灌溉水鹽分組成對土壤水鹽遷移參數(shù)的影響

郭全恩，南麗麗，李保國，曹詩瑜

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灌溉水鹽分組成對土壤水鹽遷移參數(shù)的影響

郭全恩1,2,3，南麗麗4，李保國3，曹詩瑜1,2

（1. 甘肅省農(nóng)業(yè)科學院土壤肥料與節(jié)水農(nóng)業(yè)研究所，蘭州 730070；2. 農(nóng)業(yè)部甘肅耕地保育與農(nóng)業(yè)環(huán)境科學觀測實驗站，武威 733017；3. 中國農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，北京 100193；4. 甘肅農(nóng)業(yè)大學草業(yè)學院，蘭州 730070）

淡水資源不足和鹽漬化是干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的限制因子。研究水鹽遷移參數(shù)是水鹽調(diào)控的重要目標。為此，該研究以甘肅省秦安縣興國鎮(zhèn)果園土樣為研究對象，采用水平土柱入滲法，探討不同鹽溶液（氯化鈉、氯化鈉和氯化鎂、氯化鈉和氯化鈣、氯化鈉和氯化鉀）在礦化度均為3 g/L的條件下對土壤水分擴散率和鹽分離子水平遷移的影響。結果表明：不同鹽分組成的灌溉水質(zhì)和含水率對土壤水分擴散率的影響均達極顯著水平（<0.01）。在灌溉水礦化度均為3 g/L的條件下，氯化鈉鹽溶液傳輸水分的潛在能力最大，加入一定的復鹽對水分的傳導起到阻滯作用，阻滯能力的大小是：氯化鈣>氯化鉀>氯化鎂。不同鹽分組成的灌溉水對土壤碳酸氫根和硫酸根的水平遷移具有顯著的影響（<0.05），對鹽分、鈣離子和鈉離子水平遷移具有極顯著的影響（<0.01）。入滲距離對土壤pH的影響以及灌溉水鹽分組成對土壤鈉吸附比的影響均達顯著水平（<0.05）。灌溉水鹽分組成對模型參數(shù)初始值和終止值有顯著的影響，參數(shù)初始值和終止值均呈現(xiàn)：氯化鈉>氯化鈉和氯化鎂>氯化鈉和氯化鉀>氯化鈉和氯化鈣。因此，從微咸水利用和鹽漬化土壤改良的角度考慮，在微咸水灌溉中加入一定量的鈣制劑可抑制水分擴散和降低土壤鹽分含量；從灌溉方法來看，需從地塊的兩端輪換灌溉可預防地塊一端脫鹽而另一端積鹽的現(xiàn)象。這一研究結果對于指導干旱、半干旱地區(qū)微咸水利用具有重要的科學意義。

灌溉；鹽分；土壤水分；擴散率；水平遷移；Boltzmann函數(shù)

0 引 言

中國西北旱區(qū)水源短缺已成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要限制因素。如何有效開發(fā)利用咸水資源已成為科研和政府部門迫切需要解決的難題。據(jù)統(tǒng)計，中國礦化度為2~5 g/L的地下微咸水資源為200億m3/a[1]，大多位于較為干旱的西北地區(qū)和華北平原[2]，若能合理開采利用，可有效彌補該地區(qū)降雨量少、地面灌溉水資源不足的劣勢。因此，微咸水的合理開發(fā)利用已成為緩解水資源緊缺的重要途徑之一。

近年來眾多學者就微咸水灌溉進行了研究[3-8]，適宜的微咸水灌溉不僅能補充作物生長所需水分，而且能淋洗掉土壤剖面多余的鹽分，有利于作物生長[9-10]。方生等[11]用微咸水（礦化度2~4 g/L）和半咸水（礦化度4~6 g/L）灌溉的小麥玉米，比不灌的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)1.2~1.6倍。張展羽等[12]對玉米苗期進行微咸水灌溉，礦化度低于3 g/L時，對幼苗生長沒有影響甚至有促進作用，當微咸水礦化度大于3 g/L時，光合作用明顯受到抑制。陳素英等[13]對冬小麥在拔節(jié)期和灌漿期用微咸水灌溉，結果表明利用礦化度小于5 g/L的微咸水灌溉，不會使冬小麥產(chǎn)量降低，灌溉1次微咸水比雨養(yǎng)旱作處理增產(chǎn)10%~30%。

長期以來，一些學者只關注灌溉水的礦化度[14-16]，而對灌溉水的化學組成重視不夠。灌溉過程中土壤水分入滲會驅(qū)逐土壤空氣，可能導致土壤出現(xiàn)周期性的滯水，這時土壤膠體中的某些鹽分離子與灌溉水質(zhì)中的鹽分離子發(fā)生化學反應，容易造成土壤結構的崩解。因此，灌溉水離子組成對土壤理化性狀的影響應當引起重視。

甘肅省秦安縣興國鎮(zhèn)果園長期利用微咸水灌溉，導致果園土壤次生鹽漬化的發(fā)生，特別是鈉鹽的危害[17]。由于土壤鈉質(zhì)（堿）化，干時收縮堅硬板結，濕時膨脹泥濘；結構性差，通透性不良，嚴重妨礙果樹的正常生長。為此，本研究從微咸水利用和土壤改良的角度出發(fā)，在陪伴陰離子均為Cl-的條件下，研究灌溉水質(zhì)中添加等摩爾量的陽離子（K+、Ca2+、Mg2+）對鹽漬化土壤水鹽遷移參數(shù)的影響，旨在為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試土壤取自甘肅中東部地區(qū)的秦安縣興國鎮(zhèn)果園，土壤電導率為0.43 mS/cm，pH值為8.54，有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)為10.52 g/kg，碳酸鈣質(zhì)量分數(shù)為134.8 g/kg。土壤顆粒分析采用MS2000激光粒度儀（英國馬爾文儀器有限公司），黏粒（<0.002 mm）質(zhì)量分數(shù)為208.7 g/kg，粉砂粒（0.002~0.02 mm）質(zhì)量分數(shù)為539.3 g/kg，砂粒（>0.02~2 mm）質(zhì)量分數(shù)為252.0 g/kg，屬粉砂黏壤土。土壤鹽分離子含量見表1。

1.2 試驗設計及過程

本試驗設4個處理：Ⅰ NaCl；Ⅱ NaCl∶MgCl2摩爾比=1∶1；Ⅲ NaCl∶CaCl2摩爾比=1∶1；Ⅳ NaCl∶KCl摩爾比=1∶1，每個處理重復3次。所有處理的質(zhì)量濃度均為3 g/L。

試驗是在水平土柱中進行的，柱體分為3段：水室段、濾層段和試樣段。水室段連接馬氏瓶，控制水室內(nèi)液面與試樣段土樣的高度相同；濾層段，內(nèi)填石英砂緩沖水流；試樣段，總長度為40 cm，填裝供試土樣。供試驗裝置如圖1所示。

圖1 試驗裝置

1.3 測定及計算方法

土壤浸提液用1∶5土水比提取，鹽分離子的測定均用常規(guī)方法[19]，電導率的測定用電導儀（DDS-11A，），鹽分的計算用如下公式（1）換算：

土壤全鹽（%）=電導率（mS/cm）′溫度校正系數(shù)（）′

電極常數(shù)（）′水土比 （1）

土壤鈉吸附比（sodium absorption ratio，SAR）的計算參考俞仁培等[20]方法。土壤水分擴散率的計算參考雷志棟等[18]方法。

采用Origin8.0軟件，對不同灌溉水質(zhì)土壤鹽分水平遷移進行模型擬合，研究發(fā)現(xiàn)Boltzmann函數(shù)擬合度最高，適合模擬鹽分的水平遷移。Boltzmann方程式[21]為：

式中1和2是該曲線的2條漸近線（初始值與終止值），0是曲線對稱軸的橫坐標（即中心），d是曲線傾斜的斜率；為土壤鹽分含量，g/kg；為水平入滲距離，cm。

2 結果與分析

2.1 灌溉水鹽分組成對土壤水分擴散率的影響

土壤水分擴散率與體積含水率之間的關系通常符合=e，模型參數(shù)的物理意義是指當含水率為0時的土壤水分擴散能力，取決于土壤基模特性[22]；模型參數(shù)表示土壤水分擴散率隨含水率的變化速率，取決于液體性質(zhì)。由圖2可知，對于4個處理的值比較，處理Ⅰ（2×10-4）>處理Ⅱ（7×10-5）>處理Ⅳ（4×10-6）>處理Ⅲ（3×10-10），這說明單鹽NaCl的鹽溶液傳輸水分的潛在能力最大，加入一定的復鹽對水分的傳導起到阻滯作用，阻滯能力的大小是：CaCl2>KCl>MgCl2。

注：灌溉水鹽分質(zhì)量濃度為3 g×L-1。下同。

對4個處理的值進行比較（圖2），處理Ⅲ（67.372）>處理Ⅳ（37.518）>處理Ⅱ（27.685）>處理Ⅰ（24.57），這說明加入一定的復鹽對土壤水分擴散率隨含水率的變化速率有明顯的影響，影響能力的大小同樣是：CaCl2>KCl>MgCl2。這一研究結果與張繼紅等[23-24]報道的土壤水分擴散率隨著石膏(CaSO4)施量增加而減小的規(guī)律相一致。

對灌溉水離子組成和不同入滲距離時的土壤含水率進行雙因素方差分析，表明灌溉水鹽分組成和土壤含水率極顯著地影響土壤水分擴散率（<0.01）。

2.2 灌溉水鹽分組成對土壤鹽分離子水平遷移的影響

不同鹽分組成的灌溉水處理下土壤鹽分、SO42-、Ca2+、K+、Na+含量隨著入滲距離的增加大多數(shù)呈現(xiàn)增大的趨勢，而HCO3-的含量隨著入滲距離的增加而呈現(xiàn)減小的趨勢，Cl-和Mg2+的含量隨著入滲距離的增加沒有明顯的規(guī)律性（圖3）。方差分析結果表明：不同鹽分組成的灌溉水對土壤HCO3-和SO42-的水平遷移具有顯著的影響（<0.05），對鹽分、Ca2+和Na+水平遷移的影響達極顯著水平（<0.01）。從不同灌溉水處理來看，在礦化度均為3g/L的情況下，處理Ⅰ（單鹽NaCl）土壤鹽分和Na+的含量在整個入滲過程中均最高，且在濕潤鋒末端（入滲距離26~32cm之間），土壤鹽分和Na+的含量均呈現(xiàn)規(guī)律性的變化，即：處理Ⅰ>處理Ⅱ>處理Ⅳ>處理Ⅲ。這說明加入鈣鹽可減小土壤鹽分含量，同時也證明鈣制劑在土壤鹽分改良中的作用。這與羅小東等[25]報道的施用石膏（鈣制劑）有助于土壤脫鹽結果一致。

注：H代表不同入滲距離間比較；T代表不同處理間比較；*，P<0.05；**，P<0.01；下同。

2.3 灌溉水鹽分組成對土壤pH值和SAR的影響

由圖4a可知，對于處理Ⅰ，隨著入滲距離的增加，土壤pH值呈現(xiàn)依次減小的趨勢，而對于處理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ來說，土壤pH值隨著入滲距離的增加呈現(xiàn)波動式的減小趨勢。對影響土壤pH值和SAR的灌溉水鹽分組成以及水平入滲距離進行方差分析，結果表明：水平入滲距離對土壤pH值的影響達顯著水平（<0.05），多重比較發(fā)現(xiàn)，入滲距離8cm處和32cm處土壤pH值差異顯著，其他不同入滲距離間土壤pH值差異不顯著（>0.05）；灌溉水鹽分組成對土壤pH的影響不顯著（>0.05）。

鈉吸附比值法是美國農(nóng)田灌溉水質(zhì)評價中常采用的方法[26]。本研究進一步對土壤鈉吸附比SAR值進行分析，結果見圖4b，對于處理Ⅰ，土壤SAR值隨著入滲距離增加呈現(xiàn)明顯的減小趨勢，且在整個入滲過程中，處理Ⅰ的SAR值明顯高于其他處理，而處理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的SAR值隨入滲距離的增加呈現(xiàn)波動式增加的趨勢。對影響SAR值的灌溉水鹽分組成和入滲距離進行方差分析，結果表明：灌溉水鹽分組成對土壤SAR值的影響達顯著水平（<0.05）。

圖4 灌溉水鹽分組成對不同入滲距離土壤pH和鈉吸附比（SAR）的影響

2.4 基于Boltzmann的土壤鹽分水平遷移模擬

基于Boltzmann函數(shù)擬合土壤鹽分含量與水平運移距離的關系，結果見表2。

表2 土壤鹽分含量與運移距離關系的模擬

所有處理的擬合均取得了很好的效果，2>0.89（0.05）。灌溉水鹽分組成對模型參數(shù)1（初始值）和2（終止值）影響較大，對于處理Ⅰ，參數(shù)1和2值分別為0.152和0.517，明顯高于其他處理，且不同處理之間，參數(shù)1和2值均呈現(xiàn)：處理Ⅰ>處理Ⅱ>處理Ⅳ>處理Ⅲ，這說明處理Ⅰ函數(shù)在縱向的分布寬度最大，而處理Ⅲ函數(shù)在縱向的分布寬度最小。函數(shù)在縱向的分布寬度大說明土壤鹽分含量高，寬度小說明土壤鹽分含量低，這與圖3的結果一致。參數(shù)0值在28.488~28.700之間變化，不同處理之間差別不大。而參數(shù)d在不同處理之間沒有變化，均為1.2，這說明曲線的傾斜程度相同。

3 討 論

微咸水灌溉導致土壤剖面鹽分含量增加，土壤鹽分的累積量隨著礦化度的增加而增大[27-29]。在垂直剖面，土壤鹽分隨著土層深度的增加而增加[30]；在水平面，本研究結果表明土壤鹽分隨著入滲距離的增加而增大，而土壤pH隨著入滲距離的增加呈現(xiàn)減小的趨勢。這也證明土壤脫鹽堿化這一現(xiàn)象。這與郭全恩等[31]報道土壤pH隨著NaCl加入量的增加而減小基本一致。

由于農(nóng)田灌溉水中不僅含有鹽分離子，還有氮、磷、鉀、重金屬、有機化合物以及微生物等。本研究主要從咸水灌溉對土壤鹽漬化影響的角度出發(fā)，探討咸水中的鹽分離子和土壤中的鹽分離子之間的相互作用，別的元素或化合物暫且沒有考慮。

在試驗設計過程中只選擇了4種鹽（NaCl、MgCl2、CaCl2和KCl），而沒有選擇MgSO4、CaSO4、Na2CO3等，這是因為在鹽漬化土壤常見的陽離子有K+、Na+、Ca2+、Mg2+這4種離子，一方面想探討在陪伴陰離子類型相同的情況下，不同陽離子對土壤鹽分離子遷移的影響；另一方面想忽略次要離子，放大主要離子的效應。

從灌溉水不同鹽分的配比來看，本研究從等量代換的角度考慮了礦化度相同的條件下同一配比鹽溶液的陽離子摩爾濃度相同，如在3 g/L氯化鈉和氯化鎂混合的鹽溶液中，Na+和Mg2+的摩爾濃度相同，均為0.019 7 mol/L，Cl-的摩爾濃度為0.059 1 mol/L；在3 g/L氯化鈉和氯化鉀混合的鹽溶液中，Na+和K+的摩爾濃度相同，均為0.022 6 mol/L，Cl-的摩爾濃度為0.045 2 mol/L?？梢钥闯雠惆殛庪x子Cl-類型相同，而濃度不同。因此，對于設置陪伴陰離子類型和濃度相同，而陽離子的摩爾濃度不同的試驗有待于今后進一步去研究。

4 結 論

設置4個鹽分組成處理，研究灌溉水組成對土壤水分擴散、鹽分離子遷移、pH和鈉吸附比（sodium absorption ratio，SAR）的影響，結果表明：

1）灌溉水鹽分組成和含水率對土壤水分擴散率的影響均達極顯著水平（<0.01）。在灌溉水礦化度均為3 g/L的條件下，NaCl的鹽溶液傳輸水分的潛在能力最大，加入一定的復鹽對水分的傳導起到阻滯作用，阻滯作用的大小是：CaCl2>KCl>MgCl2。因此，這一結果啟示我們在微咸水灌溉或鹽漬化土壤改良中可適當加入鈣制劑，抑制鹽漬化土壤水分的快速遷移。

2）不同鹽分組成的灌溉水對土壤HCO3-和SO42-的水平遷移具有顯著的影響（<0.05），對鹽分、Ca2+和Na+水平遷移的影響達極顯著水平（<0.01）。說明微咸水灌溉時不能經(jīng)常從同一地塊的同一方向灌溉，這樣長期灌溉會導致地塊兩端鹽分離子分布不均，一端產(chǎn)生脫鹽現(xiàn)象，而另一端產(chǎn)生積鹽現(xiàn)象。

3）對于單鹽NaCl處理，土壤pH值隨著入滲距離的增加呈現(xiàn)減小的趨勢，而對于復鹽（處理Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ），土壤pH值隨著入滲距離的增加呈現(xiàn)波動式的減小趨勢。入滲距離對土壤pH的影響達顯著水平（<0.05），而灌溉水鹽分組成對土壤SAR值的影響達顯著水平（<0.05）。

4）基于Boltzmann函數(shù)擬合表明，灌溉水鹽分組成對模型參數(shù)有顯著影響（<0.05）。

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Effect of salt ion composition of irrigation water on parameters of soil water and salt movement

Guo Quanen1,2,3, Nan Lili4, Li Baoguo3, Cao Shiyu1,2

(1.730070,; 2.(),733017,;3.100193,;4.730070,)

Shortage of freshwater resources restricts agricultural production in arid and semiarid region. Irrigation with saline water provides an effective way to make up for the deficiency of freshwater resources. However, it is unknown about influence of irrigation with different salt ion compositions on soil physical and chemical properties. In this study, the effect of different salt ion compositions of irrigation on soil water and salt movement was investigated. The soil samples were collected from orchard calcareous soil in Qin’an County of Gansu Province. The soil electrical conductivity was 0.43 mS/cm, pH was 8.54 and soil organic matter was 10.52 g/kg. A total of 4 treatments were included: NaCl, NaCl:MgCl2with the ratio of 1∶1, NaCl:CaCl2with the ratio of 1∶1, NaCl:KCl with the ratio of 1∶1. The concentration of all the treatments was 3 g/L. Soil water diffusivity and salt ions movement along the horizontal distance were studied by the method of horizontal soil column infiltration. Soil pH and sodium adsorption ratio were determined. The Boltzmann function was used for simulation of soil salt movement. The relationship between soil water diffusivity and water content was simulated by an power function. The results showed that the soil water diffusivity capacity at water content of 0 was the highest in the treatment of NaCl, followed by NaCl:MgCl2, NaCl:KCl and NaCl:CaCl2. The change rate of diffusivity with water content was the highest in the treatment of NaCl:CaCl2followed by the NaCl:KCl, NaCl:MgCl2and NaCl only. The salt ion composition of irrigation water and soil water content both significantly affected the soil water diffusivity (<0.01). For all the treatments, the soil salt content, calcium ions, potassium ions, sulfate ions and sodium ions all increased with the infiltration distance but the bicarbonate ion decreased with the distance. The obvious trend wasn’t found for the chloride and magnesium ions. Soil pH decreased with infiltration distance for the treatment of NaCl only. The decrease trend of soil pH fluctuated for the other treatments. The soil pH at distance of 8 and 32 cm was significantly different (<0.05). The salt ion composition did not significantly affect the soil pH. The sodium adsorption ratio decreased obviously with the infiltration distance in the treatment of NaCl only. The sodium adsorption ratio in the treatment of NaCl was higher than the other treatments. The sodium adsorption ratio increase trend fluctuated for the other treatments. The salt ion composition of irrigation water significantly affected the sodium adsorption ratio (<0.05). Based on the Boltzmann function fitness, the initialization value and final value were influenced by the salt ion composition of irrigation water and the treatment NaCl was higher than the other treatments. The center was similar for all the treatments (28.488-28.700). The simulation was well with the determination coefficient higher than 0.89. The study indicated that adding calcium ions in irrigation water could inhibit water movement and decrease salt accumulation in the process of irrigation with brackish water. The irrigation at one end of plot was not recommended since it may cause salt accumulation and we suggested to irrigate at both ends of the plot. The study could guide the irrigation with brackish water in arid or semiarid regions.

irrigation; salts; soil moisture; diffusivity; horizontal movement; Boltzmann function

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.23.016

S278

A

1002-6819(2017)-23-0123-06

2017-07-19

2017-10-01

國家自然科學基金項目（41363004）；甘肅省農(nóng)業(yè)科學院科技創(chuàng)新工程學科團隊（2015GAAS03）

郭全恩，男，天水人，副研究員，博士，主要從事鹽漬化土壤研究。Email：qnguo@sina.com