不同施氮時序?qū)}堿土水鹽運(yùn)移過程的試驗(yàn)研究

吳晨濤，王春霞，周 亮，彭穎超，趙繼杰，江天琪，郭 蓉

(石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832000)

鹽堿地分布在世界各國，多以干旱半干旱地區(qū)為主[1-3]，且大多發(fā)生在地勢平坦、土層深厚的農(nóng)業(yè)用地。土壤鹽漬化和缺水是限制旱地農(nóng)業(yè)發(fā)展的兩個關(guān)鍵問題[3-5]。據(jù)統(tǒng)計，全球約有 8.31 億hm2的土壤受到鹽漬化威脅[2]，其中58%的鹽漬化區(qū)域多發(fā)生在灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)[6]，而干旱和半干旱地區(qū)的灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)表現(xiàn)得尤為突出[4]。中國作為土壤受鹽漬化影響較為嚴(yán)重的國家之一[7]，大部分鹽漬化地區(qū)主要集中在西北干旱和半干旱地區(qū)。據(jù)全國第二次土壤普查數(shù)據(jù)統(tǒng)計，中國鹽漬土總面積約為 3 600 萬hm2[8]，其中僅西北干旱和半干旱地區(qū)鹽漬化土壤面積就占到了69.03 %[9,10]，少數(shù)地區(qū)的土地生產(chǎn)能力降低甚至完全喪失，嚴(yán)重影響了農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[2]。而新疆作為我國最大的鹽土區(qū), 鹽堿土的占地面積高達(dá)1 100 萬hm2, 約占全國鹽堿土面積的1/3和新疆土地面積的6.6 %[3]。

目前，隨著世界人口數(shù)量的增加、耕地面積的減少以及土壤環(huán)境的惡化[11]，土壤鹽堿化已經(jīng)成為旱地農(nóng)業(yè)面臨的一個重大生態(tài)環(huán)境問題 (四大生態(tài)環(huán)境問題：干旱缺水、水土流失、風(fēng)蝕沙化、土壤鹽堿化)。因此，如何合理的開發(fā)利用鹽漬化土地，有效的提高現(xiàn)有土地生產(chǎn)能力，降低土壤環(huán)境的惡化，以及防治灌區(qū)土壤的次生鹽堿化，從而實(shí)現(xiàn)土地資源可持續(xù)利用和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。這一問題的亟待解決成為我國旱地農(nóng)業(yè)領(lǐng)域未來發(fā)展的重要方向。

現(xiàn)研究不管是從漫灌[12]，還是現(xiàn)在的節(jié)水新技術(shù)(膜上灌，膜下滴灌，噴灌等)，在新疆干旱地區(qū)采取節(jié)水并致力治理鹽堿地，大多數(shù)是從水分入手，讓水淋洗鹽分從而達(dá)到壓鹽效果。目前國內(nèi)許多學(xué)者對土柱試驗(yàn)[13-16]的研究發(fā)現(xiàn)，譚軍利[17]等在微咸水灌溉條件下，得出覆砂措施可以減少土壤水分蒸發(fā)和增加土壤水分入滲而抑制表層土壤鹽分累積，促進(jìn)土壤鹽分向下層運(yùn)動。秦顯艷[18]等通過施氮量不同而進(jìn)行的土柱試驗(yàn)，表明鹽堿土上施氮對鹽堿土入滲具有減滲作用且施氮較不施氮脫鹽量大。由此可見，目前在一維土柱中不同微咸水灌溉，不同施氮量等對水鹽運(yùn)移做了大量的研究，而對土箱中二維土壤中水鹽運(yùn)移特征的研究甚少。而栗巖峰[19]等在考慮提高作物對氮肥的利用效率和減少淋失兩個因素下, 認(rèn)為運(yùn)行方式1/4W-1/2N-1/4W較為適宜，但未考慮在鹽堿土中不同施氮時序?qū)}堿地改良的影響。本文則對不同施氮時序下，水鹽運(yùn)移的二維面的入滲進(jìn)行研究，以探究不同施氮時序?qū)λ}運(yùn)移是否有影響。為鹽堿地的改良和水肥一體化的實(shí)施提供可靠的參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)裝置與材料

試驗(yàn)于2018年8-10月在石河子大學(xué)水工大廳試驗(yàn)室進(jìn)行。試驗(yàn)裝置采用尺寸為長60 cm×寬30 cm×高50 cm的有機(jī)玻璃土箱；采用馬氏瓶定水頭供水來模擬滴頭, 截面面積45 cm2, 高度1.2 m, 外標(biāo)刻度用于讀取入滲水量。供試土壤容重為1.5 g/cm3，初始質(zhì)量含水量14%，初始的含鹽量900 μS/cm，飽和質(zhì)量含水量37%，供試土壤為壤土。

1.1 試驗(yàn)設(shè)計

將土樣按土壤容重分層(10 cm)裝入土箱，層與層之間刷毛使其連接自然形成一完整連接體。以土箱和馬氏瓶模擬滴頭為試驗(yàn)設(shè)備，以0.3 %鹽堿土為研究對象，以600 mg/L尿素為供試肥源，進(jìn)行不同施氮時序滴灌下的鹽堿土入滲過程研究。為了揭示不同施氮時序下土壤入滲的基本特征，設(shè)置以下9種不同的施肥時序方式，每種情況設(shè)置兩個重復(fù)，設(shè)計不同施氮時序見表1。

表1 試驗(yàn)設(shè)計組合

取土方式為入滲結(jié)束后立即用土鉆進(jìn)行取土，在滴頭方向與交匯面(兩個單點(diǎn)源外滲時交匯處)，水平方向是沿著水平每10 cm取一次，垂直方向沿著垂直方向的取點(diǎn)位置向下每5 cm取一次，依次取土直至濕潤鋒處，形成一個二維剖面。圖1為取土示意圖。

圖1 取土示意圖(單位：cm)

1.2 測定的項(xiàng)目及其方法

(1)土壤含水率的測定。利用烘干法測定土樣的含水量。

(2)土壤電導(dǎo)率的測定。將經(jīng)過烘干碾磨成粉狀的土樣進(jìn)行過篩( 0.25 mm )，制成1:5的浸提液，用DPP-210便攜式電導(dǎo)儀(中國科學(xué)院南京土壤研究所)測定其電導(dǎo)率。

(3)數(shù)據(jù)處理。采用Excel 2007軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析；使用Origin 2018軟件進(jìn)行繪圖處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施氮時序?qū)ν寥浪诌\(yùn)移的影響

2.1.1 單點(diǎn)源剖面含水量分布

圖2表示的是不同施氮時序下灌水結(jié)束后土壤單點(diǎn)源含水率分布圖。由圖2可知單點(diǎn)源從整體上來看，含水率會隨著水平方向的推進(jìn)和垂直方向的加深而變小，在滴頭下方(0，0 cm)處含水率是最高的，符合滴灌條件下含水量分布形式。

注：(0，0)為滴頭

在W時序下垂直距離為20 cm處出現(xiàn)小的含水量等值線，是由于此處存在小土塊導(dǎo)致此現(xiàn)象產(chǎn)生的。而在W-N-W、W-W-N、W-N-N-W施氮時序條件下，濕潤面積過小，濕潤深度過小，不利于大田中作物根系的生長。

從圖2和圖3中，通過比較不同施氮時序下在水平方向30 cm和垂直深度30 cm所圍成剖面的平均含水率，得出N-W-N-W時序下在此剖面中的含水率最大，比W條件下平均含水率高出了1.45 %。在N-W-W-N、N-W、 N-W-W、W-N時序下比W時序下分別高出了1.26%，-0.34%，-1.13%，-2.62%。說明在不同的施氮時序下，會改變土壤間孔隙的大小，從而改變土壤的下滲能力，改變土壤的持水能力。水分在剖面分布均勻一些，更有利于增加下層土壤的含水量。因此在N-W-N-W、N-W-W-N、W時序下保水性能好。而在N-W時序下同W時序下的剖面的平均含水率差不多是相同的。

圖3 不同時序單點(diǎn)源平均含水率

2.1.2 交匯點(diǎn)剖面含水量分布

圖3表示的是在相同土壤的鹽堿化程度下，不同施氮時序下灌水結(jié)束后土壤交匯點(diǎn)處含水率分布圖。交匯點(diǎn)從整體上來看，與單點(diǎn)源的含水率變化是相似的，都是呈波紋狀。在W-N、N-W時序下含水率的最大值沒有出現(xiàn)在交匯點(diǎn)處，是由于兩個單點(diǎn)源內(nèi)部交匯點(diǎn)早于表面交匯點(diǎn)造成的。但交匯點(diǎn)含水率在水平方向10～30 cm處和垂直方向10～30 cm處水會匯聚于此處從而形成一個含水量較大的剖面。

從圖4和圖5中，通過比較不同施氮時序下在水平方向30 cm和垂直深度30 cm所圍成剖面的平均含水率，在N-W-N-W時序下的平均含水率比W時序下高出0.57%。而在N-W-W-N、N-W、 N-W-W、W-N時序下比W時序下分別高出了-0.68%，-2.26%，-2.36%，-3.58%。在N-W-W-N、 N-W-W-N，W時序的平均含水率大小相差不大。但在無肥條件下不利作物生長。在水平方向10～30 cm處和垂直方向10～30 cm處水的含水率大于其他處的含水率，并且濕潤范圍大，得出此時序下保水性最好。

注：(0，0)為交匯點(diǎn)

圖5 不同時序交匯點(diǎn)平均含水率

2.2 不同施氮時序?qū)}分運(yùn)移的影響

2.2.1 單點(diǎn)源剖面鹽分含量分布

隨著外源氮素溶液滴入土壤，在溶液離子與膠體上吸附的鹽基離子間的相互作用，必然會影響到土壤中可溶性鹽分的變化。圖6表示的是在相同土壤的鹽堿化程度下，不同施氮時序下灌水結(jié)束后土壤單點(diǎn)源電導(dǎo)率分布圖。從等值線圖6來分析，單點(diǎn)源的電導(dǎo)率隨著水平方向的推進(jìn)和垂直方向的加深會越來越大。這與土壤剖面水分分布形式是一致的，同時也反映了“鹽是隨著水動”這一特點(diǎn)。

注：(0，0)為滴頭

從整體上看，在水平方向0～30 cm和垂直方向0～20 cm有明顯的淋洗效果。在水平方向30 cm以上和垂直方向25 cm以下會逐漸地開始積鹽。通過圖7比較不同施氮時序下在深度25 cm處的平均電導(dǎo)率。不同施氮時序處理下，W、W-N、 N-W、N-W-W、N-W-N-W、N-W-W-N比初始值增加了-685.37、-7.10、-389.30、148.50、-177.57、-392.15 μS/cm。說明不同施氮時序處理單點(diǎn)源下W時序下洗鹽效果最好，N-W-W-N、N-W、N-W-N-W時序次之，W條件下因?yàn)闊o肥，不足以給作物提供養(yǎng)分,不給與考慮。

圖7 不同時序單點(diǎn)源平均電導(dǎo)率

2.2.2 交匯點(diǎn)剖面鹽分含量分布

圖8表示的是在相同土壤的鹽堿化程度下，不同施氮時序下灌水結(jié)束后土壤交匯點(diǎn)電導(dǎo)率分布圖。從整體上看，在水平方向0～30 cm和垂直方向0～20 cm有明顯的淋洗效果。且交匯點(diǎn)淋洗面積比單點(diǎn)源淋洗面積要大。隨著水分的入滲，鹽分會隨著滴灌水分的下滲運(yùn)動而發(fā)生遷移，電導(dǎo)率最大值出現(xiàn)在最遠(yuǎn)的濕潤鋒處。在交匯點(diǎn)處，電導(dǎo)率的值明顯低于單點(diǎn)源處的值，洗鹽效果從表面看來比單點(diǎn)源處的要好得多。綜合于單點(diǎn)源含鹽量剖面分析，可以明顯地得到不同的施氮時序會對鹽分的淋洗會有不同的影響。

注：(0，0)為交匯點(diǎn)

在水平方向30 cm以上和垂直方向30 cm以下會逐漸地開始積鹽。通過圖9比較不同施氮時序下在深度25 cm處處于同一水平位置(0～30 cm)的平均電導(dǎo)率。不同施氮時序處理下，W，W-N， N-W，N-W-W，N-W-N-W，N-W-W-N比初始值減少了733.20，454.25，565.97，690.37，142.50，688.32 μS/cm。說明在不同施氮時序處理單點(diǎn)源下W時序下洗鹽效果最好，N-W-W, N-W-W-N, N-W，W-N，N-W-N-W時序次之，W條件下因?yàn)闊o肥，不足以給作物提供養(yǎng)分,不給與考慮。

圖9 不同時序交匯點(diǎn)平均電導(dǎo)率

3 結(jié) 論

(1)在單點(diǎn)源下，土壤中水分隨著滴灌的入滲，水平方向和垂直方向的含水量會隨著距離的加大而逐漸減小。但電導(dǎo)率的數(shù)值反之，隨著距離的加大而逐漸增加。在不同的施氮時序下土壤中的含水量和電導(dǎo)率變化是不同的。剖面平均含水量在N-W-N-W時序下是最大的，N-W-W-N、 N-W，次之。分別比在W時序下的剖面平均含水量分別高出1.45%、1.26%、-0.34%。而在單點(diǎn)源剖面中，淋洗鹽分效果最好的時序是N-W-W-N、N-W、N-W-W-N、W-N,次之。分別比初始值減少了392.15、389.30、177.57、-7.10 μS/cm。

(2)在交匯點(diǎn)處，土壤中的水分因兩單點(diǎn)源交匯的緣故，會在水平方向10～30 cm和垂直方向10～30 cm處形成含水量較大的剖面。而這一處的電導(dǎo)率會小于周圍四處。淋洗鹽分的效果會明顯好于其他地方。交匯點(diǎn)的剖面平均含水率中N-W-N-W時序下最高，N-W-W-N、N-W時序次之，分別比比W時序下平均含水率高出0.57%、-0.68%、-2.26%。交匯點(diǎn)下電導(dǎo)率在不同施氮時序處理下W最小，N-W-W、N-W-W-N次之，分別比初始值減少了733.20、690.37、688.32 μS/cm。

(3)綜合于單點(diǎn)源與交匯點(diǎn)處，表明在不同的施氮時序下，會改變土壤間孔隙的大小，從而改變土壤的下滲能力。從土壤保水和洗鹽兩方面來講，在N-W-N-W、N-W-W-N、N-W時序下持水能力和洗鹽效果是好過于其他時序下的。

研究表明：在0.3%鹽堿土(壤土)下不同施肥時序?qū)ν寥赖挠绊懀┓蕰r序改變了水分和鹽分在土壤中的分布形式，應(yīng)當(dāng)將其優(yōu)化后時序應(yīng)用于大田實(shí)際灌溉。通過不同的施肥時序來調(diào)控作物根區(qū)的含水量，減少土壤表面蒸發(fā)，提高土壤的水分利用效率，同時通過調(diào)控土壤的鹽分分布，將鹽分壓制到根區(qū)以下，以減少微咸水對作物的脅迫，使其作物的生長和產(chǎn)量得到保障。