平作紫花苜蓿滴灌前后鹽堿地土壤水鹽運(yùn)移研究

盧垟杰，劉 慶，聶坤堃，劉淑慧

(1.陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司,西安 710075；2.陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司,西安 710075;3.西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院,西安 710048;4.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院,太原 030024)

0 引 言

我國自1974年自墨西哥引入滴灌技術(shù)以來，經(jīng)過技術(shù)人員和科研工作者的不懈努力，滴灌技術(shù)較引進(jìn)初期有了極大的發(fā)展和提升[3]，尤其在鹽堿地區(qū)的滴灌改良方面有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。國內(nèi)外大量科研工作者對(duì)滴灌水鹽運(yùn)移規(guī)律做了充分的研究探討。Goldberg[4,5]經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，滴灌時(shí)滴頭下方土壤的浸潤(rùn)體大小主要受初始含水率、土體性質(zhì)、滴頭流量和灌水定額等方面的影響。逄春浩等[6]提出一次滴灌過程中，灌水量的一部分用于供給作物，滿足作物的水量需求，剩余水量用來淋洗土壤中多余的鹽分，這部分水恰好是使土壤維持鹽分平衡的重要原因。呂殿青等[7]在研究膜下滴灌的土壤水鹽運(yùn)移規(guī)律時(shí)，創(chuàng)造性地將滴頭附近的土壤浸潤(rùn)體細(xì)分為達(dá)標(biāo)脫鹽區(qū)、未達(dá)標(biāo)脫鹽區(qū)和積鹽區(qū)。滴灌條件下土壤鹽分聚集在濕潤(rùn)鋒附近，然而隨著水分不斷地蒸發(fā)損耗，鹽分不斷隨之上移，水去鹽留，形成積鹽區(qū)，造成土壤的次生鹽漬化。張建軍等[8]計(jì)算了滴灌頻率不同時(shí)的蒸發(fā)損失后得到，每天一次滴灌的蒸發(fā)損失較灌水頻率每周一次高40%，說明當(dāng)?shù)晤^間距一定、土壤飽和導(dǎo)水率[9]較小時(shí)，較低頻率的滴灌更有利于改善土壤環(huán)境，提高作物產(chǎn)量。

本試驗(yàn)采用滴灌的灌水方式結(jié)合平作[10]的種植方式，來研究滴灌前后鹽堿地土壤水鹽隨時(shí)間的運(yùn)移規(guī)律，探討大同盆地滴灌改良鹽堿地的可能性，研究結(jié)果對(duì)大同盆地鹽堿地資源的開發(fā)利用有一定的指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 材 料

供試驗(yàn)用的種子：紫花苜蓿(Alfalfa)極光一號(hào)。供試種子由蒂景園林綠化工程有限公司提供。

1.2 方 法

1.2.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2016年5月至2016年9月在山西省朔州市懷仁縣山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所鹽堿地改良試驗(yàn)示范基地進(jìn)行。懷仁縣地處大同市與朔州市中間，北距大同市37 km，南離朔州市96 km，位于大同盆地中部，東經(jīng)113°10′，北緯39°52′，屬于山西省蘇打鹽漬土[11]分布較多的縣區(qū)。

懷仁縣境地處北溫帶內(nèi)，屬于大陸性季風(fēng)氣候，四季氣候分明，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥。懷仁年平均氣溫為7.3 ℃，全年平均無霜期150 d左右，年均日照時(shí)數(shù)為2 800 h，多年平均降雨量在315～459 mm之間，降水多集中于夏季七、八月份。

1.2.2 試驗(yàn)布置

本試驗(yàn)采用平作方式種植紫花苜蓿，如圖1，行間距為80 cm，紫花苜蓿根部附近布置滴灌帶，其中滴頭間距20 cm，滴頭流量為2 L/h[12]。灌溉定額選擇210 mm[13]，每周進(jìn)行一次滴灌，每次灌水12 mm。試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)重復(fù)，每個(gè)小區(qū)長(zhǎng)3 m，寬2 m。

圖1 紫花苜蓿平作示意圖

試驗(yàn)土樣采集于2016年8月5日滴灌前后，其中8月4日為灌前土樣、8月6日為滴灌后24 h土樣、8月8日為滴灌后72 h土樣。

1.2.3 試驗(yàn)地土壤

土壤樣品主要采自山西省懷仁縣有代表性的鹽堿地土壤，田間持水量為30%(體積含水率)取土?xí)r去除上表枯株落葉，為盡可能減少土壤本底值對(duì)試驗(yàn)的干擾，取土深度為0～100 cm，將樣品中的石塊、作物根系及易見的雜物剔除后[14]，在短時(shí)間內(nèi)拿回實(shí)驗(yàn)室， 陰涼處風(fēng)干后，過1 mm篩、裝盆。試驗(yàn)地土壤的物理及化學(xué)性質(zhì)見表1。

表1 試驗(yàn)區(qū)土壤初始物理及化學(xué)性質(zhì)

注：①土壤pH值和電導(dǎo)率值測(cè)定采用土和水的質(zhì)量比為1∶5，取清液測(cè)定[15]；②土壤質(zhì)地根據(jù)美國農(nóng)業(yè)部土壤質(zhì)地三角分類[16]。

1.2.4 數(shù)據(jù)測(cè)定及處理方式

土壤含水率：采用烘干法，101型電熱鼓風(fēng)干燥箱108 ℃烘干8 h。

土壤電導(dǎo)率：選擇DDS-307A型電導(dǎo)率儀測(cè)定，土水比采用1∶5。

土壤pH：選擇PHS-3C型pH計(jì)測(cè)定，土水比采用1∶5。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel、Sufer11等軟件進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 滴灌前后對(duì)土壤含水率的影響

一次滴灌前后的土壤含水率剖面分布圖見圖2。

滴灌前土壤含水率的最小值為4.4%，出現(xiàn)在滴頭正下方的土壤表層；含水率峰值為11.5%，出現(xiàn)在距滴頭水平和豎直方向最遠(yuǎn)的土層深處，基本呈現(xiàn)出由滴頭下方向土層深處和遠(yuǎn)處逐漸增大的趨勢(shì)。原因是表層土壤受光照和溫度影響較大，水分蒸發(fā)速度快，而滴頭下的土壤水分被紫花苜蓿根部的生長(zhǎng)吸收一部分，故在同一深度，滴頭下的土壤含水率較水平方向較遠(yuǎn)的位置低。灌后24 h的土壤含水率峰值為12.0%，出現(xiàn)在滴頭正下方的土壤表層，較灌前高7.6%，呈現(xiàn)出由滴頭下方向土層深處和遠(yuǎn)處減小后增大的趨勢(shì)。灌后72 h的土壤含水率分布趨勢(shì)與灌后24 h相似，但整體含水率低于灌后24 h的土壤含水率。灌后72 h滴頭正下方的表層土壤含水率為8.3%，較灌前高3.9%，較灌后24 h低3.7%。滴灌補(bǔ)充了土壤水分，土壤水分隨濕潤(rùn)峰向土壤遠(yuǎn)處和深處運(yùn)移，但滴灌一次灌水量不大，僅補(bǔ)充根系附近土壤水分，土壤浸潤(rùn)體較小，濕潤(rùn)峰運(yùn)移距離不大。灌后72 h的含水率土壤剖面圖中，由于水分的蒸發(fā)，已經(jīng)難以辨認(rèn)滴灌水分濕潤(rùn)峰位置及土壤浸潤(rùn)體大小。

2.2 滴灌前后對(duì)土壤電導(dǎo)率的影響

三個(gè)時(shí)期的土壤均在滴頭下方出現(xiàn)脫鹽區(qū)[7]，其土壤電導(dǎo)率剖面分布如圖3。

圖2 滴灌前后土壤含水率分布圖

圖3 滴灌前后土壤電導(dǎo)率分布圖

三個(gè)時(shí)期的土壤電導(dǎo)率基本均呈現(xiàn)出水平方向上滴頭處較小，隨水平距離增加土壤電導(dǎo)率增大的趨勢(shì)，土壤電導(dǎo)率峰值均出現(xiàn)在水平方向距滴頭最遠(yuǎn)處，形成積鹽區(qū)。滴灌前的滴頭處的土壤表層的電導(dǎo)率為0.79 mS/cm，屬于輕度鹽化土壤[1]；灌后24 h為0.22 mS/cm，較灌前下降了72.2%，屬于極輕度鹽化土壤；灌后72 h為0.20 mS/cm，較灌前下降了74.7%，較灌后24 h下降了9.1%，屬于極輕度鹽化土壤，可以看出滴灌對(duì)土壤鹽分的淋洗效果明顯，尤其是滴頭下方，電導(dǎo)率下降較多，對(duì)鹽分淋洗效果最好。

灌前0～20 cm土層的土壤平均電導(dǎo)率為1.15 mS/cm，20～40 cm土層的土壤平均電導(dǎo)率為1.00 mS/cm，較上層低13.0%，原因?yàn)樯蠈油寥浪终舭l(fā)使下層土壤水分補(bǔ)充上層，“鹽隨水來”[17]，而水分蒸發(fā)后土壤鹽分留在表層土壤中導(dǎo)致“水去鹽留”；灌后24 h在0～20 cm土層的土壤平均電導(dǎo)率為1.00 mS/cm，較灌前低13.0%，原因是滴灌水分滲入土壤后，土壤鹽分融入水中，在重力和毛管作用下，濕潤(rùn)峰向土壤其他方向運(yùn)移，“鹽隨水去”；灌后72 h的土壤鹽分逐漸向土壤電導(dǎo)率較低方向運(yùn)移，在0～20 cm土層的土壤平均電導(dǎo)率為1.20 mS/cm，較灌后24 h高20.0%，在20～40 cm土層的土壤平均電導(dǎo)率為0.75 mS/cm，較灌后24 h高36.4%，可能是由于滴灌水量較小，土壤水分蒸發(fā)快，其他位置的土壤水分隨毛管作用對(duì)表層土壤進(jìn)行補(bǔ)充，帶來了被淋洗的土壤鹽分，導(dǎo)致土壤電導(dǎo)率升高。

2.3 滴灌前后對(duì)土壤pH的影響

如圖4為滴灌前后土壤pH剖面分布圖。

圖4 滴灌前后土壤pH分布圖

灌前的土壤pH整體偏高，土壤pH值均在8.30以上，灌后土壤pH呈現(xiàn)出滴頭下小片區(qū)域pH值最小，向其他方向逐漸增大的趨勢(shì)。滴灌前的滴頭處的土壤表層的pH值為8.44，灌后24 h為7.75，較灌前下降了8.2%；灌后72 h為8.02，較灌前下降了5.0%，較灌后24 h升高了3.5%。滴灌后，滴頭下方表層土壤的鹽分被淋洗較多，小范圍內(nèi)的土壤pH值出現(xiàn)最低值。

灌前0～20 cm土層的土壤平均pH值為8.42，屬于輕度堿化土壤；灌后24 h在0～20 cm土層的土壤平均pH值為7.8，較灌前下降了7.4%，屬于極輕度堿化土壤；灌后72 h在0～20 cm土層的土壤平均pH值為8.15，較灌前下降了3.2%，較灌后24 h升高了4.1%，屬于輕度堿化土壤。滴灌前后的土壤pH變化趨勢(shì)與土壤電導(dǎo)率變化趨勢(shì)相似，都是灌后24 h內(nèi)電導(dǎo)率和pH下降明顯，而灌后72 h的土壤電導(dǎo)率和pH較灌后24 h有所升高，但仍較灌前低。原因是“鹽隨水去，鹽隨水來，水去鹽留”。

3 總結(jié)與討論

地表滴灌具有微流量、長(zhǎng)時(shí)間和高頻率的優(yōu)點(diǎn)，不僅可以降低作物根部的土壤溶液滲透壓，增強(qiáng)植物根系吸水，還可淋洗土壤鹽分[18]，而這恰好是滴灌可以使土壤維持鹽分平衡的重要原因。研究表明：

(1)滴灌可以有效補(bǔ)充土壤水分，滴灌結(jié)束后，滴頭下出現(xiàn)含水率峰值，并在作物根部區(qū)域形成浸潤(rùn)體，浸潤(rùn)體為高約20 cm，底部半徑約為20 cm的倒圓錐體，為作物供給水分。滴灌72 h后，土壤水分部分被作物根系吸收利用，部分蒸發(fā)散失，土壤浸潤(rùn)體體積大大減小，已看不出明顯的邊界和輪廓。

(2)由于長(zhǎng)期滴灌，土壤電導(dǎo)率整體向遠(yuǎn)離滴頭的方向運(yùn)移，峰值出現(xiàn)在水平方向距滴頭30 cm的15 cm土層。滴灌后24 h，滴頭下的土壤電導(dǎo)率較灌前降低了72.2%，由輕度鹽化土壤降為極輕度鹽化土壤，淋洗效果明顯。滴灌后72 h，雖然滴頭下表層土壤的電導(dǎo)率依舊較低，但土壤鹽分開始向滴頭處和地表運(yùn)移，出現(xiàn)“土壤返鹽”現(xiàn)象。

(3)滴灌前的土壤pH整體均在8.40以上，屬于輕度堿化土壤。滴灌后24 h，滴頭下區(qū)域土壤鹽分的淋洗效果明顯，土壤pH降低8.2%，從輕度堿化土壤降為極輕度堿化土壤。滴灌后72 h，土壤pH分布趨勢(shì)與滴灌后24 h相似，滴頭下表層土壤的pH較灌前下降了5.0%，較灌后24 h升高了3.5%，重新變?yōu)檩p度堿化土壤，返鹽現(xiàn)象嚴(yán)重。

研究結(jié)果表明，滴灌對(duì)作物根系區(qū)域的水分補(bǔ)充作用和鹽分淋洗作用十分明顯，但由于劇烈的水分蒸發(fā)導(dǎo)致“水去鹽留”，易形成“土壤返鹽”現(xiàn)象，使土壤發(fā)生次生鹽漬化。滴灌需根據(jù)氣候條件設(shè)計(jì)，選擇合理的滴灌頻率和灌水定額，充分發(fā)揮滴灌對(duì)土壤鹽分的淋洗效果，改良利用鹽堿地。