绿洲区长期膜下滴灌棉田土壤盐分离子分布

李向春，李文昊，韩冬梅，孙秀敏，杨金文

(1. 新疆石河子职业技术学院，新疆 石河子 832000；2. 石河子大学水利建筑工程学院，新疆 石河子 832000；3. 现代节水灌溉兵团重点实验室，新疆 石河子 832000)

新疆地处欧亚大陆腹地是中国典型的绿洲灌溉农业区，降水稀少、蒸发强烈使农业区土壤盐分易于聚集[1,2]。目前新疆盐碱地面积2 810万hm2，占我国盐碱地总面积近1/3，并且大部分盐碱地分布在绿洲区域范围内，绿洲农业的发展受到土壤盐碱化的严重制约。自1996年新疆生产建设兵团(以下简称兵团)率先将滴灌与覆膜技术结合，并在121团进行小面积(1.7 hm2)应用成功后；膜下滴灌技术开始迅猛发展，至今已经遍布整个新疆，并且正在向东北和华中地区扩展，据统计2012年仅新疆的膜下滴灌面积就已超过200万hm2[3]。采用膜下滴灌种植棉花体现出的便于田间管理并且高产等优势被专家和农户所认可；但是滴灌“小定额”的灌溉方式，导致土壤水湿润范围有限，计划湿润层附近势必呈积盐状态，长此以往这种积盐状态也必然会影响甚至阻止膜下滴灌技术的可持续发展。

部分学者对长期应用膜下滴灌技术棉田的土壤盐分演变趋势进行了探究。部分研究者认为随着膜下滴灌应用年限的延长，棉田计划湿润层或者根层土壤中盐分逐年降低[3-9]。另一部分研究者则认为棉花生育期过程中只有膜內一定深度土层处于脱盐状态，膜间0～40 cm土层盐分聚集，在生育期结束后棉田土壤盐分逐年增加[10-13]。上述研究成果对于指导膜下滴灌农田进行水盐调控起到了积极作用。但文章中作者都只研究了膜下滴灌棉田土壤中总盐的变化，而对作物产生直接胁迫作用的盐分离子的迁移规律未进行深入研究。本文以膜下滴灌发源地121团连续应用膜下滴灌技术灌溉年限为2、4、6、8、10、14 a 6块典型棉田为例进行研究，分析膜下滴灌灌溉年限为2～14 a棉田土壤总盐和盐分离子的分布特征，为膜下滴灌技术在绿洲的可持续应用提出具有借鉴意义的结论。

1 材料与方法

研究区位于下野地灌区内121团，以同一支渠灌溉的6块不同滴灌年限棉田作为调查研究对象，各地块开垦年份与应用膜下滴灌技术年限的对照表，见表1。121团是兵团最早采用膜下滴灌技术种植棉花试验的团场；经过近20年的发展，已经成为兵团最大的优质棉生产基地之一。其地理坐标为东经112°47′50.058″～112°20′626″、北纬44°56′13.323″～44°36′58.871″。春季升温急剧，秋季降温迅速，春短，冬长，昼夜温差大。夏季炎热，极端最高气温达43.1 ℃，冬季寒冷，极端最低气温达-42.3 ℃，年平均气温7.5～8.2 ℃。日照时数2 318～2 732 h，无霜期147～191 d，≥0 ℃的活动积温为4 023～4 118 ℃，≥10 ℃的活动积温为3 570～3 729 ℃。降水量少，年均148.4 mm，蒸发强烈，年均蒸发量1 900.5 mm。

表1 各地块开垦年份与应用膜下滴灌技术年限的对照表

兵团实施以水定地、依地配水的灌溉方案以及特殊体制下，各研究地块自1998年来陆续开垦种植棉花，并且棉花的种植模式、灌溉制度、施肥方式甚至农艺措施都基本一致。近年来各研究地块一直采用 “一膜两管六行”的种植方式(棉花窄行和宽行间距分别为11和66 cm，膜间间距为60 cm)，见图1。研究区典型灌水、施肥制度，见表2；全生育期灌水9次，灌溉定额731.13 mm；肥料施入以尿素和磷酸钾铵为主，年合计施入量829.47 kg/hm2。研究区灌溉水源来自玛纳斯河，观测到灌溉季节玛纳斯河水矿化度为0.502～0.973 g/L<2 g/L，符合灌溉水水质要求。

2014年对各滴灌年限棉田进行定点定位取样，考虑到生育期内灌水、季节变化以及降雨对土壤中盐分、盐分离子分布的 影响，取样时间定为每年棉花播种后但未滴头水的4月中旬以及棉花生育期结束一段时间后且封冻开始前的10月中旬，同时保证取样前4～5 d没有降雨。对角线法在棉田内布选3个取样区，以各棉田东北角为起点各样区分别位于对角线的1/4、1/2和3/4附近，第一次取样后对每个样区进行人工标记定位，方便第二次定点取样；在各取样区布设3个采样点，分别为膜内毛管处、棉花窄行中点、膜外两膜中点，见图1。样点的取样深度分别为0～3、20±3、40±3、60±3、80±3、100±3、120±3、140±3 cm，每次取样432个，共计获取土样864个。样品经过自然风干后，进行研磨，过1 mm土工筛后将相同地块相同土层深度的土样混合，然后按照土水质量比1∶5混合后震荡、过滤，对每个样本的浸提液用DDS-11A数显电导率仪测定提取液EC值，采用烘干残渣法对EC值进行标定换算为盐分质量分数(g/kg)。参见鲍士旦《土壤农化分析》[14]，对土壤中Na+采用火焰光度计进行测定，Cl-用AgNO3滴定法，SO2-4用EDTA 间接滴定法，Mg2+、Ca2+采用络合滴定法；结果换算成g/kg的统一单位。

图1 棉花种植模式(单位：cm)

时间4月下旬5月中旬6月中旬6月下旬7月上旬灌水定额/mm165.4563.6489.1863.3956.02施肥量/(kg·hm-2)41.2582.9598.7093.75时间7月中旬7月下旬8月中旬8月下旬合计灌水定额/mm94.8754.4360.1084.05731.13施肥量/(kg·hm-2)127.80150.00155.2579.80829.47

2014年4月同样对2012年开垦地块土壤质地和化学性质进行了分析，比重计法测定不同土层土壤颗粒含量，依据《土壤物理学》[15]对土壤质地进行分类(见表3)，环刀法测定土壤干容重(见表2)；耕层以下土壤质地比较均匀。0～100 cm土层平均含盐量为17.85 g/kg，依据《新疆垦区盐碱地改良》[16]棉田盐化程度属于盐土；Na+在0～100 cm土层的平均含量为7.43 g/kg，Cl-平均含量为0.38 g/kg，Ca2+平均含量为1.30 g/kg，Mg2+平均含量为0.89 g/kg，SO2-4平均含量为0.67 g/kg。

表3 土壤物理性质

2 结果与分析

2.1 应用膜下滴灌2～14 a棉田土壤盐分分布

可溶性总盐是评价盐碱地危害最直接的指标之一；图2为膜下滴灌2～14 a棉田0～140 cm土层盐分的等值线图。

图2 总盐分布特征

由图2可知，在垂直方向表现为受干旱气候条件的影响，棉田盐分始终呈现“浅集表聚”现象，尤其在膜下滴灌10 a以内表现得更为明显；水平方向呈现出随膜下滴灌年限的延长土壤盐分含量逐年降低，到膜下滴灌8 a以后盐分土层中分布相对均匀。其中膜下滴灌第2 a棉田地表盐分含量达33.20 g/kg，土壤盐分含量随土层深度的增加逐渐降低，到80 cm以下土层含盐量降到<12.52 g/kg以下，但在100～120 cm土层形成13.47～15.48 g/kg的积盐区。这可能是因为应用膜下滴灌技术第1 a，由于灌水洗盐作用土壤盐分在100～120 cm聚集。应用膜下滴灌技术2 a后0～60 cm(主要根系层)土壤盐分平均含量为19.78 g/kg，膜下滴灌第6 a降至6.50 g/kg，膜下滴灌第14 a降至3.27 g/kg。膜下滴灌2～14 a不同阶段棉田土壤平均脱盐量，如表4所示。

表4 应用膜下滴灌2～14 a不同阶段棉田土壤平均脱盐量 g/(kg·a)

由表4可知，应用膜下滴灌2～14 a不同阶段棉田土壤平均脱盐量呈逐年降低趋势，0～60 cm土层在膜下滴灌2～4 a棉田土壤平均脱盐量为21.36 g/(kg·a)，膜下滴灌6～8 a平均脱盐量降为2.99 g/(kg·a)，到膜下滴灌10～14 a平均脱盐量是0.50 g/(kg·a)。应用膜下滴灌2～14 a棉田0～140 cm土层平均脱盐量9.26 g/(kg·a)。

2.2 应用膜下滴灌2～14 a棉田土壤阳离子分布

应用膜下滴灌2～14 a棉田土壤Na+、Ca2+和Mg2+分布，见图3～图5。

图3 Na+分布特征

图4 Ca2+分布特征

图5 Mg2+分布特征

Na+是一价阳离子，其水化半径小、胶体对其吸附力、交换力以及离子凝聚都比较弱。因此Na+是土壤中最活跃的离子之一。如图3所示，膜下滴灌8 a内棉田土壤中Na+的“浅集表聚”现象一直比较明显。膜下滴灌第2 a表层土壤中Na+含量达13.81 g/kg，随着土层深度的增加，距地表100 cm处Na+含量逐渐降至4.00 g/kg以下。年际间表现出随着膜下滴灌年限的延长棉田土壤中Na+含量逐年降低的变化趋势；膜下滴灌第2 a棉田0～60 cm土层Na+平均含量为9.00 g/kg，到膜下滴灌第8 a 0～60 cm土层Na+平均含量降至3.05 g/kg，膜下滴灌第14 a棉田0～60 cm土层Na+平均含量为1.09 g/kg。

阳离子中Ca2+与Mg2+同作为二价，因此其离子代换力、凝聚力、胶体对其吸附性、化学性质等十分相近；因此长期膜下滴灌棉田土壤中Ca2+和Mg2+的分布特征与变化趋势应该存在一定相似性。由图4和图5可知，应用膜下滴灌技术14 a内棉田土壤中Ca2+和Mg2+的“浅集表聚”现象一直存在，同时呈现出随膜下滴灌年限的延长含量逐年降低的趋势。应用膜下滴灌技术第2 a棉田0～60 cm土壤中Ca2+平均含量为1.54 g/kg，到膜下滴灌第8 a 0～60 cm土层Ca2+平均含量降至0.53 g/kg，膜下滴灌第14 a棉田0～60 cm土层Ca2+平均含量为0.44 g/kg。应用膜下滴灌技术第2 a棉田0～60 cm土壤中Mg2+平均含量为1.10 g/kg，到膜下滴灌第8 a 0～60 cm土层Mg2+平均含量降至0.79 g/kg，膜下滴灌第14 a棉田0～60 cm土层Mg2+平均含量为0.54 g/kg。

应用膜下滴灌技术2～14 a不同阶段棉田土壤平均脱Na+量、脱Ca2+量、脱Mg2+量，如表5所示。

表5 应用膜下滴灌2～14 a不同阶段棉田土壤平均脱Na+量、脱Ca2+量、脱Mg2+量 g/(kg·a)

由表4可知，应用膜下滴灌2～14 a不同阶段棉田各土壤平均脱Na+量、脱Ca2+量、脱Mg2+量均呈逐年降低趋势。0～60 cm土层在膜下滴灌2～4 a棉田土壤平均脱Na+量、脱Ca2+量、脱Mg2+量分别为8.68、1.43和0.50 g/(kg·a)，到膜下滴灌10～14 a年分别降至0.82、0.08和0.20 g/(kg·a)。应用膜下滴灌2～14 a棉田0～140 cm土层平均脱Na+量、脱Ca2+量、脱Mg2+量分别为3.69、0.60和0.35 g/(kg·a)。

2.3 应用膜下滴灌2～14 a棉田土壤阴离子分布

应用膜下滴灌2～14 a棉田土壤SO2-4和Cl-的分布特征见图6和图7。

图6 SO2-4分布特征

图7 Cl-分布特征

在干旱气候条件下，土壤中SO2-4多以难溶性化合物沉淀积累在土壤中；同时作为二价阴离子，胶体对其吸附力以及离子凝聚力都比较强，因此SO2-4是土壤中较稳定的离子之一。因此由图6可知，膜下滴灌14 a内SO2-4在土壤中的“浅集表聚”现象一直很明显，膜下滴灌第2 a表层SO2-4含量为0.79 g/kg，随着土层深度的增加，到80 cm土层SO2-4含量降至0.56 g/kg；但在100 cm土层出现了SO2-4集聚现象。随着膜下滴灌年限的延长棉田土壤中SO2-4逐年降低。0～60 cm土层SO2-4平均含量由滴灌第2 a的0.71 g/kg，到滴灌14 a后降至0.34 g/kg。

Cl-具有自身性质稳定，胶体对其吸附能力弱且难与其他离子形成稳定化合物等性质，因此土壤中Cl-迁移多以水为驱动力[7]。由图7可知，Cl-的“浅集表聚”现象亦很明显，膜下滴灌第2 a表层Cl-含量为0.48 g/kg，随着土层深度的增加，到140 cm土层Cl-含量降至0.27 g/kg；膜下滴灌第10 a表层Cl-含量为0.20 g/kg，随着土层深度的增加，到140 cm土层Cl-含量降至0.06 g/kg。随着膜下滴灌年限的延长棉田土壤中Cl-逐年降低。0～60 cm土层Cl-平均含量由滴灌第2 a的0.41 g/kg，到滴灌14 a后降至0.11 g/kg。

应用膜下滴灌技术2～14 a不同阶段棉田土壤平均脱SO2-4量和脱Cl-量，如表6所示。

表6 应用膜下滴灌2～14 a不同阶段棉田土壤平均脱SO2-4量和脱Cl-量 g/(kg·a)

由表6可知，应用膜下滴灌2～14 a不同阶段棉田各土壤平均脱SO2-4量和脱Cl-量均呈逐年降低趋势。0～60 cm土层在膜下滴灌2～4 a棉田土壤平均脱SO2-4量和脱Cl-量分别为0.42和0.31 g/(kg·a)，到膜下滴灌10～14 a分别降至0.02和0.05 g/(kg·a)。应用膜下滴灌2～14 a棉田0～140 cm土层平均脱SO2-4量和脱Cl-量分别为0.21和0.17 g/k(g·a)。

3 结 语

受干旱气候条件影响绿洲区域长期膜下滴灌棉田土壤中总盐、Na+、Ca2+、Mg2+、SO2-4和Cl-始终呈现“浅集表聚”的分布特征。在现行灌溉制度的影响下，土壤中总盐和5种盐分离子均随膜下滴灌年限的延长逐年降低，应用膜下滴灌技术2～14 a不同阶段棉田土壤平均脱盐量和脱离子量也随膜下滴灌年限的延长逐年降低。由于棉田土壤中盐分离子本底含量以及化学性质的差异，应用膜下滴灌2～14 a棉田0～140 cm土层五种离子年平均降低3.69、0.60、0.35、0.21和0.17 g/kg。

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