咸淡水交替灌溉對(duì)濱海鹽堿土水鹽運(yùn)移的影響

朱瑾瑾, 孫軍娜, 張振華, 楊潤(rùn)亞, 潘英華, 楊 懋

(1.魯東大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院, 山東 煙臺(tái)264025; 2.魯東大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院, 山東 煙臺(tái) 264025)

中國(guó)鹽漬土面積約有3 600萬(wàn)hm2，占全國(guó)可利用土地面積的4.88%，是重要的土地資源，但開(kāi)發(fā)利用較困難[1]。特別是位于黃河三角洲地區(qū)地勢(shì)低平、地下水位高、引黃灌溉、排水不暢、易受海水侵襲，造成該地土壤鹽堿化程度高，嚴(yán)重制約該地的經(jīng)濟(jì)發(fā)展[2-3]。目前，淡水洗鹽是一種較為常用的水利工程措施，但對(duì)淡水資源相對(duì)的緊缺的黃河三角洲來(lái)說(shuō)，該措施會(huì)造成水資源的極大浪費(fèi)[4]。然而，黃河三角洲地下微咸水資源儲(chǔ)量豐富，開(kāi)發(fā)潛力較大[5]。但微咸水中含有的Na+會(huì)改變土壤的理化性質(zhì)，降低滲透性，導(dǎo)致土壤節(jié)皮，造成潛在鹽堿化危險(xiǎn)[6-8]。如何科學(xué)合理的利用微咸水是黃河三角洲地區(qū)使用微咸水進(jìn)行農(nóng)田灌溉的關(guān)鍵。

微咸水灌溉主要有微咸水直接灌溉、咸淡水混合灌溉、咸淡水交替灌溉3種模式[9]。Minhas等[10-12]通過(guò)大量的試驗(yàn)證明，在同樣鹽分的水平下，咸淡水交替灌溉的作物產(chǎn)量高于咸淡水混灌的產(chǎn)量，是一種較為適宜的灌溉方式。為尋求合理的礦化度進(jìn)行咸淡水交替灌溉，避免造成土壤鹽漬化危險(xiǎn)，考慮采用不同礦化度水平(3 g/L，6 g/L，9 g/L)的咸水。呂燁等[13]利用礦化度為2 g/L，4 g/L的咸水分別與淡水交替淋溶室內(nèi)土柱，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，咸淡水交替淋溶下土壤(粉質(zhì)壤土)表層鹽分逐漸下移，兩種礦化度處理的土柱均出現(xiàn)積鹽現(xiàn)象，且2 g/L的積鹽量小于4 g/L 的積鹽量，土壤溶液中Na+含量，Ca2+含量的變化規(guī)律與EC 值基本一致。但交替次序不完整，缺乏與淡咸交替淋溶的對(duì)比。

研究發(fā)現(xiàn)，交替次序不同，土壤鹽分分布不同[14-15]。劉靜妍等[16]通過(guò)室內(nèi)土柱試驗(yàn)，分析了咸(5 g/L)，(1.7 g/L)水交替灌溉對(duì)土壤(黏壤土)水鹽分布的影響，結(jié)果表明，咸淡交替灌溉有利于降低土壤表層的含鹽量，淡咸交替灌溉有利于降低土壤中層的含鹽量。但其并未結(jié)合不同礦化度咸水進(jìn)行灌溉。因此，現(xiàn)有研究欠缺礦化度和交替次序相結(jié)合的研究。

基于此，本文將采用一份咸水一份淡水進(jìn)行灌溉試驗(yàn)，研究不同礦化度(3 g/L，6 g/L，9 g/L)和交替次序(咸淡交替灌溉、淡咸交替灌溉)下水鹽再分布的變化規(guī)律，旨在為微咸水的合理利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)土樣取自中國(guó)科學(xué)院黃河三角洲濱海濕地生態(tài)試驗(yàn)站(37°45′50″N，118°59′24″E)。采樣地內(nèi)植物呈斑塊狀分布，植物群落組成簡(jiǎn)單，以耐鹽植物為主，優(yōu)勢(shì)種主要為鹽地堿蓬、蘆葦、檉柳和白茅等。2017年6月，采集0—60 cm的土壤，去除雜質(zhì)后，自然風(fēng)干，碾壓過(guò)2 mm篩備用。本研究的土樣為鹽堿土，基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 供試土樣的基本理化性質(zhì)

灌溉水質(zhì)為淡水和咸水，淡水為蒸餾水，咸水由NaCl和蒸餾水配置而成，礦化度分別為3 g/L，6 g/L，9 g/L。灌溉水量為453.23 ml。根據(jù)以下公式[17]計(jì)算得到：

M=HA(θmax-θ0)γ土/γ水

(1)

式中：H為土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層深度，取44 cm；A為土壤灌溉面積，取28.26 cm2；θmax為土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層所允許的最大含水率(占干土重)，通常為田間持水率,取28.04%；θ0為土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層初始含水率(占干土重)，取1.04%；γ土為土壤容重，取1.35 g/cm3；γ水為水的容重，取1.00g/cm3。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)裝置由土柱和供水設(shè)備組成。土柱是由內(nèi)徑為6 cm，高2 cm的有機(jī)玻璃圓環(huán)組裝而成，共25個(gè)；用4根固定螺桿固定，底板上均勻分布2 mm的小孔，用以排氣，管壁連接處均勻涂抹凡士林，以避免因管壁存在孔隙對(duì)入滲產(chǎn)生影響。供水設(shè)備是內(nèi)徑為5.4 cm，高為60 cm的馬氏瓶。

試驗(yàn)土樣按土壤容重為1.35 g/cm3分層(2 cm)裝土，共44 cm，底部?jī)蓪友b填石英砂用以通氣，裝填完畢后，在表層放一張濾紙以避免灌水時(shí)對(duì)表土產(chǎn)生沖刷，放置12 h后開(kāi)始試驗(yàn)。水頭控制在1～2 cm，用秒表計(jì)時(shí)。

試驗(yàn)采用咸淡交替灌溉和淡咸交替灌溉兩種方式，咸水礦化度分別為3 g/L，6 g/L，9 g/L，共6個(gè)處理，每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中，將灌水定額分兩份，每份灌水量為226.62 ml，單輪入滲結(jié)束后，立即進(jìn)行下一輪灌溉。灌水結(jié)束后，放置24 h，旨在對(duì)咸淡水交替灌溉后土壤水鹽再分布的規(guī)律進(jìn)行分析。每隔4 cm測(cè)定含鹽量等指標(biāo)，利用烘干法測(cè)定土壤含水率，利用電導(dǎo)率儀(DDS11A，上海)測(cè)定土壤浸提液電導(dǎo)率，利用火焰光度計(jì)測(cè)定Na+，利用硝酸銀滴定法測(cè)定土壤中Cl-。

1.3 數(shù)據(jù)處理

0—40 cm土層是黃河三角洲地區(qū)植物根系生物量分布較多的區(qū)域[18-19]，因此應(yīng)重點(diǎn)分析該范圍土層的水鹽變化。利用土壤含鹽量與土壤浸提液電導(dǎo)率之間的關(guān)系，將電導(dǎo)率轉(zhuǎn)化為含鹽量，具體的轉(zhuǎn)化公式為：

y=1.857EC5:1+1.011

(2)

式中：y為土壤含鹽量(g/kg)；EC5∶1為24.5℃下水土比5∶1 的土壤浸提液電導(dǎo)率(mS/cm)。

本研究采用Microsoft Office Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，Origin 2017進(jìn)行繪圖，SPSS 19.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。采用單因素方差分析(One-way ANOVA)和最小顯著差異(LSD)法比較不同處理間入滲歷時(shí)、土壤含水率、土壤含鹽量、Na+和Cl-含量的差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 咸淡水交替灌溉對(duì)鹽堿土入滲歷時(shí)的影響

不同礦化度和交替次序下入滲歷時(shí)的變化規(guī)律如圖1所示。咸淡交替灌溉和淡咸交替灌溉的入滲歷時(shí)均隨礦化度的增大而顯著減小(p<0.05)。以咸淡交替灌溉9 g/L為例，咸淡交替灌溉3 g/L的入滲歷時(shí)為480 min，咸淡交替灌溉9 g/L的入滲歷時(shí)減少了15.38%(p<0.05)。咸淡交替灌溉的入滲歷時(shí)顯著小于淡咸交替灌溉(p<0.05)。尤其在礦化度9 g/L下，咸淡交替灌溉的入滲歷時(shí)為416 min，淡咸交替灌溉的入滲歷時(shí)增加了44.95%(p<0.05)。

注：不同字母表示差異顯著性(p<0.05)

圖1 不同礦化度和交替次序下入滲歷時(shí)的變化規(guī)律

2.2 咸淡水交替灌溉對(duì)鹽堿土水分分布的影響

由表2可知，咸淡交替灌溉和淡咸交替灌溉的平均土壤含水率均隨礦化度的增大而減小，但差異不顯著(p>0.05)。咸淡交替灌溉的平均土壤含水率小于淡咸交替灌溉，差異不顯著(p>0.05)。

表2 不同處理0-40 cm土層平均土壤含水率%

注：不同字母表示差異顯著性(p<0.05)。

2.3 咸淡水交替灌溉對(duì)鹽堿土鹽分分布的影響

2.3.1 對(duì)土壤含鹽量的影響 土壤含鹽量隨水分入滲而向深層土壤遷移，并在土層底部聚集(圖2)。咸淡交替灌溉和淡咸交替灌溉的平均土壤含鹽量隨礦化度的增加而顯著增大(p<0.05)。尤其是淡咸交替灌溉9 g/L，淡咸交替灌溉3 g/L的平均土壤含鹽量為4.255 g/kg，淡咸交替灌溉9 g/L的平均土壤含鹽量增加了24.86%(p<0.05，表3)。

在0—12 cm土層和36—40 cm土層，咸淡交替灌溉的土壤含鹽量小于淡咸交替灌溉。在12—36 cm土層，咸淡交替灌溉和淡咸交替灌溉的土壤含鹽量差異不明顯(圖2)。以0—40 cm平均土壤含鹽量為例，咸淡交替灌溉的平均土壤含鹽量顯著小于淡咸交替灌溉(p<0.05)。當(dāng)?shù)V化度為9 g/L時(shí)，咸淡交替灌溉的平均土壤含鹽量為4.773 g/kg，淡咸交替灌溉的平均土壤含鹽量增加了11.31%(p<0.05，表3)。

圖2 不同剖面各處理土壤含鹽量分布

表3 不同處理0-40 cm土層平均土壤含鹽量g/kg

注：不同字母表示差異顯著性(p<0.05)。

2.3.2 對(duì)土壤水溶性鹽的影響

(1) Na+含量的變化特征。Na+含量隨水分入滲而向深層土壤遷移，并在土層底部聚集(圖3)。咸淡交替灌溉和淡咸交替灌溉的平均Na+含量均隨礦化度的增加而顯著增大(p<0.05)。以咸淡交替灌溉9 g/L為例，咸淡交替灌溉3 g/L的平均Na+含量為1.703 g/kg，咸淡交替灌溉9 g/L的平均Na+含量增加了67.18%(p<0.05，表4)。

在0—12 cm土層和36—40 cm土層，咸淡交替灌溉的Na+含量小于淡咸交替灌溉。在12—36 cm土層，咸淡交替灌溉和淡咸交替灌溉的Na+含量差異不明顯(圖3)。以0—40 cm平均Na+含量為例，咸淡交替灌溉的平均Na+含量顯著小于淡咸交替灌溉(p<0.05)。當(dāng)?shù)V化度為6 g/L時(shí)，咸淡交替灌溉的Na+含量為2.228 g/kg，淡咸交替灌溉的Na+含量增加了22.98%(p<0.05，表4)。

(2) Cl-含量的變化特征。Cl-含量隨水分入滲而向深層土壤遷移，并在土層底部聚集(圖4)。咸淡交替灌溉和淡咸交替灌溉的平均Cl-含量均隨礦化度的增加而顯著增大(p<0.05)。以淡咸交替灌溉9 g/L為例，淡咸交替灌溉3 g/L的平均Cl-含量為0.231 g/kg，淡咸交替灌溉9 g/L的平均Cl-含量增加了45.89%(p<0.05，表5)。

圖3 不同剖面各處理Na+含量分布

表4 不同處理0-40 cm土層平均Na+含量g/kg

注：不同字母表示差異顯著性(p<0.05)

在0—12 cm土層和36—40 cm土層，咸淡交替灌溉的Cl-含量小于淡咸交替灌溉。在12—36 cm土層，咸淡交替灌溉和淡咸交替灌溉的Cl-含量差異不明顯(圖4)。以0—40 cm平均Cl-含量為例，咸淡交替灌溉的平均Cl-含量顯著小于淡咸交替灌溉(p<0.05)。當(dāng)?shù)V化度為9 g/L時(shí)，咸淡交替灌溉的Cl-含量為0.279 g/kg，淡咸交替灌溉的Cl-含量增加了20.79%(p<0.05，表5)。

圖4 不同剖面各處理Cl-含量分布

表5 不同處理0-40 cm土層平均Cl-含量g/kg

注：不同字母表示差異顯著性(p<0.05)。

3 討 論

本文針對(duì)黃河三角洲土壤鹽堿化程度高展開(kāi)，通過(guò)分析咸淡水交替灌溉過(guò)程中的水鹽運(yùn)移過(guò)程，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，咸淡交替灌溉的入滲歷時(shí)顯著小于淡咸交替灌溉。咸淡交替灌溉與淡咸交替灌溉的平均土壤含水率差別并不顯著。土壤平均土壤含鹽量隨礦化度的增加而增大，3 g/L的平均土壤含鹽量最低。咸淡交替灌溉的平均土壤含鹽量顯著小于淡咸交替灌溉。

3.1 咸淡水交替灌溉對(duì)土壤水分的影響

研究結(jié)果顯示，咸淡交替灌溉和淡咸交替灌溉的入滲歷時(shí)均隨礦化度的增加而顯著減小。王艷等[20]在天津?yàn)I海新區(qū)大蘇莊研究了不同礦化度水(0.56 g/L，3.78 g/L，6.14 g/L)淋洗對(duì)鹽堿土(0—40 cm為重壤土，40—60 cm為輕黏土，60—100 cm為中黏土)水鹽分布的影響，結(jié)果也顯示，入滲水的礦化度越高，入滲速率越大。但趙麗麗等[21]在煙臺(tái)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院蘋果園研究了入滲水礦化度(3 g/L，6 g/L，12 g/L，24 g/L)對(duì)土壤(粉砂黏壤土)水鹽分布的影響發(fā)現(xiàn)，入滲速率隨礦化度的增加而顯著減小。與本試驗(yàn)結(jié)果區(qū)別較大，其原因可能與土壤類型相關(guān)。首先，與非鹽堿土相比，鹽堿土中含有豐富的離子，其與微咸水中的鹽分離子產(chǎn)生交換作用，使土壤膠體吸附的鈉離子被鈣鎂離子置換，改善了土壤團(tuán)聚性并導(dǎo)致土壤中的大孔隙增加，進(jìn)而增強(qiáng)土壤的入滲能力[22]。其次，在微咸水灌溉過(guò)程中，隨著礦化度增加，帶入土壤中的鈉離子含量進(jìn)一步增加，由于電荷少，半徑大，水化能相對(duì)較小，鈉離子增加導(dǎo)致土壤顆粒的膨脹分散，使土壤的透水透氣性變差[23]。

咸淡交替灌溉的入滲歷時(shí)顯著小于淡咸交替灌溉。咸淡交替灌溉導(dǎo)致土壤中大孔隙的增多，使土壤通透性增強(qiáng)，水分入滲較快[24]。而淡咸交替灌溉有利于土壤有效孔隙的形成，使水分保持在土壤孔隙中，無(wú)法繼續(xù)使入滲水保持快速的流動(dòng)[25]，故咸淡交替灌溉的入滲歷時(shí)比淡咸交替灌溉短。

咸淡交替灌溉與淡咸交替灌溉的平均土壤含水率差別不顯著。其原因可能是咸淡交替灌溉和淡咸交替灌溉的灌溉水量、灌溉水質(zhì)、土壤初始含水率、土壤類型都相同，水分入滲結(jié)束后，土壤含水率差別不大。此外，短時(shí)間(24 h)內(nèi)蒸發(fā)作用對(duì)水分再分布的影響較小，不足以改變土壤含水率的大小。

3.2 咸淡水交替灌溉對(duì)土壤鹽分的影響

咸淡交替灌溉和淡咸交替灌溉的平均土壤含鹽量、平均Na+含量和平均Cl-含量均隨礦化度的增加而顯著增大。楊艷和王全九[26]也表明土壤(砂質(zhì)黏壤土)的剖面含鹽量隨著礦化度的增加而增加。其原因，一方面是由于微咸水本身含有一定鹽分，入滲后，必然會(huì)給土壤帶來(lái)額外的鹽分累積，因此隨著礦化度增加，土壤整體的含鹽量也隨之升高[27]。另一方面，與低礦化度水相比，高礦化度水對(duì)土壤鹽分的淋洗作用相對(duì)較小，脫鹽率較低，土壤含鹽量高[28]。土壤含鹽量隨入滲水的顯著變化表明，控制好灌溉水的礦化度對(duì)于作物正常生長(zhǎng)至關(guān)重要。

咸淡交替灌溉的平均土壤含鹽量顯著小于淡咸交替灌溉，平均Na+含量和平均Cl-含量顯著小于淡咸交替灌溉，其原因可能是首輪微咸水灌溉下，擴(kuò)散雙電子層向黏粒表面壓縮，使土壤顆粒排除力降低，增強(qiáng)土壤膠體的絮凝作用，從而形成團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，增加土壤導(dǎo)水能力，有利于后一次淡水灌溉對(duì)土壤鹽分的淋洗[29]。交替次序?qū)ν寥榔骄}量的影響較大。例如劉靜妍等[16]在山西省水利科學(xué)研究院節(jié)水高效示范基地對(duì)比了咸淡交替灌溉和淡咸交替灌溉(咸水礦化度為5.02 g/L，淡水礦化度為1.75 g/L)對(duì)土壤(黏壤土)含鹽量的影響，結(jié)果表明，咸淡交替灌溉顯著降低了表層土壤的含鹽量，淡咸交替灌溉降低了土壤中層的含鹽量。蘇瑩等[24]在河北省南皮縣通過(guò)對(duì)比咸淡咸交替灌溉和淡咸咸交替灌溉(咸水礦化度為3 g/L，淡水礦化度為0.5 g/L)對(duì)土壤(次生堿化土)脫鹽率的影響發(fā)現(xiàn)，在灌水量和灌溉水質(zhì)相同的情況下，淡咸咸交替灌溉變?yōu)橄痰探惶婀喔瓤梢蕴岣咄寥烂擕}率。

4 結(jié) 論

咸淡水交替灌溉的入滲歷時(shí)隨礦化度的增加而減?。徊煌惶娲涡蛳峦寥廊霛B歷時(shí)表現(xiàn)為咸淡交替灌溉小于淡咸交替灌溉，咸淡交替灌溉與淡咸交替灌溉的平均土壤含水率差別不顯著。咸淡水交替灌溉的平均土壤含鹽量隨咸水礦化度的增加而增大，咸淡交替灌溉的平均土壤含鹽量小于淡咸交替灌溉。因此，從降低土壤鹽分方面考慮，礦化度較小(例如3 g/L)，咸淡交替灌溉的方式最優(yōu)。由于時(shí)間和條件有限，試驗(yàn)僅在室內(nèi)進(jìn)行，所得結(jié)論具有一定局限性，還需進(jìn)一步在大田驗(yàn)證，以及綜合考慮對(duì)作物的影響。在具體利用微咸水進(jìn)行農(nóng)田灌溉時(shí)，應(yīng)考慮微咸水礦化度、交替次序、間歇時(shí)間、灌溉頻次以及作物不同生育階段抗鹽脅迫能力等。