改良材料對微咸水滴灌農(nóng)田土壤鹽分 分布與離子組成的影響

鄭復(fù)樂，姚榮江*，楊勁松，王相平，陳 強，李紅強

（1.中國科學(xué)院 南京土壤研究所，土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展重點實驗室， 南京 210008； 2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.中國科學(xué)院 南京分院東臺灘涂研究院，江蘇 東臺 224200；4.杭錦后旗農(nóng)牧業(yè)技術(shù)推廣中心，內(nèi)蒙古 陜壩 015400）

0 引 言

【研究意義】河套灌區(qū)是我國重要的商品糧生產(chǎn)基地，也是我國主要的向日葵生產(chǎn)基地。但依黃而立的河套灌區(qū)卻面臨黃河來水逐年減少的困境[1]，據(jù)估計到2030 年，黃河流域缺水將達(dá)110 億m3[2]，加之當(dāng)?shù)靥囟ǖ淖匀坏乩憝h(huán)境和長期的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動，多種因素作用下，土壤鹽漬化和水資源短缺日益成為制約灌區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵問題[3]。微咸水滴灌作為一種兼顧非常規(guī)水資源利用和土壤鹽漬化防治的新型灌溉方法在河套灌區(qū)極具應(yīng)用價值?！狙芯窟M(jìn)展】微咸水滴灌研究和實踐表明[4]，微咸水利用具有雙重效應(yīng)：一方面存在造成鹽分在土壤中不同程度累積，影響作物生長的風(fēng)險；另一方面又能夠增加土壤水分，降低土壤溶液濃度，有利于作物根系對水分的吸收。如何平衡微咸水利用過程中的利與弊成為制約微咸水安全利用的核心問題。施用土壤改良材料，改變土壤理化性質(zhì)，改善土壤水鹽環(huán)境是鹽堿地改良利用的另一有效措施。因此，結(jié)合土壤改良材料開展微咸水滴灌對鹽堿地綜合改良與利用的相關(guān)研究成為解決河套灌區(qū)土壤鹽漬化問題的一個新思路。目前國內(nèi)外在微咸水滴灌條件下，滴灌水質(zhì)、水量、模式等對土壤水鹽運移、作物生長的影響已有大量研究[5-10]。針對土壤改良材料對土壤鹽堿障礙消減、作物產(chǎn)量及品質(zhì)的影響效應(yīng)也有大量研究[11-12]，其中生物炭和石膏由于其價格低廉、容易獲取，改良效果顯著[13]，在河套地區(qū)被大量研究和應(yīng)用。針對改良材料調(diào)控微咸水滴灌水鹽運動方面也有較多研究，如馬東豪等[14]針對膜下滴灌條件下土壤鹽分分布的研究得出了流量、水質(zhì)因素對鹽分分布的影響規(guī)律。韓劍宏等[13]針對生物炭和脫硫石膏對鹽堿土壤基本理化性質(zhì)及作物生長的研究得出改良材料的添加可以降低土壤鹽分，提高土壤中養(yǎng)分，促進(jìn)作物生長。周鑄等[15]針對滴灌結(jié)合脫硫石膏改良鹽堿土過程中水鹽運移規(guī)律的研究得出施加石膏在改善土壤理化性質(zhì)的同時也會引起底層土壤ESP 上升的不良影響。這些研究大都是獨立進(jìn)行，主要集中在土壤水鹽運移、鹽分分布、作物生長與產(chǎn)量變化，關(guān)于微咸水滴灌與改良材料相結(jié)合的研究較少，對鹽分離子量、組成變化的關(guān)注不夠。【切入點】本研究從土壤鹽分分布與離子組成切入，以河套灌區(qū)主要經(jīng)濟(jì)作物向日葵為試驗作物，探討了微咸水灌溉條件下土壤鹽分變化特征，分析了施用生物炭、脫硫石膏2 種改良材料對鹽漬農(nóng)田土壤鹽分分布與離子組成變化規(guī)律的影響，【擬解決的關(guān)鍵問題】旨在明確改良材料對微咸水滴灌土壤鹽分運動的調(diào)控效應(yīng)，為河套灌區(qū)微咸水滴灌水鹽調(diào)控與鹽堿地節(jié)水治理提供一定理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于內(nèi)蒙古巴彥淖市杭錦后旗三道橋鎮(zhèn)磴泥村（40°48' N，106°55' E），地處河套平原西部的干旱地帶，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，其多年平均氣溫7.9 ℃，年均降水量136.5 mm，年蒸發(fā)量1 953.9 mm，平均風(fēng)速2.2 m/s，年均大風(fēng)時間20.3 d，日照時間3 200 h，無霜期152 d。試驗地屬于河套平原典型重度鹽堿地，試驗區(qū)土壤基本理化性質(zhì)如表1 所示。試驗區(qū)土壤質(zhì)地屬黏壤土，由于地勢低洼加上長期的不當(dāng)灌溉和強蒸發(fā)的氣候環(huán)境，土壤鹽漬化問題日益嚴(yán)重，部分地塊出現(xiàn)撂荒。當(dāng)?shù)剞r(nóng)民常規(guī)種植方式主要依靠秋澆和春灌2 次大水漫灌進(jìn)行洗鹽壓鹽，在向日葵生育期內(nèi)灌溉2～3 次。隨著灌區(qū)水資源日益緊張，大水壓鹽的種植模式越來越不可持續(xù)，因此考慮在當(dāng)?shù)叵蛉湛趦?nèi)以淺層地下微咸水滴灌代替黃河水灌溉，節(jié)約淡水資源的同時降低地下水位，進(jìn)而抑制土壤鹽漬化進(jìn)一步發(fā)展。

表1 試驗地土壤基本理化性質(zhì) Table 1 Basic physical and chemical properties of soil in test site

1.2 試驗方法

試驗于2018 年5—9 月開展，采用田間小區(qū)試驗方式，并種植向日葵作為物試驗作物，設(shè)置CK、HG、SWC 和SG 共4 個處理，每個處理重復(fù)3 次。小區(qū)面積120 m2，各小區(qū)在同一地塊內(nèi)隨機劃分布設(shè)，并且在開始之前對地塊進(jìn)行統(tǒng)一翻耕平整，具體處理見表2?；屎透牧疾牧显诖汗喔材ぶ半S耙地施入，施肥及其他種植方法采用當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)方式，所有處理保持一致，具體細(xì)節(jié)參考《內(nèi)蒙古河套灌區(qū)鹽堿地食用向日葵抗鹽高產(chǎn)栽培技術(shù)規(guī)程》[16]。試驗所用生物炭和脫硫石膏基本理化性質(zhì)見表3 和表4，其用量水平參考有關(guān)文獻(xiàn)資料[11-12]推薦的最佳用量設(shè)置。灌溉采用常規(guī)黃河水灌溉和微咸水滴灌2 種方式，即在非生育期的秋澆和春灌均采用黃河水灌溉壓鹽，不同之處在于作物生育期內(nèi)，前者依然為黃河水漫灌，后者為地下微咸水膜下滴灌，滴灌所用微咸水來自試驗地附近地下水水井，其成分見表5。每壟種植2 行向日葵，滴灌帶布設(shè)在中間，滴灌帶間距1.6 m，滴頭間距30 cm，滴頭流量2.7 L/h。灌溉制度依據(jù)《內(nèi)蒙古自治區(qū)中西部地區(qū)向日葵膜下滴灌技術(shù)規(guī)程》[17]制定，詳見表6。試驗地地下水埋深及電導(dǎo)率由田間觀測井布設(shè)的CTD-Diver 采集獲得，具體數(shù)據(jù)見圖1，圖1 中首次春灌、二次春灌、葵花一水和葵花二水的灌溉量和時間見表6 所示，而玉米二水是試驗小區(qū)周邊農(nóng)民所種的玉米（拔節(jié)期）地進(jìn)行的灌溉，灌溉量為120～150 mm。

表2 試驗處理 Table 2 Test treatment table

表3 生物炭基本理化性質(zhì) Table 3 Basic physical and chemical properties of biochar

表4 脫硫石膏基本理化性質(zhì) Table 4 Basic physical and chemical properties of desulfurized gypsum

表5 滴灌所用微咸水鹽分及離子組成情況 Table 5 Salt composition of brackish water used in drip irrigation mg/L

表6 試驗地灌溉方案 Table 6 Irrigation scheme of test land mm

圖1 試驗期間地下水埋深及電導(dǎo)率變化情況 Fig.1 Depth and conductivity of groundwater during the experiment

1.3 樣品采集及數(shù)據(jù)分析

分別在春灌覆膜前（4 月21 日）、播種期（5 月31 日）、現(xiàn)蕾期（7 月10 日）、灌漿期（8 月24 日）和收獲期（9 月20 日），用土鉆在膜下正中位置采集各小區(qū)土壤樣品，測定其土壤含鹽量，并且加測春灌覆膜前、播種期和收獲期3 個時點的土壤鹽分八大離子量，以此獲得土壤鹽分及其離子組成在春灌前后（4月21 日—5 月31 日）、生育期前后（5 月31 日—9月20 日）和種植全過程前后（4 月21 日—9 月20 日）3 個過程的變化情況?？紤]到滴灌的濕潤深度通常在30 cm 左右，故取樣分為0～20、20～40 和40～60 cm 深度3 個層次，依次反映濕潤體內(nèi)部、濕潤體邊緣、濕潤體外部3 個直接或間受滴灌影響的土壤鹽分情況。

將土樣自然風(fēng)干后碾壓過2 mm 孔徑標(biāo)準(zhǔn)篩，按1∶5 土水比制取浸提液。春灌覆膜前（4 月21 日）、播種期（5 月31 日）和收獲期（9 月20 日）3 個時段的土樣分別測定CO32-、HCO3-、SO42-、Cl-、K+、Na+、Mg2+、Ca2+8 種離子，其中CO32-和HCO3-采用雙指示劑中和法測定；SO42-采用EDTA 間接絡(luò)合滴定法測定；Cl-采用硝酸銀滴定法測定；Mg2+和Ca2+采用EDTA 絡(luò)合滴定法測定；K+和Na+采用火焰光度法測定。現(xiàn)蕾期（7 月10 日）和灌漿期（8 月24 日）僅測其全鹽量即可。上述測定方法具體可參見文獻(xiàn)[18]。對試驗數(shù)據(jù)分析后采用Excel 進(jìn)行作圖和統(tǒng)計分析。鹽分總量以上述八大離子的總和計算。鹽分及各離子量的變化率均為時段末的量減去時段初的量，再除以時段初的量計算，變化率為負(fù)值表明該過程鹽分或離子量降低，正值則表明其量增加。

2 結(jié)果與分析

2.1 微咸水滴灌對土壤鹽分總量及其分布的影響

圖2 不同灌溉方式下土壤各層鹽分變化情況 Fig.2 The change of the salty soil layers under different irrigation methods

圖2 為不同灌溉方式下，土壤各層鹽分隨時間的變化情況。微咸水滴灌（CK）和常規(guī)黃河水灌溉（HG）2 種灌溉方式下，土壤各層平均含鹽量均表現(xiàn)出相同的季節(jié)性變化規(guī)律，即各層土壤都經(jīng)歷了一個先減小和后增加的過程。結(jié)合圖1 所示試驗區(qū)地下水位及電導(dǎo)率的變化情況，春灌期間（4 月21 日春灌覆膜前—5 月31 日播種），由于2 次春灌灌水量大且時間間隔短，地下水位迅速抬升并持續(xù)保持高位，甚至短期內(nèi)接近地表，土壤中的鹽分也隨灌水被大量淋洗進(jìn)地下水中，導(dǎo)致地下水電導(dǎo)率升高。而在生育期內(nèi)（5 月31 日播種—9 月20 日收獲），由于試驗區(qū)周邊農(nóng)田的灌溉活動，地下水位會出現(xiàn)波動，但在橫向排泄和強蒸發(fā)作用下，地下水位整體緩慢降低，進(jìn)入地下水中的鹽分一部分向下隨水排走，一部分則會隨潛水蒸發(fā)向上返回到土壤上層。因此，在整個向日葵種植過程中（4 月21 日春灌覆膜前—9 月20 日收獲期），土壤鹽分都經(jīng)歷了一個由春灌主導(dǎo)的快速脫鹽過程和由環(huán)境因素主導(dǎo)的緩慢積鹽過程。并且CK 處理下，20～40 cm 土層的鹽分在生育期返鹽過程中比0～20 cm 和40～60 cm 土層都高，而HG 處理下各層土壤在各個時期都表現(xiàn)為0～20 cm 含鹽量高于其他各層。

表7 給出了各層土壤3 個節(jié)點時期土壤含鹽量及其變化率。經(jīng)過1 個種植季后，土壤各層鹽分都得到不同程度的降低，并且CK 的鹽分總量整體低于HG處理。進(jìn)一步分析不同時期土壤鹽分的剖面分布特征可以發(fā)現(xiàn)：春灌之前，CK 和HG 處理的鹽分剖面都呈現(xiàn)為“上高下低”型，經(jīng)過春灌之后，各層鹽分都得到了淋洗，鹽分剖面表現(xiàn)為各層相近的特征，而經(jīng)過1 個生育期的返鹽過程之后，HG 處理依然為“上高下低”型，CK 的含鹽量則表現(xiàn)為“中間高兩邊低”型，也就是20～40 cm 發(fā)生了比0～20 cm 和40～60 cm更強烈的積鹽現(xiàn)象。

進(jìn)一步分析不同處理各層鹽分的變化率，CK 下20～40 cm 土層在生育期前后鹽分的增加率明顯高于HG 處理，而0～20 cm 土層則與HG 處理相近，40～60 cm 土層比HG 處理低。從全種植過程前后鹽分的變化率來看，CK 下0～20 cm 土層鹽分的降低率顯著高于其他土層，也高于HG 處理，而20～40 cm 土層鹽分的降低率遠(yuǎn)低于其他土層，接近于0。

表7 不同灌溉方式下土壤含鹽量及其變化率 Table 7 The soil salt content under different irrigation methods and its rate of change

2.2 微咸水滴灌對土壤鹽分離子組成及其分布的影響

圖3 給出了不同時期不同灌溉方式下各層土壤鹽分離子的量。對比5 月31 日（播前）和9 月20 日（收獲時）2 個時間點的離子剖面分布類型。播種前，2 種處理的各離子剖面類型差別不大，Ca2+、Mg2+、SO42-、Cl-都呈“中間高兩邊低”型，Na+都呈“上低下高”型。經(jīng)過一個生育期后，微咸水滴灌（CK）處理下，Ca2+變?yōu)榱恕吧细呦碌汀毙?，Na+和Cl-變?yōu)榱恕爸虚g低兩邊高”型，且絕對量整體增加，其他離子不變；常規(guī)黃河水灌溉（HG）處理下，除Ca2+剖面類型不變外，其他離子都變?yōu)榱恕吧细呦碌汀毙汀?/p>

圖3 不同時期不同灌溉方式下各層土壤鹽分離子量 Fig.3 Contents of soil salt ions in different layers under different irrigation methods

結(jié)合表8 具體給出的不同離子在生育期前后的平均變化率可以發(fā)現(xiàn)：2 種處理下，離子量變化的相同之處是K+量都有所的降低，而Cl-、SO42-、Mg2+和Na+都有不同程度的增加，且SO42-、Mg2+的增幅相近。所不同的是CK 下，Cl-和Na+量的增幅遠(yuǎn)高于HG 處理，同時HCO3-的量有所增加而HG 處理卻有所降低，Ca2+量又變?yōu)镃K 處理下有所降低而HG 處理下其量大幅增加。

圖4 為2 種灌溉方式下土壤鹽分離子的組成情況。首先，不同處理和時期下，土壤CO32-量均為0；其次，從離子組成上來看，2 種灌溉方式下土壤主要離子的種類相同，即陰離子都以SO42-和Cl-為主，并絕對占優(yōu)，陽離子以Ca2+、Mg2+和Na+為主，且生育期前后主要離子的種類沒有發(fā)生變化；第三，對比生育期前后不同離子的全鹽占比，結(jié)合表8 各離子絕對量的變化情況進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)：不同處理不同離子絕對量和相對占比的變化并不同步，CK 下，Na+和Cl-隨絕對量增加的同時相對占比大幅提升，Ca2+隨絕對量減小的同時相比占比也在減小，但Mg2+和SO42-在絕對量增加的同時相對占比卻在減小。

表8 不同灌溉方式下生育期前后土壤各鹽分離子量的變化率 Table 8 Changes of soil salt ions under different irrigation methods during the growth period %

圖4 不同灌溉方式下土壤鹽分離子組成情況 Fig.4 Composition of soil salt ions under different methods

綜上，2 種灌溉方式鹽分總量的積累幅度上差別不大，但是常規(guī)黃河水灌溉下，各離子的絕對量雖有增有減，各離子的全鹽占比卻變化不大，而微咸水滴灌下，土壤的鹽分變化不僅表現(xiàn)在絕對量上的變化，還表現(xiàn)在各個離子相對占比上的變化。微咸水滴灌下鹽分離子變化相對于常規(guī)黃河水灌溉的特異性在于：①Na+的增幅顯著高于常規(guī)黃河水灌溉，Na+在全鹽中的占比也顯著增加，而常規(guī)黃河水灌溉Na+絕對量有所增加，但相對占比變化不大；②Ca2+量明顯降低，占比降低，而常規(guī)黃河水灌溉Ca2+絕對量有所增加，占比變化不大；③HCO3-量有所升高，而常規(guī)黃河水灌溉下卻略有降低。

2.3 改良材料施用對滴灌土壤鹽分分布的影響

表9 為不同處理土壤含鹽量及其變化情況，對比不同類型的改良材料施加下土壤各層含鹽量可以發(fā)現(xiàn)：改良材料可以顯著影響土壤的鹽分變化。春灌之前（4 月21 日），3 種處理下土壤的鹽分剖面分布都表現(xiàn)為“上高下低”型，經(jīng)過春灌洗鹽之后，CK和SWC處理的鹽分剖面分布都表現(xiàn)為“中間高兩邊低”型，而SG（施加石膏）處理處理則依然表現(xiàn)為“上高下低”型。經(jīng)過一個全種植過程到收獲季節(jié)時（9 月20日），CK 的鹽分剖面分布為“中間高兩邊低”型，SWC 處理恢復(fù)為“上高下低”型，SG 處理處理則變?yōu)椤爸虚g低兩邊高”型。進(jìn)一步分析不同處理下土壤含鹽量的變化情況，春灌脫鹽過程中（4 月21 日—5 月31 日），3 種處理下各層鹽分都大幅降低，相比CK，SWC 和SG 處理的各層土壤鹽分降低率整體高于CK。在向日葵生長育期內(nèi)（5 月31 日—9 月20 日）的積鹽過程前后，SWC 處理的積鹽率高于SG 處理和CK。對比全種植過程（4 月21 日—9 月20 日）前后，除SWC 處理20～40 cm 土層鹽分有所增加外，所有處理各層土壤上都不同程度地表現(xiàn)出脫鹽效果（鹽分變化率為負(fù)），其中SG 處理的脫鹽率大于SWC 處理和CK，尤其是SG 處理下20～40 cm 土層鹽分的降低率遠(yuǎn)高于其他處理。

綜上，2 種材料在不同的鹽分運移過程中表現(xiàn)出不同的特征。首先，在春灌引起的脫鹽過程中，生物炭和石膏處理的脫鹽率相近，都顯著高于未施加改良材料的處理。其次，作物生育期緩慢積鹽的過程中，生物炭處理表現(xiàn)出更強烈的返鹽現(xiàn)象，未施加改良材料的處理次之，石膏處理返鹽最弱。從對鹽分剖面的影響差異方面，經(jīng)過一個全種植過程到收獲季節(jié)時（9月20 日），CK 的鹽分剖面分布為“中間高兩邊低”型，SWC 處理恢復(fù)為“上高下低”型，SG 處理處理則變?yōu)椤爸虚g低兩邊高”型，并且經(jīng)過一個全種植過程后，CK 和 SG 處理的各層土壤鹽分都表現(xiàn)出不同程度的降低，但SWC 處理下在其他土層鹽分降低的同時，20～40 cm 土層鹽分卻有所增加。

表9 不同處理下土壤各層含鹽量及其變化率 Table 9 Soil salt contents and their rates of change under different treatments

2.4 改良材料對微咸水滴灌土壤鹽分離子組成的影響

表10 和表11 給出了不同處理不同過程下土壤各鹽分離子量及其變化率。春灌前后，土壤各個離子的變化率都表現(xiàn)出施加改良材料的處理比不施加改良材料的處理明顯高的現(xiàn)象，亦即改良材料不僅會引起鹽分總量的變化，還會引起鹽分離子組成的強烈變化。對于HCO3-，所有處理都表現(xiàn)為其量增加，各處理增幅由大到小依次為SG 處理>SWC 處理>CK。對于Cl-、SO42-，不同處理下都表現(xiàn)為量減少，且SWC和SG 處理下，此2 種離子量的降幅顯著高于CK，各處理Cl-降幅依次為SG 處理>SWC 處理>CK，SO42-降幅依次為SWC 處理>SG 處理>CK。對于K+，SWC處理下K+量大幅增加，而SG 處理含K+量大幅降低，CK 則略有增加。對于Na+、Mg2+、Ca2+，不同處理下都表現(xiàn)為各離子量顯著降低，且SWC 處理都遠(yuǎn)高于CK。

在生育期前后中，不同處理下不同離子的變化情況表現(xiàn)出巨大差異。對于HCO3-，SWC 和SG 處理大幅降低，而CK 略微增加。對于Cl-，所有處理下其含量都表現(xiàn)為增加，但是SWC 處理的增幅遠(yuǎn)大于SG和CK。對于SO42-，SWC 和SG 處理大幅增加，且增幅明顯高于CK。對于K+，SG 和SWC 處理有所增加，而CK 有所減少。對于Na+，CK 的增幅遠(yuǎn)高于SG 和SWC 處理。對于Mg2+所有處理都有所增加，SWC 處理的增幅遠(yuǎn)高于SG 處理和CK。對于Ca2+，SG 處理大幅增加，而CK 有所減少，SWC 處理則略有增加。

就種植全過程的前后對比而言，主要離子隨鹽分總量降低而降低，而個別處理的個別離子卻有所增加。具體地，對于HCO3-，SG 處理和CK 的量均略有所增加，而SWC 處理略有降低。對Cl-，CK 和SWC處理略有增加，而SG 處理卻大幅降低。對于SO42-，所有處理都表現(xiàn)為降低，各處理降幅依次為SWC 處理>CK>SG 處理。對于K+，CK 略有減少，SG 處理則大幅減少，而SWC 處理卻大幅增加。對于Na+，CK 大幅增加，而SWC 和SG 處理則分別略有增加和降低。對于Mg2+，所有處理表現(xiàn)為大幅降低，各處理降幅依次為CK>SG 處理>SWC 處理。對于Ca2+，SWC 處理和CK 大幅降低，且降幅相近，而SG 處理則大幅增加。

表10 不同處理下土壤鹽分離子量 Table 10 Soil salt ion contents under different treatments cmol/kg

表11 不同處理下土壤鹽分離子量的變化率 Table 11 Change rate of soil salt ion contents under different treatments %

圖5 不同處理不同時期土壤鹽分離子組成情況 Fig.5 Composition of soil salt ions in different treatments and periods

對比不同改良材料施加下，田間經(jīng)歷春灌脫鹽和生育期積鹽2 個過程后，土壤鹽分離子的組成情況如圖5 所示。首先，不論是春灌脫鹽過程之后（5月31 日）還是生育期積鹽過程之后（9 月20 日），SWC 和SG 處理的土壤相比CK 表現(xiàn)出一定的共性，即陰離子中Cl-的占比更低，SO42-占比更高，而陽離子中Ca2+占比更高，Na+占比更低。其次，在經(jīng)歷春灌脫鹽過程后，相比CK，SWC 和SG 處理土壤Cl-和Mg2+占比明顯更低，SO42-和Ca2+占比明顯更高，而SWC 和SG 處理之間各離子占比之間的差異不明顯。第三，在經(jīng)歷生育期返鹽過程后，CK 土壤Cl-和Na+占比明顯高于SWC 和SG 處理，而SO42-和Ca2+占比明顯低于SWC 和SG 處理。在SWC 和SG 處理之間對比，土壤離子占比差異主要表現(xiàn)為SG 處理下土壤Ca2+占比更高，Mg2+占比更低，其他各離子占比差異相近。

3 討 論

3.1 微咸水滴灌對土壤鹽分及其離子組成的影響

從土壤鹽分的時空變化規(guī)律來看，在整個向日葵種植過程中（4 月21 日春灌覆膜前—9 月20 日收獲期），當(dāng)?shù)赝寥利}分變化的一般規(guī)律是：土壤鹽分會經(jīng)歷一個由春灌引起的快速脫鹽過程（4 月21 日春灌覆膜前—5 月31 日播種）和一個生育期內(nèi)（5 月31 日播種—9 月20 日收獲）強蒸發(fā)引起的緩慢積鹽過程，這種變化受當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)種植模式和地區(qū)環(huán)境因素如地下水埋深、土壤質(zhì)地及結(jié)構(gòu)性質(zhì)和當(dāng)?shù)貧夂驐l件等共同影響[13]，土壤各層含鹽量的變化是脫鹽和返鹽兩個過程疊加影響的結(jié)果。地下水位及其礦化度的變化過程雖然直接影響土壤鹽分的分布和動態(tài)，但是考慮到試驗小區(qū)面積很?。? m×15 m），并且是所有小區(qū)是在同一大地塊內(nèi)隨機劃分布設(shè)，不同小區(qū)在該尺度內(nèi)，地下水埋深、土壤質(zhì)地及結(jié)構(gòu)性質(zhì)和當(dāng)?shù)貧夂驐l件等因素沒有顯著差異，周邊農(nóng)田對試驗區(qū)地下水的影響也是基本均等的。因此，盡管地下水等因素對土壤鹽分具有直接的、不可忽視的影響，但是這種影響對于不同試驗小區(qū)是基本一致的，不同小區(qū)之間的鹽分特征是由處理差異造成的。

在鹽分總量上，使用礦化度低于3.0 g/L 的微咸水滴灌不會造成比常規(guī)黃河水灌溉更嚴(yán)重的鹽漬化結(jié)果。但是在生育期積鹽過程中，0～20 cm 和40～60 cm 土壤鹽分的變化率，CK 與HG 處理相近，而20～40 cm 土層的鹽分變化率，CK 比HG 處理高10%。滴灌作為非充分灌溉，會在濕潤體內(nèi)部形成脫鹽淡化區(qū)，在濕潤體邊沿區(qū)域形成鹽分積累區(qū)，20～40 cm 土層正是濕潤體的邊緣區(qū)域。故而相比常規(guī)黃河水灌溉，使用礦化度低于3.0 g/L 的微咸水進(jìn)行滴灌，雖不會造成鹽分總量的增加，但是會造成20～40 cm 土層發(fā)生比0～20 和20～40 cm 更強烈的積鹽現(xiàn)象，這也與周鑄等[15]的室內(nèi)研究結(jié)果一致。對比4 月21 日（春灌覆膜前）和9 月20 日（收獲期）2 個時間節(jié)點的土壤含鹽量變化，相比0～20 cm 土層，20～60 cm 土層由于春灌脫鹽和地下返鹽過程造成的含鹽量變化之間的差異較小，導(dǎo)致不論CK 還是HG，2 個處理20～60 cm 土層的含鹽量變化都很微弱，脫鹽效果都不明顯。從鹽分組成上講，微咸水滴灌與常規(guī)黃河水灌溉雖然在離子組成上都表現(xiàn)為陰離子以SO42-和Cl-為主，且絕對占優(yōu)，陽離子以Ca2+、Na+為主的特點，而這種特點屬于試驗地的地區(qū)性土壤屬性，在短期內(nèi)即使灌溉方式不同，也不會發(fā)生大的變化。上述結(jié)果結(jié)合葉志剛[19]、王雅琴等[20]、李金剛等[21]在河套地區(qū)開展的田間微咸水滴灌試驗，楊樹青等[22]利用MODFLOW模型和MT3DMS模型所進(jìn)行的微咸水灌溉條件下，地下水位、水量、水質(zhì)和含鹽量的模擬分析研究，可以說明合理的灌溉制度下，在河套灌區(qū)利用微咸水進(jìn)行滴灌種植并不會造成比常規(guī)黃河水灌溉更嚴(yán)重的鹽漬化問題。

與黃河水灌溉不同的是，微咸水滴灌各離子的剖面類型并不完全與鹽分總量保持一致。造成這種差異的原因是黃河水灌溉單次灌水量大而灌溉次數(shù)少，且以漫灌的方式進(jìn)行。灌后由于土壤水分增加而使得蒸發(fā)返鹽作用增強[23]，因此黃河水灌溉土壤鹽分離子的剖面分布與鹽分總量剖面一致，呈“上高下低”型。滴灌由于頻繁淋洗，只有遷移性較強的Na+和Cl-能夠隨再次上移到表面，其他離子則被抑制在濕潤體邊緣附近。周鑄等[15]通過室內(nèi)土柱試驗的研究得出微咸水滴灌下Ca2+主要集聚在15～20 cm 土層，Na+由于土壤膠體的弱吸附能力和在土壤溶液中容易遷移的特性，大部分都被淋洗到了土壤的下層，集中在40 cm 處。造成這種差異的原因可能在于田間試驗與室內(nèi)土柱實驗的環(huán)境差異。進(jìn)一步對比生育期返鹽過程前后各個離子量的變化，微咸水滴灌雖然在對鹽分總量的影響上與常規(guī)黃河水灌溉差別不大，但是對于離子的量及組成的影響上表現(xiàn)出明顯差異。造成這種差異的原因可能在于，相比常規(guī)黃河水灌溉所用的黃河淡水，滴灌所用微咸水中還有大量的Na+和HCO3-，灌溉過程中，一方面微咸水本身會大量引入這2 種離子造成其含量增加，另一方面微咸水中大量的Na+在置換出土壤膠體上的Ca2+后，Ca2+隨灌溉水下行而被淋洗到下層，在返鹽過程中又由于Ca2+遷移性比Na+弱，所以Ca2+很難再隨上行水返回土壤上層。綜合上述討論，使用礦化度低于3.0 g/L 的微咸水進(jìn)行滴灌，與常規(guī)黃河水灌溉相比，雖不會造成鹽分總量上的明顯積累，但是會使鹽分在20～40 cm 處積聚，同時會降低土壤Ca2+量和占比，增加Na+、Cl-的量和占比，促使土壤鹽分向鈉質(zhì)化發(fā)展。鈉離子量增多會造成土壤顆粒收縮、膠體顆粒分散和膨脹，進(jìn)而導(dǎo)致土壤孔隙度減少，影響土壤的滲透性和作物根系的生長發(fā)育[21]。這種離子組成的變化一方面會增加土壤堿化的可能性，同時會使得土壤理化性質(zhì)逐漸惡化，另一方面也會增加土壤鹽分對作物生長的毒害作用。因此，如何消解微咸水滴灌可能引發(fā)的上述風(fēng)險是微咸水安全利用一個重要問題。

3.2 改良材料對微咸水滴灌土壤鹽分及其離子組成的影響

鹽堿化土壤中，鹽脅迫通過離子毒害、營養(yǎng)失衡和滲透脅迫等引起植物體生理生化代謝失調(diào)，進(jìn)而影響其生長發(fā)育、產(chǎn)量和品質(zhì)[24]。鹽分對作物生長的影響不僅表現(xiàn)出鹽分總量上的差異，還表現(xiàn)出離子組成上的差異，因此改良材料對土壤鹽分的影響效應(yīng)應(yīng)從鹽分總量和離子組成2 個角度去分析討論。

就鹽分總量的降低效果而言，施加生物炭和石膏可以顯著提高土壤脫鹽率，這與劉易等[25]的研究結(jié)果一致，但是2 種改良材料的影響機理和效果存在差異。生物炭對于土壤的影響主要在于它可以降低土壤的體積質(zhì)量，增加土壤的總孔隙度[26]，增大質(zhì)地較黏的土壤的通透性，促進(jìn)土壤水分入滲[27]。石膏對于土壤的影響在于引入大量Ca2+置換掉Na+，由于含Ca2+膠體微粒的外層不吸附水分子，使Na 質(zhì)親水膠體變?yōu)镃a 質(zhì)疏水膠體，膠體微粒自己能互相靠近而聚團(tuán)，促進(jìn)土壤形成水穩(wěn)性團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，從而改善土壤結(jié)構(gòu)，促進(jìn)土壤鹽分淋洗[28-29]。盡管生物炭和石膏對土壤理化性質(zhì)的影響有差異，但是脫鹽過程主要是由春灌時下行水的強烈淋洗造成的，這一過程通常迅速而強烈，從而導(dǎo)致它們對土壤鹽分的影響差異沒有明顯地表現(xiàn)出來。而在生育期內(nèi)緩慢返鹽過程中，生物炭對于土壤結(jié)構(gòu)的影響主要來自自身疏松多孔的結(jié)構(gòu)特性，因此對土壤通透性的影響上是雙向的，在增強土壤水分入滲能力的同時，也有增強了土壤水分上行的能力，同時由于其多孔特性，增強了土壤的持水性能，使得土壤水分能夠保持在一個較高水平，土壤水分蒸發(fā)作用增強[30]，所以生物炭處理下表現(xiàn)出比其他處理更強烈的返鹽現(xiàn)象，這也與李文雪[31]的研究結(jié)果一致。

進(jìn)一步討論改良材料對于土壤鹽分離子的影響。首先，就試驗全過程而言，土壤鹽分總量降低的同時，未施加改良材料的土壤含Na+量大幅增加，Na+、Cl-的全鹽占比也增大，這種結(jié)果與王丹等[32]的研究結(jié)果相印證。而生物炭和石膏處理的Na+、Cl-的量和占比則明顯降低，這說明改良材料可以抑制微咸水滴灌引起的鈉質(zhì)化問題，避免因Na+量的增多而導(dǎo)致土壤黏粒和團(tuán)聚體分散，土壤對水和空氣的滲透性降低的問題，以及因Cl-量的增加對作物根系產(chǎn)生毒害的問題。其次，就鹽分運移的具體過程而言，在脫鹽過程中，雖然生物炭和石膏處理的總脫鹽率相近，但是生物炭處理下土壤含K+量大幅增加，造成這種差異的原因在于生物炭本身具有較高量的水溶性鉀，釋放到土壤中提高土壤含K+量[33]。在積鹽過程中，未施加改良材料的處理，土壤鹽分積累的類型主要是NaCl，而生物炭處理積累的鹽分以MgSO4、Na2SO4、MgCl2為主，石膏處理積累的鹽分類型主要是MgCl2，這種差異是土壤通透性、離子遷移性差異、土壤膠體與土壤溶液間的離子交換等多方面因素共同作用的結(jié)果。未施加改良材料的土壤通透性最差，因此鹽分積累以遷移性最強的Na+、Cl-為主，而生物炭可以顯著增加土壤通透性，因此Mg2+、SO42-這種遷移性相對較弱的也可以隨水向上遷移，石膏對于離子的影響應(yīng)該是介于生物炭和不施加改良材料處理之間。這種差異也反映出不同的改良材料雖然都可以影響到鹽分總量的變化，但是在總量變化的同時，土壤鹽分的類型和離子組成也會向不同的方向發(fā)展，在以后的相關(guān)研究和實踐中應(yīng)該給予重視和關(guān)注。

4 結(jié) 論

1）使用礦化度小于3.0 g/L 的微咸水進(jìn)行滴灌不會引起更嚴(yán)重的鹽分積累問題，但是會造成鹽分在20～40 cm 土層的強烈積累，以及土壤Na+、Cl-量和全鹽量增加，促使土壤鹽分向鈉質(zhì)化方向發(fā)展。

2）微咸水滴灌配施加石膏或生物炭雖然都可以顯著提高土壤脫鹽率，抑制土壤Na+、Cl-量和占比的增加，但在作物生育期緩慢積鹽過程中，生物炭也表現(xiàn)出更強烈的返鹽現(xiàn)象。2 種改良材料在降低Na+、Cl-量和全鹽占比的同時，生物炭會顯著增加土壤K+的量及Mg2+、SO42-的全鹽占比，石膏處理則在其他離子的量都降低的同時，提高了Ca2+和SO42-的全鹽占比。

3）灌溉方式、改良材料在對土壤鹽分總量造成影響的同時，也會促使土壤鹽分類型向不同的方向發(fā)展，而在微咸水滴灌利用過程中，配施生物炭和石膏等改良材料不僅可以提高土壤脫鹽率，還可以消除由于微咸水滴灌引起的土壤鈉質(zhì)化問題所造成的不良影響，這為鹽堿地改良利用提供一個更加科學(xué)有效的技術(shù)方案。