干旱區膜下滴灌配合暗管與豎井排水對棉田土壤鹽分的影響

許 璇，何新林，衡 通，馮 玥

(石河子大學水利建筑工程學院，新疆 石河子 832000)

土壤鹽漬化造成環境污染、農業生態安全問題，也是造成農業發展受限的主要原因之一。生態環境隨土壤鹽漬化程度加重而變得脆弱，不僅抑制作物生長發育、污染灌區地下水環境[1]，還會通過抑制微生物活性來影響土壤養分轉化[2]，導致農業生產、生態安全面臨巨大風險。據國土資源廳2004年對新疆土地變更的統計顯示，新疆耕地總面積為403.72 萬hm2，約1/3的耕地發生土壤鹽漬化[3]。為減少土壤鹽漬化對農作物的影響，許多學者通過設計淡水或微咸水沖洗試驗得到土壤淋洗脫鹽規律，總結出了適合研究區的灌排方案[4]，但這同時也增加了周邊區域土壤次生鹽漬化及地下水污染的風險。

目前新疆常用的農田排水的主要形式有明溝、暗管和豎井排水。其中暗管和豎井排水運用較為廣泛，原因是其能阻止鹽生植物生長，更加有效地提高脫鹽效果，降低地下水位[5-6]。近年來，新疆針對農作物產量和品質、土壤水鹽、土壤理化性質等指標，開展了大量鹽堿地治理的相關試驗[7-11]。不同水平方向上的排水工程所能達到的排鹽效果不同，隨著各地區經濟實力和灌區水鹽調控手段越來越強, 配合鹽分淋洗的排水工程逐漸由單一水平上的排水過渡到明溝、暗管、豎井排水等其中二者間的有機結合。但暗管豎井協同排水改良的研究目前較少，對包氣帶土體剖面垂向和水平方向鹽分的空間運移規律詮釋尚不明確，且水鹽量變對土壤微生物的影響機理也尚未闡明，此外，也少有研究報道干旱重鹽堿化地區較深層土壤改良的成果。因此，本研究采用膜下滴灌淋洗配合暗管與豎井協同排水的改良模式，以分析鹽漬化棉田土壤的鹽分運移規律、排鹽效果及土壤微生物多樣性，為進一步推進鹽漬化農田改良及廢棄耕地恢復提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗地位于新疆維吾爾自治區沙灣縣安集海鄉北端141團13連3號棉田，東經85°21′，北緯44°36′。141團位于塔克拉瑪干沙漠邊界，屬暖溫帶大陸性氣候，當地降水少(年降水量182 mm)，蒸發大(年蒸發量1 717.9 mm)，空氣干燥，光熱資源充足。根據沙灣縣氣象局資料，該區域年平均氣溫25.6℃，全年日照時數為2 721～2 818 h。試驗田面積為1.8 hm2，地勢東南部高于西北部，坡度2.4‰。未灌溉期間地下水埋深大于5 m。土壤類型以砂壤土和粉砂壤土為主，土壤pH值為8.51。2020年試驗區0～200 cm土層的土壤鹽分超過16.42 dS·m-1。研究區本底值見表1。

1.2 試驗方案

1.2.1 試驗設計 試驗區內共鋪設3條暗管，管徑90 mm，埋深100 cm，間距15 m，坡度i=4‰，由集水管連接集水井后排入排水溝內。分別在距離集水井30 m處和150 m處鋪設豎井，兩井間距120 m。試驗采用暗管與豎井兩因素協同排水，X軸方向五水平(分別距離豎井0、15、30、45和60 m，記為T1、T2、T3、T4和T5)，Y軸方向三水平(分別距離暗管0、5和7.5 m，記為P1、P2和P3)，共15個處理(不含CK)。小區布置見圖1，本試驗取中間暗管豎井控制區域作為取樣區域(圖1陰影部分)。

為確定試驗區整體排鹽情況，選定小區中間的吸水管利用麻花鉆采集土樣，深度0～700 cm，將土樣按0～20、20～40、40～60、60～80、80～100、100～140、140～200、200～300、300～400、400～500、500～600、600～700 cm，共計12層土樣分別編號保存于自封袋中。采樣時間：淋洗前后采用700 cm土鉆各取一次，作物生長期(3—9月)逐月取樣1次，同時在各處理中采集作物樣品測定生物量指標。使用當地來源的地表水(鹽度為0.8 g·L-1)進行連續淋洗，為防止地表徑流形成漫灌，滴灌模式采用輪灌。

1.2.2 施工方案 暗管排水系統施工前，先在試驗區周圍打田埂(長200 m、寬40 m)，后測量放線，用小型挖掘機開挖管溝，每挖20 m檢查溝深與縱坡。將包裹雙層反濾土工布(土工布規格為450 g·m-2)的吸水管水平埋設于土壤中，埋深1 m,吸水管采用口徑90 mm帶孔(開孔面積大于250 cm2·m-2)的PVC單臂波紋管，壁厚3 mm，開孔縫隙≤1 mm，坡降4‰。管周填充厚20 cm的砂礫石(粒徑≤4 cm)，最后分層回填。每條排水管的末端設置優質樹脂一體化集水井，并通過集水管將水井連接起來，排入排水明溝，回填的同時進行分層夯實，濾料30 cm內的土料不夯實，施工完成后深翻、旋耕整地。除挖掘機和翻地機外其余工作均由人工完成。

2020年5月開始布設豎井并開展各要素調查、觀測與取樣。豎井采用井徑600 mm的hdpe波紋管，使用濾布纏繞包裹，分別設置在距離集水井30 m處和150 m處，井深18 m。采取適用于含水不穩定表土層和深厚表土層的鉆井法進行施工。采用回旋式轉機機械鉆頭垂直向下連續破碎巖土，同時保證井內充滿泥漿，用于臨時維護井幫、循環沖洗工作面和提升下層巖屑。井筒鉆成后進行鉆孔測斜，沖洗井底和調整泥漿參數。檢查符合設計要求后開始沉井，排凈井內注水，利用注漿管進行井壁后充填注漿。整體施工完成后對試驗區土壤進行深度80 cm的深翻并旋耕整地。

1.2.3 地面淋洗和棉花種植方案 本試驗假設地下水運動為一元流，考慮地下滲流進入暗管時存在的附加阻力[12]，將Hooghoudt方程簡化為公式(1)并計算出設計暗管間距為15 m，依據農田排水工程技術規范SL4-2013及當地地下水位情況設計豎井內徑為600 mm，井深18 m。

L2=4KtH2/q+8KbdH/q

(1)

式中，L表示排水暗管的間距，m；Kt、Kb分別表示暗管上、下層土壤水力傳導度，m·d-1；d表示等效深度，m；H表示暗管間中點的水頭，m；q表示排水模數，m·d-1。

滴灌系統于2016年鋪設完成，用于淋洗和作物生育期內的常規灌溉。在試驗小區從2020年7月(時間=0 d)開始利用當地的地表水資源(含鹽量為0.8 g·L-1)進行滴灌淋洗壓鹽，淋洗期間監測暗管排水流量、排水礦化度和豎井排水量。淋洗需水量由土壤含鹽量與允許作物生長的臨界含鹽量確定，見公式(2)；2018—2019年未淋洗土壤，暗管排水系統在生育期內常規灌溉無排水產生。

DW/DS=-Clg[(ECa-2ECi)/(ECS-2ECi)]

(2)

式中，Dw表示淋洗需水量，m；DS表示需要淋洗的土壤層深度，m；ECa表示允許作物生長的土壤含鹽量，dS·m-1；ECi表示灌溉水含鹽量，dS·m-1；ECS表示初始土壤含鹽量，dS·m-1；C表示土壤的淋洗特性系數，取C=1.06。

試驗地于2017年開始種植耐鹽堿品種棉花(新陸早84號)。采用當地農民習慣的“一膜三管六行”種植模式，其中地膜厚度0.008 mm,寬度為220 cm，棉花窄行距為25 cm，寬行距為50 cm，在窄行中間鋪設滴灌帶，置于地膜下方、土壤上方，滴灌帶間距為75 cm，滴灌帶單孔出流量為2.6 L·h-1，滴頭間距為30 cm。滴灌水源來自當地地表水，生育期總灌水量為33.35 m3·hm-2，總施肥量為420 kg·hm-2，棉花種植前沒有灌水。棉花種植模式詳見圖2。

1.3 樣品采集與分析

1.3.1 土壤采集與分析 在各觀測點土樣采集時，利用麻花鉆一次取出20 cm土樣裝入對應編號的密封袋，3～4人一組逐次銜接加長桿后取至7 m土層。將土樣充分混合后取部分(200 cm以下各層土層的土樣充分混合堆成均勻的圓錐形，壓成錐臺后用四分法隨機取出1份)置于4℃保存用于測定微生物多樣性，其余土樣除去石塊根系等雜物后充分研磨過篩測定理化指標，土壤電導率使用雷磁DDB-303A便攜式電導率儀測定。地下水位按生育期讀取。將在各觀測點采集的土樣與水樣帶回實驗室測定，土壤電導率使用雷磁DDB-303A便攜式電導率儀(上海雷磁，中國)測定，土壤脫鹽率由公式(3)計算得出。

N=[(EC1-EC2)/EC1]×100%

(3)

式中，N為脫鹽率，%；EC1為土壤電導率初始值，mS·cm-1；EC2為灌溉后土壤電導率最終值，mS·cm-1。

1.3.2 排水監測 水樣采集從暗管首次排水開始，對試驗區的排水動態進行連續監測，每2～6 h監測1次，直到最后一口集水井停止排水，監測結束。具體的做法是試驗人員進入集水井，將水槽放置在暗管的下端同時開始計時，10 s后，將水槽中的水倒入量筒，讀數完成后收集水樣，在室內采用烘干法測定排水礦化度。豎井采用單相潛水泵抽排水，每次重復采集水樣3次。將采集的水樣帶回實驗室測定礦化度指標。

1.3.3 土壤微生物 微生物多樣性通過提取土壤總DNA，采用熒光定量PCR和Illumina Miseq高通量測序[13]等方法對引物338F和806R進行土壤細菌16S rRNA基因測序，對引物PolyF、PolgR進行固氮菌nifH基因測序，對引物cd3dR、R3cdR進行土壤細菌nirS基因測序，并解析協同排水改良對土壤固氮菌和反硝化細菌豐度、多樣性及群落結構變化的影響。

2 結果與分析

2.1 淋洗前后各層土壤電導率特征分析

試驗區2018—2019年未進行淋洗灌溉，土壤處于積鹽狀態，導致2020年土壤不同土層EC值差異較大，介于4.24～22.5 dS·m-1。將觀測的苗期與吐絮期土壤EC繪圖(圖3)，分別對比T1、T2、T3處理下的EC分布情況。圖3a～c為2020年5月苗期(未淋洗)土壤P1、P2、P3對應不同豎井位置的各層土壤電導率變化特征，以暗管處理為切面橫向進行對比，發現P1、P2、P3處理下土壤電導率最大值均分布在T3處理0～200 cm和T5處理200～400 cm處，且高于其他處理及深度，達到了22.5 dS·m-1，其原因是T1和T2處設置豎井，土壤部分鹽分隨水分進入豎井后被排出，造成鹽分略微低于未設置豎井處。圖3d～f為2020年9月吐絮期(淋洗后)，由圖可見各層土壤電導率相比較淋洗前明顯降低，其中P1、P2、P3處理下土壤電導率分別在T5處理及T2處理的400～600 cm處相對其他土層較大，未被排出土體的鹽分堆積在土壤深層。隨著季節更替，蒸發量增大使得深層土壤中所含的鹽分隨水分向上蒸發遷移至100～200 cm，出現反鹽現象。

對比苗期、吐絮期0～700 cm土壤電導率變化情況(表2)，可以看出：對于P1、P2、P3處理，淋洗后絮期的土壤電導率最大值由22.5 dS·m-1降低至6.55 dS·m-1，電導率降幅均達到70%以上，整體上脫鹽效果明顯。

將觀測的苗期與絮期土壤EC繪制圖形(圖4)，分別對比T1、T2、T3、T4、T5處理下的EC分布情況。以豎井處理為切面，縱向進行對比發現，在滴灌水動力驅動下，不同豎井處理下淋洗前后差異較大，T4處理0～80 cm土層脫鹽效果最明顯，T1處理80～200 cm土層脫鹽效果最明顯，T3處理200～700 cm土層脫鹽效果最明顯。吐絮期各層土壤電導率的分布模式相似，土壤淺層(0～200 cm)電導率下降明顯，P2處理下200～400 cm土壤電導率最低，呈條帶狀和斑塊狀分布，同時T3處理的淺層土壤鹽分高于其他處理組，其原因可能是試驗區地勢呈西北低東南高，T3處理位于地勢最低處，鹽分被淋洗到深層后，隨土壤水及地下水遷移至地勢較低處，且由于氣候干燥，蒸發強烈，造成T3處理土壤淺層電導率值比其他處理高。采用滴灌淋洗壓鹽配合暗管與豎井協同排水的試驗結果表明，鹽分受到地表及地下水共同補給，以及植物根系的吸收和暗管豎井排水輸出，增加了鹽分出路，加大了土壤鹽分降幅，進一步提升了土壤脫鹽效率。

對比滴灌淋洗試驗前后不同處理下土壤脫鹽情況，如圖5所示，棉田土壤在不同土層下的脫鹽效果各異。各處理下淺層土壤(0～200 cm)基本處于脫鹽狀態，在P1T1處理60～80 cm土層脫鹽率最高為71.7%，脫鹽效果良好。T5P1、T5P2、T5P3、T2P1處理處于完全脫鹽狀態，T4P1、T2P2、T3P3處理在300～500 cm土層有異常積鹽現象，脫鹽率達-108.2%，其余處理在200～700 cm土層有不同程度上的積鹽趨勢，但脫鹽率均小于50%。其原因是暗管豎井排水期間，未被排出的部分鹽分堆積在深層，呈現輕微積鹽現象。

2.2 暗管與豎井排水、排鹽性能

研究表明如果地下水位低于排水深度，可能會發生毛細管水向上流動造成再鹽化[14]，因此長期鹽度管控需要結合深層排水，本試驗通過將暗管與豎井結合，協同排出淺層和深層滲漏的鹽分，將淋洗期間試驗區的排鹽量和排水含鹽量(電導率值轉化為礦化度)的觀測結果繪制如圖6a所示。暗管與豎井排水期間，地下水礦化度由開始排水時2.3 g·L-1降至斷水前0.28 g·L-1，淋洗期間排水礦化度略微上升，在排水第30 h時達到峰值，后呈下降趨勢，在第48 h最小。在不考慮試驗區側向補給和渠系入滲補給量的情況下，將滴灌淋洗下暗管與豎井排水試驗期間的鹽分輸出實測數據定量轉化見圖6b。暗管與豎井滴灌淋洗期間平均排水流量為1.08 m3·h-1，總排水量為145.6 m3，總排鹽量為23.96 t。以上結果表明，排水流量與排鹽量、排水量隨時間的增加，總體上均呈現先增長后下降的趨勢。

2.3 地下水位與土壤電導率的關系

區域鹽漬化與荒漠化的控制因素與地下水有密不可分的關系[15]，有研究表明地下水位的變化會改變土壤條件[16]。人類活動改變地下水的水文狀況，導致地下水補給量增加，進而鹽堿地下水量增加，造成土壤鹽漬化[17]。如圖7a可知，全生育期地下水埋深呈現先減小后增大的趨勢，滴灌淋洗前后地下水埋深降幅明顯，最大幅度達到2 m。棉田蕾期(6月)進行農業灌溉及地下入滲補給，導致地下水位抬高?；ㄆ诔跗?7月)進行滴灌淋洗下暗管與豎井排水試驗使地下水位迅速抬升至2.19 m，鹽分被沖刷到深層土壤，100～700 cm土層土壤電導率值隨時間整體上呈現迅速下降后基本平穩趨勢，膜下滴灌棉田吐絮期(9月)隨灌水次數減少地下水埋深降低約70 cm。土壤鹽分含量受地下水影響明顯，如圖7b所示，地下水埋深減小時土壤電導率整體減小，且0～100 cm淺層土壤EC明顯低于深層。試驗區棉田通過滴灌淋洗下暗管與豎井排水試驗導致土壤電導率比淋洗前低，基本能保證作物正常生長。0～200 cm土層土壤電導率隨著地下水埋深減小而減小，300～400 cm處的土壤電導率在地下水埋深最小時異常升高，500～700 cm土層的土壤電導率隨地下水埋深變化不明顯。

由雙變量Pearson檢驗結果(表3)顯示，地下水埋深與土壤電導率呈正相關(R=0.807，P<0.01)，且相關性極顯著。因此，對于防治因蒸發導致的土壤鹽漬化問題，調控地下水埋深是非常有效的措施。

表3 地下水埋深與土壤電導率的相關性分析

2.4 暗管與豎井排水對鹽堿土壤微生物多樣性的影響

測定試驗區T1處理下20～40 cm土壤中與氮素循環功能相關的細菌有4類8屬，詳見表4。4種功能細菌的相對豐度表現為反硝化細菌>氨化細菌>固氮細菌>硝化細菌，其中芽孢桿菌屬是優勢菌群，占氮素代謝細菌總數的47%以上；亞硝化球菌屬(Nitrosococcus)、伯克氏菌屬(Burkholderia)和拜葉林克氏菌屬(Beijerinckia)所占比例較小，均不到0.1%。滴灌淋洗后，除硝化細菌及假單胞菌屬占氮素代謝細菌總數的比例上升外，其他菌類均降低。

表4 T1處理下氮素循環功能細菌的豐度

研究表明微生物活性與土壤鹽分密切相關[2]，土壤鹽分含量較高會在一定程度上通過抑制微生物活性來影響土壤的氮素循環過程[18]。如圖8所示，發現T1P1、T1P2處理下Chao l指數、Shannon指數以及Obeserved-species指數在全生育期處于波動狀態，但在淋洗前后差異顯著，均呈現上升狀態，其中T1P2處理下豐度指數較其他處理分別提高54.2%以上，多樣性指數約9%；T1P3處理相反，滴灌淋洗下暗管與豎井排水試驗后，微生物豐度及多樣性均呈顯著下降后回升趨勢。土壤電導率在P1T1和P2T1處理下降低28%～48%，土壤細菌相對豐度增加10.3%～64.5%；土壤電導率在P3T1處理下增大約1%，土壤細菌相對豐度下降32.4%。土壤電導率的增高明顯影響了微生物豐度，因此降低土壤電導率有利于微生物菌群的生長繁殖。

3 討 論

采用滴灌淋洗配合排水工程是解決土壤鹽漬化問題的有效改良方式。在土壤結構較差的情況下，暗管排水可加深淡化層[19]，改變土壤物理性質[20]，使輕、中度鹽漬化棉田土壤鹽分剖面形態特征由表聚型向脫鹽型變化[21]。而在豎井影響范圍內形成的“漏斗”，使地下水位距離豎井越近下降幅度越大，脫鹽效果也呈階梯狀向外遞減[22-23]，在距離豎井0～60 m內效果最顯著[24]。也有研究表明在淺層地下水位進行地表排水淋洗可能會進一步加劇鹽度問題，因此需使用地下排水維持地下水深度以防止鹽漬化[25]。本文通過研究滴灌淋洗下暗管與豎井協同排水對土壤電導率的影響，發現淋洗排水期間豎井周圍形成了一個“漏斗”型的地下水位線，0～2 m土層土壤鹽分下移，導致2～4 m土層土壤電導率有異常增大，5～7 m土層土壤電導率受地下水埋深影響變化不明顯。有研究表明砂質黏土層和黏土層會阻礙土壤剖面內的水流，延長土壤水的滯留時間，導致土壤鹽分堆積[26-27]。試驗區140～200 cm土層土壤性質為粉砂黏壤土，是導致更深層土壤鹽分異常變化的原因之一。但全生育期內土壤電導率響應范圍整體呈顯著下降趨勢，降幅達70.89%～79.02%，其中P2、T5處理下的脫鹽效果最佳，其次是T3處理。原因可能是T5處理位于兩口豎井影響范圍交匯區。

滴灌淋洗下土壤電導率隨水遷移至更深層，使淺層土壤鹽分明顯降低，深層土壤鹽分堆積，土壤鹽的溶解過程[28]受土壤排水的影響[29]，會對地下水礦化度造成影響[30]。且土壤鹽分與地下水埋深關系緊密，后者關系到土壤毛細水能否到達地表，決定著土壤的積鹽程度[31]。淋洗后地下水埋深為2.19 m，對土壤電導率的影響較突出，故在收獲期地下水位轉而下降時，試驗區土壤電導率呈現上升狀態。Bennetts[32]研究表明即使地下水為淡水(<2 mS·cm-1)，淺水位仍會導致地下水中所含的鹽分濃度和土壤電導率升高。灌溉蒸發，過量施用肥料等均會導致地下水鹽漬化，研究表明淋洗土地導致深層排水增加，鹽分浸出，向下朝地下水運動[29]。與單一排水排鹽方式[33]相比，本研究將兩種排水方式結合起來，利用豎井排水彌補這一缺點，協同排水雖施工較為復雜，但一次性投入可供長期使用。通過0～7 m深度的土壤電導率分析深層土壤脫鹽規律，發現協同排水排鹽在隨土層深度向下0～700 cm，距離暗管0～5 m，距離豎井0～30 m的脫鹽效果最佳，其中土層200～400 cm深度有輕微積鹽，400～700 cm處又呈現略微下降趨勢。暗管排水作用于作物根區(0～1 m)，無法排除深層鹽分，利用豎井解決土壤鹽分深層滲漏問題，將淋洗至深層土壤的鹽分排入豎井后排出土體，控制地下水礦化度的同時也保持了地下水位穩定性，并加速了土壤脫鹽。

當地下水上升至地表附近蒸發，使鹽分積聚于土壤表層，形成次生鹽漬化，影響地表土層微生群落的生物作用，從而阻礙養分吸收影響作物生長。Rietz[34]研究表明土壤含鹽量過高會導致因土壤滲透勢低而限制植物水分和營養吸收的現象，而且會對土壤微生物的生物量、活性以及生化過程產生負面影響。Mavi[35]研究表明，隨著土壤電導率EC的增加，微生物活性和生長的敏感性會隨之升高。但在微生物碳氮比約為20的土壤中，添加N可能會增加微生物對氮的固定和吸收，這一現象并不受EC值的影響。張雯雯[36]的研究表明，隨著土壤含鹽量的增加，棉田土壤微生物群落多樣性Shannon指數和豐富度指數均呈減小趨勢。本研究對鹽漬化土壤微生物多樣性試驗結果表明，微生物豐度與土壤電導率呈顯著負相關，土壤電導率的小幅增加對微生物群落多樣性具有極大的負面影響。這與前人關于土壤鹽分與微生物相關性的研究相似。但Yang[37]的研究表明，高鹽土壤中的微生物群落組成是由土壤pH和鹽度決定的，鹽分增加會使土壤Shannon多樣性指數升高，降低土壤的呼吸作用。本研究發現，T1處理下淋洗后距離暗管5 m處的微生物群落多樣性變化最明顯，其次是距離暗管0 m處，同時土壤電導率增加使得土壤微生物Shannon多樣性指數上升，土壤電導率降低時，優勢菌群(芽孢桿菌)占氮素代謝細菌總數的比例下降。這與Xu[38]的研究結果相符合，當土壤鹽度降低時，具有較高鹽度生態偏好的細菌類群(例如芽孢桿菌)將被消耗或排除。高鹽影響土壤微生物活動，導致土壤特性(TC、TN等)發生變化[39]，作物發育生長受到限制。新疆地處干旱、半干旱地區，具有灌溉農業、生態環境脆弱的特點，因此研究土壤微生物與鹽分的相關性對土壤鹽漬化改良具有重要意義。

4 結 論

本研究以干旱內陸鹽堿土為研究對象，建立滴灌淋洗配合暗管與豎井排水田間試驗。結果表明，暗管豎井協同排水在全生育期平均脫鹽率達到70%以上，有利于干旱區鹽漬化改良，可以提高脫鹽效果，控制地下水位，提升土壤微生物群落多樣性，有效促進棉田養分吸收，提高農作物產量。與傳統排水排鹽方式相比，協同排水的脫鹽率高和影響范圍更廣，可為高效節水合理改良鹽漬化土壤提供依據。