徐鑫，張金珠,2*，李寶珠，王振華,2，李文昊,2

(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；3 新疆天業(yè)節(jié)水灌溉股份有限公司,新疆 石河子 832000)

西北地區(qū)降水量少、蒸發(fā)量大，屬于干旱半干旱地區(qū)，新疆干旱指數(shù)大于20[1]，農(nóng)業(yè)用水需求量大。新疆鹽漬土面積占全國鹽漬土總面積的1/3，新疆是我國鹽堿地分布范圍最廣的地區(qū)[2]，嚴重制約了新疆農(nóng)業(yè)的發(fā)展。近年來，膜下滴灌在棉花種植中廣泛應用，促進了兵團乃至新疆農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展，新疆棉花總產(chǎn)、單產(chǎn)、種植面積、商品調(diào)撥量連續(xù)25年位居全國第一[3-4]。因此，研究干旱區(qū)農(nóng)田鹽漬化程度對作物生長有重要意義。

鄒小陽等[5]認為隨著土壤深度的增大，土壤鹽分空間自相關(guān)尺度逐漸減??；何平如等[6]認為滴頭流量越大，濕潤體交匯區(qū)土壤含水率越高，土壤鹽分淋洗效果越好，棉花產(chǎn)量越高；崔永生等[7]、趙丹丹等[8]基于不同灌溉定額、不同土壤質(zhì)地、不同灌溉方式研究土壤水鹽運移，研究Hydrus模型在土壤水鹽運移中的應用，得出大多數(shù)情況下實測值與模擬值高度吻合。另外，膜下滴灌條件下膜內(nèi)地表的鹽分會以滴頭為中心由地表向深層呈放射狀路徑運移，到達一定深度后，處在中軸位置的鹽分由于水量充足運移，鹽分運移深度也會逐漸變淺[9-14]?，F(xiàn)有的研究揭示了土壤水鹽運移特征，但都基于多因素對土壤含水率、含鹽量以及作物的生長狀況(生理指標、熒光、葉面積指數(shù)等)進行分析，而對不同鹽度土壤的含水率、含鹽量變化規(guī)律及最佳的棉花出苗含鹽量區(qū)間的研究較少，因此，本文研究不同鹽漬化程度棉田土壤水鹽動態(tài)，并用Hydrus-2D軟件模擬土壤水鹽運移過程，既可以為水鹽運移理論發(fā)展提供堅實基礎(chǔ)，又可以與實測結(jié)果進行耦合驗證，提高模型的可靠性，這對探索膜下滴灌棉花鹽分閾值和提高水資源利用效率、改良鹽堿土有重要意義，并為新疆鹽堿地棉花產(chǎn)業(yè)的長足發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2019年3—5月在現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團重點實驗室進行。該實驗室位于新疆石河子市區(qū)，海拔412 m，平均地面坡度6‰。該地區(qū)氣候為溫帶大陸性氣候，降水少，年平均200 mm；蒸發(fā)強烈，年平均1 600 mm；0 ℃以上的活動積溫為4 070 ℃，10 ℃以上的活動積溫為3 649 ℃，無霜期為171 d，年平均風速為1.5 m/s，靜風占32%，偏南風占22%，偏北風占15%，偏東風占14%，偏西風17%[15]，地下水埋深5 m以下。

表1 試驗區(qū)土壤物理性狀

1.2 試驗設(shè)計

試驗在測坑內(nèi)進行，測坑規(guī)格為1.5 m×1.5 m×2 m，四周側(cè)壁進行防滲處理。試驗設(shè)置土壤電導率為四水平，即1.0 mS/cm(A1)、3.0 mS/cm(A2)、5.0 mS/cm(A3)、0.5 mS/cm(CK)，其中A1、A2、A3分別為輕度、中度、重度鹽堿土。試驗用土分別取自石河子市周邊鹽荒地，取土時間為2019年3月29日，將土風干，過5 mm土篩去除雜質(zhì)，于2019年3月30日分層填裝至不同測坑內(nèi)，填裝深度為2 m，每10 cm夯實1次，保證每次夯實度相同，CK為對照。

供試作物為棉花，品種采用抗鹽堿9112號。試驗區(qū)棉花種植采用1膜2管4行的布置方式(圖1)，窄行間距為20 cm，寬行間距為60 cm，滴灌帶鋪設(shè)在膜行正中央，滴灌帶間距80 cm，滴頭間距30 cm，株距10 cm。

棉花灌水方式為滴灌，潛水泵加壓，0.1 MPa為灌水壓力，滴頭間距為30 cm，滴頭流量2.6 L/h，每平方米地灌水0.03 m3，灌溉水礦化度1.1 mS/cm。在滴灌帶下、滴灌帶間、膜間設(shè)置3個取樣點，每個取樣點沿行距方向布置3個取樣點，每次試驗3組重復，試驗地布置如圖1所示，b1為膜間、b2為滴灌帶下、b3為滴灌帶間。棉花覆膜時間為2019年4月22日，播種時間為4月23日，灌水時間為5月1日。

試驗期間氣象數(shù)據(jù)見圖2。

圖1 棉花種植示意圖

圖2 2019年3月30日至5月5日氣象數(shù)據(jù)

1.3 測試指標與方法

(1)土樣收集方法。采樣前先將鋁盒編號并稱重，將土壤剖面分為0～3、3～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60、60～70、70～80、80～90、90～100 cm這11個區(qū)間進行采樣。

(2)土壤含水率采取烘干法測定。

(3)土壤含鹽量。取10 g土樣和50 g蒸餾水按土水比1∶5混合成浸提液，采用DDB-2型電導率儀測定浸提液的電導率(EC)，電導率的單位為mS/cm。

(4)棉花出苗率、成活率。棉花播種1周后，觀測不同處理棉花的出苗狀況，用出苗株數(shù)除以總株數(shù)即為棉花出苗率。播種兩周以后，觀測棉花的存活狀況，存活株樹除以出苗株樹即為棉花的成活率。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用WPS2019進行數(shù)據(jù)分析，利用origin2018和Auto CAD2014繪圖，利用Hydrus-2D進行模擬。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同類型鹽堿土土壤水分時空分布特征

不同鹽漬化程度土壤含水率垂向變化特征見圖3。試驗中含水率的變化范圍為9.42%～23.9%，灌前表層土壤含水率為9.84%～17.93%，底層土壤含水率為11.84%～18.31%，表層土壤含水率始終低于底層。由氣象數(shù)據(jù)圖2看出，4月降水較多，故淺層土壤含水率隨時間呈增加趨勢。

不同處理土壤含水率差值顯著(P<0.05)，具體表現(xiàn)為ΔCK>ΔΔA3>ΔA2>ΔA1，換土后土壤的含水率較初始含水率有很大差異(圖3a)。

5月1日灌水后，0～40 cm土層深度土壤含水率變幅較大，增加0.5%～2%，30～40 cm土層深度土壤含水率增加最為明顯，增加0.5%～1.5%；40～100 cm內(nèi)土壤含水率呈下降趨勢，減小0.3%～0.6%(圖3f)。這是因為灌后土壤水分以滴頭為中心平整下滲及向兩側(cè)擴散，同時下滲作用強烈，而土層深度超過40 cm后，水分下滲速率減慢，土壤含水率呈遞減趨勢，隨著土層深度的增加，土壤受外界的影響較小，土壤含水率波動較小。30～40 cm土壤含水率最大，因為40 cm左右時，土壤接近飽和，土壤含水率值達到極值。

整個試驗過程中，A1、A2、A3、CK處理的土壤含水率變化分別為12.6%～22.89%、12.81%～23.21%、16.59%～23.49%、9.84%～21.82%，土壤含水率變化由大至小依次為A3>A2>A1>CK，土壤電導率值越大，土壤水分含量越高，灌水前后，CK處理的土壤含水率始終最低，A1、A2、A3處理的土壤含水率與CK處理存在顯著差異(P<0.05)，說明土壤鹽堿化程度會影響土壤水分。

圖3 不同鹽漬化程度土壤含水率垂向變化特征

圖4為灌水前后不同處理土壤含水率分布圖(θ表示土壤含水率)，由圖4可知：

灌水前，各個處理土壤含水率較低，CK處理含水率為8.4%～18.3%，A1、A2、A3處理土壤含水率接近，為16.53%～19.84%，各個處理間表層土壤含水率始終最低。這是由于3月下旬氣溫回升，蒸發(fā)作用逐漸增強，土層深度越淺，蒸發(fā)越強烈，故表層土壤含水率最低。垂直方向上，土壤含水率隨深度的增加先增加后減小，底層土壤含水率隨毛管水向上運移，故底層土壤含水率低，30～40 cm土層深度內(nèi)，土壤含水率最大，同一深度水平剖面上，土壤含水率差異較小。

灌水后，土壤含水率明顯增加，CK處理土壤含水率變幅為4.8%，A1、A2、A3處理的變幅分別為2.79%、1.07%、0.78%，表明土壤鹽分含量越低，土壤含水率增幅越明顯。

灌水后，水平方向60 cm即b2處土壤含水率最高，CK處理最大值為24.12%，A1、A2、A3處理的最大值分別為23.2%、23.22%、23.79%，土壤含水率表現(xiàn)為以滴頭為中心向兩側(cè)逐漸遞減，表現(xiàn)為b2>b3>b1，而30～50 cm深度內(nèi)土壤含水率呈圓周分布。這是由于滴頭出水的持續(xù)作用，推動水分向下運動。

圖4 垂向面尺度土壤含水率變化特征

2.2 不同類型鹽堿土土壤鹽分時空分布特征

土壤含鹽量小于土壤初始含鹽量的為脫鹽區(qū)，相反，土壤含鹽量大于土壤初始含鹽量的為積鹽區(qū)[16]。本研究不同鹽漬化程度土壤含鹽量垂向變化特征(圖5)顯示：

灌水前，電導率值隨深度的增加先增加后減小。0～60 cm土層深度A1、A2、A3、CK處理的電導率值分別為1.19～2.77、2.77～4.48、4.48～5.99、0.4～1.6 mS/cm。4個處理電導率均在40 cm時達到最大值，A1、A2、A3、CK處理電導率最大值分別為2.53、4.18、5.77、1.70 mS/cm。

灌水后，土壤鹽分分布存在著明顯的積鹽區(qū)和脫鹽區(qū)，滴頭下的水分持續(xù)向下入滲，淺層土壤的濕度較高，因此鹽分被淋洗，隨著水分運動速率減慢，鹽分在邊緣處累積下來；60～100 cm土層深度，土壤鹽分累積的程度逐漸減小，土層越深，土壤水分運動速率越緩慢，隨水分運動的鹽分也逐漸減少。取樣周期內(nèi)，0～100 cm土層深度A3、A2、A1、CK處理的電導率變化值分別為4.19～5.99、2.87～4.45、1.19～2.53、0.44～1.704 mS/cm，土壤電導率差異顯著(P<0.05)，表現(xiàn)為ΔA3>ΔA2>ΔA1>ΔCK。

灌水前后，土壤含鹽量越大，電導率的變化值也越大(圖5e、f)。無論灌前還是灌后，土壤含鹽量大多聚集在40～60 cm的土層中。將圖5f和其余圖60～100 cm土層深度含鹽量對比，電導率值分別增長0.379、0.548、0.338、0.758、0.578 mS/cm，圖5f中5月5日為灌后，據(jù)此認為土壤含鹽量受膜下滴管的影響很小。

圖5 不同鹽漬化程度土壤含鹽量垂向變化特征

圖6為灌水前后不同處理土壤電導率分布圖，EC是電導率。由圖6可見：

灌水前，CK處理電導率值變化范圍為0.834～1.630 mS/cm，隨著土層深度的增加，土壤含鹽量表現(xiàn)為先增加后減小，電導率最值出現(xiàn)在b2、40 cm，值為1.63 mS/cm，這是因為CK處理未經(jīng)換土，呈現(xiàn)原有的鹽分分布規(guī)律，滴灌帶下>膜間>滴灌帶間。另外，A1、A2、A3處理變化規(guī)律一致，均表現(xiàn)為表層土壤含鹽量高，30～50 cm土壤含鹽量高于除表層之外其他土層深度。這是因為水分蒸發(fā)向上運移，鹽分隨著移動，故積聚在土壤表層。

灌水后，水平方向上電導率表現(xiàn)為b2>b1>b3，電導率最大值出現(xiàn)在b1、40 cm，CK、A1、A2、A3處理的最大值為1.692、2.8、4.5、6.05 mS/cm，水分向下運移時將滴灌帶下鹽分淋洗，鹽分隨水分向兩側(cè)擴散，在邊緣累積。土層深度50～100 cm土壤水分運動速率減慢，鹽隨水動，故鹽分變化不明顯。

圖6 垂向面尺度土壤含鹽量變化特征

2.3 不同類型鹽堿土棉花出苗率

不同鹽度土壤會對土壤水鹽運移產(chǎn)生影響，水鹽分布又會影響作物的生長發(fā)育。不同處理土壤電導率與棉花出苗率關(guān)系(圖7)顯示：CK小區(qū)棉花出苗情況最好，出苗率最值為96.5%，A1、A2、A3處理的出苗率最值分別為94.7%、74.1%、55%，可見重度鹽堿土棉花出苗率最低，表明作物的生長發(fā)育受到鹽分抑制，作物生長的最佳環(huán)境是輕度鹽堿土壤。

由圖7擬合結(jié)果計算出y的最大值，即最優(yōu)棉花出苗率為96.5%，當y≥90%時可以認為棉花出苗效果好，由擬合的一元二次方程可以計算x范圍，故適宜棉花出苗的最佳土壤含鹽量為[0，1.267] mS/cm。鹽分脅迫對棉花生長發(fā)育影響很大，種子吸脹發(fā)芽存在很大困難，因此，當土壤鹽分含量過高時，應合理增大灌水定額來淋洗土壤表層鹽分，使土壤表層含鹽量保持在較低范圍內(nèi)。

圖7 棉花出苗率與土壤電導率值關(guān)系圖

2.4 不同土層土壤水分運動模擬結(jié)果

圖8為灌水前后A3處理質(zhì)量含水率隨著土層深度的變化與Hydrus-2D軟化模擬的結(jié)果,通過對比分析可知模擬值與實測值并不完全一致，但是土壤含水率的變化趨勢相同。灌水前，淺層土壤深度上模擬值小于實測值，這是因為受到降雨、覆膜抑制蒸發(fā)等外界環(huán)境的干擾，故實測值要略高于模擬值。50～100 cm土層內(nèi)，受各種因素的干擾比較小，考慮誤差后實測值與模擬值基本一致。灌水后，0～20 cm土層深度范圍內(nèi)模擬值和實測值相吻合，30～40 cm土層深度內(nèi)實測值大于模擬值，這是因為模擬值與滴頭流量存在誤差，滴頭滴水是一個持續(xù)的過程，整個過程是均勻的，水分入滲作用強。此外，土壤水分運動參數(shù)、實測數(shù)據(jù)的準確程度、灌水量的多少、降水、氣溫、蒸發(fā)、各層土壤之間理化性質(zhì)的不同，以及試驗過程中人為操作失誤都會導致實測值與模擬值之間存在不同程度的差異。灌水后，土壤含水率變幅最大，整個土層深度30～60 cm內(nèi)土壤含水率都有明顯的增加，這與實測數(shù)據(jù)的變化情況一致。

圖8 灌水前后A3處理含水率模擬

圖9為不同周期內(nèi)A3處理在土層埋深30～40 cm的水分分布模擬圖，從圖9中顏色變化可以看出，土壤含水率隨著模擬時間而變化。模擬第10天時，30～40 cm土層深度內(nèi)含水率最低；第20天時，土壤含水率逐漸增大，土壤水分隨著時間的推移逐漸下移；第30天時，土壤含水率值最大。表明從測坑換土到覆膜再到灌水，土壤含水率呈遞增趨勢，這是因為4月降水偏多，覆膜以后蒸發(fā)減少，土壤始終保持濕潤狀態(tài)，故土壤含水率呈增加趨勢。

a—10 d;b—20 d;c—30 d;d灌水后圖9 不同周期內(nèi)A3處理隨土層埋深的水分分布模擬圖

2.5 不同土層土壤鹽分運動模擬結(jié)果

圖10為灌水前后A3處理含鹽量的模擬結(jié)果。將實測情況與Hydrus-2D軟件模擬情況進行對比分析后可知：土壤水分的運動在一定程度上影響土壤鹽分的變化，表明灌水后實測值與模擬值存在著不同。0～20 cm土層深度內(nèi)，實測值均小于模擬值，這是因為受到水分淋洗的作用。灌水前淺層土壤電導率模擬值接近實測值，因為受到水分的干擾因素比較??；灌水前后30～40 cm土層深度內(nèi)實測值大于模擬值，且在40 cm處電導率值最大，表明鹽分在40 cm處累積。此外，土壤水分運動參數(shù)、實測數(shù)據(jù)的正確程度、灌水定額、各層土壤之間理化性質(zhì)的不同，以及試驗過程中人為操作失誤，都會使實測值與模擬值之間存在不同程度的差異。

圖10 灌水前后A3處理含鹽量模擬

不同周期內(nèi)A3處理在土層埋深30～40 cm的鹽分分布模擬圖(圖11)顯示：模擬土壤含鹽量沒有明顯的變化，土層深度40 cm的土壤含鹽量達到最大值。灌水后土層深度30 cm兩側(cè)的含鹽量大于中間的，說明灌水后鹽分向兩側(cè)擴散；同時，土層深度40 cm的土壤含鹽量達到最大值，這與實測結(jié)果一致。

a—10 d;b—20 d;c—30 d;d灌水后圖11 不同周期內(nèi)A3處理隨土層埋深的鹽分分布模擬圖

3 討論

(1)土壤水分是土壤肥力的重要組成部分，是植物生長發(fā)育的重要影響因素，也是研究土壤，植物，大氣三者所構(gòu)成的復雜系統(tǒng)中能量與物質(zhì)交換的重要指標，同時，土壤含水率是評價土壤滲透性能和影響作物生長狀況的重要指標[17-19]。本研究中，0 ～ 40 cm，土壤含水率變化較大，40 cm以后，變化速率減慢，這是因為上層土壤受土壤溫度、太陽輻照、氣流的影響較大，下層土壤所受影響較大。如圖4所示，滴灌帶下土壤含水率最大，且土壤水分以滴頭為中心，呈圓周向各個方向擴散，形成濕潤鋒。與黃曉敏等[20]研究結(jié)果一致，黃曉敏等的研究表明 0～40 cm深度土壤含水率為膜下窄行>寬行>膜間，40 cm以下土壤含水率波動變化不明顯，深層土壤含水率產(chǎn)生波動受灌水與滲漏的影響。不同處理中，土壤鹽分含量越高，鹽離子濃度越高，離子從游離態(tài)變?yōu)楸话鼑鷳B(tài)需要吸收能量，此時吸收的能量遠大于水分蒸發(fā)所需能量，故含鹽量越高，土壤含水率越高。

(2)灌溉水源中水分含有一定礦化度，因此灌后各個處理中土壤電導率值增加[21]。從滴灌帶下到滴灌帶間、膜間，土壤含水率逐漸降低，土壤電導率值呈增加趨勢，水分對鹽分有淋洗作用，水分越多，對鹽分的淋洗作用越強，故滴灌帶下淺層土壤形成脫鹽區(qū)；反之，水分越少，淋洗作用越弱，膜間、滴灌帶間形成積鹽區(qū)。學者們研究[22-24]表明滴水在水平方向上和垂直方向上緩緩向四周、向下擴散，將鹽分帶入濕潤區(qū)最邊緣土層中聚集。蘇里坦等[25]研究膜下滴灌土壤含鹽量對土壤水鹽運移及再分布的影響時發(fā)現(xiàn)，水平方向上土壤鹽分從滴頭到膜間呈現(xiàn)逐漸增大的分布特征；垂直方向上膜下土壤鹽分從地表到深層呈現(xiàn)先逐漸增大后減小的分布特征。本研究與上述研究的結(jié)果一致。

(3)滴灌條件下，土壤鹽分含量越低，棉花出苗效果越好。土壤含鹽量高時，會發(fā)生鹽分脅迫，使根系中鹽分濃度升高，水勢下降，從而引起種子吸水困難，吸收大量鹽分離子，鹽分離子導致細胞膜滲透性發(fā)生變化，代謝失調(diào)，最終影響種子萌發(fā)[26]，同時，鹽分離子會造成土壤顆粒的膨脹與分散，在干濕交替下改變土壤物理特性[27]。本研究試驗中對各個處理的測坑進行換土，改善了鹽堿地的物理性質(zhì)，有抑鹽、壓堿和增加土壤肥力的作用，故鹽分含量高的處理中棉花依然出苗，只是出苗率低。張磊等[28]研究結(jié)果表明，在灌溉定額相同的情況下，土壤鹽分含量越大，棉花出苗率越低，本研究的結(jié)果與其一致，因此，應根據(jù)實際情況適當淋洗鹽堿地土壤表層鹽分，使其達到最佳的棉花出苗率。由于石河子是北疆典型代表地區(qū)，本研究結(jié)果不僅適用于石河子地區(qū)，針對其他北疆干旱地區(qū)鹽堿地也適用此電導率閾值。

4 結(jié)論

(1)灌水后，土壤水分以滴頭為中心下滲及向兩側(cè)運移，土壤含水率表現(xiàn)為滴灌帶下>滴灌帶間>膜間，而土壤鹽分的分布則與之相反，土壤水分和鹽分是一個相互影響的過程。

(2)灌水后土層深度30～40 cm土壤含水率值最大，土壤鹽分主要累積在40～60 cm。

(3)灌水后土壤鹽分含量越低，棉花出苗效果最好，最優(yōu)棉花出苗率為96.5%，適宜棉花出苗的最佳土壤含鹽率范圍為[0，1.267] mS/cm。

(4)利用Hydrus-2D軟件模擬土壤水鹽運移過程，能反映水鹽在土壤中的分布和變化趨勢，土壤含水率、土壤含鹽量的模擬值與實測值的數(shù)值并不完全一致，但它們的變化趨勢一致。