宗 含，高 龍,王雅琴，趙志強(qiáng)，王子天

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.長(zhǎng)安大學(xué)水與發(fā)展研究院，陜西 西安 710054； 3.河北省黃壁莊水庫(kù)管理局，河北 石家莊 050224；4.第八師炮臺(tái)土壤改良試驗(yàn)站，新疆 石河子 832066；5.長(zhǎng)安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

新疆鹽堿地總面積2 181.4×104hm2,占全國(guó)鹽堿土(9 913×104hm2)面積的22.01%[1]。利用膜下滴灌技術(shù)改良鹽堿荒地，成本少，見(jiàn)效快，一般三年時(shí)間即可達(dá)到中低產(chǎn)田，所以此技術(shù)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用到鹽堿荒地改良上，并適合種植各種作物，成為新疆農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一種主要技術(shù)。隨著膜下滴灌技術(shù)在新疆大面積的推廣應(yīng)用，農(nóng)田土壤鹽分分布、運(yùn)移、土壤次生鹽堿化、地下水位變化等，將對(duì)作物的生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生相應(yīng)的影響。為了了解滴灌條件下土壤水鹽運(yùn)移變化特點(diǎn)，為鹽堿地的綜合開(kāi)發(fā)利用和防治農(nóng)田土壤次生鹽漬化提供新的思路和技術(shù)，保證形成安全的膜下滴灌土壤生態(tài)環(huán)境，增加應(yīng)用膜下滴灌技術(shù)的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)效益，針對(duì)鹽漬化農(nóng)田鹽分危害作物生長(zhǎng)、肥力瘠薄、有機(jī)質(zhì)提升困難、滴灌棉田剖面積鹽等問(wèn)題，以滴灌鹽荒地為主要研究對(duì)象，2008年開(kāi)始定點(diǎn)觀測(cè)典型鹽漬化區(qū)域長(zhǎng)期滴灌條件下土壤剖面周年鹽分動(dòng)態(tài)變化，初步了解土壤剖面積鹽規(guī)律。

膜下滴灌沒(méi)有相應(yīng)的農(nóng)田排水系統(tǒng)，所以對(duì)于長(zhǎng)期使用此技術(shù)是否會(huì)產(chǎn)生鹽分積累等問(wèn)題，一些專家學(xué)者尤為專注。趙永成等[2]針對(duì)膜下滴灌棉田土壤鹽漬化問(wèn)題，從年內(nèi)與年際變化兩方面分析其土壤鹽分演變特征，研究發(fā)現(xiàn)膜下滴灌4～12 a的棉田存在穩(wěn)定積鹽層。孫肇君等[3]研究新疆膜下滴灌棉田鹽分運(yùn)動(dòng)規(guī)律發(fā)現(xiàn)，土壤中鹽分的變化表現(xiàn)出“鹽隨水動(dòng)”的特點(diǎn)，鹽分在不同廣度與深度下被重新分配，在膜間地表和60 cm土層以下積累強(qiáng)烈。姚寶林[4]等通過(guò)設(shè)計(jì)灌水定額和灌水次數(shù)雙因素組合試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)膜下滴灌棉花生育期0～30 cm土壤鹽分變幅大于40～100 cm，較小的灌水定額和灌水次數(shù)使0～30 cm鹽分變幅增大。李玉義等[5]用類比法對(duì)灌區(qū)鹽漬化耕地的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行初步預(yù)測(cè)，結(jié)果表明：目前大力推廣的膜下滴灌由于其良好的節(jié)水和壓鹽效果，土壤中鹽分含量逐年下降，隨著滴灌年限的增加，土壤平均脫鹽率逐漸提高。相關(guān)試驗(yàn)研究表明，膜下滴灌技術(shù)使用初期，田間土壤鹽分含量下降很快，隨后幅度減小，使用到一定年限后，土壤含鹽量基本穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)[6]，但也有研究表明棉花膜下滴灌條件下棉田內(nèi)含鹽量在生育期內(nèi)呈降低趨勢(shì),表現(xiàn)為滴灌濕潤(rùn)峰邊緣土壤含鹽量較大,地下水位變化影響土壤鹽分變化[7]。本文基于8年的試驗(yàn)觀測(cè)及目前已有的相關(guān)研究成果，在鹽荒地開(kāi)展膜下滴灌技術(shù)，探究鹽荒地初始土壤鹽分變化規(guī)律，為新疆典型干旱區(qū)域鹽堿地治理提供理論支持。

1 材料與方法

本試驗(yàn)在新疆建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)八師石河子墾區(qū)進(jìn)行，石河子墾區(qū)位于準(zhǔn)噶爾盆地古爾班通古特沙漠邊緣，天山北麓，地處歐亞大陸腹地(44°45′N，85°36′E)，海拔332～333 m，多年平均降雨量152.8 mm，多年平均蒸發(fā)量1 952.6 mm，屬于典型溫帶大陸性干旱荒漠氣候。試驗(yàn)區(qū)選擇石河子墾區(qū)中具有代表性的下野地灌區(qū)(121團(tuán)6連)、金溝河灌區(qū)(144團(tuán)8連)，試驗(yàn)區(qū)位置圖見(jiàn)圖1。

2008年在下野地灌區(qū)、金溝河灌區(qū)分別選擇一塊鹽荒地進(jìn)行開(kāi)墾。其中，下野地灌區(qū)所選擇地塊總面積為7.33 hm2，土壤為輕壤土，平均分成三個(gè)相連地塊；金溝河灌區(qū)所選擇地塊總面積為7.2 hm2，平均分為三個(gè)相連地塊。采用膜下滴灌技術(shù)種植棉花作物，兩個(gè)灌區(qū)總共六個(gè)地塊，每個(gè)地塊定一個(gè)點(diǎn)長(zhǎng)期進(jìn)行土壤鹽分的監(jiān)測(cè)，并打觀測(cè)井觀測(cè)地下水埋深和分析地下水礦化度，取樣時(shí)間為每年4月10日至9月20日，建立土壤鹽分、土壤養(yǎng)分、地下水信息檔案，分析在長(zhǎng)期滴灌條件下鹽荒地土壤鹽分分布特點(diǎn)，為新疆干旱地區(qū)膜下滴灌灌溉制度的制定提供依據(jù)。土壤鹽分測(cè)定每月一次，取土深度為0～20 、20～40 、40～60、60～80、80～100 cm，共計(jì)5個(gè)土層，采樣范圍1 m2內(nèi)，各采樣點(diǎn)取膜內(nèi)和膜外各一點(diǎn)同層混合，地下水的觀測(cè)同時(shí)進(jìn)行，至2015年已連續(xù)進(jìn)行8 a試驗(yàn)。

圖1 試驗(yàn)區(qū)位置圖Fig.1 Location map of experimental area

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤鹽分垂直分布特征

2008-2015年對(duì)121團(tuán)6連(121-6)和144團(tuán)8連(144-8)的土壤鹽分狀況進(jìn)行了測(cè)定，按照不同年份、不同月份、不同深度對(duì)土壤含鹽率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。由表1可以看出，121團(tuán)、144團(tuán)鹽荒地經(jīng)過(guò)8 a膜下滴灌種植，土壤鹽分整體呈下降趨勢(shì)，土壤含鹽率下降值分別為87.7%、75.4%，脫鹽率較高。由于各土層土壤含鹽率相較于2008年初始鹽分均出現(xiàn)較大波動(dòng)，為了更好地分析和比較各土層鹽分垂直分布特征，選取數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)分析中的變異系數(shù)CV(Coefficient of Variation)進(jìn)行分析，它是原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差σ與原始數(shù)據(jù)平均數(shù)μ的比，公式為:

式中，σ為樣本標(biāo)準(zhǔn)差;μ為樣本均值。

根據(jù)土壤鹽分變異劃分等級(jí)，CV>1為強(qiáng)變異，0.1

121團(tuán)6連開(kāi)墾的鹽荒地在2008年初土壤含鹽率達(dá)到3.383 2%，屬于典型鹽漬化區(qū)域，由圖2(a)可以看出在膜下滴灌進(jìn)行的前3年(2008-2010年)脫鹽最明顯，其中0～60 cm土層脫鹽效果比60～100 cm土層更明顯。由圖2(b)可知，經(jīng)過(guò)6～8 a膜下滴灌后，121團(tuán)6連、144團(tuán)8連地塊2013-2015年0～60 cm土層土壤鹽分變異系數(shù)均大于深層60～100 cm，其土壤含鹽率分別保持在0.5%、0.8%上下，屬于中、重度鹽化土，因此121團(tuán)、144團(tuán)深度大約在60～100 cm的土層均出現(xiàn)穩(wěn)定積鹽層。121團(tuán)6連0～60 cm土層，土壤含鹽率在2014年0～20 cm土層最高為0.898 5%，在2013年40～60 cm土層最低為0.373 8%，此時(shí)其土壤鹽分變異系數(shù)分別為62.28%和29.31%。144團(tuán)8連0～60 cm土層，土壤含鹽率在2013年40～60 cm土層最高為0.955 2%，在2015年40～60 cm土層最低為0.519 3%，此時(shí)其土壤鹽分變異系數(shù)分別為39.33%和44.32%，說(shuō)明0～60 cm土層土壤鹽分處于動(dòng)態(tài)平衡，隨著灌水、蒸散發(fā)的變化波動(dòng)明顯。

棉花的生育期分為：播前(4月下旬)、苗期(5月上旬)、蕾期(6月中旬)、花期(7月上旬)、吐絮期(8月下旬)、收獲期(9月中旬)。2013-2015年，在4月份到9月份整個(gè)生育期對(duì)土壤鹽分取樣分析結(jié)果(圖3)可以看出：首先，各地塊土壤鹽分在不同種植年限內(nèi)整體上呈現(xiàn)隨生育期的推后而降低的趨勢(shì)，在收獲停水后又出現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，鹽分的變化表現(xiàn)出“鹽隨水動(dòng)”的特點(diǎn);其次，每年4月棉花播種前，由于當(dāng)?shù)貧鉁刈兓^大，土壤鹽分在外界蒸發(fā)作用下出現(xiàn)春季返鹽現(xiàn)象。灌水后，0～60 cm土層鹽分隨著滴灌水的淋溶作用呈現(xiàn)向下運(yùn)移的趨勢(shì)，土壤鹽分下降較快。8月份吐絮期以后，灌水結(jié)束，土壤鹽分又開(kāi)始積累，至9月份收獲期停水后，受蒸發(fā)作用影響，鹽分主要呈現(xiàn)向地表運(yùn)移的趨勢(shì)，60～100 cm土層鹽分有所下降。總體來(lái)說(shuō)，在整個(gè)生育期0～60 cm土層脫鹽效果較為明顯，為鹽堿地棉花的生長(zhǎng)發(fā)育提供了一個(gè)適宜的水鹽環(huán)境，但隨著灌水的結(jié)束，鹽分又呈現(xiàn)出積聚趨勢(shì)，尤其是在春秋季是兩個(gè)積鹽的高峰期，建議應(yīng)采取必要的洗鹽措施，為第二年的種植提供良好的土壤環(huán)境。

表1 鹽荒地不同年際土壤含鹽率/%

表2 鹽荒地土壤鹽分變異系數(shù)

圖2 年際間土壤鹽分垂直分布Fig.2 Inter-year vertical distribution of soil salinity

圖3 年內(nèi)土壤鹽分垂直分布Fig.3 Intra-year vertical distribution of soil salinity

2.2 土壤鹽分與地下水埋深的分布特征

由圖4(a)可知2013年121團(tuán)土壤鹽分整體偏高，4-6月土壤含鹽率為0.43%，7月份土壤含鹽率有所下降，8、9月份土壤含鹽率有明顯提高，土壤含鹽率年內(nèi)均值為0.47%左右；對(duì)于121團(tuán)地下水埋深，4-6月地下水埋深較大為3.9 m左右，7-9月地下水埋深較小為3.24 m左右，地下水埋深年內(nèi)均值為3.61 m左右。此外，根據(jù)研究區(qū)域121團(tuán)土壤鹽分及地下水埋深的年內(nèi)變化規(guī)律，可知在研究區(qū)域膜下滴灌的條件下，土壤鹽分與當(dāng)?shù)氐叵滤裆钣兄芮新?lián)系。根據(jù)當(dāng)?shù)毓喔戎贫?，灌溉初始土壤鹽分受到淋洗，含鹽量下降明顯，地下水埋深變??；灌溉中后期7-9月份，隨著地下水埋深的逐漸減小直至達(dá)到較為穩(wěn)定水平3.23 m左右，此過(guò)程中土壤含鹽率逐漸升高，控制在0.5%左右，而干旱地區(qū)地下水埋深臨界值為2.7m左右，小于研究區(qū)域最小地下水埋深，說(shuō)明研究區(qū)域在膜下滴灌灌溉模式下，土壤鹽分及地下水均可控制在合理的范圍之內(nèi)，為當(dāng)?shù)赝茝V膜下滴灌技術(shù)提供了可靠的科學(xué)依據(jù)。由圖4(b)、(c)可知，2014年、 2015年121團(tuán)地下水埋深與土壤鹽分呈現(xiàn)出同2013年相似的水文規(guī)律，地下水埋深年內(nèi)均值為4.04 m，土壤含鹽率年內(nèi)均值0.52%。綜上所述，研究區(qū)域121團(tuán)2013年至2015年地下水埋深與土壤鹽分年際變化不是很明顯。結(jié)合當(dāng)?shù)?016年地下水位觀測(cè)數(shù)據(jù)，地下水埋深在3.29～4.30 m之間，2016年地下水埋深最大為4.30 m，2016年地下水埋深最小為3.29 m，均值為3.80 m；土壤含鹽率在0.42%～0.61%之間。

圖4(d)、(e)、(f)為144團(tuán)2013年至2015年地下水埋深與土壤鹽分的變化關(guān)系圖。2013年地下水埋深年內(nèi)均值為2.40 m，土壤含鹽率年內(nèi)均值為0.84%；兩者之間呈現(xiàn)一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系，尤其在灌溉中后期7-9月份變化明顯。2014年土壤水鹽負(fù)相關(guān)程度較2013年高，地下水埋深年內(nèi)均值為2.16 m，土壤含鹽率年內(nèi)均值為0.90%。2015年土壤水鹽的變化趨勢(shì)與2013、2014不同，土壤鹽分與地下水埋深變化趨勢(shì)相近，人為因素可能是造成該現(xiàn)象的主要原因；2015年144團(tuán)地下水埋深年內(nèi)均值為2.23 m，土壤含鹽率年內(nèi)均值為0.57%。

綜上，144團(tuán)在2013-2015年間地下水埋深年際均值為2.26 m，土壤含鹽率年際均值為0.77%；121團(tuán)地下水埋深及土壤含鹽率年際均值分別為3.60 m和0.49%。根據(jù)當(dāng)?shù)赝寥蕾|(zhì)地及氣候條件，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)，研究區(qū)域地下水埋深的臨界值為2.7 m左右。121團(tuán)地下水埋深最大，土壤含鹽率低，而地下水埋深較淺的144團(tuán)土壤積鹽更為嚴(yán)重，說(shuō)明石河子墾區(qū)土壤含鹽量受地下水埋深影響較為明顯。土壤中鹽分的變化表現(xiàn)出“鹽隨水動(dòng)”的特點(diǎn)，土壤鹽分隨毛管水上升到地表，水分蒸發(fā)后，使鹽分積累在表層土壤中。石河子墾區(qū)氣候干旱，夏季農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)頻繁，用水量高，但由于該地區(qū)夏季平均氣溫最高，蒸發(fā)強(qiáng)烈，土壤中的水分大量蒸發(fā)，會(huì)攜帶大量鹽分到達(dá)土壤表層，使土壤積鹽，因此，合理利用地下水不失為解決土壤鹽漬化問(wèn)題的一條科學(xué)途徑。

3 結(jié) 論

1)由年際間土壤鹽分垂直分布特征可知，鹽荒地經(jīng)過(guò)多年膜下滴灌，各土層土壤鹽分下降明顯，且呈現(xiàn)出隨種植年限的增加而減小的趨勢(shì)，對(duì)比2008年鹽荒地開(kāi)墾前含鹽率，土壤整體脫鹽率較高；下野地灌區(qū)(121團(tuán))、金溝河灌區(qū)(144團(tuán))實(shí)施膜下滴灌6～8 a的鹽荒地地塊在60～100 cm土層深度土壤含鹽率分別保持在0.5%、0.8%上下，形成穩(wěn)定積鹽層，在60 cm以上土層土壤鹽分基本處于動(dòng)態(tài)平衡。

2)由年內(nèi)土壤鹽分垂直分布特征可知，實(shí)施膜下滴灌6～8 a的兩塊鹽荒地土壤鹽分整體上呈現(xiàn)隨生育期的推后而降低的趨勢(shì)；灌水后，0～60 cm土層鹽分下降較快，灌水結(jié)束后，土壤鹽分又開(kāi)始積累，鹽分主要呈現(xiàn)向地表運(yùn)移的趨勢(shì)，60～100 cm土層鹽分有所下降?？傮w來(lái)說(shuō)，0～60 cm土層脫鹽效果較為明顯，但春秋季是兩個(gè)積鹽的高峰，建議應(yīng)采取必要的洗鹽措施。

圖4 試驗(yàn)點(diǎn)2013-2015年地下水埋深與土壤鹽分的關(guān)系Fig.4 Relationship of groundwater level with soil salinity from 2013 to 2015

3)由土壤鹽分與地下水埋深的分布特征可知，灌溉初始土壤鹽分受到淋洗，含鹽率下降明顯，地下水埋深變?。还喔戎泻笃?7-9月份)，隨著地下水埋深的逐漸減小直至達(dá)到穩(wěn)定水平，土壤含鹽率逐漸升高。144團(tuán)、121團(tuán)地下水埋深年際均值為2.26、3.60 m，土壤含鹽率年際均值為0.77%、0.49%，121團(tuán)地下水埋深最大，土壤含鹽率低，而地下水埋深較淺的144團(tuán)土壤積鹽更為嚴(yán)重，土壤中鹽分的變化表現(xiàn)出“鹽隨水動(dòng)”的特點(diǎn)，土壤鹽分與地下水埋深關(guān)系密切，土壤鹽分隨淺層地下水埋深的增大而減小，說(shuō)明石河子墾區(qū)土壤含鹽量受地下水埋深影響較為明顯，地下水埋狀況是制約土壤鹽分含量的重要因素。

隨著我國(guó)對(duì)生態(tài)環(huán)境建設(shè)的重視程度越來(lái)越高，西部干旱地區(qū)地下水過(guò)度開(kāi)采的現(xiàn)象得到有效控制；為了節(jié)水、提高用水效率，在研究區(qū)采用膜下滴灌先進(jìn)節(jié)水技術(shù)，本研究證明了該技術(shù)的合理性、科學(xué)性，為新疆典型干旱區(qū)域鹽堿地治理提供了理論依據(jù)。

致謝：論文數(shù)據(jù)采集得到了新疆炮臺(tái)石河子試驗(yàn)站的大力幫助，衷心感謝炮臺(tái)試驗(yàn)站的朱擁軍站長(zhǎng)、王雅琴老師！