膜下滴灌條件下KNO3肥液濃度對(duì)土壤水鹽運(yùn)移的影響

冀雅珍 武海霞

(1.山西省水利水電科學(xué)研究院，山西 太原 030002；2.河北工程大學(xué)，河北 邯鄲 056000)

膜下滴灌條件下KNO3肥液濃度對(duì)土壤水鹽運(yùn)移的影響

冀雅珍1武海霞2

(1.山西省水利水電科學(xué)研究院，山西 太原 030002；2.河北工程大學(xué)，河北 邯鄲 056000)

為了研究膜下滴灌條件下不同肥液濃度對(duì)土壤中水鹽分布規(guī)律的影響，通過(guò)大田作物試驗(yàn)，采用滴灌系統(tǒng)進(jìn)行水肥一體化灌溉，測(cè)量不同KNO3肥液濃度下土壤含水率、含鹽量，并對(duì)水鹽分布規(guī)律進(jìn)行分析。結(jié)果表明，土壤含水量越大的地方，含鹽量越??；肥液濃度對(duì)于土壤水分的分布情況無(wú)明顯影響，但對(duì)含鹽量影響明顯；隨肥液濃度增大，表層土壤中含鹽量變大，深層土壤中變化規(guī)律不明顯；試驗(yàn)中土壤鹽分運(yùn)移耦合性較好，可為揭示膜下滴灌條件下水鹽運(yùn)移規(guī)律提供參考。

滴灌；膜下滴灌；土壤；水鹽分布；運(yùn)移規(guī)律

山西位于典型的干旱半干旱地區(qū)，近年來(lái)，滴灌技術(shù)作為一種新型的節(jié)水灌溉技術(shù)在該地逐步推廣應(yīng)用，尤其以玉米為主的高效用水灌溉面積也持續(xù)增加。采取滴灌技術(shù)后可實(shí)現(xiàn)水肥一體化灌溉，從而達(dá)到省水、省肥的效果。該技術(shù)自動(dòng)化程度高，對(duì)地形的適應(yīng)能力也很強(qiáng)，并能使作物根區(qū)的土壤水分保持在最佳水平，從而便于作物吸收水分和養(yǎng)分，提高作物產(chǎn)量。

但是在干旱半干旱地區(qū)滴灌條件下實(shí)施水肥一體化灌溉，會(huì)使土壤中的鹽分較高，形成明顯的積鹽區(qū)和脫鹽區(qū)，從而可能影響作物根系的發(fā)育[1]。因此對(duì)于滴灌條件下的水鹽肥耦合以及土壤水鹽肥分布規(guī)律的研究是非常必要的。本文通過(guò)大田作物試驗(yàn)，對(duì)膜下滴灌條件下不同KNO3肥液濃度對(duì)土壤中水鹽分布規(guī)律的影響進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)概述

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于大同市陽(yáng)高縣南徐屯村膜下滴灌示范基地，該縣屬高原溫帶季風(fēng)型大陸性氣候，春季干旱多風(fēng)沙、蒸發(fā)量大，夏季降水集中，秋季降水驟減，冬季降水稀少，四季分明，區(qū)內(nèi)多年平均氣溫7.1℃。由于受季風(fēng)影響，降水量年內(nèi)、年際分配不均，且多集中在7～8月份，多年平均降水量423.86 mm，年蒸發(fā)量1 924 mm。水資源不足，氣象災(zāi)害頻繁，多年平均干旱指數(shù)為2.8，屬半干旱少雨地帶，“十年九旱”，糧食生產(chǎn)水平低而不穩(wěn)。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)區(qū)大田玉米種植模式為一膜一管雙行的膜下滴灌方式，膜寬40 cm，膜間距60 cm，滴頭流量為2.2 L/h，滴頭間距33 cm，灌水定額為373 m3/hm2。為能使玉米籽粒飽滿，并能使植物莖根粗壯、不易倒伏，增強(qiáng)抗旱、抗寒、抗病能力，根據(jù)當(dāng)?shù)厝罕姷氖┓柿?xí)慣，適量施用復(fù)合肥KNO3。在試驗(yàn)區(qū)分灌水相同、肥濃度不同的4個(gè)處理組進(jìn)行研究，即無(wú)施肥灌溉(SF0)、施肥高濃度1.5 kg/ m3(SF1)、中濃度1 kg/m3(SF2)和低濃度0.5 kg/m3(SF3)，重復(fù)3次，每個(gè)處理組面積49 m2。為了能反映不同肥液濃度對(duì)土壤中水及鹽的運(yùn)移和分布規(guī)律影響，特配置了以上3種不同濃度的肥液進(jìn)行灌溉，并與無(wú)施肥灌溉進(jìn)行對(duì)比。肥液在需要灌溉時(shí)現(xiàn)場(chǎng)按照試驗(yàn)方案進(jìn)行配置使用，避免鉀肥失效。

試驗(yàn)區(qū)土壤均質(zhì)性良好，完全能夠滿足試驗(yàn)的要求，取土采取如下方法進(jìn)行：以滴頭為中心的圓形濕潤(rùn)區(qū)域，在時(shí)鐘三點(diǎn)、七點(diǎn)和十一點(diǎn)的3個(gè)不同方向的同一半徑上按序取樣，取樣點(diǎn)為O，O1，O2三點(diǎn)，O點(diǎn)距滴頭5 cm，O～O1、O1～O2每?jī)牲c(diǎn)之間的取樣距離為10 cm；取樣土層深度0，10，20 cm和30 cm。取土位置分別在各處理組地塊的中心處，具體的取土?xí)r間是：第1次取土樣在剛灌溉完當(dāng)天進(jìn)行；第2次取土在灌水后第2天進(jìn)行；第3次取土樣在灌水后第3天進(jìn)行。取土方法土壤含水量測(cè)定采用傳統(tǒng)的烘干法，土壤含鹽量測(cè)定采用電導(dǎo)率儀，含氮量采用分光光度計(jì)測(cè)定。取土方法見(jiàn)圖1。

圖1 取土方法示意

2 膜下滴灌條件下水分運(yùn)移規(guī)律研究

2.1 無(wú)肥土壤水分運(yùn)移規(guī)律

項(xiàng)目區(qū)農(nóng)作物主要以玉米為主，在取土過(guò)程中，以作物根系層深度60 cm為宜，由于根系層以下的土壤水分很少參與水分循環(huán)，只有儲(chǔ)存量，而少有更新[2]，所以在研究過(guò)程中把土壤水界定在與作物根系層吸水有關(guān)的深度內(nèi)[3]。

根據(jù)以上取土方法，對(duì)所取數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理分析，以無(wú)施肥滴灌條件下土壤含水量分布及土壤水分隨時(shí)間運(yùn)移規(guī)律為例進(jìn)行分析。無(wú)施肥滴灌下含水量隨時(shí)間變化見(jiàn)圖2～4。

圖2 無(wú)肥滴灌O點(diǎn)土壤含水率變化

圖3 無(wú)肥滴灌O1點(diǎn)土壤含水率變化

圖4 無(wú)肥滴灌O2點(diǎn)土壤含水率變化

由圖2～4分析可得以下無(wú)肥滴灌條件下土壤水分運(yùn)移規(guī)律。

(1) 剛灌水后，土壤含水量最大值出現(xiàn)在滴頭的正下方O點(diǎn)處。

(2) 土壤中水分橫向分布規(guī)律為：滴頭處土壤含水量最大，向四周擴(kuò)散逐漸變?。豢v向則是表層土壤含水量最高，沿土壤深度向下含水量逐漸變小。

(3) 灌水后，隨著時(shí)間推移，自表層土壤向下含水率明顯降低。這是因?yàn)楣嗨蟊韺油寥肋_(dá)到飽和狀態(tài)，土壤水分在土壤水勢(shì)梯度的作用下繼續(xù)向深層移動(dòng)，從而含水量減少，處于脫濕狀態(tài)。同時(shí)由于表層土壤直接與大氣接觸，土壤水分不斷蒸發(fā)，在土壤水分不斷下滲及表面蒸發(fā)的共同作用下，表層土壤水分下降較快[4]。

(4) 在灌水后當(dāng)天至第2天時(shí)段內(nèi)，深層土壤仍有含水率增加的現(xiàn)象，這是因?yàn)楸韺油寥乐械乃衷谥亓?shì)的影響下，繼續(xù)向下移動(dòng)，從而使深層土壤中含水量變大。

(5) 土壤含水率在當(dāng)天至第2天時(shí)段內(nèi)的變化幅度明顯大于第2天至第3天內(nèi)的變化幅度。這是由于在當(dāng)天至第2天時(shí)段內(nèi)，土壤中含水量較大，蒸發(fā)速度較快，蒸發(fā)消耗的水量能夠及時(shí)得到補(bǔ)充，所以蒸發(fā)水量較多，含水率變化幅度較大。而在第2天至第3天時(shí)段內(nèi)，含水量已明顯減少，蒸發(fā)需要的補(bǔ)給水量減少，水分蒸發(fā)較慢，且到后期主要以水氣擴(kuò)散為主。

2.2 不同肥液濃度對(duì)土壤水分運(yùn)移的影響

對(duì)同一時(shí)間同一點(diǎn)處不同肥液濃度下的土壤含水率分布情況進(jìn)行了分析，得出了各點(diǎn)的含水率隨土層深度變化的分布曲線圖，以O(shè)2點(diǎn)的含水率分布狀況為例，其含水率分布見(jiàn)圖5～7。

圖5 各肥液濃度O2點(diǎn)滴灌當(dāng)天土壤含水率變化

圖6 各肥液濃度O2點(diǎn)滴灌第2天土壤含水率變化

圖7 各肥液濃度O2點(diǎn)滴灌第3天土壤含水率變化

由圖5～7可知，肥液濃度的改變對(duì)于土壤水分分布情況變化的影響不明顯，與無(wú)肥灌溉下土壤分布及運(yùn)移情況有很大的相似性，從而得出，土壤水分的分布及運(yùn)移不隨肥液濃度改變的影響。

2.3 不同肥液濃度對(duì)土壤鹽分運(yùn)移的影響

項(xiàng)目試驗(yàn)中采用電導(dǎo)率法測(cè)量土壤中的含鹽量，其中的鹽分為可溶性鹽分。可溶性鹽分作為強(qiáng)電解質(zhì)，能在水中形成帶電的離子，從而使水溶液有良好的導(dǎo)電性。溶液的導(dǎo)電能力大小與土壤可溶性鹽分的含量呈正相關(guān)，土壤溶液的電導(dǎo)率能反映土壤含鹽量的高低，但不能反映混合鹽的組成。為了深入研究不同肥液濃度滴灌下土壤鹽分運(yùn)移的分布情況，以灌溉當(dāng)天不同肥液濃度下電導(dǎo)率的變化為例進(jìn)行分析，灌水當(dāng)天表層土壤電導(dǎo)率水平變化規(guī)律見(jiàn)圖8，無(wú)施肥滴灌當(dāng)天各取樣點(diǎn)電導(dǎo)率分布情況見(jiàn)圖9。

圖8 滴灌當(dāng)天表層土壤電導(dǎo)率水平變化

圖9 無(wú)肥滴灌當(dāng)天各點(diǎn)土壤電導(dǎo)率分布

由圖8及圖9的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出,在不同肥液濃度下土壤鹽分在水平方向均有如下分布規(guī)律：表層土壤含鹽量水平方向最小值在滴頭正下方，且含鹽量以滴頭為中心向四周逐漸加大，直至在濕潤(rùn)體邊緣處鹽分含量達(dá)最大。

以 O點(diǎn)的變化情況為例，采用不同肥液濃度灌溉對(duì)鹽分在垂直方向分布的影響進(jìn)行研究，如圖10～12所示。無(wú)肥灌溉下含鹽量均是由表層土壤隨土層深度的增加而逐漸增大。但肥液濃度增加后，表層土壤含鹽量有先下降再增加的趨勢(shì)，且在第3天時(shí)最明顯，這是由于肥液濃度增加使表層土壤的鹽分濃度增大，鹽分在向下推移過(guò)程中不僅受水分運(yùn)移的影響，還受自身濃度梯度的影響。表層土壤中鹽分濃度越大，越不利于上層鹽分向下運(yùn)移，因而出現(xiàn)表層土壤含鹽量有先下降再增加的趨勢(shì)。

圖10 滴灌下各肥液濃度O點(diǎn)當(dāng)天土壤電導(dǎo)率變化

圖11 滴灌下各肥液濃度O點(diǎn)第2天土壤電導(dǎo)率變化

圖12 滴灌下各肥液濃度O點(diǎn)第3天土壤電導(dǎo)率變化

3 膜下滴灌條件下土壤水鹽耦合研究

通過(guò)以上對(duì)于土壤含水率和含鹽量的分析，對(duì)兩者進(jìn)行耦合分析。以無(wú)施肥滴灌當(dāng)天O1點(diǎn)土壤含水率和電導(dǎo)率為例進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)圖13。

圖13 無(wú)施肥滴灌當(dāng)天O1點(diǎn)含水率和電導(dǎo)率對(duì)比

進(jìn)一步對(duì)其他施肥濃度下的不同點(diǎn)的水分和鹽分分布也進(jìn)行了分析，得出如下結(jié)論：①含水量最大的地方，含鹽量反而最小，水分與鹽分的分布均呈相反的規(guī)律。②剛灌水后，從當(dāng)天的水分分布和鹽分分布來(lái)看，土壤水分分布的范圍要比鹽分分布的范圍更廣些，剛灌水后水分在垂直方向上影響到20 cm左右，而鹽分只影響到15 cm左右，說(shuō)明鹽分的推移要滯后于水分的推移。③在灌水后1～3 d時(shí)間段內(nèi)，水分蒸發(fā)的變化明顯，但鹽分含量變化不大，所以在蒸發(fā)過(guò)程中水分的減少對(duì)于鹽分的運(yùn)移影響不大，兩者的耦合性較好。

4 結(jié) 論

通過(guò)研究膜下滴灌條件下肥液濃度對(duì)土壤中水分和鹽分的分布及運(yùn)移情況的影響，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，得出以下結(jié)論。

(1) 水鹽耦合均是含水量越大的土層，含鹽量越小。

(2) 隨著肥液濃度的變化，土壤中的含水量均沒(méi)有特別明顯的變化，但含鹽量有較大變化，鹽分運(yùn)移過(guò)程不僅與水分分布有關(guān)，還與其自身的濃度梯度有關(guān)，肥液濃度對(duì)其影響較大。

(3)土壤中鹽分的運(yùn)移耦合性較好。

根據(jù)膜下滴灌條件下的水鹽運(yùn)移規(guī)律，可為作物提供適宜生長(zhǎng)的良好條件。未來(lái)仍需進(jìn)一步研究膜下滴灌條件下不同肥液濃度的水鹽、水氮運(yùn)移對(duì)作物產(chǎn)量的影響以及如何根據(jù)水鹽、水氮運(yùn)移規(guī)律節(jié)省灌溉水量。

[1] 王全久，王文焰，呂殿青，等.膜下滴灌鹽堿地水鹽運(yùn)移特征研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2000(4)：54-57.

[2] 王水獻(xiàn)，董新光，吳彬.干旱鹽漬土土壤水鹽運(yùn)移數(shù)值模擬及調(diào)控模式[J] .農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，(13)：142-148.

[3] 韓建均，楊勁松.蘇北灘涂區(qū)水鹽調(diào)控措施對(duì)土壤鹽漬化的影響研究[J].土壤，2012，(4)：658-664.

[4] 王振昌. 民勤荒漠綠洲區(qū)棉花根系分區(qū)交替灌溉的節(jié)水機(jī)理與模式研究[D].楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2008.

(編輯：陳紫薇)

2016-09-07

水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201401030);河北省教育廳青年基金項(xiàng)目(QN2017039)；山西省水利廳科技與外事處項(xiàng)目(2014-2-SLT-010)

冀雅珍，女，山西省水利水電科學(xué)研究院，高級(jí)工程師.

武海霞，女，河北工程大學(xué)，副教授.

1006-0081(2017)04-0026-04

S275.6

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