不同灌水頻率下設施土壤鹽分時空變化特征

劉 濤，杜 磊，鄭子成，李廷軒，張錫洲

(四川農業大學 資源學院，四川 成都 611130)

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不同灌水頻率下設施土壤鹽分時空變化特征

劉 濤，杜 磊，鄭子成*，李廷軒，張錫洲

(四川農業大學 資源學院，四川 成都 611130)

通過室內土箱模擬試驗，探討了不同灌水頻率(5，10，15 d·次-1)下，栽培辣椒的設施土壤的鹽分時空動態變化特征。結果表明，在各灌水頻率條件下，根據土壤EC值變化，均可分為3個階段：快速降低階段(第1次灌水后1—20 d)、緩慢降低階段(第1次灌水后21—40 d)和穩定階段(第1次灌水后41—62 d)。不同灌水頻率下0—20 cm土層EC值，在快速降低階段和穩定階段表現為5 d·次-1>10 d·次-1>15 d·次-1，而在緩慢降低階段卻表現為5 d·次-1>15 d·次-1>10 d·次-1。0—20 cm土層積鹽量，在緩慢降低階段和穩定階段，均以10 d·次-1灌水頻率下最低，表明其對0—20 cm土層鹽分的淋洗作用較強。

灌水頻率；次生鹽漬化；土壤鹽分；時空動態

設施農業的高效持續生產，對于促進現代農業的發展和進步，緩解我國人地矛盾具有重要的戰略意義[1]。目前，我國設施栽培面積已達350萬hm2[2]。由于設施大棚內的土壤長期缺乏雨水淋洗，加之水肥管理措施不合理等，土壤的次生鹽漬化已成為設施農業生產中最為普遍的生產障礙問題。這不僅直接影響設施蔬菜產業發展，同時也給區域水土環境造成了一定的風險，制約著設施農業的可持續發展[3-5]。有研究表明，隨著大棚種植年限的延長，設施土壤陽離子交換量和鹽分含量均呈穩定上升的趨勢[6-7]。如何解決生產上已出現的土壤次生鹽漬化問題，確保設施農業的優質、高效持續發展，已成為土壤科技工作亟待解決的重要生產課題。

目前，土壤次生鹽漬化防控的方法主要包括灌水[8-9]、施加化學改良劑[10-11]和系列工程措施[12-14]等。水分顯著影響土體中溶質的遷移，“鹽隨水來，鹽隨水去”，灌水是解決設施土壤次生鹽漬化較為常見的方式之一[15]。有研究表明，溝灌或漫灌條件下鹽分主要以垂直運動為主，而滴灌條件下則是以滴灌帶為中心鹽分呈放射狀運移[16]。不同灌水強度(包括灌水量和灌水頻率等)的灌水洗鹽效果各異。王若水等[1]研究表明，土壤剖面EC降幅隨著總灌水量的增加而增加。高頻灌水可增強耕層土壤鹽分淋洗作用，有效抑制鹽分向表層聚集[8]；低頻灌水能使耕層土壤保持較高的水分，但卻存在將鹽分淋洗到深層土壤甚至淋洗出土體的風險[17-20]?？梢?，灌水頻率對鹽分淋洗的影響較為明顯。

辣椒是經濟價值較高的反季節蔬菜之一，在四川地區冬季大棚種植范圍廣，其根系分布淺，對設施土壤水分和鹽分較敏感[21-22]。目前，土壤水鹽運移研究多以西北干旱地區或典型鹽漬化區的露地土壤為研究對象，且僅局限于灌水期前后土壤剖面水鹽分布規律及土壤脫鹽率等方面，針對大棚蔬菜種植地區作物生育期內土壤剖面鹽分時空動態變化特征的相關報道甚少。因此，本研究擬采用室內土箱模擬試驗方法，就不同灌水頻率對栽培辣椒的設施土壤鹽分時空動態變化的影響進行研究，以期尋求辣椒栽培條件下的最適灌水頻率，為區域設施土壤次生鹽漬化的有效防治提供一定理論依據。

1 材料與方法

1.1 土樣的采集與制備

供試土壤于2012年7月下旬采自四川省成都市溫江區金馬鎮四友村，該區域為成都市郊典型設施蔬菜栽培區。經實地調查可知，該區主要以種植辣椒、茄子和黃瓜等為主，施用肥料主要以化學復合肥為主，地下水埋深介于50～60 cm。按0—10，10—20，20—30，30—40，40—50 cm分層采集，采集土樣分為兩部分，一部分風干備用，一部分用于測定土壤基本理化性質。

1.2 試驗處理

本課題組前期研究成果表明，設施栽培條件下，單次灌水后，鹽分在灌水15 d后出現明顯表聚，且在灌水后5—15 d內，表層土壤鹽分運移受溫度影響較明顯[23]。因此，本研究灌水頻率分別設定為5 d·次-1(5 d灌1次水)、10 d·次-1(10 d灌1次水)和15 d·次-1(15 d灌1次水)3個水平?；诋數卦O施蔬菜需水量的平均水平，且為避免灌水總量差異給試驗帶來的影響，確定本研究各灌水頻率辣椒生育期內每一土箱灌水總量均為22.75 L。

1.3 土箱設計與填充

室內土箱模擬試驗于2013年11月5日在四川農業大學教學科研園區標準溫室內進行。試驗設備由土箱和Hydra土壤水分/鹽分/溫度測試儀兩部分組成，測試儀分別埋設于距表層5，15，25，35和45 cm處。土箱采用厚6 mm的PVC板和透明有機板制成，土箱長、寬、高分別為36，15，70 cm。經室內測定可知，采集土壤質地為黏壤土，各土層容重介于1.00～1.45 g·cm-3之間，土壤pH值6.2左右，微酸性，表層土壤EC值為0.5 mS·cm-1，屬輕度鹽漬化土。填土前，在土箱底部填充10 cm細沙做反濾層，并安裝玻璃管連接出流液收集裝置，土箱頂部預留一定高度，保證供水。將自然風干土過2 mm篩，混合均勻的土壤按照各土層田間實測含水量進行配水處理，然后按原位采集各土層的實測容重，以10 cm為單位分層裝入土箱。

1.4 辣椒定植與后期管理

土箱填充完畢后，將辣椒苗以每箱一株進行移植，肥料按當地施肥方式，環施于土壤表層，氮(N)、磷(P2O5)、鉀肥(K2O)用量分別為0.067，0.033，0.047 g·kg-1(換算成大田施用量分別為150，75，105 kg·hm-2)，所施肥料均為分析純。監測時間內，各灌水頻率灌水次數分別為13次、7次和5次，采用漫灌方式直接灌于土壤表層，為避免灌溉水帶入鹽分離子，灌溉用水為去離子水[24]。

1.5 測定項目及方法

試驗過程中，于每天10∶00用Hydra土壤水分/鹽分/溫度測試儀(WS2POGO，USA)直接測定不同土層電導率(EC)，監測時間持續至辣椒成熟期，持續時間為62 d。

1.6 數據處理

土壤含鹽量計算公式如下[25]：

Si=EC×0.064×5×10。

(1)

式(1)中，Si為第i土層含鹽量(g·kg-1)；EC為Hydra土壤水分/鹽分/溫度測試儀監測所得電導率。

各監測期的單位體積鹽含量計算公式如下[26]：

S=∑(A×H×Di×Si)。

(2)

式(2)中，S為土體積鹽量(g)；A為土箱底面積(cm2)；H為土層厚度(cm)；Si為第i土層含鹽量(g·kg-1)；Di為第i土層容重(g·cm-3)。

采用Microsoft Excel 2003和Surfer 8.0進行數據處理和圖表制作，利用DPS v7.5版進行統計分析，對有顯著差異的處理采用LSD法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 土壤剖面EC值的時間動態

如圖1所示，第1次灌水后，各灌水頻率0—40 cm土層EC值在0—20 d內快速降低，21—40 d緩慢降低，41—62 d趨于穩定；40—50 cm土層EC值在5 d·次-1和10 d·次-1的灌水頻率下呈先增大后減小的趨勢，并在灌水40 d后趨于穩定。這表明，各灌水頻率對土壤剖面鹽分的淋洗作用均隨時間的推移逐漸減弱。據此，可將辣椒生育期內土壤剖面EC值的變化分為3個階段：快速降低階段(第1次灌水后1—20 d)、緩慢降低階段(第1次灌水后21—40 d)和穩定階段(第1次灌水后41—62 d)。

在0—40 cm土層，各灌水頻率條件下第1次灌水后土壤EC值總體表現為5 d·次-1>10 d·次-1>15 d·次-1，且各灌水頻率間土壤EC值差異隨著時間推移而增大。其中，0—20 cm土層，灌水頻率5 d·次-1的土壤EC值比10 d·次-1和15 d·次-1的分別高11.66%～14.69%和17.90%～25.89%，土壤EC值的變異系數在各灌水頻率條件下表現為10 d·次-1>15 d·次-1>5 d·次-1。40—50 cm土層，灌水頻率10 d·次-1的土壤EC值分別較5 d·次-1和15 d·次-1的高31.40%和25.17%，土壤EC值的變異系數表現為10 d·次-1>5 d·次-1>15 d·次-1(表1)。

2.2 不同階段土壤剖面EC值分布特征

按2.1節所述，將監測期按土壤剖面EC值的變化分為3個階段：快速降低階段(第1次灌水后1—20 d)、緩慢降低階段(第1次灌水后21—40 d)和穩定階段(第1次灌水后41—62 d)。分別對比各階段不同灌水頻率土壤剖面EC值的變化情況。如圖2所示，0—20 cm土層在快速降低階段和穩定階段，不同灌水頻率下土壤EC值表現為5 d·次-1>10 d·次-1>15 d·次-1，而在緩慢降低階段，EC值卻表現為5 d·次-1>15 d·次-1>10 d·次-1。這表明，在快速降低階段，灌水對0—20 cm土層鹽分的淋洗作用隨著灌水頻率的降低而逐漸增強，這是由于低頻灌水每次灌水量較大，EC值降幅相應增大所致(表2)。不同灌水頻率下40—50 cm土層EC值在各階段均表現為10 d·次-1>5 d·次-1和15 d·次-1?？焖俳档碗A段，灌水頻率為5 d·次-1和10 d·次-1的處理，其鹽分離子有累積于下部土層的優勢，且以10 d·次-1處理的優勢強于5 d·次-1，但由于在EC值緩慢降低階段后這2種灌水頻率下均出現優先流，40—50 cm土層EC值降幅大幅增加(表2)，導致這一優勢逐漸減弱。

從左到右對應的灌水頻率分別為5 d·次-1、10 d·次-1、15 d·次-1圖1 各灌水頻率土壤剖面EC值(S·m-1)分布特征Fig.1 Distribution of EC (S·m-1) in soil profile under different irrigation frequencies

表1 不同灌水頻率下各土層EC平均值及其變異系數

Table 1 Mean and variation coefficient of EC in each soil layer under different irrigation frequencies

土層/cm不同灌水頻率的土壤EC值/(S·m-1)5d·次-110d·次-115d·次-1不同灌水頻率的土壤EC值變異系數/%5d·次-110d·次-115d·次-10—100.0520.0470.04436.48240.75037.05010—200.0600.0520.04831.32846.07942.50620—300.0610.0460.05416.94629.40223.11030—400.0580.0470.05524.97244.16223.74340—500.0490.0640.05133.63036.62926.650

在穩定階段，5 d·次-1灌水頻率下0—10 cm土層EC值與其他灌水頻率下差異較小，且EC值降幅較大，表明其能有效緩解鹽分表聚。豎直方向上，5 d·次-1灌水頻率下EC值隨著土層向下呈先增大后減小的單峰趨勢，以20—30 cm土層EC值最大，表明5 d·次-1灌水能將鹽分離子累積于中部土層，降低鹽分流失出土壤剖面的風險。而10 d·次-1灌水頻率下卻由于優先流作用使得40—50 cm土層EC值降幅較大(表2)，有增大鹽分流失量、危害地下水環境的風險。

2.3 不同階段單位土體積鹽量空間分布特征

如圖3所示，5 d·次-1、10 d·次-1、15 d·次-1灌水頻率下0—20 cm和20—50 cm土層積鹽量，從快速降低階段到緩慢降低階段分別降低了31.52%，47.83%，31.45%和28.09%，38.17%，25.69%；從緩慢降低階段到穩定階段分別降低了28.15%，13.64%，18.70%和11.06%，24.79%，20.46%?？傮w來看，灌水對0—20 cm土層鹽分的淋洗作用強于20—50 cm土層，且0—20 cm和20—50 cm土層積鹽量均隨時間的推移而降低，但降幅在逐漸減小。0—20 cm土層積鹽量，在緩慢降低階段和穩定階段，均以10 d·次-1灌水頻率下最低，分別比5 d·次-1、15 d·次-1低26.07%，19.80%和11.13%，14.81%，這表明，10 d·次-1的灌水頻率對0—20 cm土層鹽分的淋洗作用較強。20—50 cm土層積鹽量，在快速降低階段，10 d·次-1較5 d·次-1、15 d·次-1高6.19%，10.23%，而在穩定階段，卻較5 d·次-1、15 d·次-1低22.78%，13.27%，這表明10 d·次-1的灌水頻率下，在EC值快速降低階段有將更多鹽分離子累積于下部土層的優勢，但在EC值穩定階段時，這一優勢已不明顯。反觀5 d·次-1的灌水頻率，其在穩定階段不僅可保證0—20 cm土層積鹽量較低，還可有效將更多的鹽分離子累積于20—50 cm土層，優勢更明顯。

從左到右對應的分別為快速降低階段、緩慢降低階段和穩定階段圖2 不同灌水頻率下各階段EC值分布Fig.2 Distribution of EC in each stage under different irrigation frequencies

表2 不同灌水頻率下各階段EC值降幅(單位：%)

Table 2 Amplitude reduction of EC in each stage under different irrigation frequencies(Unit: %)

土層/cm快速降低階段降幅5d·次-110d·次-115d·次-1緩慢降低階段降幅5d·次-110d·次-115d·次-1穩定階段降幅5d·次-110d·次-115d·次-10—1040.5943.1464.2928.3333.3327.6626.835.712.8610—2042.0658.0454.3126.0941.5141.510.005.006.4520—3048.6042.6834.483.5113.6422.411.755.268.8930—4020.4841.5733.7230.4343.4022.814.266.254.3540—50-5.36-24.6424.3248.4448.8622.228.3328.007.50

A, 快速降低階段；B, 緩慢降低階段；C, 穩定階段。相同監測階段各處理間無相同小寫字母的表示灌水頻率間差異顯著(P<0.05)；相同灌水頻率下無相同上標小寫字母的表示在不同監測階段差異顯著(P<0.05)。圖3 不同灌水頻率下各階段0—20 cm(上)和20—50 cm(下)土層單位土體積鹽量Fig.3 Salt accumulation in 0-20(up) and 20-50(down) cm soil layers in each stage under different irrigation frequencies

3 討論

本研究結果表明，灌水以后，土壤剖面EC值變化可分為快速降低階段、緩慢降低階段和穩定階段，對鹽分的淋洗作用隨時間推移逐漸減弱。這主要是因為：首先，土壤剖面干濕交替會影響土壤導水能力[19]，導致鹽分離子在土壤中的遷移能力降低，進而影響灌水對鹽分離子的淋洗作用[12]；其次，隨著時間的推移，表層部分土壤結皮，進入土壤的水分逐漸減少，加上作物耗水作用的增強，會加快表層土壤水分消耗速度，導致每次灌水前土壤水分含量逐漸降低，影響下次灌水的水分入滲[27]，從而降低灌水對土壤剖面鹽分的淋洗效果；再次，Bogner等[28]和張英虎等[29]研究表明，優先流的產生與植物根系生長關系密切。在本試驗條件下，干濕交替和辣椒根系穿插使得土壤剖面產生裂隙，土壤水分除垂直入滲外，形成的優先流直接到達下層土壤[30-31]，降低了水分對表層土壤鹽分的淋洗作用。

本試驗條件下，優先流的出現會影響到土壤剖面鹽分遷移，各灌水頻率土壤剖面出現優先流的時間有所差異。研究結果表明，當灌水頻率為5 d·次-1時，在緩慢降低階段出現優先流現象；當灌水頻率為10 d·次-1時，在穩定階段出現優先流現象；而當灌水頻率為15 d·次-1時，在整個試驗階段均未出現此現象?？梢姡诒狙芯織l件下，灌水頻率越高，優先流的出現時間越早。豎直方向上，不同灌水頻率下各時期土壤剖面鹽分離子遷移規律、各土層積鹽特征以及灌水對鹽分離子淋洗作用均有所差異。其中，0—20 cm土層，快速降低階段鹽分離子降幅隨著灌水頻率的降低而逐漸增大。這是因為，此階段土壤保水性較好[18]，灌水能夠持續保證土壤剖面較高的水分含量，且水分主要靠重力勢向下運動，鹽分得到充分淋洗；但隨著灌水頻率的降低，單位時間內下滲的水分在增加，被淋洗的鹽分增加。至穩定階段，0—20 cm土層10 d·次-1灌水頻率下土壤積鹽量均低于其他灌水頻率。可見，在本試驗條件下，在灌水前期，低的灌水頻率對土壤剖面鹽分的淋洗作用強于高的灌水頻率，這與王克全等[32]的研究結果較一致，但10 d·次-1灌水頻率下對土壤剖面鹽分的持續淋洗效果明顯優于其他灌水頻率。對于20—50 cm土層，在快速降低階段，積鹽量在10 d·次-1灌水頻率下最大，這表明在該灌水頻率下，鹽分在下層土壤的累積現象強于其他灌水頻率，15 d·次-1的灌水頻率存在將鹽分離子淋洗出土體的風險。需要指出的是，雖然10 d·次-1的灌水頻率下，鹽分在40—50 cm土層的累積情況優于其他灌水頻率，但隨著時間的推移，其對下部土層鹽分離子的淋洗作用有所增強，鹽分離子流失現象會更加明顯。綜上，在緩慢降低階段之前均可使用中頻灌水，但在穩定階段，高頻灌水不僅可有效避免鹽分表聚，還能降低下部土層鹽分離子流失風險，因此，在EC值穩定階段，使用高頻灌水較為適宜。

4 結論

(1)在各灌水頻率條件下，根據土壤EC值變化，均可分為3個階段：灌水后0—20 d為快速脫鹽階段，灌水后21—40 d為緩慢脫鹽階段，在灌水41 d后為鹽分穩定階段。以各頻率灌水，其對土壤鹽分的淋洗效果均隨時間推移而逐漸減弱。

(2)在本試驗條件下，各灌水頻率產生優先流的順序為5 d·次-1>10 d·次-1>15 d·次-1。10 d·次-1灌水頻率對土壤鹽分的淋洗效果明顯優于其他灌水頻率，可有效避免鹽分離子向表層聚集；5 d·次-1的灌水頻率在灌水后期可有效避免下部土層鹽分離子流失。因此，建議在灌水中前期采用10 d·次-1的灌水頻率，而在灌水后期采用5 d·次-1的灌水頻率。

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(責任編輯 高 峻)

Temporal and spatial variation characteristics of salt in greenhouse soils under different irrigation frequencies

LIU Tao， DU Lei， ZHENG Zi-cheng*， LI Ting-xuan， ZHANG Xi-zhou

(CollegeofResources，SichuanAgriculturalUniversity，Chengdu611130，China)

In the present study， temporal and spatial variation characteristics of salt in greenhouse soils were explored under different irrigation frequencies (every 5， 10， 15 d) during pepper growth by simulated experiments of soil box in greenhouse. It was shown that the whole monitoring period could be classified into 3 phases based on the changes of soil electrical conductivity (EC): rapid decrease phase (1-20 d after first irrigation)， slow decrease phase (21-40 d after first irrigation) and stable phase (41-62 d after first irrigation). In rapid decrease phase and stable phase， EC value in 0-20 cm soil layer decreased as every 5 d > every 10 d > every 15 d. In slow decrease phase， EC value in 0-20 cm soil layer decreased as every 5 d > every 15 d > every 10 d. In both slow decrease phase and stable phase， the smallest salt accumulation in 0-20 cm soil layer was found under the irrigation frequency of every 10 d， indicating a stronger salt-leaching effect of this irrigation frequency.

irrigation frequercy; secondary salinization; soil salinity; spatial and temporal dynamic

10.3969/j.issn.1004-1524.2016.06.23

2016-01-26

國家自然科學基金資助項目(40901138)；四川省學術和技術帶頭人培養資金資助項目(2012)；四川農業大學學科建設雙支計劃團隊項目(2015)

劉濤(1980—)，男，四川綿陽人，碩士，助理研究員，從事土壤物理與信息技術方面的研究。E-mail：tao666@163.com

*通信作者，鄭子成，E-mail：zichengzheng@aliyun.com

S158.5

A

1004-1524(2016)06-1048-07

劉濤，杜磊，鄭子成，等. 不同灌水頻率下設施土壤鹽分時空變化特征[J]. 浙江農業學報，2016，28(6)： 1048-1054.