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1、论文正文天津农学院DOC微咸水滴灌对盐碱地水盐运移特征的影响刘志伟(天津农学院 水利工程系)1 引言 水资源尤其是淡水资源短缺是当今世界各国共同面临的难题。在中国北方地区，由于水资源短缺而引发的黄河断流、生态恶化等问题已成为中国社会经济快速、健康发展的严重制约因素。近年来各国为了缓减淡水资源供需矛盾，均把劣质的水源开发利用作为重要手段，而微咸水分布广、储量大，因此成为主要的开发利用水源。如果能将其用于农田灌溉，不但会提高灌溉保证率，减少农业淡水用量，而且能有效缓解水资源短缺危机。但是微咸水灌溉在带入土壤水分的同时带入盐分，不仅造成盐渍化的潜在危机，而且可能对植株生长造成直接影响。微咸水灌溉的两

2、面性造成咸水灌溉的复杂性和特殊性。因此微咸水的利用应该因地制宜、科学管理。为了实现这一目的，有必要对微咸水灌溉相关机理进行深入研究，探索出一套行之有效的微咸水利用技术体系，以最大限度地发挥微咸水的资源价值。2 研究现状2.1国内外微咸水灌溉技术概况目前，在微咸水灌溉方面的研究中，不同国家根据自己国家特定的自然条件，就微咸水灌溉水质、作物耐盐性、适宜作物生长的盐度范围、灌溉方式以及田间管理措施等方面进行了大量的研究，总结出了一系列较为成熟的微咸水灌溉技术。我国的研究工作者在微咸水灌溉方面，也做了大量的研究工作。宁夏、甘肃、内蒙古、陕西、河南、河北、山东、新疆、辽宁等省份，也都有利用微咸水灌溉的试

3、验和生产实践，为我国微咸水灌溉积累了宝贵的资料和经验，从上个世纪90年代开始，我国学者开始尝试采用滴灌技术进行微咸水灌溉。如中国科学院兰州沙漠研究所在塔里木油田利用微咸水灌溉蔬菜和绿化树木取得了成功。西安理工大学、中国科学院地理科学与资源研究所等单位在新疆石河子等地，对盐碱地棉花膜下滴灌的水盐运移规律、盐分调控技术以及灌溉管理技术进行了研究，为以农八师（石河子）为中心的棉花膜下滴灌的大面积发展提供了有力的技术支持。国外利用咸水与微咸水进行灌溉已经有近百年的历史，就咸水灌溉水质、适宜灌溉土壤质地和不同的作物、田间管理等方而进行了大量的实践应用。其中较为典型的国家有美国和以色列。美国的咸水灌溉至今

4、已经有70100年的历史，主要集中在西南部等地区，形成了棉花、甜菜、苜蓿等作物完善的微咸水半咸水（1.55 g/L）地面灌、沟灌和滴灌灌溉技术1。如在美国西德克萨斯州的佩科斯河流域，年平均降雨量不超过300 mm，且次降雨量不大于25mm，地下水平均矿化度为2.5g/L，最高可达6g/L，石灰质土壤，有机质含量低，主要土壤质地从粉质粘土跨度到粉质壤土。多年的研究表明，在这种气候与土壤条件下，只要采用合理的管理方法，即使在沟灌条件下用8 dS/m的咸水灌溉，棉花也能获得令人满意的收成。具体的管理方法包括：采用宽垄双行的种植方式，把种子播种在盐分积累最少的苗床肩部，或窄垄单行的种植方式，在作物出苗

5、前犁去苗床顶部的盐层；采用隔沟灌溉的方式，把盐分排到苗床没有灌溉的一侧。又如在美国的亚利桑那州，东南沙漠区年平均降水不足80mm，其它地区的年降雨量大约为250mm，降雨是季节性的，冬天为暴雨，夏天为雷阵雨或季风活动带来的雨水，地下咸水在311dS/m。在这个炎热、干旱的地区，棉花的咸水灌溉已经成功地进行了10多年，其主要经验就是采用隔沟灌溉的方式，另外就是在对盐分敏感的苗期利用淡水灌溉，苗期之后再改用咸水灌溉2。以色列是一个淡水严重缺乏的地区，但地下分布着大量的28dS/m的微咸水与咸水，目前以色列微咸水灌溉技术已经研究得较为成熟。以色列属于地中海气候，夏季炎热干旱，冬季温和多雨，其主要农业

6、生产区的年平均降雨量大约为500mm，土壤渗透性好，农田排水系统也很完善。以色列微咸水灌溉的主要经验，首先就是采用喷灌和微灌等先进的灌溉技术，并且在制定作物灌溉计划时考虑淋盐需水量，一般占作物总蒸散量的2530%。另外就是在作物种植前先排盐，把盐分淋洗到作物根区以下范围，然后再播种。如在以色列的Nahal Oz地区，土壤主要为粉质粘土，EC为5dS/m，SAR为26的微咸水已经被成功地用于棉花的灌溉，其主要经验就是每年向土壤中施入石膏进行土壤改良，棉田播种前（一般在冬季）进行灌溉，使150180cm深度土壤含水量达到田间持水量3。与此同时，其他国家如伊拉克、科威特、突尼斯、摩洛哥、阿尔及利亚、

7、印度、日本、西班牙、前苏联的中亚地区等都有很长的咸水灌溉的历史4。2.2 微咸水滴灌条件下水盐运移2.2.1 微咸水的利用微咸水是一种特殊的非常规水资源，在缺水的国家和地区正日益备受关注。对于微咸水的划分标准国内外有以下几种分类：微咸水是盐分浓度为1 00010-6 3 00010-6，即相当于矿化度为1 3 g/L的水资源5；微咸水是指含盐量为0.5 1. 5 g/ L，中度咸水是指含盐量为1.5 7 g/L的水资源6；在我国一般认为微咸水是指含盐量在2 5 g/L范围内的水资源7。利用微咸水进行灌溉最好满足以下3个条件之一：选择适当的耐盐作物，使用先进的灌溉技术，提高对水分的管理水平;维持

8、适当的土壤渗透性，确保一定数量的水盐通过作物根区，从而避免盐分在作物根区的积累8。微咸水的灌溉方式主要有淹灌、沟灌、喷灌和滴灌。淹灌和沟灌耗水量大，喷灌和滴灌则属于节水型灌溉方式9.10。研究结果表明最适合用于微咸水开发利用的灌溉技术就是滴灌，其灌水频率高、灌水流量小，能够在作物根区长时间维持较高的土壤总水势，同时减少由于灌溉而加剧的潜水蒸发和土壤返盐.因此，被认为最适用于微咸水开发利用的是灌溉技术。2.2.2滴灌技术及应用滴灌技术是通过干管、支管和毛管上的滴头，在低压下向土壤经常缓慢地滴水；是直接向土壤供应已过滤的水分、肥料或其他化学剂等的一种灌溉系统。它没有喷水或沟渠流水，只让水慢慢滴出，

9、并在重力和毛细管的作用下进入土壤。滴入作物根部附近的水，使作物主要根区的土壤经常保持最优含水状况。滴灌作为一种水分利用效率高的局部灌溉形式，大部分灌溉水通过植物的蒸腾作用而消耗，盐分主要分布在湿润体的边缘，滴头下方会形成一个盐分浓度较低的淡化区，这一淡化区可以为作物提供较好的生长环境；滴灌的另一个优点就是可以利用含盐量较高的水进行灌溉，使作物获得高产，与优质水灌溉相比减产不大。2.2.3 滴灌灌溉盐分分布特征不同作物的耐盐性是有限的，不合理的微咸水灌溉方式会使得盐分积累造成作物减产甚至死亡，采用微咸水灌溉必须选用合理的灌溉方式，从而掌握盐分在土壤中的分布特征和运动规律，更好地指导微咸水灌溉生产

10、。研究发现：在相同灌水量的情况下，滴灌与其他灌溉方式相比作物的干物质重要高得多，根区的土壤盐度也明显降低11。而且在用微咸水滴灌灌溉时，由于滴灌的淋洗作用，地表滴灌下盐分易在湿润锋边缘积累，滴头下方的土壤含盐量比较小，有利于作物正常生长12；但长期的咸水滴灌很可能导致盐分的表聚13，这些盐分可能会随着灌溉水或降水向下移动到作物根区，从而抑制作物对水分和养分的吸收，影响作物的生长和产量14。地下滴灌与地表滴灌相比，盐分会被淋洗至更深的土体中，减轻对作物根系的危害，并且滴头附近改善的水分状况可以抵消水中盐分的影响15。有研究认为地下滴灌在埋深为30cm时，保持了对作物生长最为有益的水分和盐分分布状

11、况16.17。由于地下滴灌的埋深影响着盐分在根区的分布以及由此而造成的胁迫强度，对于不同的土壤和作物也存在差异，值得进一步研究。此外，地下滴灌的根系堵塞及鼠害问题受到关注。根系堵塞及鼠害问题是影响地下滴灌系统进一步推广应用的主要制约因素之一。采用地下滴灌方式要谨慎管理以防止产量降低及产生过量渗漏污染地下水。地膜覆盖栽培在中国已有10余年，可保墒、增温、抑盐和减少病虫害，在中国西北干旱地区得到大而积推广。覆膜种植技术与滴灌技术相结合，减少了灌溉水的深层渗漏，降低地下水水位;覆膜后由于边界条件改变，土壤蒸发率减少，盐分上行受到抑制，切断了其次生盐碱化的来源，土壤返盐率随之降低，是一种很有发展潜力的

12、咸水微咸水利用技术。2.2.4 微咸水灌溉对土壤水盐运移的影响适宜作物生长的土壤应具有良好的传导水分、空气的能力，同时耕作层应适宜作物根系生长发育。咸水用于灌溉时水中超过90%的Na+ 和Cl- 存留在土壤中，进人作物体内的Na+ 和Cl- 量很少，且随着灌溉水中NaCl含量的增加，土壤中水溶性Cl- , Na+ 含量直线增加18。微咸水灌溉带人的盐分与土壤本身化学元素及土壤颗粒发生相互作用，改变土壤理化特征19，导致土壤水分和盐分运移规律的变化，影响土壤水分有效性和盐分分布。但如果盐分主要积累在根层土壤以外，则对作物生长的影响较小20。由于土壤剖面理化特性和植物根系水分吸收特性的时空差异及管

13、理方法的不同，即使质地较均匀的土壤，水分和盐分的运动也很复杂。因此，研究灌溉后，特别是微咸水灌溉后土壤水、盐动态和分布具有重要意义。 2.2.5 微咸水灌溉后不同土层土壤水盐分布规律中国农业大学在河北曲周试验站，利用3.2g/L-1微咸水和淡水对盐渍化地区冬小麦进行田间灌溉试验，发现微咸水灌溉增加土壤表层盐分，对小麦生长略有影响。邵玉翠等21，利用4种土壤改良剂进行120年灌溉微咸水模拟试验，发现05 cm表层土壤全盐量最多，表层积盐最为严重，均在0.2%以上，其次是4060 cm土壤，全盐量最低的是520cm , 2040 cm根层土壤。郭太龙等22在室内进行微咸水土柱人渗试验，分析微咸水人

14、渗后水分和盐分的分布特征及变化规律，发现土壤表层含水率均接近饱和含水率，在010 cm深度范围内，含水率急剧减小，3045 cm土层含水率再次减小，减小幅度小于010 cm深度范围，1030 cm土层含水率基本稳定在一定值，不同矿化度水人渗其土壤剖面盐分分布具有相似的变化规律，即表层010 cm处于脱盐状态，且脱盐程度随人渗水矿化度的增加而增加，3545 cm土层处于积盐状态，积盐程度也随着入渗水矿化度的增加而增加，1035 cm土层处于较稳定的人渗状态。Malash等23研究不同灌溉方式、盐度和管理模式对番茄产量和土壤水盐的影响，灌溉1 d后测定土壤湿润程度，发现不论滴灌还是沟灌，表层20

15、cm土壤层含水量最多，根层(2040 cm)含水量最少，4060 cm和6090 cm土层又渐渐升高，90120 cm土层含水量平稳不变，灌溉几天后土壤水分含量降低，且表层土壤降低最明显，盐分随水分移动，灌溉点土壤盐渍度15 cm处低于30 cm和60 cm处，更深层最低。2.2.6不同灌溉水矿化度对土壤水盐运移的影响农业灌溉会造成土壤盐渍化，即使用淡水灌溉也会造成土壤积盐。吴忠东等24进行均匀土柱一维垂直人渗试验，研究不同人渗水矿化度下土壤人渗特征和离子迁移特性，结果表明，同一深度下，人渗水矿化度小于3.0 g/L-1时土壤含水率随矿化度增大而增大，高于3.0 g/L-1时随矿化度增大而减小

16、，土柱同一深度处的含盐量与人渗水矿化度呈明显正相关，蒸馏水人除湿润锋之外的区域均得到淋洗，矿化度小于3.0 g/L-1时，盐分降低区深度为3543 cm,矿化度达3.5 g/L-1时，盐分降低区深度有较大变化，而矿化度达4.3 g/L-1时，几乎整个剖面都积盐。每种作物因对土壤盐分的耐受能力和主根区根系深度而存在一个适于灌溉的矿化度上限，在利用微咸水灌溉时需要控制好灌溉水的矿化度。2.3微咸水灌溉对盐碱地的影响研究在盐渍化地区，土壤水盐状况是作物生长的主要影响因素，土壤水盐动态的研究即可为节水调盐的研究和实施提供理论依据，也可为在盐碱地进行微咸水灌溉，开发我国的盐渍化土地提供理论依据。盐碱地是

17、重要的土地资源，它是地球上广泛分布的一种土壤类型，约占陆地总面积的25%，总计约10亿hm2，分布在世界各大洲干旱地区，主要集中在欧亚大陆、非洲和北美西部。我国约有盐碱地0.27亿hm2，其中0. 06亿hm2耕地，0.21亿hm2盐碱荒地，主要分布在东北、华北、西北内陆地区及长江以北沿海地带。由于受多种因素影响，现今国内外土壤次生盐渍化面积还在不断扩大，人类在控制土壤次生盐渍化和改良利用原生盐碱土方面还没有取得根本性进展。原生盐碱地的改良和次生盐渍化的防治，在干旱半干旱地区主要通过明沟、暗管和竖井排水的方法，将研究区域的盐分排出到下游地区，并通过控制地下水位和增加土壤肥力等措施，降低根区土壤

18、的含盐量，提高土壤肥力。各国的实践也表明农田排水方式是一种行之有效的方法。但随着对环境问题的口益重视，农田排出的盐分对下游环境影响的问题，己经被一些发达国家关注，因此他们逐步限制了农田排水。现今水资源短缺成为世界性问题，发展节水灌溉成为目前高效农业的核心问题，而传统的盐碱地改良方法需大量淡水进行冲洗压盐，同时这种冲洗会造成地下水位的上升，因而又会引起新的土壤积盐问题，所以这种方法无疑存在着应用危机，在这种条件下，采取何种措施来合理开发和利用盐碱地成为一个新的研究课题。现我国己成熟的竖井排灌技术，如果能抽取地下咸水进行灌溉，则可以既起到降低地下水位减轻盐渍化危害的作用，又能起到节水灌溉的目的。利

19、用地下微咸水在不同地下水位情况下进行室内覆膜滴灌模拟试验，确定出不同地下水位埋深微咸水滴灌情况下水盐运移的规律，建立一个能控制地下水位，改善土壤特性的膜下滴灌开发利用盐碱地的技术体系，从而更好地指导大田作物的种植。2.4微咸水灌溉对作物影响的研究土壤盐分过多对植物生长发育产生盐害。盐分主要在渗透调节、能量损耗、离子毒害、营养失调等方面影响作物的生长和产量。高渗透压限制作物水分吸收。微咸水灌溉条件下，作物根区土壤溶液的渗透势下降，使得作物吸水困难，造成水分胁迫。在生理上，由于作物吸水不足，造成细胞膨压下降，细胞分裂受影响，同时作物气孔关闭，光合作用下降，影响了作物的生长发育，严重时导致细胞失水收

20、缩，造成“生理干旱”而死亡25.26。消耗光合作用的能量而降低作物的经济产量。为了能够吸水，作物自身代谢一些可溶物质，如一些有机酸，降低作物体内的渗透势，以保持土壤溶液和作物体内的水势梯度，使得根系能够吸水。但这消耗了作物光合作用的能量，从而降低了作物的经济产量27。土壤中盐分含量高时，植物吸收盐分并在体内积累造成盐害，使细胞质专一离子浓度过高，伤害膜结构功能，阻碍了光合产物的运输，引起糖代谢异常28。抑制作物对必需元素的吸收。当作物体内某些离子过量时，由于离子间的拮抗作用，使得其它一些必需元素的吸收受到抑制，导致作物营养不平衡，引起生长发育发生障碍。如钠离子能抑制根系对钾离子、钙离子的吸收，

21、造成作物体内离子不平衡29。另外，微咸水灌溉对作物果实品质的影响很明显，主要表现在作物果实大小的减小，颜色外形的变化以及果实成分的改变。关于微咸水灌溉对果实品质的影响目前认为主要是因为作物体内盐分的增加，引起作物进行离子转移和渗透调节，合成和累积有机小分子物资，如脯氨酸，可溶性糖，游离有机酸，游离氨基酸等，改变了光合产物的储存和分配，从而改变了果实的品质30。深入研究盐分对作物生长、产量和品质影响的机理，对提高作物的耐盐性、选择耐盐品种以及培育出新的耐盐作物等具有重要的理论价值和实践指导意义。3 试验材料及研究方法3.1试验区土壤条件供试土壤剖面的基本理化性质如表1所示。表1 供试土壤的基本化

22、学性质土壤深度(cm)有机质(g/kg)全氮(g/kg)全磷(g/kg)碱解氮(mg/kg)有效磷(g/kg)有效钾(g/kg)pH02513.10.981.7469.010.1095.87.5925407.50.641.4341.80.8053.57.5940804.70.441.2623.50.7161.57.63801253.10.381.2116.50.7837.57.831251802.50.361.1613.90.8030.08.013.2 试验设计田间试验在2011年黄瓜生长季进行，采用控制滴灌带下20cm土壤基质势为-20kP下不同矿化度灌溉水的试验，灌溉水矿化度包括： 3g/

23、L（K1）,4 g/L（K2）,5 g/L（K3）, 6g/L（K4）和7g/L（K5）采用完全随机区组设计，每个处理重复三次，共15个小区。3.3 观测项目与方法在第三重复内每隔30天用土钻采取土样，各处理取样距滴头的水平距离分别为0cm、17.5cm、35cm，垂向深度90cm土壤剖面范围内的盐分离子含量的平均值。土样在实验室自然风干，磨碎后过2O目筛。取土水比1：5的土壤浸提液，用DDSl1A数显电导率仪测量电导率值(Ef)。土壤离子组成测定方法：Na+用火焰光度法测定；Cl-用AgNO3-滴定法；HCO-用双指示剂滴定法测定。定期观察并记录黄瓜的出苗率、株高，最后测其产量。分析不同矿化

24、度的灌溉水对作物出苗率、株高、产量的影响。3.4 种植制度与施肥试验采用一垄双行种植方法，垄长4. 4m，垄宽0.6m，两垄间距1.4 m，垄高0.15m。滴灌带放于每垄中央，番茄在滴灌带两侧交错种植，每株番茄对应一个滴头，黄瓜距滴灌带距离为0.15m，番茄株距为0.4m。每个试验小区种植三垄，小区总面积18.48m2。每个试验小区都采用单独的重力式滴灌系统，水源为容量为117.1升的灌水桶，控制灌溉的球阀出水口距地面1.2m。灌水器采用16的滴灌带，滴灌带放置于每垄中间。滴头间距20cm，滴头平均流量为0.6L/h。每个处理用表头式负压计控制灌水，负压计的陶土头埋在滴灌带正下方20cm处，每

25、日分别于8:00、11:00、15:00和18:00记录表盘读数，当土壤基质势低于所控制的水势时，开始灌溉。当利用微咸水灌溉时，应考虑淋洗需水量。以下是确定灌溉量的计算公式（摘自：美国国家灌溉工程手册）： （3-1）其中：LRt-淋洗水量比；ECw-灌溉水的电导率(dS/m)；maxECe-作物的最大土壤饱和浸提液的电导率,其中番茄的maxECe值为2.5 dS/m；Fn-净灌水量(mm)；Fg-总灌水量(mm)。通过计算得出，K1、K2、K3、K4和K5处理每次的灌水量（包括淋洗量）分别为5.1 mm，5.4 mm，5.7 mm，6.0 mm和6.3 mm。微咸水根据中国科学院南皮生态农业试

26、验站水样的离子成分，进行人工配制。不同矿化度灌溉水的盐分离子含量见表2。表2 不同矿化度灌溉水中各盐分离子含量表导电率（dS/m）离子含量（g/L）SAR*CO32-HCO3-CL-SO42-Ca2+Mg2+K+Na+2.20.020.660.210.480.040.120.356.172.90.020.840.330.560.090.170.446.313.50.021.080.460.610.050.200.578.054.20.021.180.490.820.080.190.709.674.90.021.410.610.940.090.240.8410.604 结果分析4.1微咸水滴灌条

27、件下土壤盐分离子分布特征4.1.1 钠离子在土壤中的分布特征微咸水滴灌条件下Na+主要分布在湿润体内部，且分布的比较均匀，没有形成累积峰值，湿润体外Na+含量相对较低。灌水定额的高低对Na+的分布影响不明显，Na+含量主要与灌溉水矿化度的高低密切相关。表4 不同矿化度处理土壤剖面0-90cmNa+含量平均值(%)水平半径矿化度处理K1K2K3K4K500.00540.00670.01020.01230.01730-17.50.00640.00860.01150.01120.01440-350.00770.00720.00920.00970.0146土壤中Na+含量与灌溉水矿化度成线性关系：Na

28、+含量随着灌溉水矿化度的增加而增加。如表4所示：K5处理距滴头水平半径为0cm、17.5cm、35cm时Na+含量分别为0.0173%、0.0144%、0.0146%，而K1处理相应位置处Na+含量仅为0.0054%、0.0064%、0.0077%，K5比K1处理高出1-2倍以上。Na+在湿润体内的分布也明显受到灌溉水矿化度的影响：K1处理滴头下方的含量值较低，随着距滴头水平半径的增加Na+含量逐渐升高；但K4、K5处理与之相反，Na+在滴头下方的含量值是最高的。以上分析表明：微咸水滴灌条件下，Na+沿滴头向湿润峰外部运移，但随着矿化度的提高，Na+在土壤中的迁移速度受到影响，表现为距离滴头愈

29、近，Na+浓度愈高。4.1.2 氯离子在土壤中的分布特征表5 不同矿化度处理土壤剖面0-90cmCl-含量平均值(%)水平距离矿化度处理K1K2K3K4K500.006200.007390.011230.013890.015370-17.50.006600.009160.012260.013300.012110-350.009460.010640.013100.014870.01340在土壤系统中，氯离子属难于被土壤胶体吸附的盐分离子，因而很容易随土壤水而移动。但在微咸水滴灌条件下Cl-却主要分布在湿润体内部，湿润体外含量相对较低。由表5可以看出，K1至K5处理随着灌溉水矿化度的增加，距离滴头

30、0处Cl-含量依次增加，距离滴头0-17.5和0-35处，除K5处理其他处理Cl-含量依次增加，K5处理湿润体内的Cl-含量高出K1处理1-2倍。这表明，微咸水滴灌条件下，Cl-沿滴头向湿润峰外部运移，但随着矿化度的提高， Cl-在土壤中的迁移速度受到影响，表现为距离滴头愈近，Cl-浓度愈高，说明随着矿化度的提高，土壤Cl-有积累的现象。4.1.3 碳酸氢根离子在土壤中的分布特征微咸水滴灌条件下HCO3-在土壤中集中分布在湿润体内部，由滴头处向湿润体外围方向HCO3-含量逐渐减小。这是因为HCO3-属于在土壤系统中易于被土壤胶体吸附的盐分离子，当灌溉的微咸水从滴头处进入土壤后，大部分HCO3-便被吸附在湿润体内部。表6数据表明，由K1至K5处理随着灌溉水矿化度的增加，在以滴头为圆心半径分别为0、17.5、35cm，垂向0-90cm土层中HCO3-差异不大，并且随着距滴头水平距离的增加，土壤剖面上的HCO3-平均含量逐渐减少。表6 不同矿化度处理土壤剖面0-90cmHCO3-含量平均值（%）水平距离矿化度处理K1K2K3K4K500.02800.03050.03200.02850.02950-17.50.03030.03030.03000.02950.02300-350.02900.02850.02880.02710.02814.2 微咸水滴灌对黄瓜生长的影响