李宝富
, 熊黑钢, 张建兵
LI Bao-fu, XIONG Hei-gang, ZHANG Jian-bing
中图分类号: S152.7
文献标识码: A
文章编号: 1000-0690(2013)06-0763-06
通讯作者:
收稿日期: 2012-09-10
修回日期: 2013-01-15
网络出版日期: 2013-08-20
版权声明: 2013 《地理科学》编辑部 本文是开放获取期刊文献，在以下情况下可以自由使用：学术研究、学术交流、科研教学等，但不允许用于商业目的.
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作者简介:
作者简介：李宝富（1983-）,男,山东临沂人,博士研究生,主要从事资源利用与生态安全研究。E-mail: lenny006@163.com
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摘要
为促进后备耕地改良技术的优化和水资源的高效利用,在新疆奇台县对不同灌溉量下盐碱地土壤水盐在时间序列上的变化规律进行对比研究。试验设8个处理,对应的灌溉定额分别为：6 800 m3/hm2、5 200 m3/hm2、4 400 m3/hm2、3 600 m3/hm2、2 800 m3/hm2、2 000 m3/hm2、1 200 m3/hm2和0 m3/hm2。结果表明：灌后1~8 d,剖面土壤处于洗盐期,土壤洗盐率与灌溉量成正比;灌溉8 d后,剖面进入积盐期,浅层土壤积盐率与灌溉量呈指数关系,而深层土壤积盐率与灌溉量呈线性关系。灌后1~18 d,各处理土壤碱化现象明显,碱化程度与灌溉量呈正比。灌溉18 d后,土壤碱化现象均减弱。综合考虑高效用水、高效洗盐和低碱化的目标,研究区在灌溉高峰期（7~8月）每次灌溉的合理灌溉量应为3 600~4 400 m3/hm2。
关键词：
Abstract
According to the field survey, flood irrigation is usually used to wash salt in crop growth period (summer) and in autumn in the study area. However, it is washing salt that leads to soil secondary salinization and waste of water resources, due to the lack of technical guidance. This article makes a comparative analysis on time series variation of soil water and salt under different irrigation (6 800 m3/hm2, 5 200 m3/hm2, 4 400 m3/hm2, 3 600 m3/hm2, 2 800 m3/hm2, 2 000 m3/hm2, 1 200 m3/hm2 and 0 m3/hm2) in Qitai county, Xinjiang Province. The results show that soil profile is at washing salt period after irrigation 1-8 days and soil washing rate is proportional to irrigation volume; after irrigation 8-45 days, soil profile is at salt accumulation period and the relationship between salification rate of shallow soil and irrigation is exponential while there is linear relationship between salification rate of deeper soil and irrigation. After irrigation 1-18 days, soil alkalization is significant and alkalization degree is proportional to irrigation volume. After irrigation 18-45 days, soil alkalization decreases basically. Under 1 200-6 800 m3/hm2 irrigation amount, the depth of soil wash salt in 60-80 cm and the depth of soil accumulate salt in 140-260 cm. To realize water utilization and washing salt more efficiently and low alkalization, the irrigation volume in the study area is 3 600-4 400 m3/hm2 in the peak irrigation period (July to August).
Keywords：
绿洲是干旱区生态系统的主导部分,也是干旱区经济的基础。而土地资源和灌溉水资源无疑是绿洲可持续发展的重要限制因子。干旱区在绿洲地下水位较高地段或在人类不合理的灌溉区均会发生土壤次生盐渍化。灌溉引起的土壤盐分及水分的变化一直是国际上非常活跃的研究领域。例如表层盐化土壤区咸水灌溉试验;内陆河灌区田间全生育期土壤水、盐及地下水动态监测;不同化学改良方法对土壤水盐运移的影响;不同微咸水组合、不同尺度网格膜下滴灌、蓄水沟水体与相邻土壤的盐分运移等方面的研究,都取得了长足进展[1-8]。提高灌溉的增产效益,减弱其对环境的负面影响,对解决灌溉水资源危机,指导农业生产,防止土壤次生盐渍化有重要意义。因此,许多研究者探讨了灌溉量对碱化土、土壤水盐运移特征、小麦耗水特性和产量的影响,均取得一定的成果[9-14]。而对于不同灌溉量下土壤水盐在时间序列上的动态变化过程、盐碱地改良的合理灌溉量等方面的研究有待进一步加强。
据统计,新疆盐碱地占后备耕地资源的26.83%[15]。近年来,随着绿洲开发力度加大,新疆各地把整合土地资源作为事关可持续发展的一项大事来抓。在严格保护现有耕地的同时,积极争取国家、省、市专项资金,进行“五荒”开发,并制订出一系列优惠政策,引导农民开发后备耕地资源,以增加粮食生产和效益。但开发过程中也出现了一系列的问题,其中水资源浪费和土壤次生盐渍化的问题尤为严重。不仅影响了农业生产的经济效益,而且降低了社会效益和生态效益。针对上述问题,本文对比研究了盐碱地这一重要的后备耕地在不同灌溉量下土壤水盐的动态变化规律,以明确不同灌溉量下土壤水盐运移过程、洗盐和积盐状况,进而提出有利于盐碱地改良的合理灌溉定额,可为有效开发和合理利用后备耕地资源、防止土壤次生盐渍化和水资源的高效利用提供科学依据。
研究区位于古尔班通古特沙漠边缘的新疆奇台县西北湾乡的满营湖草场（89°13′20″E~91°22′18″E,42°25′10″N~45°29′23″N）。该地夏季炎热,冬季寒冷,四季分明,属于中温带大陆性干旱半干旱气候。年平均气温为4.7°C,年降水量为176 mm,蒸发潜力为2 141 mm,无霜期平均为156 d,年日照时数为2 840~3 230 h。
试验地土壤盐渍化严重,土壤pH较高（>8.0）,呈较强碱性。土壤类型为砂土,土壤机械组成及养分状况见表1、表2。试验期内,地下水埋深大于4.0 m,对本文的试验结果基本没有影响。植物群落结构简单,覆盖度不高,以苦豆子（Sophora alopecuroides）、芨芨草（Achnatherum splendens）、花花柴（Karelinia caspica）和猪毛菜（Salsola collina）等旱生耐盐植物为主。
表1 试验地土壤机械组成
Table 1 Mechanical composition of experimental soil
| 土层深度(cm) | 粉砂 （%） | 极细砂（%） | 细砂（%） | 中砂（%） | 粗 砂（%） |
|---|---|---|---|---|---|
| 0~20 | 6.20 | 71.60 | 17.71 | 5.07 | 0.46 |
| 20~40 | 6.60 | 72.71 | 14.84 | 4.99 | 0.48 |
| 40~60 | 6.98 | 72.23 | 15.53 | 4.69 | 0.51 |
| 60~80 | 5.36 | 66.27 | 19.69 | 6.62 | 0.78 |
| 80~100 | 5.02 | 62.53 | 22.54 | 8.38 | 0.85 |
表2 试验地土壤养分状况
Table 2 Nutrients of experimental soil
| 土层深度(cm) | 有机(g/kg) | 全氮(g/kg) | 全磷(g/kg) | 全钾(g/kg) | 碱解氮(mg/kg) | 速效磷(mg/kg) | 速效钾(mg/kg) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0~20 | 36.22 | 2.13 | 0.89 | 14.81 | 111.76 | 11.65 | 835.05 |
| 20~40 | 21.38 | 1.07 | 0.71 | 14.50 | 75.71 | 3.50 | 451.95 |
| 40~60 | 10.51 | 0.56 | 0.60 | 14.70 | 40.02 | 2.83 | 389.55 |
2009年7月10日,在盐碱地设置16个样地,每个样地面积为8 m2(2 m×4 m)。每相邻2个样地划为一个小区,处理相同,作为重复。共设8个试验小区（编号为：0~7号地）。为防止侧渗,各样地起垄30~60 cm,间隔3 m。7月16日,在各样地内用土钻采集2个土壤剖面,共采集32个土壤剖面,并对各采样点做准确标记。每一剖面以20 cm为一层,采样深度为320 cm。7月17日,对试验小区进行了不同定额的灌溉。0~7号地的灌溉量分别为：0 m3、10.88 m3、8.32 m3、7.04 m3、5.76 m3、4.48 m3、3.20 m3和1.92 m3;对应的灌溉定额分别为：0 m3/hm2、6 800 m3/hm2、5 200 m3/hm2、4 400 m3/hm2、3 600
m3/hm2、2 800 m3/hm2、2 000 m3/hm2和1 200 m3/hm2。灌溉水含盐量小于0.5 g/L,属于淡水（表3）。
表3 灌溉水的化学性质
Table 3 Chemical properties of irrigation water
| pH | 矿化度(g/L) | 全盐(g/L) | HCO3-(g/L) | CL-(g/L) | SO42- (g/L) | Ca2+(g/L) | Mg2+(g/L) | K+(g/L) | Na+(g/L) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 8.05 | 0.390 | 0.387 | 0.160 | 0.021 | 0.102 | 0.036 | 0.016 | 0.001 | 0.051 |
灌溉后3 d、8 d、18 d、30 d以及45 d分别在各样地取样,采样方法同前,且每次取样均在一天内完成。采集的土样,一部分用烘干法测得土壤质量含水率。其余土样在实验室内自然风干,分散,过1 mm筛,按土水比1：5制备成土壤浸提液。使用DDS-307A型电导率仪测定土壤电导率,用PHS-3C型pH计测定土壤pH。另外,相对于灌溉量,研究区在试验期内的总降水量较小（约14.3 mm）,对土壤水盐的影响基本可以忽略不计。
一是考虑浅层（0~120 cm）土壤特性对植物（作物）生长的重要影响;二是限于篇幅,本文以120 cm为界,着重讨论浅层土壤含水率、洗盐率、积盐率和pH的变化,而对于深层（>120 cm）土壤特性主要探讨洗盐深度和积盐深度的变化。
3.1.1 剖面平均土壤含水率变化
灌溉前,各试验地土壤剖面平均含水率均较低（平均仅为10.69%）,且相差不大。灌后3 d,1号地土壤含水率最高（22.47%）,7号地最低（19.66%）,说明土壤含水率与灌溉量成正比。而且随着时间的推移,这种趋势一直保持未变（图1）。原因是灌溉量越大的小区深层土壤含水率越高,随着土壤蒸发作用的增强,深层土壤水分向浅层的补给量越大。而无灌水的0号地,含水率一直处于较少状态,且变化幅度不大（<1%）。
3.1.2 边际土壤含水率变化
为了进一步了解灌溉量对土壤含水率的影响,特引入边际土壤含水率。边际土壤含水率,即每增加一个单位的灌溉量所增加的土壤含水率。它表示在其它条件不变时,由灌溉量变化所带来的最大土壤含水率的变化,其计算公式如下[11]：
式中
灌溉后短期内,各小区土壤含水率较高,且土壤蒸发等外界因素对土壤含水率的影响较小,此时最能反映不同灌溉量对土壤含水率的影响。本文以各小区灌溉后3 d剖面平均土壤含水率与其灌溉前相比的变化量为计算基准,得到边际土壤含水率的变化如图2。进而得到其最优拟合方程：
（R2 = 0.66;Q≥1 200 m3/hm2） （2）
图2 灌溉量与土壤边际含水率的关系
Fig.2 Relationship between irrigation amount and marginal soil water content
边际土壤含水率随灌溉量（Q≥1 200 m3/hm2）的增加呈先增大后减小趋势。当灌溉量为2 800~4 400 m3/hm2时,边际土壤含水率保持在较高水平（图2）。当灌溉量小于3 500 m3/hm2时,每增加一个单位的灌溉量引起平均土壤含水率的增量,随灌溉量的加大而增加,大于3 500 m3/hm2时则减小。反映出大水量灌溉时,土壤水分渗漏量大,灌溉水利用率较低,容易造成严重的水资源浪费。
3.2.1 土壤洗盐率对比
所谓洗盐率,就是剖面土壤在灌溉后某一时期与灌溉前相比土壤含盐量的减少率。当洗盐率增加时,说明土壤处于洗盐阶段;反之,则表明处在积盐期。
各灌溉量下,浅层土壤洗盐率均在灌溉后8 d达到最大值,表明此时为土壤洗盐期(图3)。其后,随着时间的推移,剖面洗盐率逐渐减少,即说明浅层土壤进入积盐期（8~45 d）。原因是干旱区土壤蒸发强烈,土壤水分由下渗转为上移,从而带动盐分向上层集聚。另外,在灌溉后18 d,灌溉定额为2 000 m3/hm2和1 200 m3/hm2的小区洗盐率为负值,则说明一次灌溉量只有在大于2 000 m3/hm2时,才具有洗盐效果。
图3 不同灌溉量下土壤洗盐率随时间的变化
Fig.3 The change of wash salt rate in different irrigation amount
3.2.2 土壤洗盐率与灌溉量的关系
浅层土壤最大洗盐率（灌后8 d）与不同灌溉量呈较好的线性关系（图4）。其拟合方程为：
S1=0.0109Q-11.865 （R2 = 0.81） （3）
式（3）中,S1为土壤最大洗盐率（%）;Q为灌溉量(m3/hm2)。
图 4 土壤洗盐率与灌溉量的关系
Fig.4 Relationship between irrigation amount and wash salt rate
浅层土壤洗盐率随着灌溉量的增加而增大。其中,灌溉量为6 800 m3/hm2的土壤洗盐率为最小灌溉量（1 200 m3/hm2）的40余倍。
3.2.3 边际土壤洗盐率的变化
为明确灌溉量对土壤洗盐率的影响,特定义边际土壤洗盐率,即每增加一个单位的灌溉量所增加的土壤洗盐率。它体现了在其它条件不变时,由灌溉量变化所带来的最大土壤洗盐率的变化,其计算公式如下：
式中Sm为边际土壤洗盐率（%）;Q1、Q2分别为不同的灌溉量（m3/hm2）;
灌溉后8 d,土壤洗盐率最大（图3）。因此,以各试验区此时0~120 cm土层剖面含盐量与其灌溉前相比的盐分变化量为计算基准,得到边际土壤洗盐率的变化如图5,进而得到其最优拟合方程：
Sm=-2E-09Q2+1E-05Q-0.0148
（R2=0.79;Q≥1 200 m3/hm2） （5）
图5 边际土壤洗盐率随灌溉量的变化
Fig.5 Relationship between irrigation amount and marginal wash salt rate
边际土壤洗盐率随灌溉量（Q≥1 200 m3/hm2）的增加呈先增大后减小趋势。当灌溉量为3 600~5 200 m3/hm2时,边际土壤洗盐率较高（图5）,其中,灌溉定额为4 400 m3/hm2时的边际土壤洗盐率较大,分别是小灌溉量（1 200 m3/hm2）和大灌溉量（6 800 m3/hm2）的14倍和4倍。由此表明,灌溉量过小或过大都不合理,前者达不到洗盐效果,而后者单位灌溉量的洗盐效率低,造成水资源浪费。所以,从提高灌溉水的洗盐效率方面考虑,研究区较合理的灌溉定额应介于3 600~5 200 m3/hm2之间。
3.2.4 土壤积盐率与灌溉量的关系
为了解不同灌溉量下浅层土壤积盐期（8~45 d）的盐分变化过程,本文将灌溉后8 d与积盐率最大时（45 d）的土壤含盐量进行对比,并求出此过程的积盐率。
不同灌溉量与浅层剖面土壤积盐率呈较好的指数关系（图6）,其指数模型为:
S2= 7.567e0.0003Q （R2=0.74） (6)
式中S2为土壤积盐率(%),Q为灌溉定额(m3/hm2)。
图6 灌溉后8~45 d,浅层土壤积盐率与灌溉量的关系
Fig.6 Relationship between salt accumulation rate (0-120 cm) and irrigation amount after irrigation 8-45 d
剖面土壤积盐率随灌溉量的增大而增加。其中,灌溉量为6 800 m3/hm2的土壤积盐率是灌溉量为1 200 m3/hm2的5倍多。
对深层土壤（120~260 cm）积盐率与与灌溉量的关系进行了分析。结果表明,深层土壤积盐率与灌溉量呈较好的线性关系(图7),其线性模型为：
S3 = 0.0281Q - 38.393 (R2=0.86) (7)
式中S3为土壤积盐率(%),Q为灌溉定额(m3/hm2)。
图7 灌溉后8~45 d,深层土壤积盐率与灌溉量的关系
Fig.7 Relationship between salt accumulation rate (120-260 cm) and irrigation amount after irrigation 8-45 d
可以看出,浅层土壤和深层土壤积盐率与灌溉量的关系具有一定的差异性,这主要与通过剖面的水量多少有关。
灌溉后,各小区土壤pH均出现不同程度的增加（图8）。原因是土壤脱盐过程中阴、阳离子电荷比例发生变化,受水化学规律的支配,致使HCO3-含量增加,碱性增强[16]。
图8 不同灌溉量下土壤pH增加率随时间的变化
Fig.8 The change of pH under different irrigation amount
至灌后18 d,1~6号试验小区的剖面平均土壤pH达到最大值。而灌溉量最小的7号地土壤pH在灌溉后8 d最高,灌溉后18 d已开始减小,这与通过该小区剖面的水量少有关。
为阐明灌溉后不同灌溉量的土壤盐分在深层的运移状况,特定义洗盐深度和积盐深度的概念。前者是指与灌溉前相比,土壤含盐量减少的土层深度。后者指与灌溉前对比,土壤含盐量增加的土层深度。
随灌溉量的增加,土壤洗盐深度变化较小。灌溉量在3 600 m3/hm2以下的土壤洗盐深度均为60 cm,其它为80 cm（图9）。但积盐深度差别较大,最大灌溉量（6 800 m3/hm2）的积盐深度（260 cm）是最小灌溉量（1 200 m3/hm2）积盐深度（140 cm）的1.86倍。总体来说,灌溉量越大,土壤洗盐深度越大,积盐深度也越大。
图9 不同灌溉量的土壤洗盐深度和积盐深度变化
Fig.9 The depth of soil wash salt and accumulate salt under different irrigation amount
1） 各小区浅层土壤含水率在灌后第3 d达到最大值;土壤洗盐率在第8 d最高;而土壤pH在第18 d最大（灌溉量最少的7号地除外）。
2） 边际土壤含水率随灌溉量的增加,先增大后减小,当灌溉量为2 800~4 400 m3/hm2时,边际土壤含水率较高。
3） 灌溉后1~8 d是洗盐期,而8~45 d剖面（0~120 cm）土壤进入积盐期。仅从提高单位水资源的洗盐效率方面考虑,研究区较合理的灌溉定额应为3 600~5 200 m3/hm2。
4） 灌溉后,土壤碱化现象显著,至灌后第18 d达最大值,且土壤碱化程度与灌溉量(≥1 200 m3/hm2)成正比;灌溉后18~45 d,土壤pH均不断减小;表明土壤中盐与碱的运移方向基本是相反的。为了实现节水、高效用水、达到洗盐效果并防止土壤碱化现象严重,研究区在灌溉高峰期（7~8月）每次灌溉的合理灌溉量应约为3 600~4 400 m3/hm2。
5） 灌溉量在1 200~6 800 m3/hm2时的土壤洗盐深度为60~80 cm,而积盐深度在140~260 cm之间。
据实地调查,研究区一般在作物生长期（夏季）和秋季采用大水漫灌的形式进行洗盐、排盐。由于缺少技术指导,在洗盐的同时引起土壤碱化、土壤次生盐渍化和水资源浪费等问题的发生。本文通过灌溉高峰期（7~8月）不同灌溉量的土壤水盐运移研究,提出高效洗盐、高效用水、低碱化的合理灌溉定额,对促进当地水资源的高效利用和盐碱地改良技术的优化具有重要意义。但秋季（10~11月）灌溉后,冻融过程中土壤水盐运移规律与本研究不同,因此对于秋浇压盐技术的合理灌溉量和最佳灌溉时期的研究将是未来工作的重点。
The authors have declared that no competing interests exist.
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