西北農(nóng)區(qū)不同鹽分分布下適宜淋洗定額研究

劉星辰 解學(xué)敏

摘 要：為了探究不同土壤初始鹽分含量及分布特征條件下的淋洗定額，通過室內(nèi)土柱試驗，在100～500 mm范圍內(nèi)，采用兩相鄰差為20 mm的淋洗定額進(jìn)行模擬淋洗，研究不同淋洗定額對土壤水鹽運(yùn)移的影響，分析不同初始條件下土壤鹽分淋洗特征和淋洗效率，確定適宜的淋洗定額。結(jié)果表明：土壤鹽分均勻分布和非均勻分布情況下，淋洗效率P隨淋洗定額的增大呈現(xiàn)出先急速上升、后緩慢上升、最后逐漸下降的趨勢;使土壤鹽分達(dá)到脫鹽目標(biāo)的淋洗定額均小于淋洗效率P峰值所對應(yīng)的淋洗定額。應(yīng)根據(jù)研究區(qū)不同初始鹽分分布情況和水資源情況，選擇適宜的淋洗定額以滿足脫鹽要求，從而實現(xiàn)對鹽堿土的高效節(jié)水淋洗。

關(guān)鍵詞：鹽堿土;淋洗定額;土壤水鹽運(yùn)移;西北典型農(nóng)區(qū)

中圖分類號：S274.1;TV212.5+5 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.11.034

Abstract：In order to explore suitable leaching quota under different initial conditions of soil salinity and distribution characteristics， this study employed a laboratory simulation experiment to simulate the effect of leaching quota with two phase adjacent difference of 20 mm in the range of 100-500 mm on soil water and salinity transport. The suitable leaching quota was thus attained based on the characteristics and efficiency of soil salinity leaching under different initial conditions. The results demonstrate that the leaching efficiency P shows a trend of rapid increase， then slow increase and finally gradual decrease with the increase of leaching quota under uniform and non-uniform distribution of soil salt. The leaching quota of soil salinity to reach the goal of desalination is less than that the leaching quota corresponding to the peak value of leaching water efficiency P. Appropriate leaching quota under different initial conditions can realize efficient water-saving leaching of saline and alkaline soil， which is of great significance to the improvement of saline and alkaline land and water-saving in arid areas.

Key words： saline-alkaline soil; leaching quota; soil water and salt transport; typical agricultural area in northwest China

灌溉在西北灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中起著不可替代的作用[1]，是農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增收的基本保障，也是當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的重要安全屏障。灌區(qū)耕地鹽堿化一直是制約西北地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要因素，鹽堿地形成既有自然因素，也有人為因素[2]。鹽堿土淋洗的目標(biāo)是用更少的水將更多的鹽分淋洗出去。淋洗效果與淋洗定額主要受土壤含鹽量、鹽分組成、土壤質(zhì)地及層次排列、排水條件、淋洗季節(jié)和淋洗技術(shù)等因素影響[3-4]。

國內(nèi)外學(xué)者在鹽堿土鹽分淋洗方面進(jìn)行了大量的研究。改良鹽堿化土壤最重要的是降低鹽分含量，常用的改良措施包括水利工程、農(nóng)藝、化學(xué)和生物措施等， 其中灌水淋洗是水利工程措施中改良鹽堿土的重要方法， 也是眾多改良措施中最簡單有效的[5]。濱海地區(qū)可通過暗管和明溝等排水裝置降低潛水位，減少次生鹽堿化的現(xiàn)象[6];改良鹽堿土應(yīng)該同時提高灌溉效率，達(dá)到灌溉洗鹽的目的[7];陳秀玲[8]研究利用微咸水和降雨對土壤中鹽分進(jìn)行淋洗，使土壤達(dá)到了脫鹽的效果;Isbell等[9]采用多行低流速滴灌帶對果樹根部的鹽分累積區(qū)域進(jìn)行淋洗降鹽，能夠有效降低淋洗需水量;Phocaides[10]認(rèn)為降雨對土壤鹽分的淋洗有不可忽視的作用，在非生育期需要每年進(jìn)行鹽分集中淋洗。

鹽堿土的改良中，堿土因具有透水性差、通氣不良、易板結(jié)等特點，故治理時需要采用化學(xué)改良劑進(jìn)行改良，降低土壤堿性，減輕蘇打?qū)ψ魑锏奈：Γ纳仆寥澜Y(jié)構(gòu)。間歇淋洗的脫鹽率高于連續(xù)淋洗，且土壤中各離子含量均出現(xiàn)較大幅度下降[11];施氮對鹽堿土入滲具有減滲作用，同一施氮水平下，鹽堿土的入滲性能隨含鹽量的升高而降低，脫鹽深度也降低[12]。

目前對鹽堿土淋洗的研究方法主要包括田間試驗、室內(nèi)試驗和數(shù)值模擬[13]。田間試驗將作物出苗率、產(chǎn)量等作為評價指標(biāo)，確定作物生育期中適宜的灌溉制度、灌水方式、灌溉水質(zhì)和水利工程技術(shù)要素，以達(dá)到最佳洗鹽效果[14]。室內(nèi)試驗主要考慮潛水、蒸發(fā)與鹽分的響應(yīng)關(guān)系，多側(cè)重于觀測鹽分的運(yùn)移過程，研究脫鹽率的影響因素。目前關(guān)于西北典型農(nóng)區(qū)冬灌淋洗定額，還缺乏適宜的評價指標(biāo)，且針對田間實際鹽分累積情況和分布特點的研究較少。筆者通過室內(nèi)試驗研究淋洗后土壤中鹽分分布特征，考慮西北典型干旱農(nóng)區(qū)的作物耐鹽、土壤鹽分累積情況，制定適宜的淋洗定額，以期為鹽堿地改良和干旱區(qū)節(jié)水提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

試驗選取西北典型農(nóng)區(qū)的沙壤土，模擬排水良好的冬灌情況。通過室內(nèi)土柱試驗，探討土壤初始含鹽量均勻及非均勻分布下的適宜淋洗定額及淋洗效率P。

1.1 研究區(qū)概況

研究中采用新疆農(nóng)二師31團(tuán)團(tuán)場（東經(jīng)86.949 444°，北緯40.884 167°）土壤。該團(tuán)場地處塔里木河與孔雀河下游的兩河沖積平原，南臨塔里木河，北接庫魯克沙漠，西北至群克，東南至英蘇。

研究區(qū)0～60 cm土層以沙壤土為主，60～100 cm土層以沙性土為主，透水性較強(qiáng)。土壤密度采用環(huán)刀法測定。0～100 cm土層內(nèi)，土壤平均密度為1.62 g/cm3，田間持水量為35.69%（體積含水量）。鹽堿土類型為硫酸鹽-氯化物土（Cl-∶SO2-4=4∶1），土壤鹽類以氯化物為主，硫酸鹽次之。在2017年11月中旬（冬灌前）和2018年5月中旬（春灌后）分別對研究區(qū)不同深度土壤進(jìn)行取樣，并測定研究區(qū)冬灌前和春灌后土壤平均含鹽量。針對南疆墾區(qū)硫酸鹽-氯化物型鹽堿土，依據(jù)新疆荒勘局和綜考隊對土壤鹽堿化程度的劃分標(biāo)準(zhǔn)可知：5 cm深度土壤含鹽量為11.111 g/kg，屬強(qiáng)鹽堿化土;15 cm深度土壤含鹽量為4.271 g/kg，屬輕度鹽堿化土。

1.2 室內(nèi)土柱試驗

土柱試驗裝置采用直徑15 cm、高100 cm的PVC塑料管制成，土柱桶底鋪10 cm黃沙濾料用于透水，按土壤要求密度1.62 g/cm3分層（每層5 cm）稱重裝入80 cm土樣。利用馬氏供水瓶進(jìn)行穩(wěn)定供水淋洗。馬氏瓶高60 cm，內(nèi)徑10 cm，裝水后關(guān)閉所有進(jìn)氣閥門。馬氏瓶內(nèi)進(jìn)氣口距離土壤表層2 cm，使土柱頂部水深維持在2 cm，實現(xiàn)在恒定水頭下自動供水?？拷林撞總?cè)面設(shè)置閥門用于控制排水。在土柱側(cè)壁安裝了8支TDR傳感器，埋設(shè)深度分別為5、15、25、35、45、55、65、75 cm，依次測定0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60、60～70、70～80 cm土壤層的水鹽含量。通過TDR傳感器監(jiān)測不同時刻土壤剖面水鹽分布情況，并對土柱排水量及鹽分分布進(jìn)行記錄，還需對土壤初始含水率θ0（%）、入滲時間t（min）、t時刻累計入滲量I（mm）、排水量D（mm）等數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。室內(nèi)土柱試驗裝置見圖1。

由于淋洗效率還受土壤初始含鹽量、淋洗水鹽分濃度等因素影響，無法定量描述，因此本文將淋洗效率P結(jié)合土壤脫鹽效果進(jìn)行綜合評價。

2.1 土壤初始含鹽量均勻分布下的適宜淋洗定額

淋洗后土壤含鹽量與土層深度成正比，0～80 cm土層總脫鹽率小于0～30 cm表土層脫鹽率，大于60～80 cm底土層脫鹽率。因此，判斷淋洗后土壤鹽分是否滿足脫鹽指標(biāo)，只需底層土鹽分達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)含鹽量即可。不同初始鹽分條件下淋洗定額對應(yīng)的淋洗效率P和底層土含鹽量見圖2。

淋洗效率P描述了淋洗定額和排鹽量的關(guān)系，能綜合反映淋洗效果的優(yōu)劣。由圖2可知，淋洗定額較小時，大部分水量用于濕潤土壤，使土壤達(dá)到飽和含水率，單位水量排出鹽分較少，淋洗效率較低;隨著淋洗定額的逐漸增大，淋洗效率迅速增大。土壤初始含鹽量越大，淋洗效率峰值也越大。土壤初始含鹽量為2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5 g/kg的淋洗效率P峰值分別為6.265、6.915、7.628、8.541、8.821、9.496、10.102 g/mm，淋洗效率P峰值所對應(yīng)的淋洗定額分別為300、300、340、360、380、400、420 mm，此時的淋洗水分利用率最高。由于土壤中剩余鹽分逐漸減少，因此淋洗效率呈現(xiàn)先急速上升、后緩慢上升的趨勢，然后隨淋洗定額的增大而淋洗效率下降，單位水量淋洗的鹽分逐漸減少。

隨淋洗定額的增大，底層土壤平均含鹽量呈現(xiàn)先增大再減小的變化趨勢。根據(jù)土壤脫鹽指標(biāo)，底層土平均含鹽量需降低到4 g/kg，土壤初始平均含鹽量為2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5 g/kg所對應(yīng)的脫鹽淋洗定額分別為220、260、280、300、340、380、400 mm。觀察圖2可知，達(dá)到底層土脫鹽目標(biāo)的脫鹽淋洗定額均小于淋洗效率P峰值所對應(yīng)的淋洗定額。在灌溉水量能夠保證的條件下，可以考慮將適宜淋洗定額設(shè)為淋洗效率P峰值所對應(yīng)的定額，可在滿足脫鹽指標(biāo)的情況下實現(xiàn)高效率脫鹽，同時也可增加節(jié)水效益，避免盲目追求脫鹽最大化而忽略整體效益。因此，確定土壤初始平均含鹽量為2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5 g/kg所對應(yīng)的適宜淋洗定額分別為300、300、340、360、380、400、420 mm。

2.2 土壤初始含鹽量非均勻分布的適宜淋洗定額

因鹽分分布存在一定差異，故初始土壤平均含鹽量相同的情況下，相同定額對應(yīng)的土壤脫鹽率也會產(chǎn)生一定差異。根據(jù)土壤初始鹽分均勻分布下的模擬結(jié)果可推導(dǎo)出非均勻分布下淋洗效率和底層土含鹽量變化情況。

圖3為初始含鹽量非均勻分布下淋洗效率P和底層土含鹽量的變化情況。由圖3可知，初始含鹽量非均勻分布條件下淋洗效率P和底層土壤含鹽量變化趨勢與初始含鹽量均勻分布下的趨勢一致。

膜下S形分布淋洗效率峰值Pmax所對應(yīng)的淋洗定額和底層土達(dá)到脫鹽目標(biāo)的淋洗定額變化區(qū)間較膜間倒三角表聚分布下的大，且同一土壤初始含鹽量情況下，膜間倒三角表聚分布需要更大的淋洗定額才能達(dá)到脫鹽目標(biāo)和淋洗效率峰值Pmax，具體見表1。與土壤初始含鹽量均勻分布情況類似，土壤初始含鹽量非均勻分布情況下達(dá)到底層土脫鹽目標(biāo)的脫鹽淋洗定額均小于淋洗效率P峰值所對應(yīng)的淋洗定額。因此，在高淋洗效率區(qū)間，可根據(jù)研究區(qū)水源情況和排水條件，選擇滿足脫鹽要求的高效率淋洗定額。

3 結(jié) 語

土壤鹽分均勻分布和非均勻分布情況下，淋洗效率P隨淋洗定額的增大均呈現(xiàn)先急速上升、后緩慢上升、最后逐漸下降的趨勢;土壤鹽分達(dá)到脫鹽目標(biāo)的淋洗定額均小于淋洗效率P峰值所對應(yīng)的淋洗定額，可根據(jù)當(dāng)?shù)厮Y源情況選擇滿足脫鹽要求的高效率淋洗定額。

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【責(zé)任編輯 許立新】