譚明東， 王振華， 王 越， 李文昊， 宗 睿， 鄒 杰

（1.石河子大學水利建筑工程學院，新疆 石河子 832000；2.現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團重點實驗室，新疆 石河子 832000）

相比于傳統(tǒng)灌溉模式，膜下滴灌技術憑借其出色的節(jié)水、保墑等性能［1-2］，被干旱半干旱地區(qū)大面積采用。新疆作為我國最典型的膜下滴灌技術示范地，距今，其膜下滴灌面積已經(jīng)超過1.28×106hm2［3］。但在新疆規(guī)?；は碌喂嗉夹g的推廣應用過程中，大部分排堿溝渠被填平，土壤中的鹽分失去了減少的途徑，只是在土壤內(nèi)部重新分布，鹽分依然累積在土體中［4］。耕層形成鹽分淡化層［5］，造成“脫鹽假象”，雖短時期內(nèi)能夠保證作物正常生長發(fā)育，開春后土壤表層鹽分依然較高，長期膜下滴灌棉田土壤脫鹽和積鹽的矛盾始終存在。

非灌溉季節(jié)土壤鹽分運動貫穿凍融發(fā)展的整個過程。由于凍土中地溫隨時間和空間變化，導致土體周期性的凍結(jié)和融化。在土體自上往下凍結(jié)過程中，土壤水分相變?yōu)楸?，凍層上下發(fā)生明顯的土水勢梯度，會導致鹽分隨水分自下往上運移［6］，使得凍結(jié)期土壤表層也有積鹽的可能。李偉強等［7］研究表示，由于消融期大量降雪及“凍層滯水”的融化，表層土壤鹽分可得到有效淋洗，土壤表層脫鹽。但方汝林等［8］的研究認為，在開春消融期由于強烈的蒸發(fā)作用以及雪水融化，土壤地下水位被抬高，鹽分表聚趨勢強烈。還有學者指出凍融作用是土壤鹽堿化的主要驅(qū)動因素［9-10］。因此，非灌溉季節(jié)棉田土壤水鹽的時空分布變化特征對棉花的生長有著不可忽視的影響。新疆作為我國最大的優(yōu)質(zhì)棉產(chǎn)區(qū)和季節(jié)性凍土地區(qū)，棉花種植面積達到8.69×105hm2［3］，凍土面積更是達到7.40×106hm2［11］。土壤鹽分含量直接影響棉花生長情況，但應用膜下滴灌技術將會顯著降低淺層土壤含鹽量，從而達到提高棉花出苗率和產(chǎn)量的可能［5］。所以探究季節(jié)性凍融對不同滴灌年限棉田土壤鹽分時空變化的影響對科學指導春季灌水決策和膜下滴灌技術的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

在分布著大量季節(jié)性凍土的國家和地區(qū)，凍融過程中土壤水鹽的運動情況和分布變化規(guī)律一直是學者研究的熱點問題［12-17］，弄清凍融過程中土壤水分和鹽分的運動，對于合理開發(fā)利用土地資源，提高作物產(chǎn)量以及預防鹽堿災害等方面都具有重要意義。因此，本文通過對6 塊不同滴灌年限的棉田進行自然取土觀測，旨在揭示鹽分在凍融過程中的遷移規(guī)律，以及不同滴灌年限下鹽分累積特征情況，為膜下滴灌技術在綠洲棉田的可持續(xù)應用提供參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗區(qū)位于新疆生產(chǎn)建設兵團第八師121 團（85°32′47″～85°34′15″E，44°45′85″～44°48′48″N，平均海拔300～500 m）。該地屬于典型的溫帶大陸性氣候，為典型的季節(jié)性凍土地區(qū)。2020年試驗區(qū)全年總降雨量為84.3 mm，日均氣溫為8.37°C，最高氣溫38.7°C，最低氣溫-27.1°C，試驗期間（2020-11-15—2021-03-31）總降水量為38.5 mm、平均氣溫為-8.56°C（圖1）。本研究選取的6個地塊分別是自1998年、2002年、2004年、2006年、2008年開始應用膜下滴灌技術的棉田，以及荒地作為對照地塊（CK），對應的連續(xù)膜下滴灌應用年限分別為23 a、19 a、17 a、15 a、13 a、0 a。

圖1 試驗期間日降水量和日平均氣溫Fig.1 Daily precipitation and daily average temperature during the experimental period

1.2 數(shù)據(jù)測定和處理

1.2.1 土壤水分和鹽分 在凍融的3個階段即凍結(jié)前期（2020-11-15—2020-12-15）、凍結(jié)期（2020-12-15—2021-03-11）和消融期（2021-03-11—2021-03-31）取樣，土壤樣品通過土鉆法獲得。為消除滴灌帶來的鹽分水平方向上的差異，每塊棉田選擇3 個取樣區(qū)，每個取樣區(qū)選擇3 個水平間距30 cm 取樣點，取樣深度200 cm，分別在0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、40～50 cm、50～60 cm、60～70 cm、70～80 cm、80～90 cm、90～100 cm、100～120 cm、120～140 cm、140～160 cm、160～180 cm 和180～200 cm共15個土層進行采樣，相同深度土層土壤樣品混合，取3 個取樣區(qū)的平均值作為各地塊的表征數(shù)據(jù)。

采用烘干法得到土壤的質(zhì)量含水率。將烘干后的土樣磨碎，過2 mm 篩，按土水比1：5 配制土壤浸提液，經(jīng)震蕩、沉淀、過濾后，取上清液，利用DDS-11A 電導率儀測出其電導率（Electrical Conductivity，EC，dS·m-1）。通過殘渣法標定土壤全鹽含量，標定結(jié)果見圖2。

圖2 土壤電導率和含鹽量標定曲線Fig.2 Calibration curve of soil EC and salt content

1.2.2 土壤儲鹽量和鹽分通量 將換算得到的各土層土壤含鹽量通過公式（1）［18］計算其單位面積（1 m2）的儲鹽量（簡稱儲鹽量）：

式中：S為hcm深度土層內(nèi)儲鹽量（g）；γ為該土層土壤容重（g·cm-3），荒地平均土壤容重取1.66 g·cm-3，滴灌棉田平均土壤容重取1.51 g·cm-3；h為土層深度（cm）；C為土壤含鹽量（g·kg-1）。

假設鹽分在土壤中只進行一維垂直運動，則鹽分通量可通過公式（2）［19］計算：

式中：Qi+1和Qi分別是目標土層上下界面的鹽分通量（g·m-2·d-1），并規(guī)定表層（0 cm）土壤鹽分通量為0；ΔSi為第i層土壤儲鹽量變化量（g）；t為時段持續(xù)時間（d）。根據(jù)定義可知，若Q＞0，則表示該土層在計算時段內(nèi)鹽分累積；若Q＜0，則表示該土層在計算時段內(nèi)鹽分降低。

1.2.3 土壤貯水量和水分損失 各土層貯水量通過公式（3）［20］計算：

式中：W為hcm 深度土層內(nèi)貯水量（mm）；γ為該土層土壤干容重（g·cm-3）；h為土層深度（cm）；θ為土壤質(zhì)量含水量（%）。

水分損失通過公式（4）［21］計算：

式中：ΔW為土壤貯水量損失量（mm）；Wj為當前土壤貯水量（mm）；Wi為上一階段土壤貯水量（mm）。當ΔW＜0 時，則為水分損失；當ΔW＞0 時，則為水分增加。

1.3 數(shù)據(jù)分析

本次試驗采用Excel 2010軟件對數(shù)據(jù)進行整理和預處理，使用SPSS 20.0 軟件進行單因素方差分析，用Origin 2020軟件進行圖形的繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 長期膜下滴灌棉田土壤鹽分變化特征

2.1.1 不同滴灌年限棉田土壤鹽分時空分布特征 從凍結(jié)前期荒地（CK）、13 a、15 a、17 a、19 a 和23 a地塊鹽分垂直分布特征可以發(fā)現(xiàn)（圖3），荒地儲鹽量分布特征整體表現(xiàn)出隨剖面往下逐層遞減的趨勢，表層土壤儲鹽量最大（1809.84 g），鹽分分布特征屬典型的表聚型剖面（圖3a）。滴灌棉田土壤儲鹽量表現(xiàn)出隨深度增加而增加的趨勢，鹽分分布特征屬底聚型剖面（圖3b）。

圖3 荒地和不同滴灌年限棉田土壤鹽分布特征Fig.3 Distribution characteristics of soil salt in wasteland and cotton field with different drip irrigation years

2.1.2 不同滴灌年限棉田土壤鹽分演變特征 由凍結(jié)前期不同滴灌年限棉田各土層以及總儲鹽量隨滴灌年限變化可以發(fā)現(xiàn)（圖4），0～60 cm 和60～120 cm 土層土壤總儲鹽量隨滴灌年限均顯著降低（P＜0.05），決定系數(shù)R2分別為0.98、0.74。120～200 cm土層和全剖面土壤儲鹽量也呈現(xiàn)降低的趨勢，決定系數(shù)R2分別為0.13、0.66，但隨滴灌年限變化并不顯著。

圖4 不同土層儲鹽量隨滴灌年限變化特征Fig.4 Variation characteristics of soil salt storage in different soil layer with drip irrigation years

2.2 凍融過程中土壤鹽分累積特征和水分損失情況

2.2.1 凍融過程中土壤鹽分累積特征 從凍結(jié)前期不同滴灌年限棉田各土層的鹽分通量圖可以看出（圖5a），荒地鹽分運動幅度明顯大于滴灌地塊，平均鹽分通量為-155.59 g·m-2·d-1，鹽分通量隨深度的增加呈遞減的趨勢，說明此時期內(nèi)荒地鹽分整體被淋溶，土壤含鹽量降低。滴灌地塊0～120 cm土層鹽分運動明顯不如120～140 cm劇烈。此時期內(nèi)，除滴灌19 a 和23 a 地塊30～70 cm 土層和滴灌15 a 地塊140～200 cm土層土壤鹽分表現(xiàn)為累積外，其余地塊土壤鹽分均表現(xiàn)為降低。另外可以發(fā)現(xiàn)，荒地（CK）、13 a、15 a、17 a、19 a和23 a地塊0～20 cm土層鹽分均向下遷移流失，平均鹽分通量為-59.20 g·m-2·d-1、-5.83 g·m-2·d-1、-5.08 g·m-2·d-1、-0.46 g·m-2·d-1、-0.88 g·m-2·d-1和-0.55 g·m-2·d-1。

從圖5b可以看出，凍結(jié)期土壤鹽分變化幅度較小，各地塊鹽分通量變幅明顯小于凍結(jié)前期。此時期內(nèi)，荒地0～120 cm土層，滴灌13 a地塊40～180 cm土層，滴灌15 a 和23 a 地塊20～200 cm 土層和滴灌17 a 地塊0～60 cm 土層鹽分繼續(xù)降低，平均鹽分通量分別為-2.08 g·m-2·d-1、-4.44 g·m-2·d-1、-5.48 g·m-2·d-1、-3.19 g·m-2·d-1和-1.00 g·m-2·d-1。而剩余土層鹽分表現(xiàn)出累積的現(xiàn)象，其中滴灌19 a 地塊土壤鹽分則表現(xiàn)出全面增加的現(xiàn)象，鹽分通量隨土層的增加呈增加的趨勢，平均鹽分通量為5.67 g·m-2·d-1。

圖5 凍融過程中各地塊鹽分通量分布特征Fig.5 Distribution characteristics of salt flux in each plot during freezing and thawing

從圖5c可以看出，消融期是各地塊土壤鹽分活動最活躍的時期。此時期內(nèi)，以滴灌年限15 a為界限，鹽分的變化可大致分為兩種。一種是整體降低，鹽分通量隨深度的加深而降低，以滴灌13 a 和15 a地塊為例，其平均鹽分通量分別為-61.46 g·m-2·d-1和-53.87 g·m-2·d-1。另一種鹽分運動表現(xiàn)形式則是整體增加，隨土層深度的增大鹽分通量的增幅也表現(xiàn)為增大，以荒地和滴灌17 a、19 a和23 a地塊為例，平均鹽分通量分別為43.61 g·m-2·d-1、172.57 g·m-2·d-1、38.18 g·m-2·d-1和10.53 g·m-2·d-1。

2.2.2 凍融過程中土壤水分損失特征 通過各地塊在凍融期間貯水量的分布特征可以看出（圖6），可以將土壤貯水量的分布大致分為3個區(qū)段。第1個區(qū)段為0～60 cm 敏感區(qū)（Ⅰ區(qū)），第2 個區(qū)段為60～120 cm 穩(wěn)定區(qū)（Ⅱ區(qū)），第3個區(qū)段為120～200 cm 深層活躍區(qū)（Ⅲ區(qū)）。敏感區(qū)土壤貯水量受太陽輻射、日照強度、氣溫等環(huán)境因素影響較大［21］，水分易于損失和恢復。同時此區(qū)段為棉花根系生長主要場所，其土壤貯水量動態(tài)變化情況直接影響根系生長狀況，是本次試驗重點分析區(qū)段。穩(wěn)定區(qū)貯水量波動幅度較小，土壤貯水量分布特征相對穩(wěn)定，受外界因素影響較小。而深層活躍區(qū)土壤貯水量的變化波動主要受到地下水位動態(tài)影響，水分有較強的變化波動。

圖6 各地塊貯水量分布特征Fig.6 Distribution characteristic of water storage in each plot

從各地塊土壤敏感區(qū)總貯水量水分損失情況可知（表1），在凍結(jié)前期，荒地敏感區(qū)土壤貯水量降低3.89 mm，而其他滴灌地塊均增加，平均增加14.82 mm。在凍結(jié)期，滴灌13 a 和23 a 地塊土壤貯水量分別降低20.98 mm和10.96 mm，其余地塊均增加。而消融期所有地塊土壤貯水量均增加，平均增加45.89 mm。凍融后，荒地（CK）、13 a、15 a、17 a、19 a 和23 a 滴灌棉田敏感區(qū)土壤貯水量均增加，分別增加23.43 mm、81.26 mm、31.68 mm、62.39 mm、96.98 mm和69.64 mm，平均增加60.90 mm。對比荒地和滴灌地塊的水分損失情況可知，荒地不論是在水分活動強烈的消融期，還是水分運動相對較弱的凍結(jié)期和凍結(jié)前期，其水分損失幅度均小于滴灌地塊平均值。

表1 各地塊敏感區(qū)段水分損失情況Tab.1 Soil water loss in sensitive layer of each plot

3 討論

本研究中，鹽分分布特征隨滴灌年限的增加由表聚型分布逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆蛐头植?，觀察滴灌23 a地塊可發(fā)現(xiàn)其土壤鹽分分布整體波動較小，深層土壤儲鹽量明顯小于其他地塊，鹽分在豎直方向上的分布已趨于均勻（圖3b）。這與李寶富等［22］對不同耕作時間下土壤鹽分動態(tài)監(jiān)測的研究結(jié)果基本一致。不過，其研究中追蹤的耕作年限最多只到10 a，而對10 a后土壤鹽分的分布變化情況無法確定。本研究發(fā)現(xiàn)，棉田鹽分分布特征隨滴灌年限轉(zhuǎn)變的進程中，滴灌17 a 和19 a 的地塊深層土壤含鹽量相較滴灌15 a 地塊不減反增。而滴灌19 a 地塊在160～180 cm 土層含鹽量甚至超過了荒地和滴灌13 a 地塊，已經(jīng)出現(xiàn)了土壤次生化鹽漬化的趨勢。由于缺乏對滴灌年限為0～13 a內(nèi)相應地塊的監(jiān)測，對滴灌應用早期棉田土壤鹽分變化規(guī)律及影響機制只能借助理論和前人研究來理解。研究結(jié)果表明，長期膜下滴灌能夠顯著淋洗0～120 cm土層內(nèi)土壤鹽分，但對120～200 cm 土層土壤鹽分的淋洗作用并不顯著，這與多數(shù)學者［23-25］的研究結(jié)果相似。同時，這也體現(xiàn)了滴灌壓鹽的局限性，鹽分始終續(xù)存在土體中，加上地表強烈的蒸發(fā)作用和地下水動態(tài)的影響，土壤鹽漬化發(fā)生的機率增大。張偉等［26］人的研究顯示，棉田0～60 cm 土層內(nèi)土壤鹽分隨滴灌年限累積，這與本研究結(jié)論明顯不同，但這是由于其研究中采用的是微咸水（平均含鹽量2.52 g·L-1）灌溉，外界鹽分輸入是導致其在土壤中累積的主要原因。還需注意的是，本研究收集的是棉花收獲后的鹽分數(shù)據(jù)，表征的是灌水停止后鹽分在土壤相對穩(wěn)定的狀態(tài)，因此可以更客觀的比較不同滴灌年限地塊之間鹽分的變化特征。而前人研究多在生育期進行，此時，土體中鹽分動態(tài)更多會受到當時灌溉制度的影響。

鹽分通量［18,27］作為表征鹽分在不同土層上下運移的有力參數(shù)，對于刻畫鹽分累積特征有顯著效果。李文昊等［27］研究發(fā)現(xiàn)，凍融前后棉田0～140 cm土層土壤儲鹽量均降低，指出自然凍融循環(huán)作用可淋洗棉田土壤鹽分，但其研究缺乏對凍融過程中鹽分運動情況的分析。本文中，凍結(jié)前期各地塊0～20 cm土層鹽分均向下遷移，且鹽分通量隨滴灌年限的增加呈降低的趨勢（圖5）。這主要是由于該土層內(nèi)土壤含鹽量隨滴灌年限顯著降低的原因，從而導致鹽分運動幅度隨滴灌年限減弱。而凍結(jié)期鹽分的運動出現(xiàn)了地塊差異，滴灌19 a的地塊各土層鹽分均向上運動，而其余地塊則在不同土層出現(xiàn)鹽分通量正負交替的現(xiàn)象（圖6）。這與彭振陽等人［18］的研究結(jié)果相似。在消融期，除滴灌13 a和15 a地塊外，其余地塊鹽分整體向上運動，出現(xiàn)返鹽的征兆，這與康雙陽等［28］、張殿發(fā)等［29］的研究結(jié)果相似。而滴灌13 a 和15 a 地塊鹽分繼續(xù)下移，這與李偉強等［7］凍層滯水淋洗鹽分的結(jié)論有一定呼應。本研究發(fā)現(xiàn)，凍結(jié)前期荒地土壤鹽分變化幅度比棉田土壤更劇烈。除了土體本身含鹽量的改變外，還可能是由于長期膜下滴灌影響了棉田土壤結(jié)構(gòu)，土壤顆粒之間排列發(fā)生變化，土壤孔隙分布受到影響，使得土壤中鹽分的運動通道變化，導致的鹽分在凍融過程中運動幅度降低。

本研究結(jié)果表明，消融期是凍融前后各地塊敏感區(qū)土壤水分增加貢獻最大的時期（表1）。這是由于氣溫回升導致積雪融化，引起土壤含水率增大的結(jié)果。但本次試驗監(jiān)測距棉花播種截止時間仍有一定時間間隔，期間氣溫還將繼續(xù)升高，且降水稀少（圖1），土壤水分大概率將處于一種損失的狀態(tài)。而本試驗區(qū)棉花均是按照“干播濕出”的播種模式，因此這段時間內(nèi)土壤水分的損失情況將決定棉花出苗定額的多少。前人研究［30-32］指出，在全年或者凍融期對地表進行覆蓋措施能有效保存土壤水分。單小琴等［33］研究指出，在凍融期覆膜蓄水保墑方面更具現(xiàn)實意義。因此，在為了保持土壤水分以及節(jié)約水資源的條件下，建議在凍融期對棉田進行秸稈覆蓋［34］，這對預防土壤凍害和蓄水保墑等方面都能起到積極的作用［35］。

4 結(jié)論

通過對121 團6 塊不同滴灌年限棉田的土壤水分和鹽分在凍融過程中變化特征的分析，得出以下結(jié)論：

（1）隨滴灌年限的增加，棉田0～120 cm 土壤含鹽量顯著降低（P＜0.05），鹽分分布特征從表聚型向底聚型轉(zhuǎn)變。

（2）凍結(jié)前期荒地（CK）、13 a、15 a、17 a、19 a和23 a 地塊的0～20 cm 土層鹽分下移，平均鹽分通量分別為-59.20 g·m-2·d-1、-5.83 g·m-2·d-1、-5.08 g·m-2·d-1、-0.46 g·m-2·d-1、-0.88 g·m-2·d-1和-0.55 g·m-2·d-1。凍結(jié)期和消融期鹽分運動出現(xiàn)地塊差異，凍結(jié)期滴灌19 a 地塊土壤鹽分表現(xiàn)出全面增加的現(xiàn)象，平均鹽分通量為5.67 g·m-2·d-1，其余地塊在不同層位出現(xiàn)鹽分通量正負交替的現(xiàn)象。消融期土壤鹽分運動強烈，滴灌13 a 和15 a 地塊鹽分含量整體降低，平均鹽分通量為-61.46 g·m-2·d-1和-53.87 g·m-2·d-1，其余地塊表現(xiàn)為整體增加，出現(xiàn)返鹽趨勢，平均鹽分通量分別為43.61 g·m-2·d-1、172.57 g·m-2·d-1、38.18 g·m-2·d-1和10.53 g·m-2·d-1。

（3）0～60 cm是棉田土壤貯水量敏感區(qū)，凍融后荒地（CK）、13 a、15 a、17 a、19 a 和23 a 地塊的敏感區(qū)土壤貯水量分別增加23.43 mm、81.26 mm、31.68 mm、62.39 mm、96.98 mm 和69.64 mm，消融期是土壤貯水量增加的主要貢獻時期。

新疆干旱區(qū)綠洲棉田是重要經(jīng)濟作物的基礎，為抑制凍融后土壤返鹽對春季播種后棉花的生長，在堅持現(xiàn)行灌溉制度的基礎下，可在非灌溉季節(jié)進行棉稈還田等覆蓋措施，在減少土壤水分蒸發(fā)的同時抑制返鹽。并可適當追加淋洗定額，但仍需注意節(jié)約水資源。