干旱區春灌前后土壤典型控鹽因子動態演化特征

張瑜瑜，栗現文

（1.新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000；2.西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100）

水資源短缺和土壤鹽漬化是干旱區農業可持續發展面臨的兩個主要問題。我國西北干旱區氣候干燥，蒸發強烈，降水稀少，以新疆南部庫爾勒地區為例，其多年平均降水量僅58.6 mm[1]，蒸降比極大，對鹽漬化風險尤為敏感。膜下滴灌可防止灌水深層滲漏，而這也使鹽分具備了在土壤淺部積聚的條件。栗現文等[2,3]的研究表明，微咸水膜下滴灌生育期結束后會存在大量影響下一期棉花出苗的鹽斑，為可持續利用微咸水，采取有效措施調控土壤水鹽狀況成為微咸水安全利用的基礎[4]。田間氣象特征、土壤水分運動及重分布、地下水位水質等對土壤剖面鹽分分布具有重要影響，這些控鹽因子漫灌前后的動態演化過程直接決定著田間土壤鹽分的空間分布特征。春季漫灌會造成地下水位大幅抬升，當地下礦化度較高且水位較淺時，毛細水上升作用，是土壤次生鹽漬化的重要誘因[5]。因此，對漫灌前后土壤控鹽因子動態演化特性進行系統分析，是田間土壤鹽分調控的重要基礎，具有重要理論與實際意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區設有新疆塔里木河流域巴音郭勒管理局水利科研所，為國家水利部重點灌溉試驗站，耕地面積8000 余畝，位于典型干旱區新疆巴音郭楞蒙古自治州首府庫爾勒市境內，在該市經濟技術開發區西尼爾鎮以南3 km 處，距市區23 km。地理坐標東經86°10′，北緯41°35′，為天山南麓塔里木盆地邊緣孔雀河沖積平原帶，地勢平緩，海拔900 m 左右；屬暖溫帶大陸性荒漠氣候，干旱少雨，蒸發強烈，晝夜溫差大，多年平均降水量58.6 mm，年最大蒸發量2788.2 mm（E20 蒸發皿），年平均風速2.4 m/s，最大風速22 m/s，年平均氣溫11.5℃，最低氣溫-30.9℃，最高氣溫42.2℃，無霜期191 d。灌溉用微咸地下水溶解性總固體（TDS）2.4 g/L 左右，漫灌洗鹽用河渠淡水TDS 為0.6 g/L 左右。試驗田以壤土（美國農業部土壤質地分類）為主[15]，土質較均一，砂粒、粉粒和粘粒含量分別為46.81%、45.96%和7.23%，干密度為1.63 g/cm3。地下水位埋深在5.8 m左右。

1.2 研究方法

1.2.1 漫灌洗鹽設置

試驗區自2008 年起，部分田塊已連續8 年采用微咸水進行膜下滴灌，為控制田間土壤鹽分均采用在非生育期漫灌方式淋洗鹽分。本研究在2016 年4 月29 日至4 月30 日持續開展淡水漫灌洗鹽實驗。為增加可控性及避免對大田實際生產造成影響，試驗采用田間打埂方式圈定10 m×10 m 小區，埂高25 cm左右。參照大田漫灌定額，確定試驗小區漫灌量為200 m3/畝，即300 mm。

1.2.2 土壤樣品采集與測定

用土鉆采取不同深度分層土樣，每10 cm 采集一組。其中，取樣深度為100 cm（設定作物對水鹽最大潛在利用深度位100 cm）和60 cm（生育期滴灌主要影響范圍）的隨機采樣點各18 個，單次采集288 組，6 個監測日共采集1728 組土樣（漫灌前：4 月26 日；漫灌后：5 月6 日、5 月10 日、5 月15 日、5 月20 日及6月14 日。將采集土壤樣品烘干后測定含水率。

1.2.3 氣象監測

為明確灌水洗鹽至播種前氣象條件，利用Davis Vantage Pro2 自動氣象站采集氣象數據，數據采集間隔為1 小時，主要監測項目有：降水、空氣溫濕度、風向、風速、太陽輻射等。

1.2.4 地下水動態監測

布設地下水位監測井，采用Levelogger 采集地下水位信息。

2 結果與分析

2.1 氣象要素變化特征

選取2016 年4 月至2016 年6 月采集的相關氣象監測數據，開展播前漫灌前后氣象因子動態變化特征分析。潛在蒸發量ET0（mm/h）根據國際糧農組織FAO 推薦的Penman-Monteith公式計算[6]：

式中，ET0為參考作物潛在蒸散發量，mm/hour；Rn為植被層凈輻射，MJ/m2；G 為土壤地熱通量，（MJ/m2）/hour；Thr為小時平均氣溫，℃；△為氣溫在Thr時的飽和水汽壓梯度，kPa/℃；γ 為干濕球常數，kPa/℃；e0(Thr) 為氣溫為Thr時的飽和水汽壓，kPa；ea為小時平均實際水汽壓，kPa；u2為小時平均風速，m/s。各變量的詳細確定方法見文獻[16]。基于監測田間氣象站監測頻率計算ET0，日內求和得出當日潛在蒸發量。

ET0與氣溫和太陽輻射的動態變化趨勢基本一致，5 月份開始逐漸增大，4、5、6 月日內Ep均值分別為3.0 mm、3.8 mm 及5.8 mm，4 月～6 月累計為386.2 mm。監測期降水量較小，4 月～6 月累計降水量為31.7 mm，次最大降水量13.1 mm。潛在蒸發強度遠大于降水影響，蒸降比為12.2。因此，在氣象因子作用下，灌水結束后田間土壤蒸發強烈，是促進鹽分隨蒸發向表層遷移的重要條件。

圖1 2016 年漫灌前后氣象因子動態變化

2.2 剖面土壤含水率動態變化特征

對監測小區0 cm～100 cm 取樣點各層位體積含水量進行統計分析，不同監測時間剖面土壤水分動態變化如圖2 所示，其中40 cm～60 cm 土壤含水量數據離散性相對較大。在試驗區采用圍框法測定的田間持水率為27.1%[7]。為度量剖面土壤水分的數量變化，采用土壤水儲存量作為指標進行計算，其在數值上為土壤體積含水量分布函數θ(z,t)在作物潛在可利用深度上的積分[8]：

式中，W(t)為t 時刻的土壤水儲存量，mm；z 為垂向坐標，地面為0 點；d 為作物潛在可利用深度（此處為絕對值），mm。本研究實測各深度土壤體積含水量為對應土層的平均含水量，其分布如圖2 所示。采用分段計算求和后，可得不同監測時間土壤剖面儲存量變化（表2）。

為比較不同深度范圍各層位在不同時刻土壤水儲存量變化，根據式（3），本研究定義δ 為土壤水儲存變化強度這一指標（物理意義等同于這兩個時刻土壤含水率變化的均值，無量綱）：

式中符號意義同前，t1,t2為選定比較的兩個時刻，t2＞t1。

漫灌前土壤含水量較低，漫灌后第6 日含水率在各層位均有大幅增加。但在土面蒸發和深層滲漏作用下，隨時間變化，除100 cm 深度外，剖面含水量呈不斷降低趨勢。灌后100 cm 深度在灌后20 日基本維持在0.37 左右，僅在灌后20 日～45 日略有降低，而田間實測飽和水量約為0.4，表明其受土面蒸發作用影響較弱，應接近土壤剖面不受蒸散發影響的最深零通量面位置。

從隨時間變化水分分布動態及剖面土壤水儲存變化量看，灌后6 日～10 日，100 cm 以上各土層含水量均有大幅降低。值得注意的是，在漫灌后45 日（6 月15 日）水分剖面分布與漫灌前（4 月23 日），在40 cm～90 cm 有較好的一致性，即在持續蒸發作用下達到剖面水分的近似穩定狀態；而0 cm～30 cm 土壤水分小于灌前，與氣象條件有一定關系，漫灌前的冬春季節有部分降水，而氣溫與太陽輻射均相對較低，潛在蒸發作用較弱，凍土狀態有利于水分保持；而漫灌后蒸散發作用逐漸增強，表層土壤水分的散失也就更為強烈。

（數據點為同一層位均值，誤差棒為標準差）

表2 2016 年漫灌前后不同監測時間剖面土壤水儲存量（mm）

2.3 春灌期地下水位水質動態變化

利用三參數水位計采集的地下水位、水質及溫度數據，可獲取春季漫灌時段各地下水相關因子的動態變化（圖3）。綜合分析來看，地下水對漫灌是有近似即時響應的，而地下水位介于5.83 m～6.2 m，在監測時段內并未表現出明顯的滯后響應，這應歸因于田間非飽和帶是存在優先流對地下水補給的，但田間地下水動態還是受控于區域地下水流場變化。

圖3 漫灌時段地下水位、水質及溫度變化

3 結論

本文對漫灌前后監測時段（計45 日）的控鹽因子：氣象要素、剖面土壤含水率與地下水位、水質動態進行系統分析，主要得出以下結論：

（1）氣象要素動態顯示，試驗時段（2016 年4 月～6 月）氣溫與太陽輻射均波動性較強，太陽輻射從5 月中下旬開始有大幅增加，氣溫和太陽輻射的大幅增加對出苗及苗期生長較為有利。潛在蒸發量ET0與氣溫及太陽輻射的動態變化趨勢基本一致，遠大于降水影響，蒸降比達12.2，氣象因素表層鹽分運移的重要驅動因子。

（2）40 cm 處土壤容重較大，持水性相對較好。

（3）地下水位處于蒸發最大影響深度以下，在播前非生育期不存在潛水蒸發返鹽對表層土壤鹽分的作用。