不同灌水方式下干旱區鹽堿地土壤水鹽運移特征分析

鄭曉輝，巴特爾·巴克*，李 宏，賈偉華，趙海珍

（1.新疆農業大學草業與環境科學學院，烏魯木齊 830052；2.新疆林業科學院，烏魯木齊 830063）

在自然條件下，強烈的蒸發條件促使土壤的水分向上運移，并且被蒸發，而深層土壤得到淺層地下水的補充，這就導致了鹽分隨水分向表層土壤運移[1]。土壤的入滲特性直接影響著灌溉質量和灌溉效率，進而影響作物的生長和能源的有效利用率[2-6]。無論是哪種灌溉模式，在制定灌溉制度時，都必須將土壤的入滲特性作為一個主要的考慮因素。新疆干旱內陸河灌區，長期以來由于在農業生產中普遍采用大水漫灌的灌溉方式，造成地下水位升高。又由于獨特的自然氣候條件，在灌溉水的下滲和強烈的蒸發、蒸騰作用下，土壤中水鹽運移活躍,加上排水系統不健全，導致農田土壤發生次生鹽漬化。新疆灌區現有不同程度的次生鹽漬化面積達104萬hm2，約占全區灌溉面積的1/3[7]。據統計，新疆綠洲灌溉面積僅為5.87×104km2，占土地面積的3.57%，其中1/3的耕地（約400×104hm2）發生著不同程度的土壤次生鹽漬[8]。鹽堿土所特有的反復性和不穩定性特征預示著土壤鹽漬化防治的長期性和艱巨性，土壤次生鹽漬化已成為制約干旱地區灌區農業生產持續發展的關鍵因子[9-10]。因此，研究滴灌、溝灌和漫灌等干旱區常用的灌溉方式下水分和鹽分的時間和空間運移及其耦合運移規律對干旱區鹽堿地農業生產至關重要。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2009年7～8月在新疆昌吉呼圖壁縣國家生態園（N44°08′，E86°07′）中進行，土壤質地為粘土，地下水埋深1.5 m，0～120 cm土層平均重量含水量為20.92%，土壤總鹽含量7.9685 g·kg-1，表層土壤鹽分含量較高，海拔高度446 m，屬呼圖壁河右岸洪積沖積扇潛水溢出帶與沖積平原交錯帶。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗小區設計與灌水方式

灌水前對試驗地土壤、水分、鹽分等狀況進行了調查并取土化驗。選同質地200 m2的地塊，分成4 m×4 m的小區共9個，小區用雙層加厚塑料薄膜垂直分開，薄膜垂直埋深1.8 m。試驗設計滴灌、溝灌和漫灌三種灌水方式，每一種灌水方式3個小區，作為重復，其中溝灌小區溝頂高40 cm，溝寬60 cm，每個小區設3個溝，龔溝斷面采用梯形斷面。試驗前和試驗過程中小區內植物人工清楚，以免影響土壤水鹽運移。

每一個試驗小區灌溉量根據灌水前土壤含水量來確定，灌溉量要求0～120 cm土壤含水量達到飽和含水量。滴灌采用1個滴水點，在小區對角線交叉出（小區中心）滴水；溝灌和漫灌采用輸水管灌水，試驗地灌水日期為2009年8月8日。

1.2.2 取土方法

用長1.2 tm的鋼制土鉆取土，每隔3日取土一次，所有灌水方式取土層次為0～10 cm、10～30 cm、30～50 cm、50～80 cm、80～120 cm。滴灌灌溉后按水平（按照滴灌滴水點分4個方向，按90°，每個方向在滴水點、離滴水點20、50、80、120 cm）和垂直方向取樣，每次取樣時按照上次取樣地點，以滴水點為中心水平旋轉30°取樣，灌水后共取土3次；溝灌一個溝取2個溝頂、1溝底和2個溝坡五個采樣點，采樣點水平距離15 cm，每次取土按溝向離前次取土點水平移動50 cm取樣；漫灌取1個點，在小區對角線交叉處。2009年8月2日灌水前取土，之后8月14日，8月17日和8月23日所有灌水方式均進行取土。

1.2.3 室內分析和數據處理

土壤重量含水量采用烘干法測定。土壤總鹽含量使用殘渣烘干法測定方法:土樣自然風干，磨碎、過2 mm篩后備用，土樣按1∶5比例加入蒸餾水，取20mL的濾清液放入已知質量的干燥蒸發皿中，在200℃電熱板上加熱至干燥，若其中蒸發皿中出現黃色，滴入30%的雙氧水，氧化至黃色消失為止，后將蒸發皿放入105℃的烘箱中烘4 h，取出蒸發皿放入干燥器中，冷卻至室溫，使用千分之一天平稱重，記錄差值。

試驗數據用Excel軟件進行基本分析統計做圖分析，等值線圖數據采用采用Surfer軟件（Version8.0，Golden Software Inc.）提供的kriging插值功能實現土壤含水量和總鹽含量水平、垂直網格化，并用該軟件繪制等值線圖。

2 結果與分析

2.1 三種灌溉方式土壤含水量變化規律

2.1.1 土壤重量含水量變化

用見彩版Ⅰ（a）和彩版Ⅰ（b）分別表示灌水前后的土壤含水量的變化，其中橫坐標表示水平方向滴水點（0 cm處）不同距離（cm）；縱坐標表示土壤深度，顏色的深淺表示土壤重量含水量的變化，虛線為土壤含水量相同的等值線。

灌水前土壤含水量水平方向差異不大，等值線基本呈平行（見彩版Ⅰ（a））。灌水后土壤含水量在水平方向隨著離滴水點距離的增加而降低（見彩版Ⅰ（b））；垂直方向上，滴灌水的下滲范圍為0～30 cm，呈現近似倒圓錐形的土壤濕潤區；30～40 cm處，土壤水分含量最少，40～100 cm處，隨著深度的增加，土壤水分不斷的增加。

溝灌較滴灌的垂直下滲范圍要小，如彩版Ⅱ所示，見彩版Ⅱ（a）和彩版Ⅱ（b）分別表示溝灌灌水前后土壤含水量的變化規律，灌水前后對比，灌水后6 d溝底（30 cm處）土壤含水量增加最明顯，溝底表層呈現近似U型等曲線，深層呈現近似倒U型，溝頂含水量在同樣深度下比溝底低，溝頂處水分向溝底運移。

漫灌灌水方式下，灌水前后土壤含水量垂直變化如圖1。漫灌灌水后5 d土壤整層含水量均增加，其中0～20 cm表層土壤含水量增加最高，到8月16日深層含水量降低至灌溉前，到8月23日由于土壤表面蒸發，表層土壤含水量也降到了灌水前。

圖1 漫灌灌水前后土壤含水量變化規律Fig.1 Water content variation before and after flood irrigation

2.1.2 三種灌溉方式水下滲作用范圍對比

溝灌，滴灌和漫灌水的下滲范圍有著明顯的不同，存在很強的規律性，滴灌的水平方向作用范圍較小，在離滴水點水平方向40 cm，垂直方向40 cm的范圍內形成一個倒圓錐型的土壤濕潤區，溝灌則形成一個U型的土壤濕潤區（見彩版Ⅰ（b）），其作用范圍在40 cm。滴灌灌水量為0.2685 m3，溝灌用灌水為0.796 m3，漫灌灌水量為0.893 m3，但在滴頭正下方，溝底及漫灌在8月17日的取樣點65 cm處，它們的含水量卻有差異，如表1所示，滴灌灌水量＜溝灌灌水量＜漫灌灌水量，但在65 cm處，滴灌含水量＞溝灌含水量＞漫灌含水量，說明土壤水分在相同水量不同灌溉條件下，滴灌水的下滲深度均比溝灌和漫灌深。

表1 在滴灌滴頭正下方、溝底及漫灌65 cm深度土壤含水量時間變化Total 1 Time variation of water content under drip irrigation,flood irrigation and furrow irrigation

2.2 三種灌溉方式土壤總鹽變化規律

滴灌灌水方式下，由于滴灌的局部灌溉特點，距離滴頭越近的土體，土壤鹽分運動越劇烈，在有效浸潤土體范圍內，土壤鹽分含量變化顯著，水滴受重力和毛管吸力的影響，緩慢地呈近倒圓錐形向外擴散，滴頭附近的土體逐漸處于脫鹽過程，同時濕潤土體的脫鹽區范圍逐漸隨入滲時間延長而不斷增加，表現為含鹽量在濕潤區中部低、邊緣高，在濕潤鋒處形成了含鹽量相對較高的積鹽區。

彩版Ⅲ中（a）和彩版Ⅲ（b）表示滴灌灌水前和灌水后的6 d土壤含鹽量的變化規律，其中橫坐標表示距離滴水點（0 cm）的距離，縱坐標表示土壤深度。在滴灌條件下，灌水前土壤總鹽水平方向差異不大（見彩版Ⅰ（a））；灌水后6 d土壤鹽分在重力和毛管吸附力的作用下向土壤深處移動；另一方面在毛管力和土壤基質勢的作用下向水平方向緩慢擴散，使鹽分在濕潤體邊緣自由擴散，土壤中的鹽分亦隨水移動而被淋洗到浸潤體外緣，起到“驅鹽”的作用，從而使0～20 cm土壤形成了一個半圓錐形的低鹽區（見彩版Ⅲ（b））。鹽分被壓倒20～30 cm土層深度，因此這個深度含鹽量較高；又由于30～100 cm深度受滴灌鹽分運移影響很小，加之當地地下水位在1.5 m，短時間內不會因潛水蒸發造成此深度鹽分的累計，所以在此深度內含鹽量相對30～50 cm深度降低了，因此20～30 cm深度是鹽分最大聚集區（見彩版Ⅲ（b））。

溝灌灌水前土壤總鹽含量水平方向差異小（見彩版Ⅳ（a）），灌水后6 d日表層總鹽含量降低，溝底降低幅度比溝頂大（見彩版Ⅳ（b）），0～20 cm土層總鹽降幅達15%。由于表層鹽分隨水分淋洗到了深層，灌水后深層土壤總鹽含量有所增加，灌水后9 d表層土壤總鹽含量有所增加，溝頂增幅比溝底大，表層土壤總鹽呈近倒U型，是由于土壤表面水分蒸發，深層水分流向表層，將深層鹽分帶到了表層，形成返鹽現象。

漫灌條件下灌水前土壤表層鹽分較深層高4～5倍（見圖2），灌水后隨時間的推移，鹽分隨水分向下移動；灌溉后5 d（8月13日）10～30 cm土層土壤總鹽降低近30%，而30～50 cm土壤總鹽增加近5倍，是由于上層土壤洗鹽壓下所至；灌水后14日（8月23日）0～10 cm表層土壤總鹽含量反超灌水前，30～50 cm土層土壤總鹽含量也高出了灌水前，均由于表層強烈蒸發，將深層鹽分帶到表層。因此，在10～30 cm處形成一個積鹽區，30～50 cm處鹽水運移活動強烈，50～100 cm處鹽分處于動態平衡狀態。

圖2 漫灌灌水后土壤總鹽變化規律Fig.2 Salt content variation before and after flood irrigation

土壤中的鹽分一般隨著土壤水分的運動而遷移，滴灌處理向土壤供水是一個點源，土壤鹽分在水分的攜帶下延滴頭下滲和隨入滲向四周擴散，鹽分在距離滴頭較遠的地方聚集；而溝灌和漫灌處理，供水是一個面源，水分運動主要是均勻下滲，所以鹽分呈現階梯狀分布。通過對土壤的水分的監控發現滴灌處理水分可以很容易到達30 cm土層，甚至可以下滲40～50 cm的土壤，而漫灌處理只有很少的水分下滲到20 cm以下的土壤，可以認為0～50 cm土層是滴灌處理的排鹽區，而溝灌和漫灌處理的潤濕區是0～30 cm。有研究表明滴灌處理土壤鹽分累積在濕潤區邊緣，表現為濕潤區中部低，邊緣高[5-6]，滴灌處理在水平距滴頭20 cm、縱向30 cm以內的范圍，形成了脫鹽區，鹽分低于初鹽度，而漫灌和溝灌處理只對0～20cm土壤鹽分有淋洗作用。灌水結束后不再有積水下滲，此時土壤水分是在土壤勢梯度和土面蒸發作用下進行再分布，鹽分也將隨著水分的再分布而遷移。漫灌和溝灌處理在外界大氣蒸發能力的影響下，土壤鹽分多呈現為向表土的積鹽過程。

3 討論與結論

a.三種灌水方式相比，灌溉后不久表層土壤含水量水平差異較大的是滴灌。滴灌滴水點下方土壤含水量最大，離滴水點越遠土壤含水量越低，滴水點土壤0～10 cm土層含水量最高達0.29 g·g-1，離滴水點70 cm遠處含水量已經降到0.13 g·g-1，差異達到一倍多；溝灌溝底0～10 cm表層含水量比溝頂大4%，而漫灌灌水后同一個深度土壤含水量差異小。土壤濕潤層空間形態上，滴灌形成近倒圓錐型的土壤濕潤區，溝灌則形成一個U型的土壤濕潤區，漫灌濕潤層沒有水平差異。

b.灌水結束后，土壤鹽分經歷一個重要的再分布過程。滴灌土壤中的鹽分運移完全受滴灌水的運動狀態控制，灌水后滴頭附近的土體逐漸處于脫鹽過程，同時濕潤土體的脫鹽區范圍逐漸隨入滲時間延長而不斷增加，表現為含鹽量在濕潤區中部低、邊緣高，在濕潤鋒處形成了含鹽量相對較高的積鹽區；溝灌后起初表層土壤總鹽水平差，土壤水分重新達到平衡后，由于土壤表面水分蒸發，深層水分流向表層，將深層鹽分帶到了表層，造成返鹽現象，表層土壤總鹽呈近倒U型；漫灌條件下總鹽水平基本沒有差異。

c.三種灌水方式，土壤鹽分變化隨時間的推進表現出“鹽隨水動”的特點。滴灌方式在比溝灌和漫灌較少水量的情況下形成土壤鹽分淡化區；漫灌的壓鹽效果最好，滴灌形成半圓錐形的低鹽區域，并在其外圍形成鹽殼，溝灌的溝頂部分在返鹽的作用下形成積鹽。因此，在鹽堿地水分充足情況下，漫灌是植物抗鹽栽培最好的灌水方式，但在水分短缺條件下可以采取滴灌方式，植物種在滴水點下方，不僅可以使植物得到較充足的水分，還可以節水；溝灌壓鹽效果間于滴灌和漫灌中間，植物可以栽培在溝底，以避免因溝頂返鹽造成鹽分脅迫。

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