间歇组合灌溉对中度盐化土壤水盐运移规律的影响研究

刘小媛，张晴雯，高佩玲，杨大明

(1.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100086; 2.山东理工大学 农业工程与食品科学学院,山东 淄博 255049；3.山东理工大学资源与环境工程学院,山东 淄博 255049)

在干旱半干旱地区分布着大面积的盐碱土壤，而在非盐碱化地区，由于灌溉管理不善，灌溉水的渗漏引起地下水位升高和强烈蒸发，从而引起土壤次生盐碱化，严重影响农业的发展[1-2]。为使水盐得以调控，水利改良盐碱土方面的措施主要包括灌溉淋洗(以水洗盐)、排水携盐(带走盐分)，而灌溉淋洗应用较为普遍。改良盐碱土壤首先是降低作物根系土层的盐分含量，为作物提供良好的土壤水盐环境[3-7]。在利用微咸水灌溉方面，微咸水矿化度是决定土壤剖面盐分分布的主要因素，对于轻度盐碱化土壤，当灌溉水矿化度小于3 g·L-1时，土壤耕层脱盐，盐分累积在湿润锋处；当灌溉水矿化度大于3 g·L-1时，各土层含盐量大于初始值，基本处于积盐状态[8-9]。对于不同钠吸附比的微咸水，主要影响土壤中Na+，Ca2+，Mg2+的分布，当SAR较高时，Na+的危害主要集中于表层15 cm范围内，土壤深层受Na+影响较小[2]。已有研究表明，利用微咸水灌溉不仅可以使作物增产，而且可以改良盐碱土壤。基于此，有学者提出了集咸淡水组合灌溉模式、间歇灌溉方式、作物轮作等一体化的微咸水灌溉调控技术。咸淡水组合灌溉即根据作物不同的生育期、微咸水和淡水资源量等，确定组合次序和水量，以达到作物产量最优的效果。间歇灌溉改善了传统地面灌水方法的效果，利用微咸水进行间歇灌溉，较连续灌溉增渗，间歇入渗湿润锋运移深度大于连续入渗[10]。研究表明，在相同的灌溉水质条件下，微咸水间歇灌溉模式不同，则灌水效果不同[11-12]。因此，有必要对微咸水间歇组合灌溉模式进行研究，验证不同的微咸水间歇组合灌溉模式对盐分淋洗效果的影响，以期在维持土壤可持续利用的条件下，使土壤的水盐时空分布有利于作物生长，提高产量。

本文以地处黄河三角洲地区的山东省滨州市滨城区的中度盐碱耕地为研究对象，在室内进行一维垂直积水入渗试验，分析对比不同间歇组合灌溉参数(咸淡水间歇时间和组合次序)对中度盐碱土壤水盐运移规律的影响，以期为黄河三角洲地区利用微咸水进行灌溉提供理论支持和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

供试土壤取自山东省滨州市滨城区的小麦耕地，在0～80 cm土层每隔20 cm分层取扰动土和原状土，每层三个重复。原状土取回后，立即测定土壤容重和田间持水率；扰动土取回后经过风干、碾压、筛分(2 mm筛)、均匀混合后制备成室内试验土样，测定土壤初始含水率、全盐量、EC5∶1；利用Mastersizer 3000型激光粒度仪测定土壤颗粒组成，并按照国际制土壤质地分类标准对试验土壤质地进行划分，具体结果见表1，表2。根据华北平原土壤盐碱化程度分级标准[13]，供试土壤为中度盐碱化土壤。

1.2 灌溉水质及水量

试验用水包括淡水和3 g·L-1的微咸水。其中淡水使用的是蒸馏水，矿化度为0 g·L-1；微咸水是根据研究区潜层地下微咸水的盐分组成，在室内利用化学药剂室内配制而成。各种可溶性盐浓度见表3。

表1 供试土壤颗粒组成及分类

表2 供试土壤的基本理化性质

Table 2 Soilphysical and chemical properties

土壤Soil土壤容重/(g·cm-3)Bulk density田间持水率/%Field water holding capacity风干土含水率/%Soil water contentEC5∶1/(ms·cm-1)全盐量/(g·kg-1)Soil salinity content盐化土Saline soil1.3928.622.000.9612.381

表3 灌溉水质化学组成/(g·L-1)

灌水定额根据下式计算得[14]：

=22.2 cm

(1)

式中，h为土壤计划湿润层深度(cm)，取60 cm；θmax为土壤计划湿润层允许的最大含水率，一般为田间持水率(占干土重)，取28.62%；θ0为土壤计划湿润层初始含水率(占干土重)，取2%；γ土、γ水分别为土壤干容重和水的密度，取1.39 g·cm-3和1 g·cm-3。

1.3 实验装置

整个试验系统包括试验土柱和供水装置。试验土柱用内直径为8 cm，高为90 cm的有机玻璃制成。为取土分析土壤水分和盐分含量，在土柱侧面10 cm以下，每隔5 cm开一直径为15 mm的圆形取样口；利用马氏瓶自动供水，其截面积为50.24 cm2，高为50 cm，供水水头控制在1.5～2 cm。土柱与马氏瓶外壁标有刻度，用于观测马氏瓶水位和湿润锋运移深度。

1.4 试验方案与观测方法

本研究以全淡水(矿化度0 g·L-1)、微咸水直接灌溉(3 g·L-1)作为对照，在相同的微咸水矿化度和咸淡水组合比例条件下，设置两种咸淡水组合次序，分别为先咸后淡、先淡后咸；四种咸淡水间歇时间，分别为0、30、60、120 min。在试验过程中，将灌水定额分成两份，分别为微咸水和淡水，单轮灌溉结束，间歇一定的时间后，进行下一轮灌溉，共10个处理，每个处理重复3次。

将初始含水率为2%的试验土样按土壤容重1.39 g·cm-3分16层均匀装入土柱，每层5 cm,装土高度为80 cm。填装完毕后，在土表放置一张与土柱内截面积相同的带孔滤纸以防止灌水时对表土的冲刷。利用马氏瓶自动供水，将土壤表面积水深度控制在1.5～2 cm之间。在试验过程中记录湿润锋运移深度和马氏瓶水位。当灌水定额入渗结束后，立即从土表至湿润锋处每隔5 cm提取土样，用烘干法测定土壤含水率，利用DDS-11A型电导率仪测定水土比为5∶1的土壤溶液电导率，并对已测得的土壤含盐量与土壤浸提液电导率建立关系，具体的关系式为：

y=2.160EC5∶1+0.303

(2)

式中,y为土壤含盐量(g·kg-1)；EC5∶1为25℃下水土比为5∶1的土壤浸提液电导率(mS·cm-1)。

2 结果与分析

2.1 土壤水分垂直分布特征

土壤含水量是土壤绝对含水量相对于土壤的特性指标，是土壤水分研究的重要组成部分。Goleman和Bodamn将土壤含水率剖面分为4个区：饱和区、含水率有明显降落的过渡区、含水率变化不大的传导区和含水率迅速减小至初始值的湿润区[15]。

2.1.1 组合次序对土壤水分再分布的影响研究 不同咸淡水组合次序下土壤含水率随土层深度的变化规律如图1a所示。由图1a可知，间歇组合灌溉模式下各土层的土壤含水率均大于淡水直接灌溉，且与微咸水直接灌溉差异较小。随着土层深度的增加，土壤含水率呈现减小的趋势。当土层深度小于15 cm时，先淡后咸土壤含水率大于先咸后淡；当土层深度大于15 cm时，先咸后淡土壤含水率大于先淡后咸，说明首轮灌溉水质对土壤大孔隙的形成起决定性作用，先灌咸水使土壤入渗性能增强。

注：F表示全淡水灌溉；B表示微咸水直接灌溉；F-B表示先淡后咸；B-F表示先咸后淡；ICI(0 min)、ICI(30 min)、ICI(60 min)、ICI(120 min)分别表示表示间歇组合灌溉0 min,30 min,60 min,120 min,下同。Note: F denotes sole fresh water irrigation; B denotes sole brackish water irrigation; F-B denotes the alteration sequence of fresh water irrigation first and brackish water irrigation later; B-F denotes the alteration sequence of brackish water irrigation first and fresh water irrigation later; ICI(0 min)、ICI(30 min)、ICI(60 min)、and ICI(120 min) denote alteration irrigation of 0,30,60 min, and 120 min, respectively.图1 间歇组合灌溉对土壤水分垂直分布特征的影响Fig.1 Effects of alteration irrigation on vertical distribution of soil moisture

2.1.2 间歇时间对土壤水分运移规律的影响研究 图1b、c为不同间歇时间下土壤含水率随土层深度的变化规律。由图1b、c可知，对于所有处理，在5～50 cm的过渡区和传导区，土壤含水率随着土层深度的增加逐渐减小，但减小的速度较缓慢；在>50 cm的湿润区，土壤含水率迅速减小至土壤初始含水率。对于先淡后咸间歇组合灌溉模式，在 5～30 cm土层，同一深度处各处理土壤含水率变化不大；在30～55 cm深度处差异较显著。在先咸后淡间歇组合灌溉模式下，当间歇时间为0，30，60 min时，同一深度处土壤含水率基本一致；当间歇时间为120 min时，土壤含水率偏小，但都大于淡水灌溉。

为了进一步分析间歇组合灌溉参数对土壤剖面含水率的影响，引入代表土壤剖面含水率离散程度的评价指标变异系数[16-18]，计算公式如下：

(3)

由表4可知，在先淡后咸间歇组合灌溉模式下，随着间歇时间的增加，土壤含水率变异系数先增大后减小；而先咸后淡土壤含水率变异系数随间歇时间的增加先减小后增大。在间歇时间为0，30，60 min时，先淡后咸土壤含水率变异系数大于先咸后淡，分别高44.68%(0 min)、88.45%(30 min)、71.75%(60 min)，说明先咸后淡间歇组合灌溉模式土壤剖面含水率分布更均匀，更有利于提高农田水资源的利用效率，能为作物提供更适宜的生长环境。

2.2 土壤盐分垂直分布特征

微咸水灌溉带入土壤中的盐分与土壤本身的化学元素产生交换吸附作用，改变了土壤的物理和化学特征，易造成土壤可溶性盐分含量过高，引起盐分胁迫，同时，在灌水量不足的情况下，易引起水盐联合胁迫，使植物产生不可逆的代谢失常，严重影响作物的发育和产量，甚至造成局部或整株植物死亡[19-21]。因此，利用微咸水灌溉必须制定合理的灌溉制度，将盐分对土壤和作物的危害降到最低。

2.2.1 组合次序对土壤盐分再分布的影响研究 不同咸淡水组合次序下土壤含盐量随土层深度的变化规律如图2a所示。由图2a可知，在同一土层深度处，咸淡水间歇组合灌溉模式下的土壤含盐量均小于微咸水直接灌溉，与淡水灌溉差异较小；在0～20 cm土层，先淡后咸土壤含盐量大于先咸后淡，而在20～55 cm土层，先咸后淡土壤含盐量大于先淡后咸，说明先咸后淡有利于降低土壤上层的含盐量，而先淡后咸有利于降低土壤中下层的含盐量。

表4 间歇组合灌溉土壤含水率变异系数

注：I表示土壤初始含盐量；M表示作物最低耐盐限度Note: I denotes initial salt tolerance; M denotes lowest salt tolerance of crop图2 间歇组合灌溉对土壤盐分垂直再分布特征的影响Fig.2 Effects of alteration irrigation on vertical distribution of soil salinity

2.2.2 间歇时间对土壤盐分运移规律的影响研究 图2b、c显示了不同间歇时间条件下土壤含盐量随土层深度的变化规律。由图2b可知，在5～30 cm土层，先淡后咸土壤含盐量表现为：微咸水直接灌溉>间歇组合灌溉(120 min)>间歇组合灌溉(60 min)>间歇组合灌溉(30 min)>间歇组合灌溉(0 min)>淡水灌溉；在30～55 cm土层，对于间歇组合灌溉，变化规律与之相反。造成这种结果的主要原因可能是，随着停水时间的增长，土壤致密层形成的越充分，入渗率变小，导致微咸水集中在土壤上层，而入渗较早的淡水将盐分淋洗到下层土壤，从而出现了土壤中下层含盐量较低而土壤表层和底层含盐量较高的现象。

由图2c可知，在先咸后淡间歇组合灌溉模式下，在一定的土层深度范围内，咸淡水间歇组合灌溉土壤含盐量均小于微咸水直接灌溉。在5～25 cm土层，对于不同的间歇时间，土壤含盐量变化不大，随着土层深度的增加，差异越来越显著。可能是因为第二轮淡水入渗对表层的土壤具有一定的淋洗效果，随着土壤入渗率的降低，使盐分积聚在中下层土壤。

研究区主要以冬小麦-夏玉米轮作为主体的一年两熟种植制度，每种作物都有一定的耐盐极限，故我们选择这两种作物耐盐极限的最小值来评价微咸水灌溉模式的危害性，即为2.0 g·kg-1[22-23]。由图2可知，对于不同的咸淡水间歇组合灌溉模式，入渗结束后，0～50 cm土层盐分含量均小于作物耐盐度，不会对作物产生盐害。

2.3 间歇组合灌溉土壤盐分分布特征评价

为了进一步分析间歇组合光土壤盐分分布特征，引入了一系列评价指标[24-25]。土壤含盐量低于土壤初始含盐量的深度称为土壤脱盐区深度h；土壤脱盐区深度与入渗结束时的湿润锋运移深度的比值称为脱盐区深度系数；土壤含盐量低于作物耐盐度、作物可以正常生长的淡化区深度(0～45 cm作物根系密集区)称为达标脱盐区深度；达标脱盐区深度与湿润锋运移深度的比值称为达标脱盐区深度系数；脱盐率(D)计算公式如下：

(4)

式中，S1为0～55 cm土层土壤初始含盐量(g·kg-1)；S2为灌后0～55 cm土层土壤含盐量(g·kg-1)。

由表5可知，先咸后淡土壤脱盐区深度、脱盐区深度系数、达标脱盐区、达标脱盐区深度系数均小于先淡后咸；两者的含盐量峰值都出现在湿润锋位置，先淡后咸含盐量峰值介于3.741～5.216 g·kg-1之间，先咸后淡介于3.755～5.967 g·kg-1之间，总体而言，先咸后淡含盐量峰值大于先淡后咸；先淡后咸脱盐率平均值大于先咸后淡，说明先淡后咸组合次序土壤脱盐效果更好，更有利于为作物提供良好的生长环境。

对于两种不同的组合次序，在咸淡水间歇组合灌溉模式下，脱盐区深度、达标脱盐区深度均超过了0～45 cm作物根系密度较大的土层；脱盐率平均值(0.36%～0.543%)、含盐量峰值(3.741 g·kg-1～5.967 g·kg-1)均高于微咸水直接灌溉。说明咸淡水间歇组合灌溉模式脱盐效果更好，能够减小作物遭受土层整体和局部高盐胁迫的风险。

表5 间歇组合灌溉土壤盐分分布评价指标对比分析

3 讨 论

3.1 间歇组合灌溉对土壤含水率的影响

间歇组合灌溉不仅可以节约淡水资源，而且可以提高水分利用效率、减少深层渗漏，为作物生长提供良好的生长环境[25]。本研究的结果与前人的研究结果基本一致，在同一土层深度处，间歇组合灌溉模式下各土层的土壤含水率均大于淡水直接灌溉，且与微咸水直接灌溉差异较小，使大部分灌溉水贮存在土壤有效深度内，可有效改善土壤的蓄水能力。同时，在间歇组合灌溉模式中，先咸后淡土壤剖面含水率分布更均匀，有利于作物根系的生长。

3.2 间歇组合灌溉对土壤含盐量的影响

目前关于间歇组合灌溉对土壤含盐量影响的研究报道较为少见。本研究发现先咸后淡有利于降低土壤上层(0～20 cm)的含盐量，而先淡后咸有利于降低土壤中下层(20～55 cm)的含盐量，这一结论与刘静妍等[11]研究结果基本一致。本研究表明：咸淡水间歇组合灌溉模式下的土壤含盐量均小于微咸水直接灌溉，脱盐率平均值(0.36%～0.543%)、含盐量峰值(3.741～5.967 g·kg-1)均高于微咸水直接灌溉，且入渗结束后，土壤含盐量小于作物耐盐度深度可达50 cm，说明咸淡水间歇组合灌溉在不对作物根系密集区产生盐害的前提下，土壤脱盐效果更好，更有利于改良盐碱土壤及促进作物生长。

3.3 建议

综上所述，利用咸淡水间歇组合灌溉模式，有利于为作物提供良好的土壤水盐环境。由于时间与条件所限，本试验仅在室内条件下进行，所得结论有一定的局限性，需要大田试验验证。为了获得盐碱地作物高产优质效果，今后应综合考虑土壤盐分、pH值及土壤盐分离子等重要参考指标，全面系统地研究它们对作物产量和品质的影响。

4 结 论

本文以中度盐碱土壤为研究对象在室内进行微咸水一维垂直积水入渗试验，分析了微咸水间歇组合灌溉土壤水盐再分布规律，得到如下结论：

(1)在0～15 cm土层，先淡后咸灌溉模式土壤含水率、土壤含盐量大于先咸后淡；在15～55 cm土层，先咸后淡土壤含水率、土壤含盐量大于先淡后咸；入渗结束后，所有处理的土壤含盐量小于作物耐盐度深度可达50 cm，不会对作物产生盐害。

(2)对于先淡后咸间歇组合灌溉模式，在 5～30 cm土层，同一深度处土壤剖面含水率变化不大；土壤含盐量表现为：微咸水直接灌溉>间歇组合灌溉(120 min)>间歇组合灌溉(60 min)>间歇组合灌溉(30 min)>间歇组合灌溉(0 min)>淡水灌溉；先淡后咸灌溉模式有利于降低中下层土壤溶液盐分含量。

(3)在先咸后淡组合灌溉模式下，间歇组合灌溉(0、30、60 min)同一深度处土壤含水率基本一致，间歇灌溉(120 min)土壤含水率偏小；在5～25 cm土层，间歇组合灌溉土壤含盐量变化不大，在25～55 cm土层，土壤含盐量差异越来越显著；先咸后淡有利于淋洗上层土壤溶液盐分含量。

间歇组合灌溉盐分分布均匀性更好，先淡后咸组合次序土壤脱盐效果更好。在黄河三角洲地区的盐碱耕地上，可根据作物的耐盐能力选择合理的微咸水间歇组合灌溉参数，以期达到使土壤环境质量达到最优、作物正常生长的效果。