刘　涛，吴　漩，郑子成①，李廷轩

(1.四川农业大学资源学院，四川 成都　611130；2.什邡市农业局，四川 什邡　618400)



不同灌水频率条件下设施土壤水盐运移特征

刘涛1，吴漩2，郑子成1①，李廷轩1

(1.四川农业大学资源学院，四川 成都611130；2.什邡市农业局，四川 什邡618400)

摘要：为了寻求防治设施土壤次生盐渍化的最适灌水频率，通过野外调查与室内土柱模拟试验相结合的方法，分析了不同灌水频率条件下设施土壤剖面水分、盐分及主要离子的变化特征。结果表明，各灌水处理土壤剖面水分变化主要集中在0～20 cm深度土壤，30和40 cm深度土壤为土壤水分的“过渡层”，提高灌水频率可使上部土壤含水量增高至0.36 cm3·cm-3。当灌水总量一定时，1次·(5 d)-1处理不利于土壤剖面水分蓄存。1次·(5 d)-1处理对土壤剖面盐分的淋洗效果优于其他处理，但其质量中心深度为23.71 cm，存在返盐风险。就1次·(5 d)-1处理而言，除对Na+淋洗率较低外，其余离子的淋洗率均高于其他处理，其中NO3-淋洗率可达65.68%。根据各灌水处理土壤剖面中的水盐分布状况，提出1次·(10 d)-1为此次试验条件下的最适灌水频率。

关键词：设施土壤；灌水频率；水盐运移

土壤次生盐渍化已成为制约设施土壤持续利用和设施农业持续发展的瓶颈[1]。为了有效缓解次生盐渍化对土壤和作物的危害,并解决土壤积盐问题,需要提高盐分的淋洗效率[2]。盐分淋洗效率除受灌水量和灌水方式影响外,还与灌水频率密切相关[3-4]。根据土壤的返盐周期确定适宜的灌水频率以减少耕层土壤中的盐分含量,进而减轻土壤盐害,已备受学者们的关注[5-7]。曹红霞等[8]和WEISBROD等[9]开展了不同灌水频率条件下土壤水盐运移规律研究,但由于受实验条件等因素的限制,目前尚未得到统一的结论。灌水条件下,灌溉水的运动是盐分离子迁移的主要动力,表层土壤在灌水间隔内的脱水作用会产生较大的吸力梯度,使下一次灌水初期的入渗速率较高[10],但随着时间的推移,多次灌水后表层土壤易产生结皮现象,阻碍灌溉水下渗[11]。当灌水总量一定时,提高灌水频率会促进土壤水分的深层渗漏[7],但在土表蒸发强烈条件下,高频灌水处理土体中的水分反而易滞留在上部土层,只有降低灌水频率并增加次灌水量才会引起水分深层渗漏[12]。随着灌水频率的升高,第1次灌水后溶质峰呈现分布越浅、越集中的变化趋势[7]。一些学者通过田间或室内灌水试验研究得出高频灌水的洗盐效果优于低频灌水[7,13],但当土表蒸发量较大时,高频少量灌水则难以将表层土壤盐分淋洗至深层[14]。设施土壤由于缺少雨水淋洗,温度、湿度、通气条件和水肥管理等均与露地环境存在较大差异,使土壤水盐运移过程变得更加复杂。鉴于此,笔者采用野外调查与室内土柱模拟试验相结合的方法,探讨不同灌水频率条件下设施土壤水分运动和盐分运移特征,以期促进设施土壤的持续利用和设施农业的持续发展。

1研究区域概况

研究区位于四川省温江区金马镇四友村(30°24′26″ N,103°59′19″ E),属亚热带湿润季风气候区,年均气温为16.2 ℃,年均降水量为921 mm。供试土壤取自四川省成都市温江区金马镇四友村,该地属于成都郊区典型大棚种植区,土壤为近代河流冲积物发育而成的水稻土,主要种植茄子、辣椒和黄瓜。施用化肥主要为复合肥。经调查,研究区地下水位介于50～60 cm之间。

2材料与方法

2.1供试土壤

于2012年8月2日采集土样。采集土样时开挖5个剖面,按0～10、>10～20、>20～30、>30～40和>40～50 cm分层采集。土样风干磨碎后过2 mm孔径网筛,一部分用于装填土柱,另一部分用于土壤基本理化性质的测定,结果见表1。

表1供试土壤基本理化性质

Table 1Basic properties of the soils tested

土层深度/cm不同粒径颗粒组成/%0.02～2mm0.002～<0.02mm<0.002mm质地容重/(g·cm-3)pH值孔隙度/% 0～1035.546.518.0粉砂质黏壤土0.9976.0862.39>10～2046.037.816.2黏壤土1.1335.9457.25>20～3055.534.510.0砂质壤土1.4436.2845.55>30～4062.026.012.0砂质壤土1.5616.1641.09>40～5067.026.56.5砂质壤土1.4516.3145.24

2.2试验设计

垂直一维土柱模拟试验于2013年8月7日至9月6日在四川农业大学成都校区温室内进行,灌溉用水为去离子水。根据前期试验结果、当地灌水习惯以及作物需水量,采用一次灌水方式，灌水量设置为5 400 mL,灌水频率设置3个处理,分别为1次·(5 d)-1、1次·(10 d)-1和1次·(15 d)-1,每个处理设置3次重复。按照供试土壤含量最大的阴阳离子SO42-和Ca2+的质量比进行级配,级配依据为供试土壤各层次的盐分组成,其中阳离子以Ca2+和Na+为主,阴离子以NO3-和SO42-为主,4种离子质量占全盐质量的70%以上,选用K2SO4和Ca(NO3)2进行级配,将0～10和>10～20 cm土层的全盐含量级配为2.00和1.65 g·kg-1。

试验装置包括马氏瓶、玻璃柱和水分监测仪3个部分。玻璃柱高65 cm,截面积为15 cm×15 cm(图1)。自柱壁顶部向下5、10、20、30、40和50 cm深处开圆形取样孔,孔径为4 cm,在其相对一侧相同位置开直径为3 cm的圆孔,安装探头,监测土壤水分变化。马氏瓶置于土柱顶部以控制入渗水头,土柱底部安装玻璃管用以与出流液收集装置连接。试验前先在土柱底部填充5 cm厚细沙进行反滤,土柱顶部留有10 cm高度,保证供水。

1—马氏瓶;2—玻璃柱;3—水分监测仪。

土柱填充前先自然风干,过2 mm孔径筛后,混合均匀的土壤按照各土层田间实测含水量进行配水处理,然后按照实测容重分层填装,将级配好的溶质与供试土壤充分混合均匀后填入0～10和>10～20 cm土层,填土时以5 cm厚度为单位进行填充,并按一定强度压实,保证填土均一,每填充完一层土壤后均要进行刨毛处理,保证相邻土层紧密接触。

试验过程中每次采集1个完整的土柱。共设54个土柱。

2.3观测项目及方法

试验过程中于每天10:00和18:00用Hydra水分监测仪(WS2POGO,美国)直接测定不同深度土壤体积含水量,分别在灌水后5、10、15、20、25和30 d通过取样孔采集土样用于盐分离子含量的测定。盐分待测液采用无CO2的去离子水按m(土)∶V(水)=1∶5浸提,振荡3 min后过滤澄清制得。指标测定方法[15]如下:Ca2+和Na+含量分别采用原子吸收分光光度法和火焰光度法测定,NO3-含量采用双波段紫外分光光度法测定,SO42-含量采用BaSO4比浊法测定,盐分总量采用电导法测定,颗粒组成、孔隙度和pH值均采用常规方法测定。

3结果与分析

3.1不同灌水频率条件下设施土壤水分变化特征

3.1.1设施土壤水分分布特征

由图2可知,试验过程中各处理土壤剖面的水分变化主要集中在0～20 cm深度土壤,且越接近土表,各灌水处理间的差异越大。>20 cm深度土壤各灌水处理含水量变幅较小,处理间差异不大。灌水后5 d内,不同灌水频率条件下5、10和20 cm深度土壤含水量由高到低依次为1次·(15 d)-1、1次·(10 d)-1和1次·(5 d)-1。灌水后>5～15 d,各灌水处理5 cm深度土壤含水量呈随灌水频率增加而增加的变化趋势。灌水后>15～25 d,各灌水处理0～20 cm深度土壤表现出与前15 d相同的变化趋势,灌水后>25～30 d,各灌水处理含水量变化逐渐趋于稳定,且表现为高频处理略高于低频处理;试验结束时,除1次·(15 d)-1处理含水量降低到灌水前的状态外,其他处理含水量均略高于初始状态。30和40 cm深度土壤各灌水处理含水量在整个试验过程中变幅均较小,至试验结束时与灌水前基本一致。50 cm深度土壤除1次·(5 d)-1处理含水量随时间推移呈逐渐升高趋势外,其他处理含水量变化趋势较一致。上述结果表明1次·(15 d)-1处理在灌水间歇期内水分再分布后,通过内排水和土面蒸发,使土壤水分处于动态平衡。1次·(5 d)-1和1次·(10 d)-1处理由于灌水间隔相对较短,土壤水分在间歇期内没有及时完全排出,而是滞留于土壤的非饱和区。在该试验条件下,可认为1次·(5 d)-1和1次·(10 d)-1处理水分分布处于动态平衡状态。

图2　不同灌水频率条件下不同深度设施土壤含水量分布特征

3.1.2设施土壤水量蓄存变化

在灌水总量一定条件下,灌水频率改变了水分在整个土壤剖面的分布,进而影响了水量蓄存状况。土壤剖面蓄水量是通过土壤体积含水量与土壤蓄水量的厚度计算所得。由图3可知,灌水后5 d,除1次·(5 d)-1处理剖面蓄水量与灌水前较为一致外,其他处理剖面蓄水量均显著增加,较灌水前约提高9%。随着时间的推移,灌水后10 d,各灌水处理剖面蓄水量均有不同程度的下降,其中以1次·(15 d)-1处理降幅最大,各处理剖面蓄水量由高到低依次为1次·(10 d)-1、1次·(15 d)-1和1次·(5 d)-1。

灌水后15 d,1次·(10 d)-1和1次·(5 d)-1处理剖面蓄水量在第2和第3次灌水后均显著升高,1次·(15 d)-1处理较前期显著下降。灌水后20 d,1次·(15 d)-1处理剖面蓄水量在第2次灌水后显著升高,各处理剖面蓄水量由高到低依次为1次·(15 d)-1、1次·(10 d)-1和1次·(5 d)-1。灌水后25 d,除1次·(15 d)-1处理剖面蓄水量下降外,其他处理在接受水分补给后均有不同程度增加。试验结束时,除1次·(15 d)-1处理剖面蓄水量基本降低到初始状态外,其他处理均显著高于灌水前。可见,在该试验条件下,灌水频率提高,土壤剖面蓄水量增幅较小,而过低的灌水频率却会加速水分的散失,不利于剖面水分的蓄存。因此,选择适宜的灌水频率是提高设施土壤剖面蓄水量的关键,实际生产中可根据不同生育期作物根系的埋深特点,确定适宜的灌水频率。

直方柱上方英文小写字母不同表示同一时期不同灌水处理土壤剖面蓄水量差异显著(P<0.05);英文大写字母不同表示同一灌水处理不同时期土壤剖面蓄水量差异显著(P<0.05)。

3.2不同灌水频率条件下设施土壤盐分迁移特征

3.2.1设施土壤全盐含量变化特征

由图4可知,各灌水处理虽能有效降低土壤全盐含量,但各处理之间溶质峰形状和分布深度存在较大差异。

图4　不同灌水频率条件下不同深度设施土壤含盐量变化

随着时间的推移,不同灌水处理各土层全盐含量均呈逐渐降低的变化趋势,且在灌水25 d后逐渐趋于稳定。灌水后5 d,各灌水处理溶质峰均集中在0～20 cm深度土壤,随灌水频率增加溶质峰呈峰形变陡、峰值升高的变化趋势,表层土壤全盐含量表现为1次·(5 d)-1>1次·(10 d)-1>1次·(15 d)-1。灌水后10 d,各灌水处理全盐含量的差异主要集中于0～30 cm深度土壤,>30 cm深度土壤各灌水处理全盐含量分布趋势较为一致。在土表蒸发的作用下,各灌水处理10～30 cm深度土壤盐分逐渐向上迁移并在<10 cm深度土壤累积,具体表现为1次·(5 d)-1>1次·(10 d)-1>1次·(15 d)-1。灌水后15 d,1次·(5 d)-1和1次·(10 d)-1处理在灌水淋洗后表层土壤全盐含量较前期明显下降,1次·(10 d)-1处理溶质峰因受灌水的影响而下移至20 cm深处,1次·(5 d)-1和1次·(15 d)-1处理全盐含量则呈随土壤深度增加而减小的变化趋势。灌水后20 d,1次·(10 d)-1和1次·(5 d)-1处理整个土壤剖面中全盐含量基本上可降低至1 g·kg-1以下,各灌水处理全盐含量在<20 cm深度土壤呈现随灌水频率增加而增加的变化趋势,>20 cm深度土壤则呈相反的变化趋势。灌水后25～30 d,各灌水处理土壤剖面中的盐分分布特征较为一致,土壤剖面中的盐分含量基本上低于1 g·kg-1。试验结束时,1次·(5 d)-1处理除5 cm深度土壤全盐含量略高于其他处理外,10～40 cm深度土壤全盐含量均低于其他处理。可见,在灌水总量一定的条件下,高频灌水处理脱盐效果虽与中、低频灌水处理相差甚小,但由于灌水后盐分分布较浅,受土表强烈蒸发的影响,盐分易于表聚。因此,在脱盐效果相当条件下,选择适宜的灌水频率可有效减缓土表返盐现象。

3.2.2设施土壤Ca2+迁移特征

课题组前期研究表明,设施栽培条件下,土壤耕层有效Ca2+含量与露地土壤间存在明显差异,设施土壤阳离子以Ca2+为主,其含量比露地土壤高2倍以上,占土壤阳离子总量的74.09%[16]。由图5可知,在灌水后20 d内,不同灌水处理不同深度土壤Ca2+含量均降低;灌水20～30 d,各灌水处理土壤剖面中Ca2+含量逐渐趋于稳定。灌水后5 d,<20 cm深度土壤Ca2+含量呈随灌水频率的提高而增加趋势,>20 cm深度土壤则表现为1次·(15 d)-1处理大于1次·(10 d)-1处理。随灌水频率的增加,各灌水处理Ca2+溶质峰的位置也呈加深趋势。灌水后10 d,各灌水处理土壤剖面中Ca2+分布与灌水后5 d相似,但<10 cm深度土壤除1次·(15 d)-1处理外,其他处理均出现返盐现象,且以1次·(5 d)-1处理返盐程度为最高。

图5　不同灌水频率条件下不同深度设施土壤Ca2+含量变化

灌水后15 d,除1次·(10 d)-1处理Ca2+溶质峰下降至30 cm深处外,其他处理Ca2+溶质峰均集中在5 cm深度土壤。此外,除1次·(15 d)-1处理Ca2+溶质峰峰值升高、峰形变陡外,其他处理均呈现峰值下降、峰形变缓的趋势。灌水后20 d,各灌水处理土壤剖面中Ca2+含量均呈下降趋势,且灌水频率越高,Ca2+溶质峰分布越浅。灌水后20～30 d,各处理土壤剖面中Ca2+分布状况逐渐趋于一致。在少量多次灌水作用下,灌水结束时,1次·(5 d)-1处理土壤剖面中Ca2+含量在>10 cm深度处均低于其他处理,1次·(10 d)-1和1次·(15 d)-1处理Ca2+溶质峰分别迁移至20和40 cm深处。上述结果表明,灌水总量一定条件下,土壤中Ca2+分布主要受到灌水频率和蒸发的影响,高频灌水处理虽然在灌水初期对Ca2+的淋洗效果不及中频和低频灌水处理,但随灌水次数的增加,其有效淋洗逐渐与其他处理相当。

3.2.3设施土壤Na+迁移特征

研究区0～20 cm深度土壤Na+含量仅次于Ca2+含量,占阳离子总量的14.32%。由图6可知,各灌水处理均能影响土壤中Na+分布,灌水后各时期土壤Na+变化主要集中于<20 cm深度土壤。灌水后5 d,各灌水处理<30 cm深度土壤Na+含量表现为1次·(5 d)-1>1次·(10 d)-1>1次·(15 d)-1,>30 cm深度土壤则呈现相反趋势。灌水后10 d,由于土壤水分的再分布及蒸发作用,各灌水处理5 cm深度土壤Na+含量均有不同程度增加,其中以1次·(10 d)-1处理增幅最大。1次·(15 d)-1处理Na+溶质峰呈峰形变缓、峰值下降趋势,其他处理却呈相反趋势。灌水后15 d,各灌水处理土壤剖面中Na+分布较为一致,均呈随土壤深度增加而增加趋势,其中1次·(5 d)-1处理10～20 cm深度土壤Na+含量高于其他处理,表明1次·(5 d)-1处理<10 cm深度土壤Na+在持续灌水作用下向下迁移。灌水后20 d,各灌水处理Na+均在>30 cm深度土壤累积,呈现1次·(15 d)-1>1次·(10 d)-1>1次·(5 d)-1,<30 cm深度土壤Na+含量则以1次·(10 d)-1处理为最高。灌水后25 d,1次·(5 d)-1和1次·(10 d)-1处理<40 cm深度土壤Na+分布趋势基本一致,1次·(15 d)-1处理土壤剖面中Na+则呈“S”形分布。试验结束时,5 cm深度土壤除1次·(15 d)-1处理略有上升外,其他处理Na+含量均降低至0.02 g·kg-1以下,且Na+溶质峰均集中于>40 cm深度土壤。

图6　不同灌水频率下不同深度设施土壤Na+含量变化

3.2.4设施土壤NO3-迁移特征

NO3-化学性质较稳定,不易被吸附在土壤胶体表面,易随水迁移。由图7可知,土壤剖面中NO3-受灌水的影响较大,灌水后20 d内,随时间的推移,各灌水处理土壤中NO3-含量逐渐降低,呈明显的“下移”现象;灌水后20～30 d,各灌水处理土壤剖面中NO3-分布逐渐趋于一致;灌水后5 d,随灌水频率的增加,NO3-溶质峰形变陡,峰值升高,且NO3-溶质峰向下迁移缓慢,1次·(5 d)-1、1次·(10 d)-1和1次·(15 d)-1灌水处理溶质峰深度分别为10、5和30 cm。

灌水后10 d,各灌水处理下层土壤NO3-表现出向上迁移趋势,0～10 cm深度土壤NO3-含量较前期有所上升,且以1次·(5 d)-1处理上升幅度为最大,这主要是5～10 d内强烈蒸发所致。灌水后15 d,由于受到灌水补充影响,1次·(5 d)-1和1次·(10 d)-1处理<30 cm深度土壤NO3-向下迁移,1次·(15 d)-1处理在蒸发作用下表层土壤NO3-含量略有增加。灌水后20 d,1次·(15 d)-1和1次·(10 d)-1处理土壤剖面NO3-分布状况基本一致;1次·(5 d)-1处理NO3-含量则呈随土壤深度增加而逐渐降低的变化趋势。灌水后25～30 d,各灌水处理土壤剖面中NO3-含量逐渐趋于均匀,试验结束时,剖面NO3-含量表现为1次·(10 d)-1>1次·(15 d)-1>1次·(5 d)-1。

图7　不同灌水频率下不同深度设施土壤NO3-含量变化

3.2.5设施土壤SO42-迁移特征

研究区阴离子以SO42-为主,占阴离子总量的50%以上。由图8可知,灌水后各处理SO42-含量变幅均较小,表明灌水对SO42-的淋洗作用相对较弱。

图8　不同灌水频率条件下不同深度设施土壤SO42-含量变化

灌水后5 d,各灌水处理SO42-含量差异主要体现在<20 cm深度土壤,表现为1次·(5 d)-1>1次·(10 d)-1>1次·(15 d)-1,各灌水处理>20 cm深度土壤SO42-分布趋势较一致,且随灌水频率增加,SO42-溶质峰位置呈升高趋势。灌水后10 d,各灌水处理0～10 cm深度土壤SO42-表聚明显,其中1次·(10 d)-1处理增幅最大。就土壤剖面SO42-含量而言,1次·(15 d)-1处理均低于其他处理。灌水后15 d,1次·(5 d)-1和1次·(10 d)-1处理在灌水3次和2次条件下,对应SO42-溶质峰分别下移至10和20 cm深处,且灌水频率越低,SO42-溶质峰峰形越缓,峰值越低。灌水后20 d,0～20 cm深度土壤各处理SO42-含量表现为1次·(5 d)-1>1次·(10 d)-1>1次·(15 d)-1,>20 cm深度土壤SO42-含量则以1次·(10 d)-1处理为最高。灌水后20～30 d,各灌水处理土壤剖面中SO42-变化逐渐趋于稳定。

4讨论

4.1不同灌水频率对设施土壤水量蓄存及蒸发的影响

由表2可知,灌水总量一定时,各灌水处理土壤剖面蓄水量表现为1次·(10 d)-1>1次·(5 d)-1>1次·(15 d)-1,日均蒸发量则表现为相反趋势,出流液总量呈现随灌水频率的降低而增加的变化趋势。这表明灌水频率过低会导致土壤水分渗漏,而高频灌水土壤水分散失则以蒸发为主。在蒸发强烈的情况下,第1次灌水后表层土壤水分主要以蒸发形式损失,而下1次灌水只有在补足蒸发亏缺后,多余的水分才能向下再分布[17]。灌水频率越高,表层土壤获得水分补给的次数增加,故在相同灌水总量条件下,灌水频率越高,次灌水量越少,下移水量随之减少,进而导致土壤剖面的湿润范围变窄[18]。同时,过高灌水频率条件下,表层土壤长期较高的含水量导致其蒸发量远高于低频灌水,故土壤剖面蓄水量相对较小。在试验过程中,中频灌水处理表层土壤含水量虽然在一段时间内处于较高水平,但总体而言其日均蒸发量处于较低水平。这是由于在灌水总量一定条件下,灌水频率过低,其较大的次灌水量促进了土壤水分的深层渗漏[19],而过于频繁的灌水使表层土壤水分长期处于饱和或过饱和状态,间接地延长了其维持稳定蒸发的时间,导致土壤剖面蓄水量减少[20]。中频灌水条件下,表层土壤含水量在达到与低频灌水相同的总灌水量前较长时间内处于相对较低状态,因此其对应的蒸发量较低[21]。

表2不同灌水频率条件下设施土壤水分蓄存和蒸发状况

Table 2Soil water storage and evaporation in greenhouse soil relative to irrigation frequency

灌水处理蓄水量/cm出流液总量/mL总蒸发量/cm日均蒸发量/cm1次·(5d)-117.54±1.05864.00±21.0519.41±0.950.65±0.041次·(10d)-118.07±0.981794.00±40.0314.79±1.020.49±0.031次·(15d)-117.27±1.021857.00±32.0815.77±0.980.53±0.02

4.2不同灌水频率对设施土壤盐分淋洗效果的影响

质量中心反映的是物质在土壤剖面中的分布重心[11],灌水前土壤剖面的盐分主要集中于表层,因而质量中心主要集中于土柱上部。可见,若有足够的灌溉水量,则可使灌水后土壤盐分分布趋于均匀,质量中心会逐渐向土柱中部迁移。质量中心向土柱中部迁移过程中,盐分向下迁移和排出土体以及随蒸发向上表聚会使质量中心向下和向上迁移[10]。不同灌水频率下设施土壤盐分分布状况见表3。

表3不同灌水频率下设施土壤盐分分布状况

Table 3Distribution of salt in greenhouse soil profile relative to irrigation frequency

时间/d盐分质量中心深度/cm盐分总量/g1次·(5d)-11次·(10d)-11次·(15d)-11次·(5d)-11次·(10d)-11次·(15d)-1020.3020.3020.3014.9114.9114.91523.3823.5422.9012.6012.4712.411023.6023.4824.2312.3812.2411.861524.0926.7325.5412.1112.0311.532024.5626.2226.7511.8311.7111.252525.4125.9027.1611.1611.0011.023023.7125.6526.0810.2610.8510.89

由表3可知,各灌水处理质量中心的变化是上述3个过程共同作用的结果。灌水后15 d,各灌水处理盐分受灌水作用而向下层土壤聚集并排出土体,因而质量中心逐渐下降。随着灌水后时间的延续,在盐分外排和土表蒸发作用下1次·(10 d)-1处理土壤剖面中的盐分逐渐趋于均匀,使其质量中心位置逐渐上移,最终稳定于土柱中部。1次·(5 d)-1处理质量中心在灌水后15～25 d仍在下移,但由于其蒸发强度较大,致使其质量中心最终迁移至23.71 cm深处。就1次·(15 d)-1处理而言,由于次灌水量较大,使得盐分向下聚集作用强于盐分外排和土表蒸发作用,故质量中心最终仅迁移至26.08 cm深处。土柱盐分总量的变化也表明,各灌水处理均对土壤中的盐分具有一定淋洗作用。灌水后5 d,各处理土柱中的盐分排出量差异均较小;灌水后5～20 d,1次·(5 d)-1和1次·(10 d)-1处理盐分排出量均低于1次·(15 d)-1处理,灌水后20～30 d,各灌水处理土柱中的盐分总量基本一致。上述结果表明,灌水总量一定条件下,灌水频率过高或过低均会使土壤剖面中盐分存在表聚或向下迁移污染地下水的风险。这是由于在笔者试验条件下,盐分分布主要取决于灌水频率和蒸发量,灌水频率越高,灌水间歇期越短,土壤表层水分处于饱和或过饱和状态的时间就越长,高频灌水的蒸发量也就较大[16],促使被灌溉水淋洗下移的盐分表聚;灌水频率过低,易导致土壤水分的深层渗漏。

由于研究区以种植蔬菜为主,受设施特殊环境影响,耕层土壤中积累大量Ca2+、Na+、NO3-和SO42-。根据设计的灌水频率,设施土壤盐分离子淋洗情况各异。Ca2+表现出与水分运动的一致性,各处理对Ca2+的淋洗效率表现为1次·(5 d)-1>1次·(10 d)-1>1次·(15 d)-1。灌水后10 d,<10 cm深度土壤除1次·(15 d)-1处理外,其他处理均出现返盐现象,且以1次·(5 d)-1处理返盐程度为最高。有研究表明,5 cm深度土壤既是Ca2+的累积层,也是脱钙层[22],这可能与水分、温度的耦合效应有关。另一方面,由于0～10 cm深度土壤盐分离子含量较高,而盐分离子与水分子之间存在吸力,降低了土壤水的土水势,加上Ca2+水合离子半径大,且易于被土壤胶体吸附,故出现上述结果。在灌水总量一定时,灌水频率越高,Na+淋洗效果越好。究其原因在于,在笔者试验条件下,Na+受次灌水量影响较大,单次灌水量越大,Na+向下迁移的距离越大,灌水频率越高,单次灌水的有效淋洗水量越少,因此随灌水向下迁移的Na+也越少。同时,Na+受土壤蒸发作用较强烈,在设施栽培环境下,仍以表聚为主。NO3-和SO42-是影响设施土壤质量的主要离子[23],其在设施土壤中的大量累积存在较大的环境风险。笔者试验结果表明,1次·(5 d)-1、1次·(10 d)-1和1次·(15 d)-1处理NO3-淋洗率分别为65.68%、58.04%和61.35%。可见,灌水频率较高或过低均会使较多NO3-被淋洗出土体。这是由于灌水频率降低,次灌水量增加,单次灌水就能使NO3-迁移到较深处并排出土体,而高频灌水通过多次灌水也能使NO3-达到相同深度,但由于低频灌水处理单次灌水量较大,水流流速相对较高,携带至下层土壤的NO3-相对较少,因此其NO3-的淋洗效率反而不及1次·(5 d)-1处理。试验结束时,1次·(5 d)-1、1次·(10 d)-1和1次·(15 d)-1处理SO42-淋洗率分别为10.65%、4.31%和0.53%。可见,当灌水总量一定时,虽然灌水对土壤中SO42-影响较小,但当灌水次数增多时仍具有一定的淋洗作用,这与谭军利等[24]的研究结果相似。

5结论

(1)灌水频率可改变土壤水分的纵向分布,各灌水处理土壤剖面的水分变化主要集中在0～20 cm深度土壤,30和40 cm深度土壤为土壤水分的“过渡层”。低频灌水处理对土壤剖面中原有的水分分布影响较小,中、高频灌水处理可使0～20 cm深度土壤含水量在一定范围内增高。灌水总量一定时,灌水频率过高,土表蒸发强度较大,不利于土壤剖面水分蓄存。

(2)当灌水总量一定时,高频灌水处理土壤剖面的盐分总量虽低于中频和低频灌水处理,但其质量中心深度分布相对较浅,存在返盐风险。不同灌水频率条件下设施土壤主要盐分离子淋洗效率存在差异,Ca2+、NO3-和SO42-均以高频灌水处理的淋洗效果为最优,Na+则以低频灌水处理淋洗效果为最好,但由于各灌水处理NO3-的淋洗效率较高,从环境角度考虑,应调整灌水总量以避免过量NO3-进入地下水体。

(3)基于不同土层水分、盐分及主要盐分离子的分布特征,确定1次·(10 d)-1为该试验条件下的最适灌水频率,既能保持土壤剖面水量平衡,又可达到淋洗土壤盐分的目的。

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(责任编辑： 李祥敏)

收稿日期：2015-12-21

基金项目：国家自然科学基金(40901138);四川省学术和技术带头人培养基金(2012)

通信作者①E-mail: zichengzheng@aliyun.com

中图分类号：S275.4

文献标志码：A

文章编号：1673-4831(2016)04-0622-10

DOI：10.11934/j.issn.1673-4831.2016.04.017

作者简介：刘涛(1980—),男,四川江油人,助理研究员,硕士,主要从事土壤物理与信息技术方面的研究。E-mail: tao666@163.com

Effects of Irrigation Frequency on Water and Salt Movement in Greenhouse Soil.

LIU Tao1, WU Xuan2, ZHENG Zi-cheng1, LI Ting-xuan1

(1.College of Resources, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130, China; 2.Agriculture Bureau of Shifang, Shifang 618400, China)

Abstract:In order to explore the most suitable irrigation frequency that could prevent secondary salinization of the soil in greenhouse, field investigations and an indoor soil column simulation experiment were carried out and variation of soil moisture, soil salt and some other major ions in soil profile were monitored and analyzed relative to irrigation frequency. Results show that variation of soil water content with irrigation frequency occurred mainly in the 0-20 cm depth soil. The 30 and 40 cm depth soil were soil water transition layers. Increased irrigation frequency could increase soil moisture content in the top soil layer up to 0.36 cm3·cm-3. When the total volume of irrigation water was set, Treatment one time·(5 d)-1, that is, irrigation conducted once every 5 days, was not conductive to moisture storage in the soil profile, but conducive to salt leaching, and better than any other treatments in this effect. However, in this case the mass center was at 23.71 cm in depth, posing a risk of salt uprising. Treatment one time·(5 d)-1was higher than all the other treatments in leaching rate of all the ions, except Na+, and the leaching rate of NO3- could reach as high as 65.68%. Based on the data of distribution of water and salt in soil profiles of all the treatments, Treatment one time·(10 d)-1or irrigation once every 10 days is considered to be the most suitable irrigation frequency under the conditions of this experiment.

Key words:greenhouse soil; irrigation frequency; movement of soil water and salt