田間持水量的差額,mm;m2為按計(jì)劃的淋洗脫鹽標(biāo)準(zhǔn)淋洗鹽分所需的水量,mm;E為淋洗期內(nèi)的蒸發(fā)水量,mm,在南疆地區(qū),由于淋洗一般在11月或次年3月,氣溫低,蒸發(fā)量小,一般可忽略不計(jì);p為淋洗期內(nèi)可利用的水量,mm,在南疆地區(qū)淋洗期內(nèi)降水較少可忽略;h為計(jì)劃淋洗層的深度,m;r為計(jì)劃淋洗層的土壤密度,kg/m3;β1為田間持水量時(shí)計(jì)劃淋洗層內(nèi)水量,mm,β1=rhθmax,θmax為實(shí)測的田間持水率,θmax=26.36%;β2為計(jì)劃淋洗層的土壤實(shí)際含水量,mm,β2=rhθ0,在本實(shí)驗(yàn)中為風(fēng)干土,所以θ0=0;s0為計(jì)劃淋洗層的實(shí)際鹽分值占干土重的百分?jǐn)?shù),%(分別是淋洗深度0~10、0~20、0~30 cm的實(shí)際鹽分值);s2為計(jì)劃淋洗層的土壤允許鹽分值占干土重的百分?jǐn)?shù),%(本實(shí)驗(yàn)中土壤脫鹽標(biāo)準(zhǔn) 均取值為0.3%)。
在南疆地區(qū)當(dāng)土壤鹽分值低于0.3%時(shí)能夠滿足作物的正常生長,因此設(shè)定計(jì)劃淋洗層脫鹽標(biāo)準(zhǔn)為0.3%,在土柱內(nèi)驗(yàn)證理論淋洗定額的實(shí)際淋洗鹽分值與脫鹽標(biāo)準(zhǔn)值0.3%是否一致。實(shí)驗(yàn)用土壤鹽分初始值分別為0.446%、0.588%、0.593%、0.779%、0.829%、1.039%、1.109%,設(shè)置的土壤鹽分淋洗深度為10、20、30 cm,共計(jì)21個(gè)處理。將式(2)計(jì)算出的不同深度理論淋洗定額 灌入土柱中,待土柱底部不再有水分滲出靜置3~5 d后,分別測定不同處理0~5、5~10、10~20、20~30 cm深度的土壤含鹽量均值s3(%)。并計(jì)算不同處理的脫鹽率η(%),η=(s0-s3)/s0。
排鹽系數(shù)是計(jì)算土壤鹽分淋洗定額的重要參數(shù)。由式(1)計(jì)算出不同初始土壤鹽分值排鹽系數(shù)結(jié)果如圖1所示。由圖1可看出,在一定的灌水定額條件下,淋洗后的土壤鹽分值較初始值出現(xiàn)了較大幅度的降低,土壤初始鹽分值越大淋洗效果越明顯。對于同一質(zhì)地土壤,土壤鹽漬化程度不同其排鹽系數(shù)也不相同,排鹽系數(shù)隨著土壤初始鹽分值的增加而增大,因此,在淋洗定額計(jì)算時(shí)應(yīng)根據(jù)不同的鹽漬化程度選擇適宜的排鹽系數(shù)。
圖1 土壤排鹽系數(shù)Fig.1 Saline drainage coeffient
根據(jù)式(1)確定的排鹽系數(shù)k值,與式(2)~(4)計(jì)算出脫鹽標(biāo)準(zhǔn)分別為0.3%、0.2%、0.1%所對應(yīng)的不同初始土壤鹽分值、不同淋洗深度所需的淋洗定額理論值,計(jì)算結(jié)果見表1。由表1可看出,在同一脫鹽標(biāo)準(zhǔn)條件下,土壤鹽分淋洗定額與土壤初始含鹽量、淋洗深度關(guān)系較大,土壤鹽分初始值越大淋洗定額越大,隨著淋洗深度的增加淋洗定額也較大。對于不同的脫鹽標(biāo)準(zhǔn)而言,提高脫鹽標(biāo)準(zhǔn)則需要增加淋洗定額。表1僅是利用公式計(jì)算得出的不同脫鹽標(biāo)準(zhǔn)下的淋洗定額值,是否與實(shí)際灌溉相符則需要進(jìn)一步的實(shí)測驗(yàn)證。
表1 鹽分淋洗定額理論計(jì)算值Tab.1 Salt-leaching quota
將理論計(jì)算出的淋洗定額灌入不同處理的備用土柱中,實(shí)測驗(yàn)證土柱中的淋洗后的鹽分值與設(shè)定的脫鹽標(biāo)準(zhǔn)值是否相一致,選擇脫鹽標(biāo)準(zhǔn)值0.3%為對照。由理論淋洗定額灌入土柱后測得的實(shí)際脫鹽值及脫鹽率見表2。由表2可知,淋洗后不同處理的鹽分淋洗效果均較為明顯,淋洗后的土壤鹽分值較初始值均有不同程度的降低,土壤脫鹽率隨著淋洗深度的增加而增大。在土壤鹽分初始值為0.446%、0.588%、0.593%的處理中,淋洗后的土壤鹽分值與脫鹽標(biāo)準(zhǔn)值0.3%相差不大,甚至低于脫鹽標(biāo)準(zhǔn),說明理論淋洗定額能夠滿足土壤實(shí)際脫鹽需求的,淋洗定額較為適宜。當(dāng)土壤鹽分初始值為0.779%、0.829%、1.039%、1.109%時(shí),淋洗后的土壤實(shí)際鹽分值均高于脫鹽標(biāo)準(zhǔn)值0.3%,說明理論淋洗定額在進(jìn)行高鹽漬化土壤淋洗時(shí),其實(shí)際脫鹽值并沒有達(dá)到理論所要求的脫鹽標(biāo)準(zhǔn)值,淋洗定額偏小,為了達(dá)到要求的淋洗效果應(yīng)適度增加淋洗定額。造成實(shí)際淋洗后的脫鹽值高于脫鹽標(biāo)準(zhǔn)值的另一個(gè)原因則是實(shí)驗(yàn)中土壤初始含水率θ0=0, 進(jìn)入土柱中的一部分淋洗定額水量首先要滿足濕潤土壤消耗,當(dāng)超過田間持水率后鹽分才會(huì)隨水分向下運(yùn)移。
表2 實(shí)際脫鹽值及脫鹽率Tab.2 Desalination value and Desalination rate
(1)南疆地區(qū)土壤鹽漬化程度不同,排鹽系數(shù)不同。土壤鹽分初始值為0.446%、0.588%、0.593%、0.779%、0.829%、1.039%和1.109%的沙壤土排鹽系數(shù)分別為16.7、23.1、23.7、33.1、35.3、46.4和47.3。
(2)以脫鹽標(biāo)準(zhǔn)0.3%進(jìn)行理論淋洗定額的實(shí)測驗(yàn)證,結(jié)果表明,土壤鹽分值為0.446%、0.588%、0.593%淋洗后的土壤鹽分值接近脫鹽標(biāo)準(zhǔn)值0.3%,說明理論淋洗定額滿足土壤實(shí)際脫鹽需求。而土壤鹽分值為0.779%、 0.829%、1.039%、1.109%淋洗后的土壤實(shí)際鹽分值均高于脫鹽標(biāo)準(zhǔn)值0.3%,說明理論淋洗定額偏小,在大田應(yīng)用時(shí)應(yīng)適度調(diào)整淋洗定額。
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