西北农区不同盐分分布下适宜淋洗定额研究

刘星辰 解学敏

摘 要：为了探究不同土壤初始盐分含量及分布特征条件下的淋洗定额，通过室内土柱试验，在100～500 mm范围内，采用两相邻差为20 mm的淋洗定额进行模拟淋洗，研究不同淋洗定额对土壤水盐运移的影响，分析不同初始条件下土壤盐分淋洗特征和淋洗效率，确定适宜的淋洗定额。结果表明：土壤盐分均匀分布和非均匀分布情况下，淋洗效率P随淋洗定额的增大呈现出先急速上升、后缓慢上升、最后逐渐下降的趋势;使土壤盐分达到脱盐目标的淋洗定额均小于淋洗效率P峰值所对应的淋洗定额。应根据研究区不同初始盐分分布情况和水资源情况，选择适宜的淋洗定额以满足脱盐要求，从而实现对盐碱土的高效节水淋洗。

关键词：盐碱土;淋洗定额;土壤水盐运移;西北典型农区

中图分类号：S274.1;TV212.5+5   文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.11.034

Abstract：In order to explore suitable leaching quota under different initial conditions of soil salinity and distribution characteristics， this study employed a laboratory simulation experiment to simulate the effect of leaching quota with two phase adjacent difference of 20 mm in the range of 100-500 mm on soil water and salinity transport. The suitable leaching quota was thus attained based on the characteristics and efficiency of soil salinity leaching under different initial conditions. The results demonstrate that the leaching efficiency P shows a trend of rapid increase， then slow increase and finally gradual decrease with the increase of leaching quota under uniform and non-uniform distribution of soil salt. The leaching quota of soil salinity to reach the goal of desalination is less than that the leaching quota corresponding to the peak value of leaching water efficiency P. Appropriate leaching quota under different initial conditions can realize efficient water-saving leaching of saline and alkaline soil， which is of great significance to the improvement of saline and alkaline land and water-saving in arid areas.

Key words： saline-alkaline soil; leaching quota; soil water and salt transport; typical agricultural area in northwest China

灌溉在西北灌区农业生产中起着不可替代的作用[1]，是农业增产增收的基本保障，也是当地生态环境的重要安全屏障。灌区耕地盐碱化一直是制约西北地区农业发展的重要因素，盐碱地形成既有自然因素，也有人为因素[2]。盐碱土淋洗的目标是用更少的水将更多的盐分淋洗出去。淋洗效果与淋洗定额主要受土壤含盐量、盐分组成、土壤质地及层次排列、排水条件、淋洗季节和淋洗技术等因素影响[3-4]。

国内外学者在盐碱土盐分淋洗方面进行了大量的研究。改良盐碱化土壤最重要的是降低盐分含量，常用的改良措施包括水利工程、农艺、化学和生物措施等， 其中灌水淋洗是水利工程措施中改良盐碱土的重要方法， 也是众多改良措施中最简单有效的[5]。滨海地区可通过暗管和明沟等排水装置降低潜水位，减少次生盐碱化的现象[6];改良盐碱土应该同时提高灌溉效率，达到灌溉洗盐的目的[7];陈秀玲[8]研究利用微咸水和降雨对土壤中盐分进行淋洗，使土壤达到了脱盐的效果;Isbell等[9]采用多行低流速滴灌带对果树根部的盐分累积区域进行淋洗降盐，能够有效降低淋洗需水量;Phocaides[10]认为降雨对土壤盐分的淋洗有不可忽视的作用，在非生育期需要每年进行盐分集中淋洗。

盐碱土的改良中，碱土因具有透水性差、通气不良、易板结等特点，故治理时需要采用化学改良剂进行改良，降低土壤碱性，减轻苏打对作物的危害，改善土壤结构。间歇淋洗的脱盐率高于连续淋洗，且土壤中各离子含量均出现较大幅度下降[11];施氮对盐碱土入渗具有减渗作用，同一施氮水平下，盐碱土的入渗性能随含盐量的升高而降低，脱盐深度也降低[12]。

目前对盐碱土淋洗的研究方法主要包括田间试验、室内试验和数值模拟[13]。田间试验将作物出苗率、产量等作为评价指标，确定作物生育期中适宜的灌溉制度、灌水方式、灌溉水质和水利工程技术要素，以达到最佳洗盐效果[14]。室内试验主要考虑潜水、蒸发与盐分的响应关系，多侧重于观测盐分的运移过程，研究脱盐率的影响因素。目前关于西北典型農区冬灌淋洗定额，还缺乏适宜的评价指标，且针对田间实际盐分累积情况和分布特点的研究较少。笔者通过室内试验研究淋洗后土壤中盐分分布特征，考虑西北典型干旱农区的作物耐盐、土壤盐分累积情况，制定适宜的淋洗定额，以期为盐碱地改良和干旱区节水提供理论依据。

1 材料与方法

试验选取西北典型农区的沙壤土，模拟排水良好的冬灌情况。通过室内土柱试验，探讨土壤初始含盐量均匀及非均匀分布下的适宜淋洗定额及淋洗效率P。

1.1 研究区概况

研究中采用新疆农二师31团团场（东经86.949 444°，北纬40.884 167°）土壤。该团场地处塔里木河与孔雀河下游的两河冲积平原，南临塔里木河，北接库鲁克沙漠，西北至群克，东南至英苏。

研究区0～60 cm土层以沙壤土为主，60～100 cm土层以沙性土为主，透水性较强。土壤密度采用环刀法测定。0～100 cm土层内，土壤平均密度为1.62 g/cm3，田间持水量为35.69%（体积含水量）。盐碱土类型为硫酸盐-氯化物土（Cl-∶SO2-4=4∶1），土壤盐类以氯化物为主，硫酸盐次之。在2017年11月中旬（冬灌前）和2018年5月中旬（春灌后）分别对研究区不同深度土壤进行取样，并测定研究区冬灌前和春灌后土壤平均含盐量。针对南疆垦区硫酸盐-氯化物型盐碱土，依据新疆荒勘局和综考队对土壤盐碱化程度的划分标准可知：5 cm深度土壤含盐量为11.111 g/kg，属强盐碱化土;15 cm深度土壤含盐量为4.271 g/kg，属轻度盐碱化土。

1.2 室内土柱试验

土柱试验装置采用直径15 cm、高100 cm的PVC塑料管制成，土柱桶底铺10 cm黄沙滤料用于透水，按土壤要求密度1.62 g/cm3分层（每层5 cm）称重装入80 cm土样。利用马氏供水瓶进行稳定供水淋洗。马氏瓶高60 cm，内径10 cm，装水后关闭所有进气阀门。马氏瓶内进气口距离土壤表层2 cm，使土柱顶部水深维持在2 cm，实现在恒定水头下自动供水。靠近土柱底部側面设置阀门用于控制排水。在土柱侧壁安装了8支TDR传感器，埋设深度分别为5、15、25、35、45、55、65、75 cm，依次测定0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60、60～70、70～80 cm土壤层的水盐含量。通过TDR传感器监测不同时刻土壤剖面水盐分布情况，并对土柱排水量及盐分分布进行记录，还需对土壤初始含水率θ0（%）、入渗时间t（min）、t时刻累计入渗量I（mm）、排水量D（mm）等数据进行记录。室内土柱试验装置见图1。

由于淋洗效率还受土壤初始含盐量、淋洗水盐分浓度等因素影响，无法定量描述，因此本文将淋洗效率P结合土壤脱盐效果进行综合评价。

2.1 土壤初始含盐量均匀分布下的适宜淋洗定额

淋洗后土壤含盐量与土层深度成正比，0～80 cm土层总脱盐率小于0～30 cm表土层脱盐率，大于60～80 cm底土层脱盐率。因此，判断淋洗后土壤盐分是否满足脱盐指标，只需底层土盐分达到标准含盐量即可。不同初始盐分条件下淋洗定额对应的淋洗效率P和底层土含盐量见图2。

淋洗效率P描述了淋洗定额和排盐量的关系，能综合反映淋洗效果的优劣。由图2可知，淋洗定额较小时，大部分水量用于湿润土壤，使土壤达到饱和含水率，单位水量排出盐分较少，淋洗效率较低;随着淋洗定额的逐渐增大，淋洗效率迅速增大。土壤初始含盐量越大，淋洗效率峰值也越大。土壤初始含盐量为2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5 g/kg的淋洗效率P峰值分别为6.265、6.915、7.628、8.541、8.821、9.496、10.102 g/mm，淋洗效率P峰值所对应的淋洗定额分别为300、300、340、360、380、400、420 mm，此时的淋洗水分利用率最高。由于土壤中剩余盐分逐渐减少，因此淋洗效率呈现先急速上升、后缓慢上升的趋势，然后随淋洗定额的增大而淋洗效率下降，单位水量淋洗的盐分逐渐减少。

随淋洗定额的增大，底层土壤平均含盐量呈现先增大再减小的变化趋势。根据土壤脱盐指标，底层土平均含盐量需降低到4 g/kg，土壤初始平均含盐量为2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5 g/kg所对应的脱盐淋洗定额分别为220、260、280、300、340、380、400 mm。观察图2可知，达到底层土脱盐目标的脱盐淋洗定额均小于淋洗效率P峰值所对应的淋洗定额。在灌溉水量能够保证的条件下，可以考虑将适宜淋洗定额设为淋洗效率P峰值所对应的定额，可在满足脱盐指标的情况下实现高效率脱盐，同时也可增加节水效益，避免盲目追求脱盐最大化而忽略整体效益。因此，确定土壤初始平均含盐量为2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5 g/kg所对应的适宜淋洗定额分别为300、300、340、360、380、400、420 mm。

2.2 土壤初始含盐量非均匀分布的适宜淋洗定额

因盐分分布存在一定差异，故初始土壤平均含盐量相同的情况下，相同定额对应的土壤脱盐率也会产生一定差异。根据土壤初始盐分均匀分布下的模拟结果可推导出非均匀分布下淋洗效率和底层土含盐量变化情况。

图3为初始含盐量非均匀分布下淋洗效率P和底层土含盐量的变化情况。由图3可知，初始含盐量非均匀分布条件下淋洗效率P和底层土壤含盐量变化趋势与初始含盐量均匀分布下的趋势一致。

膜下S形分布淋洗效率峰值Pmax所对应的淋洗定额和底层土达到脱盐目标的淋洗定额变化区间较膜间倒三角表聚分布下的大，且同一土壤初始含盐量情况下，膜间倒三角表聚分布需要更大的淋洗定额才能达到脱盐目标和淋洗效率峰值Pmax，具体见表1。与土壤初始含盐量均匀分布情况类似，土壤初始含盐量非均匀分布情况下达到底层土脱盐目标的脱盐淋洗定额均小于淋洗效率P峰值所对应的淋洗定额。因此，在高淋洗效率区间，可根据研究区水源情况和排水条件，选择满足脱盐要求的高效率淋洗定额。

3 结 语

土壤盐分均匀分布和非均匀分布情况下，淋洗效率P随淋洗定额的增大均呈现先急速上升、后缓慢上升、最后逐渐下降的趋势;土壤盐分达到脱盐目标的淋洗定额均小于淋洗效率P峰值所对应的淋洗定额，可根据当地水资源情况选择满足脱盐要求的高效率淋洗定额。

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【责任编辑 许立新】