綠洲區長期膜下滴灌棉田土壤鹽分離子分布

李向春，李文昊，韓冬梅，孫秀敏，楊金文

(1. 新疆石河子職業技術學院，新疆 石河子 832000；2. 石河子大學水利建筑工程學院，新疆 石河子 832000；3. 現代節水灌溉兵團重點實驗室，新疆 石河子 832000)

新疆地處歐亞大陸腹地是中國典型的綠洲灌溉農業區，降水稀少、蒸發強烈使農業區土壤鹽分易于聚集[1,2]。目前新疆鹽堿地面積2 810萬hm2，占我國鹽堿地總面積近1/3，并且大部分鹽堿地分布在綠洲區域范圍內，綠洲農業的發展受到土壤鹽堿化的嚴重制約。自1996年新疆生產建設兵團(以下簡稱兵團)率先將滴灌與覆膜技術結合，并在121團進行小面積(1.7 hm2)應用成功后；膜下滴灌技術開始迅猛發展，至今已經遍布整個新疆，并且正在向東北和華中地區擴展，據統計2012年僅新疆的膜下滴灌面積就已超過200萬hm2[3]。采用膜下滴灌種植棉花體現出的便于田間管理并且高產等優勢被專家和農戶所認可；但是滴灌“小定額”的灌溉方式，導致土壤水濕潤范圍有限，計劃濕潤層附近勢必呈積鹽狀態，長此以往這種積鹽狀態也必然會影響甚至阻止膜下滴灌技術的可持續發展。

部分學者對長期應用膜下滴灌技術棉田的土壤鹽分演變趨勢進行了探究。部分研究者認為隨著膜下滴灌應用年限的延長，棉田計劃濕潤層或者根層土壤中鹽分逐年降低[3-9]。另一部分研究者則認為棉花生育期過程中只有膜內一定深度土層處于脫鹽狀態，膜間0～40 cm土層鹽分聚集，在生育期結束后棉田土壤鹽分逐年增加[10-13]。上述研究成果對于指導膜下滴灌農田進行水鹽調控起到了積極作用。但文章中作者都只研究了膜下滴灌棉田土壤中總鹽的變化，而對作物產生直接脅迫作用的鹽分離子的遷移規律未進行深入研究。本文以膜下滴灌發源地121團連續應用膜下滴灌技術灌溉年限為2、4、6、8、10、14 a 6塊典型棉田為例進行研究，分析膜下滴灌灌溉年限為2～14 a棉田土壤總鹽和鹽分離子的分布特征，為膜下滴灌技術在綠洲的可持續應用提出具有借鑒意義的結論。

1 材料與方法

研究區位于下野地灌區內121團，以同一支渠灌溉的6塊不同滴灌年限棉田作為調查研究對象，各地塊開墾年份與應用膜下滴灌技術年限的對照表，見表1。121團是兵團最早采用膜下滴灌技術種植棉花試驗的團場；經過近20年的發展，已經成為兵團最大的優質棉生產基地之一。其地理坐標為東經112°47′50.058″～112°20′626″、北緯44°56′13.323″～44°36′58.871″。春季升溫急劇，秋季降溫迅速，春短，冬長，晝夜溫差大。夏季炎熱，極端最高氣溫達43.1 ℃，冬季寒冷，極端最低氣溫達-42.3 ℃，年平均氣溫7.5～8.2 ℃。日照時數2 318～2 732 h，無霜期147～191 d，≥0 ℃的活動積溫為4 023～4 118 ℃，≥10 ℃的活動積溫為3 570～3 729 ℃。降水量少，年均148.4 mm，蒸發強烈，年均蒸發量1 900.5 mm。

表1 各地塊開墾年份與應用膜下滴灌技術年限的對照表

兵團實施以水定地、依地配水的灌溉方案以及特殊體制下，各研究地塊自1998年來陸續開墾種植棉花，并且棉花的種植模式、灌溉制度、施肥方式甚至農藝措施都基本一致。近年來各研究地塊一直采用 “一膜兩管六行”的種植方式(棉花窄行和寬行間距分別為11和66 cm，膜間間距為60 cm)，見圖1。研究區典型灌水、施肥制度，見表2；全生育期灌水9次，灌溉定額731.13 mm；肥料施入以尿素和磷酸鉀銨為主，年合計施入量829.47 kg/hm2。研究區灌溉水源來自瑪納斯河，觀測到灌溉季節瑪納斯河水礦化度為0.502～0.973 g/L<2 g/L，符合灌溉水水質要求。

2014年對各滴灌年限棉田進行定點定位取樣，考慮到生育期內灌水、季節變化以及降雨對土壤中鹽分、鹽分離子分布的 影響，取樣時間定為每年棉花播種后但未滴頭水的4月中旬以及棉花生育期結束一段時間后且封凍開始前的10月中旬，同時保證取樣前4～5 d沒有降雨。對角線法在棉田內布選3個取樣區，以各棉田東北角為起點各樣區分別位于對角線的1/4、1/2和3/4附近，第一次取樣后對每個樣區進行人工標記定位，方便第二次定點取樣；在各取樣區布設3個采樣點，分別為膜內毛管處、棉花窄行中點、膜外兩膜中點，見圖1。樣點的取樣深度分別為0～3、20±3、40±3、60±3、80±3、100±3、120±3、140±3 cm，每次取樣432個，共計獲取土樣864個。樣品經過自然風干后，進行研磨，過1 mm土工篩后將相同地塊相同土層深度的土樣混合，然后按照土水質量比1∶5混合后震蕩、過濾，對每個樣本的浸提液用DDS-11A數顯電導率儀測定提取液EC值，采用烘干殘渣法對EC值進行標定換算為鹽分質量分數(g/kg)。參見鮑士旦《土壤農化分析》[14]，對土壤中Na+采用火焰光度計進行測定，Cl-用AgNO3滴定法，SO2-4用EDTA 間接滴定法，Mg2+、Ca2+采用絡合滴定法；結果換算成g/kg的統一單位。

圖1 棉花種植模式(單位：cm)

時間4月下旬5月中旬6月中旬6月下旬7月上旬灌水定額/mm165.4563.6489.1863.3956.02施肥量/(kg·hm-2)41.2582.9598.7093.75時間7月中旬7月下旬8月中旬8月下旬合計灌水定額/mm94.8754.4360.1084.05731.13施肥量/(kg·hm-2)127.80150.00155.2579.80829.47

2014年4月同樣對2012年開墾地塊土壤質地和化學性質進行了分析，比重計法測定不同土層土壤顆粒含量，依據《土壤物理學》[15]對土壤質地進行分類(見表3)，環刀法測定土壤干容重(見表2)；耕層以下土壤質地比較均勻。0～100 cm土層平均含鹽量為17.85 g/kg，依據《新疆墾區鹽堿地改良》[16]棉田鹽化程度屬于鹽土；Na+在0～100 cm土層的平均含量為7.43 g/kg，Cl-平均含量為0.38 g/kg，Ca2+平均含量為1.30 g/kg，Mg2+平均含量為0.89 g/kg，SO2-4平均含量為0.67 g/kg。

表3 土壤物理性質

2 結果與分析

2.1 應用膜下滴灌2～14 a棉田土壤鹽分分布

可溶性總鹽是評價鹽堿地危害最直接的指標之一；圖2為膜下滴灌2～14 a棉田0～140 cm土層鹽分的等值線圖。

圖2 總鹽分布特征

由圖2可知，在垂直方向表現為受干旱氣候條件的影響，棉田鹽分始終呈現“淺集表聚”現象，尤其在膜下滴灌10 a以內表現得更為明顯；水平方向呈現出隨膜下滴灌年限的延長土壤鹽分含量逐年降低，到膜下滴灌8 a以后鹽分土層中分布相對均勻。其中膜下滴灌第2 a棉田地表鹽分含量達33.20 g/kg，土壤鹽分含量隨土層深度的增加逐漸降低，到80 cm以下土層含鹽量降到<12.52 g/kg以下，但在100～120 cm土層形成13.47～15.48 g/kg的積鹽區。這可能是因為應用膜下滴灌技術第1 a，由于灌水洗鹽作用土壤鹽分在100～120 cm聚集。應用膜下滴灌技術2 a后0～60 cm(主要根系層)土壤鹽分平均含量為19.78 g/kg，膜下滴灌第6 a降至6.50 g/kg，膜下滴灌第14 a降至3.27 g/kg。膜下滴灌2～14 a不同階段棉田土壤平均脫鹽量，如表4所示。

表4 應用膜下滴灌2～14 a不同階段棉田土壤平均脫鹽量 g/(kg·a)

由表4可知，應用膜下滴灌2～14 a不同階段棉田土壤平均脫鹽量呈逐年降低趨勢，0～60 cm土層在膜下滴灌2～4 a棉田土壤平均脫鹽量為21.36 g/(kg·a)，膜下滴灌6～8 a平均脫鹽量降為2.99 g/(kg·a)，到膜下滴灌10～14 a平均脫鹽量是0.50 g/(kg·a)。應用膜下滴灌2～14 a棉田0～140 cm土層平均脫鹽量9.26 g/(kg·a)。

2.2 應用膜下滴灌2～14 a棉田土壤陽離子分布

應用膜下滴灌2～14 a棉田土壤Na+、Ca2+和Mg2+分布，見圖3～圖5。

圖3 Na+分布特征

圖4 Ca2+分布特征

圖5 Mg2+分布特征

Na+是一價陽離子，其水化半徑小、膠體對其吸附力、交換力以及離子凝聚都比較弱。因此Na+是土壤中最活躍的離子之一。如圖3所示，膜下滴灌8 a內棉田土壤中Na+的“淺集表聚”現象一直比較明顯。膜下滴灌第2 a表層土壤中Na+含量達13.81 g/kg，隨著土層深度的增加，距地表100 cm處Na+含量逐漸降至4.00 g/kg以下。年際間表現出隨著膜下滴灌年限的延長棉田土壤中Na+含量逐年降低的變化趨勢；膜下滴灌第2 a棉田0～60 cm土層Na+平均含量為9.00 g/kg，到膜下滴灌第8 a 0～60 cm土層Na+平均含量降至3.05 g/kg，膜下滴灌第14 a棉田0～60 cm土層Na+平均含量為1.09 g/kg。

陽離子中Ca2+與Mg2+同作為二價，因此其離子代換力、凝聚力、膠體對其吸附性、化學性質等十分相近；因此長期膜下滴灌棉田土壤中Ca2+和Mg2+的分布特征與變化趨勢應該存在一定相似性。由圖4和圖5可知，應用膜下滴灌技術14 a內棉田土壤中Ca2+和Mg2+的“淺集表聚”現象一直存在，同時呈現出隨膜下滴灌年限的延長含量逐年降低的趨勢。應用膜下滴灌技術第2 a棉田0～60 cm土壤中Ca2+平均含量為1.54 g/kg，到膜下滴灌第8 a 0～60 cm土層Ca2+平均含量降至0.53 g/kg，膜下滴灌第14 a棉田0～60 cm土層Ca2+平均含量為0.44 g/kg。應用膜下滴灌技術第2 a棉田0～60 cm土壤中Mg2+平均含量為1.10 g/kg，到膜下滴灌第8 a 0～60 cm土層Mg2+平均含量降至0.79 g/kg，膜下滴灌第14 a棉田0～60 cm土層Mg2+平均含量為0.54 g/kg。

應用膜下滴灌技術2～14 a不同階段棉田土壤平均脫Na+量、脫Ca2+量、脫Mg2+量，如表5所示。

表5 應用膜下滴灌2～14 a不同階段棉田土壤平均脫Na+量、脫Ca2+量、脫Mg2+量 g/(kg·a)

由表4可知，應用膜下滴灌2～14 a不同階段棉田各土壤平均脫Na+量、脫Ca2+量、脫Mg2+量均呈逐年降低趨勢。0～60 cm土層在膜下滴灌2～4 a棉田土壤平均脫Na+量、脫Ca2+量、脫Mg2+量分別為8.68、1.43和0.50 g/(kg·a)，到膜下滴灌10～14 a年分別降至0.82、0.08和0.20 g/(kg·a)。應用膜下滴灌2～14 a棉田0～140 cm土層平均脫Na+量、脫Ca2+量、脫Mg2+量分別為3.69、0.60和0.35 g/(kg·a)。

2.3 應用膜下滴灌2～14 a棉田土壤陰離子分布

應用膜下滴灌2～14 a棉田土壤SO2-4和Cl-的分布特征見圖6和圖7。

圖6 SO2-4分布特征

圖7 Cl-分布特征

在干旱氣候條件下，土壤中SO2-4多以難溶性化合物沉淀積累在土壤中；同時作為二價陰離子，膠體對其吸附力以及離子凝聚力都比較強，因此SO2-4是土壤中較穩定的離子之一。因此由圖6可知，膜下滴灌14 a內SO2-4在土壤中的“淺集表聚”現象一直很明顯，膜下滴灌第2 a表層SO2-4含量為0.79 g/kg，隨著土層深度的增加，到80 cm土層SO2-4含量降至0.56 g/kg；但在100 cm土層出現了SO2-4集聚現象。隨著膜下滴灌年限的延長棉田土壤中SO2-4逐年降低。0～60 cm土層SO2-4平均含量由滴灌第2 a的0.71 g/kg，到滴灌14 a后降至0.34 g/kg。

Cl-具有自身性質穩定，膠體對其吸附能力弱且難與其他離子形成穩定化合物等性質，因此土壤中Cl-遷移多以水為驅動力[7]。由圖7可知，Cl-的“淺集表聚”現象亦很明顯，膜下滴灌第2 a表層Cl-含量為0.48 g/kg，隨著土層深度的增加，到140 cm土層Cl-含量降至0.27 g/kg；膜下滴灌第10 a表層Cl-含量為0.20 g/kg，隨著土層深度的增加，到140 cm土層Cl-含量降至0.06 g/kg。隨著膜下滴灌年限的延長棉田土壤中Cl-逐年降低。0～60 cm土層Cl-平均含量由滴灌第2 a的0.41 g/kg，到滴灌14 a后降至0.11 g/kg。

應用膜下滴灌技術2～14 a不同階段棉田土壤平均脫SO2-4量和脫Cl-量，如表6所示。

表6 應用膜下滴灌2～14 a不同階段棉田土壤平均脫SO2-4量和脫Cl-量 g/(kg·a)

由表6可知，應用膜下滴灌2～14 a不同階段棉田各土壤平均脫SO2-4量和脫Cl-量均呈逐年降低趨勢。0～60 cm土層在膜下滴灌2～4 a棉田土壤平均脫SO2-4量和脫Cl-量分別為0.42和0.31 g/(kg·a)，到膜下滴灌10～14 a分別降至0.02和0.05 g/(kg·a)。應用膜下滴灌2～14 a棉田0～140 cm土層平均脫SO2-4量和脫Cl-量分別為0.21和0.17 g/k(g·a)。

3 結 語

受干旱氣候條件影響綠洲區域長期膜下滴灌棉田土壤中總鹽、Na+、Ca2+、Mg2+、SO2-4和Cl-始終呈現“淺集表聚”的分布特征。在現行灌溉制度的影響下，土壤中總鹽和5種鹽分離子均隨膜下滴灌年限的延長逐年降低，應用膜下滴灌技術2～14 a不同階段棉田土壤平均脫鹽量和脫離子量也隨膜下滴灌年限的延長逐年降低。由于棉田土壤中鹽分離子本底含量以及化學性質的差異，應用膜下滴灌2～14 a棉田0～140 cm土層五種離子年平均降低3.69、0.60、0.35、0.21和0.17 g/kg。

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