次生鹽漬土暗管+豎井排水控鹽技術(shù)模式篩選及效果評價

石 磊，呂 寧，何 帥，尹飛虎，高志建，譚榮欣

(1.新疆農(nóng)墾科學(xué)院農(nóng)田水利與土壤肥料研究所，新疆石河子 832000；2.農(nóng)業(yè)部作物高效用水石河子科學(xué)觀測實驗站，新疆石河子 832000；3.石河子大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，新疆石河子 832003；4.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第二師38團(tuán)，新疆庫爾勒 841900)

0 引 言

【研究意義】世界上1/5的灌溉土受到鹽分影響[1-2]。新疆鹽漬化土地面積182×104hm2，約占全國的1/3，是我國鹽漬土面積最大、類型最多、積鹽最重，改良最困難的典型區(qū)域[3-4]，一方面是由于新疆土壤母質(zhì)含鹽，另一方面是因為灌溉水中含鹽(含量普遍在2～6 g/L)，加上長期重灌溉而輕排水使得土壤中鹽分不斷累積，過度灌溉使得地下水位也不斷上升[6]，強(qiáng)烈的蒸發(fā)加速深層鹽分表聚，導(dǎo)致土壤次生鹽漬化問題嚴(yán)重。新疆鹽漬化耕地面積年增長率為0.26%，新疆南疆覆膜滴灌農(nóng)田耕層土壤鹽分每年以15%的速度增加，嚴(yán)重制約了新疆綠洲農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[7]。【前人研究進(jìn)展】常用鹽堿地改良方式主要有農(nóng)業(yè)、生物、化學(xué)和水利工程技術(shù)[8-11]。新疆鹽漬化土壤治理主要采用大水壓鹽、明渠排鹽、水旱輪作等工程措施，對緩解土壤鹽漬化起到了一定作用，但耗水多、排渠占地面積大、修整成本高。新疆南疆地區(qū)地下水位高，采用豎井排水降低地下水位，調(diào)控種植區(qū)土壤水鹽分布平衡，該技術(shù)應(yīng)用對新疆鹽漬土改良起到一定效果。但有研究指出[12-13]，豎井灌排短期內(nèi)能起到控制地下水位與降低土壤鹽分的作用，但由于缺少水平排水，垂直方向上土壤鹽分在包氣帶中下層滯留，一旦灌區(qū)“四水”(大氣水、地表水、土壤水、地下水)發(fā)生變化，灌區(qū)將存在土壤鹽漬化和地下水質(zhì)惡化的雙重風(fēng)險。通過暗管可將地下水位控制在臨界深度，以抑制高礦化度地下水上移，達(dá)到改良土壤鹽堿化的效果[14]。已有報道對南方沿海地區(qū)暗管排鹽模式及排鹽效果研究較多[15-18]，于淑會[19]、張?zhí)m亭等[20]對濱海地區(qū)暗管排水技術(shù)適應(yīng)性分析指出，土壤滲透性、地下水埋深、降雨及蒸發(fā)量等是影響暗管排鹽效果的主要因素，對于地下水位高、土質(zhì)為沙壤土，水體礦化度高不宜用作灌溉水源，以及采用明溝排水邊坡易坍塌淤積導(dǎo)致排水不暢的地區(qū)，暗管排水排鹽技術(shù)是治理鹽漬化一種有效方式，但不同的暗管埋深和鋪設(shè)間距對根區(qū)和非根區(qū)土壤鹽分淋洗效果差異較大[21-22]。王海江等[23]在新疆北疆重度鹽漬化棉田開展了農(nóng)業(yè)改良措施配合暗管排水試驗，試驗區(qū)暗管埋深在 0.8～1.0 m，間隔10 m，0～80 cm土層脫鹽率達(dá)到59.37%。衡通等[24]通過對滴灌條件下暗管排水對土壤水鹽分布規(guī)律研究，提出暗管布設(shè)間距15 m為干旱區(qū)滴灌棉田鹽堿地改良適宜的暗管排鹽參數(shù)。【本研究切入點】不同地區(qū)氣候條件、地理環(huán)境及土壤特點顯著不同，暗管排水工程參數(shù)差異較大。當(dāng)前新疆的暗管排鹽技術(shù)體系仍處于探索研究階段，南疆地區(qū)土壤次生鹽漬化治理尚缺乏成熟的技術(shù)依據(jù)。【擬解決的關(guān)鍵問題】研究不同的暗管排鹽工程關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)間距對鹽堿地土壤排水排鹽效率的影響；解決南疆次生鹽漬土暗管+豎井排水控鹽工程技術(shù)模式缺乏，施工方法繁雜，自動化程度低，施工費用高等技術(shù)問題，為新疆灌溉農(nóng)田次生鹽漬化合理防治提供技術(shù)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第二師38團(tuán)位于南疆塔克拉瑪干沙漠南緣，巴音郭楞蒙古自治州南端，昆侖山腳下，地處E83°25′～87°30′，N35°40′～40°10′，喀拉米蘭河與莫勒切河兩河下游平原區(qū)。年均氣溫10.4℃，年均降水量18.1 mm，蒸發(fā)量達(dá)到2 824 mm，為極度干旱的典型暖溫帶大陸性氣候。全團(tuán)耕地面積1.2×104hm2，中度鹽化土占耕地面積的53.44%。灌溉水源為喀拉米蘭河水庫，灌區(qū)配套自壓滴灌系統(tǒng)，地下水埋深在1～5 m，水體礦化度多大于2.0 g/L，鹽漬化土約占該團(tuán)土地總面積的78.88%，鹽分類型以氯化物為主。試驗地土壤理化性狀：土壤類型鹽土，土壤質(zhì)地砂土，土層0～30 cm，有機(jī)質(zhì)1.65 g/kg，堿解氮25.3 mg/kg，速效磷2.5 mg/kg，速效鉀90.5 mg/kg，pH值8.8，土壤電導(dǎo)率967.55 μs/cm，水質(zhì)礦化度6.83 g/L。

暗管管材：采用新疆天業(yè)生產(chǎn)的Ф50 mmPVC波紋排水管，波紋管波谷處打孔，無紡布包裹(經(jīng)前期對試驗地土壤質(zhì)地、地下水位和灌排制度等調(diào)研及分析篩選)。豎井管材：采用Ф60 cm水泥管，管壁帶孔有過濾層包裹。

開溝鋪管機(jī)：青島英特瑞恩機(jī)械制造有限公司生產(chǎn)的3035T型號機(jī)械傳動開溝鋪管機(jī)(集挖溝、鋪管、設(shè)置坡度、填埋一體化)；水鹽監(jiān)測系統(tǒng)采用美國Campbell公司開發(fā)的傳感器及監(jiān)測軟件。

種植作物：玉米，品種為甘鑫128，為青飼兩用類，生育期約128 d，抗病抗倒伏、耐旱耐澇，適合機(jī)收。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設(shè)計

試驗于2016～2018年展開。選擇38團(tuán)5連1～3南二13～16號地作為試驗地(N37°56'，E83°39')，面積14.53 hm2(長360 m × 寬404 m)，屬重度次生鹽漬化土，試驗前為撂荒地。2016年11～12月完成打井、埋管、自動水泵系統(tǒng)、供電設(shè)施、水鹽監(jiān)測設(shè)備、監(jiān)測泵房等工程建設(shè)；2017年1月～2018年12月開展排水控鹽試驗，采用春秋灌排、滴灌淋洗、暗管+豎井排水控鹽的綜合方式，在參考暗管埋設(shè)理論公式[25]和農(nóng)田排水工程技術(shù)規(guī)范(SL/T4-1999)的基礎(chǔ)上，統(tǒng)一設(shè)置暗管埋深1.2 m，自流坡度3.5‰；豎井管徑60 cm、井深20 m、間距120 m；水鹽監(jiān)測設(shè)備(埋設(shè)在40～60 cm處)由3個土壤溫、濕、鹽傳感器、土壤pH、水體pH及電導(dǎo)率傳輸系統(tǒng)組成。設(shè)置3種不同的暗管布設(shè)間距，分別為6、8和10 m(記為T1，T2、T3)，將未采取排水措施的13號地塊設(shè)為CK。表2，圖1

圖1 暗管+豎井排水系統(tǒng)田間小區(qū)布置

每年春灌或秋灌1次，灌水量200 m3/667 m2；出苗水為10 m3/667 m2，生育期每10 d灌水1次，單次灌溉量20 m3/667 m2，共灌水9次，全生育期灌水量390 m3/667 m2，總灌水量590 m3/667 m2。

1.2.2 土樣和水樣

采用水鹽自動監(jiān)測系統(tǒng)實時采集40～60 cm土壤電導(dǎo)率(EC)、pH和排水電導(dǎo)率(EC)、pH等數(shù)據(jù)。試驗區(qū)人工采集土樣和水樣：分別于試驗前(2016年12月)、排鹽1年(2017年10月)和排鹽2年(2018年10月)，T1、T2、T3處理隨機(jī)選取3個點，在水平方向距離豎井位置1、2、3和4 m處，每20 cm為一層分割采集土樣，取樣深至2 m，采用1∶5土水比浸提后測定電導(dǎo)率。排鹽前后采集各處理排水水樣，采用重量法測定水體礦化度，土壤和水樣理化性狀化驗具體參照鮑士旦的《土壤農(nóng)化分析》[26]方法。另外，灌排前后測量豎井水位高度變化。

表1 試驗區(qū)暗管+豎井工程建設(shè)參數(shù)

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2003和SPSS 20.0進(jìn)行試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計，利用Sigmaplot 12.0進(jìn)行制圖。采用Duncan檢驗法進(jìn)行多重比較及差異顯著性分析。圖表中數(shù)據(jù)均為3次重復(fù)的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理土壤鹽分和pH總體變化

研究表明，CK處理土壤EC隨著灌水增加而增加(P=0.000)；T1處理排水1年土壤EC變化不大，排水2年后土壤EC下降明顯；T2、T3處理土壤EC值2017年顯著高于2016年，但2018年呈現(xiàn)顯著降低。排水2年后T1、T2、T3處理土壤EC較排水前分別降低了31.83%、50.35%、46.09%。

排水前后土壤pH變化不大，其中，T1、T2處理排水第2年土壤pH明顯降低。隨著淋鹽時間增加，各暗管排水處理土壤pH呈下降趨勢。圖2

圖2 不同處理土壤EC和pH總體變化

2.2 不同處理土壤鹽分空間分布變化

研究表明，各處理排水后0～2 m土層土壤EC均有明顯降低，排水2年后脫鹽效果尤為顯著。不同暗管布設(shè)間距處理，土壤各土層脫鹽效果差異顯著；而在水平方向上均表現(xiàn)出距離豎井越近，土壤EC降低越明顯的特征。

T1處理排水前0～2 m土壤EC平均在822.58 μs/cm，0～0.6 m土層EC達(dá)到1 000 μs/cm以上，但隨著土層深度的增加EC依次降低，這與沙質(zhì)土鹽分隨蒸發(fā)易表聚密切相關(guān)；排水1年后土壤EC平均降低27.42%，0～0.2 m土層EC降低至750～795 μs/cm，0.2～1.0 m土層EC降低率為22.09%～57.04%，這與暗管埋深(距地面1.2 m處)密切相關(guān)；排水2年后不同土層土壤EC均大幅降低，平均降低到353.60 μs/cm，降低率為57.01%。T2處理土壤EC變化趨勢與T1相同，在排水1年、2年后，0～2 m平均EC分別從713.29降低至435.88、252.47 μs/cm，脫鹽率分別達(dá)到38.41%、64.39%，以0～0.8 m土層降鹽效果最顯著，排水2年后土壤EC下降了72.13%。T3處理排水前土壤EC在620～910 μs/cm，在排水1年、2年后土壤EC分別降低了27.32%、63.90%，且隨著土壤深度增加土壤EC降低率依次增加。

排鹽前各處理0～1 m深度土壤EC均在700 μs/cm以上，鹽分主要聚集在0～0.8 m土層，排鹽后各土層土壤EC均顯著降低，尤其是排鹽2年后脫鹽效果更顯著，平均EC迅速下降至350 μs/cm以下，排鹽效果T2>T3>T1；且距離豎井0～2 m范圍內(nèi)明顯形成一個脫鹽區(qū)。圖3

圖3 不同處理排水前后土壤剖面EC變化

2.3 不同處理排水礦化度變化

研究表明，2016年各處理排水礦化度平均在6.0 g/L，排水1年后，各處理排水礦化度均有不同程度增加，較建設(shè)前增加率為6.19%～13.61%；而在灌排2年后，T1、T2、T3排水礦化度分別下降至5.25、4.57、5.10 g/L，較建設(shè)前下降了21.41%、33.24%、18.57%，各處理間差異極顯著，其中T2處理降幅最高。表2

表2 不同處理排水礦化度變化

2.4 不同處理地下水位變化

研究表明，2016年試驗地地下水位平均為1.70 m，排鹽后地下水位呈下降趨勢，2017年T1、T2、T3較CK分別降低0.77、0.98和1.10 m，2018年T1、T2、T3較CK分別降低1.48、1.54和1.44 m，平均地下水位維持在3 m左右，即隨著排水排鹽時間增長，地下水位降低顯著。

各處理排鹽前后地下水位顯著下降。總體上，地下水位降低幅度由大到小依次是T2、T1、T3，隨著排鹽時間越長，水位降低效果會更明顯。圖4

圖4 不同處理地下水位深度變化

2.5 不同處理下種植玉米產(chǎn)量變化

研究表明，各處理保苗株數(shù)平均為7×104株/hm2，玉米籽粒產(chǎn)量平均為327.90 kg/667 m2，排鹽效果最顯著的T2處理，收獲株數(shù)為5 500株/667m2，籽粒單產(chǎn)為366.5 kg/667m2，顯著高于T1和T3，較T1和T2分別增產(chǎn)16.92%、20.66%，T1與T3處理之間差異不顯著。表3

表3 種植玉米產(chǎn)量比較

3 討 論

水、土、鹽三者的關(guān)系，決定著新疆綠洲農(nóng)業(yè)空間維度上的形態(tài)和規(guī)模，合理的水鹽調(diào)控技術(shù)對于新疆農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[27]。暗管+豎井排水控鹽技術(shù)是新疆南疆地區(qū)鹽漬化土地治理的重要措施，該技術(shù)模式的核心是采用“暗管”來調(diào)節(jié)土壤耕層鹽分，利用“豎井”來控制地下水位，從而達(dá)到降低土壤鹽分的效果。有研究顯示，新疆三工河流域采用豎井排水4年后，0～10 cm土層土壤含鹽量由12.6 g/kg降低至6 g/kg[12]，哈密盆地采用豎井灌排后地下水位下降了1～2 m[13]。有研究[28-29]主要通過水鹽運(yùn)移理論和水量平衡原理，采用SaltMod模型、Vedernikov入滲方程、Vander Molen淋洗方程等模擬和演算出鹽堿地灌排改良工程技術(shù)參數(shù)，指出暗管埋深和間距是排水控鹽效果的關(guān)鍵因子。Bahceci等[30]提出暗管埋深1.2 m對土耳其科尼亞平原鹽漬土改良效果最好。劉玉國等[31]在新疆滴灌棉田設(shè)計淺層暗管排水試驗，研究發(fā)現(xiàn) 0～0.2 m土壤脫鹽較快，土壤脫鹽率最高達(dá)到90.89%。已有研究[32-33]普遍認(rèn)為，暗管排水技術(shù)對田間淺層土壤鹽分的空間運(yùn)移有較大影響，對于深層鹽分影響則較小。暗管埋深1.2 m，在灌溉淋洗和暗管排水共同作用下，0～0.8 m土層土壤電導(dǎo)率降低幅度最大，研究結(jié)果與前人研究結(jié)論相一致，有學(xué)者[34]在設(shè)施番茄上研究發(fā)現(xiàn)，暗管間距8 m的布設(shè)模式對土壤鹽漬化改良效果要優(yōu)于6 m的布設(shè)。有研究認(rèn)為[24]在滴灌棉田間距15 m為干旱區(qū)鹽堿地改良適宜的暗管布設(shè)間距。不同地區(qū)氣候環(huán)境、農(nóng)田土壤性質(zhì)不同，因此，田間暗管排水工程參數(shù)差異較大。研究顯示，在設(shè)置豎井排水的基礎(chǔ)上，暗管埋深1.2 m、布設(shè)間距8 m降鹽效果最好，排水2年后耕層土壤電導(dǎo)率下降了50.35%，排水礦化度下降至4.57 g/L，較排水前降低了33.20%；同時，地下水位平均降低了1.5 m，地下水位深度下降至3 m；脫鹽后種植玉米，籽粒產(chǎn)量也高于其它2種暗管間距處理，平均單產(chǎn)達(dá)到327.9 kg，玉米產(chǎn)量與降鹽效果成正比。

4 結(jié) 論

根據(jù)不同暗管間距處理排鹽前后土壤耕層鹽分變化、不同土層鹽分的空間運(yùn)移及排鹽后種植玉米的產(chǎn)量比較，暗管+豎井排水控鹽技術(shù)對新疆南疆沙質(zhì)次生鹽漬化土壤具有較好的治理效果，篩選出豎井(井深20 m、間距120 m)暗管埋深1.2 m、布設(shè)間距8 m為當(dāng)?shù)嘏披}技術(shù)模式最優(yōu)的組合方式。在新疆南疆墾區(qū)以“暗管排水鹽、豎井降水位、明溝排水”為主的同時，在非生育期采取大水壓鹽、生育期滴灌洗鹽、排鹽，以實現(xiàn)新疆南疆鹽漬化土有效治理。