引黃灌區(qū)土壤水鹽運(yùn)移模式及變化特征研究

陳 誠,侯 禮 婷,汪 明 霞,姚 京 威

(1.河南省小流域生態(tài)水利工程技術(shù)研究中心,河南 開封 475003; 2.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河南 開封 475003; 3.黃河水利委員會 黃河水利科學(xué)研究院,河南 鄭州 450003)

0 引 言

農(nóng)田生態(tài)惡化和土壤鹽堿化問題對農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展帶來了負(fù)面影響[1]。制定合理的灌溉策略是節(jié)約水資源和防止土壤鹽堿化的重要手段。為了制定合理的灌溉策略,需要事先研究土壤水鹽運(yùn)移模式和變化特征,以便根據(jù)具體情況設(shè)置最合適的灌溉策略[2-3]。

土壤水鹽的運(yùn)移狀態(tài)受到許多因素的影響,如灌溉模式、排水條件、施肥與否等。這些因素的組合關(guān)系非常復(fù)雜,在結(jié)構(gòu)性和隨機(jī)性因素的共同作用下,隨時可能發(fā)生變化。過去對土壤水鹽運(yùn)移模式和變化特征的研究還缺乏深入探究。自20世紀(jì)70年代以來,中國學(xué)者從不同角度對土壤水鹽運(yùn)移問題進(jìn)行了一些討論,研究方法多為局部或試驗(yàn)小區(qū)觀測,主要考慮單因素影響。例如,尹志榮等[4]研究了不同滴灌量對土壤水分運(yùn)移的影響,認(rèn)為減少滴灌量可以調(diào)節(jié)土壤水分運(yùn)移狀態(tài);馬貴仁等[5]使用ArcGIS空間插值方法分析了土壤水鹽運(yùn)移規(guī)律與地下水埋深之間的關(guān)系,認(rèn)為通過控制灌水量可以調(diào)節(jié)地下水埋深,從而防止土壤次生鹽漬化問題。

這些研究方法更注重分析單因素對土壤水鹽運(yùn)移狀態(tài)的影響。然而,在土壤水鹽運(yùn)移中,除了灌溉條件外,排水和施肥因素也非常重要。因此,分析三相或多相水鹽運(yùn)移的相互作用和驅(qū)動過程將成為土壤水鹽運(yùn)移研究的重要發(fā)展趨勢之一[6-8]。本文將以此問題為核心,在黃河下游開封市黑崗口引黃灌區(qū)設(shè)置不同的灌溉方案、排水方案和施肥方案條件下,研究土壤水鹽運(yùn)移模式和變化特征,并分析影響土壤水鹽運(yùn)移狀態(tài)的敏感因素。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 研究區(qū)概況

以黃河下游開封市黑崗口引黃灌區(qū)為研究區(qū)。該區(qū)位于東經(jīng)114°33′46″,北緯34°41′43″,為離黃河較近的典型引黃灌溉區(qū),該地區(qū)主要種植小麥、水稻、花生等農(nóng)作物。引黃灌溉可以有效利用黃河的水資源,推動該灌溉區(qū)的農(nóng)業(yè)快速發(fā)展。灌溉條件對當(dāng)?shù)赝寥浪}運(yùn)移模式有著顯著影響,如果不能很好地平衡這個問題,將會導(dǎo)致土壤鹽漬化的發(fā)生[9]。因此,制定合理的引黃灌溉條件是保證土壤水鹽正常運(yùn)移、預(yù)防鹽漬化問題的核心[10]。表1為研究區(qū)農(nóng)田的土壤物理性質(zhì)信息。

表1 研究區(qū)域的土壤物理性質(zhì)

根據(jù)研究區(qū)域的土壤信息,設(shè)置了12個采樣點(diǎn),并采用對比采集的方式,篩選掉不合理的測試數(shù)據(jù),以提高數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性和可靠性。此外,考慮到大部分農(nóng)作物的根系分布在40 cm以下的土壤層內(nèi),因此在研究土壤水鹽運(yùn)移模式及變化特征時,將采樣深度設(shè)定為20～100 cm。使用土鉆從地表開始向下進(jìn)行采樣。采樣點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 采樣點(diǎn)布置

1.2 方案設(shè)計(jì)

從灌溉模式、施肥模式、排水模式3個角度分析灌區(qū)土壤水鹽聚集、運(yùn)移的驅(qū)動因素,構(gòu)建灌溉-排水-施肥驅(qū)動下土壤水鹽運(yùn)移響應(yīng)的指標(biāo)體系。根據(jù)研究區(qū)土壤水鹽運(yùn)移環(huán)境條件,在農(nóng)田的四周分別布設(shè)水文、肥料、土壤監(jiān)測站點(diǎn)[11-13],定期采集灌溉水量、排水量、土壤含水率、全鹽量等關(guān)鍵參數(shù)。

1.2.1灌溉方案

為分析灌溉模式對土壤水鹽運(yùn)移模式及變化特征的影響,設(shè)計(jì)如表2所示的灌溉方案。灌溉方案中,排水條件固定為強(qiáng)度3 cm/d,間隔1 h排水1次,且在使用復(fù)合肥KNO3、施肥1次、施肥量1.0 kg/m3條件下,分析多因素驅(qū)動時,灌溉條件對土壤水鹽運(yùn)移模式及變化特征的影響。

表2 灌溉方案設(shè)計(jì)

1.2.2排水方案

為了研究排水條件對土壤水鹽運(yùn)移模式及變化特征的影響,在研究區(qū)域中埋設(shè)了6根PVC波紋式排水管,其埋深為110 cm。排水管之間的距離設(shè)定為500 cm。排水管采用帶孔式,集水管則采用無孔式設(shè)計(jì)。為防止排水管堵塞,在排水管附近鋪設(shè)了碎石。排水管出水位置配備一個流量統(tǒng)計(jì)表(該表由上海云鷗自動化儀表有限公司制造,型號為WREK-281),用于收集水量信息[14]。根據(jù)表3設(shè)置的條件,除了排水條件外,使用漫灌方式以795 m3/hm2的定額對研究區(qū)域的農(nóng)作物進(jìn)行灌溉。使用復(fù)合肥KNO3,施肥次數(shù)為1次,施肥量為1.0 kg/m3。分析在多因素驅(qū)動下,排水條件對土壤水鹽運(yùn)移模式及變化特征的影響。

表3 排水量設(shè)置信息

1.2.3施肥方案

使用復(fù)合肥KNO3,施肥策略依次設(shè)置為:不施肥灌溉(施肥方案I0)、施肥1次+施肥量2.0 kg/m3(施肥方案I1)、施肥1次+施肥量1.5 kg/m3(施肥方案I2)、施肥1次+施肥量1.0 kg/m3(施肥方案I3)。使用漫灌定額為795 m3/hm2的方式灌溉研究區(qū)域的農(nóng)作物,設(shè)置排水條件是3 cm/d,排水周期為1 h/次。在此條件下,分析施肥條件對土壤水鹽運(yùn)移模式及變化特征的影響。

1.3 測定方法

1.3.1全鹽量檢測

采集灌溉前后的土壤樣品,檢測土層20～100 cm的全鹽量。把采集的土壤風(fēng)干后,使用孔徑1.5 mm的篩子篩選,并提取15 g放在三角瓶中,倒進(jìn)110 L蒸餾水,經(jīng)振蕩器處理4 min后靜止過濾,便可獲取水土比是6∶1的澄清液,放在水浴機(jī)(進(jìn)口WIGGENS 超聲波振蕩水浴機(jī))中烘干[15],通過質(zhì)量測定方法分析土壤各個土層全鹽量。

1.3.2含水率檢測

在上述檢測的基礎(chǔ)上,進(jìn)行含水率檢測,含水率的計(jì)算公式如下:

(1)

式中:μ為土壤含水率;l為土層深度;H(μ)為土壤排水強(qiáng)度;t為排水周期。

1.4 評價方法

結(jié)合灌溉、排水和施肥等多個驅(qū)動因素的影響,采用灰色關(guān)聯(lián)分析方法,確定各因素對灌區(qū)土壤水鹽運(yùn)移的主次關(guān)系。

為了確定某一要素對水鹽運(yùn)移的時空變化是否具有實(shí)際影響,將2022年5月、6月灌區(qū)土壤土層20～100 cm空間的總含水率、總?cè)}量作為參考數(shù)列yo(t),將灌溉定額、灌溉模式、排水強(qiáng)度、排水周期、施肥量作為比較數(shù)列yj(t),做無量綱化處理后,進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析。

Vj(t)=

(2)

式中:Vj(t)是時間t的總含水率、總?cè)}量參考數(shù)列yo(t)與比較數(shù)列yj(t)的關(guān)聯(lián)系數(shù);β是分辨系數(shù)。

確定灌溉、排水、施肥因素變化過程與土壤水鹽運(yùn)移狀態(tài)的關(guān)聯(lián)程度后,分析多因素驅(qū)動下,土壤水鹽運(yùn)移狀態(tài)的定量響應(yīng)關(guān)系:

Rm=f(Q,D,E)

(3)

式中:Rm表示灌溉Q、排水D、施肥E條件交互影響下的土壤水鹽量;f表示敏感性指數(shù)。

2 結(jié)果分析

2.1 灌溉條件對土壤水鹽運(yùn)移模式和變化特征的影響

表4是不同灌溉模式對土壤含水率的影響測試結(jié)果。如表4所列,A1、A2、B1、B2、C1、C2方案下,隨著土層深度增大,土壤含水率整體都出現(xiàn)先減小后增大的趨勢。

表4 不同灌溉模式對土壤含水率的影響

具體變化特征是:土層20 cm的含水率處于峰值,含水率在40 cm土層處出現(xiàn)驟減,原因是灌溉時表層還存在水分蒸發(fā)的現(xiàn)象,導(dǎo)致灌溉水不能全面入滲至此土層。土層60～100 cm的含水率相比土層40 cm而言增多,原因是水分的入滲積累作用。從總含水率數(shù)值分析可知,相同灌溉定額下,灌溉模式的不同決定了土壤含水率的不同,浸灌模式會增加土層20～100 cm的總含水率。

表5是不同灌溉模式下土壤全鹽量變化。如表5所列,隨著土層深度增大,A1、A2、B1、B2、C1、C2方案下,土壤全鹽量整體都出現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

表5 多個灌溉模式下土壤全鹽量變化

具體變化特征是:相同灌溉定額下,灌溉模式的不同決定了土壤全鹽量的不同,相對噴灌模式,浸灌模式減少了土層20～100 cm處的總?cè)}量。

2.2 排水條件對土壤水鹽運(yùn)移模式和變化特征的影響

不同排水量條件下,土壤水鹽運(yùn)移模式及變化特征如表6、表7所列。

表6 不同排水量條件下土壤含水率變化

表7 不同排水量條件下土壤全鹽量變化

表6數(shù)據(jù)顯示,P1、P2、P3條件下土壤含水率隨著土層深度的增加而出現(xiàn)先減小后增大。具體變化特征是:3種排水方案下,0～40 cm土層的含水率逐漸變小,60～100 cm土層的含水率相比40 cm土層而言增多,原因是水分的積累作用。

P1方案土壤含水率小于P2、P3的原因是:雖然P2、P3單次排水量較大,但排水周期較長,會導(dǎo)致60～100 cm土層含水率積累驟升。將P1、P2、P3條件下的土壤含水率變化進(jìn)行比較分析可知,排水周期對土壤含水率運(yùn)移狀態(tài)的影響更顯著。

表7數(shù)據(jù)顯示,P1、P2、P3條件下土壤全鹽量隨著土層深度的增加而出現(xiàn)先增大后減小的變化。

具體變化特征是:3種排水策略影響下,土層深度60～100 cm時,土壤全鹽量逐漸變小。原因是P1的排水間隔時間最短,1 h排水一次,排水效率高,所以土層全鹽量小于P2、P3。比較P1、P2、P3條件下的土壤全鹽量變化可知,排水周期對土壤全鹽量運(yùn)移狀態(tài)的影響更顯著。

2.3 施肥條件對土壤水鹽運(yùn)移模式和變化特征的影響

4種施肥條件下,土壤水鹽運(yùn)移模式及變化特征如表8、表9所列。

表8 不同施肥條件下土壤含水率變化

表9 不同施肥條件下土壤全鹽量變化

分析表8數(shù)據(jù)可知,不施肥方案I0下,各個土層含水率和施肥方案I1、I2、I3差異不大,肥料條件對土壤含水率不存在直接影響,但隨著土層深度增加,各土層含水率仍是先變小后變大。

分析表9數(shù)據(jù)可知,不施肥時土壤全鹽量最少,施肥后,土壤全鹽量增多。各個土層的全鹽量都存在先增大后減小的趨勢。原因是隨著施肥量變大,淺層(土層20～40 cm)土壤水鹽濃度變大,而隨著土層深度增加,水鹽滲入至深層土壤時,水分運(yùn)移、肥料濃度梯度的作用會減少深度土層的全鹽量。施肥量對水鹽運(yùn)移狀態(tài)存在直接影響,對水分運(yùn)移狀態(tài)影響不大。

2.4 土壤水鹽運(yùn)移對灌溉-排水-施肥驅(qū)動作用的響應(yīng)

采用式(2)計(jì)算灌溉定額、灌溉模式、排水強(qiáng)度、排水周期、施肥量與土壤水鹽運(yùn)移狀態(tài)的關(guān)聯(lián)度。關(guān)聯(lián)度顯示每個因素對土壤水鹽運(yùn)移狀態(tài)影響的大小排名是:灌溉模式>灌水定額>排水周期>排水強(qiáng)度>施肥量。

表10是土壤水鹽運(yùn)移對灌溉-排水-施肥驅(qū)動作用的響應(yīng)結(jié)果。土壤水鹽運(yùn)移狀態(tài)對各因素驅(qū)動作用的響應(yīng)狀態(tài)通過敏感性指數(shù)f體現(xiàn),該指數(shù)的響應(yīng)敏感性排序是:灌溉模式>灌水定額>排水周期>排水強(qiáng)度>施肥量,結(jié)果和關(guān)聯(lián)度分析結(jié)果一致,說明該結(jié)果就是影響灌區(qū)土壤水鹽運(yùn)移狀態(tài)的各因素參數(shù)主次關(guān)系。

表10 土壤水鹽運(yùn)移狀態(tài)對各因素驅(qū)動作用的響應(yīng)

2.5 灌溉-排水-施肥條件的顯著性差異分析

依據(jù)回歸模型,進(jìn)一步對土壤水鹽運(yùn)移狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析,結(jié)果如表11所列。

表11 土壤水運(yùn)移狀態(tài)與各因素的相關(guān)性分析

由表11可知,土壤含水率隨施肥量和排水條件增大而減小,呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系,R2值分別為0.986和0.864;土壤含水率隨灌溉模式和灌水定額增加而變大,呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系,R2值分別為0.871和0.773,表明各因素下土壤水鹽運(yùn)移狀態(tài)和變化特征的差異顯著。

3 結(jié) 論

通過建立灌溉-排水-施肥驅(qū)動下土壤水鹽運(yùn)移響應(yīng)的表征指標(biāo)體系,辨識灌溉-排水-施肥多因素驅(qū)動作用下土壤水鹽遷移模式、變化規(guī)律,剖析灌區(qū)土壤水鹽運(yùn)移狀態(tài)對多種驅(qū)動因素的響應(yīng)狀態(tài),明確灌溉、排水、施肥等驅(qū)動因素對土壤水鹽運(yùn)移狀態(tài)的影響。主要結(jié)論如下:

(1) 浸灌模式會增加土層20～100 cm處的總含水率,減少土層20～100 cm處的總?cè)}量。

(2) 土壤含水率隨著土層深度的增加而出現(xiàn)先減小后增大,土壤含全鹽量隨著土層深度的增加而出現(xiàn)先增大后減小,排水周期為1 h排水一次時,土層全鹽量最小。

(3) 不施肥時土壤全鹽量最少;施肥后,土壤全鹽量增多。各個土層的全鹽量都存在先增大后減小的趨勢。

(4) 影響灌區(qū)土壤水鹽運(yùn)移狀態(tài)的各因素參數(shù)主次關(guān)系為:灌溉模式>灌水定額>排水周期>排水強(qiáng)度>施肥量,且差異顯著。