間歇組合灌溉對中度鹽化土壤水鹽運移規律的影響研究

劉小媛，張晴雯，高佩玲，楊大明

(1.中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所，北京 100086; 2.山東理工大學 農業工程與食品科學學院,山東 淄博 255049；3.山東理工大學資源與環境工程學院,山東 淄博 255049)

在干旱半干旱地區分布著大面積的鹽堿土壤，而在非鹽堿化地區，由于灌溉管理不善，灌溉水的滲漏引起地下水位升高和強烈蒸發，從而引起土壤次生鹽堿化，嚴重影響農業的發展[1-2]。為使水鹽得以調控，水利改良鹽堿土方面的措施主要包括灌溉淋洗(以水洗鹽)、排水攜鹽(帶走鹽分)，而灌溉淋洗應用較為普遍。改良鹽堿土壤首先是降低作物根系土層的鹽分含量，為作物提供良好的土壤水鹽環境[3-7]。在利用微咸水灌溉方面，微咸水礦化度是決定土壤剖面鹽分分布的主要因素，對于輕度鹽堿化土壤，當灌溉水礦化度小于3 g·L-1時，土壤耕層脫鹽，鹽分累積在濕潤鋒處；當灌溉水礦化度大于3 g·L-1時，各土層含鹽量大于初始值，基本處于積鹽狀態[8-9]。對于不同鈉吸附比的微咸水，主要影響土壤中Na+，Ca2+，Mg2+的分布，當SAR較高時，Na+的危害主要集中于表層15 cm范圍內，土壤深層受Na+影響較小[2]。已有研究表明，利用微咸水灌溉不僅可以使作物增產，而且可以改良鹽堿土壤。基于此，有學者提出了集咸淡水組合灌溉模式、間歇灌溉方式、作物輪作等一體化的微咸水灌溉調控技術。咸淡水組合灌溉即根據作物不同的生育期、微咸水和淡水資源量等，確定組合次序和水量，以達到作物產量最優的效果。間歇灌溉改善了傳統地面灌水方法的效果，利用微咸水進行間歇灌溉，較連續灌溉增滲，間歇入滲濕潤鋒運移深度大于連續入滲[10]。研究表明，在相同的灌溉水質條件下，微咸水間歇灌溉模式不同，則灌水效果不同[11-12]。因此，有必要對微咸水間歇組合灌溉模式進行研究，驗證不同的微咸水間歇組合灌溉模式對鹽分淋洗效果的影響，以期在維持土壤可持續利用的條件下，使土壤的水鹽時空分布有利于作物生長，提高產量。

本文以地處黃河三角洲地區的山東省濱州市濱城區的中度鹽堿耕地為研究對象，在室內進行一維垂直積水入滲試驗，分析對比不同間歇組合灌溉參數(咸淡水間歇時間和組合次序)對中度鹽堿土壤水鹽運移規律的影響，以期為黃河三角洲地區利用微咸水進行灌溉提供理論支持和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試土壤取自山東省濱州市濱城區的小麥耕地，在0～80 cm土層每隔20 cm分層取擾動土和原狀土，每層三個重復。原狀土取回后，立即測定土壤容重和田間持水率；擾動土取回后經過風干、碾壓、篩分(2 mm篩)、均勻混合后制備成室內試驗土樣，測定土壤初始含水率、全鹽量、EC5∶1；利用Mastersizer 3000型激光粒度儀測定土壤顆粒組成，并按照國際制土壤質地分類標準對試驗土壤質地進行劃分，具體結果見表1，表2。根據華北平原土壤鹽堿化程度分級標準[13]，供試土壤為中度鹽堿化土壤。

1.2 灌溉水質及水量

試驗用水包括淡水和3 g·L-1的微咸水。其中淡水使用的是蒸餾水，礦化度為0 g·L-1；微咸水是根據研究區潛層地下微咸水的鹽分組成，在室內利用化學藥劑室內配制而成。各種可溶性鹽濃度見表3。

表1 供試土壤顆粒組成及分類

表2 供試土壤的基本理化性質

Table 2 Soilphysical and chemical properties

土壤Soil土壤容重/(g·cm-3)Bulk density田間持水率/%Field water holding capacity風干土含水率/%Soil water contentEC5∶1/(ms·cm-1)全鹽量/(g·kg-1)Soil salinity content鹽化土Saline soil1.3928.622.000.9612.381

表3 灌溉水質化學組成/(g·L-1)

灌水定額根據下式計算得[14]：

=22.2 cm

(1)

式中，h為土壤計劃濕潤層深度(cm)，取60 cm；θmax為土壤計劃濕潤層允許的最大含水率，一般為田間持水率(占干土重)，取28.62%；θ0為土壤計劃濕潤層初始含水率(占干土重)，取2%；γ土、γ水分別為土壤干容重和水的密度，取1.39 g·cm-3和1 g·cm-3。

1.3 實驗裝置

整個試驗系統包括試驗土柱和供水裝置。試驗土柱用內直徑為8 cm，高為90 cm的有機玻璃制成。為取土分析土壤水分和鹽分含量，在土柱側面10 cm以下，每隔5 cm開一直徑為15 mm的圓形取樣口；利用馬氏瓶自動供水，其截面積為50.24 cm2，高為50 cm，供水水頭控制在1.5～2 cm。土柱與馬氏瓶外壁標有刻度，用于觀測馬氏瓶水位和濕潤鋒運移深度。

1.4 試驗方案與觀測方法

本研究以全淡水(礦化度0 g·L-1)、微咸水直接灌溉(3 g·L-1)作為對照，在相同的微咸水礦化度和咸淡水組合比例條件下，設置兩種咸淡水組合次序，分別為先咸后淡、先淡后咸；四種咸淡水間歇時間，分別為0、30、60、120 min。在試驗過程中，將灌水定額分成兩份，分別為微咸水和淡水，單輪灌溉結束，間歇一定的時間后，進行下一輪灌溉，共10個處理，每個處理重復3次。

將初始含水率為2%的試驗土樣按土壤容重1.39 g·cm-3分16層均勻裝入土柱，每層5 cm,裝土高度為80 cm。填裝完畢后，在土表放置一張與土柱內截面積相同的帶孔濾紙以防止灌水時對表土的沖刷。利用馬氏瓶自動供水，將土壤表面積水深度控制在1.5～2 cm之間。在試驗過程中記錄濕潤鋒運移深度和馬氏瓶水位。當灌水定額入滲結束后，立即從土表至濕潤鋒處每隔5 cm提取土樣，用烘干法測定土壤含水率，利用DDS-11A型電導率儀測定水土比為5∶1的土壤溶液電導率，并對已測得的土壤含鹽量與土壤浸提液電導率建立關系，具體的關系式為：

y=2.160EC5∶1+0.303

(2)

式中,y為土壤含鹽量(g·kg-1)；EC5∶1為25℃下水土比為5∶1的土壤浸提液電導率(mS·cm-1)。

2 結果與分析

2.1 土壤水分垂直分布特征

土壤含水量是土壤絕對含水量相對于土壤的特性指標，是土壤水分研究的重要組成部分。Goleman和Bodamn將土壤含水率剖面分為4個區：飽和區、含水率有明顯降落的過渡區、含水率變化不大的傳導區和含水率迅速減小至初始值的濕潤區[15]。

2.1.1 組合次序對土壤水分再分布的影響研究 不同咸淡水組合次序下土壤含水率隨土層深度的變化規律如圖1a所示。由圖1a可知，間歇組合灌溉模式下各土層的土壤含水率均大于淡水直接灌溉，且與微咸水直接灌溉差異較小。隨著土層深度的增加，土壤含水率呈現減小的趨勢。當土層深度小于15 cm時，先淡后咸土壤含水率大于先咸后淡；當土層深度大于15 cm時，先咸后淡土壤含水率大于先淡后咸，說明首輪灌溉水質對土壤大孔隙的形成起決定性作用，先灌咸水使土壤入滲性能增強。

注：F表示全淡水灌溉；B表示微咸水直接灌溉；F-B表示先淡后咸；B-F表示先咸后淡；ICI(0 min)、ICI(30 min)、ICI(60 min)、ICI(120 min)分別表示表示間歇組合灌溉0 min,30 min,60 min,120 min,下同。Note: F denotes sole fresh water irrigation; B denotes sole brackish water irrigation; F-B denotes the alteration sequence of fresh water irrigation first and brackish water irrigation later; B-F denotes the alteration sequence of brackish water irrigation first and fresh water irrigation later; ICI(0 min)、ICI(30 min)、ICI(60 min)、and ICI(120 min) denote alteration irrigation of 0,30,60 min, and 120 min, respectively.圖1 間歇組合灌溉對土壤水分垂直分布特征的影響Fig.1 Effects of alteration irrigation on vertical distribution of soil moisture

2.1.2 間歇時間對土壤水分運移規律的影響研究 圖1b、c為不同間歇時間下土壤含水率隨土層深度的變化規律。由圖1b、c可知，對于所有處理，在5～50 cm的過渡區和傳導區，土壤含水率隨著土層深度的增加逐漸減小，但減小的速度較緩慢；在>50 cm的濕潤區，土壤含水率迅速減小至土壤初始含水率。對于先淡后咸間歇組合灌溉模式，在 5～30 cm土層，同一深度處各處理土壤含水率變化不大；在30～55 cm深度處差異較顯著。在先咸后淡間歇組合灌溉模式下，當間歇時間為0，30，60 min時，同一深度處土壤含水率基本一致；當間歇時間為120 min時，土壤含水率偏小，但都大于淡水灌溉。

為了進一步分析間歇組合灌溉參數對土壤剖面含水率的影響，引入代表土壤剖面含水率離散程度的評價指標變異系數[16-18]，計算公式如下：

(3)

由表4可知，在先淡后咸間歇組合灌溉模式下，隨著間歇時間的增加，土壤含水率變異系數先增大后減?。欢认毯蟮寥篮首儺愊禂惦S間歇時間的增加先減小后增大。在間歇時間為0，30，60 min時，先淡后咸土壤含水率變異系數大于先咸后淡，分別高44.68%(0 min)、88.45%(30 min)、71.75%(60 min)，說明先咸后淡間歇組合灌溉模式土壤剖面含水率分布更均勻，更有利于提高農田水資源的利用效率，能為作物提供更適宜的生長環境。

2.2 土壤鹽分垂直分布特征

微咸水灌溉帶入土壤中的鹽分與土壤本身的化學元素產生交換吸附作用，改變了土壤的物理和化學特征，易造成土壤可溶性鹽分含量過高，引起鹽分脅迫，同時，在灌水量不足的情況下，易引起水鹽聯合脅迫，使植物產生不可逆的代謝失常，嚴重影響作物的發育和產量，甚至造成局部或整株植物死亡[19-21]。因此，利用微咸水灌溉必須制定合理的灌溉制度，將鹽分對土壤和作物的危害降到最低。

2.2.1 組合次序對土壤鹽分再分布的影響研究 不同咸淡水組合次序下土壤含鹽量隨土層深度的變化規律如圖2a所示。由圖2a可知，在同一土層深度處，咸淡水間歇組合灌溉模式下的土壤含鹽量均小于微咸水直接灌溉，與淡水灌溉差異較小；在0～20 cm土層，先淡后咸土壤含鹽量大于先咸后淡，而在20～55 cm土層，先咸后淡土壤含鹽量大于先淡后咸，說明先咸后淡有利于降低土壤上層的含鹽量，而先淡后咸有利于降低土壤中下層的含鹽量。

表4 間歇組合灌溉土壤含水率變異系數

注：I表示土壤初始含鹽量；M表示作物最低耐鹽限度Note: I denotes initial salt tolerance; M denotes lowest salt tolerance of crop圖2 間歇組合灌溉對土壤鹽分垂直再分布特征的影響Fig.2 Effects of alteration irrigation on vertical distribution of soil salinity

2.2.2 間歇時間對土壤鹽分運移規律的影響研究 圖2b、c顯示了不同間歇時間條件下土壤含鹽量隨土層深度的變化規律。由圖2b可知，在5～30 cm土層，先淡后咸土壤含鹽量表現為：微咸水直接灌溉>間歇組合灌溉(120 min)>間歇組合灌溉(60 min)>間歇組合灌溉(30 min)>間歇組合灌溉(0 min)>淡水灌溉；在30～55 cm土層，對于間歇組合灌溉，變化規律與之相反。造成這種結果的主要原因可能是，隨著停水時間的增長，土壤致密層形成的越充分，入滲率變小，導致微咸水集中在土壤上層，而入滲較早的淡水將鹽分淋洗到下層土壤，從而出現了土壤中下層含鹽量較低而土壤表層和底層含鹽量較高的現象。

由圖2c可知，在先咸后淡間歇組合灌溉模式下，在一定的土層深度范圍內，咸淡水間歇組合灌溉土壤含鹽量均小于微咸水直接灌溉。在5～25 cm土層，對于不同的間歇時間，土壤含鹽量變化不大，隨著土層深度的增加，差異越來越顯著?？赡苁且驗榈诙喌霛B對表層的土壤具有一定的淋洗效果，隨著土壤入滲率的降低，使鹽分積聚在中下層土壤。

研究區主要以冬小麥-夏玉米輪作為主體的一年兩熟種植制度，每種作物都有一定的耐鹽極限，故我們選擇這兩種作物耐鹽極限的最小值來評價微咸水灌溉模式的危害性，即為2.0 g·kg-1[22-23]。由圖2可知，對于不同的咸淡水間歇組合灌溉模式，入滲結束后，0～50 cm土層鹽分含量均小于作物耐鹽度，不會對作物產生鹽害。

2.3 間歇組合灌溉土壤鹽分分布特征評價

為了進一步分析間歇組合光土壤鹽分分布特征，引入了一系列評價指標[24-25]。土壤含鹽量低于土壤初始含鹽量的深度稱為土壤脫鹽區深度h；土壤脫鹽區深度與入滲結束時的濕潤鋒運移深度的比值稱為脫鹽區深度系數；土壤含鹽量低于作物耐鹽度、作物可以正常生長的淡化區深度(0～45 cm作物根系密集區)稱為達標脫鹽區深度；達標脫鹽區深度與濕潤鋒運移深度的比值稱為達標脫鹽區深度系數；脫鹽率(D)計算公式如下：

(4)

式中，S1為0～55 cm土層土壤初始含鹽量(g·kg-1)；S2為灌后0～55 cm土層土壤含鹽量(g·kg-1)。

由表5可知，先咸后淡土壤脫鹽區深度、脫鹽區深度系數、達標脫鹽區、達標脫鹽區深度系數均小于先淡后咸；兩者的含鹽量峰值都出現在濕潤鋒位置，先淡后咸含鹽量峰值介于3.741～5.216 g·kg-1之間，先咸后淡介于3.755～5.967 g·kg-1之間，總體而言，先咸后淡含鹽量峰值大于先淡后咸；先淡后咸脫鹽率平均值大于先咸后淡，說明先淡后咸組合次序土壤脫鹽效果更好，更有利于為作物提供良好的生長環境。

對于兩種不同的組合次序，在咸淡水間歇組合灌溉模式下，脫鹽區深度、達標脫鹽區深度均超過了0～45 cm作物根系密度較大的土層；脫鹽率平均值(0.36%～0.543%)、含鹽量峰值(3.741 g·kg-1～5.967 g·kg-1)均高于微咸水直接灌溉。說明咸淡水間歇組合灌溉模式脫鹽效果更好，能夠減小作物遭受土層整體和局部高鹽脅迫的風險。

表5 間歇組合灌溉土壤鹽分分布評價指標對比分析

3 討 論

3.1 間歇組合灌溉對土壤含水率的影響

間歇組合灌溉不僅可以節約淡水資源，而且可以提高水分利用效率、減少深層滲漏，為作物生長提供良好的生長環境[25]。本研究的結果與前人的研究結果基本一致，在同一土層深度處，間歇組合灌溉模式下各土層的土壤含水率均大于淡水直接灌溉，且與微咸水直接灌溉差異較小，使大部分灌溉水貯存在土壤有效深度內，可有效改善土壤的蓄水能力。同時，在間歇組合灌溉模式中，先咸后淡土壤剖面含水率分布更均勻，有利于作物根系的生長。

3.2 間歇組合灌溉對土壤含鹽量的影響

目前關于間歇組合灌溉對土壤含鹽量影響的研究報道較為少見。本研究發現先咸后淡有利于降低土壤上層(0～20 cm)的含鹽量，而先淡后咸有利于降低土壤中下層(20～55 cm)的含鹽量，這一結論與劉靜妍等[11]研究結果基本一致。本研究表明：咸淡水間歇組合灌溉模式下的土壤含鹽量均小于微咸水直接灌溉，脫鹽率平均值(0.36%～0.543%)、含鹽量峰值(3.741～5.967 g·kg-1)均高于微咸水直接灌溉，且入滲結束后，土壤含鹽量小于作物耐鹽度深度可達50 cm，說明咸淡水間歇組合灌溉在不對作物根系密集區產生鹽害的前提下，土壤脫鹽效果更好，更有利于改良鹽堿土壤及促進作物生長。

3.3 建議

綜上所述，利用咸淡水間歇組合灌溉模式，有利于為作物提供良好的土壤水鹽環境。由于時間與條件所限，本試驗僅在室內條件下進行，所得結論有一定的局限性，需要大田試驗驗證。為了獲得鹽堿地作物高產優質效果，今后應綜合考慮土壤鹽分、pH值及土壤鹽分離子等重要參考指標，全面系統地研究它們對作物產量和品質的影響。

4 結 論

本文以中度鹽堿土壤為研究對象在室內進行微咸水一維垂直積水入滲試驗，分析了微咸水間歇組合灌溉土壤水鹽再分布規律，得到如下結論：

(1)在0～15 cm土層，先淡后咸灌溉模式土壤含水率、土壤含鹽量大于先咸后淡；在15～55 cm土層，先咸后淡土壤含水率、土壤含鹽量大于先淡后咸；入滲結束后，所有處理的土壤含鹽量小于作物耐鹽度深度可達50 cm，不會對作物產生鹽害。

(2)對于先淡后咸間歇組合灌溉模式，在 5～30 cm土層，同一深度處土壤剖面含水率變化不大；土壤含鹽量表現為：微咸水直接灌溉>間歇組合灌溉(120 min)>間歇組合灌溉(60 min)>間歇組合灌溉(30 min)>間歇組合灌溉(0 min)>淡水灌溉；先淡后咸灌溉模式有利于降低中下層土壤溶液鹽分含量。

(3)在先咸后淡組合灌溉模式下，間歇組合灌溉(0、30、60 min)同一深度處土壤含水率基本一致，間歇灌溉(120 min)土壤含水率偏?。辉?～25 cm土層，間歇組合灌溉土壤含鹽量變化不大，在25～55 cm土層，土壤含鹽量差異越來越顯著；先咸后淡有利于淋洗上層土壤溶液鹽分含量。

間歇組合灌溉鹽分分布均勻性更好，先淡后咸組合次序土壤脫鹽效果更好。在黃河三角洲地區的鹽堿耕地上，可根據作物的耐鹽能力選擇合理的微咸水間歇組合灌溉參數，以期達到使土壤環境質量達到最優、作物正常生長的效果。