瑪納斯河流域出苗期棉田土壤膜下滴灌前后水分-鹽分-養(yǎng)分運移分析

陳霖明，李艷紅,李發(fā)東,3,4,何新林

(1.新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830054；2.新疆維吾爾自治區(qū)重點實驗室，新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源實驗室，新疆 烏魯木齊 830054；3.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101；4.中國科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100190；5.石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832000；6.現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團重點實驗室,新疆 石河子 832000)

自1996年新疆建設(shè)兵團農(nóng)八師對鹽堿地膜下滴灌實踐取得較好的效果后，膜下滴灌技術(shù)在新疆大規(guī)模應(yīng)用推廣開來[1-3].由于膜下滴灌的單次供水量較小，且新疆灌溉水具有較高的礦化度，難以利用膜下滴灌將土壤中鹽分淋洗至地下水中，鹽分仍然在土壤內(nèi)部集聚[4-6].棉花出苗期是棉花生長的重要階段，土壤內(nèi)部鹽分的累積在一定程度上會抑制棉花的出苗，而土壤中養(yǎng)分的多寡又會影響棉花出苗的品質(zhì)[7-8].目前，國內(nèi)外眾多研究結(jié)果表明，土壤在滴灌條件下會在滴頭至棉花根區(qū)形成濕潤區(qū)和鹽分淡化區(qū)，水平方向上鹽分會由滴頭處向膜間遷移，具有明顯的定向遷移機制；而土壤養(yǎng)分主要累積在膜內(nèi)的滴頭處至棉花根區(qū)[9-13].齊志娟等[14]在分析內(nèi)蒙古河套灌區(qū)土壤膜下滴灌過程中滴頭下方30 cm附近形成主要脫鹽區(qū)，鹽分逐漸向濕潤區(qū)外緣積聚.蘇里坦等[15]在新疆南疆地區(qū)得出在時間尺度上，棉花根層(0～50 cm土層)土壤的脫鹽率順序為:灌溉1 d后>灌溉3 d后>灌溉7 d后>灌溉前.G?rden?s等[16]通過在水肥一體化條件下建立土壤硝態(tài)氮淋失模型，得出在干旱地區(qū)硝態(tài)氮的淋失范圍.瑪納斯河流域(簡稱瑪河流域)，是新疆開墾面積最大的人工綠洲，是重要的棉花生產(chǎn)基地，也是最典型的積鹽區(qū).瑪河流域棉田有著長期的膜下滴灌歷史，土壤含水率常年處于較低狀態(tài)，土壤含鹽量較高，且多集聚在20～60 cm層面，土壤養(yǎng)分呈現(xiàn)出氮肥較豐富而磷肥和鉀肥匱乏[17-19].滴灌后棉田土壤水分-鹽分-養(yǎng)分變化會直接影響到棉花苗期的出苗率以及幼苗品質(zhì).目前，眾多學(xué)者對瑪河流域棉田土壤水鹽運移規(guī)律研究主要集中在6～8月或者整個棉花生育期，認為在土壤內(nèi)部鹽分呈現(xiàn)出水平方向上由膜內(nèi)向膜間和垂直方向上由下至上的雙向累積的分布特征[20-23].而部分學(xué)者探究了棉花出苗期土壤水鹽分布規(guī)律，認為土壤水分呈現(xiàn)出由地表向土壤深層遞減的分布特征；土壤含鹽量較小，鹽分主要集中在40～60 cm深度處[24-25].但是對出苗期棉田土壤灌水后的水分-鹽分-養(yǎng)分的時間變化規(guī)律的研究較為薄弱，因此本研究通過在棉花出苗期進行野外實地采樣，取得農(nóng)業(yè)種植狀態(tài)下的棉田土壤水分、鹽分、養(yǎng)分數(shù)據(jù)；基于對瑪河流域棉花出苗期棉田土壤水分-鹽分-養(yǎng)分變化規(guī)律進行分析，揭示棉花生長階段膜下滴灌前后土壤水分-鹽分-養(yǎng)分運移規(guī)律.以期確定瑪河流域出苗期棉田土壤水分-鹽分-養(yǎng)分分布規(guī)律，為控制棉田土壤次生鹽漬化、提高棉花出苗率和提升幼苗品質(zhì)提供數(shù)據(jù)支持和科學(xué)依據(jù)，為促進區(qū)域農(nóng)業(yè)發(fā)展提供一定的參考.

1 研究區(qū)概況及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

瑪納斯河流域(N 43°27′～45°21′，E 85°01′～86°32′ )位于新疆天山北麓中段，準(zhǔn)噶爾盆地南緣，是典型的山盆體系結(jié)構(gòu)；地處歐亞大陸腹地，也是典型的內(nèi)陸河流域.流域面積約3.1×104km2，地勢南高北低；該流域多年干旱少雨，年降水量不足200 mm，年蒸發(fā)量高達1 800 mm.年均氣溫為4.7～5.7 ℃，光熱資源豐富，屬典型的溫帶大陸性干旱半干旱氣候.安集海灌區(qū)位于瑪河流域西北部，是由沖洪積扇形成的中游平原地帶，地下水位埋深較小(約1～3 m)，礦化度較低，土壤質(zhì)地以沙壤土、壤土和黏土為主.自1999年實行膜下滴灌以來，棉田土壤鹽漬化得到一定控制，但由于受到地下水位埋深較小、土質(zhì)、氣候及人為活動等的綜合影響，部分農(nóng)田仍處于脫鹽不穩(wěn)定或者積鹽狀態(tài)[17、26].出苗期是棉花重要的生長發(fā)育階段，在此階段滴灌1～2次，一般選擇地下水灌溉，灌溉水礦化度為100～200 mg/L，每次滴灌量為190～240 m3/hm2.

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集及樣品分析 于2019年5月在瑪河流域安集海灌區(qū)棉田依據(jù)實地情況分別選取樣地，選取142團作為土壤采集點，分別在滴灌前2天，滴灌后第2天、5天、7天內(nèi)進行采樣，設(shè)置4個采樣點，記錄每一個采樣點的海拔高程、經(jīng)/緯度土壤類型.除去土壤表層凋零碎屑.采用5點法對滴頭處、覆膜邊緣處、膜間的土壤進行采集，共獲取土壤剖面20個.每個剖面自上而下采集0～5、5～10、10～20、20～40、40～60 cm土壤，共采集土壤樣品100個，裝入樣品袋后標(biāo)記帶回實驗室，經(jīng)過自然風(fēng)干、研磨、剔除雜質(zhì)、過2 mm篩后保存.

1.2.2 試驗方法 土壤各項理化性質(zhì)均參照《土壤·水·植物理化分析教程》[26].制備1∶5的土水質(zhì)量比浸提液，pH值采用HANNA公司 pH 電 極 (pH 211 Microprocessor pH Meter)進行測定；土壤鹽分用HANNA公司便攜式電導(dǎo)儀進行測定；土壤溫度使用地溫計測量；土壤含水量用烘干法測定；土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮采用2 mol/L KCl浸提，使用雙波長紫外比色法測定.

1.2.3 數(shù)據(jù)處理 采用Excel對數(shù)據(jù)進行常規(guī)統(tǒng)計計算，差異性分析使用SPSS 17.0軟件完成，用Orgin 16.0、Surfer 15.0作圖.

2 結(jié)果與分析

2.1 膜下滴灌土壤理化性質(zhì)描述性統(tǒng)計

對滴灌前后樣地土壤( 0～60 cm) pH值、含水量、鹽分和銨態(tài)氮、硝態(tài)氮進行描述性統(tǒng)計分析(表 1) 可知， 按照變異系數(shù)劃分等級，當(dāng)CV<10%為弱變異性;10%100%時為強變異性[17].滴灌前后土壤含水量屬于弱變異強度和中等變異強度，鹽分均屬于中等變異強度，銨態(tài)氮和硝態(tài)氮均屬于中等變異強度；滴灌前后土壤pH值屬于弱變異強度；滴灌后同一深度上的土壤養(yǎng)分變異系數(shù)均大于土壤鹽分、土壤含水量和pH 值.

表1 滴灌前后土壤理化性質(zhì)描述性統(tǒng)計

2.2 膜下滴灌水分變化規(guī)律

土壤含水量的變化對出苗期棉花生長影響較大，土壤含水量在時間尺度上的變化規(guī)律如圖1.由圖1可見，在滴灌后土壤內(nèi)部形成濕潤區(qū)，含水量均在增加，在垂直方向上表現(xiàn)出由表層向深層遞增的趨勢.在滴灌后2天濕潤區(qū)范圍最大，土壤含水量也最大，較滴灌前土壤平均含水量增幅達到27.1%.隨著時間推移，濕潤區(qū)范圍減小，土壤含水量在緩慢下降，滴灌后5天、7天較滴灌前土壤平均含水量增幅為17%、10%.出苗期棉花根系主要生長在0～20 cm，隨著生育期的變化，棉花根系會逐漸向下延伸.滴灌前棉花根層(0～20 cm)土壤平均含水量為124.8 g/kg，滴灌后2天、5天、7天棉花根層土壤平均含水量分別達到155.91、141.23、139.76 g/kg，較滴灌前增幅為24.9%、13.2%、12%.土壤含水量在滴灌后表現(xiàn)為增加趨勢，在垂直方向上呈現(xiàn)出由表層向深層遞增的特征.

圖1 滴灌前后土壤水分變化圖

2.3 膜下滴灌pH值分布規(guī)律

pH值代表土壤的酸堿程度，也能夠表現(xiàn)農(nóng)作物對土壤肥效的利用效果.滴灌前后土壤pH值均屬于弱堿性.滴灌前土壤pH值呈現(xiàn)出滴頭處向膜間遞減的分布特征.滴灌后2天在棉花根區(qū)(0～20 cm)以外區(qū)域，土壤pH值呈現(xiàn)出明顯增加的趨勢.隨著時間推移，土壤pH值開始緩慢降低，滴灌后7天，土壤pH值在膜內(nèi)呈現(xiàn)出由地表向深層土壤遞增的分布特征(圖2).

圖2 滴灌前后土壤pH值分布圖

2.4 膜下滴灌鹽分變化規(guī)律

膜下滴灌是一種局部灌溉方式，濕潤區(qū)土壤內(nèi)部在水平和垂直方向均有擴散，鹽分隨著濕潤區(qū)的擴散也在隨之變化.滴灌后隨著時間推移，土壤鹽分表現(xiàn)出地表向深層土壤，滴頭處向膜間雙向遞增的分布特征(圖3).滴灌后2天，土壤內(nèi)部鹽分減小，平均脫鹽率達到53.6%，棉花根區(qū)(0～20 cm)脫鹽率為51.6%.隨著時間推移，滴灌后5天、7天土壤內(nèi)部鹽分出現(xiàn)返鹽趨勢，平均脫鹽率分別為35.1%、0.6%，棉花根區(qū)(0～20 cm)脫鹽率分別為32.2%、10.5%.滴灌7天后，膜內(nèi)40 cm以下和膜間20 cm以下開始積鹽.土壤鹽分在滴灌后總體呈現(xiàn)脫鹽狀態(tài)，時間尺度上的變化滴灌后2天<滴灌后5天<滴灌后7 d<滴灌前；在空間尺度上表現(xiàn)出在垂直方向上從深層向地表，在水平方向上從膜內(nèi)向膜間的雙向遷移趨勢，在灌后7 d膜內(nèi)40 cm以下和膜間20 cm以下土壤鹽分形成積鹽區(qū).

圖3 滴灌前后土壤鹽分分布圖(g·kg-1)

本研究采用冪函數(shù)擬合土壤鹽分隨時間的變化：

Y=exp0.359×X0.392，R2=0.944

式中：X代表滴灌天數(shù)；Y代表土壤鹽分(g/kg).決定系數(shù)R2=0.944，說明此冪函數(shù)方程能夠較好地擬合出滴灌后土壤鹽分隨時間的變化規(guī)律.

2.5 膜下滴灌養(yǎng)分變化規(guī)律

土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮是棉花生長過程中最容易吸收的無機氮.土壤銨態(tài)氮含量隨時間變化如圖4所示，在滴灌后總體呈現(xiàn)出累積的趨勢.滴灌后2 d，土壤銨態(tài)氮平均含量最小，僅為3.02 mg/kg，較滴灌前降幅為2.6%；但膜間土壤銨態(tài)氮含量較滴灌前呈增加趨勢，增幅為70.5%.隨著時間推移，滴灌后5、7 d土壤內(nèi)部銨態(tài)氮含量呈現(xiàn)逐漸增加趨勢，分別達到3.16、3.97 mg/kg，增幅為2.6%、28.9%.隨著時間推移，棉花根區(qū)(0～20 cm)銨態(tài)氮含量呈現(xiàn)降低趨勢，在滴灌后第2天、5天、7天分別為3.17、3.02、3.06 mg/kg，降幅分別達到9.2%、13.5%、12.3%.滴灌后土壤銨態(tài)氮含量呈現(xiàn)出從地表至土壤深層和滴頭處至膜間雙向累積的分布特征，但是在棉花根區(qū)(0～20 cm)表現(xiàn)出下降趨勢.

圖4 滴灌前后土壤銨態(tài)氮分布圖

土壤硝態(tài)氮含量隨時間變化如圖5所示，在滴灌后總體呈現(xiàn)累積的趨勢.滴灌后2 d，土壤內(nèi)部硝態(tài)氮含量明顯降低，平均含量僅為0.41 mg/kg，降幅達到46.1%；其中在滴頭處土壤硝態(tài)氮平均含量降幅最大，為53.6%.隨著時間推移，滴灌后5、7 d土壤內(nèi)部硝態(tài)氮含量呈現(xiàn)遞增的趨勢，分別為0.77、1.45 mg/kg，增幅達到1.3%、90.8%.棉花根區(qū)(0～20 cm)土壤在滴灌后隨著時間推移，硝態(tài)氮含量總體呈現(xiàn)出累積趨勢，僅在滴灌后2天時出現(xiàn)降低，僅為0.24 mg/kg.滴灌后土壤硝態(tài)氮含量呈現(xiàn)出從地表至土壤深層和滴頭處至膜間雙向累積的分布特征.

圖5 滴灌前后土壤硝態(tài)氮分布圖

3 影響因素分析

通過對滴灌前后土壤水分-鹽分-養(yǎng)分差異性分析(表3)，滴灌后2天深層土壤含水量和鹽分P<0.05，差異顯著，說明滴灌后土壤水分增加明顯，鹽分被淋洗充分.滴灌后5天時，土壤含水量P>0.05，差異性不顯著，說明土壤濕潤區(qū)范圍在減小，土壤水分在蒸發(fā).根區(qū)(0～20 cm)土壤鹽分P<0.05，深層土壤鹽分P>0.05，說明根區(qū)(0～20 cm)土壤鹽分仍然處于較低水平，而深層土壤出現(xiàn)返鹽趨勢.滴灌后7天，土壤含水量和鹽分差異均不顯著，說明滴灌后隨著時間推移，土壤含水量在減少，土壤濕潤區(qū)范圍減小明顯，脫鹽區(qū)范圍也隨之減小，土壤鹽分出現(xiàn)返鹽趨勢.土壤銨態(tài)氮含量和硝態(tài)氮含量均隨著時間推移呈現(xiàn)累積趨勢.其中銨態(tài)氮在滴灌后表現(xiàn)為差異性不顯著，表明銨態(tài)氮累積趨勢緩慢.硝態(tài)氮在滴灌后2天根區(qū)(0～20 cm)土壤中均表現(xiàn)為差異性顯著，說明硝態(tài)氮在根區(qū)(0～20 cm)土壤中急劇減少；滴灌7天后土壤硝態(tài)氮均表現(xiàn)為差異性顯著，這說明隨著時間推移，土壤中的硝態(tài)氮累積明顯.

表3 滴灌前后土壤水分-鹽分-養(yǎng)分差異性分析

P>0.05 no significant difference;P<0.05 significant difference.

如圖6所示，滴灌時間變化對土壤水分影響表現(xiàn)為逐漸增加的趨勢，這是因為采樣期是5月份，正值棉花的出苗期，棉花正處于出苗階段，需水量較大，含水量逐漸減少.滴灌時間變化對土壤鹽分影響表現(xiàn)為逐漸脫鹽的趨勢，這是因為在滴灌后由于滴灌水的灌入，表層土壤中的鹽分被淋洗到深層土壤.而隨著時間推移，由于土壤蒸發(fā)作用和棉花根部吸水，土壤內(nèi)部濕潤區(qū)范圍縮小，土壤水分在減少，無法對深層土壤起到很好的壓鹽效果，所以深層土壤中的鹽分緩慢向表層遷移，出現(xiàn)返鹽趨勢.

圖6 滴灌后土壤水肥鹽隨時間變化積累量

土壤中的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮都屬于速效養(yǎng)分，滴灌時間變化對銨態(tài)氮的影響表現(xiàn)為增加的趨勢.

由于銨態(tài)氮起效較慢，肥效期較長，進入土壤后主要固定于土壤膠體中；硝態(tài)氮極易溶于水，隨著滴灌水的淋溶易流失或者轉(zhuǎn)化為其他物質(zhì)，且肥效期為當(dāng)天，所以在滴灌2天時積累量為負值.滴灌前棉花株高8～10 cm，滴灌7天后棉花株高基本達到13 cm以上.這也說明滴灌后土壤中的水肥鹽隨著時間的變化對棉花的生長是有促進作用.

4 討論

4.1 滴灌前后土壤中水分-鹽分-養(yǎng)分的時間變化

研究干旱區(qū)膜下滴灌土壤水-肥-鹽運移機制對棉花生長具有重要作用[28-31].本研究通過對滴灌前，滴灌后2天、5天、7天土壤水分-鹽分-養(yǎng)分變化機理進行分析，認為滴灌后土壤水分隨著時間推移呈現(xiàn)遞減趨勢，濕潤區(qū)的范圍逐漸減??；滴灌后土壤鹽分隨著時間推移呈現(xiàn)出返鹽趨勢.在棉花花鈴期以及出苗期至花鈴期，新疆昌吉[32]、南疆[33]和瑪河流域[34]均呈現(xiàn)出在0～60 cm區(qū)間內(nèi)土壤內(nèi)部水分含水率較低，但大于滴灌前，而土壤鹽分則呈現(xiàn)出累積現(xiàn)象.而在棉花吐絮期[3]，瑪河流域土壤內(nèi)部鹽分較出苗期呈現(xiàn)出累積現(xiàn)象，這主要是因為隨著棉花生育期的延長，氣溫較出苗期越來越高，土壤蒸發(fā)作用越來越強烈，土壤內(nèi)部所形成的濕潤區(qū)和脫鹽的范圍縮小的速率較出苗期更快，從而導(dǎo)致了在棉花花鈴期和吐絮期較出苗期土壤鹽分更高，水分較少.瑪河流域[35]棉花全生育期中土壤養(yǎng)分隨著滴灌表現(xiàn)出一定的規(guī)律性；銨態(tài)氮呈現(xiàn)出向下累積趨勢，硝態(tài)氮在滴灌后又被淋洗至深層土壤，會提高土壤中硝態(tài)氮的含量，這也說明土壤養(yǎng)分在棉花的出苗期和其他生育期中變化規(guī)律基本保持不變.

4.2 滴灌前后土壤中水分-鹽分-養(yǎng)分的空間變化

不同研究區(qū)以及不同的棉花生長期，土壤水分-鹽分-養(yǎng)分的空間變化規(guī)律均會存在異同.在瑪河流域[36-38]以及南疆地區(qū)[39]，棉花整個生育期中，苗期土壤鹽分總體呈現(xiàn)脫鹽趨勢，且在膜間仍處于脫鹽狀態(tài)；花鈴期以及吐絮期土壤鹽分在水平方向上呈現(xiàn)出由膜內(nèi)向膜邊以外的區(qū)域定向遷移的趨勢，在垂直方向上表現(xiàn)為由下往上遷移的趨勢，且多出現(xiàn)在0～20 cm層面，而養(yǎng)分則出現(xiàn)表層大于深層，在0～20cm層面累積的現(xiàn)象.這也與本研究的結(jié)果存在一些異同.在出苗期，土壤內(nèi)部水分呈現(xiàn)出在垂直方向上由地表向深層遞增的特征；鹽分則呈現(xiàn)出在水平方向上由滴頭處向膜間和垂直方向上由地表向深層的雙向累積趨勢，在膜內(nèi)40 cm以下則形成積鹽區(qū)；膜間20 cm以下形成積鹽區(qū)，其中在棉花根區(qū)(0～20 cm)則形成恒定的濕潤區(qū)和鹽分淡化區(qū)；而養(yǎng)分呈現(xiàn)出由地表向深層和滴頭處向膜間的雙向累積的分布特征.與棉花其他生育期的區(qū)別主要是兩部分，一是棉花其他生育期較出苗期溫度更高，土壤蒸發(fā)作用強烈，其內(nèi)部的濕潤區(qū)和脫鹽區(qū)縮小的速率較出苗期更快；所以會造成土壤鹽分累積.二是出苗期膜內(nèi)土壤較為松散，而在其他生育期土壤表層已出現(xiàn)部分板結(jié)，影響了灌水后濕潤區(qū)在垂直方向上的延伸距離，較深層的土壤得不到充足淋洗從而影響了氮素進入深層土壤；在河套灌區(qū)[40]，在滴灌后1～3 d水平方向上鹽分逐漸向膜間堆積，垂直方向上鹽分在0～30 cm形成脫鹽區(qū).其與瑪河流域也存在較多差異，河套灌區(qū)較瑪河流域因土壤質(zhì)地黏粒較多而砂粒較少，濕潤區(qū)的范圍主要集中在水平方向上，所以瑪河流域膜內(nèi)土壤在滴灌2天后垂直方向上形成脫鹽區(qū)；在水平方向上均表現(xiàn)出滴頭處向膜間遷移的趨勢.

表4 不同棉花生育期以及不同研究區(qū)的對比分析

5 結(jié)論

本項目在瑪河流域安集海灌區(qū)研究了棉花出苗期單次灌水條件下土壤水分-鹽分-養(yǎng)分在灌后2、5、7 d的時空變化規(guī)律，得到結(jié)果如下.

1) 土壤含水量在滴灌后較滴灌前增幅分別為27.1%、17%、10%；在垂直方向上呈現(xiàn)出由表層向深層遞增的特征.

2) 土壤鹽分在滴灌后總體呈現(xiàn)脫鹽狀態(tài).時間尺度上的變化是滴灌后2 d>滴灌后5 d>滴灌后7 d>滴灌前，脫鹽率為53.6%、35.1%、0.6%.在空間尺度上呈現(xiàn)出垂直方向上從深層土壤向地表和水平方向上從滴頭處向膜間的雙向遷移趨勢，在膜內(nèi)40 cm以下和膜間20 cm以下形成積鹽區(qū).

3) 土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮在滴灌后均表現(xiàn)出累積趨勢；在滴灌后7 d土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮較滴灌前增幅分別為78.8%、90.8%，均表現(xiàn)出由地表向深層和滴頭處向膜間的雙向累積的分布特征.

4) 土壤水分-鹽分-養(yǎng)分的運移規(guī)律主要受時間變化和土壤蒸發(fā)作用的影響.滴灌后時間的推移和土壤蒸發(fā)作用使得土壤內(nèi)部濕潤區(qū)和鹽分淡化區(qū)的范圍在減小，出現(xiàn)返鹽趨勢；弱堿性土壤使銨態(tài)氮向硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化速率增加，從而使土壤硝態(tài)氮累積.