典型干旱区绿洲棉田土壤返盐、积盐特征研究

2017-03-21马合木江艾合买提虎胆吐马尔白古莱姆拜尔艾尔肯李卓然

节水灌溉 2017年5期

马合木江·艾合买提，虎胆·吐马尔白，古莱姆拜尔·艾尔肯，李卓然

(新疆农业大学水利与土木工程学院,乌鲁木齐830052)

新疆干旱绿洲区由于其特定的自然气候条件能为棉花生长提供较好的条件。近些年来，为扩大棉花生产规模，作为我国最大的优质棉生产基地的新疆大力推广应用膜下滴灌技术开发利用盐碱地，并取得了较为理想的成就，为新疆水土资源的可持续发展奠定了坚实基础。膜下滴灌技术作为一种最节水的灌溉技术，其拥有节水、节肥、增产、省力等诸多优点，仅1996-2002年，短短6 a时间，新疆棉花膜下滴灌面积从最初的1.67 hm2扩大到12 万hm2[1]。目前，新疆膜下滴灌面积已突破200 万hm2，成为世界上大田应用膜下滴灌面积最大的地区[2]。此项技术在大面积推广应用的同时产生的土壤次生盐渍化等问题逐渐引起诸多学者的关注[3-6]，有学者专门针对膜下滴灌条件下棉田土壤盐分的运移规律作了大量室内外实验研究，并取得了较大成就[7,8]。也有人就滴灌是否会引起土壤次生盐渍化问题以及膜下滴灌技术利用年限与土壤盐分累积间的关系开展了许多课题研究[3,9-11]。李慧等[4]研究了膜下滴灌棉田生育期土壤盐分运移特征，靳志峰等[12]针对北疆季节性冻融期棉田土壤盐分与温度等关系进行了大田实验研究。以上研究有的虽然是建立在数学模型分析基础之上，但并没能精确描述大田土壤水盐运移规律，即使是大田监测实验，由于其监测时间较短也缺乏一定的说服力。本研究另辟蹊径，主要针对棉田生育期初与末土壤盐分剖面变化特征进行了对比研究分析，监测时间长达3 a之久，旨在分析膜下滴灌棉田土壤盐分在生育期的累积趋势。

1 材料与方法

1.1 实验区概况

本实验在新疆石河子市农八师121团进行，该团位于天山北麓，准噶尔盆地南缘，地处欧亚大陆腹地(44°46′55″N，85°32′50″E，平均海拔337.1 m)。该地区夏季炎热，冬季寒冷，常年干旱缺水，光照充足，蒸发强烈，年降雨量为141.8 mm，年蒸发量为1 826.2 mm，年均日照数约为2 862 h，无霜期平均为167 d，具有典型的大陆性荒漠气候特点。本实验所选6块典型棉田均属同一灌溉小区，主要种植作物为棉花，且其灌溉制度基本相同，当地年平均地下水位埋深在3 m左右，其中，每年灌水高峰期时(7月份)，其地下水位平均保持在2.5 m左右。

1.2 实验方法

2009年初，本课题组初步选取了6块棉田作为大田实验基好，所选地块开始实施膜下滴灌的时间分别为1998、2001、2003、2005、2007、2009年，监测时间为2009年3月27日(生育期初)，2009年9月21日(生育期末)；2010年3月22日(生育期初)，2010年10月27日(生育期末)；2011年4月7日(生育期初)，2011年10月27日(生育期末)，共计监测6次。初次取样采用GPS精确定位取样点位，以后取样均在这点附近进行。每个样点取样深度取：0～5、5～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm 6个土层，每个样点取3个重复，每次取样18个，6块地6次共计取样648个。每次取完土样及时带回实验室进行化验，土壤含水率采用烘干法进行测取，然后将土壤磨碎并过2 mm筛，最终制取土水比为1∶5(土18 g，蒸馏水90 mL )的土壤浸提液并测取溶液电导率值，然后换算成土壤含盐率。溶液电导率与含盐率的关系式为：y=0.000 6x-0.028 2，R2=0.948 6。

2 结果与分析：生育期始末土壤盐分分布特征

为分析膜下滴灌棉田土壤在年初、年末的运移变化情况，本文在数据分析时首先对每个取样点各土层的3个重复样品进行相应的均值计算并将其作为当年各土层含盐率值，再对3 a取样数据中的同期样品均值进行均值计算并将其作为此地块各年平均水平。根据各地块各年均值绘制如图1所示的土壤盐分剖面图。

按新疆盐碱土分类标准[13],将土壤分为非盐化土(土壤盐分质量<3 g/kg)、轻盐化土(土壤盐分质量3～6 g/kg)、中度盐化土(土壤盐分质量6～10 g/kg)、重度盐化土(土壤盐分质量10～20 g/kg)、盐土(土壤盐分质量>20 g/kg)。由图1可知，各地块在生育期初(3月底4月初)表层0～20 cm土壤盐分保持在2.5 g/kg 左右(<3 g/kg)，故归类为非盐化土，对棉花出苗不构成抑制作用。这一现象主要与实验区地理位置、气候及实验取样时间有关。实验区地处我国季节性冻土地区，当地每年降雪深度平均可达35 cm左右。这部分降雪只有少量在外界气温作用下被蒸发，而剩余积雪基本都融化入渗补给土壤水。据实验观察发现，每年3月中下旬实验区棉田冻结土壤已基本融通。而本实验在春季取土时间基本都在3月底4月初，此时段地表积雪已基本融化并入渗至土壤。由于降雪量较大，因此，入渗雪水对表层土壤盐分起到一定的淋洗作用，这是导致这一时段表层土壤盐分值保持较低水平的主要原因。然而，实验区每年4月初左右气温持续上升，而当地每年播种时间在4月15日左右，若土壤消融后至播种前这段时间过于长久，就会导致春季棉田土壤因外界蒸发而产生次生盐渍化现象。因此，为防止这一现象的发生，要尽量缩短土壤消融后至播种前这一时段的时间间隔。由图1(a)还可以看出，各监测地块土壤盐分在深度方向上呈现出随深度的增加而增大的趋势，各地块在深层100 cm处的盐分值高达7 g/kg左右的较高水平，按照新疆盐碱土分类标准[13]属于中度盐化土壤。部分地块(如2003年地块)在这一土层盐分值超过10 g/kg，属于重度盐渍化土壤。产生上述现象的主要原因与当地特有的灌溉制度与雪水融化入渗有关。当地为节约用水，一般都在每年秋季棉花第一遍收完之后(每年9月下旬)进行一次补水灌溉(当地称之为茬灌)，用以代替长期使用的冬灌与春灌压盐制度。秋灌不但能为第2批吐絮的棉花提供必要的水分，而且还能起到一定的压盐作用。虽然从秋灌后至秋季翻地前土壤一直处于蒸发耗水状态(当地每年打霜后植株基本失去蒸腾作用，故此时段蒸发为主要耗水途径)，但由于上层土体结构较为密实，且后期外界气温较低，只能导致棉田表层土壤返盐，而蒸发作用对于深层土壤影响较小。再者，由于冬季降雪量较大，雪水在融化入渗的同时会对土壤盐分起到一定的淋洗作用，这使得上层土壤盐分在雪水淋洗作用下向下层运移，致使深层土壤积盐。

图1 土壤盐分剖面图Fig.1 Map of soil salt profile

由图1(b)生育期末土壤盐分剖面分布图可以看出，各地块在表层5～20 cm土层盐分值呈现随深度增加而减小趋势，表层5 cm处盐分均值高达5 g/kg左右(除2009年地块)，属于轻度盐化土壤。这主要是因为秋季棉田表层土壤返盐所致。实验区从最后一次灌水以后，土壤盐分基础呈现蒸发耗水状态，下层土壤盐分在水分的携带下向地表聚集。但是从实验数据可以发现，此时段返盐程度较轻，分析其原因主要与土壤结构有关。实验区棉田在经过一个生育期的灌溉管理后，由于土壤没有经历过中途扰动，致使其土壤结构密实，间接抑制下层盐分的上移。在20～100 cm土层中，随着深度的增加土壤盐分值呈现小幅度增加趋势，直至深层100 cm处，土壤盐分值保持在5 g/kg左右，同样属于轻度盐化土壤，这主要是生育期灌溉措施导致的。土壤盐分在经历一个生育期的灌溉后，上层盐分大部分都被淋洗至作物根系层以下的土层，即在生育期末，下层土壤会出现不同程度的积盐趋势。与生育期初相比，生育期末土壤盐分随深度的变化幅度较小，生育期初呈现较为严重的深层积盐现象，这主要与当地降雪及灌溉制度有关。当地由于冬季降雪量大，致使大部分积雪在融化后入渗，使得各土层土壤盐分得到不同程度的淋洗，上层土壤盐分被淋洗至深层并累积。

综合分析认为，就土壤返盐情况而言，生育期末及生育期初(土壤消融后不久)土壤返盐程度较弱。就土壤积盐情况而论，生育期末土壤积盐程度小于生育期初，但是从土壤剖面积盐趋势而言，生育期初土壤盐分呈现明显的随深度的增大而增加的积盐趋势。从长远来看，生育期初棉田土壤发生次生盐渍化的趋势较为明显。