不同滴灌方式对滨海盐碱地土壤剖面盐分变化的影响

王 航，周青云，张宝忠，尹林萍，高立凤

（1.天津农学院水利工程学院，天津300392；2.中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京100083；3.中美生态农业与水环境保护国际联合研究中心，天津300392；4.天津市武清区高村镇农业服务中心，天津301714）

土壤盐碱化威胁已成为全球最危险的环境问题之一，也是土地退化和荒漠化的主要原因[1,2]，全球每年因土壤盐碱化而退化的土地总面积达到1 000 万hm2[2]。土壤盐渍化已经成为制约农林业生产发展和土地利用效率提高的主要因素[3-5]。天津盐渍化面积占天津土地总面积的41.4%，已超过耕地面积[6]，土壤盐渍化已然成为制约天津农业可持续发展和生态稳定的重要因素。膜下滴灌为盐碱土的开发利用提供了一种有效的灌水方式，是改善滨海盐碱土比较成功的技术之一。滴灌是局部灌溉，距离滴头较近的范围内，水分充足而盐分较少，形成脱盐区[7]，地膜覆盖可以作为防止蒸发损失水蒸气的屏障，增加土壤水分的储存并增强生物活性[8]，膜下滴灌增温、保墒、抑盐效果显著[9-11]。

土壤中的盐分主要通过3种机制影响植物的生长：渗透胁迫、特定离子毒性和营养失衡，最初暴露于过量盐时，由于渗透（非特异性）作用引起植物水分胁迫，植物的生长会迅速降低，在较长的时间段（几天到几周）内，个别盐可能会积累到有毒水平，从而诱发特定离子毒性，导致作物营养失衡影响作物生长[12]。灌水可以有效降低土壤总盐分，但土壤中各个阳离子物理和化学性质不同，灌水后土壤环境改变导致阳离子之间不断发生着物理和化学变化，导致灌水对各个阳离子的淋洗效果不一致；土壤蒸发强烈时导致空隙水蒸发到大气中，使大部分盐分局限于固体土壤基质中[13]，不同阳离子其随水分扩散能力也不尽相同。土壤水分含量的变化改变了离子浓度，各个离子在湿润环境中相互作用，进而影响动力学反应速率，从而进一步影响离子浓度[14]。

阳离子被土壤交换复合物吸附的强度遵循Ca2+>Mg2+>K+>Na+，在湿润时期，二价阳离子更可能被固定在地表层中，钠盐和镁盐非常易溶，并且在土壤剖面中更具流动性，钠盐浓度的变化会影响其他盐的溶解度，从而导致土壤剖面阳离子组成发生变化[15]。灌水后土壤中大量的K+和Na+以游离态的形式存在，盐碱土壤中Na+含量较大是造成盐碱地不利于作物生长的主要原因[16]，Na+与K+竞争进入作物根系细胞，导致作物产生Na+毒害，提高土壤K+/Na+将有效改善土壤盐渍化的危害。SAR（钠吸附比）是评价土壤溶液中钠离子和钙镁离子相对数量的重要指标，较大时会破坏土壤中天然颗粒的聚集，导致土壤结构恶化。已有研究[17,18]发现植物在多盐类平衡溶液中要比处在单一盐类或不平衡的混合盐溶液中能承受更高的渗透压力。膜下滴灌提高灌水量有利于降低植株体内Na+含量[19,20]，随着膜下滴灌年限的增加，盐分累积区域有向土壤表层扩展的趋势[21,22]。本文通过比较和分析常规滴灌和膜下滴灌处理土壤剖面总盐和各个阳离子的变化，来探讨不同灌水方式下土壤总盐和各个阳离子之间的相互关系，从而为滴灌技术可持续开发利用滨海盐碱地提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地基本情况

田间试验在玉米生育期（2018年5-8月）进行，试验区位于天津市津南区葛沽镇（N38°98′，E117°38′），该区地处华北平原东北部，海河流域下游，属海积与河流冲积形成的平原区，为典型盐碱化地区。多年均降雨量556.4 mm，多集中在6-8月，年平均蒸发量为1 809.6 mm；年平均日照时数2 659.0 h，年平均无霜期206 d，地下水埋深为1 m，1 m 土层土质多为粘壤土。

1.2 试验设计及布置

试验设置2个处理，分别为常规滴灌处理（CI）和膜下滴灌处理(FI)，灌水量均为20 mm。春玉米（郑丹958）的种植模式如图1所示，行距60 cm，株距30 cm，滴灌带间距60 cm，滴头间距30 cm；春玉米覆膜方式为一膜两管两行，膜宽80 cm，滴头布置在玉米茎秆处，滴头流量1.38 L/h。各处理在两行中间取样，取样深度分别为0～20、20～40、40～60 cm，每个处理进行3次重复；玉米全生育期内灌水量、降雨量、日均气温及参考作物蒸散量如图2所示，土壤性质及阳离子成分本底值如表1所示。

表1 土壤性质及阳离子成分本底值

1.3 土壤总盐及阳离子测定方法

在实验室将土样自然风干后过1 mm 土壤筛，取水土比为5∶1 的土壤浸提液，利用EC110 型电导率仪测定浸提液电导率并换算土壤总盐；用火焰分光光度计（FP 640）测定土壤水溶性Na+、K+浓度，用EDTA 络合滴定法测定土壤水溶性Ca2+和Mg2+浓度。

1.4 数据处理

钠吸附比（SAR）采用当量公式计算：

采用Microsoft Excel 2019 软件对数据进行整理；采用Canoco for Windows 4.5软件进行土壤阳离子与土壤总盐的相关性分析，采用t-value 绘制单个离子与土壤总盐的相关性图；相关图表制作采用Microsoft Excel 2019 和Origin 2017 软件完成。

2 结果与分析

2.1 不同滴灌方式土壤总盐变化

图3 表明不同滴灌方式对0～60 cm 土层土壤总盐产生较大影响。6月22日灌水后，FI处理0～60 cm 各土层土壤总盐均减小，其中0～20 cm 土层土壤总盐降幅最大，达到32.3%；CI 处理0～20 cm 和40～60 cm 土层土壤总盐减小，平均降幅为36.5%，20～40 cm 土层土壤总盐增大，增幅达到38.1%，20～40 cm 土层土壤容重较大，入渗速率较小，导致残留了较多0～20 cm 淋洗下来的盐分。生育中期（6月23日到7月21日）CI处理0～60 cm 土层土壤总盐平均增幅为13.1%，其中40～60 cm土层受潜水蒸发影响，土壤总盐增幅较大，达到28.6%，0～20 cm 土层和20～40 cm 土层土壤总盐增幅分别为2.6%和10.4%；FI 处理0～20 cm 土层土壤总盐增幅为8.9%，20～60 cm各土层土壤总盐浓度均减小，其中40～60 cm 土层土壤总盐降幅最大，达到11.6%。成熟期（8月5日到8月22日）CI 和FI处理0～60 cm 土层土壤总盐平均浓度分别由3.46 g/kg 和3.06 g/kg 下降到2.19 g/kg 和2.52 g/kg，CI 处理降幅较大，达到37.2%；成熟期降雨量占全生育期降雨量的30.7%，较大的降雨显著降低了CI 处理0～60 cm 各土层土壤总盐浓度，尤其是0～20 cm土层，土壤总盐降幅达到57.3%。

2.2 不同滴灌方式下土壤阳离子变化

2.2.1 Ca2+分布

钙是植物生长必需的营养元素之一，土壤中钙主要以钙离子的形态吸附在交换位点上，灌水、降雨和蒸发对土壤中游离Ca2+的运移产生重要影响。由图4（a）可知，6月22日灌水后CI 和FI 处理0～20 cm 土层土壤Ca2+浓度降幅分别为33.1%和38.2%；FI处理20～60 cm 各土层土壤Ca2+浓度均减小，CI处理20～60 cm 各土层Ca2+浓度则均增大，其中40～60 cm 土层土壤Ca2+浓度增幅最大，达到55.8%。生育中期（6月23日到7月21日）CI 和FI 处理0～20 cm 土层土壤Ca2+浓度增幅分别为42.9%和38.5%，CI 处理20～60 cm 土层土壤Ca2+浓度平均增幅为23.2%，FI处理20～60 cm 土层土壤Ca2+浓度均减小，平均降幅为16.3%；成熟期（8月5日到8月22日）CI处理0～20 cm土层土壤Ca2+浓度则变化不明显，20～60 cm 土层土壤Ca2+浓度增幅达到70.6%，FI 处理0～60 cm 各土层土壤Ca2+浓度变化均不明显。成熟期较大的降雨量显著提高了CI 处理20～60 cm 土层土壤Ca2+浓度。

2.2.2 Mg2+分布

图4（b）表明，6月22日灌水后，CI 和FI 处理0～20 cm土层土壤Mg2+浓度降幅均达到50%以上，FI 处理20～40 cm 土层土壤Mg2+浓度降幅为43.3%，CI处理20～40 cm土层土壤Mg2+浓度增大，增幅为17.1%，CI 和FI 处理40～60 cm 土层Mg2+降幅分别为22.2%和11.1%。生育中期（6月23日到7月21日）CI 和FI 处理0～40 cm 各土层土壤Mg2+浓度均增大，其中CI 处理0～20 cm 土层土壤Mg2+浓度增幅最大，达到133.2%；CI 和FI 处理40～60 cm 土层土壤Mg2+浓度均减小，其中FI 处理降幅较大，达到38.8%。成熟期（8月5日到8月22日）CI 和FI 处理0～60 cm 土层土壤Mg2+平均浓度分别由0.087 g/kg 和0.060 g/kg 下降到0.017 g/kg 和0.057 g/kg，CI 处理降幅较大，达到81.6%；CI 处理0～20 cm 土层土壤Mg2+浓度小幅减小，20～60 cm 土层土壤Mg2+浓度显著减小，较大的降雨显著降低了CI 处理深层土壤Mg2+浓度。

2.2.3 Na+分布

图4（c）表明，6月22日灌水后，CI和FI处理0～20 cm和40～60 cm土层土壤Na+浓度降幅均达到30%以上，其中FI处理0～20 cm 土层土壤Na+降幅最大，达到51.0%；FI 处理20～40 cm 土层Na+浓度减小，CI 处理则增大，20～40 cm 土层土壤容重较大，入渗速率较小，导致残留了较多0～20 cm 淋洗下来的Na+，FI 处理覆膜保墒效果较好，灌水后水分下渗效果较好，有利于降低20～40 cm 土层土壤Na+浓度。生育中期（6月23日到7月21日）CI处理0～60 cm 土层土壤Na+平均浓度由0.977 g/kg 增大到1.130 g/kg，增幅为13.6%，其中40～60 cm 土层土壤Na+浓度增幅较大，达到29.2%；FI 处理0～40 cm 土层土壤Na+浓度变化不明显，40～60 cm 土层土壤Na+浓度减小，降幅为12.5%。成熟期（8月5日到8月22日）CI和FI处理0～60 cm土层土壤Na+平均浓度分别由1.267 g/kg 和1.060 g/kg 下降到0.583 g/kg 和0.703 g/kg，CI 处理降幅较大，达到54.2%；其中CI 处理0～20 cm 土层土壤Na+浓度降幅最大，达到85.4%；FI处理20～60 cm 土层土壤Na+浓度变化则不明显；较大的降雨不仅显著降低CI 处理表层土壤Na+浓度，同时对CI 处理深层土壤Na+具有较强的淋洗作用。

2.2.4 K+分布

K+的离子半径较小，在灌溉水的作用下K+容易进入黏土矿物的层状结构内且难再释放。图4（c）表明，6月22日灌水后，CI 和FI 处理0～60 cm 土层土壤K+平均浓度分别由0.250 g/kg 和0.260 g/kg 增加到0.257 g/kg 和0.383 g/kg，FI 处理增幅较大，达到45.6%，其中FI 处理0～20 cm 土层K+浓度增幅最大，达到80.2%；CI 和FI 处理20～60 cm 土层K+浓度变化均较小。生育中期（6月23日到7月21日）CI和FI处理0～60 cm土层土壤K+平均浓度分别由0.257 g/kg 和0.383 g/kg 减小到0.217 g/kg 和0.287 g/kg，其中FI 处理0～20 cm 土层降幅最大，达到40.7%。成熟期（8月5日到8月22日）CI处理0～40 cm 土层土壤K+浓度平均增幅为34.2%，40～60 cm土层变化不明显；FI处理0～20 cm 土层K+浓度减小，20～60 cm 土层土壤K+浓度均增大，平均增幅为74.9%。

2.3 不同滴灌方式下土壤SAR变化

图5表明不同滴灌方式对土壤SAR产生较大影响，灌水显著降低了FI 处理0～60 cm 各土层和CI 处理0～20 cm 土层土壤SAR，降雨则显著降低了CI处理0～20 cm 土层土壤SAR，蒸发较强烈时CI和FI处理0～60 cm 土层土壤SAR变化均较小。6月22日灌水后CI和FI处理0～60 cm 土层土壤平均SAR 分别由4.3和4.2 下降到3.2 和2.9；FI 处理0～60 cm 各土层土壤SAR 平均降幅较大，达到43.7%；CI 处理0～20 cm 土层土壤SAR 减小，降幅为16.0%，20～40 cm 土层土壤SAR 增大，增幅为58.4%；灌水将CI 处理0～20 cm 土层的Na+、Ca2+和Mg2+淋洗到20～40 cm 土层，由于Na+降幅较大，导致0～20 cm 土层土壤SAR 减小，20～40 cm 土层土壤SAR 显著增大。生育中期（6月23日到7月21日），CI 和FI 处理0～60 cm 各土层土壤SAR 变化均较小。成熟期（8月5日到8月22日）CI 和FI 处理0～60 cm 各土层土壤SAR 均减小，其中CI 处理0～20 cm 土层土壤SAR 降幅较大，达到86.9%。

2.4 不同滴灌方式下土壤K+/Na+变化

灌水显著提高了CI和FI处理0～20 cm土层土壤K+/Na+，其中FI 处理增幅远远大于CI 处理；较大的降雨显著提高了CI 处理0～20 cm 土层土壤K+/Na+；土壤蒸发较强烈时，FI 处理可以充分抑制土壤Na+表聚，从而提高表层土壤K+/Na+。图6 表明，6月22日灌水后CI和FI处理0～60 cm 土层土壤平均K+/Na+均增大，其中FI 处理0～20 cm 土层增幅最大，达到269.6%；生育中期（6月23日到7月21日）CI和FI处理0～60 cm各土层土壤平均K+/Na+分别由0.3 和0.4 下降到0.2 和0.3；CI 和FI 处理0～20 cm 土层土壤K+/Na+降幅较大，分别为30.2%和56.5%，CI处理0～20 cm土层土壤K+和Na+浓度增幅相当，FI处理土壤Na+浓度增幅远远小于K+增幅，土壤较干旱时，FI 处理可以充分抑制土壤Na+表聚，而提高表层土壤K+/Na+。成熟期（8月5日到8月22日）CI和FI处理0～60 cm 各土层土壤K+/Na+均显著增大，其中CI 处理0～20 cm 土层增幅达到640.3%，成熟期总降雨量达到200 mm，较大的降雨将CI处理0～20 cm 土层土壤Na+淋洗到深层土壤，使得表层土壤K+/Na+显著增大。

2.5 土壤总盐与土壤阳离子相关性分析

对土壤总盐与土壤Ca2+、Mg2+、K+和Na+进行t值检验，根据t-value 双序图分析得到CI 和FI 处理各个阳离子与土壤总盐的相关关系。对CI 处理进行分析[见图7(a)]，土壤Na+完全落入实线圈内，表明土壤总盐与土壤Na+呈显著正相关性；土壤Ca2+和K+完全落入虚线圈内，表明土壤总盐与土壤Ca2+和K+呈显著负相关性；土壤Mg2+穿过虚线圈，表明土壤总盐与土壤Mg2+呈负相关性。FI处理土壤总盐与土壤各阳离子的关系表明[见图7(b)]，土壤总盐与土壤Na+呈显著正相关性，与土壤K+和Mg2+呈显著负相关性，与土壤Ca2+呈正相关性。

不同滴灌方式创造不同的土壤水分环境，土壤中各个阳离子物理和化学性质的差异导致灌水对各个离子的影响不一致，土壤总盐及各阳离子的变幅也不尽相同。图8表明，灌水后CI 和FI 处理0～20 cm 土层土壤总盐降幅分别为25.2%和32.6%，FI处理0～20 cm土层土壤Na+和Mg2+降幅均达到50%以上，CI 处理土壤Na+和土壤总盐降幅相当，但土壤Mg2+降幅达到50%以上。FI 处理20～40 cm 土层土壤总盐降幅为19.6%，土壤Na+和Mg2+降幅分别达到27.7%和43.5%，均大于土壤总盐降幅；CI处理20～40 cm土层土壤总盐增大，灌水将0～20 cm土层土壤盐分淋洗到20～40 cm土层。0～40 cm土层以总盐的降幅作为灌水淋洗标准低估了灌水对改善作物根际离子毒性的影响，以Na+和Mg2+的淋洗程度作为盐碱地盐分淋洗的指标可以更准确地控制灌水量，提高灌溉水利用率。

3 讨 论

滴灌过程中土壤离子随水分迁移到深层土壤，CI 和FI 处理0～20 cm 土层土壤总盐和各离子浓度均减小，由于Na+水化半径较大，更容易随水分迁移[23,24]，较大的Na+降幅导致SAR显著减小，K+/Na+显著增大，FI 处理由于覆膜保墒效果明显，对Na+淋洗程度较大，K+/Na+增幅较大；由于滴灌是一个较缓慢的过程，CI 处理在灌水后受土壤蒸发影响较大，在灌水和土壤蒸发双重因素影响下20～40 cm 土层出现明显的Na+积累，导致SAR 增大，K+/Na+减小；灌水后有一部分水迁移到深层土壤，由于土壤蒸发的影响，CI 处理迁移到深层的水较少，CI处理迁移到40～60 cm 土层的水提高了土壤中Ca 的溶解性，增大了Ca2+浓度，而FI 处理迁移到40～60 cm 土层的水分较多，较多的水分将Ca2+淋洗到60 cm 以下土层。CI处理20～60 cm 土层土壤K+浓度均减小，FI 处理则均增大，其K+/Na+也显著增大，一方面K+对土壤胶体的亲和力较大[25]，不易被水分淋洗，另一方面K+是作物生长的必须营养元素，尤其在拔节期，作物对K+需求量较大，作物对K+存在主动吸收过程[26]，CI 处理作物根系环境受土壤蒸发影响较大，温度和水分不稳定，FI处理为作物生长提供一个适宜环境，作物生长旺盛，对K+的需求量较大，从而提高FI处理0～60 cm土层土壤K+浓度。

降雨之后CI 处理0～40 cm 土层土壤Na+和Mg2+浓度均显著减小，本研究区域Na+含量占土壤阳离子总含量的70%以上，所以降雨之后CI 处理土壤总盐显著减小。较丰富的降雨提高了土层中Ca2+和K+的溶解性，降雨对CI处理0～40 cm 土层土壤Mg2+产生了有效淋洗，但由于Na+浓度减小，Ca2+浓度增大，SAR 仍然减小。Mg2+对作物生长起着重要作用，但盐碱地中较大的Mg2+浓度往往对作物产生伤害[27]，降雨显著降低了CI 处理0～40 cm 土层土壤Mg2+浓度，K+/Na+平均增幅达到426.8%，有效降低了土壤Na+毒性，更有利于作物生长。

由于灌水仅在农田干旱时进行，北方农田在作物全生育期降雨期较短，所以干旱期土壤盐分的变化成为主要的研究对象。受土壤蒸发影响，CI处理0～40 cm土层土壤Ca2+、Mg2+、Na+和总盐浓度均增大，K+不易随水分蒸发而向上迁移，所以K+/Na+均减小；CI 处理由于Ca2+和Mg2+浓度增幅较大，所以SAR 减小，FI处理Na+浓度增幅较大导致SAR 增大，但FI处理SAR 仍小于CI 处理。由于FI 处理为半覆膜，表层一半土壤受土壤蒸发影响，一半不受土壤蒸发影响，表层土壤下面土体相互连通，土壤离子随水分向上蒸发的过程中在覆膜区和无覆膜区存在再分布过程，所以FI处理仅仅0～20 cm土层出现了盐分积累，主要是Na+增幅较大，但土壤总盐和Na+浓度均小于CI 处理。土壤干旱时覆膜处理可以减小盐分表聚程度，减小盐分离子对作物的毒害作用。由于潜水蒸发影响，CI 处理40～60 cm 土层土壤Ca2+、Na+和总盐均增大，其中Na+浓度增幅最大，导致SAR 增大，K+/Na+减小；FI 处理40～60 cm 土层各土壤离子变化幅度均较小。

盐碱地根系层土壤中较高的Na+和Mg2+浓度对作物生长产生离子毒性，滨海盐碱地Mg2+含量少，Na+是主要的毒害离子，灌水后Na+更易随水分向下迁移，而土壤总盐与土壤Na+具有显著正相关性，灌水后Na+降幅远远大于土壤总盐降幅，以Na+的降幅作为灌水指标可以更准确控制灌水量。灌水对表层土壤盐离子产生较好的淋洗效果，0～40 cm 土层以总盐的降幅作为灌水淋洗标准低估了灌水对改善作物根际离子毒性的影响，滨海盐碱地以Na+的淋洗程度作为盐碱地盐分淋洗的指标可以更精准的控制灌水量，提高灌溉水利用率。干旱期CI 处理0～40 cm 土层土壤总盐增幅为6.2%，而Mg2+增幅则达到80.3%，盐碱地中较多的Mg2+对作物的生长产生伤害，Ca2+浓度增幅远远小于Mg2+，干旱期土壤过高的盐分浓度对作物产生的伤害不仅仅是盐胁迫，更多是单个离子的毒害作用；FI 处理0～20 cm 土层土壤总盐增幅8%左右，Mg2+浓度增幅为33.3%，远小于CI 处理，FI 处理相比CI 处理能够较大程度的减小Mg2+的毒害作用，且降低Mg2+毒害深度。

4 结论

（1）常规滴灌和膜下滴灌处理灌水后0～60 cm 土层土壤Ca2+、Mg2+和Na+浓度，膜下滴灌处理0～20 cm 土层土壤K+浓度和K+/Na+显著增大；常规滴灌处理降雨后0～20 cm 土层土壤Na+浓度、SAR 和20～60 cm 土层土壤Mg2+浓度显著降低；较强的土壤蒸发显著提高了常规滴灌处理0～20 cm 土层土壤Ca2+、Mg2+和Na+浓度，常规滴灌和膜下滴灌处理0～60 cm 土层土壤SAR 变化不明显；膜下滴灌处理可以充分抑制土壤Na+表聚，提高表层土壤K+/Na+。

（2）常规滴灌和膜下滴灌处理灌水后0～20 cm 土层土壤总盐降幅分别为25.2%和32.6%，膜下滴灌处理0～20 cm 土层土壤Na+浓度降幅达到50%以上，常规滴灌处理土壤Na+和土壤总盐降幅相当；常规滴灌处理降雨后0～60 cm 各土层土壤Na+浓度降幅均达到50%以上，而土壤总盐降幅仅为30%左右，以土壤Na+作为指标评估灌水和降雨对改善作物根际盐分的作用更准确，可以更准确地控制灌水量，提高灌溉水利用率。

（3）常规滴灌和膜下滴灌处理土壤总盐均与土壤Na+浓度呈显著正相关性，与土壤K+浓度呈显著负相关性，与土壤Mg2+浓度呈负相关性。