咸水和淡水对咸水滴灌土壤盐分的淋洗效果分析

咸水和淡水对咸水滴灌土壤盐分的淋洗效果 　　　　水源短缺是制约干旱和半干旱区生态环境和农业可持续发展的主导因子，而在这些区域灌溉水质多劣于湿润地区，质量较高的水资源缺乏，很多地区为了发展生产，不得不采用咸水灌溉［１－２］。滴灌是一种高效的节水灌溉方式，具有对灌水时间、灌水量和土壤湿润范围高度控制的特点，可以根据土壤基本性质、作物根系分布和耗水状况来调节土壤水分［３］。咸水滴灌将盐分带入土壤，可能导致土壤含盐量不断增加，对植物造成危害，降低土壤环境质量［４－６］。在干旱半干地区，咸水灌溉后强烈的蒸发作用使得很大一部分灌溉水被无效损耗掉，而造成可溶性盐分在层积聚形成高含盐量分布层［７－８］。如果管理不当，极容易引起次生盐渍化，危害区域生态环境和农业的可持续发展。灌溉淋洗是防治土壤盐渍化发生的通用方式，如果方法得当，咸水淋洗可有效控制土壤盐分，防治植物盐害。李取生等［９］的研究结果表明，微咸地下水淋洗在中度苏打盐碱化旱地土壤改良中是可行的，经过２ａ淋洗即可完全改良，改良后的土壤生产能力可以达到当地非盐碱土的水平。张建国等［１０］通过模拟试验研究了高矿化度咸水滴灌对风沙土表层盐分的三维淋洗效果，并确定了防止防护林植物盐害的淋洗水量。滴灌连续滴水，可以将盐分向外推进集中到湿润峰边沿，在多滴头情况下湿润峰相互重叠，可以形成一个平面整体向下洗盐，使上部土层变成“淡化脱盐层”［１０－１１］。虽然对于咸水灌溉淋洗土壤盐分的研究已有相关报道，但主要关注最终的淋洗脱盐效果，而对于不同矿化度水对咸水滴灌不同区域土壤盐分咸水淋洗过程及淋洗效果差异的研究却很少涉及。本文通过室内土柱模拟试验，将咸水、淡水对高矿化度咸水滴灌条件下不同区域土壤盐分的淋洗过程、淋洗效果进行对比研究，以期为干旱半干旱区咸水资源的开发利用和土壤次生盐渍化的防治提供理论基础和技术指导。 　　１与方法 　　１．１研究区概况 　　试验于２０１３年８月份在位于塔克拉玛干沙漠腹地的中国科学院新疆生态与地理研究所塔克拉玛干沙漠研究站／塔中植物园（地理坐标３９°０１′Ｎ，８３°３６′Ｅ，海拔１　１００ｍ左右）内进行。据塔中气象站资料，该区年平均气温１２．４℃，７月份平均气温２８．２℃，沙面最高温度７５．３℃；１２月份平均气温－８．１℃，极端最高气温４５．６℃，极端最低气温－２２．２℃，≥１０℃的活动积温为４　６１８．６℃，年降水量２４．６ｍｍ，蒸发量为３　６３８．６ｍｍ，年平均相对湿度２９．４％，≤３０％的低湿日数２４６．６ｄ，平均风速２．５ｍ／ｓ，年起沙风日数１３０ｄ以上。土壤类型为流动风沙土（理化性质见表１），盐分含量为１．２６～１．６３ｇ／ｋｇ。淋洗试验所用淡水为去离子水；咸水为试验站防护林灌溉用水，矿化度为４．０４ｇ／Ｌ，电导率为６．０６ｄＳ／ｍ，离子组成以Ｃｌ－、ＳＯ２－４和Ｎａ＋为主。 　　试验取土区域的防护林始建于２００３年，灌溉方式为滴灌，滴头间距为１ｍ×１ｍ（同防护林行间距），滴头流量为１．２５Ｌ／ｈ；３－５月份、９－１０月份１５ｄ灌水１次，６－８月份１０ｄ灌水１次，每次灌水量为３０Ｌ／株，１１月至次年２月免灌。土柱填装完毕后即带入试验站内的实验室进行淋洗试验。 　　１．２试验方法 　　１．２．１土柱装置及准备土壤样品 　　以滴头为中心，分别选取湿润区（滴头附近）、湿润锋（距离滴头３５ｃｍ）和湿润区外围（距滴头５０ｃｍ），将内径为１８ｃｍ，高度为５５ｃｍ的ＰＶＣ管垂直压入土壤５０ｃｍ取原状土，然后挖出削平底部，放至铺好石英砂的底座上（厚度为５ｃｍ），带到实验室以备淋洗试验所用。此外，为了降低土壤盐分和水分状况对不同水质淋洗过程和效果的影响，挖取咸水滴灌下的浅层土壤进行风干过筛，充分混合后填装土柱。采用连续供水将填装好的土柱进行淋洗，用马氏瓶均匀供水，使土柱表层的淋洗水层稳定在２ｃｍ，在出水口处用量筒测定滤出液体积，同时记录开始供水、滤出液开始流出和试验结束时间。铺有石英砂的底座留有出水口，以备土壤淋洗滤出液流出。同时，在土柱取样点按照０－１ｃｍ，１－５ｃｍ，５－１０ｃｍ，１０－１５ｃｍ，…，４５－５０ｃｍ分层取样，所有样品一式两份。１份采用１０５ ℃，２４ｈ烘干法测定土壤含水量；另１份风干过２ｍｍ筛，采用ＳＹ－３型电导－温度计测定土壤电导率（水∶土＝５∶１），同一深度土壤充分混合后采用马尔文激光粒度仪测定机械组成（测定结果见表１）。 　　１．２．２模拟淋洗试验 　　从滤出液流出开始一直到体积至２Ｌ，每流出２５ｍｌ即用体积为２５ｍｌ的小烧杯接滤出液１次；从２Ｌ至３Ｌ每７５ｍｌ接滤出液１次；３～４．５Ｌ每１２５ｍｌ接滤出液１次；４．５Ｌ后每５００ｍｌ接滤出液１次。每次接到滤出液后立即用ＳＹ－３型电导—温度计测定其电导率，再将滤出液倒回试验装置中的大量筒，以便记录滤出液总体积。当前后２次滤出液电导率基本没有变化时淋洗试验结束，然后将土柱静置至没有滤出液流出时拆除土柱，按照０－１ｃｍ，１－５ｃｍ，５－１０ｃｍ，１０－１５ｃｍ，…，４５－５０ｃｍ分层取样，风干后用ＳＹ－３型电导－温度计测定其电导率（水∶土＝５∶１），用于对比淋洗前后土壤盐分的差异。淋洗水质分为去离子水和咸水２个梯度，每个梯度２个重复，所有测定结果均为２个重复的平均值。 　　２结果与分析 　　２．１土壤水分的入渗速率 　　淡水淋洗条件下，滤出液开始流出时间湿润区为６５０ｓ，湿润锋为６６０ｓ，湿润区外为７２０ｓ，咸水滴灌风干混合土为８４０ｓ；而咸水淋洗条件下，４种土柱滤出液开始流出时间分别为６８０，７４０，８１０，８９０ｓ。通过对比可知，咸水在不同区域土柱的下渗速率明显低于淡水，而与肖娟［１２－１３］等报道的咸水入渗速率要明显高于淡水入渗的结果恰好相反，这可能与供试土壤的颗粒组成、盐分含量等因素有关。而在相同水质条件下，不同区域土柱的下渗速率均表现为湿润区＞湿润锋＞湿润区外围＞咸水滴灌风干混合土，这主要与不同区域土壤含水量有关，因为湿润区的整体含水量最高，湿润锋和湿润区外围次之（图１），风干混合土最低，仅为０．０７８％。此外，风干土在填装过程经过了简单的压实处理，土壤结构比原状土更为紧实，从而影响了土壤的入渗速率。 　　２．２淋洗脱盐前后土壤盐分的变化 　　由图２可以看出，咸水滴灌条件下，湿润区外整体含盐量要高于湿润锋，湿润区土壤剖面整体含盐量最低；土壤盐分从表层向下呈逐渐降低趋势，表层含盐量远高于下层。之所以会呈现这种分布趋势，是由于长期滴灌淋洗和蒸发积盐共同作用的结果［１０，１４］。而不同水质淋洗后，不同土柱均表现出良好的脱盐效果，但整体表现为浅层土壤含盐量高于深层（图２），这说明随着淋洗过程的不断进行，浅层盐分逐渐被淋洗至深层土壤。其中淡水淋洗后不同区域土柱整体电导率值介于０．２４ｄＳ／ｍ左右，比流沙的电导率（０．４３７ｄＳ／ｍ）［６］还要低；而咸水淋洗后不同区域土柱整体电导率值介于０．７３５ｄＳ／ｍ左右，含盐量略高于淡水淋洗和流沙地。这说明２种不同水质淋洗后的土壤含盐量均达到了很低水平，不会对作物造成危害和影响作物的正常生长［４，６，１５］。从水资源的合理利用的角度考虑，可以根据不同地区的实际情况选择相应的水源来淋洗土壤盐分。 　　２．３淋洗脱盐过程中滤出液的动态变化 　　２．３．１咸水滴灌不同区域土柱滤出液的动态变化 　　由不同水质对咸水滴灌不同区域土壤滤出液电导率变化曲线（图３）可以看出，无论是咸水还是淡水淋洗，咸水滴灌湿润区、湿润锋和湿润区外土壤均表现出相似的脱盐轨迹，主要经历３个阶段：（１）电导率快速上升阶段。由图３可以看出，对于咸水滴灌湿润区土壤，在滤出液体积达到２５０ｍｌ之前，咸水淋洗滤出液电导率由１１．９４ｄＳ／ｍ增加到１２．０６ｄＳ／ｍ，而淡水淋洗滤出液由６．８７ｄＳ／ｍ增加到最高电导率值７．９８ｄＳ／ｍ时的体积为２７５ｍｌ，两者滤出液体积差异较小；对于湿润锋而言，在滤出液体积达到５２５ｍｌ之前，咸水淋洗滤出液电导率由１４．８０ｄＳ／ｍ增加到５４．８０ｄＳ／ｍ，而淡水淋洗滤出液由９．２９ｄＳ／ｍ增加到最高电导率值３８．３ｄＳ／ｍ时的体积为１　１００ｍｌ，这说明在初始阶段淡水淋洗过程进行得更为缓慢；对于湿润区外而言，在滤出液体积达到５２５ｍｌ之前，咸水淋洗滤出液电导率由１７．２８ｄＳ／ｍ增加到５９．６ｄＳ／ｍ，而淡水淋洗滤出液由１２．６７ｄＳ／ｍ增加到最高电导率５４．１ｄＳ／ｍ时的体积为６００ｍｌ，这也充分说明淡水淋洗过程更为缓慢。这是可能是由于沙土颗粒间的孔隙较大，水分入渗速度快，而土壤盐分溶解于水分需要一个过程，咸水滴灌不同区域土壤剖面的盐分又存在很大差异，最易溶的离子率先溶解，所以开始阶段滤出液电导率呈逐渐升高趋势，不同区域土壤滤出液电导率到达最高值的体积存在较大差异，也就是说在这个阶段“盐锋”的运动速度要明显滞后于湿润锋，这种变化过程与质地粘重的粘土和壤土存在很大差异［１３］。由此可以推断，在这一阶段，浅层土壤溶液电导率会快速降低，整个土壤剖面的脱盐速率呈快速增加的趋势，至滤出液电导率为最高值时脱盐速率达最高值。（２）电导率快速下降阶段。随着淋洗不断进行，土壤剖面整体含盐量下降到一定程度，必然出现滤出液电导率下降的趋势。此时，土壤上层的盐分大部分已经移入下层或被淋洗出土壤剖面。可以推断，上层土壤电导率迅速下降。湿润区土壤咸水淋洗滤出液体积达到１．１Ｌ时，电导率值达到较低，且逐渐趋于平稳的７．６４ｄＳ／ｍ，而淡水淋洗滤出液电导率达到较低且趋于稳定的１．７８８ｄＳ／ｍ时的体积为１．４Ｌ；湿润锋土壤咸水和淡水淋洗滤出液体积分别达到１．９Ｌ和２．４Ｌ时，电导率值达到较低，且逐渐趋于平稳的９．２１ｄＳ／ｍ和３．５ｄＳ／ｍ；而湿润区外土壤咸水、淡水淋洗滤出液达到趋于稳定值９．８３ｄＳ／ｍ和２．５３ｄＳ／ｍ的体积分别为２．６Ｌ和２．６７Ｌ。从滤出液达到较低且趋于稳定电导率值的滤出液体积来看，咸水淋洗效果优于淡水。（３）电导率趋于稳定阶段。当大部分可溶性土壤盐分随滤出液排出后，土壤整体含盐量已经降低至相对较低的水平，滤出液的电导率变化也逐渐趋于平缓。淋洗稳定后，咸水和淡水淋洗滤出液电导率值大小顺序均表现为湿润锋＞湿润区外＞湿润区；对于同一区域土壤，咸水淋洗滤出液的电导率值明显高于淡水淋洗滤出液，两者差值基本为淋洗所用咸水的电导率值。在生产实际当中，可以根据作物的耐盐情况及根系分布状况，结合土壤盐分动态来确定适宜的淋洗水量。 　　图４不同水质对咸水滴灌风干土盐分淋洗过程曲线    　　２．３．２咸水滴灌风干混合土滤出液的动态变化从图４可看出，无论是咸水还是淡水淋洗，滤出液电导率均呈先快速降低后逐渐趋于稳定的变化过程，而没有出现图３所示的初始阶段的快速上升阶段。滤出液ＥＣ（ｙ）与体积（ｘ）呈良好的幂函数关系（ｙ咸 ＝１０．５４７ｘ－０．３８６，Ｒ２＝０．９０７　３；ｙ淡 ＝３．４２６９ｘ－０．９９４，Ｒ２＝０．９５９　６）。究其原因，因风干土的含水量极低，可能受土壤入渗速率的影响，淋洗水分运动速度较缓，能够充分溶解土壤中的盐分，使“湿润锋”和“盐锋”运动同步，所以滤出液ＥＣ值在开始流出时最高。咸水、淡水淋洗滤出液达到基本稳定值８．５１ｄＳ／ｍ和１．８３ｄＳ／ｍ时滤出液体积分别为１．４Ｌ和１．６Ｌ，也充分说明咸水淋洗效果优于淡水。 　　３结 论 　　（１）咸水在不同区域土柱的下渗速率明显低于淡水，而在相同水质条件下，不同区域土柱的下渗速率均表现为湿润区＞湿润锋＞湿润区外围＞咸水滴灌风干混合土。 　　（２）不同水质淋洗后，咸水滴灌不同土柱均表现出良好的脱盐效果。咸水淋洗后不同区域土柱整体含盐量略高于淡水淋洗，淡水淋洗后不同区域土柱整体含盐量甚至低于流沙地。 　　（３）咸水和淡水对咸水滴灌不同区域土壤淋洗的滤出液ＥＣ均呈“快速上升－快速下降－趋于稳定”的变化趋势，而对咸水滴灌风干土淋洗的滤出液ＥＣ却呈先快速降低后逐渐趋于稳定的变化过程。从淋洗滤出液到达稳定电导率的体积来看，咸水对咸水滴灌土壤盐分整体淋洗效果优于淡水。 　　（４）影响土壤盐分淋洗过程和效果的因素较多，本试验结果是对咸水滴灌不同区域土壤的淋洗效果得出的，对我国西北干旱区咸水灌溉技术的应用和盐渍化的防治具有重要的参考价值。从水资源的合理利用的角度考虑，可以根据不同地区的实际情况选择相应的水源来淋洗土壤盐分。 　　参考文献： 　　［１］　王卫光，王修贵，沈荣开，等．微咸水灌溉研究进展［Ｊ］．节水灌溉，２００３（２）：9－１１． 　　［２］　王艳娜，侯振安，龚江，等．咸水资源农业灌溉应用研究进展与展望［Ｊ］．中国农学通报，２００７，２３（２）：３９３－３９７． 　　［３］　吕谋超，冯俊杰．地下滴灌夏玉米的初步试验研究［Ｊ］．农业工程学报，２００３，１９（１）：６７－７１． 　　［４］　张俊鹏，冯棣，郑春莲，等．咸水灌溉对土壤水热盐变化及棉花产量和品质的影响［Ｊ］．农业机械学报，２０１４，４５（９）：１６１－１６７．