不同改良措施对新疆盐渍化棉田的改良效果

陈建华，王海江，宋江辉，祝 榛，史晓艳，朱永琪，李天胜

(新疆生产建设兵团绿洲生态农业重点实验室/石河子大学农学院，新疆石河子 832003)

0 引 言

【研究意义】土壤盐渍化问题是一个全球性的环境问题[1]，盐渍化土壤的形成受到气候、地形以及耕作方式等因素的影响，能够直接或间接影响作物对土壤养分的吸收，降低土壤中养分利用效率，恶化土壤理化性质以及生物学性质，对作物生长发育造成不良影响[2]。新疆地处我国西北地区，由于其土壤盐分含量高、地表蒸发强及降水量少等原因，使得该地区盐渍化土壤分布面积广、盐分组成类型多，是我国盐渍化土壤分布最为集中的区域之一，是制约新疆农业可持续发展以及资源利用的主要因素之一[3]。如何高效持久地改善新疆土壤盐渍化，对从根本上改变土壤盐分富集的现象具有重要意义。【前人研究进展】目前，农业上常用盐渍化土壤改良方式大体归为：水利工程改良、农业改良措施、生物改良以及化学改良四类[4]。其中，暗管排水技术在国外应用相对较早，在埃及和荷兰等国家应用较为广泛[5]。20世纪50年代开始在我国应用[6-7]，该技术能够有效的影响地下水埋深变化，防止土壤次生盐渍化和盐渍化，该措施在内陆盐渍地、沼泽地以及滨海盐碱地土壤均有研究[8-9]。根区隔离处理是通过建设隔离层把土壤中的盐分隔离在土壤耕层以下，防止底层土壤盐分随水位变化呈现出土壤表层盐分聚集现象。何欣燕等[10]通过设置3种材料(玉米秸秆、黄沙、粉煤灰)作为隔离垫层进行田间试验，3种材料在0～20 cm土层EC值分别降低了65 %、68.7 %、60 %；乔海龙等[11]通过对秸秆不同覆盖方式进行土柱模拟试验，发现20 cm土层秸秆深层覆盖处理土壤盐分含量较对照降低0.201 %，隔离垫层可以有效降低耕层土壤盐碱度，改良盐渍化土壤。农业改良措施是盐渍化土壤改良的重要措施，主要包括作物种植、平整土地、深耕深翻、客土改良、秸秆回田和增施追施有机肥等[12]，研究表明，种植作物可以明显增加降水对土壤盐分的淋洗，并可以抑制蒸发条件下的土壤返盐[13]。在干旱、半干旱地区，地下水埋深与土壤水、盐变化有紧密的联系，是影响土壤盐分含量变化的主要因素之一，地下水埋深的动态变化一般受到降水、蒸发以及人为地下水开采等因素的综合影响[19]。【本研究切入点】新疆地区土壤盐渍化现象严重，目前有关新疆盐渍化治理的研究多是针对不同区域的单一改良措施探讨其水盐运动规律以及脱盐效果[14-16]，但不同改良措施间的作用效果往往很难对比。研究不同改良措施下盐渍化土壤盐分的改良效果。【拟解决的关键问题】选取新疆盐渍化农田设置不同盐碱土改良措施，研究不同改良措施下土壤剖面盐分分布特征，并对其脱盐效果进行分析。为新疆盐渍化土壤资源的可持续利用与耕地质量提升提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

研究区位于新疆玛纳斯县北五岔镇农业试验田(44°35′ N，86°15′ E)，地处玛纳斯河流域冲积平原北部，气候属温带大陆性气候，是典型的灌溉农业区，主要农作物为棉花。研究区整体地势由西南向东北方向降低，为已开垦的棉田种植区。研究区土壤质地以中壤土为主，地下水埋深浅，年地下水位变化保持在0.5 ～2.5 m，土壤盐渍化严重。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

采用3种盐渍化土壤改良措施，分别为农业改良措施(T1)、根区隔离土壤盐分+农业改良措施(T2简称根区隔离)和暗管排水处理+农业改良措施(T3简称暗管排水)，为阻隔小区间耕层水分相互渗透，各处理耕层土壤间铺设隔离层农业改良措施：选用棉花作为农业改良措施主作物，种植模式为当地农户常用覆膜滴灌种植，1膜2管6行，行间距为10+30+10+30 (cm)。秋季棉花秸秆全部深翻还田，春季融雪后及时耙地保墒播种，年施用氮、磷、钾肥用量分别为纯氮450 kg/hm2、纯磷(P2O5)150 kg/hm2、钾肥(K2O)75 kg/hm2。基施20%氮肥和全部磷、钾肥，追施80%的氮肥，分6次随水滴施。5月10日到8月25日共灌水8次，灌水间隔15～20 d，每次灌水定额550～650 m3/hm2，生育期总灌水定额为4 800 m3/hm2。因研究区普遍种植棉花，且优质渠水资源(矿化度<1 g/L)匮乏，棉花需水高峰的花铃期(7～8月)会灌溉部分井水(矿化度3～5 g/L)以缓解渠水不足，但各处理灌溉水水质和总量保持一致。表1

表1 研究区滴灌农田灌水定额Table 1 Irrigation amount of drip irrigation field in study area

根区隔离处理：通过铺设隔离层将下层土壤与耕层土壤盐分隔离，切断盐分在土壤表面聚集的毛管水通道，达到盐渍化土壤改良的目的。设置时，将地表100 cm土壤挖出分层放置，而后铺设15 cm厚2～4 cm粒径的石子，石子上再覆1层土工布，最后将土分层回填，保持耕层土壤深度为80 cm。

暗管排水处理：参考农田排水工程技术规范(SL/T4-1999)的基础上，试验设置暗管埋深为80～100 cm，排水管间距10 m，暗管管壁采用表面打孔的波纹排水管(管内径110 mm)，利用土工布及少量沙硕石作为暗管外包料，工程设置采用南北方向铺设，坡度为1∶500，排水管与集水管间通过闸阀连接，修建集水池将集水管中的水排出至研究区外。

1.2.2 样品采集

2016～2018年，在作物生育期(3～9月)进行土壤样品采集，记录地下水埋深以及地下水矿化度数据。土壤样品采集使用五点取样法，每小区分别用土钻取0～20、20～40、40～60、60～80 cm土壤样品，去除杂物后装入自封袋，带回实验室分析。地下水位监测利用地下水监测仪器(Solinst 107 Water Level Meter)进行水位测定，将检测仪感应探头探入观测井内，直至感应探头触碰水体发出提示声，记录地下水埋深深度以及地下水矿化度。

1.2.3 测定计量

盐分含量测定：土壤盐分采用电导率仪测定，其中土壤浸提液电导率与土壤全盐含量之间的关系为：

SCC=3.51×EC1∶5+0.38(R2=0.95，P<0.01)[17].

(1)

式中：SCC为全盐量，g/kg；EC1:5为土壤浸提液的电导率，mS/cm。

土壤脱盐率：生育期末脱盐率计算公式为：

D= (T-E) /T[18].

(2)

式中：D为脱盐率，%；T为土壤初始盐分含量，g/kg；E为生育期末土壤盐分含量，g/kg。

1.3 数据处理

所得数据均用利用Microsoft Excel 2010、SPSS 19.0 进行数据处理，Sigmaplot 12.5 完成制图。

2 结果与分析

2.1 灌溉水对地下水位的影响

研究表明，2016～2018年地下水埋深整体变化趋势相近。2016年4月、5月，温度回升较快，土壤蒸发强烈，地下水位呈现明显的降低趋势，地下水埋深降低至-1.5 m左右；随着6月的生育期灌溉，研究区地下水位整体抬升，T1、T2、T3处理地下水埋深分别比5月抬升了42.58 %、41.48 %、40.91 %。7月，各处理地下水位均有明显降低，或许是由于该时期灌溉渠水不足，竖井抽取大量的地下水导致地下水埋深有所降低。8月、9月地下水埋深又有抬升趋势，可能是因为棉花生育后期需水量减少，对地下水的抽取量降低使得地下水埋深变浅，T3处理由于暗管的埋设，能够将暗管上部的地下水排出，地下水位明显低于其他处理。2017年地下水埋深变化趋势与2016年相似，各时期整体地下水位均有降低，T1、T2、T3处理的地下水埋深均在6月最浅，分别为-1.12 、-1.27 和-1.22 m。2018年T1、T2、T3处理地下水埋深整体抬升幅度较大，但变化趋势与2016、2017年趋势相似，3月埋深分别为-0.86 、-0.66 和-0.89 m， 4月由于蒸发作用使得地下水埋深明显降低， 5～6月地下水位呈现抬升趋势，地下水埋深分别为-0.81 、-0.83 和-0.92 m。由于研究区降水稀少，蒸发强烈，地下水埋深还是受区域农业灌溉和竖井地下水抽取的影响较大。图1

图1 研究区2016 ～ 2018年地下水埋深变化Fig.1 Change of groundwater burial depth in the research area in 2016 - 2018

2.2 不同改良措施土壤盐分含量变化

研究表明，T1、T2、T3处理在2016～2018年土壤盐分含量总体呈降低趋势。在2016年，T1处理表层(0～40 cm)土壤盐分含量变化幅度较大，底层(40～80 cm)盐分变化相对较为平缓，随着6月灌溉量的增加，地下水水位随之升高，强烈的农田蒸散导致底层盐分随水上移[20]，0～40 cm土层盐分含量明显增加；T2处理的0～20 cm土层盐分含量由最初4月的11.09 g/kg降低至9月的8.75 g/kg，20～40 cm土层盐分含量由10.79 g/kg降低至8.20 g/kg，0～40 cm土层深度盐分均呈现出较为明显的降低趋势，在40～80 cm土层深度盐分变化较为平缓，且在2016年的6月由于人为灌溉导致地下水位升高，土壤盐分含量呈现上升趋势；T3处理与T2处理盐分变化趋势相似，其中，60～80 cm土层盐分含量最高，盐分在土壤底层表现为明显的聚集现象，位于暗管上方的土层能够通过排水将盐分淋洗至暗管中降低土壤盐分含量，但暗管周边由于盐分堆积，导致土层盐分含量较高。

2017年，T1、T2、T3处理土壤剖面盐分含量明显低于2016年，其中，T1处理盐分呈现“降低-升高-降低”的趋势，各土层含盐量均有不同程度的减少，表层(0～40 cm)土壤盐分降低幅度要明显大于底层；T2处理各层土壤盐分含量呈下降趋势，T3处理生育期土壤含盐量同样表现出下降趋势，8月各层土壤盐分含量均有升高，可能是与该时期地下水埋深的抬升以及强烈的地表蒸发有关，8月25日灌水后，土壤盐分随水下行，60～80 cm土层含盐量增加。图2

图2 不同处理下2016～2018年各土层含盐量变化Fig.2 Changes in soil salinity at different treatments soil layers in 2016-2018

2018年，T1、T2、T3处理下各层土壤盐分含量在3～ 9月内上下浮动，变化幅度相较于2016年、2017年明显变小，表明在经过两年的改良后，土壤内部的盐分已基本稳定在较低的水平，整个生育期内土壤盐分变化不显著，但由于作物生长发育时期所需的灌水内含有盐分，土壤内部的盐分会随着灌水、农田蒸散在生育期不断的波动，基本稳定在一个较低的土壤盐分水平上[21]。

2.3 不同改良措施对土壤脱盐率的影响

研究表明，T1、T2、T3处理各个土层土壤盐分含量均有不同程度的下降，各处理、各土层间的脱盐率差异明显。2016年由于灌溉措施对土壤盐分的淋洗，各处理盐分含量均有所降低，在0～20 cm土层，T2处理脱盐率最高为21.10 %，高于T1、T3处理，其中T1处理脱盐率为-4.87 %，T1处理在改良初期出现土壤表层返盐现象；20～40 cm土层，各个处理的脱盐率分别为9.16 %、24.10 %、6.97 %，T2处理脱盐效果依旧优于T1、T3处理，T1、T3处理差异不大；40～60 cm土层，各个处理脱盐效果差异不明显，T2处理脱盐效果较好，脱盐率为10.58 %；60～80 cm土层T2处理下土壤脱盐率最高为12.08 %，其次是T1处理，脱盐率为9.35 %，T3脱盐效果最差。从0～80 cm土层平均脱盐率来看，T2处理脱盐效果明显高于其他处理，脱盐率为16.64 %，T1、T3处理脱盐效果相近。在2017年，3个处理在各土层脱盐率整体上优于2016年，脱盐效果均表现为表层优于底层的趋势，T1处理40～60 cm土层脱盐率与2016年相近。从0～80 cm土层脱盐率来看，T1处理下土壤脱盐率明显低于T2、T3处理；2018年，T2处理下底层土壤(40～80 cm)脱盐效果明显高于2016年，T1、T3处理下各层脱盐率相比2016年略有下降，T1、T2、T3处理在0～80 cm土层脱盐率分别为5.35 %、20.00 %、3.86 %，T2处理脱盐效果明显高于其他处理。表2

表2 不同处理不同土层的土壤脱盐率Table 2 Soil desalination rate at different treatment and different soil layers

对比2016年生育初期与2018年生育末期盐分变化，T1、T2、T3处理在各土层脱盐率均超过36.40 %，3种处理下各土层均具有良好的脱盐效果，0～80 cm土层脱盐率分别为43.07 %、66.90 %、58.13 %，T1处理脱盐率明显低于T2、T3处理，根区隔离、暗管排水措施结合农业改良措施以水盐运移为基础进行综合改良，相较于单一的农业改良措施具有较好的改良效果[22]。研究初期(2016年)对于盐渍化土壤并未产生良好的改良效果，2017、2018年表现出较好的脱盐效果，一方面是由于研究区土壤盐分含量高，结构性质差、通水透气性不强导致的改良初期脱盐效果不理想，另一方面，农业改良措施深翻、肥料投入和秸秆还田在一定程度上改善了土壤理化性状，暗管排盐、根区隔盐措施起到了排盐，抑制土壤返盐的作用[23-24]，从而降低了土壤中的盐分含量。

3 讨 论

3.1 在干旱和半干旱地区，土壤盐渍化是一种普遍现象，其形成受多种因素的影响，如成土母质、气候、地形、地下水以及人类活动等[25-26]，其中，地下水埋深是盐渍化土壤形成的决定性条件[27]。丁光晔等[28]研究表明土壤盐分含量变化与地下水埋深有着紧密的联系。地下水埋深能够影响土壤盐分含量变化，主要是由于强烈的地表蒸发作用使得地下水中的盐分沿着土壤毛管上移，最终使盐分在土壤中累积，从而加剧土壤盐渍化现象[29]。郑琦等[30]研究表明土壤中的盐分含量变化与地下水埋深变化之间表现出显著的相关性，这与研究相似。研究中，2016年4月平均地下水埋深为-1.28 m，随后由于灌溉水的影响在4～6月呈现“降低-升高”趋势，于6月达到-0.86 m，土壤中平均盐分含量(0～80 cm)变化趋势于地下水埋深相似，7月平均土壤盐分含量与地下水埋深均呈现下降趋势；2017年4月地下水埋深为-1.72 m，土壤平均盐分含量为9.22 g/kg，8月地下水位升高至-1.45 m，平均土壤盐分含量降低到6.27 g/kg；2018年也基本表现出相近的趋势，在整个生育期，土壤中平均盐分含量(0～80 cm)与地下水埋深之间的变化，证明地下水位的连续性变化与降水以及连续的农业灌溉之间具有直接关系。图3

3.2 不同的盐渍化改良措施对土壤剖面盐分含量变化具有直接的影响，祝榛等[31]研究表明埋设暗管配合地面灌溉能够有效降低土壤盐分，且不同的埋深暗管处理脱盐效果均表现出表层大于底层，刘玉国等[32]研究表明通过暗管排水处理后，中度盐渍化土壤改良后电导率均低于2.98 dS/m，有效的降低了土壤中的盐分含量，且表层脱盐效果最为明显，研究中2016～2018年T3处理0～20、20～40、40～60、60～80 cm土层脱盐率分别为67.97%、54.81%、57.54%、52.92%，表层脱盐效果最好，并且研究在40～80 cm土层平均脱盐率均大于50.00%，暗管排水能够有效改善土壤整体盐渍化现象，对于具有较强的盐渍化改良效果。根区隔离通过设置隔离垫层阻断了上下层之间的毛管水联系，使土壤中的水盐运移现象在隔离垫层附近受到抑制，从而在一定程度上能够缓解表层土壤中的盐分累积[33]。研究中2016～2018年根区隔离处理脱盐效果表现出表层低于底层，其主要原因可能是实验设置过程中隔离垫层较深，由于灌溉措施的进行导致的地下水位上升[34]与耕层底部接触，地下水中的盐分随着地表蒸发作用上移至表层土壤，导致表层土壤脱盐率低于底层。

研究中农业改良措施、根区隔离措施、暗管排水措施均能够对盐渍化土壤起到良好的改良效果。武永智等[35]研究表明农业改良措施的应用，能够有效的减少土壤水分蒸发、控制地表积盐以及改善土壤理化性质，在一定程度上能够提高农业中水利工程措施的改良效益[36]，与研究结果相符。研究认为根区隔离、暗管排水措施结合农业改良措施水盐运移为基础进行综合改良，相较于单一的农业改良措施具有较好的改良效果。在实际的农业生产活动中可根据农田表现出的盐渍化现象结合环境条件进行改良措施的选择，在改良前期可利用农业改良措施如：秸秆还田、种植耐盐碱作物和深耕深翻等进行土壤结构性质改良，而后通过根区隔离或暗管排水措施进行下一阶段的改良。从地下水埋深结合土壤脱盐效果对各种不同改良措施进行比对，但是针对不同程度的土壤盐渍化现象，制定合理的改良措施结合方案，达到盐渍化土壤精准治理，还需进一步探究。

4 结 论

4.1 农业改良措施、根区隔盐措施以及暗管排水措施在作物生育期内地下水埋深变化趋势相似，生育期灌溉对地下水埋深具有一定的影响，暗管排水措施能够将暗管上层水分排出，对地下水埋深具有一定的调节作用。

4.2 根区隔离、暗管排水措施结合农业改良措施均能够有效降低土壤盐分，不同土层土壤盐分含量变化存在差异，农业改良措施在0～80 cm土层整体盐分含量降幅较低，暗管排水措施在表层(0～40 cm)土壤盐分含量降幅最大为6.30 g/kg，根区隔离措施底层(40～80 cm)土壤盐分含量降低了8.92 g/kg，降幅最大。

4.3 2016年各处理脱盐率在-4.87%～24.10%，2017年研究区脱盐率大幅度提升，农业改良措施、根区隔离措施、暗管排水措施耕层(0～80 cm)土壤平均脱盐率分别为30.67%、63.30%、52.47%，土壤平均盐分含量下降至4.82 g/kg，2018年农业改良措施、根区隔离措施以及暗管排水措施在0～80 cm土层脱盐率分别为5.28%、20.00%和3.89%。