崔婷婷，楊建國，李王成,3,4

(1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，銀川 750021；2.寧夏農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，銀川 750002； 3.寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心，銀川 750021；4.旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部工程研究中心，銀川 750021)

引黃灌區(qū)地處西北干旱地區(qū)，降雨稀少，年際年內(nèi)分配不均，蒸發(fā)強(qiáng)烈，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在很大程度上依靠灌溉，可以說沒有灌溉就沒有農(nóng)業(yè)。在引黃灌區(qū)兩千多年的發(fā)展過程中，同樣是由于灌溉技術(shù)落后、灌溉管理粗放、灌溉工程不配套以及灌溉工程老化失修等問題，不僅造成水的極大浪費(fèi)，而且還引起土壤鹽漬化危害[1]。水既是造成土壤鹽漬化的媒介，也是治理土壤鹽漬化的動(dòng)力，但是對于鹽漬化土壤，繼續(xù)采用大水沖洗控制土壤鹽分、維持土壤耕層中鹽分動(dòng)態(tài)平衡的粗放方式已經(jīng)不能適應(yīng)以節(jié)水為中心的灌區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的要求。在日益嚴(yán)峻的水資源形勢下，如何進(jìn)行引黃灌區(qū)節(jié)水防鹽水資源綜合管理已經(jīng)是亟待解決的問題，這一問題的回答不僅是解決引黃灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源供需矛盾的需要，對解決長期困擾引黃灌區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的土壤鹽漬化問題也具有直接的指導(dǎo)意義。

起壟能提高地溫、增加土壤透氣性、促進(jìn)蔬菜根系，滴灌具有能降低棚內(nèi)空氣濕度、減少病蟲害的發(fā)生、地溫降幅較小、節(jié)水、節(jié)能、增產(chǎn)、省工、省肥等優(yōu)點(diǎn)，高壟為根系生長提供了與周圍土壤相對隔絕的環(huán)境[2]，滴灌期間只存在地下土壤的返鹽，而不存在根系周圍土壤的返鹽，與普通滴灌技術(shù)相比，高壟滴灌栽培技術(shù)采用合理的參數(shù)設(shè)置能有效淋洗鹽分、降低返鹽程度，而且節(jié)省肥料，降低環(huán)境污染[3]。將鹽堿地水鹽運(yùn)移理論與合理的滴灌系統(tǒng)相結(jié)合探討高壟滴灌條件下的水鹽運(yùn)移規(guī)律對鹽堿地治理與農(nóng)業(yè)指導(dǎo)有著重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地位于石嘴山市平羅縣前進(jìn)農(nóng)場(38°50′N，106°24′E)，屬內(nèi)陸中溫帶干旱地區(qū)，是典型的大陸性氣候，境內(nèi)四季分明，晝夜溫差大，日照長，降雨較少，蒸發(fā)量大。試驗(yàn)地0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm土層土壤容重分別為1.64、1.58、1.67、1.72、1.57 g/cm3；耕層土壤有機(jī)質(zhì)10.2 g/kg、全量氮0.51 g/kg、全量磷0.60 g/kg、全量鉀18.0 g/kg、堿解氮32 mg/kg、有效磷15.5 mg/kg、速效鉀410 mg/kg、有效鐵13.0 mg/kg、有效錳5.06 mg/kg、有效銅0.92 mg/kg、有效鋅1.11 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與布置

本試驗(yàn)區(qū)面積根據(jù)種植模式設(shè)置為10 m×67 m2。采用高壟滴灌的農(nóng)藝措施，試驗(yàn)區(qū)共分兩個(gè)區(qū)域：中度鹽漬化區(qū)域和重度鹽漬化區(qū)域。滴灌帶布置方式為7月10日之前一管兩行，滴灌帶位于壟中間，7月10日以后一管一行，滴灌帶位于作物處。壟肩寬0.5 m，壟高0.25 m，壟距1.1 m，壟作種植模式如圖1所示。采用寬窄行的種植方式，寬行間距70 cm，窄行間距40 cm，株距20 cm。滴頭間距25 cm。每個(gè)小區(qū)配備一個(gè)水表以保證每個(gè)小區(qū)單獨(dú)灌水的要求并使用張力計(jì)測量土壤水吸力，根據(jù)需要換算為土壤水分。

圖1 滴灌帶田間布置圖(單位：cm)

圖2 滴灌帶取土位置圖(單位：cm)

1.2.2 土壤樣品采集

本試驗(yàn)依據(jù)土壤鹽漬化程度分為兩個(gè)大區(qū)，中度鹽漬化Ⅰ區(qū)和重度鹽漬化Ⅱ區(qū)，在春灌前、播種前、灌水前后、雨后取土，布置一條滴灌帶時(shí)，取樣點(diǎn)分別距離滴頭0、20、40 cm。布置兩條滴灌帶時(shí)，取樣點(diǎn)分別距離滴頭-20、0、20 cm。取樣點(diǎn)分布圖見圖2(A、B、C代表中度鹽漬化農(nóng)田取樣點(diǎn)，a、b、c代表重度鹽漬化農(nóng)田取樣點(diǎn))，每個(gè)取樣點(diǎn)分0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm 5層取樣。由于地下水位比較低，忽略地下水補(bǔ)給。中度鹽漬化區(qū)土壤初始全鹽量為3.805%、pH為9.66；重度鹽漬化區(qū)土壤初始全鹽量為7.849%、pH為9.96。

1.2.3 全生育周期灌水情況

全生育周期共灌水5次，每次灌水450 m3/hm2(見表1)。

表1 作物全生育周期灌水時(shí)間及灌水量 m3/hm2

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水分的變化

2.1.1 土壤水分隨時(shí)間的變化

土壤含水率的升降主要受到降雨和灌溉的影響[4]。灌溉后土壤含水率會(huì)明顯上升。由圖3和圖4可知0～20 cm土層中出現(xiàn)3個(gè)峰值，分別是灌水或降雨結(jié)束后3～4 d，且土壤含水率C>B>A，c>b>a。高壟在滴灌作用下，水分從水勢高的地方向水勢低的地方運(yùn)動(dòng)，通過垂直入滲以及水平入滲，使更多的水分匯集在了壟溝中。隨著土壤深度的增加，土壤含水率受降雨和灌溉影響較小，變化波動(dòng)較為平緩，由于沒有地下水補(bǔ)給，深層的土壤含水率主要受上層水下滲、植物對土壤水的吸收以及黏土的保水能力所控制。但整體而言，3個(gè)點(diǎn)位的土壤含水率C>B>A、c>b>a。由此說明高壟滴灌影響了水分的分布，使滴灌帶下的點(diǎn)位含水率處于較高水平，使更多的水匯集在壟溝里，從而有助于鹽分的淋洗，達(dá)到脫鹽效果。

圖3 中度鹽漬化農(nóng)田不同點(diǎn)位土壤含水率的變化

圖4 重度鹽漬化農(nóng)田不同點(diǎn)位土壤含水率的變化

2.1.2 土壤水分隨深度的變化

由圖5和表2可知，在中度鹽漬化農(nóng)田以及重度鹽漬化農(nóng)田中，隨著土壤深度的增加，土壤含水率逐漸增加，3個(gè)點(diǎn)位的土壤含水率C>B>A、c>b>a，但差異不大。在高壟滴灌條件下中度鹽漬化農(nóng)田處于壟溝中的點(diǎn)位C比處在壟中央的點(diǎn)位A在表層高6.0%，比處在壟邊的點(diǎn)位B高5.6%。在測定土壤最下層80～100 cm，土壤含水率C比A大2.6%，比B大0.5%。重度鹽漬化農(nóng)田中，表層的c比a的含水率高7.9%，比b高0.7%。測定土壤最下層c比a高3.6%，比b高2.5%。說明，鹽漬化農(nóng)田中，壟溝中的土壤含水率要高于壟的土壤含水率，高壟有助于土壤水的運(yùn)移。

由表2可知，不同鹽漬化程度農(nóng)田的同一點(diǎn)位的同一土層深度，重度鹽漬化農(nóng)田的含水率略高于中度鹽漬化農(nóng)田，且在測定的最下層80～100 cm最為顯著，a比A高35.1%，b比B高33.7%，c比C高36.4%。出現(xiàn)這種情況的原因是：重度鹽漬化農(nóng)田作物生長較差，株高莖粗均不及中度鹽漬化農(nóng)田作物，因此對于水的吸收較弱，底層土壤水向上運(yùn)移供植物吸收作用較小。由于表層受降雨和灌溉的影響較大，故表層的含水率變異性最大，Cv均在0.11以上最大可達(dá)到0.17。其他土層Cv值較小，平均都在0.1以下。根據(jù)雷志棟[5]等人所著的《土壤水動(dòng)力學(xué)》中對Cv的評估標(biāo)準(zhǔn)可以判定出表層土壤含水率呈中等變異性，其余土層呈弱變異性。

圖5 不同深度土壤含水率變化

2.2 土壤鹽分的變化

2.2.1 土壤鹽分隨時(shí)間的變化

(1)隨著時(shí)間變化各個(gè)土層土壤鹽分分布整體情況。生育周期內(nèi)，土壤鹽分隨著時(shí)間的變化，各個(gè)土層的3個(gè)點(diǎn)位全鹽量呈現(xiàn)出下降-上升的規(guī)律。在4-6月大田沒有起壟，在此期間隨著溫度的升高，土壤蒸發(fā)加劇，引起土壤水向地表運(yùn)動(dòng)，使鹽分隨著土壤水向土壤上層運(yùn)移。6月8日試驗(yàn)田起壟，在壟中間布置一條滴灌帶并在當(dāng)月18日、19日進(jìn)行第一次高壟滴灌灌水，灌水量為450 m3/hm2，取土位置位于滴頭水平方向0 cm(A/a)，20 cm(B/b)，40 cm(C/c)。由于起壟的原因，人為干擾了鹽分的分布，伴隨著水分下滲鹽分向下運(yùn)移，起到了洗鹽的效果，因此在第一次灌水后鹽分有了明顯的下降。在7月5日加鋪一條滴灌帶，滴灌帶布置位置位于壟上作物生長的位置。在7月5日至9月20日之間進(jìn)行了四次灌水，土壤水分是鹽分遷移的重要載體，鹽分隨著水分向下的淋洗以及自然條件下鹽分隨著蒸發(fā)上移使鹽分在表層出現(xiàn)較大的波動(dòng)。從9月20日之后，沒有進(jìn)行灌水，此時(shí)蒸發(fā)對鹽分的運(yùn)移占主要因素，鹽分向上層運(yùn)動(dòng)，土壤鹽分處于蒸發(fā)積鹽的狀態(tài)，全鹽量有上升趨勢。

表2 不同點(diǎn)位的土壤含水率統(tǒng)計(jì)特征值

(2)中度鹽漬化農(nóng)田鹽分隨著時(shí)間的變化。鋪設(shè)一條滴灌帶時(shí)，A位于滴頭正下方即距低頭位置0 cm處，在6月18日、19日灌水過后，A表層含鹽量較低，此時(shí)處于灌水結(jié)束前期，屬于鹽分隨著土壤水分運(yùn)動(dòng)遷移的第一個(gè)過程：水分下滲的過程中攜帶鹽分運(yùn)移，表層土壤淋洗脫鹽的過程。由于在滴頭附近形成一個(gè)飽和區(qū)，土壤含水率比較高，土壤水的基質(zhì)勢和重力勢均處于較高水平，土壤吸力較小，所以土壤水分運(yùn)動(dòng)比較快，并由滴頭處向四周擴(kuò)散[6]，隨著取點(diǎn)位置遠(yuǎn)離滴頭位置土壤含水率也隨之降低，水分運(yùn)動(dòng)變慢，鹽分運(yùn)移隨水分運(yùn)動(dòng)也變緩慢，因此，剛剛灌水結(jié)束后處于壟中間的A全鹽量最低，由于試驗(yàn)田的土質(zhì)屬于黏壤土，水的滲透力減弱，壟溝中容易產(chǎn)生積水[7-9]，因此壟溝中的鹽分在灌水結(jié)束初期隨著水的下滲向下運(yùn)移使表層土壤含鹽量較低，因此，在壟中間布置一條滴灌帶時(shí)表層3個(gè)點(diǎn)全鹽量含量為B>A>C。從7月5日起，加鋪滴灌帶，滴灌帶位于B處。處于壟間的A成為遠(yuǎn)離點(diǎn)源的位置，由之前的飽和區(qū)成為現(xiàn)在兩個(gè)滴灌濕潤體交匯區(qū)土，交匯區(qū)含鹽量的分布與滴頭下的含鹽量分布不同，含鹽量在兩濕潤體相互干擾下進(jìn)入入滲階段。在7月5日-9月20日經(jīng)歷了4次灌水，表層鹽分分布較為均勻，全鹽量C>B>A，鹽分有效的分布到了滴頭四周，使?jié)駶欝w內(nèi)部含鹽量低，而外圍含鹽量高[10]，因此在滴頭處形成脫鹽區(qū)。9月20日之后，不再灌水，鹽分重新分布，全鹽量A>C>B。9月23日C在0～20 cm土層深度出現(xiàn)峰值，壟溝中的鹽分出現(xiàn)2個(gè)過程，第一：鹽分在水的運(yùn)移下聚集在壟溝中，同時(shí)有蒸發(fā)作用，因而鹽分向上遷移；第二：高壟中的水鹽發(fā)生側(cè)滲現(xiàn)象。這兩個(gè)過程使壟溝鹽分驟升在9月23日達(dá)到峰值。使3個(gè)點(diǎn)位的鹽分重新分布。

玉米生育期內(nèi)，在高壟滴灌耕種模式下，20～60 cm土層3個(gè)點(diǎn)位的土壤鹽分隨著時(shí)間變化的變化規(guī)律整體一致，呈現(xiàn)降低-升高-降低的趨勢。6月23日-9月23日變化較為平穩(wěn)，B點(diǎn)處全鹽量較低，滴灌有效降低了滴頭處的全鹽量使鹽分再分布，使鹽分積壓在下層土壤及滴頭四周。土壤全鹽量在9月27日出現(xiàn)高峰值，9月23日晚，降雨量較大，使鹽分在雨水的作用下重新再分布，隨著降雨時(shí)間的結(jié)束，在蒸發(fā)的作用下，鹽分向上遷移，高壟中的水鹽發(fā)生測滲現(xiàn)象，因此9月27日出現(xiàn)高峰值。在土壤底層，3個(gè)點(diǎn)位的全鹽量變化基本一致，滴灌條件下，對于底層鹽分的影響較小，通過上層鹽分隨水的運(yùn)移，呈現(xiàn)規(guī)律基本一致，全鹽量分布呈現(xiàn)A>B>C(見圖6)。

(3)重度鹽漬化農(nóng)田鹽分隨著時(shí)間的變化。在重度鹽漬化土壤中，0～20 cm鹽分分布波動(dòng)較大，全鹽量c>a>b，在滴灌水源淋洗下處于滴灌帶處的b含鹽量最低，遠(yuǎn)離點(diǎn)源的a土壤含水率較低，土壤基質(zhì)勢也隨之降低，土壤吸力增加，土壤水運(yùn)動(dòng)速率變慢，鹽分隨水分運(yùn)移變緩，因此壟中間的a全鹽量高于滴頭處。由于在重度鹽漬化大田中，土壤全鹽量很高，鹽分的淋洗效果一般與沖洗前的土壤原始含鹽量有關(guān)。土壤原始含鹽量愈大，脫鹽率則愈大，因此高壟中的鹽分大量被淋洗在壟溝中，因此，在重度鹽漬化土壤高壟滴灌條件下，表層鹽分全鹽量c>a>b。

重度鹽漬化條件下全鹽量變化趨勢一致，峰值出現(xiàn)在9月20日-9月23日。最后一次灌水在9月15日、16日，隨著灌水結(jié)束時(shí)間的增加土水勢梯度、植物蒸騰、土面蒸發(fā)的作用下，土壤水分再分布，鹽分隨之發(fā)生運(yùn)移，使鹽分淋洗在壟溝中，從而在9月20日-9月23日出現(xiàn)峰值，最終在作物收獲后達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值。重度鹽漬化農(nóng)田經(jīng)過高壟滴灌對鹽分分布的影響，使鹽分重新得到分布，使滴頭下方的區(qū)域鹽分含量最低(見圖7)。

圖6 中度鹽漬化農(nóng)田不同點(diǎn)位土壤全鹽量變化

圖7 重度鹽漬化農(nóng)田不同點(diǎn)位土壤全鹽量變化

2.2.2 土壤鹽分隨土壤深度的變化

在玉米全生育周期內(nèi)，高壟的3個(gè)點(diǎn)位的變化趨勢一致：鹽分隨著土壤深度增加呈現(xiàn)出先升高后降低的規(guī)律，鹽分在高壟與滴灌的結(jié)合下得到重新分布。在沒有地下水補(bǔ)給的情況下，鹽分主要受灌水及降雨的影響，通過全生育周期的試驗(yàn)，表層土壤鹽分均值較低，土層鹽分在滴灌的淋洗下向下運(yùn)動(dòng)，使鹽分聚集在40～80 cm深處。

中度鹽漬化農(nóng)田的高壟3個(gè)點(diǎn)位全鹽含量在表層分布情況為C>A>B，20 cm土層以下，全鹽量A>B>C。處于滴頭處的B點(diǎn)，土壤含水率較高，土壤基質(zhì)勢和重力勢均較高，土壤吸力小，因此土壤水分運(yùn)動(dòng)較快，并由滴頭處向四周擴(kuò)散，隨著取點(diǎn)位置遠(yuǎn)離滴頭位置土壤含水率也隨之降低。鹽分隨水分的入滲而進(jìn)行運(yùn)移，在垂直入滲和水平入滲作用下，鹽分垂直方向聚集在40～80 cm土層，水平入滲在壟溝及壟中間位置。在重度鹽漬化下，高壟滴灌對鹽分的再分起到明顯作用，表層全鹽量呈現(xiàn)c>b>a，鹽分主要聚集在中間土層40～80 cm深處以及壟溝的表層。土壤原始含鹽量越大，脫鹽率則越大，因此高壟中的鹽分大量被淋洗在壟溝中。因此高壟滴灌有效地使水鹽進(jìn)行再分布(見圖8)。

圖8 不同深度土壤全鹽量變化

土壤鹽分在3個(gè)不同位點(diǎn)均表現(xiàn)出上層波動(dòng)大，下層波動(dòng)小的規(guī)律，從統(tǒng)計(jì)特征值判斷，玉米生育周期各土層的全鹽量呈中等變異性。這種情況說明高壟滴灌對于鹽分的淋洗、再分布作用明顯。整體而言，通過方差可知：重度鹽漬化的鹽分波動(dòng)情況大于中度鹽漬化。0～20 cm土層中度全鹽量方差最高可達(dá)到11.92，Cv值可達(dá)到0.589 8。由此可知，鹽漬化程度越高，表層鹽分受到外界條件影響的波動(dòng)性越大，變異性越強(qiáng)，高壟滴灌作用下鹽分再分布現(xiàn)象越明顯(見表3)。

表3 不同點(diǎn)位的土壤全鹽量統(tǒng)計(jì)特征值

3 結(jié) 語

(1)鹽漬化農(nóng)田中，壟溝中的土壤含水率要高于壟的土壤含水率，重度鹽漬化農(nóng)田的土壤含水率要高于中度鹽漬化農(nóng)田的土壤含水率。

(2)試驗(yàn)結(jié)果表明在中度鹽漬化土地中，高壟聚集更多的鹽分，集中聚集在壟中間，高壟與滴灌相結(jié)合，可以有效降低表層點(diǎn)位B的全鹽量。

(3)重度鹽漬化土地中，鹽分在高壟中的分布較少，鹽分聚集在壟溝中，在滴灌條件下，有效降低高壟表層土壤鹽分，鹽分多積壓在40～80 cm土層中，壟溝中鹽分聚集在表層0～20 cm土層。

(4)隨著灌水結(jié)束時(shí)間的增加，土壤側(cè)滲現(xiàn)象顯著，高壟鹽分經(jīng)過側(cè)滲使壟溝中的鹽分驟升。

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