不同粉垄深度和春灌灌水量对土壤水盐运移规律影响研究

曹明海，刘洪光，王 刚，冯进平，徐亦彬，雪 宝

（1.石河子大学水利建筑工程学院，新疆石河子832000；2.现代节水灌溉兵团重点实验室，新疆石河子832000；3.新疆农垦科学院，新疆石河子832000）

新疆地处西北干旱区，盐碱耕地面积已达162 万hm2[1]，其中南疆的占比达到了49.6%[2]。自1996年将膜下滴灌技术应用到新疆盐碱地种植上，一定程度上缓解了新疆水资源不足的问题[3]。但由于新疆长期以来使用犁翻耕作措施，使得耕层的松土层多在15~20 cm之间[4]，造成土壤板结严重，形成犁底层，致当地土壤盐碱化日益加重，降低土地生产效益[5]，因此土壤盐碱化加重成为阻碍新疆农业发展的最主要因素[6]。

目前，南疆农业上常用盐渍化土壤的改良方式是让土壤进行传统翻耕后再大水漫灌，来降低土壤含盐量，使得土壤保持一定的湿度，为播种和保苗创造有利条件。郭路利[7]等研究指出，春灌灌水频率间隔一天，每次春灌灌水定额分别为1 500、2 250、3 000 m3/hm2时抑制返盐效果最为明显。李文娟[8]等在研究不同春灌灌水量来改良盐碱地水盐分分布时指出，在排水条件相同的条件下，对于中盐度棉田采用灌水量3 750 m3/hm2即可满足棉田0~60 cm 深度范围脱盐稳定。Chastain[9]等在研究不同频率春季灌溉的处理时，得出多频率春灌能有效改良中度盐碱地，显著提高土壤肥力。童文杰[10]等在研究传统的旋耕（20 cm）、深耕（30 cm）、深松（30 cm）措施对土壤耕层结构改良效果中发现，深耕和深松均有利于改善土壤容重、孔隙度、土壤水分等土壤物理性状，提高土壤的通透性，促进植物的生长。这些措施对盐碱地的改良都具有一定的效果，但是都不能高效的利用灌溉水、改善土壤结构，不适用于长久的盐碱地改良。粉垄耕作技术是一项新型农耕技术[11]，在广西的盐碱地改良利用上也已经取得初步成效[12]，研究表明，该技术使得土壤粉碎成垄、孔隙度增加、容重降低，提高土壤水分含量，进而改善土壤结构[13]。

但由于南疆盐碱地的特殊性，仅靠粉垄耕作与生育期内灌溉理论上很难将土壤中的盐分迁移到很深的地方[14]，而春灌刚好可以起到这方面的作用，为此，本研究针对重度盐碱化土壤，通过对棉田非生育期设置不同粉垄深度和灌水量相结合的方式，比较了粉垄耕作和传统拖拉机翻耕两种方式对土壤物理性质、含水量和含盐量的影响，以明确粉垄耕作技术物理性改良盐碱地的机理。本文以图木舒克市棉田为试验研究对象，选取合适的粉垄深度和春灌灌水量，为南疆图木舒克市棉田春灌提供理论依据与技术支撑。

1 试验材料与方法

1.1 试验区概况

该实验区位于新疆兵团第三师图木舒克市51团（北纬39°98´~40°01´；东经79°03´~79°05´；海拔1 014.1~1 034.2 m）作为研究样本地（图1），实验取样田紧邻。试验区属温带极干旱荒漠气候，日照时间长，昼夜温差大，年平均气温11.6 ℃，最热7月平均气温25~26.7 ℃，最冷1月平均气温-7.3~-6.6 ℃，最大冻土深度为78 cm。年平均无霜期225 d，年降水量38.3 mm，地表蒸发强烈，年蒸发量在2 000 mm 左右，相对湿度47%~60%。年大风日数4.1~15.1 d，风速1.3~2.4 m/s，最大风速31 m/s。土壤为盐渍化土壤，土壤质地为砂壤土，土壤平均容重为1.38 g/cm3。

1.2 试验设计

试验选择在大田进行，试验田总长600 m，宽360 m，分成3 块长200 m，宽120 m 的区域，每块区域设12 个小区，每个小区约为2 000 m3，且在试验区周围设有保护带，防止相互干扰。每块实验田具体布设如图1所示。

试验棉田于2019年11月13日用粉垄机进行粉垄深松破障，以传统翻耕方式CK(20 cm)作为对照组，CK对照组采用拖拉机带旋耕机旋耕作业完成。在灌前取样点周边土样后（土壤基本物理性质如表1所示），2020年3月20日进行定额灌溉（见表2）。灌溉水为地下水，矿化度约为0.67 g/L，通过水泵来抽取，用水表计算灌水量，灌溉水离子组成如表3所示。其他时间监测数据，地下水埋深都在5 m以下（可以忽略地下水对土壤盐分变化的影响）。每个小区春灌灌水1 次，分别在3块试验田共36 个小区依次进行灌水。灌后在2020年4月5日取土样，通过土钻在实验地较为平坦的地面进行取土，取样深度为160 cm，从土层表面开始，10 cm 为一层。实验区土壤采样点位布设在每个实验地的中心处，共36 个采样点，每个点选取合适采样点，重复2次采样，实验分析结果为采样数据平均值。试验选取的粉垄深度分别为40、60、80 cm，设为S1、S2、S3，3个水平。试验选择粉垄深松的耕作模式进行棉田试验，采用粉垄深度和灌水量双因素组合对试验田进行设计，试验设计中的灌水量依据当地生产中的灌水量和文献灌水量设计灌水水平为3 600 m3/hm2，考虑节水因素，以设计灌水水平来设置其他两个灌水水平，即高灌水、中灌水和低灌水3 个灌概水平，设为W1（2 400 m3/hm2）、W2（3 000 m3/hm2），W3（3 600 m3/hm2），3个水平。

表2 不同粉垄深度棉田春灌灌水量处理Tab.2 Spring irrigation amount treatment of cotton field with different ridge depths

表3 灌溉水离子浓度Tab.3 Ion concentration in irrigation water

1.3 试验样品测定

测定土壤容重时，采用环刀法；测定土壤的含水率时，采用烘干法；测定土壤饱和含水量时，将原状土的环刀称重，盖上有粗滤纸的底盖，将环刀放入水中，保持水面与环刀上口齐平，水分通过底盖小孔和滤纸沿土壤孔隙上升。到达预定时间将环刀取出，用干布将环刀外部擦干，放到已知重量的器皿中，然后连同器皿一起称重。称毕，将环刀仍放回原处，使之继续吸水饱和，再次称重，如此操作，直到恒重为止。将土放入烘箱中烘干，测定其含水量，即得土壤饱和含水量。

测定脱盐率时，将测得含水率后的烘干的土样磨碎过筛后，称取5 g 土，并加25 mL 蒸馏水配成溶液，震荡后过滤到洁净的玻璃瓶内。用DDS-307 电导仪来测量溶液电导率EC值。本文对春灌前、春灌后土壤脱盐率P进行分析比较脱盐效果，土壤脱盐率采用下式计算：

式中：Co为灌水前土壤电导率，mS/cm；Ce为灌水后土壤电导率，mS/cm。当P＞0 时，表示土壤脱盐；当P＜0 时，表示土壤积盐；当P=0时，表示盐分平衡。

1.4 数据分析

通过Microsoft Excel 2007 和Origin 2019 等软件对实验数据进行处理和制图，用Spss 16.0进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 粉垄技术对土壤物理性质的影响

2.1.1 粉垄深度对土壤容重的影响

由表4 可知，在0~80 cm 土层，粉垄耕作40 cm 的土壤容重较CK(20 cm)相比分别降低了10.9%、10.5%、20.7%、3.8%、1.4%、0、0.6%、-0.7%；粉垄耕作60 cm 土壤容重分别降低了9.7%、11.2%、19.4%、3.1%、4.2%、2.8%、0、-0.7%；粉垄耕作80 cm 土壤容重分别降低了10.3%、10.5%、18.8%、4.5%、3.5%、2.1%、4.8%、2.9%，各粉垄耕作在0~40 cm 土层，与传统翻耕相比，土壤容重均有明显下降。这是因为粉垄耕作打破了土壤20~40 cm 的犁底层，所以粉垄耕作在其土层土壤容重均降低明显。各处理总体起来看，容重减小效应的大小顺序为：S3＞S2＞S1＞CK。

表4 不同耕作处理的土壤容重 g/cm3Tab.4 Soil bulk density under different tillage treatments

2.1.2 粉垄深度对土壤饱和含水量的影响

由表5可见，粉垄耕作处理土壤的饱和含水量较传统翻耕CK 相比，随着粉垄深度的不断加深，深层土壤的饱和含水量也随之变大，粉垄耕作40 cm 的土壤饱和含水量较CK 相比分别提高了7.6%、6.1%、39.2%、31.6%、0.8%、-1.1%、-2.1%、0.9%；粉垄耕作60 cm 土壤饱和含水量分别提高了6.8%、5.2%、40.5%、36.1%、19.1%、5.3%、-0.6%、1.3%；粉垄耕作80 cm 土壤饱和含水量分别提高了6.2%、4.9%、35.4%、33.5%、17.0%、9.6%、5.8%、7.8%。土壤饱和含水量标志着土壤的最大持水能力，饱和含水量愈大，越利于土壤的蓄水保水的能力。各处理的饱和含水量总体起来看，饱和含水量增大效应的大小顺序为：S3＞S2＞S1＞CK。

表5 不同耕作处理的土壤饱和含水量 %Tab.5 Soil saturated water content under different tillage treatments

2.1.3 粉垄深度对土壤总孔隙度的影响

由表6 可见，粉垄耕作40 cm 的土壤总孔隙度较CK 相比分别提高了4.3%、8.4%、20.5%、11.2%、4.5%、-5.1%、4.3%、-3.7%；粉垄耕作60 cm 土壤总孔隙度分别提高了5.7%、8.9%、19.7%、14.7%、32.2%、10.9%、4.6%、3.3%；粉垄耕作80 cm 土壤总孔隙度分别提高了5.4%、7.6%、19.1%、9.1%、29.8%、20.3%、33.4%、28.5%。传统翻耕下的各层土壤总孔隙度的差异远不如粉垄耕作过的明显。各处理的土壤总孔隙度的增加效应顺序仍然是：S3＞S2＞S1＞CK。

表6 不同耕作处理的土壤总孔隙度 %Tab.6 Total soil porosity under different tillage treatments

总体上看，经过粉垄深松的土壤容重显著低于传统翻耕CK，土壤的饱和含水量、总孔隙度则显著高于传统翻耕CK，其中，粉垄深度越深的土壤物理性质变化最明显，土壤结构相对较好，通气和持水能力更佳。

2.2 粉垄深度和灌水量对土壤水分分布影响

2.2.1 春灌灌水量对棉田土壤水分的影响

实验区土壤灌后的水分含量平均值见图2。可以看出，在相同粉垄深度的条件下不同春灌灌水定额W1（2 400 m3/hm2）、W2（3 000 m3/hm2）、W3（3 600 m3/hm2）对棉田土壤的影响。各处理的土壤含水率随着春灌定额的不同均显示不同程度的变化，粉垄处理的土壤与传统翻耕CK 相比均表现为随着灌水量的不断变大，土壤的含水率渐渐变大，因此棉田土层含水率的变化与春灌灌水量关系密切。由图2对比相同粉垄深度的土壤含水率可以发现，春灌明显改善了灌后的土壤含水率的大小，灌水定额越大的粉垄处理，其土壤土层的含水率，特别是在0~80 cm 土层的含水率平均值提升幅度要高于传统耕作CK 处理。在土层0~80 cm 内，粉垄深度S1（40 cm）、S2（60 cm）、S3（80 cm）土壤含水率平均值在灌水W1（2 400 m3/hm2）下比传统耕作CK高出为4.88%、15.61%、12.08%；在灌水W2 （3 000 m3/hm2） 下比传统耕作CK 高出为7.22%、15.54%、12.72%；在灌水W3（3 600 m3/hm2）下比传统耕作CK 高出为7.33%、18.49%、14.45%。由此可分析出在相同粉垄深度下，春灌灌水定额的增大可改善土壤土层的水分分布及含量大小。

图2 不同春灌灌水量对棉田土壤水分的影响Fig.2 Effects of different spring irrigation amount on soil moisture in cotton field

2.2.2 粉垄处理深度对棉田土壤水分的影响

图3 整体上可以看出，在相同灌水定额条件下的粉垄深度S1（40 cm）、S2（60 cm）、S3（80 cm）土壤含水率平均值较传统翻耕CK 相比，均表现为明显高于传统翻耕处理，因此粉垄深松的耕作方式对春灌后的土壤含水率的大小具有明显影响。主要表现在，当灌水定额相同时，传统翻耕方式CK 仅在0~20 cm 时的含水率接近于粉垄耕作处理，粉垄深松后土壤含水率整体上均随春灌灌水定额的增大而升高，特别是20~100 cm 土层出现了含水率大幅提高的现象。当灌水定额为2 400 m3/hm2处理[见图3（a）]时，粉垄处理下的0~70 cm 土层含水率增幅明显高于CK 处理；当灌水定额增大到3 000 m3/hm2时[见图3（b）]，土壤含水率的增加深度可达100 cm；随着春灌灌水定额增大到3 600 m3/hm2[见图3（c）]时，土壤含水率在图中竖直y 轴上可以看出其受影响更为明显，虽然土壤水分在田间蒸发和入渗的作用下消耗了一部分，但是粉垄深松处理过后的土壤较传统耕作CK 而言，仍存储了相当多的水分，随灌水量的增加，粉垄耕作方式对含水率的影响效果越来越明显，且均高于传统耕作，但是相同春灌定额处理下的S1、S2、S3 土壤含水率在10~40 cm 增幅效果不大。

图3 不同粉垄深度处理对棉田土壤水分的影响Fig.3 Effect of different powder ridge depth treatment on soil moisture in cotton field

2.3 粉垄深度和灌水量对土壤盐分分布影响

2.3.1 春灌灌水量对棉田土壤盐分的影响

实验区各处理春灌后的土壤盐分含量见图4。图4 显示，春灌水量的不同对土壤盐分分布也会产生一定的影响，传统耕作CK 的土壤含盐量表现出上高下低的盐分分布特征，而经过定额春灌后，土壤土层的含盐量发生显著变化，所以春灌灌水量明显改善了土壤盐分的分布特征。当粉垄深度在40 cm时，0~100 cm 的土层总体上表现出定额灌水量W3处理下的盐分含量平均值要低于W1、W2 的土壤盐分含量。当粉垄深松在60 cm 时，土层竖直方向上盐分在春灌后土层含盐量差异较大。当粉垄深松增加到80 cm 时，可以看到随着春灌灌水量的不断增大，淋洗盐分的效果越好，土壤盐分被水分运移至土壤深处。不同灌水定额处理下，在0~80 cm 土层含盐量增幅大小表现为CK＜S1＜S2＜S3，而在80~100 cm 土层含盐量受灌水定额大小变化幅度不大。

图4 不同春灌灌水量对棉田土壤盐分的影响Fig.4 Effect of different spring irrigation amount on soil salt content in cotton field

2.3.2 粉垄深度对棉田土壤盐分的影响

图5表明，在相同春灌水定额的条件下，各耕作处理的土层含盐量均有不同程度的下降，从土壤的剖面可以看出，各土层含盐量变化与粉垄处理的深度大小关系十分密切。当春灌灌水定额较小时[见图5（a）]，各处理的上层土壤含盐量减少明显，深层土壤的含盐量几乎不受灌水量的影响，粉垄耕作与传统耕作处理差别不大；而春灌灌水定额渐渐增加到最大时[见图5（b）和图5（c）]，土壤土层受粉垄耕作深度的影响越来越大，相同灌水定额的情况下，0~100 cm 的土壤含盐量均低于传统耕作处理CK，100 cm 以下土壤盐分含量粉垄深松处理和传统耕作处理CK 差距不大。当灌水定额在2 400 m3/hm2时，在0~100 cm 土层，总体上表现为传统耕作CK 处理下的盐分含量要高于各粉垄深松处理的土壤盐分含量。当灌水定额在3 000 m3/hm2时，土层竖直方向上盐分在春灌后土层含盐量差异明显，在0~100 cm 时，粉垄条件下灌水后的土层盐分远小于传统耕作下CK 的土壤盐分。当灌水定额增加到3 600 m3/hm2时，可以看到随着粉垄深度的不断增大，淋洗盐分的效果越好，说明盐分会在粉垄深度的不断增加来运移至土层更深处。

图5 不同粉垄深度处理对棉田土壤盐分的影响Fig.5 Effect of different powder ridge depth treatment on soil salt content in cotton field

2.4 粉垄深度和灌水量对土壤脱盐率的影响规律

脱盐率作为土壤淋盐洗盐效果分析的重要指标，本试验用来评价粉垄深度和定额灌水量协同作用下实验区的脱盐效果。表7为各粉垄深度和定额灌水量处理后各层土壤脱盐效果分析，0～80 cm 土壤平均脱盐率由大到小依次为S3、S2、S1、CK。其中S3、S2 处理淋洗、脱盐效果较好，土壤脱盐率显著高于CK 处理，0～80 cm 高达27.19%和36.73%，较传统翻耕CK 的4.60%土壤脱盐率高出22.59%、32.13%，S1 处理土壤脱盐率略低于CK 处理但不显著。脱盐率和粉垄深度成正比关系，因为灌溉时土壤盐分开始溶解于灌溉水中，水分向土壤更深处运移，导致粉垄越深的地方土壤盐分淋洗效果越好。各粉垄深松处理在0～40 cm 土壤脱盐率最大，且随着土壤定额灌水量的增加土壤脱盐率逐渐增大。粉垄深松各处理在0～80 cm 土壤脱盐率优于传统翻耕CK。棉花根系主要分布在0～40 cm 土层，土壤脱盐率由大到小依次为S3、S2、S1、CK，即粉垄耕作处理可显著降低根层土壤盐分。当灌水量在3 600 m3/hm2时，S3、S2 处理0～40 cm 土壤脱盐效率较好且无显著差异，二者显著大于CK、S1 处理。S2 处理显著高于CK 和S1处理，CK 处理脱盐效率最差，说明传统耕作处理下的春灌不足以把土壤盐分淋洗出根层土壤。S1、S2、S3 处理灌后均具有较好的脱盐效果，根层土壤(0～40 cm)脱盐率比CK 处理分别提高了24.80%、39.05%、44.17%。考虑到节约成本和土壤脱盐率，粉垄深松处理60 cm 在春灌灌水量3 600 m3/hm2时，根层土壤(0～40 cm)脱盐率最优，且灌后土壤盐分能保证作物正常生长。

表7 各不同处理0~80 cm土层土壤脱盐率 %Tab.7 Soil desalination rate in different soil layers of each treatment

3 讨 论

在己有研究工作的基础上，本文探讨了南疆图木舒克市春灌对土壤水盐分布的影响，初步了解了春灌灌水定额和粉垄深松技术对当地土壤物理性质和水盐分布的影响特征。根据本文实验结果，综合考虑粉垄深度及灌水定额对棉田土壤水盐分布的影响及脱盐率，研究认为在粉垄60 cm 的条件下春灌灌水定额为3 600 m3/hm2比较适宜当地灌溉制度。

通过实验发现，粉垄耕作措施可以优化土壤结构，提高土壤持水能力，促进土质疏松透气，总体上显著改善了土壤的物理性质。与传统翻耕相比，土壤容重显著降低，且能够疏松土壤，从而增加土壤的最大持水量和总孔隙度，这与韦本辉[12]等人提出用粉垄技术改良盐碱地，使得土壤空隙度变大，促进盐碱地土壤中的盐分向下层土壤迁移从而达到改良盐碱地的实验结果较一致。

南疆地区现有的改良盐碱地的措施是在3~4月进行春灌，以来抑制上层土壤的含盐量，增加土壤含水量[15]，春灌处理改善了棉田水盐环境，作物的产量均出现增大[16]。然而盲目的对棉田进行大水漫灌不但会造成严重的水资源浪费，而且还易导致地下水位升高，土壤板结，加剧棉田土壤次生盐渍化，使得原来的好地变成盐碱地[17]。根据本文试验结果，认为3 600 m3/hm2的春灌定额在试验条件下比较适宜。与虎胆·吐马尔白等[8]在南疆研究春灌灌水量给出的灌水定额应在3 750 m3/hm2以内来保证生育期的淋洗盐分、以及胡宏昌等[18]认为南疆棉田非生育期应保持3 750 m3/hm2左右的灌水量才可保障棉田的出苗率，和李志刚等[19]在干旱地区农业灌溉研究得出的冬春灌灌水定额应控制在3 750 m3/hm2等研究成果比较接近。定额春灌虽然不能改变土壤盐分总量，但是随着灌水定额的不断增大，可以通过粉垄深松技术来使得盐分向土层的更深处迁移，从而重新分配各层的土壤含盐量[20]，这样可淋洗盐分至耕作层下100 cm，提高水分利用效率，降低上层土壤含盐率，达到棉田增产增收的目的。

棉田土壤在粉垄深松措施下，土壤被进行旋削粉碎，使灌水下渗更加均匀，土壤盐分在水分运动下不断向深层迁移，并且随着粉垄耕作深度越深，灌水后向深层迁移的盐分越多，上层盐分含量越低，深层盐分累积的越多，而传统耕作CK 处理，由于水分入渗不均匀，从而导致土壤盐分随之迁移的不均匀。因此，从这个角度上来说粉垄深松模式的处理相对于传统耕作更为适宜。综合考虑，认为在粉垄深度为60 cm 的条件下进行春灌比较适宜。这与王斌等人[21]通过粉垄实验改变土壤结构发现，以粉垄深度为50 cm 能达到马铃薯最佳的增产增收效果的结论相一致。

通过实验比较，传统耕作易导致水分入渗分布不均，盐分分布空间变异较大。而粉垄模式下的水分和盐分的运移规律性较强，土壤耕作层盐分更易被淋洗至深层，更易给作物营造出一个良好的水盐生境。本研究主要以春灌后棉田的土壤水盐分布情况为研究对象，在试验过程中，由于时间、仪器等条件限制，难以准确全面的观测，只能以定点取样、分析做出一定的理论推理。由于各个地区土壤的含盐量本身存在区别，加剧结论复杂性，并且粉垄耕作深度和春灌水量最佳配比的确定还与土壤质地、当地气候等因素有关，许多方面的问题还远未得到解决，尤其是对中低度盐碱地的影响区别，因此，有关最佳南疆粉垄耕作方式下的春灌灌水定额效果还应继续深入研究。

4 结论

通过本次实验的田间观测、调查和分析，本文得出：

（1）粉垄耕作技术能够降低耕作层的土壤容重，增加土壤饱和含水量、总孔隙度，有效的改善土壤结构，达到改良盐碱地的目的。

（2）春灌具有良好的压盐效果，粉垄耕作后的土层随着春灌水量越多，土壤含水率越高，脱盐率效果越好，尤其在土层0~100 cm 之内的含水率、含盐量随着灌水量的增大而变化明显。

（3）棉田春灌后，各粉垄深度之间盐分含量随着粉垄深度加深，压盐效果越好，粉垄各土层对土壤盐分的淋洗效果高于传统翻耕的淋洗效果，因此粉垄深松技术更有利于土壤结构和土壤水盐分布的改善。

综合试验数据，考虑粉垄深度及春灌灌水定额对棉田土壤水盐分布及脱盐率的影响，研究认为在粉垄深度60 cm 的条件下进行3 600 m3/hm2的春灌定额比较适宜，既可淋洗盐分至土层100 cm以下，亦可节约成本和当地水资源。