次生鹽漬土暗管+豎井排水控鹽技術模式篩選及效果評價

石 磊，呂 寧，何 帥，尹飛虎，高志建，譚榮欣

(1.新疆農墾科學院農田水利與土壤肥料研究所，新疆石河子 832000；2.農業部作物高效用水石河子科學觀測實驗站，新疆石河子 832000；3.石河子大學經濟與管理學院，新疆石河子 832003；4.新疆生產建設兵團第二師38團，新疆庫爾勒 841900)

0 引 言

【研究意義】世界上1/5的灌溉土受到鹽分影響[1-2]。新疆鹽漬化土地面積182×104hm2，約占全國的1/3，是我國鹽漬土面積最大、類型最多、積鹽最重，改良最困難的典型區域[3-4]，一方面是由于新疆土壤母質含鹽，另一方面是因為灌溉水中含鹽(含量普遍在2～6 g/L)，加上長期重灌溉而輕排水使得土壤中鹽分不斷累積，過度灌溉使得地下水位也不斷上升[6]，強烈的蒸發加速深層鹽分表聚，導致土壤次生鹽漬化問題嚴重。新疆鹽漬化耕地面積年增長率為0.26%，新疆南疆覆膜滴灌農田耕層土壤鹽分每年以15%的速度增加，嚴重制約了新疆綠洲農業可持續發展[7]。【前人研究進展】常用鹽堿地改良方式主要有農業、生物、化學和水利工程技術[8-11]。新疆鹽漬化土壤治理主要采用大水壓鹽、明渠排鹽、水旱輪作等工程措施，對緩解土壤鹽漬化起到了一定作用，但耗水多、排渠占地面積大、修整成本高。新疆南疆地區地下水位高，采用豎井排水降低地下水位，調控種植區土壤水鹽分布平衡，該技術應用對新疆鹽漬土改良起到一定效果。但有研究指出[12-13]，豎井灌排短期內能起到控制地下水位與降低土壤鹽分的作用，但由于缺少水平排水，垂直方向上土壤鹽分在包氣帶中下層滯留，一旦灌區“四水”(大氣水、地表水、土壤水、地下水)發生變化，灌區將存在土壤鹽漬化和地下水質惡化的雙重風險。通過暗管可將地下水位控制在臨界深度，以抑制高礦化度地下水上移，達到改良土壤鹽堿化的效果[14]。已有報道對南方沿海地區暗管排鹽模式及排鹽效果研究較多[15-18]，于淑會[19]、張蘭亭等[20]對濱海地區暗管排水技術適應性分析指出，土壤滲透性、地下水埋深、降雨及蒸發量等是影響暗管排鹽效果的主要因素，對于地下水位高、土質為沙壤土，水體礦化度高不宜用作灌溉水源，以及采用明溝排水邊坡易坍塌淤積導致排水不暢的地區，暗管排水排鹽技術是治理鹽漬化一種有效方式，但不同的暗管埋深和鋪設間距對根區和非根區土壤鹽分淋洗效果差異較大[21-22]。王海江等[23]在新疆北疆重度鹽漬化棉田開展了農業改良措施配合暗管排水試驗，試驗區暗管埋深在 0.8～1.0 m，間隔10 m，0～80 cm土層脫鹽率達到59.37%。衡通等[24]通過對滴灌條件下暗管排水對土壤水鹽分布規律研究，提出暗管布設間距15 m為干旱區滴灌棉田鹽堿地改良適宜的暗管排鹽參數。【本研究切入點】不同地區氣候條件、地理環境及土壤特點顯著不同，暗管排水工程參數差異較大。當前新疆的暗管排鹽技術體系仍處于探索研究階段，南疆地區土壤次生鹽漬化治理尚缺乏成熟的技術依據。【擬解決的關鍵問題】研究不同的暗管排鹽工程關鍵技術參數間距對鹽堿地土壤排水排鹽效率的影響；解決南疆次生鹽漬土暗管+豎井排水控鹽工程技術模式缺乏，施工方法繁雜，自動化程度低，施工費用高等技術問題，為新疆灌溉農田次生鹽漬化合理防治提供技術依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

新疆生產建設兵團第二師38團位于南疆塔克拉瑪干沙漠南緣，巴音郭楞蒙古自治州南端，昆侖山腳下，地處E83°25′～87°30′，N35°40′～40°10′，喀拉米蘭河與莫勒切河兩河下游平原區。年均氣溫10.4℃，年均降水量18.1 mm，蒸發量達到2 824 mm，為極度干旱的典型暖溫帶大陸性氣候。全團耕地面積1.2×104hm2，中度鹽化土占耕地面積的53.44%。灌溉水源為喀拉米蘭河水庫，灌區配套自壓滴灌系統，地下水埋深在1～5 m，水體礦化度多大于2.0 g/L，鹽漬化土約占該團土地總面積的78.88%，鹽分類型以氯化物為主。試驗地土壤理化性狀：土壤類型鹽土，土壤質地砂土，土層0～30 cm，有機質1.65 g/kg，堿解氮25.3 mg/kg，速效磷2.5 mg/kg，速效鉀90.5 mg/kg，pH值8.8，土壤電導率967.55 μs/cm，水質礦化度6.83 g/L。

暗管管材：采用新疆天業生產的Ф50 mmPVC波紋排水管，波紋管波谷處打孔，無紡布包裹(經前期對試驗地土壤質地、地下水位和灌排制度等調研及分析篩選)。豎井管材：采用Ф60 cm水泥管，管壁帶孔有過濾層包裹。

開溝鋪管機：青島英特瑞恩機械制造有限公司生產的3035T型號機械傳動開溝鋪管機(集挖溝、鋪管、設置坡度、填埋一體化)；水鹽監測系統采用美國Campbell公司開發的傳感器及監測軟件。

種植作物：玉米，品種為甘鑫128，為青飼兩用類，生育期約128 d，抗病抗倒伏、耐旱耐澇，適合機收。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

試驗于2016～2018年展開。選擇38團5連1～3南二13～16號地作為試驗地(N37°56'，E83°39')，面積14.53 hm2(長360 m × 寬404 m)，屬重度次生鹽漬化土，試驗前為撂荒地。2016年11～12月完成打井、埋管、自動水泵系統、供電設施、水鹽監測設備、監測泵房等工程建設；2017年1月～2018年12月開展排水控鹽試驗，采用春秋灌排、滴灌淋洗、暗管+豎井排水控鹽的綜合方式，在參考暗管埋設理論公式[25]和農田排水工程技術規范(SL/T4-1999)的基礎上，統一設置暗管埋深1.2 m，自流坡度3.5‰；豎井管徑60 cm、井深20 m、間距120 m；水鹽監測設備(埋設在40～60 cm處)由3個土壤溫、濕、鹽傳感器、土壤pH、水體pH及電導率傳輸系統組成。設置3種不同的暗管布設間距，分別為6、8和10 m(記為T1，T2、T3)，將未采取排水措施的13號地塊設為CK。表2，圖1

圖1 暗管+豎井排水系統田間小區布置

每年春灌或秋灌1次，灌水量200 m3/667 m2；出苗水為10 m3/667 m2，生育期每10 d灌水1次，單次灌溉量20 m3/667 m2，共灌水9次，全生育期灌水量390 m3/667 m2，總灌水量590 m3/667 m2。

1.2.2 土樣和水樣

采用水鹽自動監測系統實時采集40～60 cm土壤電導率(EC)、pH和排水電導率(EC)、pH等數據。試驗區人工采集土樣和水樣：分別于試驗前(2016年12月)、排鹽1年(2017年10月)和排鹽2年(2018年10月)，T1、T2、T3處理隨機選取3個點，在水平方向距離豎井位置1、2、3和4 m處，每20 cm為一層分割采集土樣，取樣深至2 m，采用1∶5土水比浸提后測定電導率。排鹽前后采集各處理排水水樣，采用重量法測定水體礦化度，土壤和水樣理化性狀化驗具體參照鮑士旦的《土壤農化分析》[26]方法。另外，灌排前后測量豎井水位高度變化。

表1 試驗區暗管+豎井工程建設參數

1.3 數據處理

采用Excel 2003和SPSS 20.0進行試驗數據統計，利用Sigmaplot 12.0進行制圖。采用Duncan檢驗法進行多重比較及差異顯著性分析。圖表中數據均為3次重復的平均值。

2 結果與分析

2.1 不同處理土壤鹽分和pH總體變化

研究表明，CK處理土壤EC隨著灌水增加而增加(P=0.000)；T1處理排水1年土壤EC變化不大，排水2年后土壤EC下降明顯；T2、T3處理土壤EC值2017年顯著高于2016年，但2018年呈現顯著降低。排水2年后T1、T2、T3處理土壤EC較排水前分別降低了31.83%、50.35%、46.09%。

排水前后土壤pH變化不大，其中，T1、T2處理排水第2年土壤pH明顯降低。隨著淋鹽時間增加，各暗管排水處理土壤pH呈下降趨勢。圖2

圖2 不同處理土壤EC和pH總體變化

2.2 不同處理土壤鹽分空間分布變化

研究表明，各處理排水后0～2 m土層土壤EC均有明顯降低，排水2年后脫鹽效果尤為顯著。不同暗管布設間距處理，土壤各土層脫鹽效果差異顯著；而在水平方向上均表現出距離豎井越近，土壤EC降低越明顯的特征。

T1處理排水前0～2 m土壤EC平均在822.58 μs/cm，0～0.6 m土層EC達到1 000 μs/cm以上，但隨著土層深度的增加EC依次降低，這與沙質土鹽分隨蒸發易表聚密切相關；排水1年后土壤EC平均降低27.42%，0～0.2 m土層EC降低至750～795 μs/cm，0.2～1.0 m土層EC降低率為22.09%～57.04%，這與暗管埋深(距地面1.2 m處)密切相關；排水2年后不同土層土壤EC均大幅降低，平均降低到353.60 μs/cm，降低率為57.01%。T2處理土壤EC變化趨勢與T1相同，在排水1年、2年后，0～2 m平均EC分別從713.29降低至435.88、252.47 μs/cm，脫鹽率分別達到38.41%、64.39%，以0～0.8 m土層降鹽效果最顯著，排水2年后土壤EC下降了72.13%。T3處理排水前土壤EC在620～910 μs/cm，在排水1年、2年后土壤EC分別降低了27.32%、63.90%，且隨著土壤深度增加土壤EC降低率依次增加。

排鹽前各處理0～1 m深度土壤EC均在700 μs/cm以上，鹽分主要聚集在0～0.8 m土層，排鹽后各土層土壤EC均顯著降低，尤其是排鹽2年后脫鹽效果更顯著，平均EC迅速下降至350 μs/cm以下，排鹽效果T2>T3>T1；且距離豎井0～2 m范圍內明顯形成一個脫鹽區。圖3

圖3 不同處理排水前后土壤剖面EC變化

2.3 不同處理排水礦化度變化

研究表明，2016年各處理排水礦化度平均在6.0 g/L，排水1年后，各處理排水礦化度均有不同程度增加，較建設前增加率為6.19%～13.61%；而在灌排2年后，T1、T2、T3排水礦化度分別下降至5.25、4.57、5.10 g/L，較建設前下降了21.41%、33.24%、18.57%，各處理間差異極顯著，其中T2處理降幅最高。表2

表2 不同處理排水礦化度變化

2.4 不同處理地下水位變化

研究表明，2016年試驗地地下水位平均為1.70 m，排鹽后地下水位呈下降趨勢，2017年T1、T2、T3較CK分別降低0.77、0.98和1.10 m，2018年T1、T2、T3較CK分別降低1.48、1.54和1.44 m，平均地下水位維持在3 m左右，即隨著排水排鹽時間增長，地下水位降低顯著。

各處理排鹽前后地下水位顯著下降。總體上，地下水位降低幅度由大到小依次是T2、T1、T3，隨著排鹽時間越長，水位降低效果會更明顯。圖4

圖4 不同處理地下水位深度變化

2.5 不同處理下種植玉米產量變化

研究表明，各處理保苗株數平均為7×104株/hm2，玉米籽粒產量平均為327.90 kg/667 m2，排鹽效果最顯著的T2處理，收獲株數為5 500株/667m2，籽粒單產為366.5 kg/667m2，顯著高于T1和T3，較T1和T2分別增產16.92%、20.66%，T1與T3處理之間差異不顯著。表3

表3 種植玉米產量比較

3 討 論

水、土、鹽三者的關系，決定著新疆綠洲農業空間維度上的形態和規模，合理的水鹽調控技術對于新疆農業可持續發展具有重要意義[27]。暗管+豎井排水控鹽技術是新疆南疆地區鹽漬化土地治理的重要措施，該技術模式的核心是采用“暗管”來調節土壤耕層鹽分，利用“豎井”來控制地下水位，從而達到降低土壤鹽分的效果。有研究顯示，新疆三工河流域采用豎井排水4年后，0～10 cm土層土壤含鹽量由12.6 g/kg降低至6 g/kg[12]，哈密盆地采用豎井灌排后地下水位下降了1～2 m[13]。有研究[28-29]主要通過水鹽運移理論和水量平衡原理，采用SaltMod模型、Vedernikov入滲方程、Vander Molen淋洗方程等模擬和演算出鹽堿地灌排改良工程技術參數，指出暗管埋深和間距是排水控鹽效果的關鍵因子。Bahceci等[30]提出暗管埋深1.2 m對土耳其科尼亞平原鹽漬土改良效果最好。劉玉國等[31]在新疆滴灌棉田設計淺層暗管排水試驗，研究發現 0～0.2 m土壤脫鹽較快，土壤脫鹽率最高達到90.89%。已有研究[32-33]普遍認為，暗管排水技術對田間淺層土壤鹽分的空間運移有較大影響，對于深層鹽分影響則較小。暗管埋深1.2 m，在灌溉淋洗和暗管排水共同作用下，0～0.8 m土層土壤電導率降低幅度最大，研究結果與前人研究結論相一致，有學者[34]在設施番茄上研究發現，暗管間距8 m的布設模式對土壤鹽漬化改良效果要優于6 m的布設。有研究認為[24]在滴灌棉田間距15 m為干旱區鹽堿地改良適宜的暗管布設間距。不同地區氣候環境、農田土壤性質不同，因此，田間暗管排水工程參數差異較大。研究顯示，在設置豎井排水的基礎上，暗管埋深1.2 m、布設間距8 m降鹽效果最好，排水2年后耕層土壤電導率下降了50.35%，排水礦化度下降至4.57 g/L，較排水前降低了33.20%；同時，地下水位平均降低了1.5 m，地下水位深度下降至3 m；脫鹽后種植玉米，籽粒產量也高于其它2種暗管間距處理，平均單產達到327.9 kg，玉米產量與降鹽效果成正比。

4 結 論

根據不同暗管間距處理排鹽前后土壤耕層鹽分變化、不同土層鹽分的空間運移及排鹽后種植玉米的產量比較，暗管+豎井排水控鹽技術對新疆南疆沙質次生鹽漬化土壤具有較好的治理效果，篩選出豎井(井深20 m、間距120 m)暗管埋深1.2 m、布設間距8 m為當地排鹽技術模式最優的組合方式。在新疆南疆墾區以“暗管排水鹽、豎井降水位、明溝排水”為主的同時，在非生育期采取大水壓鹽、生育期滴灌洗鹽、排鹽，以實現新疆南疆鹽漬化土有效治理。