微咸水膜下滴灌对盐碱化农田土壤斥水特征的影响

周立峰 杨 荣 冯 浩

(1.中国科学院西北生态环境资源研究院中国生态系统研究网络临泽内陆河流域研究站， 兰州 730000；2.中国科学院内陆河流域生态水文重点实验室， 兰州 730000； 3.西北农林科技大学水土保持研究所， 陕西杨凌 712100)

0 引言

土壤斥水性(Soil water repellency, SWR)是指水分不能或很难湿润土壤颗粒表面的物理现象[1]。土壤斥水性在不同土壤质地、土地利用方式和气候条件下广泛存在[2-5]。土壤斥水性降低了土壤入渗能力，易造成土壤表面径流与水土流失[6-7]；此外，土壤斥水性还会诱发土壤优先流，降低土壤水分在土体分布的均匀性[6,8]，从而导致土壤水分的深层渗漏[9-10]，并降低土面蒸发[11]。以往研究认为，土壤斥水性多见于林地[8]、沙地[12]以及火干扰后的土壤[13]，而近年来的研究发现，草地和农田土壤也会出现一定的斥水性[7,14-15]。

影响土壤斥水性的内因包括土壤有机质、质地、粘土类型、pH值、盐分以及含水率等，外因包括植被覆盖类型、火干扰、土壤结皮、污水灌溉、保护性耕作等[1-6,9-10]。外因通过对内因的影响改变土壤斥水性。有机质及其斥水性吸附物对土体颗粒的包裹是引发 SWR 的原因已形成共识[16]。然而，部分研究表明，土壤有机质对 SWR 的影响并不显著[17-18]。土壤有机质组成非常复杂，其中诱发斥水性的组分含量与有机质总含量不一定成比例。因此需要针对不同土壤环境识别影响 SWR 的关键土壤有机质组分[6]。

河套灌区是中国重要的粮油作物生产基地，灌区光热资源丰富但降水稀少，属于典型的没有灌溉就没有农业的地区。河套灌区农田土壤的盐碱化较为普遍[19]，膜下滴灌技术在提高灌水利用效率的同时还能淋洗根区土壤盐分，近年来已在灌区不断推广使用[20-21]。高频的滴灌使灌区农田的土壤水、盐以及pH 值呈现剧烈的动态变化特征[22-24]，上述土壤因子的改变会对土壤斥水性产生显著影响[14,25-27]。目前，膜下滴灌条件下盐碱化农田土壤斥水性的变化特征尚不明确，影响因素尚不清楚。为此，作者在内蒙古河套灌区永济灌域布置2年大田试验，研究不同覆膜方式下滴灌对盐碱化农田土壤水、盐、pH 值分布及其土壤斥水性的影响，以完善膜下滴灌条件下盐碱化土壤水分溶质运移理论体系，也为膜下滴灌技术在盐碱化农田的推广提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2015—2016年在内蒙古河套灌区曙光试验站(107°13′E，40°43′N，海拔1 042 m)进行。该地区属典型的温带大陆性气候，多年平均降水量142.1 mm，且集中在6—9月，年均蒸发量超过2 300.0 mm，年均气温9.1℃。2年试验期间(春玉米生育期)平均气温分别为20.2℃和22.1℃；总降水量分别为19.8 mm和122.9 mm。试验地地下水埋深2.5 m左右，灌溉用水为地下水，水质为弱碱性微咸水，电导率(EC)为1.32 dS/m，pH值为7.7。试验地土壤属于黄河灌淤土，动物粪肥在该区域广泛施用，故表层土壤有机质含量较高。土壤基本理化性质见表1。

表1 试验地土壤(0～60 cm)基本理化性质Tab.1 Physical and chemical properties of soil (0～60 cm) in experimental site

注：EC1∶5为土、水质量比为1∶5的土壤提取液电导率。

1.2 试验设计及方法

试验设置全膜(M1)与半膜(M2)2种覆膜方式，每个处理设3个重复，共计6个小区。小区尺寸4 m×8 m，种植8行春玉米，各小区随机排列。滴灌带间距1 m，采取宽窄行种植(宽行70 cm，窄行30 cm)，滴灌带位于窄行中间，控制灌溉2行作物，为典型的“一管双行”控制。半膜处理的地膜宽度为60 cm，地膜铺设在种植行之上。各小区装有水表、压力计以控制灌水量及滴头流量，试验所用贴片式滴灌带(直径16 mm)滴头间距为30 cm，设计滴头流量1.4 L/h。

本研究在春玉米拔节期前仅进行2次灌水；拔节期后进行3 d一次的高频灌溉，高频灌溉的单次灌水量通过蒸发皿(直径20 cm)的水面蒸发量确定[28]。2年播后累积灌水量分别为346.1、223.9 mm，具体见图1。两年的施肥量均为N 300.0 kg/hm2和P2O5180.0 kg/hm2。各小区均于4月26日覆膜，覆膜2 d后播种。

图1 2015年和2016年各处理累积灌水量Fig.1 Cumulative irrigation amount for each plot in 2015 and 2016

1.3 取样及测定方法

1.3.1土壤含水率、电导率与pH值

用土钻(直径4 cm,长20 cm)沿垂直种植行方向取土，取土点分别设置在滴头处、相邻滴头间1/4处及1/2处。垂直取样深度为0～5 cm、30～35 cm、50～55 cm。土钻取得的土壤样品用于土壤含水率、电导率以及pH值的测定。为研究低频与高频膜下滴灌条件下土壤各指标的变化特征，在整个春玉米生育期共取样5次：分别在单次灌水前(拔节期前)和后各7 d、高频灌溉前7 d、高频灌溉中期(第14天)以及高频灌溉后7 d。

采用干燥法测量土壤质量含水率,再乘以土壤容重即为土壤体积含水率。采用土、水质量比为1∶5的土壤制备液测定土壤EC1∶5和pH值：土样经自然风干、研磨并过2 mm筛后混匀，称取土样10.0 g于100 mL广口瓶中，加入去离子水50 mL，以制备土、水质量比为1∶5的土壤溶液；广口瓶加盖恒温振荡3 min后将土水混悬液用离心机分离并取上层清液；用电导率仪(DDSJ-318型)测定上清液电导率，即为EC1∶5；用玻璃电极(PHS-3C型)测定pH值。

1.3.2土壤斥水性

采用滴水穿透时间(Water drop penetration time, WDPT)法测定土壤斥水性[29]。首先，将采集的土样在室内风干3 d。由于容重的变化会对土壤斥水性产生影响[27]，为了避免土壤容重对斥水性的影响，将处理好的土壤过2 mm筛后按照1.4 g/cm3的容重填入直径与高均为5 cm的环刀中并保持土面平整[30]。最后，用滴管吸取蒸馏水10滴(每滴为0.05 mL)滴于土表，控制滴管口与土表的高度为1 cm，取其完全渗入时间作为该样品的WDPT值。每个样品重复测定6次，取其算术平均值作为每个样品的最终结果。土壤斥水性按WDPT值划分为6个等级：tWDPT<5 s(不斥水)；5 s≤tWDPT<60 s(轻微斥水)；60 s≤tWDPT<600 s(强烈斥水)；600 s≤tWDPT<3 600 s(严重斥水)；tWDPT>3 600 s(极端斥水)[27]。

1.3.3土壤斥水特征曲线的拟合

土壤斥水性受土壤水分的影响很大[31-32]。之前的研究大多利用风干土或干燥土测定土壤斥水性[27,29]，无法准确反映实际农田水分变化过程中(如降雨或灌溉后)土壤斥水性的变化。为此，本研究测定了各土样脱湿过程(饱和至风干含水率范围)的土壤斥水特征曲线(Soil-water repellency characteristic curves，SWRCC)，并得到土壤斥水性峰值及消失时对应的土壤含水率(θm和θc)。测定方法如下：首先将测定土壤斥水性时所用的各环刀置入水中使土壤达到饱和土壤含水率。其次进行土壤离心脱湿操作，每次离心操作后记录土壤含水率以及对应的WDPT，直到土壤含水率达到5%左右为止[31]。

分别采用一维Gaussian和Lorentzian模型描述WDPT和土壤含水率的关系，Gaussian模型表达式为

(1)

Lorentzian模型表达式为

(2)

式中a、b——系数

θ——土壤体积含水率

利用LSD法进行处理间多重比较，P<0.05视为存在明显差异。采用SPSS 15.0进行数据分析及曲线拟合。

2 结果与分析

2.1 不同膜下滴灌方式对春玉米农田土壤电导率的影响

分别对单次与高频滴灌条件下0～50 cm土壤剖面的EC1∶5进行了研究，借此分析不同膜下滴灌模式下土壤盐分的分布，并为下文土壤斥水性的分析提供依据。

单次滴灌(36 mm)前、后全膜及半膜覆盖处理土壤EC1∶5在剖面中的分布见图2。由图2可知，单次滴灌对土壤剖面盐分的淋洗效果并不显著。与灌溉前相比，全膜覆盖与半膜覆盖土壤剖面的EC1∶5在滴灌7 d后并未降低(图2,P>0.05)，并且还出现了积盐区(图2b、2d)。全膜覆盖与半膜覆盖土壤剖面的积盐区域有所不同：全膜覆盖的积盐区域主要出现在与滴头水平距离15～35 cm处，该区域土体的EC1∶5上升了30%以上(图2a、2b,P<0.05)，土壤剖面内盐分呈现中间(25 cm处)高、两边低的分布(图2b)；而半膜覆盖的盐分主要向远离滴头方向的上层土壤集聚，该区域土体的EC1∶5上升了35%以上(图2c、2d,P<0.05)。

高频滴灌(灌溉频率为3 d)前、后全膜及半膜覆盖处理土壤EC1∶5在剖面中的分布见图3。由图3可以看出，高频滴灌可以显著改变土壤剖面的盐分分布。高频滴灌过程中，全膜覆盖与半膜覆盖40 cm以上土体的EC1∶5均下降了40%以上(图3b、3e,P<0.01)，而盐分主要集中在远离滴头方向的50 cm深度处(图3b、3e,P<0.01)。由此可见，高频滴灌可以持续而显著地将盐分淋洗至下层土壤。高频灌溉结束后7 d，半膜覆盖处理未覆膜区域表层土体的EC1∶5出现了返升，但并不显著(图3f,P>0.05)。

图2 单次滴灌前、后全膜及半膜覆盖处理土壤EC1∶5的分布Fig.2 Distributions of EC1∶5 in full and partially mulched soil profiles before and after each drip irrigation

2.2 不同膜下滴灌方式对春玉米农田土壤pH值的影响

土壤pH值也会影响土壤斥水性，故本研究对单次与高频滴灌条件下0～50 cm土壤剖面的pH值进行了研究，具体结果见图4、5。

单次滴灌前、后全膜及半膜覆盖处理土壤剖面的pH值见图4。由图4可知，单次灌溉显著降低了滴头周围土体的pH值(图4,P<0.05)，但对整个土体剖面pH值的降低并不显著(图4,P>0.05)。与EC1∶5的结果不同：单次滴灌结束后7 d，全膜覆盖并未在局部形成pH值的显著增高(图4b,P>0.05)，而半膜覆盖膜间表层土体虽然出现了pH值的升高，但并不显著(图4c、4d,P>0.05)。高频滴灌(灌溉频率为3 d)前、后全膜及半膜覆盖处理土壤pH值在剖面的分布见图5。由图5可以看出，高频滴灌显著降低了土壤剖面的pH值，且在灌溉结束后7 d未出现返升的现象(图5c、5f)。

图4 单次滴灌前、后全膜及半膜覆盖处理土壤pH值在剖面中的分布Fig.4 Distributions of pH value in full and partially mulched soil profiles before and after each drip irrigation

图5 高频滴灌前、后和过程中全膜及半膜覆盖处理土壤pH值的分布Fig.5 Distributions of pH value in full and partially mulched soil profiles before, during and after frequent drip irrigation

2.3 不同膜下滴灌方式对盐碱化农田土壤斥水性的影响

图6 单次滴灌前、后全膜及半膜覆盖处理土壤WDPT的分布Fig.6 Distributions of WDPTs in full and partially mulched soil profiles before and after each drip irrigation

图7 高频滴灌前、后和过程中全膜及半膜覆盖处理土壤WDPT的分布Fig.7 Distributions of WDPTs in full and partially mulched soil profiles before, during and after frequent drip irrigation

单次与高频滴灌条件下0～50 cm土壤剖面的土壤斥水性分布特征见图6、7。单次滴灌前、后全膜及半膜覆盖处理土壤剖面的WDPT见图7。由图7可知，试验地农田土壤呈现弱斥水性(WDPT为5～60 s)或非斥水性(WDPT小于5 s)。单次滴灌增加了远离滴头(与滴头水平距离大于30 cm)土体的WDPT，全膜覆盖与半膜覆盖该区域的WDPT分别增加了22.2%(P<0.05)与33.3%(P<0.01)。值得注意的是，单次滴灌后垂直方向上的斥水性土壤面积有所增大(图6)。高频滴灌(灌溉频率为3 d)可以显著降低土壤剖面整体的WDPT。高频灌溉中期及结束7 d后，全膜覆盖土壤剖面的WDPT较灌溉前分别降低了25.9%(P<0.05)与17.3%(P<0.05)；半膜覆盖土壤剖面的WDPT较灌溉前分别降低了24.8%(P<0.05)与16.5%(P<0.05)。

2.4 膜下滴灌条件下盐碱化土壤斥水性与盐分及pH值的相关性

图8 膜下滴灌盐碱化农田土壤WDPT与EC1∶5和pH值的关系Fig.8 Relationship between WDPTs, EC1∶5, and pH value in mulched drip irrigated saline-alkali field

高频滴灌使灌区农田的土壤水、盐以及pH值呈剧烈的动态变化特征，从而可能会对土壤斥水性产生显著影响。表层土壤(0～5 cm)及研究区域土壤剖面深度(0～50 cm)WDPT与EC1∶5和pH值的关系见图8(图中*表示显著相关)。

由图8可知，膜下滴灌条件下土壤EC1∶5与WDPT呈显著的线性关系(图8a)，而土壤pH值与WDPT无显著关系。此外，WDPT仅在表层土壤与EC1∶5呈显著线性关系，而整个研究剖面土体WDPT与EC1∶5的线性关系未达到显著水平(图8b)。整个研究剖面土体WDPT与EC1∶5和pH值的散点图呈现较明显的分区现象，这主要是因为表层土壤有机质含量高于下层土壤所致[17](表1)。

2.5 膜下滴灌条件下盐碱化农田土壤斥水特征曲线

土壤斥水性受土壤水分的影响很大。单一土壤含水率下测定的WDPT无法反映农田水分变化过程中土壤斥水性的变化。为此，本部分测定了单次及高频滴灌前、后半膜覆盖处理表层土壤脱湿过程的土壤斥水特征曲线(SWRCC)，并分别用Gaussian和Lorentzian模型对WDPT与θ进行了拟合与对比。

各土样脱湿过程的土壤斥水特征曲线见图9(图中横虚线代表土壤斥水性判别的临界值，WDPT为5 s)。由图9可看出，滴灌前(图9a)及灌溉后，半膜覆盖处理滴头下(图9b、9d)及地膜间(图9c、9e)的WDPT-θ均呈单峰曲线关系，其变化可用 Gaussian 和 Lorentzian 模型进行描述(表 2)，且 Lorentzian模型能更好地拟合 WDPT-θ的关系(图9)。滴灌前后 WDPT 最高时对应的θ(θm)未发生变化，均为10%左右。但值得注意的是，滴灌前后WDPT小于5 s所对应的θ(θc)发生了变化。滴灌前，各土样的θc均在22%～24%之间(图9a)，而滴灌后θc发生了变化。高频灌溉后，滴头下与地膜间的θc均下降，分别为18%～20%(P<0.05)与 22%左右(P>0.05)(图9d、9e)。单次灌溉结束后7 d，滴头下的θc较滴灌前有所下降(20%左右，P>0.05，图9b)，而地膜间的θc较滴灌前却有所提高(28%～30%，P<0.05，图9c)。以上结果表明滴灌前后土壤θm未受到显著影响，而土壤θc的变化在不同的滴灌模式下是不同的。

图9 WDPT与体积含水率的非线性关系Fig.9 Non-liner relationship between WDPT and volumetric soil water content

采样时间及采样点模型abμR2P滴灌前Gaussian12.8175.71811.5680.841<0.0001Lorentzian13.6245.97411.1360.849<0.0001单次滴灌后(滴头下)Gaussian7.5754.96410.6640.840<0.0001Lorentzian8.3304.87010.2300.863<0.0001单次滴灌后(地膜间)Gaussian11.7856.97510.9630.824<0.0001Lorentzian12.9256.97510.5140.893<0.0001高频滴灌后(滴头下)Gaussian5.7745.79910.9400.795<0.0001Lorentzian6.2175.95610.5160.834<0.001高频滴灌后(地膜间)Gaussian7.3407.56110.7790.875<0.0001Lorentzian7.9177.65810.4030.870<0.0001

由拟合结果可知，Gaussian 模型拟合的R2在0.795～0.875之间，Lorentzian模型拟合的R2在0.834～0.893之间(图9、表2)。相比Gaussian模型，Lorentzian模型能更好地拟合WDPT-θ的关系。Lorentzian模型对高含水率段WDPT的拟合效果更优，而Gaussian模型对高含水率(大于20%)段WDPT的拟合效果偏低(图9)，这是Gaussian模型拟合效果较差的原因。

3 讨论

本研究中，灌溉水质为弱碱性咸水(pH值为7.73，电导率为1.32 dS/m)。土壤为碱性土(pH值为8.16～8.68)。单次滴灌对盐分的淋洗与pH值的改变并不显著，盐分在部分区域还出现了积聚；相反，高频滴灌对盐分及pH值的影响显著。灌溉前土壤初始含水率较低，且滴灌的单次灌水定额(36 mm)通常较低。因此，单次滴灌所形成的湿润体较小(湿润体半径与深度均小于30 cm)[33]，盐分无法淋洗至该区域之外，并积聚在湿润锋周边。本研究灌溉水的pH值与土壤初始pH值的差异并不大，因此滴灌对pH值的影响主要是水分对滴头附近碱性物质的不断淋洗所致。这使得滴灌条件下土壤pH值的变化与土壤盐分相似[34]。然而，高频滴灌模式下，土壤含水率不断升高，湿润体不断扩大以至于相互连通并垂直向下推进，最终将盐分及碱性离子不断向远离滴头处淋洗。此外，半膜覆盖处理下，EC1∶5在表层未覆膜区域出现了积聚，这一方面是由于灌溉水矿化度较高，另一方面是因为该研究区降雨少且蒸发力强，上述两方面原因共同造成盐分随水分不断向膜间运移和再分布。

土壤斥水性受土壤水分的影响很大[31-32]，当土壤干燥至临界体积含水率(θc)时，几乎所有土壤都会表现出一定的斥水性[1]，而随着土壤湿度的增加，土壤斥水性会逐渐消失[26]，这个过程可以用土壤斥水特征曲线来描述[25]。因此，单一土壤含水率下测定的WDPT无法反映农田水分变化过程中土壤斥水性的变化。之前对SWRCC也开展了不少研究[15,25,31,43]，大部分研究都发现SWRCC呈单峰曲线，且WDPT-θ关系可用Guassian模型、Lorentzian模型和Lognormal模型描述。陈俊英等[17]、GAO等[15]用上述模型拟合的R2在0.230～0.815之间，本研究拟合的R2高于上述研究(0.834～0.893)。这主要是因为本试验的农田土壤斥水性较弱且取样点较为集中，这使得土壤斥水性的差异性与土样间的空间变异性均较低。本研究结果表明，灌溉对SWRCC的θm影响不大(P>0.05)，而对θc的影响显著(P<0.05)。VERHEIJEN等[44]认为微生物活性的激发(会产生斥水性物质)与大团聚体崩解造成毛管作用力的增强(通常是土样处理操作不当造成)是SWRCC峰值产生的原因。本研究每年的试验历时约4个月，不足以对土壤微生物数量及结构造成显著改变，因此，土壤θm未受影响。不同土壤θc的范围差异很大：如粘质泥炭为34%～38%[6]，粉壤土约为15%[15]，而沙土仅为2%～4%[45]。本研究θc的范围在18%～30%，介于粉壤土与粘土之间。本研究发现滴灌降低了滴头附近的θc，而提高了土壤积盐区的θc，这表明滴灌对土壤盐分的再分布会对其θc产生影响。需要强调的是，干燥法测定的WDPT只是土壤的潜在斥水性，而一般情况下农田土壤含水率不会低到θm(如本研究中为10%)。然而，在膜下滴灌过程中，毛管间一般会存在土壤干燥区域[46]，该区域表层含水率往往极低，易导致土壤斥水性的发生，从而影响该区域的土壤表面水分入渗。

4 结论

(1)弱碱性微咸水灌溉水质条件下，单次滴灌对盐分的淋洗与pH值的改变不显著，盐分在剖面部分区域还出现了积聚，而高频滴灌对盐分及pH值的影响显著。膜下滴灌盐碱化农田土壤的斥水性仅仅在表层土壤与EC1∶5呈正相关，而与pH值无显著相关性。单次滴灌降低了滴头附近土壤的WDPT，但增加了远离滴头土体的WDPT；高频滴灌(灌溉频率为3 d)可显著降低土壤剖面整体的WDPT。

(2)膜下滴灌盐碱化农田土壤的斥水特征曲线均可用Gaussian和Lorentzian模型进行描述。滴灌对SWRCC的θm影响不大(P>0.05)，而对θc的影响显著(P<0.05)。相比而言，Lorentzian模型对WDPT与θ关系的拟合效果更优，通过该曲线可准确得到特定土壤的峰值斥水性及其对应的土壤含水率(θm)以及土壤斥水性消失时的土壤含水率(θc)等，从而为斥水性土壤的改良与利用提供理论依据。