棉田膜下滴灌年限對(duì)土壤鹽分累積的影響研究

弋鵬飛,虎膽?吐馬爾白,吳爭光,王一民,張金珠

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院,烏魯木齊 830052）

膜下滴灌技術(shù)是將覆膜種植與滴灌技術(shù)相結(jié)合的一種新型灌溉技術(shù),滴灌淡化了主根區(qū)的鹽分,為作物生長提供了良好的水鹽環(huán)境,并且抑制了土壤蒸發(fā)和表層積鹽[1-2]。膜下滴灌改變了常規(guī)的灌溉方式,可控性較強(qiáng),不會(huì)產(chǎn)生深層滲漏,最大限度地降低了水資源的浪費(fèi)和土壤水分蒸發(fā),可以顯著提高水分利用率,并且能使作物達(dá)到高產(chǎn)效果。最近幾年國內(nèi)外將膜下滴灌技術(shù)用于原生鹽堿地的開發(fā)和次生鹽堿化的防治已取得明顯效果[3-9]。目前新疆膜下滴灌節(jié)水技術(shù)發(fā)展很快,在推動(dòng)棉花生產(chǎn)、實(shí)現(xiàn)棉花生產(chǎn)精確化管理方面發(fā)揮了重要作用,但是新疆綠洲農(nóng)田出現(xiàn)了新的次生鹽漬化農(nóng)業(yè)問題[10-12]。在新疆氣候干燥、蒸發(fā)量大情況下,特殊的自下而上水分運(yùn)移過程,導(dǎo)致鹽分在土壤表層聚集,長期連作棉田土壤有潛在的土壤次生鹽漬化危險(xiǎn)。國內(nèi)關(guān)于大棚設(shè)施土壤鹽分的變化趨勢(shì)報(bào)道很多,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)設(shè)施土壤鹽分隨種植年限延長而增加,pH值呈降低的趨勢(shì)[13-15]。但是對(duì)于膜下滴灌這種灌溉方式隨年限的延長影響土壤鹽分變化的研究很少。膜下滴灌由于其特殊的覆蓋結(jié)構(gòu),改變了土壤的生態(tài)環(huán)境和自然狀態(tài)下的水熱平衡,尤其是改變了土壤的理化性狀。本文通過監(jiān)測(cè)不同年限的膜下滴灌棉田,研究膜下滴灌條件下的鹽分累積特征,并探討膜下滴灌條件下土壤鹽分隨滴灌年限的變化趨勢(shì),為膜下滴灌技術(shù)利用可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)地概況

該試驗(yàn)地在新疆石河子農(nóng)八師121團(tuán),它是實(shí)施膜下滴灌技術(shù)種植棉花最早的地區(qū),該地區(qū)位于天山北麓 ,準(zhǔn)噶爾盆地南部 ,東經(jīng) 85°20′-85°48′,北緯44°45′-44°58′。該地屬于典型的內(nèi)陸荒漠性氣候,日照時(shí)間長,平均最高氣溫35℃。年平均降水180 mm,蒸發(fā)量1 600 mm。試驗(yàn)地屬于瑪納斯河下游古老的沖擊平原地帶,沙丘間為原始荒地,土壤質(zhì)地為沙壤土。實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)選自石河子農(nóng)八師121團(tuán)6連,共6塊試驗(yàn)地,分別是 1998年、1999年、2001年、2003年、2004年、2005年開墾并種植棉花的地塊(即滴灌12,11,9,7,6,5 a的地塊)。播種前對(duì)6塊不同種植年限的地塊理化性狀進(jìn)行取土化驗(yàn),試驗(yàn)地土壤理化性狀基本一致。0-100 cm土層平均容重1.48 g/cm3,田間持水量為20.6%(重量含水率)。鹽分類型以氯化物-硫酸鹽為主,土壤有機(jī)質(zhì)含量為0.82%,全氮、速效氮的含量分別為0.081%,75 mg/kg,全磷0.042%,速效磷13 mg/kg。地下水埋深在生育期內(nèi)為2～3 m,灌溉水質(zhì)為地表淡水,礦化度為0.8～1.0 g/L。

1.2 試驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)研究棉花不同滴灌種植年限土壤鹽分累積規(guī)律,實(shí)驗(yàn)時(shí)間2008年、2009年,棉花采用覆膜栽培,布置方式為一膜兩管,實(shí)驗(yàn)地依據(jù)當(dāng)?shù)胤N植經(jīng)驗(yàn),采用相同的灌溉制度:全生育期灌溉量3 900 m3/hm2,共滴水 8～10次,施肥隨水滴入,平均施尿素450 kg/hm2,磷酸二銨 120 kg/hm2,磷酸二氫鉀67.5 kg/hm2,棉苗數(shù)24萬/hm2。取土方法:每塊土地取土點(diǎn)采用GPS定位,每次在相同位置取土。分別是膜內(nèi)滴頭處、棉花窄行(距滴頭約25 cm)、膜間裸地(距滴頭55-60 cm),每點(diǎn)分別采用土鉆取土,垂直方向分0-5,5-20,20-40,40-60,60-80,80-100 cm六個(gè)層次取樣,每塊地設(shè)3個(gè)重復(fù)。取樣后利用烘干法測(cè)其土壤含水率,再利用DDS-307電導(dǎo)率儀測(cè)定水土比為5∶1土壤浸提液的電導(dǎo)率,然后換算成土壤的全鹽含量。取樣時(shí)間分別在3月下旬(翻地)、4月中旬(播種前后)、6月中旬(滴第一水前 、后)、7月中 、下旬(花期)、8月中旬(鈴期)、9月上旬(吐絮期)、9月中旬(收獲期)取土。數(shù)據(jù)通過SPSS統(tǒng)計(jì)軟件和Excell軟件進(jìn)行分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 滴灌下土壤空間鹽分的變化

圖1和表1表示在滴灌5 a的地塊上棉花初次灌水兩天(苗期)后,土壤鹽分在垂直方向上和水平方向上的分布特征。從圖1中可以看出膜內(nèi)和膜間鹽分有明顯的差異。膜內(nèi)土壤由于其地膜覆蓋,減少了地表水分蒸發(fā),土壤返鹽量少,而且膜內(nèi)土壤距離滴灌帶近,受到水分的淋洗充分,鹽分在水分的攜帶下發(fā)生側(cè)向運(yùn)移。膜內(nèi)與膜間0-5 cm土壤鹽分具有表聚現(xiàn)象,是由于停止灌水后,土壤水分在水勢(shì)梯度、棉花蒸騰和土壤蒸發(fā)的作用下向地表遷移,鹽分也隨著水分的遷移而積累在0-5 cm土壤處。20-40 cm內(nèi)土壤鹽分為各層最低,在60-80 cm達(dá)到最高,80 cm以下鹽分又逐漸減小。主要是水分在入滲的過程中將土壤中的鹽分帶入土層深處,隨著深度的增加,入滲的水量逐漸減小,鹽分含量隨水移動(dòng)逐漸遷移增加。在80-100 cm深處,由于滴灌的灌溉量少,加上棉花此段生長旺盛,需水強(qiáng)度大,所以水分消耗較強(qiáng),造成濕潤鋒在80 cm以內(nèi),80 cm以下受到水分淋洗影響偏弱,鹽分含量表現(xiàn)較小。膜內(nèi)各層土壤鹽分相比膜間都較低,充分說明了覆膜的優(yōu)勢(shì),不僅具有減輕鹽分在表層累積的作用,還具有使鹽分側(cè)移至膜間的功能,從而減小了鹽分對(duì)棉花的危害,保證了棉花對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收。從表1中可以看出灌水后土壤鹽分不僅在深度方向上有差異,而且在同一深度的水平方向上差異也明顯?？傮w上是滴頭下方的含鹽量低于棉花窄行,兩者且都低于膜間裸地的含鹽量。原因是滴灌時(shí),水分以水滴形式滴入土層表面,在滴頭下方逐漸形成飽和區(qū)。水分在重力和毛管力的作用下向土壤深層運(yùn)移,也在毛管力和土壤基質(zhì)勢(shì)的作用下水平方向擴(kuò)散,土壤鹽分也沿著濕潤球體的半徑方向擴(kuò)散,不斷滴入土體的水分對(duì)土壤鹽分具有淋洗作用,土壤鹽分隨著水分移動(dòng),累積在濕潤體邊緣,各濕潤體相互搭接成濕潤帶,在濕潤區(qū)的交界處即膜間裸地形成了含鹽量較高的積鹽區(qū)。滴水過程中滴頭下方土壤始終處于脫鹽,窄行棉花根區(qū)土壤鹽分也在減少,但幅度偏小,膜間裸地接納了膜內(nèi)和棉花根區(qū)的鹽分則處于積鹽,這與水分的運(yùn)移路徑有密切的關(guān)系。從表中還可以看出在土壤20-40 cm鹽分含量在這3處中都表現(xiàn)最小,形成了穩(wěn)定的鹽分淡化區(qū)域,這為棉花根系發(fā)育提供了一個(gè)良好的水鹽環(huán)境。

表1 水平方向鹽分分布 %

圖1 垂直方向土壤鹽分分布

2.2 膜內(nèi)、膜間土壤鹽分在生育期前后的變化

經(jīng)過生育期多次灌水和水分的消耗過程,在蒸騰作用及水分淋洗的條件下,土壤處于脫鹽與積鹽相互交替的狀態(tài),生育期結(jié)束后鹽分是否累積是關(guān)注的焦點(diǎn),為此將滴灌5 a的地塊棉花收獲期(9月10日)0-100 cm各層土壤鹽分與苗期(6月9日)進(jìn)行對(duì)比,見表2-3。

表2 膜內(nèi)土壤不同土層鹽分含量變化

表3 膜間土壤不同土層鹽分含量變化

從表2,3中可以看出膜內(nèi)與膜間土壤在苗期時(shí)(灌水前)表層都有不同程度的積鹽,膜內(nèi)積鹽程度低于膜間,經(jīng)過多次灌水,膜內(nèi)各層土壤鹽分趨于相近,并在生育期中保持了較為穩(wěn)定的狀態(tài)。在膜內(nèi)80 cm深處,收獲期的鹽分高于同一深度灌前的鹽分,說明鹽分為深層出現(xiàn)累積,但是累積幅度不大,積鹽率在9.54%～14.48%。膜間土壤在開始灌溉前比膜內(nèi)累積程度嚴(yán)重,因?yàn)槟らg沒有覆膜,蒸發(fā)十分強(qiáng)烈,土壤鹽分隨水分遷移到上層土壤,尤其是地表鹽分含量高于下層。在灌水期間,膜間土壤距離滴頭遠(yuǎn),加上薄膜的阻隔,水分到達(dá)膜間的含量就很少,土壤含水量遠(yuǎn)低于膜內(nèi)。灌水使膜內(nèi)根區(qū)的鹽分運(yùn)移到膜間,膜內(nèi)形成淡化區(qū),膜外接納了膜內(nèi)的鹽分形成積鹽區(qū),表現(xiàn)出“鹽隨水動(dòng)”的規(guī)律。膜間裸地充當(dāng)了干排鹽的生態(tài)用地角色,減輕了由于灌溉水量小引起的鹽分失衡狀況,維持了短期內(nèi)土壤鹽分平衡。由于棉花根系主要分布在膜內(nèi),膜間積累的鹽分不會(huì)對(duì)棉花生長產(chǎn)生影響。由表2可以看出,膜內(nèi)0-100 cm土壤鹽分動(dòng)態(tài)變化情況,0-60 cm土壤從生育期灌水到灌水結(jié)束處于脫鹽狀態(tài),隨著深度的遞增,脫鹽率逐漸減小,變化幅度為13.36%～63.04%。60-100 cm略微積鹽,平均積鹽率為12.01%。由表3可以看出,膜間0-100 cm土壤鹽分從生育期灌水到灌水結(jié)束處于積鹽狀態(tài),0-20 cm土壤積鹽程度比較明顯,平均積鹽率為50.05%,隨著深度的遞增,積鹽率逐漸降低。

2.3 灌水前后不同年限土壤鹽分的變化

從圖2中可以看出灌水前(6月9日)不同年限土壤表層鹽分含量較高,而多次灌水后(8月25日)鹽分卻主要集中在60 cm以下,0-40 cm土壤處于脫鹽過程。在灌前,滴灌9,11,12 a的土壤鹽分主要集中在0-20 cm,滴灌5,6,7 a的土壤鹽分卻主要集中在60-80 cm,說明隨著膜下滴灌年限的增加,土壤鹽分在灌前聚集的層次逐漸向地表移動(dòng)。滴灌年限越長的地塊表層在滴灌前容易返鹽,且增幅偏高,滴灌12 a土壤表層含鹽量比其20 cm的土壤高了0.53%,滴灌6 a的土壤表層含鹽量比其20 cm的土壤只多了0.22%。滴灌9,11,12 a地表的含鹽量在灌第一水前超過了棉花標(biāo)準(zhǔn)的耐鹽范圍(棉花耐鹽度為0.5%),需要及時(shí)灌水淋洗,以防影響棉花生長,而滴灌5,6,7 a的地表含鹽量低于棉花的耐鹽度。在灌水條件下不同年限土壤剖面鹽分分布大致相似,上層鹽分在減少,下層鹽分在累積。大田滴灌前的棉花處于苗期(4月下旬-6月上旬),通常苗期幾乎不灌水,出苗水的灌溉可以保證棉苗的正常生長,同時(shí)幼苗需水少,而且薄膜覆蓋降低了土壤水分蒸發(fā),具有良好的保墑作用。隨時(shí)間的推移5-6月氣溫逐漸升高,地表的蒸發(fā)逐漸變強(qiáng),表層的土壤水分含量逐漸降低,同時(shí)土壤的基質(zhì)勢(shì)降低,土壤吸力變大,土壤水分在毛管力的作用下向上運(yùn)移,土壤中的鹽分隨水分一起向地表遷移。當(dāng)表層的土壤水分減少到一定程度,土壤鹽分就在地表逐漸累積,所以灌第一水前的土壤鹽分在表層聚集嚴(yán)重,這在不同年限土壤中表現(xiàn)一致。棉花經(jīng)過一個(gè)生育期的灌水后,土壤中上層的鹽分逐漸淋洗到深層80 cm以下土壤中。據(jù)數(shù)據(jù)分析灌水量越大,鹽分運(yùn)移的深度會(huì)越深,灌溉期的土壤含鹽量低于非灌溉期的土壤含鹽量,說明膜下滴灌在灌溉期內(nèi)對(duì)土壤具有較好的洗鹽效果。

圖2 灌水前、后不同年限土壤鹽分分布

2.4 不同深度土層土壤鹽分隨年限變化

表4表示吐絮期后不同年限滴灌棉田的不同層次深度土壤鹽分含量對(duì)比。從表中可以看出隨著棉花5 a膜下滴灌后,土壤鹽分積累比較迅速,不同層次深度鹽分都有所累積。采樣數(shù)據(jù)通過SPSS 16.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì),經(jīng)過方差分析可知土壤在0-100 cm深度內(nèi),3個(gè)層次鹽分的相關(guān)關(guān)系在各個(gè)年限中表現(xiàn)差異極顯著,說明滴灌條件下土壤鹽分具有明顯的分層現(xiàn)象。滴灌年限11,12 a地塊的0-100 cm土壤鹽分總量和滴灌5 a的地塊相比差異顯著,且滴灌6,7,9,11,12 a的土壤鹽分比滴灌5 a的土壤分別增加了15.97%,22.69%,27.73%,34.45%,44.54%,并且土壤鹽分的升高對(duì)棉花的生長已經(jīng)產(chǎn)生了脅迫影響。表4顯示土壤鹽分在表層和底層累積量高于中部,說明鹽分的運(yùn)移同時(shí)存在著明顯向底層運(yùn)移和向表層聚集兩種方式,但主要是運(yùn)移到土壤深層。這在新疆北部和南部種植棉花的地區(qū)表現(xiàn)一致。根據(jù)當(dāng)?shù)啬は碌喂嗝藁ǚN植經(jīng)驗(yàn),結(jié)合本研究認(rèn)為,當(dāng)?shù)?21團(tuán)膜下滴灌的地塊一般在種植棉花5 a后應(yīng)大水洗鹽,這樣才能使土壤總體鹽分含量保持一個(gè)較低層次,保證棉花能夠長期正常生長。總之棉田土壤的鹽分累積特征主要有兩方面,一方面,由于在生育期大量施肥及灌水增加了鹽分的向下淋洗量,從而使底土層的含鹽量高于土壤上層含鹽量;另一方面,鹽分又因?yàn)橥寥勒舭l(fā)隨著水分的向上運(yùn)動(dòng)而逐漸向表層遷移、聚集,出現(xiàn)明顯的表聚現(xiàn)象。由于滴灌棉花根系主要分布在土壤中上層,因此,土壤淺層鹽分含量的增高抑制了根系對(duì)水肥的吸收,表現(xiàn)出對(duì)作物明顯的鹽分脅迫現(xiàn)象,而且底層鹽分的聚集增加了土壤次生鹽漬化潛在的可能性。

表4不同滴灌年限不同深度土壤鹽分變化 %

3 結(jié)論與討論

在滴灌條件下,土壤鹽分隨著水分的入滲和擴(kuò)散,主要積累在膜間地表0-20 cm和60 cm深度以下土壤,膜內(nèi)地表和膜間地表在每次滴灌結(jié)束后都表現(xiàn)出蒸發(fā)返鹽現(xiàn)象。土壤鹽分在生育期里表現(xiàn)出“鹽隨水動(dòng)”的規(guī)律。土壤鹽分在苗期大量累積在土壤中,經(jīng)過整個(gè)生育期的灌水,收獲期時(shí)膜內(nèi)主要表現(xiàn)脫鹽過程,膜間表層積鹽較為顯著。灌溉期的土壤鹽分含量低于非灌溉期的土壤鹽分。

土壤鹽分累積特征主要表現(xiàn)在兩方面:一是由于在生育期大量施肥及灌水增加了鹽分的向下淋洗量,從而使底土層的含鹽量高于土壤上層含鹽量;另一方面,鹽分又因?yàn)橥寥勒舭l(fā)隨著水分的向上運(yùn)動(dòng)而逐漸向表層遷移、聚集,出現(xiàn)明顯的表聚現(xiàn)象,土壤剖面中層鹽分含量低。這與劉國華[16-18]等人的研究基本一致。隨著膜下滴灌年限的延長,土壤鹽分在灌前聚集的層次逐漸向地表移動(dòng),不同深度土層的含鹽量都有明顯的增加,并且差異達(dá)到極顯著水平。滴灌年限相差6～7 a的棉田0-100 cm鹽分差異達(dá)到顯著水平。

從棉田膜內(nèi)土壤與膜間土壤在生育期內(nèi)鹽分變化分析得出:滴灌棉田在整個(gè)生育期內(nèi)總體呈積鹽狀態(tài),這與周宏飛等人研究一致[19-20]。膜下滴灌技術(shù)使用以來,因?yàn)槿コ伺艍A渠這種排鹽堿設(shè)施,使得土壤鹽分只進(jìn)不出。膜下滴灌雖節(jié)省了水資源,可以把作物根區(qū)的鹽分淡化,這只是一種短期的比較合理的壓鹽措施,但是鹽分始終在棉田累積,可以推測(cè)鹽分累積到一定程度,容易在強(qiáng)烈蒸發(fā)或者灌溉措施不合理等條件下,土壤鹽分就會(huì)通過毛管作用強(qiáng)烈地聚集在地表,造成嚴(yán)重的棉田次生鹽漬化現(xiàn)象,嚴(yán)重影響棉田可持續(xù)發(fā)展,所以膜下滴灌使用一定年限后,須結(jié)合當(dāng)?shù)赝寥利}漬化狀況,對(duì)棉田進(jìn)行大水漫灌洗鹽是保證棉田可持續(xù)發(fā)展的必要措施。

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