南疆鹽漬化土壤排鹽系數及淋洗定額確定

楊玉輝，李朝陽，王興鵬,2

(1.塔里木大學水利與建筑工程學院，新疆 阿拉爾 843300；2.中國農業科學院農田灌溉研究所，河南 新鄉 453000)

土壤鹽漬化問題長期以來一直困擾著南疆地區農業的發展。為了有效改善土壤鹽漬化所帶來的農業生產問題，當地普遍采用較為傳統的大定額冬春灌淋洗方式控制和減少土壤含鹽量[1]。在膜下滴灌條件下，棉田含鹽量在生育期0～60 cm土層范圍內表現為積鹽狀態，并以40～60 cm積鹽最多，所以定期大水漫灌洗鹽是土壤脫鹽的重要手段[2]。Letey等[3]建立了以淋洗需要量和鹽分平衡指數作為淋洗灌水量和淋洗效率的評價指標，Chen等[4]認為大水漫灌對土壤鹽分的淋洗效果更佳。一般冬灌淋洗深度可達60 cm，效果較春灌要好[5]。彭振陽等[6]認為局部秋澆會促使鹽分向上層土壤運動，從而增加土壤剖面的含鹽量。羅玉麗等[7]提出內蒙古引黃灌區適宜秋澆定額為1 500 m3/hm2。在南疆地區開展的相關研究表明，春灌水量為1 800 m3/hm2，冬灌定額在3 500～4 000 m3/hm2對鹽分淋洗效果較好[8，9]。當然，并非冬春灌水量越多，脫鹽效果越好[10]。因此，對于不同鹽漬化程度的土壤而言，適宜的淋洗定額是決定土壤脫鹽效果的關鍵因素，應根據自然條件和灌溉排水條件的不同因地制宜地確定相應的冬春灌定額[11]。目前，南疆地區冬春灌淋洗定額一般是大田等定額統一地面灌溉，灌水定額的確定也較為隨意，較少考慮不同鹽漬化程度及不同淋洗深度對鹽分淋洗定額的影響。本文確定了不同鹽漬化程度條件下的排鹽系數，并計算出不同鹽漬化程度及不同深度土壤的理論淋洗定額，對理論值進行實測驗證，為合理制定南疆地區農田冬春灌定額提供理論依據。

1 試驗區概況

本試驗位于新疆生產建設兵團第一師阿拉爾市11團(81°17′56.52″E，40°32′36.90″N)，屬于典型大陸性極端干旱沙漠氣候，干旱少雨，年降水量46.7～61.2 mm，年蒸發量高達1 877.5～2 337.4 mm，日照長，晝夜溫差大，年均日照時數2 729.0 h，最熱月平均氣溫為25～27 ℃，氣溫最低月為1月，多在-22～-30℃，無霜期長，達200 d以上，干旱指數為7～20。土壤質地為沙壤土，土壤平均密度為1.35～1.56 g/cm3，土壤透氣性良好，0～80 cm田間持水率為25%～28%(重量含水率)，土壤鹽分值在0.18%～1.29%，地下水埋深在2 m左右。

2 材料與方法

2.1 實驗樣品

在阿拉爾墾區11團根據不同的土壤鹽漬化程度選擇7個采樣點，將0～40 cm深度的土樣取回室內自然風干磨碎備用，測定土壤鹽分初始值 (%)，測定的土樣含鹽量分別為0.446%、0.588%、0.593%、0.779%、0.829%、1.039%、1.109%。環刀分層取樣測定的0～40 cm土壤密度均值為1.56 g/cm3，土壤類型為沙壤土。

2.2 土壤排鹽系數計算

將不同鹽分初始值的風干土過篩，分層裝入不同的土柱內，土柱直徑25 cm，高度為40 cm，下部開孔，并用無紡布多層鋪設，防止土粒隨水排出。按照土壤鹽分初始值大小依次編號1～7，每個處理3次重復。

將m=0.02 m3(相當于1 050 m3/hm2)的水量灌入土柱內，待底部不再有水分排出后靜置3～5 d，分層取土(5～10、10～20、20～30、30～40 cm)測定淋洗后土柱剖面的鹽分均值s1(%)，由式(1)分別計算出不同處理的排鹽系數k[12]：

k=s′/m

(1)

式中：k為排鹽系數，表示單位體積淋洗水能排走的鹽量，kg/m3，一般取值為15～75；s′=s0-s1，淋洗前后的鹽分差值，%；m是灌溉水量，m3。

2.3 土壤淋洗定額計算

土壤淋洗定額由下式計算所得[12]：

M=m1+m2+E-P可簡化為M=M1+M2

(2)

m1=β1-β2=γh(θmax-θ0)

(3)

m2=1 000γh(s0-s2)/k

(4)

式中：M為淋洗定額，mm；m1為計劃淋洗層的土壤含水量與田間持水量的差額，mm；m2為按計劃的淋洗脫鹽標準淋洗鹽分所需的水量，mm；E為淋洗期內的蒸發水量，mm，在南疆地區，由于淋洗一般在11月或次年3月，氣溫低，蒸發量小，一般可忽略不計；p為淋洗期內可利用的水量，mm，在南疆地區淋洗期內降水較少可忽略；h為計劃淋洗層的深度，m；r為計劃淋洗層的土壤密度，kg/m3；β1為田間持水量時計劃淋洗層內水量，mm，β1=rhθmax，θmax為實測的田間持水率，θmax=26.36%；β2為計劃淋洗層的土壤實際含水量，mm，β2=rhθ0，在本實驗中為風干土，所以θ0=0；s0為計劃淋洗層的實際鹽分值占干土重的百分數，%(分別是淋洗深度0～10、0～20、0～30 cm的實際鹽分值)；s2為計劃淋洗層的土壤允許鹽分值占干土重的百分數，%(本實驗中土壤脫鹽標準 均取值為0.3%)。

2.4 土壤實際脫鹽值驗證

在南疆地區當土壤鹽分值低于0.3%時能夠滿足作物的正常生長，因此設定計劃淋洗層脫鹽標準為0.3%，在土柱內驗證理論淋洗定額的實際淋洗鹽分值與脫鹽標準值0.3%是否一致。實驗用土壤鹽分初始值分別為0.446%、0.588%、0.593%、0.779%、0.829%、1.039%、1.109%，設置的土壤鹽分淋洗深度為10、20、30 cm，共計21個處理。將式(2)計算出的不同深度理論淋洗定額 灌入土柱中，待土柱底部不再有水分滲出靜置3～5 d后，分別測定不同處理0～5、5～10、10～20、20～30 cm深度的土壤含鹽量均值s3(%)。并計算不同處理的脫鹽率η(%)，η=(s0-s3)/s0。

3 結果與分析

3.1 土壤排鹽系數分析

排鹽系數是計算土壤鹽分淋洗定額的重要參數。由式(1)計算出不同初始土壤鹽分值排鹽系數結果如圖1所示。由圖1可看出，在一定的灌水定額條件下，淋洗后的土壤鹽分值較初始值出現了較大幅度的降低，土壤初始鹽分值越大淋洗效果越明顯。對于同一質地土壤，土壤鹽漬化程度不同其排鹽系數也不相同，排鹽系數隨著土壤初始鹽分值的增加而增大，因此，在淋洗定額計算時應根據不同的鹽漬化程度選擇適宜的排鹽系數。

圖1 土壤排鹽系數Fig.1 Saline drainage coeffient

3.2 土壤鹽分淋洗定額的理論計算值

根據式(1)確定的排鹽系數k值，與式(2)～(4)計算出脫鹽標準分別為0.3%、0.2%、0.1%所對應的不同初始土壤鹽分值、不同淋洗深度所需的淋洗定額理論值，計算結果見表1。由表1可看出，在同一脫鹽標準條件下，土壤鹽分淋洗定額與土壤初始含鹽量、淋洗深度關系較大，土壤鹽分初始值越大淋洗定額越大，隨著淋洗深度的增加淋洗定額也較大。對于不同的脫鹽標準而言，提高脫鹽標準則需要增加淋洗定額。表1僅是利用公式計算得出的不同脫鹽標準下的淋洗定額值，是否與實際灌溉相符則需要進一步的實測驗證。

表1 鹽分淋洗定額理論計算值Tab.1 Salt-leaching quota

3.3 土壤實際脫鹽值驗證

將理論計算出的淋洗定額灌入不同處理的備用土柱中，實測驗證土柱中的淋洗后的鹽分值與設定的脫鹽標準值是否相一致，選擇脫鹽標準值0.3%為對照。由理論淋洗定額灌入土柱后測得的實際脫鹽值及脫鹽率見表2。由表2可知，淋洗后不同處理的鹽分淋洗效果均較為明顯，淋洗后的土壤鹽分值較初始值均有不同程度的降低，土壤脫鹽率隨著淋洗深度的增加而增大。在土壤鹽分初始值為0.446%、0.588%、0.593%的處理中，淋洗后的土壤鹽分值與脫鹽標準值0.3%相差不大，甚至低于脫鹽標準，說明理論淋洗定額能夠滿足土壤實際脫鹽需求的，淋洗定額較為適宜。當土壤鹽分初始值為0.779%、0.829%、1.039%、1.109%時，淋洗后的土壤實際鹽分值均高于脫鹽標準值0.3%，說明理論淋洗定額在進行高鹽漬化土壤淋洗時，其實際脫鹽值并沒有達到理論所要求的脫鹽標準值，淋洗定額偏小，為了達到要求的淋洗效果應適度增加淋洗定額。造成實際淋洗后的脫鹽值高于脫鹽標準值的另一個原因則是實驗中土壤初始含水率θ0=0， 進入土柱中的一部分淋洗定額水量首先要滿足濕潤土壤消耗，當超過田間持水率后鹽分才會隨水分向下運移。

表2 實際脫鹽值及脫鹽率Tab.2 Desalination value and Desalination rate

4 結 語

(1)南疆地區土壤鹽漬化程度不同，排鹽系數不同。土壤鹽分初始值為0.446%、0.588%、0.593%、0.779%、0.829%、1.039%和1.109%的沙壤土排鹽系數分別為16.7、23.1、23.7、33.1、35.3、46.4和47.3。

(2)以脫鹽標準0.3%進行理論淋洗定額的實測驗證，結果表明，土壤鹽分值為0.446%、0.588%、0.593%淋洗后的土壤鹽分值接近脫鹽標準值0.3%，說明理論淋洗定額滿足土壤實際脫鹽需求。而土壤鹽分值為0.779%、 0.829%、1.039%、1.109%淋洗后的土壤實際鹽分值均高于脫鹽標準值0.3%，說明理論淋洗定額偏小，在大田應用時應適度調整淋洗定額。

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