咸淡水交替灌溉對濱海鹽堿土水鹽運移的影響

朱瑾瑾, 孫軍娜, 張振華, 楊潤亞, 潘英華, 楊 懋

(1.魯東大學 資源與環境工程學院, 山東 煙臺264025; 2.魯東大學 生命科學學院, 山東 煙臺 264025)

中國鹽漬土面積約有3 600萬hm2，占全國可利用土地面積的4.88%，是重要的土地資源，但開發利用較困難[1]。特別是位于黃河三角洲地區地勢低平、地下水位高、引黃灌溉、排水不暢、易受海水侵襲，造成該地土壤鹽堿化程度高，嚴重制約該地的經濟發展[2-3]。目前，淡水洗鹽是一種較為常用的水利工程措施，但對淡水資源相對的緊缺的黃河三角洲來說，該措施會造成水資源的極大浪費[4]。然而，黃河三角洲地下微咸水資源儲量豐富，開發潛力較大[5]。但微咸水中含有的Na+會改變土壤的理化性質，降低滲透性，導致土壤節皮，造成潛在鹽堿化危險[6-8]。如何科學合理的利用微咸水是黃河三角洲地區使用微咸水進行農田灌溉的關鍵。

微咸水灌溉主要有微咸水直接灌溉、咸淡水混合灌溉、咸淡水交替灌溉3種模式[9]。Minhas等[10-12]通過大量的試驗證明，在同樣鹽分的水平下，咸淡水交替灌溉的作物產量高于咸淡水混灌的產量，是一種較為適宜的灌溉方式。為尋求合理的礦化度進行咸淡水交替灌溉，避免造成土壤鹽漬化危險，考慮采用不同礦化度水平(3 g/L，6 g/L，9 g/L)的咸水。呂燁等[13]利用礦化度為2 g/L，4 g/L的咸水分別與淡水交替淋溶室內土柱，結果發現，咸淡水交替淋溶下土壤(粉質壤土)表層鹽分逐漸下移，兩種礦化度處理的土柱均出現積鹽現象，且2 g/L的積鹽量小于4 g/L 的積鹽量，土壤溶液中Na+含量，Ca2+含量的變化規律與EC 值基本一致。但交替次序不完整，缺乏與淡咸交替淋溶的對比。

研究發現，交替次序不同，土壤鹽分分布不同[14-15]。劉靜妍等[16]通過室內土柱試驗，分析了咸(5 g/L)，(1.7 g/L)水交替灌溉對土壤(黏壤土)水鹽分布的影響，結果表明，咸淡交替灌溉有利于降低土壤表層的含鹽量，淡咸交替灌溉有利于降低土壤中層的含鹽量。但其并未結合不同礦化度咸水進行灌溉。因此，現有研究欠缺礦化度和交替次序相結合的研究。

基于此，本文將采用一份咸水一份淡水進行灌溉試驗，研究不同礦化度(3 g/L，6 g/L，9 g/L)和交替次序(咸淡交替灌溉、淡咸交替灌溉)下水鹽再分布的變化規律，旨在為微咸水的合理利用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗土樣取自中國科學院黃河三角洲濱海濕地生態試驗站(37°45′50″N，118°59′24″E)。采樣地內植物呈斑塊狀分布，植物群落組成簡單，以耐鹽植物為主，優勢種主要為鹽地堿蓬、蘆葦、檉柳和白茅等。2017年6月，采集0—60 cm的土壤，去除雜質后，自然風干，碾壓過2 mm篩備用。本研究的土樣為鹽堿土，基本理化性質見表1。

表1 供試土樣的基本理化性質

灌溉水質為淡水和咸水，淡水為蒸餾水，咸水由NaCl和蒸餾水配置而成，礦化度分別為3 g/L，6 g/L，9 g/L。灌溉水量為453.23 ml。根據以下公式[17]計算得到：

M=HA(θmax-θ0)γ土/γ水

(1)

式中：H為土壤計劃濕潤層深度，取44 cm；A為土壤灌溉面積，取28.26 cm2；θmax為土壤計劃濕潤層所允許的最大含水率(占干土重)，通常為田間持水率,取28.04%；θ0為土壤計劃濕潤層初始含水率(占干土重)，取1.04%；γ土為土壤容重，取1.35 g/cm3；γ水為水的容重，取1.00g/cm3。

1.2 試驗方法

試驗裝置由土柱和供水設備組成。土柱是由內徑為6 cm，高2 cm的有機玻璃圓環組裝而成，共25個；用4根固定螺桿固定，底板上均勻分布2 mm的小孔，用以排氣，管壁連接處均勻涂抹凡士林，以避免因管壁存在孔隙對入滲產生影響。供水設備是內徑為5.4 cm，高為60 cm的馬氏瓶。

試驗土樣按土壤容重為1.35 g/cm3分層(2 cm)裝土，共44 cm，底部兩層裝填石英砂用以通氣，裝填完畢后，在表層放一張濾紙以避免灌水時對表土產生沖刷，放置12 h后開始試驗。水頭控制在1～2 cm，用秒表計時。

試驗采用咸淡交替灌溉和淡咸交替灌溉兩種方式，咸水礦化度分別為3 g/L，6 g/L，9 g/L，共6個處理，每個處理設置3個重復試驗。試驗過程中，將灌水定額分兩份，每份灌水量為226.62 ml，單輪入滲結束后，立即進行下一輪灌溉。灌水結束后，放置24 h，旨在對咸淡水交替灌溉后土壤水鹽再分布的規律進行分析。每隔4 cm測定含鹽量等指標，利用烘干法測定土壤含水率，利用電導率儀(DDS11A，上海)測定土壤浸提液電導率，利用火焰光度計測定Na+，利用硝酸銀滴定法測定土壤中Cl-。

1.3 數據處理

0—40 cm土層是黃河三角洲地區植物根系生物量分布較多的區域[18-19]，因此應重點分析該范圍土層的水鹽變化。利用土壤含鹽量與土壤浸提液電導率之間的關系，將電導率轉化為含鹽量，具體的轉化公式為：

y=1.857EC5:1+1.011

(2)

式中：y為土壤含鹽量(g/kg)；EC5∶1為24.5℃下水土比5∶1 的土壤浸提液電導率(mS/cm)。

本研究采用Microsoft Office Excel 2016進行數據整理，Origin 2017進行繪圖，SPSS 19.0進行數據分析。采用單因素方差分析(One-way ANOVA)和最小顯著差異(LSD)法比較不同處理間入滲歷時、土壤含水率、土壤含鹽量、Na+和Cl-含量的差異。

2 結果與分析

2.1 咸淡水交替灌溉對鹽堿土入滲歷時的影響

不同礦化度和交替次序下入滲歷時的變化規律如圖1所示。咸淡交替灌溉和淡咸交替灌溉的入滲歷時均隨礦化度的增大而顯著減小(p<0.05)。以咸淡交替灌溉9 g/L為例，咸淡交替灌溉3 g/L的入滲歷時為480 min，咸淡交替灌溉9 g/L的入滲歷時減少了15.38%(p<0.05)。咸淡交替灌溉的入滲歷時顯著小于淡咸交替灌溉(p<0.05)。尤其在礦化度9 g/L下，咸淡交替灌溉的入滲歷時為416 min，淡咸交替灌溉的入滲歷時增加了44.95%(p<0.05)。

注：不同字母表示差異顯著性(p<0.05)

圖1 不同礦化度和交替次序下入滲歷時的變化規律

2.2 咸淡水交替灌溉對鹽堿土水分分布的影響

由表2可知，咸淡交替灌溉和淡咸交替灌溉的平均土壤含水率均隨礦化度的增大而減小，但差異不顯著(p>0.05)。咸淡交替灌溉的平均土壤含水率小于淡咸交替灌溉，差異不顯著(p>0.05)。

表2 不同處理0-40 cm土層平均土壤含水率%

注：不同字母表示差異顯著性(p<0.05)。

2.3 咸淡水交替灌溉對鹽堿土鹽分分布的影響

2.3.1 對土壤含鹽量的影響 土壤含鹽量隨水分入滲而向深層土壤遷移，并在土層底部聚集(圖2)。咸淡交替灌溉和淡咸交替灌溉的平均土壤含鹽量隨礦化度的增加而顯著增大(p<0.05)。尤其是淡咸交替灌溉9 g/L，淡咸交替灌溉3 g/L的平均土壤含鹽量為4.255 g/kg，淡咸交替灌溉9 g/L的平均土壤含鹽量增加了24.86%(p<0.05，表3)。

在0—12 cm土層和36—40 cm土層，咸淡交替灌溉的土壤含鹽量小于淡咸交替灌溉。在12—36 cm土層，咸淡交替灌溉和淡咸交替灌溉的土壤含鹽量差異不明顯(圖2)。以0—40 cm平均土壤含鹽量為例，咸淡交替灌溉的平均土壤含鹽量顯著小于淡咸交替灌溉(p<0.05)。當礦化度為9 g/L時，咸淡交替灌溉的平均土壤含鹽量為4.773 g/kg，淡咸交替灌溉的平均土壤含鹽量增加了11.31%(p<0.05，表3)。

圖2 不同剖面各處理土壤含鹽量分布

表3 不同處理0-40 cm土層平均土壤含鹽量g/kg

注：不同字母表示差異顯著性(p<0.05)。

2.3.2 對土壤水溶性鹽的影響

(1) Na+含量的變化特征。Na+含量隨水分入滲而向深層土壤遷移，并在土層底部聚集(圖3)。咸淡交替灌溉和淡咸交替灌溉的平均Na+含量均隨礦化度的增加而顯著增大(p<0.05)。以咸淡交替灌溉9 g/L為例，咸淡交替灌溉3 g/L的平均Na+含量為1.703 g/kg，咸淡交替灌溉9 g/L的平均Na+含量增加了67.18%(p<0.05，表4)。

在0—12 cm土層和36—40 cm土層，咸淡交替灌溉的Na+含量小于淡咸交替灌溉。在12—36 cm土層，咸淡交替灌溉和淡咸交替灌溉的Na+含量差異不明顯(圖3)。以0—40 cm平均Na+含量為例，咸淡交替灌溉的平均Na+含量顯著小于淡咸交替灌溉(p<0.05)。當礦化度為6 g/L時，咸淡交替灌溉的Na+含量為2.228 g/kg，淡咸交替灌溉的Na+含量增加了22.98%(p<0.05，表4)。

(2) Cl-含量的變化特征。Cl-含量隨水分入滲而向深層土壤遷移，并在土層底部聚集(圖4)。咸淡交替灌溉和淡咸交替灌溉的平均Cl-含量均隨礦化度的增加而顯著增大(p<0.05)。以淡咸交替灌溉9 g/L為例，淡咸交替灌溉3 g/L的平均Cl-含量為0.231 g/kg，淡咸交替灌溉9 g/L的平均Cl-含量增加了45.89%(p<0.05，表5)。

圖3 不同剖面各處理Na+含量分布

表4 不同處理0-40 cm土層平均Na+含量g/kg

注：不同字母表示差異顯著性(p<0.05)

在0—12 cm土層和36—40 cm土層，咸淡交替灌溉的Cl-含量小于淡咸交替灌溉。在12—36 cm土層，咸淡交替灌溉和淡咸交替灌溉的Cl-含量差異不明顯(圖4)。以0—40 cm平均Cl-含量為例，咸淡交替灌溉的平均Cl-含量顯著小于淡咸交替灌溉(p<0.05)。當礦化度為9 g/L時，咸淡交替灌溉的Cl-含量為0.279 g/kg，淡咸交替灌溉的Cl-含量增加了20.79%(p<0.05，表5)。

圖4 不同剖面各處理Cl-含量分布

表5 不同處理0-40 cm土層平均Cl-含量g/kg

注：不同字母表示差異顯著性(p<0.05)。

3 討 論

本文針對黃河三角洲土壤鹽堿化程度高展開，通過分析咸淡水交替灌溉過程中的水鹽運移過程，結果發現，咸淡交替灌溉的入滲歷時顯著小于淡咸交替灌溉。咸淡交替灌溉與淡咸交替灌溉的平均土壤含水率差別并不顯著。土壤平均土壤含鹽量隨礦化度的增加而增大，3 g/L的平均土壤含鹽量最低。咸淡交替灌溉的平均土壤含鹽量顯著小于淡咸交替灌溉。

3.1 咸淡水交替灌溉對土壤水分的影響

研究結果顯示，咸淡交替灌溉和淡咸交替灌溉的入滲歷時均隨礦化度的增加而顯著減小。王艷等[20]在天津濱海新區大蘇莊研究了不同礦化度水(0.56 g/L，3.78 g/L，6.14 g/L)淋洗對鹽堿土(0—40 cm為重壤土，40—60 cm為輕黏土，60—100 cm為中黏土)水鹽分布的影響，結果也顯示，入滲水的礦化度越高，入滲速率越大。但趙麗麗等[21]在煙臺農業科學研究院蘋果園研究了入滲水礦化度(3 g/L，6 g/L，12 g/L，24 g/L)對土壤(粉砂黏壤土)水鹽分布的影響發現，入滲速率隨礦化度的增加而顯著減小。與本試驗結果區別較大，其原因可能與土壤類型相關。首先，與非鹽堿土相比，鹽堿土中含有豐富的離子，其與微咸水中的鹽分離子產生交換作用，使土壤膠體吸附的鈉離子被鈣鎂離子置換，改善了土壤團聚性并導致土壤中的大孔隙增加，進而增強土壤的入滲能力[22]。其次，在微咸水灌溉過程中，隨著礦化度增加，帶入土壤中的鈉離子含量進一步增加，由于電荷少，半徑大，水化能相對較小，鈉離子增加導致土壤顆粒的膨脹分散，使土壤的透水透氣性變差[23]。

咸淡交替灌溉的入滲歷時顯著小于淡咸交替灌溉。咸淡交替灌溉導致土壤中大孔隙的增多，使土壤通透性增強，水分入滲較快[24]。而淡咸交替灌溉有利于土壤有效孔隙的形成，使水分保持在土壤孔隙中，無法繼續使入滲水保持快速的流動[25]，故咸淡交替灌溉的入滲歷時比淡咸交替灌溉短。

咸淡交替灌溉與淡咸交替灌溉的平均土壤含水率差別不顯著。其原因可能是咸淡交替灌溉和淡咸交替灌溉的灌溉水量、灌溉水質、土壤初始含水率、土壤類型都相同，水分入滲結束后，土壤含水率差別不大。此外，短時間(24 h)內蒸發作用對水分再分布的影響較小，不足以改變土壤含水率的大小。

3.2 咸淡水交替灌溉對土壤鹽分的影響

咸淡交替灌溉和淡咸交替灌溉的平均土壤含鹽量、平均Na+含量和平均Cl-含量均隨礦化度的增加而顯著增大。楊艷和王全九[26]也表明土壤(砂質黏壤土)的剖面含鹽量隨著礦化度的增加而增加。其原因，一方面是由于微咸水本身含有一定鹽分，入滲后，必然會給土壤帶來額外的鹽分累積，因此隨著礦化度增加，土壤整體的含鹽量也隨之升高[27]。另一方面，與低礦化度水相比，高礦化度水對土壤鹽分的淋洗作用相對較小，脫鹽率較低，土壤含鹽量高[28]。土壤含鹽量隨入滲水的顯著變化表明，控制好灌溉水的礦化度對于作物正常生長至關重要。

咸淡交替灌溉的平均土壤含鹽量顯著小于淡咸交替灌溉，平均Na+含量和平均Cl-含量顯著小于淡咸交替灌溉，其原因可能是首輪微咸水灌溉下，擴散雙電子層向黏粒表面壓縮，使土壤顆粒排除力降低，增強土壤膠體的絮凝作用，從而形成團粒結構，增加土壤導水能力，有利于后一次淡水灌溉對土壤鹽分的淋洗[29]。交替次序對土壤平均含鹽量的影響較大。例如劉靜妍等[16]在山西省水利科學研究院節水高效示范基地對比了咸淡交替灌溉和淡咸交替灌溉(咸水礦化度為5.02 g/L，淡水礦化度為1.75 g/L)對土壤(黏壤土)含鹽量的影響，結果表明，咸淡交替灌溉顯著降低了表層土壤的含鹽量，淡咸交替灌溉降低了土壤中層的含鹽量。蘇瑩等[24]在河北省南皮縣通過對比咸淡咸交替灌溉和淡咸咸交替灌溉(咸水礦化度為3 g/L，淡水礦化度為0.5 g/L)對土壤(次生堿化土)脫鹽率的影響發現，在灌水量和灌溉水質相同的情況下，淡咸咸交替灌溉變為咸淡咸交替灌溉可以提高土壤脫鹽率。

4 結 論

咸淡水交替灌溉的入滲歷時隨礦化度的增加而減小；不同交替次序下土壤入滲歷時表現為咸淡交替灌溉小于淡咸交替灌溉，咸淡交替灌溉與淡咸交替灌溉的平均土壤含水率差別不顯著。咸淡水交替灌溉的平均土壤含鹽量隨咸水礦化度的增加而增大，咸淡交替灌溉的平均土壤含鹽量小于淡咸交替灌溉。因此，從降低土壤鹽分方面考慮，礦化度較小(例如3 g/L)，咸淡交替灌溉的方式最優。由于時間和條件有限，試驗僅在室內進行，所得結論具有一定局限性，還需進一步在大田驗證，以及綜合考慮對作物的影響。在具體利用微咸水進行農田灌溉時，應考慮微咸水礦化度、交替次序、間歇時間、灌溉頻次以及作物不同生育階段抗鹽脅迫能力等。