滴灌葵花不同灌溉制度下土壤水鹽運(yùn)移規(guī)律

徐大為，魏占民，楊 黎，蘇世雄

(1．內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，呼和浩特 010018; 2．鹽堿地改良研究院，內(nèi)蒙古 五原 015199)

內(nèi)蒙古河套灌區(qū)水源豐富,光熱資源充足,是內(nèi)蒙古乃至全國(guó)的重要糧食生產(chǎn)基地[1]。隨著時(shí)代的發(fā)展，河套灌區(qū)灌溉面積越來(lái)越大而引黃灌溉水越來(lái)越少，有更多的農(nóng)業(yè)用地土壤出現(xiàn)了鹽堿化問(wèn)題[2]，土壤鹽堿化問(wèn)題導(dǎo)致了作物無(wú)法正常生長(zhǎng)而被迫荒棄，這嚴(yán)重影響了灌區(qū)的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展[3]。如何有效利用鹽堿地，減少土壤鹽堿化，同時(shí)減少灌溉水量是干旱半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)用地資源合理利用的重要研究?jī)?nèi)容[4]。

已有研究表明，傳統(tǒng)漫灌單次灌溉水量較大，作物吸收水分占灌溉水比例低，大量灌溉水通過(guò)深層滲漏成為地下水，地下水位隨之升高，受蒸發(fā)作用影響鹽分隨水分向上運(yùn)動(dòng)，容易造成土壤返鹽和次生鹽堿化[5]，而滴灌灌溉具有長(zhǎng)時(shí)間、小流量和高頻率的特點(diǎn)，可有效地提高灌溉水利用效率及作物產(chǎn)量，且適宜的灌溉制度是在干旱區(qū)緩解土壤鹽堿化的有效方法[6-8]。而也有其他學(xué)者研究表明，滴灌條件下單次灌水量少，土壤鹽分得不到充分的淋洗而造成土壤次生鹽漬化，表層鹽分累積大于深層，以滴頭為中心隨著橫向距離的增加，土壤鹽分隨著水分的運(yùn)動(dòng)向外擴(kuò)張，土壤鹽分累積也越來(lái)越大[9]。地膜覆蓋采用滴灌灌溉方式之后，節(jié)水灌溉的同時(shí)可減少地面蒸發(fā)，控制土壤表層鹽分累計(jì)，提高水分利用效率[10]，現(xiàn)膜下滴灌技術(shù)在河套灌區(qū)得到廣泛運(yùn)用。當(dāng)前不同灌溉制度覆膜滴灌下土壤水鹽運(yùn)移規(guī)律且以葵花為作物的研究較少。本文主要針對(duì)河套灌區(qū)典型鹽堿化農(nóng)業(yè)用地，通過(guò)田間試驗(yàn)研究不同灌溉制度對(duì)膜下滴灌葵花土壤水、鹽運(yùn)移的影響，明確不同灌溉制度下單次灌水前后以及葵花各個(gè)生育期膜內(nèi)、膜外土壤中的水鹽運(yùn)移規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地位于內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市五原縣蒙草抗旱公司(108°12′E，41°03′N)。試驗(yàn)地屬于半干旱地區(qū)，靠近黃河，氣候?qū)儆谥袦貛Т箨懶詺夂?，日照時(shí)數(shù)較長(zhǎng)，晝夜溫差大，多風(fēng)少雨。多年平均日照時(shí)數(shù)3203 h，平均氣溫6.1 ℃，日最高氣溫出現(xiàn)在14∶00左右，無(wú)霜期平均126 d/a，年均降雨量150 mm，降雨主要集中在夏秋兩個(gè)季節(jié)，雨熱同季，利于農(nóng)作物生長(zhǎng)。供試驗(yàn)土壤主要理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 供試驗(yàn)土壤主要的理化性質(zhì)

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及測(cè)定方法

為了研究滴灌葵花生育期內(nèi)土壤中水鹽運(yùn)移規(guī)律，試驗(yàn)區(qū)采用土鉆法取樣，選取土樣位置分為距離滴灌帶水平位置0、20、50 cm處，取樣深度為0～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm。土壤含水率由烘干法測(cè)得，全鹽含量值是由1∶5的土壤/蒸餾水配比溶液測(cè)其電導(dǎo)率換算而來(lái)，換算所采樣的經(jīng)驗(yàn)公式為[11]：

St=3.765 7EC1∶5-0.240 5

(1)

式中：St為全鹽含量，g/kg；EC1∶5表示為水土比為1∶5的土壤溶液電導(dǎo)率值，dS/m。

土壤鹽分含量計(jì)算公式[12]為：

Sa=100Stρsl

(2)

式中：Sa為土壤鹽分含量，kg/hm2；ρs為容重，g/cm2；l為土層深度，cm。

灌溉制度采用先在6月7日播種后全部滴出苗水15 mm，之后根據(jù)土壤張力計(jì)控制灌溉，張力計(jì)埋設(shè)在膜內(nèi)滴頭下20 cm處，設(shè)置3種灌水下限處理，分別為每當(dāng)張力計(jì)顯示基質(zhì)勢(shì)值是-20、-30、-40 kPa時(shí)開(kāi)始灌水，設(shè)計(jì)灌水定額為22.5 mm，記作D1、D2、D3,每個(gè)處理設(shè)置3組重復(fù)，每個(gè)處理試驗(yàn)用地長(zhǎng)15 m，寬7.6 m，面積114 m2，灌溉水采用當(dāng)?shù)氐叵滤?地下水全鹽含量為916 mg/L,作物葵花各個(gè)生育期的灌水量見(jiàn)表2。因葵花進(jìn)入灌漿期以后灌水容易躺倒，按當(dāng)?shù)胤N植習(xí)慣葵花進(jìn)入灌漿期之后便不再灌水。膜下滴灌葵花品種為內(nèi)單7009，采用一膜一滴灌帶兩行種植方式，膜寬和膜間距離分別為60 cm 和40 cm，在地膜中間布置滴灌帶，滴灌帶間距120 cm，滴頭間距30 cm,葵花種植模式見(jiàn)圖1。

表2 研究區(qū)葵花的滴灌灌溉制度

圖1 葵花種植模式示意圖(單位：cm)

2 結(jié)果與分析

2.1 生育期內(nèi)滴灌制度對(duì)土壤含水率分布的影響

試驗(yàn)得出數(shù)據(jù)通過(guò)Surfer12.0軟件制圖分析了葵花生育期苗期、現(xiàn)蕾期、開(kāi)花期灌前灌后土壤剖面水分分布情況，因成熟期灌水葵花易倒伏，故成熟期不灌水，不做分析。從各土層土壤含水率分布情況可以看出(見(jiàn)圖2)，整個(gè)生育期內(nèi)各處理0～30 cm土層含水率變化最大，因灌水下限為-40 kPa灌水周期較長(zhǎng)，0～30 cm土層土壤含水率變化最大，-30 kPa次之，-20 kPa最小且一直處于土壤含水率較高水平，說(shuō)明0～30 cm土層水分分布受灌溉水、地下水補(bǔ)給、外界因素和葵花根系吸水的影響較大。不同灌水處理下都呈現(xiàn)膜內(nèi)含水率最高，膜邊次之，膜外位置含水率最低，隨著距離滴灌帶水平方向距離的增大，含水率越低。隨著灌水下限的增大，水分變化范圍增大，垂直方向大于水平方向，且灌水下限為-20 kPa時(shí)出現(xiàn)深層滲漏現(xiàn)象。從節(jié)水角度考慮，灌水下限為-20 kPa深層滲漏水量較多，灌溉水利用效率降低，達(dá)不到節(jié)水調(diào)控的目的。-40 kPa因灌水次數(shù)最少，灌水后水分變化半徑最小，不能滿足葵花主要根系區(qū)的正常吸水。

從生育期來(lái)看，隨著溫度的升高，蒸發(fā)作用更加強(qiáng)烈，各處理灌水前膜外土壤含水率值呈現(xiàn)苗期>現(xiàn)蕾期>開(kāi)花期的規(guī)律，且D1>D2>D3。從表2可知，現(xiàn)蕾期各處理灌水頻率最高，D1、D2、D3分別灌水次數(shù)為6、4、3次，現(xiàn)蕾期灌后土壤含水率變化范圍較苗期和開(kāi)花期更大，水平方向各處理都到了50 cm處，垂直方向分別為100、70、60 cm。

2.2 生育期內(nèi)滴灌制度對(duì)土壤鹽分分布的影響

膜下滴灌葵花在D1、D2、D3處理下灌溉前后土壤剖面全鹽含量變化情況見(jiàn)圖3。鹽分的運(yùn)移主要受水分運(yùn)移的影響，鹽分隨水運(yùn)動(dòng)，灌后主要洗鹽區(qū)域?yàn)樗椒较?5 cm，垂直方向0～40 cm處。各處理生育期平均鹽分含量值均呈現(xiàn)膜內(nèi)最低，膜邊次之，膜外最大，且鹽分在膜外表層集聚。在葵花的生育期內(nèi)，灌前膜內(nèi)土壤鹽分含量都呈現(xiàn)D3>D2>D1的規(guī)律，灌后膜內(nèi)0～40 cm土壤鹽分含量減少量都呈現(xiàn)D3>D2>D1的規(guī)律，說(shuō)明D1處理可以控制0～40 cm土層鹽分含量處于較低水平。苗期土壤鹽分隨著灌水下限的增大，膜內(nèi)土壤鹽分減少量增大，土壤鹽分的淋洗可以到達(dá)深層，在現(xiàn)蕾期隨著灌水頻率的增加，膜外表層土壤鹽分也會(huì)得到淋洗，以-30 kPa淋洗最佳，開(kāi)花期膜外位置以灌水下限為-20 kPa累計(jì)量最大，-40 kPa次之，-30 kPa最小，說(shuō)明隨著蒸發(fā)作用的加強(qiáng)灌水下限的增大不會(huì)一味地降低生育期膜外表層鹽分，且隨著灌水下限的增大有更多的鹽分隨水分運(yùn)移到膜外。在生育期內(nèi)，灌水下限為-20、-30 kPa處理下都可以淋洗到葵花主要根系區(qū)土壤鹽分。

圖2 生育期不同灌溉制度灌前灌后土壤含水率對(duì)比圖(單位：%)

圖3 生育期不同灌溉制度灌前灌后土壤鹽分對(duì)比圖(單位：g/kg)

2.3 生育期不同滴灌制度下土壤鹽分平衡

葵花不同灌溉制度覆膜滴灌下0～100、0～60、0～40、40～80 cm各土層總鹽分、膜內(nèi)、膜外生育期鹽分改變量, 如圖4所示。由圖4可知, 0～100 cm土層總鹽分除了D1處理均是增加的，D1處理總鹽量減少1 281 kg/hm2，D2、D3處理總鹽量分別增加1 339、3 675 kg/hm2，D1、D2、D3處理灌溉水引入土壤鹽分總量分別為2 610.6、1 992.3、1 374.0 kg/hm2，各處理增加總鹽量分別占到了灌溉水引入土壤鹽分總量的-149.1 %、67.2 %、267.5%，說(shuō)明D1和D2處理下可有效淋洗0～100 cm土層鹽分，D1處理淋洗效果最佳。而D3土層鹽分增加量高于灌溉水引入土壤鹽分分析原因可能是灌溉頻率低，未能及時(shí)淋洗土壤中鹽分就受到蒸發(fā)作用鹽分隨水分向上運(yùn)動(dòng)。D1、D2、D3各處理0～100 cm膜外土壤鹽分增加量占鹽分總增加量的百分比分別為-27.4%、72.6%、87.9%，說(shuō)明D1處理可有效地降低土壤中鹽分含量，隨著灌水頻率的減少，距滴頭50 cm處鹽分累計(jì)越來(lái)越大，是因?yàn)榈喂嗑植抗嗨嗨l率越低土壤的濕潤(rùn)區(qū)范圍越小，在地表強(qiáng)烈蒸發(fā)作用下，距滴頭50 cm處土壤鹽分得不到灌溉水的淋洗且有部分鹽分隨著灌溉水遷移到膜外的結(jié)果。0～40 cm土層鹽分含量各處理都有明顯的增加，D1、D2、D3各處理分別增加了1 221.7、2 263.7、4 315.9 kg/hm2，分別占0～100 cm土層鹽分總增加量的195.37%、169.05%、117.44%，說(shuō)明滴灌條件下0～40 cm土層處于積鹽狀態(tài)，且隨著灌水頻率的增加積鹽率增大，但是鹽分增加量減少。0～40 cm土層各處理膜內(nèi)和膜外的土壤鹽分都較播前有所增加，且膜外增加量更大，D1、D2、D3處理分別占了0～40 cm總土壤鹽分增加量的71.74%、78.86%、75.86%。0～60 cm土層鹽分含量D1、D2、D3各處理分別增加了-557.6、1 385.9、4 809.3 kg/hm2，分別占0～100 cm土層鹽分總增加量的-43.53%、103.50%、130.87%，D1處理積鹽率最低，膜外土壤鹽分增加量占0～60 cm土層鹽分總增加量的-14.69%、99.60%、82.25%，說(shuō)明滴灌土壤鹽分主要在膜外集聚。40～80 cm土層鹽分含量各處理都有明顯地減少，D1、D2、D3各處理分別減少了2 450.0、1 297.0、586.4 kg/hm2，分別占0～100 cm土層鹽分總減少量的195.37%、169.05%、117.44%。40～80 cm土層各處理膜內(nèi)和膜外的土壤鹽分都較播前有所減小，且膜外減少量更大，D1、D2、D3處理分別占了40～80 cm土層鹽分總減少量的51.83%、63.84%、27.74%。說(shuō)明膜下滴灌葵花在D1、D2、D3處理下40～80 cm土層壓鹽效果最明顯，壓鹽效果優(yōu)于 0～40 cm深度，而膜外鹽分減少量大于膜外是因?yàn)槟ね庹舭l(fā)大，土壤鹽分隨水分向上運(yùn)動(dòng)，在表層集聚。

圖4 生育期不同滴灌制度下土壤鹽分平衡

3 討 論

本試驗(yàn)采用膜下滴灌葵花不同灌溉制度，土壤鹽分運(yùn)移主要受灌溉水分走向的影響，土壤鹽分的累計(jì)區(qū)域與灌水密度息息相關(guān)，隨滴灌次數(shù)的增加，鹽分逐漸向深層和濕潤(rùn)區(qū)邊緣運(yùn)動(dòng)。不同灌溉制度下都呈現(xiàn)出土壤含鹽量在0～40 cm土層由小到大依次是距滴頭水平距離0 cm處、20 cm處、50 cm處，尤其是距滴頭50 cm各處理灌水后表層土壤鹽分長(zhǎng)期維持在較高水平，分析其原因是無(wú)地膜覆蓋，裸地中央位置灌溉水分很少能到達(dá)，土壤蒸發(fā)強(qiáng)烈共同影響造成的，這與齊智娟等的結(jié)論相一致[13]。結(jié)果表明，D1處理可有效淋洗0～100 cm土層鹽分，但0～40 cm土層在葵花生育期過(guò)后土壤鹽分有所增加；D2、D3處理隨著灌水頻率的減少0～100 cm土層積鹽更加明顯，且鹽分在表層集聚；D1、D2、D3處理均在40～80 cm深度在葵花生育期過(guò)后土壤鹽分有明顯的降低，壓鹽效果優(yōu)于0～40 cm深度，分析原因覆膜滴灌單次灌水量少，單次灌水22.5 mm，主要濕潤(rùn)區(qū)為0～60 cm土層，試驗(yàn)區(qū)采用地下水灌溉，地下水全鹽含量為916 mg/L，灌溉水和地下水中的鹽分受到蒸發(fā)作用，帶動(dòng)鹽分向上運(yùn)移。本文的結(jié)論是通過(guò)一年的試驗(yàn)得出的，灌水頻率處理較少和灌水定額單一，土壤鹽分的運(yùn)移是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，受多方面因素的影響，還需要作進(jìn)一步的觀察研究。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)膜下滴灌過(guò)程中，土壤中鹽分均由膜內(nèi)向膜外遷移并在表層土壤集聚。從鹽分積累角度分析控制灌水下限-20 kPa(D1處理)可有效淋洗0～100 cm土層，但在0～40 cm土層存在積鹽現(xiàn)象，且膜外比膜內(nèi)更為嚴(yán)重。

(2)滴灌灌溉期間對(duì)于膜內(nèi)表層土壤鹽分淋洗效果最明顯，根層次之，深層淋洗效果最差。

(3)膜下滴灌葵花在40～80 cm土層生育期鹽分有所減少，是滴灌葵花的主要壓鹽區(qū)。隨著灌水頻率的增加，壓鹽效果更加明顯。

(4)從節(jié)水角度分析，灌水下限為-20 kPa存在深層滲漏現(xiàn)象，灌溉水利用效率降低，達(dá)不到節(jié)水調(diào)控的目的。灌水下限為-40 kPa灌水后水分變化半徑最小，不能滿足葵花主要根系區(qū)的正常吸水。在生育期內(nèi)灌水下限為-30 kPa灌后可以有效淋洗葵花主要根系區(qū)土壤鹽分，且符合節(jié)水要求，但是生育期后0～40 cm土層存在積鹽現(xiàn)象，建議在非生育期洗鹽灌溉 (秋澆) ， 是干旱半干旱地區(qū)控制膜下滴灌土壤鹽分的有效途徑。