劉小媛，張晴雯，高佩玲，楊大明

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100086; 2.山東理工大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院,山東 淄博 255049；3.山東理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,山東 淄博 255049)

在干旱半干旱地區(qū)分布著大面積的鹽堿土壤，而在非鹽堿化地區(qū)，由于灌溉管理不善，灌溉水的滲漏引起地下水位升高和強(qiáng)烈蒸發(fā)，從而引起土壤次生鹽堿化，嚴(yán)重影響農(nóng)業(yè)的發(fā)展[1-2]。為使水鹽得以調(diào)控，水利改良鹽堿土方面的措施主要包括灌溉淋洗(以水洗鹽)、排水?dāng)y鹽(帶走鹽分)，而灌溉淋洗應(yīng)用較為普遍。改良鹽堿土壤首先是降低作物根系土層的鹽分含量，為作物提供良好的土壤水鹽環(huán)境[3-7]。在利用微咸水灌溉方面，微咸水礦化度是決定土壤剖面鹽分分布的主要因素，對(duì)于輕度鹽堿化土壤，當(dāng)灌溉水礦化度小于3 g·L-1時(shí)，土壤耕層脫鹽，鹽分累積在濕潤鋒處；當(dāng)灌溉水礦化度大于3 g·L-1時(shí)，各土層含鹽量大于初始值，基本處于積鹽狀態(tài)[8-9]。對(duì)于不同鈉吸附比的微咸水，主要影響土壤中Na+，Ca2+，Mg2+的分布，當(dāng)SAR較高時(shí)，Na+的危害主要集中于表層15 cm范圍內(nèi)，土壤深層受Na+影響較小[2]。已有研究表明，利用微咸水灌溉不僅可以使作物增產(chǎn)，而且可以改良鹽堿土壤。基于此，有學(xué)者提出了集咸淡水組合灌溉模式、間歇灌溉方式、作物輪作等一體化的微咸水灌溉調(diào)控技術(shù)。咸淡水組合灌溉即根據(jù)作物不同的生育期、微咸水和淡水資源量等，確定組合次序和水量，以達(dá)到作物產(chǎn)量最優(yōu)的效果。間歇灌溉改善了傳統(tǒng)地面灌水方法的效果，利用微咸水進(jìn)行間歇灌溉，較連續(xù)灌溉增滲，間歇入滲濕潤鋒運(yùn)移深度大于連續(xù)入滲[10]。研究表明，在相同的灌溉水質(zhì)條件下，微咸水間歇灌溉模式不同，則灌水效果不同[11-12]。因此，有必要對(duì)微咸水間歇組合灌溉模式進(jìn)行研究，驗(yàn)證不同的微咸水間歇組合灌溉模式對(duì)鹽分淋洗效果的影響，以期在維持土壤可持續(xù)利用的條件下，使土壤的水鹽時(shí)空分布有利于作物生長，提高產(chǎn)量。

本文以地處黃河三角洲地區(qū)的山東省濱州市濱城區(qū)的中度鹽堿耕地為研究對(duì)象，在室內(nèi)進(jìn)行一維垂直積水入滲試驗(yàn)，分析對(duì)比不同間歇組合灌溉參數(shù)(咸淡水間歇時(shí)間和組合次序)對(duì)中度鹽堿土壤水鹽運(yùn)移規(guī)律的影響，以期為黃河三角洲地區(qū)利用微咸水進(jìn)行灌溉提供理論支持和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試土壤取自山東省濱州市濱城區(qū)的小麥耕地，在0～80 cm土層每隔20 cm分層取擾動(dòng)土和原狀土，每層三個(gè)重復(fù)。原狀土取回后，立即測定土壤容重和田間持水率；擾動(dòng)土取回后經(jīng)過風(fēng)干、碾壓、篩分(2 mm篩)、均勻混合后制備成室內(nèi)試驗(yàn)土樣，測定土壤初始含水率、全鹽量、EC5∶1；利用Mastersizer 3000型激光粒度儀測定土壤顆粒組成，并按照國際制土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)土壤質(zhì)地進(jìn)行劃分，具體結(jié)果見表1，表2。根據(jù)華北平原土壤鹽堿化程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[13]，供試土壤為中度鹽堿化土壤。

1.2 灌溉水質(zhì)及水量

試驗(yàn)用水包括淡水和3 g·L-1的微咸水。其中淡水使用的是蒸餾水，礦化度為0 g·L-1；微咸水是根據(jù)研究區(qū)潛層地下微咸水的鹽分組成，在室內(nèi)利用化學(xué)藥劑室內(nèi)配制而成。各種可溶性鹽濃度見表3。

表1 供試土壤顆粒組成及分類

表2 供試土壤的基本理化性質(zhì)

Table 2 Soilphysical and chemical properties

土壤Soil土壤容重/(g·cm-3)Bulk density田間持水率/%Field water holding capacity風(fēng)干土含水率/%Soil water contentEC5∶1/(ms·cm-1)全鹽量/(g·kg-1)Soil salinity content鹽化土Saline soil1.3928.622.000.9612.381

表3 灌溉水質(zhì)化學(xué)組成/(g·L-1)

灌水定額根據(jù)下式計(jì)算得[14]：

=22.2 cm

(1)

式中，h為土壤計(jì)劃濕潤層深度(cm)，取60 cm；θmax為土壤計(jì)劃濕潤層允許的最大含水率，一般為田間持水率(占干土重)，取28.62%；θ0為土壤計(jì)劃濕潤層初始含水率(占干土重)，取2%；γ土、γ水分別為土壤干容重和水的密度，取1.39 g·cm-3和1 g·cm-3。

1.3 實(shí)驗(yàn)裝置

整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)包括試驗(yàn)土柱和供水裝置。試驗(yàn)土柱用內(nèi)直徑為8 cm，高為90 cm的有機(jī)玻璃制成。為取土分析土壤水分和鹽分含量，在土柱側(cè)面10 cm以下，每隔5 cm開一直徑為15 mm的圓形取樣口；利用馬氏瓶自動(dòng)供水，其截面積為50.24 cm2，高為50 cm，供水水頭控制在1.5～2 cm。土柱與馬氏瓶外壁標(biāo)有刻度，用于觀測馬氏瓶水位和濕潤鋒運(yùn)移深度。

1.4 試驗(yàn)方案與觀測方法

本研究以全淡水(礦化度0 g·L-1)、微咸水直接灌溉(3 g·L-1)作為對(duì)照，在相同的微咸水礦化度和咸淡水組合比例條件下，設(shè)置兩種咸淡水組合次序，分別為先咸后淡、先淡后咸；四種咸淡水間歇時(shí)間，分別為0、30、60、120 min。在試驗(yàn)過程中，將灌水定額分成兩份，分別為微咸水和淡水，單輪灌溉結(jié)束，間歇一定的時(shí)間后，進(jìn)行下一輪灌溉，共10個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次。

將初始含水率為2%的試驗(yàn)土樣按土壤容重1.39 g·cm-3分16層均勻裝入土柱，每層5 cm,裝土高度為80 cm。填裝完畢后，在土表放置一張與土柱內(nèi)截面積相同的帶孔濾紙以防止灌水時(shí)對(duì)表土的沖刷。利用馬氏瓶自動(dòng)供水，將土壤表面積水深度控制在1.5～2 cm之間。在試驗(yàn)過程中記錄濕潤鋒運(yùn)移深度和馬氏瓶水位。當(dāng)灌水定額入滲結(jié)束后，立即從土表至濕潤鋒處每隔5 cm提取土樣，用烘干法測定土壤含水率，利用DDS-11A型電導(dǎo)率儀測定水土比為5∶1的土壤溶液電導(dǎo)率，并對(duì)已測得的土壤含鹽量與土壤浸提液電導(dǎo)率建立關(guān)系，具體的關(guān)系式為：

y=2.160EC5∶1+0.303

(2)

式中,y為土壤含鹽量(g·kg-1)；EC5∶1為25℃下水土比為5∶1的土壤浸提液電導(dǎo)率(mS·cm-1)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水分垂直分布特征

土壤含水量是土壤絕對(duì)含水量相對(duì)于土壤的特性指標(biāo)，是土壤水分研究的重要組成部分。Goleman和Bodamn將土壤含水率剖面分為4個(gè)區(qū)：飽和區(qū)、含水率有明顯降落的過渡區(qū)、含水率變化不大的傳導(dǎo)區(qū)和含水率迅速減小至初始值的濕潤區(qū)[15]。

2.1.1 組合次序?qū)ν寥浪衷俜植嫉挠绊懷芯?不同咸淡水組合次序下土壤含水率隨土層深度的變化規(guī)律如圖1a所示。由圖1a可知，間歇組合灌溉模式下各土層的土壤含水率均大于淡水直接灌溉，且與微咸水直接灌溉差異較小。隨著土層深度的增加，土壤含水率呈現(xiàn)減小的趨勢。當(dāng)土層深度小于15 cm時(shí)，先淡后咸土壤含水率大于先咸后淡；當(dāng)土層深度大于15 cm時(shí)，先咸后淡土壤含水率大于先淡后咸，說明首輪灌溉水質(zhì)對(duì)土壤大孔隙的形成起決定性作用，先灌咸水使土壤入滲性能增強(qiáng)。

注：F表示全淡水灌溉；B表示微咸水直接灌溉；F-B表示先淡后咸；B-F表示先咸后淡；ICI(0 min)、ICI(30 min)、ICI(60 min)、ICI(120 min)分別表示表示間歇組合灌溉0 min,30 min,60 min,120 min,下同。Note: F denotes sole fresh water irrigation; B denotes sole brackish water irrigation; F-B denotes the alteration sequence of fresh water irrigation first and brackish water irrigation later; B-F denotes the alteration sequence of brackish water irrigation first and fresh water irrigation later; ICI(0 min)、ICI(30 min)、ICI(60 min)、and ICI(120 min) denote alteration irrigation of 0,30,60 min, and 120 min, respectively.圖1 間歇組合灌溉對(duì)土壤水分垂直分布特征的影響Fig.1 Effects of alteration irrigation on vertical distribution of soil moisture

2.1.2 間歇時(shí)間對(duì)土壤水分運(yùn)移規(guī)律的影響研究 圖1b、c為不同間歇時(shí)間下土壤含水率隨土層深度的變化規(guī)律。由圖1b、c可知，對(duì)于所有處理，在5～50 cm的過渡區(qū)和傳導(dǎo)區(qū)，土壤含水率隨著土層深度的增加逐漸減小，但減小的速度較緩慢；在>50 cm的濕潤區(qū)，土壤含水率迅速減小至土壤初始含水率。對(duì)于先淡后咸間歇組合灌溉模式，在 5～30 cm土層，同一深度處各處理土壤含水率變化不大；在30～55 cm深度處差異較顯著。在先咸后淡間歇組合灌溉模式下，當(dāng)間歇時(shí)間為0，30，60 min時(shí)，同一深度處土壤含水率基本一致；當(dāng)間歇時(shí)間為120 min時(shí)，土壤含水率偏小，但都大于淡水灌溉。

為了進(jìn)一步分析間歇組合灌溉參數(shù)對(duì)土壤剖面含水率的影響，引入代表土壤剖面含水率離散程度的評(píng)價(jià)指標(biāo)變異系數(shù)[16-18]，計(jì)算公式如下：

(3)

由表4可知，在先淡后咸間歇組合灌溉模式下，隨著間歇時(shí)間的增加，土壤含水率變異系數(shù)先增大后減小；而先咸后淡土壤含水率變異系數(shù)隨間歇時(shí)間的增加先減小后增大。在間歇時(shí)間為0，30，60 min時(shí)，先淡后咸土壤含水率變異系數(shù)大于先咸后淡，分別高44.68%(0 min)、88.45%(30 min)、71.75%(60 min)，說明先咸后淡間歇組合灌溉模式土壤剖面含水率分布更均勻，更有利于提高農(nóng)田水資源的利用效率，能為作物提供更適宜的生長環(huán)境。

2.2 土壤鹽分垂直分布特征

微咸水灌溉帶入土壤中的鹽分與土壤本身的化學(xué)元素產(chǎn)生交換吸附作用，改變了土壤的物理和化學(xué)特征，易造成土壤可溶性鹽分含量過高，引起鹽分脅迫，同時(shí)，在灌水量不足的情況下，易引起水鹽聯(lián)合脅迫，使植物產(chǎn)生不可逆的代謝失常，嚴(yán)重影響作物的發(fā)育和產(chǎn)量，甚至造成局部或整株植物死亡[19-21]。因此，利用微咸水灌溉必須制定合理的灌溉制度，將鹽分對(duì)土壤和作物的危害降到最低。

2.2.1 組合次序?qū)ν寥利}分再分布的影響研究 不同咸淡水組合次序下土壤含鹽量隨土層深度的變化規(guī)律如圖2a所示。由圖2a可知，在同一土層深度處，咸淡水間歇組合灌溉模式下的土壤含鹽量均小于微咸水直接灌溉，與淡水灌溉差異較??；在0～20 cm土層，先淡后咸土壤含鹽量大于先咸后淡，而在20～55 cm土層，先咸后淡土壤含鹽量大于先淡后咸，說明先咸后淡有利于降低土壤上層的含鹽量，而先淡后咸有利于降低土壤中下層的含鹽量。

表4 間歇組合灌溉土壤含水率變異系數(shù)

注：I表示土壤初始含鹽量；M表示作物最低耐鹽限度Note: I denotes initial salt tolerance; M denotes lowest salt tolerance of crop圖2 間歇組合灌溉對(duì)土壤鹽分垂直再分布特征的影響Fig.2 Effects of alteration irrigation on vertical distribution of soil salinity

2.2.2 間歇時(shí)間對(duì)土壤鹽分運(yùn)移規(guī)律的影響研究 圖2b、c顯示了不同間歇時(shí)間條件下土壤含鹽量隨土層深度的變化規(guī)律。由圖2b可知，在5～30 cm土層，先淡后咸土壤含鹽量表現(xiàn)為：微咸水直接灌溉>間歇組合灌溉(120 min)>間歇組合灌溉(60 min)>間歇組合灌溉(30 min)>間歇組合灌溉(0 min)>淡水灌溉；在30～55 cm土層，對(duì)于間歇組合灌溉，變化規(guī)律與之相反。造成這種結(jié)果的主要原因可能是，隨著停水時(shí)間的增長，土壤致密層形成的越充分，入滲率變小，導(dǎo)致微咸水集中在土壤上層，而入滲較早的淡水將鹽分淋洗到下層土壤，從而出現(xiàn)了土壤中下層含鹽量較低而土壤表層和底層含鹽量較高的現(xiàn)象。

由圖2c可知，在先咸后淡間歇組合灌溉模式下，在一定的土層深度范圍內(nèi)，咸淡水間歇組合灌溉土壤含鹽量均小于微咸水直接灌溉。在5～25 cm土層，對(duì)于不同的間歇時(shí)間，土壤含鹽量變化不大，隨著土層深度的增加，差異越來越顯著?？赡苁且?yàn)榈诙喌霛B對(duì)表層的土壤具有一定的淋洗效果，隨著土壤入滲率的降低，使鹽分積聚在中下層土壤。

研究區(qū)主要以冬小麥-夏玉米輪作為主體的一年兩熟種植制度，每種作物都有一定的耐鹽極限，故我們選擇這兩種作物耐鹽極限的最小值來評(píng)價(jià)微咸水灌溉模式的危害性，即為2.0 g·kg-1[22-23]。由圖2可知，對(duì)于不同的咸淡水間歇組合灌溉模式，入滲結(jié)束后，0～50 cm土層鹽分含量均小于作物耐鹽度，不會(huì)對(duì)作物產(chǎn)生鹽害。

2.3 間歇組合灌溉土壤鹽分分布特征評(píng)價(jià)

為了進(jìn)一步分析間歇組合光土壤鹽分分布特征，引入了一系列評(píng)價(jià)指標(biāo)[24-25]。土壤含鹽量低于土壤初始含鹽量的深度稱為土壤脫鹽區(qū)深度h；土壤脫鹽區(qū)深度與入滲結(jié)束時(shí)的濕潤鋒運(yùn)移深度的比值稱為脫鹽區(qū)深度系數(shù)；土壤含鹽量低于作物耐鹽度、作物可以正常生長的淡化區(qū)深度(0～45 cm作物根系密集區(qū))稱為達(dá)標(biāo)脫鹽區(qū)深度；達(dá)標(biāo)脫鹽區(qū)深度與濕潤鋒運(yùn)移深度的比值稱為達(dá)標(biāo)脫鹽區(qū)深度系數(shù)；脫鹽率(D)計(jì)算公式如下：

(4)

式中，S1為0～55 cm土層土壤初始含鹽量(g·kg-1)；S2為灌后0～55 cm土層土壤含鹽量(g·kg-1)。

由表5可知，先咸后淡土壤脫鹽區(qū)深度、脫鹽區(qū)深度系數(shù)、達(dá)標(biāo)脫鹽區(qū)、達(dá)標(biāo)脫鹽區(qū)深度系數(shù)均小于先淡后咸；兩者的含鹽量峰值都出現(xiàn)在濕潤鋒位置，先淡后咸含鹽量峰值介于3.741～5.216 g·kg-1之間，先咸后淡介于3.755～5.967 g·kg-1之間，總體而言，先咸后淡含鹽量峰值大于先淡后咸；先淡后咸脫鹽率平均值大于先咸后淡，說明先淡后咸組合次序土壤脫鹽效果更好，更有利于為作物提供良好的生長環(huán)境。

對(duì)于兩種不同的組合次序，在咸淡水間歇組合灌溉模式下，脫鹽區(qū)深度、達(dá)標(biāo)脫鹽區(qū)深度均超過了0～45 cm作物根系密度較大的土層；脫鹽率平均值(0.36%～0.543%)、含鹽量峰值(3.741 g·kg-1～5.967 g·kg-1)均高于微咸水直接灌溉。說明咸淡水間歇組合灌溉模式脫鹽效果更好，能夠減小作物遭受土層整體和局部高鹽脅迫的風(fēng)險(xiǎn)。

表5 間歇組合灌溉土壤鹽分分布評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比分析

3 討 論

3.1 間歇組合灌溉對(duì)土壤含水率的影響

間歇組合灌溉不僅可以節(jié)約淡水資源，而且可以提高水分利用效率、減少深層滲漏，為作物生長提供良好的生長環(huán)境[25]。本研究的結(jié)果與前人的研究結(jié)果基本一致，在同一土層深度處，間歇組合灌溉模式下各土層的土壤含水率均大于淡水直接灌溉，且與微咸水直接灌溉差異較小，使大部分灌溉水貯存在土壤有效深度內(nèi)，可有效改善土壤的蓄水能力。同時(shí)，在間歇組合灌溉模式中，先咸后淡土壤剖面含水率分布更均勻，有利于作物根系的生長。

3.2 間歇組合灌溉對(duì)土壤含鹽量的影響

目前關(guān)于間歇組合灌溉對(duì)土壤含鹽量影響的研究報(bào)道較為少見。本研究發(fā)現(xiàn)先咸后淡有利于降低土壤上層(0～20 cm)的含鹽量，而先淡后咸有利于降低土壤中下層(20～55 cm)的含鹽量，這一結(jié)論與劉靜妍等[11]研究結(jié)果基本一致。本研究表明：咸淡水間歇組合灌溉模式下的土壤含鹽量均小于微咸水直接灌溉，脫鹽率平均值(0.36%～0.543%)、含鹽量峰值(3.741～5.967 g·kg-1)均高于微咸水直接灌溉，且入滲結(jié)束后，土壤含鹽量小于作物耐鹽度深度可達(dá)50 cm，說明咸淡水間歇組合灌溉在不對(duì)作物根系密集區(qū)產(chǎn)生鹽害的前提下，土壤脫鹽效果更好，更有利于改良鹽堿土壤及促進(jìn)作物生長。

3.3 建議

綜上所述，利用咸淡水間歇組合灌溉模式，有利于為作物提供良好的土壤水鹽環(huán)境。由于時(shí)間與條件所限，本試驗(yàn)僅在室內(nèi)條件下進(jìn)行，所得結(jié)論有一定的局限性，需要大田試驗(yàn)驗(yàn)證。為了獲得鹽堿地作物高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)效果，今后應(yīng)綜合考慮土壤鹽分、pH值及土壤鹽分離子等重要參考指標(biāo)，全面系統(tǒng)地研究它們對(duì)作物產(chǎn)量和品質(zhì)的影響。

4 結(jié) 論

本文以中度鹽堿土壤為研究對(duì)象在室內(nèi)進(jìn)行微咸水一維垂直積水入滲試驗(yàn)，分析了微咸水間歇組合灌溉土壤水鹽再分布規(guī)律，得到如下結(jié)論：

(1)在0～15 cm土層，先淡后咸灌溉模式土壤含水率、土壤含鹽量大于先咸后淡；在15～55 cm土層，先咸后淡土壤含水率、土壤含鹽量大于先淡后咸；入滲結(jié)束后，所有處理的土壤含鹽量小于作物耐鹽度深度可達(dá)50 cm，不會(huì)對(duì)作物產(chǎn)生鹽害。

(2)對(duì)于先淡后咸間歇組合灌溉模式，在 5～30 cm土層，同一深度處土壤剖面含水率變化不大；土壤含鹽量表現(xiàn)為：微咸水直接灌溉>間歇組合灌溉(120 min)>間歇組合灌溉(60 min)>間歇組合灌溉(30 min)>間歇組合灌溉(0 min)>淡水灌溉；先淡后咸灌溉模式有利于降低中下層土壤溶液鹽分含量。

(3)在先咸后淡組合灌溉模式下，間歇組合灌溉(0、30、60 min)同一深度處土壤含水率基本一致，間歇灌溉(120 min)土壤含水率偏??；在5～25 cm土層，間歇組合灌溉土壤含鹽量變化不大，在25～55 cm土層，土壤含鹽量差異越來越顯著；先咸后淡有利于淋洗上層土壤溶液鹽分含量。

間歇組合灌溉鹽分分布均勻性更好，先淡后咸組合次序土壤脫鹽效果更好。在黃河三角洲地區(qū)的鹽堿耕地上，可根據(jù)作物的耐鹽能力選擇合理的微咸水間歇組合灌溉參數(shù)，以期達(dá)到使土壤環(huán)境質(zhì)量達(dá)到最優(yōu)、作物正常生長的效果。