不同施氮时序对盐碱土水盐运移过程的试验研究

吴晨涛，王春霞，周 亮，彭颖超，赵继杰，江天琪，郭 蓉

(石河子大学水利建筑工程学院，新疆 石河子 832000)

盐碱地分布在世界各国，多以干旱半干旱地区为主[1-3]，且大多发生在地势平坦、土层深厚的农业用地。土壤盐渍化和缺水是限制旱地农业发展的两个关键问题[3-5]。据统计，全球约有 8.31 亿hm2的土壤受到盐渍化威胁[2]，其中58%的盐渍化区域多发生在灌溉农业区[6]，而干旱和半干旱地区的灌溉农业区表现得尤为突出[4]。中国作为土壤受盐渍化影响较为严重的国家之一[7]，大部分盐渍化地区主要集中在西北干旱和半干旱地区。据全国第二次土壤普查数据统计，中国盐渍土总面积约为 3 600 万hm2[8]，其中仅西北干旱和半干旱地区盐渍化土壤面积就占到了69.03 %[9,10]，少数地区的土地生产能力降低甚至完全丧失，严重影响了农业的可持续发展[2]。而新疆作为我国最大的盐土区, 盐碱土的占地面积高达1 100 万hm2, 约占全国盐碱土面积的1/3和新疆土地面积的6.6 %[3]。

目前，随着世界人口数量的增加、耕地面积的减少以及土壤环境的恶化[11]，土壤盐碱化已经成为旱地农业面临的一个重大生态环境问题 (四大生态环境问题：干旱缺水、水土流失、风蚀沙化、土壤盐碱化)。因此，如何合理的开发利用盐渍化土地，有效的提高现有土地生产能力，降低土壤环境的恶化，以及防治灌区土壤的次生盐碱化，从而实现土地资源可持续利用和农业可持续发展。这一问题的亟待解决成为我国旱地农业领域未来发展的重要方向。

现研究不管是从漫灌[12]，还是现在的节水新技术(膜上灌，膜下滴灌，喷灌等)，在新疆干旱地区采取节水并致力治理盐碱地，大多数是从水分入手，让水淋洗盐分从而达到压盐效果。目前国内许多学者对土柱试验[13-16]的研究发现，谭军利[17]等在微咸水灌溉条件下，得出覆砂措施可以减少土壤水分蒸发和增加土壤水分入渗而抑制表层土壤盐分累积，促进土壤盐分向下层运动。秦显艳[18]等通过施氮量不同而进行的土柱试验，表明盐碱土上施氮对盐碱土入渗具有减渗作用且施氮较不施氮脱盐量大。由此可见，目前在一维土柱中不同微咸水灌溉，不同施氮量等对水盐运移做了大量的研究，而对土箱中二维土壤中水盐运移特征的研究甚少。而栗岩峰[19]等在考虑提高作物对氮肥的利用效率和减少淋失两个因素下, 认为运行方式1/4W-1/2N-1/4W较为适宜，但未考虑在盐碱土中不同施氮时序对盐碱地改良的影响。本文则对不同施氮时序下，水盐运移的二维面的入渗进行研究，以探究不同施氮时序对水盐运移是否有影响。为盐碱地的改良和水肥一体化的实施提供可靠的参考依据。

1 试验装置与材料

试验于2018年8-10月在石河子大学水工大厅试验室进行。试验装置采用尺寸为长60 cm×宽30 cm×高50 cm的有机玻璃土箱；采用马氏瓶定水头供水来模拟滴头, 截面面积45 cm2, 高度1.2 m, 外标刻度用于读取入渗水量。供试土壤容重为1.5 g/cm3，初始质量含水量14%，初始的含盐量900 μS/cm，饱和质量含水量37%，供试土壤为壤土。

1.1 试验设计

将土样按土壤容重分层(10 cm)装入土箱，层与层之间刷毛使其连接自然形成一完整连接体。以土箱和马氏瓶模拟滴头为试验设备，以0.3 %盐碱土为研究对象，以600 mg/L尿素为供试肥源，进行不同施氮时序滴灌下的盐碱土入渗过程研究。为了揭示不同施氮时序下土壤入渗的基本特征，设置以下9种不同的施肥时序方式，每种情况设置两个重复，设计不同施氮时序见表1。

表1 试验设计组合

取土方式为入渗结束后立即用土钻进行取土，在滴头方向与交汇面(两个单点源外渗时交汇处)，水平方向是沿着水平每10 cm取一次，垂直方向沿着垂直方向的取点位置向下每5 cm取一次，依次取土直至湿润锋处，形成一个二维剖面。图1为取土示意图。

图1 取土示意图(单位：cm)

1.2 测定的项目及其方法

(1)土壤含水率的测定。利用烘干法测定土样的含水量。

(2)土壤电导率的测定。将经过烘干碾磨成粉状的土样进行过筛( 0.25 mm )，制成1:5的浸提液，用DPP-210便携式电导仪(中国科学院南京土壤研究所)测定其电导率。

(3)数据处理。采用Excel 2007软件进行数据处理和统计分析；使用Origin 2018软件进行绘图处理。

2 结果与分析

2.1 不同施氮时序对土壤水分运移的影响

2.1.1 单点源剖面含水量分布

图2表示的是不同施氮时序下灌水结束后土壤单点源含水率分布图。由图2可知单点源从整体上来看，含水率会随着水平方向的推进和垂直方向的加深而变小，在滴头下方(0，0 cm)处含水率是最高的，符合滴灌条件下含水量分布形式。

注：(0，0)为滴头

在W时序下垂直距离为20 cm处出现小的含水量等值线，是由于此处存在小土块导致此现象产生的。而在W-N-W、W-W-N、W-N-N-W施氮时序条件下，湿润面积过小，湿润深度过小，不利于大田中作物根系的生长。

从图2和图3中，通过比较不同施氮时序下在水平方向30 cm和垂直深度30 cm所围成剖面的平均含水率，得出N-W-N-W时序下在此剖面中的含水率最大，比W条件下平均含水率高出了1.45 %。在N-W-W-N、N-W、 N-W-W、W-N时序下比W时序下分别高出了1.26%，-0.34%，-1.13%，-2.62%。说明在不同的施氮时序下，会改变土壤间孔隙的大小，从而改变土壤的下渗能力，改变土壤的持水能力。水分在剖面分布均匀一些，更有利于增加下层土壤的含水量。因此在N-W-N-W、N-W-W-N、W时序下保水性能好。而在N-W时序下同W时序下的剖面的平均含水率差不多是相同的。

图3 不同时序单点源平均含水率

2.1.2 交汇点剖面含水量分布

图3表示的是在相同土壤的盐碱化程度下，不同施氮时序下灌水结束后土壤交汇点处含水率分布图。交汇点从整体上来看，与单点源的含水率变化是相似的，都是呈波纹状。在W-N、N-W时序下含水率的最大值没有出现在交汇点处，是由于两个单点源内部交汇点早于表面交汇点造成的。但交汇点含水率在水平方向10～30 cm处和垂直方向10～30 cm处水会汇聚于此处从而形成一个含水量较大的剖面。

从图4和图5中，通过比较不同施氮时序下在水平方向30 cm和垂直深度30 cm所围成剖面的平均含水率，在N-W-N-W时序下的平均含水率比W时序下高出0.57%。而在N-W-W-N、N-W、 N-W-W、W-N时序下比W时序下分别高出了-0.68%，-2.26%，-2.36%，-3.58%。在N-W-W-N、 N-W-W-N，W时序的平均含水率大小相差不大。但在无肥条件下不利作物生长。在水平方向10～30 cm处和垂直方向10～30 cm处水的含水率大于其他处的含水率，并且湿润范围大，得出此时序下保水性最好。

注：(0，0)为交汇点

图5 不同时序交汇点平均含水率

2.2 不同施氮时序对盐分运移的影响

2.2.1 单点源剖面盐分含量分布

随着外源氮素溶液滴入土壤，在溶液离子与胶体上吸附的盐基离子间的相互作用，必然会影响到土壤中可溶性盐分的变化。图6表示的是在相同土壤的盐碱化程度下，不同施氮时序下灌水结束后土壤单点源电导率分布图。从等值线图6来分析，单点源的电导率随着水平方向的推进和垂直方向的加深会越来越大。这与土壤剖面水分分布形式是一致的，同时也反映了“盐是随着水动”这一特点。

注：(0，0)为滴头

从整体上看，在水平方向0～30 cm和垂直方向0～20 cm有明显的淋洗效果。在水平方向30 cm以上和垂直方向25 cm以下会逐渐地开始积盐。通过图7比较不同施氮时序下在深度25 cm处的平均电导率。不同施氮时序处理下，W、W-N、 N-W、N-W-W、N-W-N-W、N-W-W-N比初始值增加了-685.37、-7.10、-389.30、148.50、-177.57、-392.15 μS/cm。说明不同施氮时序处理单点源下W时序下洗盐效果最好，N-W-W-N、N-W、N-W-N-W时序次之，W条件下因为无肥，不足以给作物提供养分,不给与考虑。

图7 不同时序单点源平均电导率

2.2.2 交汇点剖面盐分含量分布

图8表示的是在相同土壤的盐碱化程度下，不同施氮时序下灌水结束后土壤交汇点电导率分布图。从整体上看，在水平方向0～30 cm和垂直方向0～20 cm有明显的淋洗效果。且交汇点淋洗面积比单点源淋洗面积要大。随着水分的入渗，盐分会随着滴灌水分的下渗运动而发生迁移，电导率最大值出现在最远的湿润锋处。在交汇点处，电导率的值明显低于单点源处的值，洗盐效果从表面看来比单点源处的要好得多。综合于单点源含盐量剖面分析，可以明显地得到不同的施氮时序会对盐分的淋洗会有不同的影响。

注：(0，0)为交汇点

在水平方向30 cm以上和垂直方向30 cm以下会逐渐地开始积盐。通过图9比较不同施氮时序下在深度25 cm处处于同一水平位置(0～30 cm)的平均电导率。不同施氮时序处理下，W，W-N， N-W，N-W-W，N-W-N-W，N-W-W-N比初始值减少了733.20，454.25，565.97，690.37，142.50，688.32 μS/cm。说明在不同施氮时序处理单点源下W时序下洗盐效果最好，N-W-W, N-W-W-N, N-W，W-N，N-W-N-W时序次之，W条件下因为无肥，不足以给作物提供养分,不给与考虑。

图9 不同时序交汇点平均电导率

3 结 论

(1)在单点源下，土壤中水分随着滴灌的入渗，水平方向和垂直方向的含水量会随着距离的加大而逐渐减小。但电导率的数值反之，随着距离的加大而逐渐增加。在不同的施氮时序下土壤中的含水量和电导率变化是不同的。剖面平均含水量在N-W-N-W时序下是最大的，N-W-W-N、 N-W，次之。分别比在W时序下的剖面平均含水量分别高出1.45%、1.26%、-0.34%。而在单点源剖面中，淋洗盐分效果最好的时序是N-W-W-N、N-W、N-W-W-N、W-N,次之。分别比初始值减少了392.15、389.30、177.57、-7.10 μS/cm。

(2)在交汇点处，土壤中的水分因两单点源交汇的缘故，会在水平方向10～30 cm和垂直方向10～30 cm处形成含水量较大的剖面。而这一处的电导率会小于周围四处。淋洗盐分的效果会明显好于其他地方。交汇点的剖面平均含水率中N-W-N-W时序下最高，N-W-W-N、N-W时序次之，分别比比W时序下平均含水率高出0.57%、-0.68%、-2.26%。交汇点下电导率在不同施氮时序处理下W最小，N-W-W、N-W-W-N次之，分别比初始值减少了733.20、690.37、688.32 μS/cm。

(3)综合于单点源与交汇点处，表明在不同的施氮时序下，会改变土壤间孔隙的大小，从而改变土壤的下渗能力。从土壤保水和洗盐两方面来讲，在N-W-N-W、N-W-W-N、N-W时序下持水能力和洗盐效果是好过于其他时序下的。

研究表明：在0.3%盐碱土(壤土)下不同施肥时序对土壤的影响，施肥时序改变了水分和盐分在土壤中的分布形式，应当将其优化后时序应用于大田实际灌溉。通过不同的施肥时序来调控作物根区的含水量，减少土壤表面蒸发，提高土壤的水分利用效率，同时通过调控土壤的盐分分布，将盐分压制到根区以下，以减少微咸水对作物的胁迫，使其作物的生长和产量得到保障。