膜下滴灌條件下鹽荒地土壤鹽分變化規律研究

宗 含，高 龍,王雅琴，趙志強，王子天

(1.西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100；2.長安大學水與發展研究院，陜西 西安 710054； 3.河北省黃壁莊水庫管理局，河北 石家莊 050224；4.第八師炮臺土壤改良試驗站，新疆 石河子 832066；5.長安大學環境科學與工程學院，陜西 西安 710054)

新疆鹽堿地總面積2 181.4×104hm2,占全國鹽堿土(9 913×104hm2)面積的22.01%[1]。利用膜下滴灌技術改良鹽堿荒地，成本少，見效快，一般三年時間即可達到中低產田，所以此技術現已廣泛應用到鹽堿荒地改良上，并適合種植各種作物，成為新疆農業生產的一種主要技術。隨著膜下滴灌技術在新疆大面積的推廣應用，農田土壤鹽分分布、運移、土壤次生鹽堿化、地下水位變化等，將對作物的生長發育產生相應的影響。為了了解滴灌條件下土壤水鹽運移變化特點，為鹽堿地的綜合開發利用和防治農田土壤次生鹽漬化提供新的思路和技術，保證形成安全的膜下滴灌土壤生態環境，增加應用膜下滴灌技術的經濟、社會、生態效益，針對鹽漬化農田鹽分危害作物生長、肥力瘠薄、有機質提升困難、滴灌棉田剖面積鹽等問題，以滴灌鹽荒地為主要研究對象，2008年開始定點觀測典型鹽漬化區域長期滴灌條件下土壤剖面周年鹽分動態變化，初步了解土壤剖面積鹽規律。

膜下滴灌沒有相應的農田排水系統，所以對于長期使用此技術是否會產生鹽分積累等問題，一些專家學者尤為專注。趙永成等[2]針對膜下滴灌棉田土壤鹽漬化問題，從年內與年際變化兩方面分析其土壤鹽分演變特征，研究發現膜下滴灌4～12 a的棉田存在穩定積鹽層。孫肇君等[3]研究新疆膜下滴灌棉田鹽分運動規律發現，土壤中鹽分的變化表現出“鹽隨水動”的特點，鹽分在不同廣度與深度下被重新分配，在膜間地表和60 cm土層以下積累強烈。姚寶林[4]等通過設計灌水定額和灌水次數雙因素組合試驗，發現膜下滴灌棉花生育期0～30 cm土壤鹽分變幅大于40～100 cm，較小的灌水定額和灌水次數使0～30 cm鹽分變幅增大。李玉義等[5]用類比法對灌區鹽漬化耕地的發展趨勢進行初步預測，結果表明：目前大力推廣的膜下滴灌由于其良好的節水和壓鹽效果，土壤中鹽分含量逐年下降，隨著滴灌年限的增加，土壤平均脫鹽率逐漸提高。相關試驗研究表明，膜下滴灌技術使用初期，田間土壤鹽分含量下降很快，隨后幅度減小，使用到一定年限后，土壤含鹽量基本穩定在一定范圍內[6]，但也有研究表明棉花膜下滴灌條件下棉田內含鹽量在生育期內呈降低趨勢,表現為滴灌濕潤峰邊緣土壤含鹽量較大,地下水位變化影響土壤鹽分變化[7]。本文基于8年的試驗觀測及目前已有的相關研究成果，在鹽荒地開展膜下滴灌技術，探究鹽荒地初始土壤鹽分變化規律，為新疆典型干旱區域鹽堿地治理提供理論支持。

1 材料與方法

本試驗在新疆建設兵團農八師石河子墾區進行，石河子墾區位于準噶爾盆地古爾班通古特沙漠邊緣，天山北麓，地處歐亞大陸腹地(44°45′N，85°36′E)，海拔332～333 m，多年平均降雨量152.8 mm，多年平均蒸發量1 952.6 mm，屬于典型溫帶大陸性干旱荒漠氣候。試驗區選擇石河子墾區中具有代表性的下野地灌區(121團6連)、金溝河灌區(144團8連)，試驗區位置圖見圖1。

2008年在下野地灌區、金溝河灌區分別選擇一塊鹽荒地進行開墾。其中，下野地灌區所選擇地塊總面積為7.33 hm2，土壤為輕壤土，平均分成三個相連地塊；金溝河灌區所選擇地塊總面積為7.2 hm2，平均分為三個相連地塊。采用膜下滴灌技術種植棉花作物，兩個灌區總共六個地塊，每個地塊定一個點長期進行土壤鹽分的監測，并打觀測井觀測地下水埋深和分析地下水礦化度，取樣時間為每年4月10日至9月20日，建立土壤鹽分、土壤養分、地下水信息檔案，分析在長期滴灌條件下鹽荒地土壤鹽分分布特點，為新疆干旱地區膜下滴灌灌溉制度的制定提供依據。土壤鹽分測定每月一次，取土深度為0～20 、20～40 、40～60、60～80、80～100 cm，共計5個土層，采樣范圍1 m2內，各采樣點取膜內和膜外各一點同層混合，地下水的觀測同時進行，至2015年已連續進行8 a試驗。

圖1 試驗區位置圖Fig.1 Location map of experimental area

2 結果與分析

2.1 土壤鹽分垂直分布特征

2008-2015年對121團6連(121-6)和144團8連(144-8)的土壤鹽分狀況進行了測定，按照不同年份、不同月份、不同深度對土壤含鹽率進行統計分析。由表1可以看出，121團、144團鹽荒地經過8 a膜下滴灌種植，土壤鹽分整體呈下降趨勢，土壤含鹽率下降值分別為87.7%、75.4%，脫鹽率較高。由于各土層土壤含鹽率相較于2008年初始鹽分均出現較大波動，為了更好地分析和比較各土層鹽分垂直分布特征，選取數學統計分析中的變異系數CV(Coefficient of Variation)進行分析，它是原始數據標準差σ與原始數據平均數μ的比，公式為:

式中，σ為樣本標準差;μ為樣本均值。

根據土壤鹽分變異劃分等級，CV>1為強變異，0.1

121團6連開墾的鹽荒地在2008年初土壤含鹽率達到3.383 2%，屬于典型鹽漬化區域，由圖2(a)可以看出在膜下滴灌進行的前3年(2008-2010年)脫鹽最明顯，其中0～60 cm土層脫鹽效果比60～100 cm土層更明顯。由圖2(b)可知，經過6～8 a膜下滴灌后，121團6連、144團8連地塊2013-2015年0～60 cm土層土壤鹽分變異系數均大于深層60～100 cm，其土壤含鹽率分別保持在0.5%、0.8%上下，屬于中、重度鹽化土，因此121團、144團深度大約在60～100 cm的土層均出現穩定積鹽層。121團6連0～60 cm土層，土壤含鹽率在2014年0～20 cm土層最高為0.898 5%，在2013年40～60 cm土層最低為0.373 8%，此時其土壤鹽分變異系數分別為62.28%和29.31%。144團8連0～60 cm土層，土壤含鹽率在2013年40～60 cm土層最高為0.955 2%，在2015年40～60 cm土層最低為0.519 3%，此時其土壤鹽分變異系數分別為39.33%和44.32%，說明0～60 cm土層土壤鹽分處于動態平衡，隨著灌水、蒸散發的變化波動明顯。

棉花的生育期分為：播前(4月下旬)、苗期(5月上旬)、蕾期(6月中旬)、花期(7月上旬)、吐絮期(8月下旬)、收獲期(9月中旬)。2013-2015年，在4月份到9月份整個生育期對土壤鹽分取樣分析結果(圖3)可以看出：首先，各地塊土壤鹽分在不同種植年限內整體上呈現隨生育期的推后而降低的趨勢，在收獲停水后又出現增長趨勢，鹽分的變化表現出“鹽隨水動”的特點;其次，每年4月棉花播種前，由于當地氣溫變化較大，土壤鹽分在外界蒸發作用下出現春季返鹽現象。灌水后，0～60 cm土層鹽分隨著滴灌水的淋溶作用呈現向下運移的趨勢，土壤鹽分下降較快。8月份吐絮期以后，灌水結束，土壤鹽分又開始積累，至9月份收獲期停水后，受蒸發作用影響，鹽分主要呈現向地表運移的趨勢，60～100 cm土層鹽分有所下降。總體來說，在整個生育期0～60 cm土層脫鹽效果較為明顯，為鹽堿地棉花的生長發育提供了一個適宜的水鹽環境，但隨著灌水的結束，鹽分又呈現出積聚趨勢，尤其是在春秋季是兩個積鹽的高峰期，建議應采取必要的洗鹽措施，為第二年的種植提供良好的土壤環境。

表1 鹽荒地不同年際土壤含鹽率/%

表2 鹽荒地土壤鹽分變異系數

圖2 年際間土壤鹽分垂直分布Fig.2 Inter-year vertical distribution of soil salinity

圖3 年內土壤鹽分垂直分布Fig.3 Intra-year vertical distribution of soil salinity

2.2 土壤鹽分與地下水埋深的分布特征

由圖4(a)可知2013年121團土壤鹽分整體偏高，4-6月土壤含鹽率為0.43%，7月份土壤含鹽率有所下降，8、9月份土壤含鹽率有明顯提高，土壤含鹽率年內均值為0.47%左右；對于121團地下水埋深，4-6月地下水埋深較大為3.9 m左右，7-9月地下水埋深較小為3.24 m左右，地下水埋深年內均值為3.61 m左右。此外，根據研究區域121團土壤鹽分及地下水埋深的年內變化規律，可知在研究區域膜下滴灌的條件下，土壤鹽分與當地地下水埋深有著密切聯系。根據當地灌溉制度，灌溉初始土壤鹽分受到淋洗，含鹽量下降明顯，地下水埋深變小；灌溉中后期7-9月份，隨著地下水埋深的逐漸減小直至達到較為穩定水平3.23 m左右，此過程中土壤含鹽率逐漸升高，控制在0.5%左右，而干旱地區地下水埋深臨界值為2.7m左右，小于研究區域最小地下水埋深，說明研究區域在膜下滴灌灌溉模式下，土壤鹽分及地下水均可控制在合理的范圍之內，為當地推廣膜下滴灌技術提供了可靠的科學依據。由圖4(b)、(c)可知，2014年、 2015年121團地下水埋深與土壤鹽分呈現出同2013年相似的水文規律，地下水埋深年內均值為4.04 m，土壤含鹽率年內均值0.52%。綜上所述，研究區域121團2013年至2015年地下水埋深與土壤鹽分年際變化不是很明顯。結合當地2016年地下水位觀測數據，地下水埋深在3.29～4.30 m之間，2016年地下水埋深最大為4.30 m，2016年地下水埋深最小為3.29 m，均值為3.80 m；土壤含鹽率在0.42%～0.61%之間。

圖4(d)、(e)、(f)為144團2013年至2015年地下水埋深與土壤鹽分的變化關系圖。2013年地下水埋深年內均值為2.40 m，土壤含鹽率年內均值為0.84%；兩者之間呈現一定的負相關關系，尤其在灌溉中后期7-9月份變化明顯。2014年土壤水鹽負相關程度較2013年高，地下水埋深年內均值為2.16 m，土壤含鹽率年內均值為0.90%。2015年土壤水鹽的變化趨勢與2013、2014不同，土壤鹽分與地下水埋深變化趨勢相近，人為因素可能是造成該現象的主要原因；2015年144團地下水埋深年內均值為2.23 m，土壤含鹽率年內均值為0.57%。

綜上，144團在2013-2015年間地下水埋深年際均值為2.26 m，土壤含鹽率年際均值為0.77%；121團地下水埋深及土壤含鹽率年際均值分別為3.60 m和0.49%。根據當地土壤質地及氣候條件，結合相關文獻，研究區域地下水埋深的臨界值為2.7 m左右。121團地下水埋深最大，土壤含鹽率低，而地下水埋深較淺的144團土壤積鹽更為嚴重，說明石河子墾區土壤含鹽量受地下水埋深影響較為明顯。土壤中鹽分的變化表現出“鹽隨水動”的特點，土壤鹽分隨毛管水上升到地表，水分蒸發后，使鹽分積累在表層土壤中。石河子墾區氣候干旱，夏季農業生產活動頻繁，用水量高，但由于該地區夏季平均氣溫最高，蒸發強烈，土壤中的水分大量蒸發，會攜帶大量鹽分到達土壤表層，使土壤積鹽，因此，合理利用地下水不失為解決土壤鹽漬化問題的一條科學途徑。

3 結 論

1)由年際間土壤鹽分垂直分布特征可知，鹽荒地經過多年膜下滴灌，各土層土壤鹽分下降明顯，且呈現出隨種植年限的增加而減小的趨勢，對比2008年鹽荒地開墾前含鹽率，土壤整體脫鹽率較高；下野地灌區(121團)、金溝河灌區(144團)實施膜下滴灌6～8 a的鹽荒地地塊在60～100 cm土層深度土壤含鹽率分別保持在0.5%、0.8%上下，形成穩定積鹽層，在60 cm以上土層土壤鹽分基本處于動態平衡。

2)由年內土壤鹽分垂直分布特征可知，實施膜下滴灌6～8 a的兩塊鹽荒地土壤鹽分整體上呈現隨生育期的推后而降低的趨勢；灌水后，0～60 cm土層鹽分下降較快，灌水結束后，土壤鹽分又開始積累，鹽分主要呈現向地表運移的趨勢，60～100 cm土層鹽分有所下降。總體來說，0～60 cm土層脫鹽效果較為明顯，但春秋季是兩個積鹽的高峰，建議應采取必要的洗鹽措施。

圖4 試驗點2013-2015年地下水埋深與土壤鹽分的關系Fig.4 Relationship of groundwater level with soil salinity from 2013 to 2015

3)由土壤鹽分與地下水埋深的分布特征可知，灌溉初始土壤鹽分受到淋洗，含鹽率下降明顯，地下水埋深變小；灌溉中后期(7-9月份)，隨著地下水埋深的逐漸減小直至達到穩定水平，土壤含鹽率逐漸升高。144團、121團地下水埋深年際均值為2.26、3.60 m，土壤含鹽率年際均值為0.77%、0.49%，121團地下水埋深最大，土壤含鹽率低，而地下水埋深較淺的144團土壤積鹽更為嚴重，土壤中鹽分的變化表現出“鹽隨水動”的特點，土壤鹽分與地下水埋深關系密切，土壤鹽分隨淺層地下水埋深的增大而減小，說明石河子墾區土壤含鹽量受地下水埋深影響較為明顯，地下水埋狀況是制約土壤鹽分含量的重要因素。

隨著我國對生態環境建設的重視程度越來越高，西部干旱地區地下水過度開采的現象得到有效控制；為了節水、提高用水效率，在研究區采用膜下滴灌先進節水技術，本研究證明了該技術的合理性、科學性，為新疆典型干旱區域鹽堿地治理提供了理論依據。

致謝：論文數據采集得到了新疆炮臺石河子試驗站的大力幫助，衷心感謝炮臺試驗站的朱擁軍站長、王雅琴老師！