磁化不同水質滴灌對土壤鹽分的影響

朱 珠,王則玉,許詠梅,劉 迪,李 楊

(1.塔里木大學 水利與建筑工程學院,新疆阿拉爾 843300;2. 新疆農業大學水利與土木工程學院,烏魯木齊 830000;3．新疆農業科學院土壤肥料與農業節水研究所,烏魯木齊 830091)

0 引 言

【研究意義】新疆是典型的干旱綠洲灌溉農業區,由于長年降雨稀少和高蒸發量,使灌區農田在作物生育期面臨水資源匱乏問題[1-3]。不合理灌溉會導致土壤鹽堿化問題日趨凸出[4-5]。在鹽堿土壤中,存在大量的鹽類物質,導致土壤鹽害,從而限制作物的生長發育和農業可持續發展[6-7]。豐富的淺層非常規水資源為農業灌溉提供了廣闊的發展前景[8]。在鹽堿土壤環境下探索多種水資源灌溉成為當前的研究熱點。【前人研究進展】在現行的常規水資源開發利用的基礎上,通過對微咸水、磁化水和電解水等非常規水源的開發利用,可以有效增加供水量、緩解農業灌溉用水危機和提高水資源利用效率。微咸水指礦化度為1～5 g/L的淺層地下水及地表含鹽水[9]。在淡水資源緊缺的干旱半干旱地區,有研究發現當作物生育期缺水時,使用微咸水灌溉可以滿足作物水分需求,并促進其正常生長[10-12]。而微咸水中的鹽分離子進入土壤,會與土壤發生一系列化學反應,從而引起土壤結構變化,并對土壤中的水分運動和鹽分運移產生影響[13-15]。磁化水滴灌可以提高土壤含水率,降低土壤中陰陽離子含量,不僅能促進對土壤鹽分的淋洗,降低土壤含鹽量,還能提高土壤養分的吸收利用效率[16-20]。電解水具有制備簡單、殺菌高效、無殘留毒性等優勢,能夠在農業領域推廣應用[21-22]。【本研究切入點】雖然前人針對于微咸水灌溉和磁化水灌溉開展了相關研究,但對于電解水灌溉條件下土壤鹽分離子的脫鹽效應研究還少見報道。另外,現有研究僅關注單一水質灌溉對土壤鹽分的影響規律,以及灌溉帶來的鹽分脅迫,而較少關注土壤鹽分以及鹽分離子占比對不同水質灌溉的響應,以及以增大土壤鹽分和鹽分離子脫鹽率為目標的不同水質灌溉優劣比較研究。【擬解決的關鍵問題】對比分析微咸水、磁化微咸水、磁化渠道水、渠道水和電解水不同水質滴灌對鹽堿土壤總鹽含量、脫鹽率、土壤鹽分離子以及土壤SAR的影響規律,研究磁化水與非磁化水灌溉對土壤鹽分和鹽分離子脫鹽效果的差異性,并探索電解水灌溉的優勢,制定合理的水鹽管理措施,降低土壤鹽分含量,增加土壤脫鹽率,為新疆鹽堿地節水灌溉研究提供一定理論依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

灌溉用水采自當地灌區渠道水,渠道水的礦化度為0.52 g/L,選用4.0 g/L備用,磁化水選用磁化強度0.4 T的磁化器,按照2 m/s水流速度穿過磁化器獲得磁化水,電解水由新疆鑫耐米生物科技有限公司生產,pH為2.29。表1

表1 灌溉用水初始理化性質

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

于石河子市炮臺試驗站開展滴灌入滲試驗,取回土樣經風干,過2 mm篩備用。采用室內土柱試驗,研究磁化不同水質滴灌以及電解水滴灌對鹽堿土壤鹽分的影響規律。試驗土柱為厚度5 mm的亞克力柱,土柱高為80 cm,直徑為10 cm,填土容重為1.54 g/cm3,以10 cm分層裝填土壤,表面鑿毛,裝填深度為70 cm。以渠道水滴灌為對照CK,各處理滴頭流量恒定且相同為0.15 L/h,且各處理灌水量相同,總灌水2.5 L。設置微咸水滴灌T1處理、磁化微咸水滴灌T2處理、磁化渠道水滴灌T3處理和電解水滴灌T4處理。設5個處理,每個處理設置3組重復,開展室內土柱試驗。表2

表2 試驗方案

1.2.2 指標測定

1.3 數據處理

Origin 2019分析數據與作圖,SPSS20.0進行單因素方差分析。

根據上述模糊判斷的結果，通過加權平均法就可以得到最終的精確輸出量，即在特定偏移條件下，支撐油缸應采取的液壓缸壓力差。

土壤鈉吸附比SAR計算[24]:

式中,Na+、Ca2+和Mg2+表示離子含量(g/kg)。

2 結果與分析

2.1 磁化不同水質滴灌對土壤總鹽分布的影響

研究表明,各處理滴灌后土壤剖面鹽分分布存在一定差異性。在整個土壤剖面中,土壤總鹽含量隨深度增加而增加。

與對照處理相比,微咸水灌溉處理顯著增加土壤表層和深層總鹽含量(P<0.5),磁化微咸水灌溉處理顯著增加土壤表層總鹽含量(P<0.5),而磁化渠水灌溉處理和電解水灌溉處理降低土壤表層總鹽含量,但不具有統計學意義。與對照處理比較,微咸水處理土壤表層總鹽含量增加了15.58%,磁化微咸水處理增加了17.14%,磁化渠道水處理降低了3.68%,電解水處理降低了11.47%。土層深度20 cm處,與對照處理比較,微咸水處理土壤總鹽含量增加了6.19%,磁化微咸水處理降低了1.58%,磁化渠道水處理降低了6.11%,電解水處理降低了10.36%。土層深度30 cm處,與對照處理比較,微咸水處理土壤總鹽含量增加了12.13%,磁化微咸水處理降低了4.32%,磁化渠道水處理增加了1.61%,電解水處理增加了8.25%。40～60 cm土層深度處,各處理土壤總鹽含量均比對照處理降低,降幅為3.56%～27.12%。而在70 cm土層深度處,均顯著增加,微咸水處理土壤總鹽含量增加了36.18%,磁化微咸水處理增加了12.31%,磁化渠道水處理增加了11.14%,電解水處理增加了13.96%。微咸水灌溉處理增加了土壤總鹽含量,相較于微咸水灌溉處理,磁化微咸水灌溉處理能夠降低土壤總鹽含量,并在30 cm深度以下達到顯著性水平(P<0.5),而磁化渠水灌溉處理土壤總鹽含量在整個土壤剖面內呈顯著減小趨勢(P<0.5),電解水灌溉處理也呈現出降低土壤總鹽含量的作用。表3

表3 各處理土壤剖面總鹽含量變化

2.2 磁化不同水質滴灌對土壤脫鹽率的影響

研究表明,當滴灌后土壤鹽分含量降低表現為脫鹽狀態,當滴灌后土壤鹽分含量增加則表現為積鹽狀態。0～60 cm土層深度范圍內表現為脫鹽狀態,70 cm土層深度表現為積鹽狀態。 圖1

各處理土壤剖面平均總鹽含量大小比較為T1>T2>CK>T3>T4,脫鹽率達到51.8%～59.36%。與對照處理比較,微咸水灌溉處理土壤平均總鹽含量增加了4.07%,磁化微咸水處理增加了3.14%,磁化渠道水處理降低了4.62%,電解水處理降低了7.42%。各處理土壤剖面脫鹽區的平均脫鹽率大小比較為T4>T3>T2>CK>T1,與對照處理比較,微咸水灌溉處理土壤剖面脫鹽區的平均脫鹽率降低了2.18%,磁化微咸水處理增加了7.2%,磁化渠道水處理增加了8.99%,電解水處理增加了13.25%。不同水質經磁化后滴灌能夠抑鹽降鹽。磁化微咸水灌溉處理顯著優于微咸水灌溉處理,能夠增加脫鹽區的脫鹽率,降低積鹽區的積鹽率。電解水灌溉處理土壤剖面總鹽含量最低,脫鹽效果最好。圖2

圖2 各處理脫鹽區平均脫鹽率和 土壤剖面平均總鹽含量

2.3 磁化不同水質滴灌對土壤鹽分離子和SAR值的影響

圖3 各處理鹽分離子占比變化特征Fig.3 Characteristics of changes in the proportion of salt ions of each treatment

圖4 各處理鹽分離子平均脫鹽率和 平均積鹽率變化

各處理SAR值隨土層深度增加而增加。0～60 cm土壤剖面SAR值大小比較為T1>T2>CK>T4>T3。土層深度60 cm以下SAR值呈顯著增大趨勢,微咸水灌溉處理和磁化微咸水灌溉處理SAR值大于土壤初始值,比初始值增大13.9%和31.21% ,其他處理均低于初始值。0～50 cm土層深度處磁化渠水處理土壤SAR值較其他處理最低,由初始值5.48降低至0.2～1.35。60 cm深度以下電解水處理土壤SAR值較其他處理最低,SAR值為2.65～4.93,低于土壤初始值。磁化微咸水處理雖增大了表層和深層SAR值,但在20～50 cm土層深度處土壤SAR值僅高于磁化渠水灌溉處理,由初始值5.48降低至0.63～1.82。磁化微咸水較微咸水灌溉處理具有降低作物根系層土壤SAR的作用,而磁化渠水灌溉處理顯著優于渠道水灌溉處理。圖5

圖5 各處理不同土層深度SAR值變化Fig.5 SAR value changes in different soil depth of each treatment

3 討 論

3.1研究結果表明,與其他灌溉水質處理比較,微咸水灌溉處理增加了土壤剖面中的土壤總鹽含量,由于微咸水本身含有鹽分,礦化度為4 g/L,灌溉時將灌溉水中的鹽分帶入土壤中,但鹽隨水動,與滴灌前比較,微咸水灌溉處理中土壤鹽分含量在0～60 cm土層深度范圍內顯著低于初始總鹽含量,呈顯著脫鹽狀態,僅在土層深度70 cm深度處顯著積鹽。與劉慶賀[25]研究結果一致,認為微咸水灌溉能夠在棉花根系層產生低鹽區。以降低土壤剖面鹽分含量和增大土壤濕潤區脫鹽率為目標,比較不同水質滴灌對土壤鹽分和土壤脫鹽率的影響優劣,磁化水灌溉顯著優于非磁化水,微咸水和渠道水在磁化后均比磁化前降低了土壤剖面鹽分含量,同時增大脫鹽區的脫鹽率。與王全九[20]等研究結論一致,認為灌溉水質經磁化后可增大土壤鹽分淋洗效率。

4 結 論

4.1微咸水灌溉處理與其他處理比較,在整個土壤剖面內增加了土壤總鹽含量。土壤剖面平均總鹽含量大小比較為T1>T2>CK>T3>T4。磁化水灌溉處理在降低土壤平均總鹽含量方面優于非磁化水灌溉處理,而電解水灌溉處理最優。磁化微咸水灌溉處理較微咸水灌溉處理在土層深度30～40 cm以及深層土壤內土壤總鹽含量降幅達到顯著性水平(P<0.5)。磁化渠道水灌溉處理較渠道水灌溉處理土壤平均總鹽含量降低了4.85%,在40 cm土層深度以下降幅達到顯著性水平(P<0.5)。

4.2滴灌后,各處理0～60 cm土層深度范圍內呈脫鹽狀態,70 cm土層深度內呈積鹽狀態。各處理土壤剖面脫鹽區的平均脫鹽率大小比較為T4>T3>T2>CK>T1。磁化微咸水灌溉處理顯著優于微咸水灌溉處理,能夠增加脫鹽區的脫鹽率,降低積鹽區的積鹽率。電解水和磁化渠水滴灌有利于作物根系層土壤剖面脫鹽。電解水灌溉處理土壤脫鹽效果最優。