土壤水鹽運移規律的試驗研究

李 炎

(天津農學院水利工程學院，天津 300384)

農作物生長條件下的農田水鹽運動是一個復雜的系統。當灌溉水中含有鹽分或在鹽漬化土地上進行節水灌溉時，就有可能使土壤鹽分積累，造成土壤溶液濃度過高，引起作物生理性干旱[1]。鹽分因素存在引起的生理干旱，如同水分因素不足引起的干旱缺水一樣，會造成作物減產或死亡。隨著作物水分關系的深入研究，隨之也展開了作物水鹽關系的探索[2-5]。早在20世紀80年代，我國學者就已對土壤水鹽運移進行了研究。近幾年土壤水鹽運移的深入研究趨于明確，對指導農田生產提供了充足的理論依據[6-8]。在全世界范圍內水資源短缺的前提下，農學、土壤、水利、植物生理等多學科交叉融合，還將進行更加深入的內在機制性的研究[9]。

1 材料與方法

1.1 試驗場概況及試驗設計

本實驗研究采用兩個試驗場，一是西青區試驗場，另一個是天津農學院西校區試驗基地。2015年3月15日各試驗場分別取出測試。

(1)西青區試驗場位于天津市西青區大柳灘村灌區上，地處西青區楊柳青鎮北部。海拔僅15 m左右，耕作層密度為1.35 g/cm3，土質為砂壤土，田間持水率為39.5%，土壤有機質含量為1.09%。灌溉水源為地下井水。試驗設覆膜灌溉、淺濕灌溉、淺水灌溉3個處理，采取大區對比試驗，各處理不設重復。各大區面積均為1 330 m2。供試水稻品種為常規稻“津原45號”，覆膜區的灌溉制度為田間持水率75%(3 cm水層)；淺濕區的灌溉制度為田間持水率75%(3 cm水層)；淺水區的灌溉制度為0～5 cm水層。3個處理的施肥量為復合肥(N+P2O5+K2O>45%)375 kg/hm2作基肥，氯化鉀112.5 kg/hm2，磷酸二銨150 kg/hm2，尿素525 kg/hm2，作返青肥和分蘗肥分三次施入。

(2)天津農學院西校區試驗基地位于北緯39°15′，東經117°16′，海拔5 m，土質為潮棕壤土，耕作層平均土壤容重為1.38 g/cm3，田間持水率為35.8 cm3/cm3，試驗期平均地下水埋深為2.5 m。在試驗基地的東側用保溫板圍成南北長3 m，東西長3 m，高0.6 m的3個相鄰的小區，從南至北依次命名為1區、2區、3區，利用保溫板的低導熱性阻隔每個區與外界環境在水平方向上的熱質交換。在2014年12月20日下午14∶00，1區撒KCl為143.1 g，(NH4)2SO4為266.1 g, NH4NO3為47.5 g，K2HPO4為159.7 g；2區撒KCl、(NH4)2SO4，NH4NO3，K2HPO4的量與1區相同，三區未撒鹽。各區的積雪時間和深度分別為：時間是在2014年12月20日下午14∶00。一區積雪厚度20 cm，二區積雪厚度10 cm，三區積雪厚度5 cm。

1.2 土壤鹽分的測定

1.2.1 電導法測定土壤鹽分

在一定濃度范圍內，溶液的含鹽量與電導率成正相關。因此，土壤浸出液的電導率的數值能反映土壤含鹽量的高低，但不能反映混合鹽的組成。如果土壤溶液中幾種鹽類彼此間比值比較固定時，則用電導率值測定總鹽分濃度的高低是相當準確的。土壤浸出液的電導率可用電導儀測定，并可直接用電導率的數值來表示土壤含鹽量的高低。

將連接電源的兩個電極插入土壤浸出液中，構成一個電導池。正負兩種離子在電場作用下發生移動，并在電極上發生電化學反應而傳遞電子，因此電解質溶液具有導電作用。根據歐姆定律，當溫度一定時，電阻與電極間的距離(L)成正比與電極的橫截面積(A)反比。

(1)

式中：R為電阻，Ω；ρ為電阻率。當L=1 cm時，A=1 cm2，則R=ρ，此時測得的電阻稱為電阻率(ρ)。溶液的電導率(EC)則是電阻率的倒數。

(2)

式中：EC為電導率，S/m。土壤溶液的電導率一般小于1 S/m，因此常用μS/cm來表示。兩電極片間的距離和電極片的截面積難以精確測量，一般可用標準KCl溶液(其電導率在一定溫度下是已知的)求出電極常數。

(3)

式中：K為電極常數；KCKCl為標準KCl溶液(0.02 mol/L)電導率，dS/m。SKCl為同一電極在相同條件下實際測得標準KCl溶液的電導度值。那么，待測液的電導度St乘以電極常數K就是待測液電導率ECt。

ECt=KSt

(4)

式中：St為待測液的電導度。大多數電導儀是電極常數的調節裝置，可以直接讀出待測液的電導率，無須再考慮用電極常數進行計算結果，因此可利用電導率儀讀數來計算土壤鹽分。土壤浸出液的電導率用EC25表示，粗略校正時，可按每增高1 ℃，電導度約增加2%計算。當液溫在17～35 ℃之間時，液溫與標準液溫25 ℃每差1 ℃，則電導率約增減2%，所以EC25可按下式直接算出。將(4)代入下式，可得：

EC25=ECt-0.02ECt(t-25 ℃)=

ECt[1-0.02(t-25 ℃)]=KSt[1-0.02(t-25 ℃)]

(5)

式中：t為土壤浸出液的溫度，℃；EC25為土壤浸出液的電導率，μS/cm。

1.2.2 土壤電導率的測定步驟

本試驗土壤的電導率由DDS-307型數字電導率儀測定。其試驗步驟如下。

(1)取土樣。首先將用來裝土的杯放在天平上調零，然后稱取每一深度下10 g的土樣；

(2)量水。用量筒取50 mL水。

(3)振蕩溶液。將土樣和水混合放在特制的塑料瓶中，放于變頻振蕩機上振蕩3 min，用秒表計時，起初20 s旋轉振蕩器第二個旋鈕，使速度逐級加大到最大速度后，使其均勻振蕩，當2 min 40 s時再均勻調此旋鈕使速度在3 min時達到最小，最后切斷電源。使得土壤顆粒與水充分接觸，將土壤中的可溶性鹽溶解在水中。

(4)測溫。將塑料瓶中的溶液倒入杯中，測溶液的溫度。

(5)測定溶液電導率。用DDS-307型數字電導率儀測定土壤溶液的電導率，首先將儀器預熱30 min，把電導率儀的旋鈕由左到右依次排序為1～4，然后將旋鈕1調到校核檔，旋鈕4調到25 ℃，再將旋鈕2調到1.0，最后調旋鈕使電導率儀的顯示數為100。然后進行常數和溫度補償，將溫度調到溶液的溫度，常數調到99.7，將量程調到Ⅱ檔，將電極放到浸取液中，讀數。

2 結果與分析

2.1 西青區試驗場土樣的分析結果

圖1是不同節水措施處理0～80 cm的電導率對比曲線。可以看出，覆膜土壤的電導率遠遠高于其他兩種節水措施，說明灌溉區的保肥能力較強，其平均值為108.29 μS/cm，較淺濕高17.15 μS/cm，較淺水高18.63 μS/cm，而淺濕與淺水在不同深度的電導率值相近。電導率的最大值出現在地表0～10 cm處，覆膜最高為159.5 μS/cm，較淺濕高13.2 μS/cm，較淺水高15.4 μS/cm；隨著土層深度的增加，電導率呈直線下降趨勢，40 cm土層往下的電導率值基本保持穩定，上下波動不大。

圖1 不同節水措施處理的電導率Fig.1 The electroconductibility of the different saving water measures

圖2是不同節水措施對播前水稻土壤含水率的影響曲線。土樣含水率的測定方法是烘干法。由圖2可知，60 cm以上的土壤平均含水率，覆膜為27.01%，淺濕灌為25.13%，淺水灌為24.85%，覆膜明顯高于淺水灌和淺濕灌，較淺濕灌高1.88%，較淺水灌高2.15%，其中，10～20 cm深度最為明顯；而60 cm以下覆膜的含水率與其他兩種節水措施相差不大，甚至還低于其他兩種節水措施，平均值淺水灌最高，為24.57%，次之淺濕灌為24.09%，覆膜最低為23.52%，淺水灌較覆膜高1.06%，較淺濕灌高0.49%。這說明，覆膜對60 cm以上的土壤含水率的影響較大，含水率均明顯高于淺水灌和淺濕灌，對60 cm以下的土壤含水率影響不大。

圖2 不同節水措施對播前水田土壤含水率的影響Fig.2 The soil moisture effect of the different saving water measures before sowing

2.2 天津農學院西校區試驗基地土樣的分析結果

三個區壟臺電導率平均值變化特征曲線如下圖3所示。很明顯，在土壤表層甚至20 cm以上的土層，在同一深度三區壟臺的電導率值最大，二區次之，一區最小。到20 cm時，三個區壟臺的電導率值基本相同。而在20～40 cm之間，正好與20 cm以上土層相反，一區電導率值最大，二區次之，三區最小。當達到50 cm時，三個區的基本相同。20 cm以上土層電導率的差異可能是因為一區積雪厚度最深20 cm，由于雪的淋溶作用相對來說強，把土層表面的鹽分基本都帶到土壤深處，而二區積雪厚度是10 cm，所以它的雪的淋溶作用要較一區弱，所以土表的鹽分被帶到地下的要少，所以在土壤表層電導率值要比一區的大。三區的積雪厚度最小，同理，電導率值在土表最大。

圖3 三個區壟臺電導率平均值特征曲線Fig.3 The electroconductibility average value of the three ridge

三個區壟溝電導率平均值變化特征曲線如下圖4所示。在土壤表層電導率變化最劇烈，特別是30 cm以上的土層。但是明顯可以看出在地表二區壟溝的電導率值最大，三區次之，一區最小。而到50 cm以下的土層各區的電導率值基本沒有太大的變化，但是有逐漸變小的趨勢。這種曲線的形成原因可能是因為各區撒鹽量的不同和積雪厚度不同引起的。

圖4 三個區壟溝電導率平均值特征曲線Fig.4 The electroconductibility average value of the three ditch

天津農學院西校區試驗基地土樣含水率的測定方法也是烘干法。西校區試驗基地三個區壟臺含水率平均值變化特征曲線如圖5所示。在10 cm以上的土層二區壟臺的含水率值最大，而一區和三區的基本一致。到地下20 cm以后就基本沒有什么變化，但是有一個整體變小的趨勢。三個壟臺在地表的含水率最大的原因可能是與積雪厚度和撒鹽量有關系，也可能是實驗誤差。總的來說，在三個區的50 cm以上土層的含水率變化都不大。

圖5 三個區壟臺含水率平均值變化特征曲線Fig.5 The water content average value of the three ridge

西校區試驗基地三個區壟溝含水率平均值變化特征曲線如圖6所示。三個區含水率變化范圍不大，基本都在20%～25%之間。其中一區含水率的波動最大，是15%～30%之間，而且三個區土層之間的含水率相差都很大。但是二區和三區的波動都很小，但是由地表到地下有含水率逐漸變大的趨勢。

圖6 三個區壟溝含水率平均值變化特征曲線Fig.6 The water content average value of the three ditch

3 結 語

通過土壤水鹽運移規律的試驗研究，可得出如下結論。

(1)西青區土壤的電導率在40 cm土層以上是急劇變小，而到了40 cm以下的土層，電導率基本就沒有太大的變化，其中三種灌溉方式中覆膜土壤的電導率遠遠高于其他兩種節水措施，說明覆膜灌溉區的保肥能力較強。

(2)西青區含水率主要差異在于0～60 cm的土層，播前60 cm以上土層的含水率覆膜最高，淺濕灌次之，淺水灌最低。

(3)天津農學院西校區綜合試驗基地土壤電導率變化趨勢大致一樣，在50 cm以上的土層電導率是逐漸變小，50 cm以下的土層電導率基本就沒有太大變化。這說明土壤中的鹽分主要存在于土壤表層。這種變化的主要原因是各個區的撒鹽量不同以及積雪厚度不同造成。三區沒有撒鹽，但是在地表的電導率值最大，主要是因為三區的積雪厚度最小，所以淋溶強度最小，土壤表層的鹽分基本仍保留在原處，而二區的電導率在地表較三區小，主要是因為二區積雪厚度是10 cm，遠大于三區，所以淋溶作用就比較強，導致土表鹽分隨著淋溶過程運移到地下。一區電導率在地表最小，主要原因是積雪厚度最大，達20 cm，地表的鹽分隨著淋溶過程運移到地下導致地表的電導率值小。

(4)天津農學院西校區綜合試驗基地土壤含水率的變化趨勢都不大，隨著土層加深，含水率緩慢變大，但是主要集中在15%～25%之間。

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