竖井对新疆盐碱地新开垦枣田土壤盐分的影响

李玲，刘洪光*，阿尔娜古丽·艾买提，林恩

(1 石河子大学水利建筑工程学院/石河子大学现代节水灌溉兵团重点实验室，新疆 石河子 832003；2 新疆水利水电科学研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

新疆是我国盐碱化土壤分布面积最广、土壤积盐最重的地区，其盐碱土面积占比达30.85%，占全国盐碱土地总面积的22.01%[1-2]，其中，南疆土壤盐渍化问题突出，盐碱地面积占耕地面积的45.00%[3-4]。由于新疆干旱缺水，节水农业得以快速发展，但存在重灌轻排、灌排失衡的现象[5-6]，南疆地区作为重要的优质枣生产基地和典型的纯灌溉农业类型区深受土壤盐碱化的威胁，枣树生长和果实品质常受到过高土壤含盐量的胁迫[7-9]，盐碱地的改良与利用是实现农业可持续发展的重要举措[10-11]。新疆生产建设兵团第十四师224团位于南疆和田皮墨垦区，属于极度干旱的暖温带大陆性气候，在新开垦灌区采用自压式滴灌技术种植枣树(和田玉枣)，系统运行1年后发现土壤盐渍问题凸显，枣树成活率、保存率受到显著影响。考虑到枣树根系发达，其分布可深至2～3 m，种植区域地下水位高，并减少占地面积，宜采用竖井排水技术改良灌区土壤。

农田竖井排水具有自灌自排、排水脱盐效果明显、土地利用率高、降低地下水位显著等优势，能为土壤水盐的垂直和水平运移创造有利条件，加速盐碱土改良[12-14]。杨鹏年[15]等分析内陆干旱区竖井排水区的土壤水流运动特征，发现竖井灌排促进土壤水盐垂直往下运移使土壤全面脱盐;闫少锋[16]等在沿海湿润地区布设竖井，发现竖井排水使地下水位下降明显、土壤含盐量逐级递减;MAO W等[17]模拟内蒙古龙胜井渠灌区水盐运移发现井渠联合灌溉能减少灌溉用水和控制土壤盐渍化。大量研究表明在不同水文地质条件布置竖井排水均可有效排水降盐，然而，针对极端干旱地区新开垦的枣树种植灌区采用竖井排水措施并对竖井排盐效果的研究较少，因此，本文针对该问题在灌区内布设竖井进行2年的田间试验，研究滴灌条件下竖井排水工程对新开垦枣树种植灌区盐渍化土壤盐分运移的影响及脱盐效果，为新疆极端干旱区新开垦林果种植灌区的盐渍化土壤的改良利用提供试验依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本研究于2016、2017年在新疆生产建设兵团第十四师224团2连进行，地理位置处于东经79°15′24″～79°21′42″，北纬37°14′13″～37°19′59″，地处塔克拉玛干大沙漠南缘。试验地是开阔平缓的砾质倾斜平原和沙丘地貌，土壤质地主要以沙土和沙壤土为主，土粒空隙大，土壤养分含量低，且质地轻、保水保肥性差。根据和田气象站数据，研究区属于暖温带大陆性气候，多年平均无霜期为214 d，平均风速为2.10 m/s，最大风速25.60 m/s，风向多为西北风，多年平均日照时数2 610.60 h，最大冻土深度0.67 m，生育期地下水埋深1.20～1.50 m，非生育期地下水埋深大于3.00 m，地下水矿化度平均为2.50 g/L。试验地土壤土层深度0～100 cm为砂壤土，颗粒组成为砂粒61.93%、粉粒32.47%、黏粒5.60%，土壤容重为1.50 g/cm3。

1.2 试验设计

试验于2016年4月至2017年9月进行，枣树种植品种为骏枣，树龄为5 a，研究区总面积93.23 km2，其中试验小区面积为1.06 km2，枣树株行距为1.50 m×2.00 m，滴灌毛管双行平行布置，滴头流量为3.20 L/h，整个枣树生育期共进行8次滴灌，灌水定额600～1 200 m3/hm2，灌溉水源为水库水，矿化度在 0.40～1.00 g/L，灌溉制度见表1，两年的灌溉制度完全相同，试验区设置气象观测站。

表1 试验地灌溉制度

试验小区内设置2口竖井(井深30 m，直径250 mm，间距500 m)，在两竖井间距井20、40、60、80、100、150、200、250 m处布设典型观测取样点，试验详细布置见图1、图2。竖井运行方式：运行时间为4月10日～10月1日，每月工作20 d，每日工作16 h左右，多时段间歇性抽水，竖井出水量为30～50 m3/h，抽出水从排水明沟排走。

图1 试验小区竖井示意图

图2 试验布置图

1.3 土壤样品采集及测定

1.3.1 样品采集

为研究竖井排水措施对南疆盐渍化枣田土壤盐分的影响，在初次灌水前、灌水全部结束后用环刀取原状土，分别于T1(2016年4月15日，灌前5天，萌芽期)、T2(2016年9月10日，灌后5天，果实成熟期)、T3(2017年4月15日，灌前5天，萌芽期)及T4(2017年9月10日，灌后5天，果实成熟期)采用对角线取样法对研究区土壤进行分层连续取样，在各取样点分别取0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm土层深度的土壤，各取样点重复取3个样本，取各测点含盐量的平均值作为该农田测定结果。取样点位置于两枣树之间，利用GPS进行定位，以保证每年每次取样均在同一位置进行。将土样装入自封袋带回实验室经自然风干后将风干土样过1 mm筛孔，装袋备用。

1.3.2 样品测定

土壤粒径采用LS13320全新纳微米激光粒度分析仪测定，土壤含盐量用残渣烘干法测定。

1.4 数据处理

运用Excel2010软件统计处理原始数据；采用Origin9软件对试验区气象指标、土壤含盐量、土壤脱盐率制图，数据计算公式如下：

θ=(C1-C2)÷C1×100%,

(1)

上式中，θ为土壤脱盐率，%；C1为灌前土壤含盐量，g/kg；C2为灌后土壤含盐量，g/kg。

S=C÷1000×V×γ,

(2)

式(2)中，S为不同深度土壤总盐，g；C为土壤含盐量，g/kg；V为不同深度层土壤体积，计算土壤体积时将每个深度层的土壤看成长、宽、高分为10 cm、10 cm、20 cm的土块进行计算,即V取2 000 cm2；γ为土壤容重，计算时土层0～100 cm土壤容重取1.5 g/cm3。

2 结果与分析

2.1 竖井排水运行期间气象数据变化

试验期间气象数据(图3)显示：2016、2017年的年平均降雨量分别为33.12、43.21 mm，日平均气温分别为14.77、14.06 ℃，年平均蒸发量分别为2 589.83、2 813.91 mm，蒸降比分别为78.20∶1、65.12∶1，表明两年气温和蒸发随时间变化规律一致，蒸降比均较大，所以试验期间可忽略降雨对土壤盐分的淋洗，而且两年间气候条件一致，试验可忽略气象变化对竖井排盐效果的影响。

图3 试验地气象数据图

2.2 竖井排水措施对土壤盐分影响

依据土壤盐渍土分划标准[18]，由图4可知：T1土壤含盐量较高，介于4.28～8.69 g/kg之间，属于中度盐渍土，土壤盐分表层、底部聚集现象明显。T2土壤含盐量在1.05～6.10 g/kg之间，属于非盐渍土与轻度盐渍土，土壤含盐量明显降低，距井0～100 m内下降明显，随土层深度增加始终处于低值，距井100 m外有所下降但不明显，T2相对于T1土壤总含盐量减少50.84%；T4土壤盐分空间分布规律与T2基本一致，T4相对于T3土壤总含盐量减少53.59%；说明竖井排水能有效降盐，显著影响土壤盐分空间再分布。2016、2017年春季第1次灌溉前，盐分在土壤表层聚集，但2017年在土层深度20、80 cm处聚集减弱，距井0～100 m内土壤含盐量有所下降；T3土壤含盐量在3.23～8.91 g/kg之间，T3相对于T1土壤总含盐量减少9.34%，轻度盐渍土区面积增加50%，说明竖井排水有效控制了地下水位，抑制土壤返盐；T4土壤含盐量在1.03～5.23 g/kg之间，T4相对于T2土壤总含盐量减少14.42%，非盐渍土区面积增加10%，T4较T2盐分有所降低但降低程度较小，说明竖井排水对研究区的降盐效果能够保持较稳定状态。

图4 不同时期土壤盐分空间分布图

由不同时期距井不同距离土层0～100 cm土壤总盐分累积变化(图5)可见：土层0～100 cm土壤总盐量均随距井距离的增加而逐渐变大，灌后较灌前距竖井250 m范围内处土壤总盐均呈现显著下降趋势，2016年(T2/T1)、2017年(T4/T3)在距离竖井100 m范围内总盐分别减少67.28%、70.58%，在距离竖井150～250 m范围内总盐分别减少26.81%、33.25%，在距离竖井0～250 m范围内总盐分别减少52.11%、56.58%，两年总盐累积减少(T4/T1)为59.34%。这表明灌溉期间土壤总盐量减少程度强，竖井排水与灌溉淋洗相互作用，土层0～100 cm距井不同距离土壤总盐量均不同程度的减少，达到了剖面全脱盐的效果，竖井排水能显著减少土壤总盐量，对盐碱地改良效果明显。距离竖井100 m范围内土壤总盐量减少幅度大，超过100 m土壤总盐量减少幅度小，说明试验布置竖井脱盐有效区域在距井100 m范围内。

图5 0～100 cm土层土壤总盐累积的变化

由图6可知：不同时期竖井水平、垂直两个方向土壤平均含盐量变化。不同时期土壤平均含盐量均随着距井距离的增加而变大，T1、T3大于T2、T4，竖井排水能够显著脱盐；T1、T3间距随着距井距离的增加而减少，距井100 m内T1大于T3，距井150 m后曲线基本重合；T2、T4曲线变化规律一致，距井0～100 m内逐渐递增，距井150 m处较距井100 m处增幅分别为78.40%、78.24%，土壤平均含盐量在150 m处剧增达到最大后先减小再增大，T2始终大于T4。这表明竖井排水能影响距井竖井0～100 m范围内盐分变化，并在该有效范围高效脱盐，竖井脱盐效果随运行时间增加而小幅度增强。

图6 不同时期处理距井距离(a)和土层深度(b)的土壤平均含盐量变化

T1、T3与T2、T4土壤平均含盐量随土层深度变化的曲线高度一致；T1、T3土壤平均含盐量均随着土层深度的增加而先减少后增加，土层深度20 cm处平均含盐量最大，土壤表层积盐严重，在土层深度40 cm处达到最小后缓慢递增，T1始终大于T3；T2、T4土壤平均含盐量均随着土层深度的增加而缓慢递增，始末增幅分别为19.94%、11.73%，土壤平均含盐量均稳定保持在低值，T2始终大于T4。这说明萌芽期、果实成熟期各土层深度的平均含盐量具有规律变化性，土壤表层积盐现象减弱，竖井排水使土层深度0～100 cm均匀高效脱盐，促进盐分在土层深度0～100 cm均匀分布，并使土壤稳定保持轻度盐碱状态。

2.3 竖井排水措施脱盐效果分析

由图7a可知：T2与T1、T4与T3相比的年内间土壤平均脱盐率均随着距井距离增加而减小，2016年(T2/T1)、2017年(T4/T3)在距离竖井100 m范围内平均脱盐率分别为66.41%、70.09%，在距离竖井150～250 m范围内平均脱盐率分别为26.05%、32.69%，2年累计在距井100 m范围内、距井150～250 m范围内平均脱盐率分别为68.25%、29.37%，竖井脱盐有效区域在距井100 m范围内，2017年脱盐效果略优于2016年。T3与T1相比的年际间土壤平均脱盐率随距井距离增大而递减，在距离竖井100 m范围内、距离竖井150～250 m范围内年际间土壤平均脱盐率分别为15.77%、-0.08%，距井150～250 m内脱盐效果不显著甚至出现返盐。T4与T2相比的年际间土壤平均脱盐率随着距井距离增大先增加再减少，在距井60 m处达到最大值34.46%后迅速减小，距井80～250 m内基本保持在10%左右，脱盐效果不显著。T4与T1相比的年际间土壤平均脱盐率曲线变化趋势与年内间土壤平均脱盐率曲线(T2/T1、T4/T3)一致。T3与T2相比的年际间土壤平均脱盐率为负值，土壤经过冻融出现返盐现象，随着距井距离的递增先缓慢减少后迅速增加再缓慢减少，距井0～80 m内土壤平均脱盐率介于-202.11%～-158.85%，在距井80 m处达到最小，距井100～150 m内土壤平均脱盐率介于-129.56%～-36.78%，距井150～250 m内稳定保持在-40%左右。由此可知：竖井排水工程有效脱盐区域在距井0～100 m范围内，超过该有效区域土壤脱盐效果极其微弱，冻融循环严重返盐区在距井0～150 m范围内，工程运行第1年、第2年脱盐效果有所增强,且基本保持稳定。

由图7b可知：T2与T1、T4与T3相比的年内间土壤平均脱盐率都随土层深度增加而缓慢递减，2016年(T4/T3)、2017年(T2/T1)的年内间土层0～100 cm平均脱盐率均值分别为51.28%、56.06%，2017年脱盐效果略优于2016年。T3与T1相比的年际间土壤平均脱盐率随着土层深度的增加稳定在10%左右；T4与T2相比的年际间土壤平均脱盐率随着土层深度增加先递增后递减，在土层深度80 cm处达到最大；2017年年际间平均脱盐率(T4/T2)大于2016年(T3/T1)。年内间、年际间土壤平均脱盐率的差异在土层表面时较小，随着土层深度增加差异越来越大，年际间的差异较年内的差异明显。T4与T1、T2与T1相比的土壤平均脱盐率随土层深度变化曲线高度一致，前者位于后者曲线上方。T3与T2相比的年际间土壤平均脱盐率为负值，随土层深度增加先迅速增加后缓慢减小，土层深度20 cm平均脱盐率为-194.63%，土壤表层返盐显著。由此可知：竖井排水工程在土层深度0～100 cm内均匀有效脱盐，冻融循环严重返盐区在土壤表层0～20 cm，脱盐效果随着竖井排水工程运行年限的增加有小幅度增强但基本保持稳定。

图7 井排措施下不同距井距离(a)和土层深度(b)的土壤平均脱盐率变化

3 讨论

竖井排水工程能阻断土壤盐分表聚，促使盐分沿垂直方向深层运移并通过竖井排出，使耕作层土体呈现全剖面脱盐的效果[19-20]。本文研究发现，距井250 m的1 m土体内，2016年9月比2016年4月总盐减少52.11%，2017年9月比2017年4月总盐减少56.58%，2年累计减少59.34%。这与张开祥等[21]研究结果一致，枣树生育期间竖井排水能够显著降低土壤盐分，竖井排水与灌溉淋洗相互作用，加大地下水的出流速度，促进盐分的向下运动，可溶盐随水抽出排走，新开垦枣树种植灌区土壤呈现全剖面脱盐[22]。

本文研究还发现2年试验期间竖井脱盐效果表现出差异，即2017年土壤脱盐效果比2016年有小幅度增强，这与前人的研究结果不一致。这是由于种植枣树后的灌溉耕作措施与竖井排水措施直接影响盐渍化土壤理化性质并达到显著脱盐效果，灌后降温导致土壤冻融，水盐转移与相变影响土壤中盐分再分布[23-24]，导致脱盐效果出现年际间的差异。本文进一步分析发现2017年9月比2016年9月土壤总盐减少14.42%，这说明两年间竖井脱盐效果随着运行时间增加有所增强但有稳定脱盐效果，新开垦枣树灌区在竖井作用下能打破原平衡状态从而由中度、重度盐碱土变为轻度或非盐碱土。

有研究[16,21,25]发现，在不同试验地区布置不同井深(30～40 m)、直径(200～300 mm)、间距(400～600 m)的竖井，其有效脱盐距离介于距离竖井60～100 m范围内，土层深度0～100 cm脱盐率介于30%～86%，土层深度0～60 cm脱盐显著。本文研究在极端干旱区新开垦盐碱地布置井深30 m、直径250 m、间距500 m的竖井，竖井作用下，2016年、2017年果实成熟期时在距离竖井100 cm范围内土层0～100 cm平均含盐量分别为2.08、1.61 g/kg，土壤为非盐渍状态且土壤含盐量随距井距离增加而缓慢递增，而在距离竖井150～250 m范围内土层0～100 cm平均含盐量分别为5.18、4.73 g/kg，土壤为轻度盐渍化状态且土壤含盐量随距井距离增加而基本不变；距离竖井100 m范围内，年内间平均脱盐率(T2/T1、T4/T3)分别为66.41%、70.09%，年际间平均脱盐率(T3/T1、T4/T2)分别为15.77%、23.43%；距离竖井150～250 m范围内，年内间平均脱盐率(T2/T1、T4/T3)分别为26.05%、32.69%，年际间平均脱盐率(T3/T1、T4/T2)分别为-0.08%、8.63%；距离竖井100 m范围内脱盐效果显著高于距离竖井150～250 m范围内，竖井脱盐有效区域在距井100 m范围内，而距离竖井150～250 m范围内土壤出现脱盐是由于试验区枣田膜下滴灌造成的盐分小部分淋洗，生育期内膜下滴灌使土层0～100 cm平均脱盐29.37%，而竖井脱盐有效区域土层0～100 cm平均脱盐68.25%，竖井措施下脱盐效果增加约1.32倍，该竖井有效脱盐范围为距离竖井0～100 m、土层深度0～100 cm区域内。由此可知：竖井的大小、深度、及研究区水文地质条件均直接影响着竖井排水降盐效果即竖井有效影响范围和各土层深度的脱盐效果，而且本文着重研究新疆极端干旱区新开垦枣树灌区布设竖井排水工程的脱盐效果，可揭示其高效脱盐区域及脱盐程度，有利于健全极端干旱区新开垦林果种植灌区灌排系统，从而促进新开垦盐碱地有效脱盐。

本文研究发现，2017年4月比2016年9月土壤总盐增加84.42%，在距离竖井100 m范围内、距离竖井150～250 m范围内土层0～100 cm平均脱盐率分别为-167.10%、-37.42%，土层0～20 cm平均脱盐率达到最大值-194.63%，竖井脱盐有效区域即距井100 m范围内土壤表层0～20 cm返盐显著。这与鲍卫锋等[26]研究结果一致，秋冬季竖井控制区内地下水位逐渐上升使水的垂直蒸发加剧，水分通过土壤毛细管不断向地表层移动，温度变化导致冻融循环盐分向上运移[27-29]，竖井有效脱盐区域大量返盐，土壤表层盐分大量聚集。

2017年4月比2016年4月土壤总盐减少9.34%，在距离竖井100 m范围内、距离竖井150～250 m范围内土层0～100 cm平均脱盐率分别为15.77%、-0.08%，土层0～100 cm平均脱盐率为9.83%且随土层深度增加而基本保持不变，竖井有效脱盐区域0～100 cm范围内土壤表层0～20 cm盐分聚集现象明显减缓。这是由于竖井排水控制地下水位降低，使冻层内土壤含水率和含盐率都有下降，潜水蒸发减弱，竖井排水能抑制翌春土壤返盐。

本研究以两年田间试验数据量化了竖井排水工程在极端干旱区新开垦枣树种植盐碱地显著脱盐后出现返盐的程度、积盐区域，揭示了该特殊水文地质条件下土壤返盐特征，而且本研究发现在极端干旱区新开垦林果种植盐碱地应用竖井排水能有效降盐和抑制土壤返盐，这对盐碱地改良有积极作用，可以在特色瓜果等根系深、地下水位高的极端干旱地区使用。

4 结论

(1)新开垦盐碱枣田布置竖井(井深30 m、直径250 mm、间距500 m)，2016、2017年在距离竖井250 m的1m土体区域内枣树萌芽展叶期较果实成熟期土壤总盐平均分别减少52.11%、56.58%，试验期间竖井脱盐效果随运行时间增加有所增强但基本保持稳定，竖井对极端干旱区新开垦林果种植灌区的盐碱化程度有明显的改良作用。

(2)距离竖井100 m范围内、距离竖井150～250 m范围内1 m土体在2016—2017年的平均脱盐率分别为68.25%、29.37%，竖井措施下脱盐效果增加约1.32倍，竖井能使土壤显著脱盐，且竖井的有效脱盐区域在距离竖井100 cm范围内。

(3)2017年4月比2016年9月土壤总盐增加84.42%，在距离竖井100 m范围内平均脱盐率分别为-167.10%，土层0～20 cm平均脱盐率达到最大值-194.63%，非生育期间竖井脱盐有效区域即距井100 m范围内土壤表层0～20 cm返盐显著；而2017年4月比2016年4月土壤总盐减少9.34%，在距离竖井100 m范围内平均脱盐率分别为15.77%，土层0～100 cm平均脱盐率为9.83%，且随土层深度增加而基本保持不变，竖井有效脱盐区域土壤表层0～20 cm盐分聚集现象明显减缓，竖井脱盐有效区域在非生育期间返盐显著，但降低了试验区年际间返盐程度，有利于土壤脱盐。