咸淡水交替灌溉对滨海盐碱土水盐运移的影响

朱瑾瑾, 孙军娜, 张振华, 杨润亚, 潘英华, 杨 懋

(1.鲁东大学 资源与环境工程学院, 山东 烟台264025; 2.鲁东大学 生命科学学院, 山东 烟台 264025)

中国盐渍土面积约有3 600万hm2，占全国可利用土地面积的4.88%，是重要的土地资源，但开发利用较困难[1]。特别是位于黄河三角洲地区地势低平、地下水位高、引黄灌溉、排水不畅、易受海水侵袭，造成该地土壤盐碱化程度高，严重制约该地的经济发展[2-3]。目前，淡水洗盐是一种较为常用的水利工程措施，但对淡水资源相对的紧缺的黄河三角洲来说，该措施会造成水资源的极大浪费[4]。然而，黄河三角洲地下微咸水资源储量丰富，开发潜力较大[5]。但微咸水中含有的Na+会改变土壤的理化性质，降低渗透性，导致土壤节皮，造成潜在盐碱化危险[6-8]。如何科学合理的利用微咸水是黄河三角洲地区使用微咸水进行农田灌溉的关键。

微咸水灌溉主要有微咸水直接灌溉、咸淡水混合灌溉、咸淡水交替灌溉3种模式[9]。Minhas等[10-12]通过大量的试验证明，在同样盐分的水平下，咸淡水交替灌溉的作物产量高于咸淡水混灌的产量，是一种较为适宜的灌溉方式。为寻求合理的矿化度进行咸淡水交替灌溉，避免造成土壤盐渍化危险，考虑采用不同矿化度水平(3 g/L，6 g/L，9 g/L)的咸水。吕烨等[13]利用矿化度为2 g/L，4 g/L的咸水分别与淡水交替淋溶室内土柱，结果发现，咸淡水交替淋溶下土壤(粉质壤土)表层盐分逐渐下移，两种矿化度处理的土柱均出现积盐现象，且2 g/L的积盐量小于4 g/L 的积盐量，土壤溶液中Na+含量，Ca2+含量的变化规律与EC 值基本一致。但交替次序不完整，缺乏与淡咸交替淋溶的对比。

研究发现，交替次序不同，土壤盐分分布不同[14-15]。刘静妍等[16]通过室内土柱试验，分析了咸(5 g/L)，(1.7 g/L)水交替灌溉对土壤(黏壤土)水盐分布的影响，结果表明，咸淡交替灌溉有利于降低土壤表层的含盐量，淡咸交替灌溉有利于降低土壤中层的含盐量。但其并未结合不同矿化度咸水进行灌溉。因此，现有研究欠缺矿化度和交替次序相结合的研究。

基于此，本文将采用一份咸水一份淡水进行灌溉试验，研究不同矿化度(3 g/L，6 g/L，9 g/L)和交替次序(咸淡交替灌溉、淡咸交替灌溉)下水盐再分布的变化规律，旨在为微咸水的合理利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验土样取自中国科学院黄河三角洲滨海湿地生态试验站(37°45′50″N，118°59′24″E)。采样地内植物呈斑块状分布，植物群落组成简单，以耐盐植物为主，优势种主要为盐地碱蓬、芦苇、柽柳和白茅等。2017年6月，采集0—60 cm的土壤，去除杂质后，自然风干，碾压过2 mm筛备用。本研究的土样为盐碱土，基本理化性质见表1。

表1 供试土样的基本理化性质

灌溉水质为淡水和咸水，淡水为蒸馏水，咸水由NaCl和蒸馏水配置而成，矿化度分别为3 g/L，6 g/L，9 g/L。灌溉水量为453.23 ml。根据以下公式[17]计算得到：

M=HA(θmax-θ0)γ土/γ水

(1)

式中：H为土壤计划湿润层深度，取44 cm；A为土壤灌溉面积，取28.26 cm2；θmax为土壤计划湿润层所允许的最大含水率(占干土重)，通常为田间持水率,取28.04%；θ0为土壤计划湿润层初始含水率(占干土重)，取1.04%；γ土为土壤容重，取1.35 g/cm3；γ水为水的容重，取1.00g/cm3。

1.2 试验方法

试验装置由土柱和供水设备组成。土柱是由内径为6 cm，高2 cm的有机玻璃圆环组装而成，共25个；用4根固定螺杆固定，底板上均匀分布2 mm的小孔，用以排气，管壁连接处均匀涂抹凡士林，以避免因管壁存在孔隙对入渗产生影响。供水设备是内径为5.4 cm，高为60 cm的马氏瓶。

试验土样按土壤容重为1.35 g/cm3分层(2 cm)装土，共44 cm，底部两层装填石英砂用以通气，装填完毕后，在表层放一张滤纸以避免灌水时对表土产生冲刷，放置12 h后开始试验。水头控制在1～2 cm，用秒表计时。

试验采用咸淡交替灌溉和淡咸交替灌溉两种方式，咸水矿化度分别为3 g/L，6 g/L，9 g/L，共6个处理，每个处理设置3个重复试验。试验过程中，将灌水定额分两份，每份灌水量为226.62 ml，单轮入渗结束后，立即进行下一轮灌溉。灌水结束后，放置24 h，旨在对咸淡水交替灌溉后土壤水盐再分布的规律进行分析。每隔4 cm测定含盐量等指标，利用烘干法测定土壤含水率，利用电导率仪(DDS11A，上海)测定土壤浸提液电导率，利用火焰光度计测定Na+，利用硝酸银滴定法测定土壤中Cl-。

1.3 数据处理

0—40 cm土层是黄河三角洲地区植物根系生物量分布较多的区域[18-19]，因此应重点分析该范围土层的水盐变化。利用土壤含盐量与土壤浸提液电导率之间的关系，将电导率转化为含盐量，具体的转化公式为：

y=1.857EC5:1+1.011

(2)

式中：y为土壤含盐量(g/kg)；EC5∶1为24.5℃下水土比5∶1 的土壤浸提液电导率(mS/cm)。

本研究采用Microsoft Office Excel 2016进行数据整理，Origin 2017进行绘图，SPSS 19.0进行数据分析。采用单因素方差分析(One-way ANOVA)和最小显著差异(LSD)法比较不同处理间入渗历时、土壤含水率、土壤含盐量、Na+和Cl-含量的差异。

2 结果与分析

2.1 咸淡水交替灌溉对盐碱土入渗历时的影响

不同矿化度和交替次序下入渗历时的变化规律如图1所示。咸淡交替灌溉和淡咸交替灌溉的入渗历时均随矿化度的增大而显著减小(p<0.05)。以咸淡交替灌溉9 g/L为例，咸淡交替灌溉3 g/L的入渗历时为480 min，咸淡交替灌溉9 g/L的入渗历时减少了15.38%(p<0.05)。咸淡交替灌溉的入渗历时显著小于淡咸交替灌溉(p<0.05)。尤其在矿化度9 g/L下，咸淡交替灌溉的入渗历时为416 min，淡咸交替灌溉的入渗历时增加了44.95%(p<0.05)。

注：不同字母表示差异显著性(p<0.05)

图1 不同矿化度和交替次序下入渗历时的变化规律

2.2 咸淡水交替灌溉对盐碱土水分分布的影响

由表2可知，咸淡交替灌溉和淡咸交替灌溉的平均土壤含水率均随矿化度的增大而减小，但差异不显著(p>0.05)。咸淡交替灌溉的平均土壤含水率小于淡咸交替灌溉，差异不显著(p>0.05)。

表2 不同处理0-40 cm土层平均土壤含水率%

注：不同字母表示差异显著性(p<0.05)。

2.3 咸淡水交替灌溉对盐碱土盐分分布的影响

2.3.1 对土壤含盐量的影响 土壤含盐量随水分入渗而向深层土壤迁移，并在土层底部聚集(图2)。咸淡交替灌溉和淡咸交替灌溉的平均土壤含盐量随矿化度的增加而显著增大(p<0.05)。尤其是淡咸交替灌溉9 g/L，淡咸交替灌溉3 g/L的平均土壤含盐量为4.255 g/kg，淡咸交替灌溉9 g/L的平均土壤含盐量增加了24.86%(p<0.05，表3)。

在0—12 cm土层和36—40 cm土层，咸淡交替灌溉的土壤含盐量小于淡咸交替灌溉。在12—36 cm土层，咸淡交替灌溉和淡咸交替灌溉的土壤含盐量差异不明显(图2)。以0—40 cm平均土壤含盐量为例，咸淡交替灌溉的平均土壤含盐量显著小于淡咸交替灌溉(p<0.05)。当矿化度为9 g/L时，咸淡交替灌溉的平均土壤含盐量为4.773 g/kg，淡咸交替灌溉的平均土壤含盐量增加了11.31%(p<0.05，表3)。

图2 不同剖面各处理土壤含盐量分布

表3 不同处理0-40 cm土层平均土壤含盐量g/kg

注：不同字母表示差异显著性(p<0.05)。

2.3.2 对土壤水溶性盐的影响

(1) Na+含量的变化特征。Na+含量随水分入渗而向深层土壤迁移，并在土层底部聚集(图3)。咸淡交替灌溉和淡咸交替灌溉的平均Na+含量均随矿化度的增加而显著增大(p<0.05)。以咸淡交替灌溉9 g/L为例，咸淡交替灌溉3 g/L的平均Na+含量为1.703 g/kg，咸淡交替灌溉9 g/L的平均Na+含量增加了67.18%(p<0.05，表4)。

在0—12 cm土层和36—40 cm土层，咸淡交替灌溉的Na+含量小于淡咸交替灌溉。在12—36 cm土层，咸淡交替灌溉和淡咸交替灌溉的Na+含量差异不明显(图3)。以0—40 cm平均Na+含量为例，咸淡交替灌溉的平均Na+含量显著小于淡咸交替灌溉(p<0.05)。当矿化度为6 g/L时，咸淡交替灌溉的Na+含量为2.228 g/kg，淡咸交替灌溉的Na+含量增加了22.98%(p<0.05，表4)。

(2) Cl-含量的变化特征。Cl-含量随水分入渗而向深层土壤迁移，并在土层底部聚集(图4)。咸淡交替灌溉和淡咸交替灌溉的平均Cl-含量均随矿化度的增加而显著增大(p<0.05)。以淡咸交替灌溉9 g/L为例，淡咸交替灌溉3 g/L的平均Cl-含量为0.231 g/kg，淡咸交替灌溉9 g/L的平均Cl-含量增加了45.89%(p<0.05，表5)。

图3 不同剖面各处理Na+含量分布

表4 不同处理0-40 cm土层平均Na+含量g/kg

注：不同字母表示差异显著性(p<0.05)

在0—12 cm土层和36—40 cm土层，咸淡交替灌溉的Cl-含量小于淡咸交替灌溉。在12—36 cm土层，咸淡交替灌溉和淡咸交替灌溉的Cl-含量差异不明显(图4)。以0—40 cm平均Cl-含量为例，咸淡交替灌溉的平均Cl-含量显著小于淡咸交替灌溉(p<0.05)。当矿化度为9 g/L时，咸淡交替灌溉的Cl-含量为0.279 g/kg，淡咸交替灌溉的Cl-含量增加了20.79%(p<0.05，表5)。

图4 不同剖面各处理Cl-含量分布

表5 不同处理0-40 cm土层平均Cl-含量g/kg

注：不同字母表示差异显著性(p<0.05)。

3 讨 论

本文针对黄河三角洲土壤盐碱化程度高展开，通过分析咸淡水交替灌溉过程中的水盐运移过程，结果发现，咸淡交替灌溉的入渗历时显著小于淡咸交替灌溉。咸淡交替灌溉与淡咸交替灌溉的平均土壤含水率差别并不显著。土壤平均土壤含盐量随矿化度的增加而增大，3 g/L的平均土壤含盐量最低。咸淡交替灌溉的平均土壤含盐量显著小于淡咸交替灌溉。

3.1 咸淡水交替灌溉对土壤水分的影响

研究结果显示，咸淡交替灌溉和淡咸交替灌溉的入渗历时均随矿化度的增加而显著减小。王艳等[20]在天津滨海新区大苏庄研究了不同矿化度水(0.56 g/L，3.78 g/L，6.14 g/L)淋洗对盐碱土(0—40 cm为重壤土，40—60 cm为轻黏土，60—100 cm为中黏土)水盐分布的影响，结果也显示，入渗水的矿化度越高，入渗速率越大。但赵丽丽等[21]在烟台农业科学研究院苹果园研究了入渗水矿化度(3 g/L，6 g/L，12 g/L，24 g/L)对土壤(粉砂黏壤土)水盐分布的影响发现，入渗速率随矿化度的增加而显著减小。与本试验结果区别较大，其原因可能与土壤类型相关。首先，与非盐碱土相比，盐碱土中含有丰富的离子，其与微咸水中的盐分离子产生交换作用，使土壤胶体吸附的钠离子被钙镁离子置换，改善了土壤团聚性并导致土壤中的大孔隙增加，进而增强土壤的入渗能力[22]。其次，在微咸水灌溉过程中，随着矿化度增加，带入土壤中的钠离子含量进一步增加，由于电荷少，半径大，水化能相对较小，钠离子增加导致土壤颗粒的膨胀分散，使土壤的透水透气性变差[23]。

咸淡交替灌溉的入渗历时显著小于淡咸交替灌溉。咸淡交替灌溉导致土壤中大孔隙的增多，使土壤通透性增强，水分入渗较快[24]。而淡咸交替灌溉有利于土壤有效孔隙的形成，使水分保持在土壤孔隙中，无法继续使入渗水保持快速的流动[25]，故咸淡交替灌溉的入渗历时比淡咸交替灌溉短。

咸淡交替灌溉与淡咸交替灌溉的平均土壤含水率差别不显著。其原因可能是咸淡交替灌溉和淡咸交替灌溉的灌溉水量、灌溉水质、土壤初始含水率、土壤类型都相同，水分入渗结束后，土壤含水率差别不大。此外，短时间(24 h)内蒸发作用对水分再分布的影响较小，不足以改变土壤含水率的大小。

3.2 咸淡水交替灌溉对土壤盐分的影响

咸淡交替灌溉和淡咸交替灌溉的平均土壤含盐量、平均Na+含量和平均Cl-含量均随矿化度的增加而显著增大。杨艳和王全九[26]也表明土壤(砂质黏壤土)的剖面含盐量随着矿化度的增加而增加。其原因，一方面是由于微咸水本身含有一定盐分，入渗后，必然会给土壤带来额外的盐分累积，因此随着矿化度增加，土壤整体的含盐量也随之升高[27]。另一方面，与低矿化度水相比，高矿化度水对土壤盐分的淋洗作用相对较小，脱盐率较低，土壤含盐量高[28]。土壤含盐量随入渗水的显著变化表明，控制好灌溉水的矿化度对于作物正常生长至关重要。

咸淡交替灌溉的平均土壤含盐量显著小于淡咸交替灌溉，平均Na+含量和平均Cl-含量显著小于淡咸交替灌溉，其原因可能是首轮微咸水灌溉下，扩散双电子层向黏粒表面压缩，使土壤颗粒排除力降低，增强土壤胶体的絮凝作用，从而形成团粒结构，增加土壤导水能力，有利于后一次淡水灌溉对土壤盐分的淋洗[29]。交替次序对土壤平均含盐量的影响较大。例如刘静妍等[16]在山西省水利科学研究院节水高效示范基地对比了咸淡交替灌溉和淡咸交替灌溉(咸水矿化度为5.02 g/L，淡水矿化度为1.75 g/L)对土壤(黏壤土)含盐量的影响，结果表明，咸淡交替灌溉显著降低了表层土壤的含盐量，淡咸交替灌溉降低了土壤中层的含盐量。苏莹等[24]在河北省南皮县通过对比咸淡咸交替灌溉和淡咸咸交替灌溉(咸水矿化度为3 g/L，淡水矿化度为0.5 g/L)对土壤(次生碱化土)脱盐率的影响发现，在灌水量和灌溉水质相同的情况下，淡咸咸交替灌溉变为咸淡咸交替灌溉可以提高土壤脱盐率。

4 结 论

咸淡水交替灌溉的入渗历时随矿化度的增加而减小；不同交替次序下土壤入渗历时表现为咸淡交替灌溉小于淡咸交替灌溉，咸淡交替灌溉与淡咸交替灌溉的平均土壤含水率差别不显著。咸淡水交替灌溉的平均土壤含盐量随咸水矿化度的增加而增大，咸淡交替灌溉的平均土壤含盐量小于淡咸交替灌溉。因此，从降低土壤盐分方面考虑，矿化度较小(例如3 g/L)，咸淡交替灌溉的方式最优。由于时间和条件有限，试验仅在室内进行，所得结论具有一定局限性，还需进一步在大田验证，以及综合考虑对作物的影响。在具体利用微咸水进行农田灌溉时，应考虑微咸水矿化度、交替次序、间歇时间、灌溉频次以及作物不同生育阶段抗盐胁迫能力等。