滴灌流量對不同質地土壤水鹽運移的影響研究

胡 越，邵光成，蔣 傲，張 穎，尚林鑫

（1.河海大學農業(yè)科學與工程學院，江蘇南京210098；2.江寧區(qū)水務局，江蘇江寧211100；3.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江杭州311122）

0 引 言

我國鹽堿地的分布范圍十分廣泛，其中新疆地區(qū)是典型的內陸鹽漬區(qū)，降雨稀少，蒸發(fā)強烈，江蘇濱海地區(qū)是典型的海浸鹽漬區(qū)，有大面積受海水浸漬而形成的次生鹽漬化耕地［1］。隨著人口增長和經濟發(fā)展，鹽漬區(qū)的水資源供需矛盾日趨突出，水資源短缺已成為制約經濟社會健康發(fā)展的瓶頸。滴灌作為當今世界最先進的灌水技術之一［2，3］，具有節(jié)水、節(jié)肥、省工等優(yōu)點［4，5］，對鹽堿地土壤有良好的淋洗作用［6］，在我國各大鹽漬區(qū)已得到日益廣泛的應用。由于淡水資源的缺乏，上述地區(qū)在發(fā)展滴灌時急需找到適用于本地區(qū)鹽堿土的滴灌流量?；诖?，針對新疆和江蘇濱海地區(qū)特殊土質，探討不同滴灌流量下土壤水鹽運動特點，尋求在灌水量有限的情況下既能達到壓鹽目的又盡可能節(jié)水的滴灌制度就顯得特別重要。

滴灌流量、土壤質地是滴灌條件下影響土壤水鹽運移的兩項重要因素［7，8］，在相同灌水量條件下，不同的滴灌流量對應不同土壤浸潤時間、不同濕潤體以及土壤水鹽環(huán)境，而不同的土壤質地則對應不同的土壤結構、顆粒組成、持水和導水能力，進而產生差異性的水鹽環(huán)境。國內外學者的已有研究表明，大滴頭流量能促進土壤水鹽的水平運移，使土壤濕潤區(qū)更寬淺，表層土含水率更大，且鹽分多積聚在土壤表層，小滴頭流量能促進土壤水鹽向垂直深度運移，更有利于壓鹽［9-15］。土壤質地對土壤鹽分的影響程度隨土壤深度遞減，而對土壤水分的影響則相反［16］。砂土的土顆粒直徑大，水分入滲和蒸發(fā)速率快，鹽分在土壤中運移頻率高，垂直分布性更好，黏土比表面積大保水性好，對鹽分有明顯的阻礙作用，同等灌水定額下粉砂質黏壤土具有更高的含水量［17-20］。目前關于滴灌條件下土壤水鹽運移的研究多集中在闡釋滴灌流量等單因素的影響機理上，而對于不同質地鹽堿土適宜滴灌流量的遴選研究涉及較少。

本文通過避雨土箱滴灌試驗，選取滴灌流量作為控制因素，設置新疆砂質壤土和東臺粉砂質壤土兩種土壤質地，分析不同滴灌流量對土壤水鹽運移的影響，從而篩選出不同土質對應的最優(yōu)滴灌流量。研究成果可為滴灌系統(tǒng)制定更為合理的灌溉制度提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土壤取自新疆且末墾區(qū)與江蘇省東臺市濱海地區(qū)耕層土，根據(jù)土壤粒度分析儀測定結果和國際制土壤質地分組法［21］，得到兩地土壤分別屬于砂質壤土和粉砂質壤土，土壤物理性質見表1。

表1 供試土壤基本物理指標Tab.1 Basic physical indexes of tested soil

1.2 試驗方法

試驗于2018年3-8月進行。試驗裝置為30 cm×30 cm×95 cm 的立方體土箱，頂部無封蓋，筒底安裝有排水閥門。填筑時下部依次鋪設5 cm 厚的石子、粗砂、細砂形成反濾層，細砂與土體之間利用土工膜隔離，防止土箱入滲時下端土壤進入沙粒中。供試土樣經風干，碾磨，過2 mm 篩，嚴格按照測定土壤干容重（砂質壤土為1.47 g/cm3，粉砂質壤土1.35 g/cm3）填入土柱中，按10 cm 高度分層填裝，稱取固定質量的土樣裝入土箱經人工振搗密實至計算高度，層間鑿毛，繼續(xù)填裝下一層，土箱填筑總高度為75 cm。測筒外部用反光薄膜包裹，避免陽光直射造成筒體溫度升高。采用馬氏瓶供水（保證流量穩(wěn)定），醫(yī)用輸液器（去針頭）為滴灌器，滴頭固定在土箱表面的中心位置，每次灌水前均需校正滴頭流量，以保障試驗精確性，試驗裝置示意圖如圖1所示。

圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of test device

試驗共設4種滴頭流量0.4、0.7、1.0、1.3 L/h（用字母L1、L2、L3、L4 表示）和2 種土壤質地新疆砂質壤土、東臺粉砂質壤土（用字母Z1、Z2 表示）共8 個處理，每個處理設3 個重復，各組處理每次的灌水量保持一致，每次為3 L。3月31日第一次灌水潤濕土壤，之后每隔8～12 d灌一次水。

1.3 觀測內容與測定方法

在試驗開始前對兩種土壤土樣測定得到新疆砂質壤土的初始電導率為1 090 μS/cm，東臺粉砂質壤土的初始電導率為1 003μS/cm，以此為基準值研究土壤中可溶性鹽的遷移情況。試驗開始前測得新疆砂質壤土土壤Cl-初始含量為280.11 mg/kg，東臺粉砂質壤土土壤Cl-初始含量為354.50 mg/kg，新疆砂質壤土Na+初始含量為101.80 mg/kg，東臺粉砂質壤土土壤Na+初始含量為174.30 mg/kg，以此為標準判斷土層Cl-與Na+的淋洗與積聚等具體運移結果。

從第二次灌水后開始，相鄰兩次灌水之間對各個處理取一次樣（灌水間隔10 d及以上的取兩次），用直徑為2 cm 的取土器進行取土。每個測桶分別從0～15、15～25、25～35 cm的土層取土（以下分別稱上層、中層、下層），分別進行土壤水分及鹽分指標的測定。采用烘干法測含水率，用塑料自封袋保存土樣統(tǒng)一測電導率、Cl-、Na+含量。測定樣液采用水土比為5∶1浸提法提取，風干土樣用研缽碾碎，過1 mm 篩，稱重放入離心試管中，加入5倍去二氧化碳蒸餾水，震蕩3 min，離心5 min。電導率采用DDS-307 電導率儀（SG3，MATTLER TOLEDO，中國上海）測定，每次測定重復讀數(shù)3 次。土壤陰離子Cl-采用AgNO3滴定法測定，土壤陽離子Na+采用電感耦合等離子體質譜儀（PlasmaMS 300，鋼研納克，中國北京）測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016 處理試驗數(shù)據(jù)，表中各項數(shù)據(jù)均為整個灌水周期平均值，Origin 9.0 作圖，對各處理結果運用SPSS 22.0 進行單因素顯著性分析（LSD）。

2 結果與分析

2.1 不同滴灌流量下土壤水分變化

從表2可以看出，砂質壤土平均含水率在垂直方向上隨土層深度增加而上升，且隨著滴灌流量的增加表現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律，其最大值出現(xiàn)在處理L3Z1 的下層土中，達到13.19%。而粉砂質壤土層間含水率分布則表現(xiàn)出與砂質壤土相反的規(guī)律，由圖2可見，前25 d 各處理的土壤含水率逐層減小，平均含水率隨流量的變化趨勢與砂質壤土相同，其最大值出現(xiàn)在處理在L2Z2的中層土，達到18.34%。

表2 不同滴頭流量下土壤含水率統(tǒng)計特征值Tab.2 Statistical characteristic value of soil moisture content under different drip irrigation flow rates

就土體平均含水率值的分布區(qū)間而言，如表2所示，粉砂質壤土保持在15.09%～18.34%之間，大于砂質壤土的9.96%～13.19%，說明粉砂質壤土保水性較好。粉砂質壤土上層土的變異系數(shù)Cv值明顯大于其他土層，且隨著流量增大基本呈上升趨勢，說明土壤表層可能存在積水區(qū)，灌水與蒸發(fā)交替進行，土體含水率變化幅度大（見圖2），且隨著滴灌流量的增加變化幅度越劇烈。

圖2 粉砂質壤土各土層含水率的動態(tài)變化曲線Fig.2 Dynamic changing curves of Soil moisture content in different soil layers of silty loam

綜上，兩種土壤層間含水率分布稍有差異，平均含水率變化規(guī)律相同，均表現(xiàn)為隨著滴灌流量的增加先增大后減小，砂質壤土和粉砂質壤土分別在1.0、0.7 L/h時含水率最高。

2.2 不同滴灌流量下電導率變化

圖3顯示了各處理不同土層電導率的動態(tài)變化情況，結合表3中的脫鹽率可以發(fā)現(xiàn)，對于上層土，砂質壤土在流量L1、L2、L3的條件下電導率值始終低于初始值，保持脫鹽效果，當流量增大至L4 時，電導率變動幅度顯著增加，表現(xiàn)出洗鹽速度快但返鹽現(xiàn)象也較明顯的規(guī)律；粉砂質壤土電導率則較穩(wěn)定的維持在較低水平，且隨流量的增加不斷下降。對于中層土，砂質壤土各個處理脫鹽率L3Z1>L4Z1>L2Z1>L1Z1，相較于上層土總體減小，如圖3所示，流量L1、L2條件下對鹽分的淋洗效果不穩(wěn)定，分別在30、65 d后持續(xù)積鹽，流量L3、L4淋洗效果較好，僅在試驗后期出現(xiàn)短時積鹽現(xiàn)象；粉砂質壤土脫鹽率同樣低于上層土，各處理的電導率平均值均低于初始值且表現(xiàn)出隨著流量的增加先降低后升高的規(guī)律，在流量L2 時脫鹽率達到最大值34.25%。下層土整體表現(xiàn)為積鹽，砂質壤土電導率平均值L1Z1>L4Z1>L2Z1>L3Z1，僅在流量為L3時試驗前期部分時間內出現(xiàn)了鹽分淋洗現(xiàn)象，其他流量處理均表現(xiàn)為持續(xù)積鹽現(xiàn)象（見圖3）；粉砂質壤土變化規(guī)律則與中層土類似，均在流量L2 條件下鹽分積聚率最小。

表3 不同滴灌流量下土壤電導率統(tǒng)計特征值Tab.3 Statistical characteristic value of soil conductivity under different drip irrigation flow rates

圖3 不同滴灌流量下土壤電導率動態(tài)變化曲線Fig.3 Dynamic changing curves of soil conductivity under different drip irrigation flow rates

由以上分析可知，就上層土而言，砂質壤土較低流量時鹽分淋洗更穩(wěn)定，而粉砂質壤土各處理均表現(xiàn)持續(xù)脫鹽；兩種土壤中層土的鹽分含量表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律，即隨著流量的增大先降低再升高，砂質壤土淋洗效果在1.0 L/h 時最好，粉砂質壤土在0.7 L/h 脫鹽率最大；下層土為鹽分積累區(qū)，砂質壤土和粉砂質壤土分別在流量1.0、0.7 L/h時鹽分積累率最小。

2.3 不同滴灌流量下土壤離子變化

2.3.1 Cl-的運移規(guī)律

兩種土壤的Cl-遷移規(guī)律存在明顯差異。由表4可知，對于砂質壤土，各土層的離子淋失和積聚效應與電導率值表現(xiàn)的規(guī)律基本一致，中上層為淋洗層，下層為積聚層，不同流量處理下中上層土Cl-平均含量無顯著差異，僅當流量達到L4 時下層土的離子積聚量明顯增加，說明流量大小的改變對淋洗層的Cl-遷移沒有顯著影響。粉砂質壤土中Cl-遷移對流量具有一定的敏感性。如表4所示，上層土中，隨著流量的增大平均Cl-含量表現(xiàn)出先減小后小幅增加的規(guī)律，離子淋失率在L2流量下達到最高，為59.25%。中層土離子淋失率低于上層土，但變化規(guī)律與其保持一致。下層土持續(xù)離子聚集，處理間差異較小。

表4 不同滴灌條件下土壤Cl-變化統(tǒng)計特征值Tab.4 Statistical characteristic value of soil Cl-content under different drip irrigation flow rates

2.3.2 Na+的運移規(guī)律

從表5可以看出，對于砂質壤土，上層土Na+淋洗率隨流量變化各處理差異不顯著，中下層土Na+遷移規(guī)律基本與對應土層的電導率變化類似，即離子含量隨流量的增大先降低再升高，淋洗效果在1.0 L/h 時最佳；對于粉砂質壤土，各土層的遷移規(guī)律同樣與電導率變化類似，表現(xiàn)為上層土隨流量增加淋洗效果持續(xù)加強，中下層土Na+含量隨流量的增大先降低再升高，淋洗效果在0.7 L/h 時最佳，但當流量增加到L3、L4 時Na+含量及淋洗率則趨于一致。粉砂質壤土黏粒含量高，土壤入滲速率小，一致性的產生可能是因為當流量大于L2 后，土層表面形成積水，灌溉水在土壤中的入滲過程趨于穩(wěn)定，使得兩處理的結果較為相似。

表5 不同滴灌條件下土壤Na+變化統(tǒng)計特征值Tab.5 Statistical characteristic value of soil Na+content under different drip irrigation flow rates

3 討 論

滴灌能使土壤在垂直方向形成鹽分淡化區(qū)［22-26］，上層土淋洗效果最好，中層土的淋洗效果次之，下層土為鹽分積聚區(qū)。通過對本研究各處理的分析比較發(fā)現(xiàn)，隨著流量的增加土壤含水率和脫鹽率呈先升高后減小的變化規(guī)律。砂質壤土粒間孔隙大，水分易向下滲透，當流量達到1.3 L/h 后，滴灌水沿土壤孔隙出流引起深層滲漏，使得土層含水率下降，李長城等［27］的研究也表明砂土在相同的灌水歷時下，不同滴頭流量會造成灌水總量不同。砂質壤土中上層土鹽離子運移受灌水歷時影響較大，長時間的浸潤能帶走土壤中溶解態(tài)、吸附態(tài)甚至部分固態(tài)鹽離子，供水量一定流量越小灌水歷時越長鹽分淋洗則越充分，馬東豪等［28］通過田間試驗也發(fā)現(xiàn)小滴頭流量能促進土壤中水鹽向垂直深度運移，土壤中鹽分能隨水分壓至深層。對于粉砂質壤土，蘇里坦等［11］認為，受土壤入滲能力的限制，高強度滴頭流量不利于鹽分向深層運移，本研究的試驗結果也表明，在大滴頭流量（1.0、1.3 L/h）下，因供水強度大于水分入滲率導致滴灌水積聚在土層表面向水平方向擴散且蒸發(fā)更加強烈，實際滲入土壤水分較小流量條件（0.7 L/h）下降低，同時表面積水的存在，也使得豎直方向淋洗水量變少，淋洗效率下降，各土層隨著流量的增大鹽分淋洗效果反而變差。

滴灌的鹽分淋洗過程包括2個方面，一是總鹽分的淡化，二是鹽分離子的淡化［29］。Na+的遷移特性表現(xiàn)出與土壤總鹽的運移規(guī)律相似的特點，而Cl-的遷移特性則與土壤黏性有關，在不同土質中表現(xiàn)出不同的遷移規(guī)律。砂質壤土的土壤孔隙較大，土壤顆粒吸附性不強，滴頭流量對Cl-遷移的影響很小。這一點與李金剛等［30］的研究結果一致，Cl-與砂質土壤膠體之間的吸附作用弱，其隨水分遷移的能力很強，在灌水量一定的情況下，不論是低流量還是高流量條件下，均表現(xiàn)出較好的離子淋洗效果。而粉砂質壤土中Cl-遷移則對滴灌流量具有一定的敏感性，粉砂質壤土粉粒含量多，粉粒比表面積大對Cl-有很強的吸附作用，因而滴灌流量在粉砂質壤土中的Cl-遷移規(guī)律中更具有差異性。

滴灌條件下，各土層的淋洗效果還受到土壤質地的影響。本研究結果表明，不同質地土壤各土層具有不同的最優(yōu)淋洗流量，其中上層土的淋洗規(guī)律差異尤為顯著，砂質壤土表現(xiàn)為在低流量下洗鹽更充分，且含鹽量變幅較大；粉砂質壤土表現(xiàn)為含鹽量穩(wěn)定維持在較低水平，且隨流量的增加不斷下降。薛新偉等［8］總結前人研究認為，土壤質地對表層土壤含鹽量的影響更為顯著的原因是土壤表層由于水分入滲、蒸發(fā)等作用比較活躍，鹽分運移變化更為明顯，砂土土壤顆粒直徑大保水性差，水分在砂土中入滲速率和蒸發(fā)速率快，鹽分在土壤中移動頻率高。陳麗娟［17］等人通過研究微咸水灌溉條件下含黏土夾層土壤的水鹽運移規(guī)律，發(fā)現(xiàn)黏土層明顯阻礙了鹽分向土壤深層運移，使得黏土層及其上層鹽分積累嚴重，進一步證實了不同質地土壤水鹽運移規(guī)律的差異。因此本研究根據(jù)土壤質地選擇適宜的滴頭流量，得到較好的壓鹽效果，這對實際生產中滴灌系統(tǒng)制定合理的灌溉制度具有重要意義。

4 結 論

（1）在不同滴灌流量處理下，砂質壤土和粉砂質壤土的平均含水率均隨滴灌流量增加而先升高后降低，土壤平均含水率分別在流量1.0、0.7 L/h時到達最大。相同流量處理下粉砂質壤土的平均含水率明顯高于砂質壤土。

（2）土壤距離滴頭越近，脫鹽率越高。上層土的鹽分淋洗效果最好，砂質壤土脫鹽率隨流量的增加而下降，粉砂質壤土脫鹽率則與流量大小成正比關系；中層土的淋洗效果次之，脫鹽率隨滴頭流量先升高后降低，砂質壤土在流量1.0 L/h 時最高，粉砂質壤土在流量0.7 L/h 時最高；下層土為鹽分積聚區(qū)，砂質壤土和粉砂質壤土分別在流量1.0、0.7 L/h 時鹽分累積率最小。

（3）砂質壤土中，Cl-對灌水量較為敏感而受流量變化的影響很小，滴灌流量大小與Cl-遷移之間沒有明顯規(guī)律，Na+遷移在中下層土表現(xiàn)出與總鹽一致的變化規(guī)律，流量為1.0 L/h 時淋洗相關最好，而上層土處理間差異不顯著；粉砂質壤土中，流量對Cl-遷移的影響更具規(guī)律性，上層和中層土平均Cl-含量隨流量先減小后小幅增加，在滴頭流量為0.7 L/h 時淋洗率最高，下層土持續(xù)離子聚集，處理間差異不顯著，Na+遷移在流量小于1.0 L/h時與總鹽規(guī)律相同，進一步加大流量則無顯著變化。□