咸淡水间歇组合灌溉对盐碱耕地土壤水盐运移特性的影响*

刘小媛 高佩玲，2† 杨大明 张晴雯 张宇航

（1 山东理工大学农业工程与食品科学学院，山东淄博 255049）

（2 山东理工大学资源与环境工程学院，山东淄博 255049）

（3 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100086）

咸淡水间歇组合灌溉对盐碱耕地土壤水盐运移特性的影响*

刘小媛1高佩玲1，2†杨大明1张晴雯3张宇航1

（1 山东理工大学农业工程与食品科学学院，山东淄博 255049）

（2 山东理工大学资源与环境工程学院，山东淄博 255049）

（3 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100086）

为探明土壤水盐在咸淡水间歇组合灌溉条件下的运移情况，采用室内一维垂直积水入渗试验，以全淡水和微咸水直接灌溉作为对照，设置了四种间歇时间，分别为 0、30、60、120 min，三种咸淡水组合比例，分别为 2∶1、1∶1、1∶2，进行咸淡水间歇组合灌溉。结果表明：在同一入渗时间，间歇组合灌溉的累积入渗量大于淡水灌溉，与微咸水直接灌溉差异较小；累积入渗量（I）与湿润锋运移深度（Zf）的决定系数R2均大于 0.99，I和Zf呈良好的线性关系；间歇组合灌溉的土壤含水率、灌水均匀度均远远大于淡水灌溉，但间歇组合灌溉的灌水均匀度随着淡水所占灌水定额比例的增加而减小；在 5～45 cm作物根系密集区，土壤整体脱盐，但间歇组合灌溉土壤脱盐率显著高于微咸水直接灌溉，与淡水灌溉差异较小；不同间歇时间、组合比例对土壤脱盐率的影响均达到显著性水平。

间歇组合灌溉；灌水均匀度；一维垂直积水入渗试验；脱盐率

黄河三角洲地区自然资源丰富，开发前景广阔，是我国重要的经济开发区［1］。该地区土地资源优势明显，其未开发利用土地资源达 54.07 万hm2［2］，但土壤盐渍化程度较高，盐渍化土地面积高达44.29 万hm2，占全区耕地总面积的52.5%。目前，对于盐碱地改良已由早期的淡水漫灌洗盐的方式逐步发展为以节约淡水资源为主的微咸水灌溉方式［3-6］。已有研究表明［7］，利用微咸水进行灌溉能够促进土壤颗粒的紊凝作用和团聚性，使土壤大孔隙增加，入渗性能增强。但是，微咸水中含有Na+，如果土壤中 Na+含量过多，会造成土壤颗粒松散，破坏土壤结构，使土壤积盐［8-10］。因此，合理开发利用微咸水资源，使之成为能被农业生产所利用的新水源，不仅可以缓解该地区水资源供需矛盾，还可改良盐碱耕地。可持续开发利用微咸水资源的关键是降低作物根系土层的盐分含量，为作物提供良好的土壤水盐环境。间歇灌溉，又称波涌灌溉，是按照一定的时间间隔周期性供水的一种新的节水灌溉方式，具有节水、保肥、提高灌水均匀性等优点［11］。国内外学者对间歇灌溉的入渗机理进行了广泛的研究，邵俊昌［12］通过室内土柱实验，分析了微咸水间歇灌溉对土壤水盐分布的影响，结果表明，在不同周期数、循环率的条件下，土壤入渗特性有所差异。雪静等［13］通过室内土柱实验，发现微咸水间歇灌溉具有增加湿润深度的特点。汪志荣等［14］分析了Green-Ampt 模型在连续和间歇入渗条件下的适用性，并建立了两者的联系，模型拟合精度较高。毕远杰等［15］通过室内土柱实验，研究了淡水与微咸水连续与间歇入渗特性的差异，结果表明，淡水间歇入渗减渗，微咸水间歇入渗增渗。上述研究初步揭示了间歇灌溉的理论基础，对于间歇灌溉的实际应用具有重要意义。但前人的研究多集中在非盐碱土壤在淡水或者微咸水灌溉条件下的间歇入渗机理，而对于盐碱土壤在间歇组合灌溉条件下的入渗机理研究较少。

本文以地处黄河三角洲地区的山东省滨州市滨城区的中度盐碱化土壤为研究对象，将间歇灌溉和先咸后淡组合灌溉相结合，在室内进行一维垂直积水入渗试验，分析对比不同间歇时间、咸淡水组合比例对中度盐碱土壤水盐再分布规律的影响，以期为黄河三角洲地区盐碱耕地合理利用微咸水灌溉提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

试验用土取自山东省滨州市滨城区的小麦耕地，土壤类型为盐化潮土。取土深度为80 cm，每隔20 cm分层取扰动土和原状土，原状土取回后立即测定土壤容重和田间持水率，分别为1.39 g cm-3和 28.62%；扰动土经过风干、碾压、筛分（2 mm筛）、均匀混合后制备成室内试验土样。利用激光粒度仪（Mastersizer3000，英国）测定其土壤颗粒组成，并按照国际制土壤质地分类标准分类，砂粒、粉粒和黏粒体积分数分别为20.26%、76.78%和2.96%，属于粉砂质壤土。土壤初始含水率为2.00%，土壤全盐量为2.381 g kg-1，属于中度盐碱化土壤。

1.2 灌溉水质及水量

试验用水中淡水使用的是蒸馏水，矿化度为0 g L-1；3 g L-1的微咸水根据研究区潜层地下微咸水的盐分组成特点，在室内利用NaHCO3、Na2SO4、CaCl2、MgCl2和NaCl室内配制而成，含量分别为783、602、377、644和596 mg L-1。

灌水定额M根据下式计算得：

式中，H为土壤计划湿润层深度，由于当地的地下水位较高，且为盐碱化较严重的地区，故计划湿润层深度不易超过60 cm［16］，故H取60 cm；θmax为土壤计划湿润层所允许的最大含水率（占干土重），一般为田间持水率，取28.62%；θ0为土壤计划湿润层初始含水率（占干土重），取2.00%；γ土、γ水分别为土壤干容重和水的密度，取1.39 g cm-3和1 g cm-3。由式（1）计算得到一次实验的灌水定额为22.2 cm。

1.3 试验装置

试验装置由试验土柱和马氏瓶两部分组成（图1）。试验土柱采用内径为8 cm，高为90 cm的有机玻璃制成，土柱两侧每隔5 cm开一直径为15 mm的对称圆形取样口（距土柱上沿10 cm以下）；利用马氏瓶供水，其截面积为50.24 cm2，高为50 cm，供水水头控制在1.5～2.0 cm。土柱与马氏瓶外壁标有刻度，用于观测马氏瓶水位和湿润锋运移深度。

图1 试验装置图Fig. 1 Experiment device diagram

1.4 试验方案与测定内容

以全淡水和微咸水直接灌溉作为对照，设置了四种间歇时间，分别为0 min、30 min、60 min、120 min；三种咸淡水组合比例，分别为2∶1、1∶1、1∶2，进行间歇组合灌溉。在试验过程中，将灌水定额分成两份，第一份为微咸水，第二份为淡水，单轮入渗结束，间歇一定的时间后，进行下一轮入渗，具体的微咸水与淡水灌溉水量如表1所示。为了保证试验数据的可靠性，每个处理重复三次。

试验土样按土壤容重1.39 g cm-3分层（5 cm）装，共16层。填装完毕后，在土表放置一张与土柱内截面积相同的带孔滤纸以防止灌水时对表土的冲刷。在试验过程中用秒表计时，按照先密后疏的原则记录湿润锋运移深度和马氏瓶水位。当灌水定额入渗结束后，立即从土表至湿润锋处每隔5 cm提取土样，用烘干法测定土壤含水率，利用电导率仪（DDS-11A，上海）测定水土比为5∶1的土壤溶液电导率，并利用土壤含盐量与土壤浸提液电导率之间的关系，将电导率转化为含盐量，具体的转化公式为：

表1 间歇组合灌溉下灌溉水量试验方案Table 1 Experimental scheme of irrigation water amount under intermittent combined irrigation（ICI）

式中，y为土壤含盐量，g kg-1；ED5∶1为25℃下水土比为5∶1的土壤浸提液电导率，mS cm-1。

1.5 数据分析

采用Microsoft Office Excel 2010进行数据整理，Origin9.0软件绘图，SPSS22.0进行数据分析，采用单因素方差分析（One-way ANOVA）和最小显著差异（LSD）法比较不同土层间和处理间土壤脱盐率的差异。

2 结 果

2.1 间歇组合灌溉对土壤入渗特征的影响

2.1.1 对累积入渗量的影响 为了对比分析间歇组合灌溉模式对土壤累积入渗量的影响，点绘不同组合比例、间歇时间下土壤累积入渗量随入渗时间的变化曲线，见图2a、图2b。由图2a、图2b 可知，入渗初期，所有处理的累积入渗量增长速度较快，入渗中后期，增幅变缓。在同一入渗历时，间歇组合灌溉的累积入渗量大于淡水，与微咸水直接灌溉差异较小。图2a表明，在同一入渗时间下，累积入渗量随微咸水灌水份额的增加而增加；灌溉定额入渗结束的时间随淡水份额的增加而增加。图2b表明，在相同入渗时间，累积入渗量大小顺序依次为：间歇组合灌溉0 min ＞ 间歇组合灌溉30 min ＞间歇组合灌溉60 min ＞间歇组合灌溉120 min。这主要由于停水时间越长，致密层形成的越充分，越稳定，土壤导水率减小，累积入渗量减小。

2.1.2 对湿润锋运移深度的影响 在一维垂直积水入渗过程中，水分在土体内运移，土壤被湿润部分随着入渗时间的增加而增大。对于不同的咸淡水间歇组合灌溉模式，湿润锋推进速度随入渗时间的变化不同。图2 c、图2d 表示不同组合比例、间歇时间湿润锋运移深度的变化规律，由图2c、图2d可以看出，入渗初期，湿润锋运移速度较快，各个处理间的曲线基本重合，随着时间的延长，湿润锋运移深度与入渗时间的变化曲线斜率发生不同程度的减小，且各个处理间的差距越来越大。对比图2a、图2b可知，其与累积入渗量随入渗时间的变化规律基本一致，为了定量分析两者的关系，利用线性方程进行拟合：

式中，I为累积入渗量，

cm；Zf为湿润锋运移深度，cm；A为拟合系数。

由表2可知，累积入渗量与湿润锋运移深度的决定系数R2均大于0.99，I和Zf的线性关系成立。在同一间歇时间下，拟合系数A的变化规律表现为咸∶淡=2∶1＞咸∶淡=1∶1＞咸∶淡=1∶2。对于咸∶淡=2∶1，随着间歇时间的增加，拟合系数A增加，而对于咸∶淡=1∶1，咸∶淡=1∶2，拟合系数A随着间歇时间的增加呈现先增大后减小的趋势。

2.2 间歇组合灌溉对土壤水分垂直分布特征的影响

土壤水分入渗是指水分通过地表或入渗界面进入土壤的过程［17］。入渗结束后，农田土壤水分分布情况决定了作物对其吸收利用的程度和土壤水分的有效性［18］。不同组合比例、间歇时间土壤含水率随土层的变化情况见图3。由图3可以看出，在土壤上层（5～10 cm），淡水灌溉的土壤含水率最大；在土壤中下层（10～50 cm），间歇组合灌溉的土壤含水率远远大于淡水灌溉，与微咸水直接灌溉差异较小，说明间歇组合灌溉有利于提高中下层土壤的持水能力。由图3a可知，在同一土层深度，土壤含水率变化规律为：咸∶淡=2∶1＞咸∶淡=1∶1 ＞咸∶淡=1∶2，即土壤含水率与咸水所占灌溉定额比例大小呈正比。由图3b可知，在土壤的表层和下层，土壤含水率表现为：间歇组合灌溉0 min＞间歇组合灌溉30 min ＞间歇组合灌溉60 min ＞间歇组合灌溉120 min；而对于中层土壤，间歇组合灌溉0 min土壤含水率最低，但仍远高于淡水灌溉。故在实际灌溉中，苗期使用间歇组合灌溉0 min、生育旺期使用间歇组合灌溉30 min进行灌溉，更有益于提高农田水资源利用效率，使大部分水分贮存在土壤有效深度内，有利于作物的吸收利用。

表2 间歇组合灌溉模式下累积入渗量与湿润锋运移深度的拟合系数Table 2 Fitted parameters of cumulative infiltration and downward depth of wetting front relative to ICI mode

图3 间歇组合灌溉土壤含水率随土层深度的变化规律Fig. 3 Variation of soil water content with soil depth under ICI

为了更加全面地分析间歇组合灌溉对土壤含水率的影响，引入衡量灌水质量的重要指标灌水均匀度Ed

［19-21］，计算公式如下：

式中，Zi为各层的土壤含水率，%；Z—为土壤含水率的平均值，%；N为取样层数。

由表3可知，间歇组合灌溉的灌水均匀度均高于全淡水灌溉。在间歇组合灌溉模式下，灌水均匀度与间歇时间的关系不明显，如在组合比例为1∶1条件下，间歇时间由0 min提高至30 min、60 min、120 min时，均匀度基本稳定在0.96左右。灌水均匀度随着淡水所占灌水定额比例的增加而减小，造成这种现象的原因可能是，利用微咸水进行灌溉能改善土壤结构，增强土壤持水能力，但当微咸水入渗量减小时，土壤结构形成不充分，故对土壤含水率的分布情况影响不明显。

2.3 间歇组合灌溉对土壤脱盐率的影响

为了进一步研究间歇组合灌溉对土壤盐分的淋洗效果，引入土壤脱盐率来进行说明。土壤脱盐率的计算方法如下：

表3 间歇组合灌溉土壤灌水均匀度Table 3 Irrigation uniformity under ICI

式中，S1为土壤初始含盐量，g kg-1；S2为灌后土壤含盐量，g kg-1。不同间歇组合灌溉模式土壤各层次的脱盐率如表4所示。

由表4可知，对于所有处理，在5～45 cm作物根系密集区，土壤整体脱盐，但间歇组合灌溉土壤脱盐率显著高于微咸水直接灌溉，与淡水灌溉差异较小。咸淡水组合比例对土壤脱盐率的影响差异较显著，淡水所占灌水定额比例越高，脱盐效果越好，越有利于为作物提供良好的土壤水盐环境。间歇组合灌溉对各土层土壤脱盐率的显著性分析结果表明，不同间歇时间、组合比例对土壤脱盐率的影响均达到显著水平，说明间歇组合灌溉参数对土壤盐分的运移具有重要影响。由土壤脱盐率平均值显著性分析结果可知，在间歇时间为0 min、120 min时，组合比例1∶1与1∶2之间的差异不显著，1∶2与2∶1间差异较显著；在间歇时间为30 min、60 min时，所有处理之间的差异均不显著；微咸水直接灌溉条件下土壤脱盐率平均值显著低于其他处理。

表4 间歇组合灌溉模式下的土壤各层次脱盐率Table 4 Soil desalinization rate of different depth relative to ICI mode（%）

3 讨 论

利用微咸水灌溉不仅可以使作物增产，而且可改良盐碱土壤［22-24］。基于此，有学者提出了集咸淡水组合灌溉模式、间歇灌溉方式、作物轮作等一体化的微咸水灌溉调控技术。咸淡水组合灌溉应用于轻度盐碱化土壤能够有效提高土壤脱盐效果，但淡咸咸组合灌溉模式是最合理的入渗模式［25］。在非盐碱化土壤，淡淡咸组合灌溉模式有利于土壤脱盐，而咸淡淡能够有效地淋洗小麦主根区的土壤盐分［26］。在滨海盐土区，由于土壤含盐量较高、有机质和速效养分含量较低，先用咸水灌溉达到稳定状态，再采用淡水灌溉方式淋洗，效果最好，其脱盐速度最快，脱盐率最高［27］，与本试验结果基本一致。但本试验结果与吴忠东等［25］、米迎宾等［26］研究结果区别较大，产生这种差异的原因可能主要是：与非盐碱化土壤相比，盐碱化土壤中离子含量丰富，与微咸水中的离子发生交换吸附作用，使土壤结构发生改变，改善了土壤的入渗性能。

间歇灌溉是一项新型的田间节水灌溉技术，主要包括周期数、间歇时间等技术参数。毕远杰等［15］探究了微咸水与淡水间歇入渗特性的差异，结果表明，随着间歇时间的增加，微咸水间歇灌溉的增渗效果变强。刘静妍等［28］研究表明，与连续灌溉相比，间歇灌溉土壤水分分布更均匀，且间歇灌溉未从本质上改变湿润锋运移深度与累积入渗量的线性函数关系，与本试验结果基本一致。产生这种现象的主要原因可能是：①在间歇灌溉中，灌水是间断式的，土壤经受灌水湿润与停水落干的交替过程，土壤颗粒重分布，土壤表层的物理结构、性状发生改变，使土壤糙率减小，创造了新的水流界面，提高了灌水均匀性；②表层土壤容重增加，使地表形成致密层，土壤孔隙减少，导水率减小，入渗速率降低，这为节水、提高灌水效率和改善灌水质量起到了重要作用。

土壤盐分的分布易受土壤含水率、土壤结构、灌溉水质等多种因素的影响，咸淡水间歇灌溉可以改善土壤水盐环境，对作物的生长产生影响。严亚龙等［29］研究发现，周期数对土壤盐分含量分布有一定影响，间歇时间对土壤盐分含量无显著影响，而本研究发现，在间歇组合灌溉条件下，间歇时间对土壤脱盐率的影响均达到显著水平。吴忠东和王全九［30］研究表明，与连续灌溉相比，间歇灌溉有效降低了土壤盐分局部累积的发生，保证了土壤的可持续利用，与本研究结果基本一致。本研究还发现，间歇组合灌溉对作物根系密集区（0～45 cm）的盐分具有淋洗作用，形成低盐区，不会对作物产生盐害。同时，咸淡水组合比例对土壤脱盐率具有重要影响，淡水所占灌水定额比例越高，脱盐效果越好，越有利于为作物提供良好的土壤水盐环境。故在实际灌溉中，应根据作物的耐盐度和作物根系活动层选择合适的间歇组合灌溉参数，将土壤盐分对作物的胁迫损害降至最低。

综上所述，利用咸淡水间歇组合灌溉模式，更有利于为作物提供良好的土壤水盐环境。由于时间与条件所限，本试验仅在室内条件下进行，所得结论有一定的局限性，需要大田试验验证。为了获得盐碱地作物高产优质效果，今后应综合考虑土壤盐分、pH及土壤盐分离子等重要参考指标，全面系统地研究它们对作物产量和品质的影响。

4 结 论

室内土柱试验下，在同一入渗历时，间歇组合灌溉累积入渗量、湿润锋运移深度均大于淡水灌溉，与微咸水灌溉差异较小，且在间歇组合灌溉条件下，累积入渗量、湿润锋运移深度均随淡水份额的增加、间歇时间的减小而增大。在整个入渗过程中，湿润锋运移深度与累积入渗量呈线性关系。间歇组合灌溉能够显著提高每层土壤的含水率，且土壤含水率分布更均匀。在5～45 cm作物根系密集区，间歇组合灌溉脱盐效果更好，更能为作物提供良好的生长环境。

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（责任编辑：陈荣府）

Effects of Intermittent Combined Irrigation on the Characteristics of Soil Water and Salt Movement in Farm Land of Salt-affected Soil

LIU Xiaoyuan1GAO Peiling1，2†YANG Daming1ZHANG Qingwen3ZHANG Yuhang1
（1 Institute of Agriculture Engineering and Food Science，Shandong University of Technology，Zibo，Shandong 255049，China）
（2 Institute of Resources and Environment Engineering，Shandong University of Technology，Zibo，Shandong 255049，China）
（3 Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Beijing 100086，China）

【Objective】Researchers in the Salt Soil Laboratory of the USA（United States Department of Agriculture，1954）and ASCE（American Society of Civil Engineers，1990）have brought forth a series of advice aiming at ameliorating salt-affected soils. Amelioration of salt-affected soils requires for the first priority removal of excessive soluble salt. However，in actual productive application，the only method available for reducing soluble salt content in the root zone of the crop is to wash the salt off the soil with fresh water. Owing to shortage of fresh water resources，the use of brackish water as replacement has aroused extensive attention. Reasonable exploitation of brackish water can not only improve crop production，but also ameliorate salt-affected soils. To explore characteristics of soil and water movement in the fields under intermittent combined irrigation（ICI），a lab experiment was conducted in an attempt to provide certain theoretical basis and technical support for reasonable use of brackish water in moderately salt-affected soil.【Method】The experimental system consisted of soil columns and Mariotte bottles. The latter was used to supply water with a constant water head of 1.5～2 cm. The one-dimension vertical water infiltration experiment was designed to have four treatments in terms of interval in intermittent irrigation，i.e. 0 min，30 min，60 min and 120 min and five treatments in terms of combination of the irrigation water，i.e. simple fresh water（F），simple brackish water（B），2∶1（brackish and fresh water），1∶1（brackish and fresh water）and 1∶2（brackish and fresh water）. During the experiment，wetting front movement and cumulative infiltration was monitored. At the end of the experiment，soil samples were extracted at the soil extraction port as quickly as possible to avoid the effect of water redistribution inside the cylinder，and soil water content was measured with the oven-drying method and electrical conductivity of the soil solution with a conductivity meter.【Result】Cumulative infiltration was relatively high during the initial stage of infiltration，and dropped drastically with the experiment going on. Measurements done at the same time show that the treatments of ICI were all higher than Treatments F，but differed slightly from Treatment B in cumulative infiltration，and among the treatments of ICI，the same in quantity of water supply，cumulative infiltration increased with the ratio of brackish water. And the infiltration lasted longer when the ratio of fresh water was higher. Cumulative infiltration was in good linear relationship with wetting front movement（R2＞0.99）. Determination of soil water content at the same soil depth shows that the treatments of ICI exhibited an order of ICI 2∶1（Brackish water ：Fresh water）＞ ICI 1∶1 ＞ ICI 1∶2，indicating that soil water content was positively related proportional to ratio of brackish water. Treatments ICI were all higher than Treatment F in irrigation uniformity，which was negatively related to ratio of fresh water. In the 5～45 cm crop root zone，soil desalinization rate was significantly higher in Treatments ICI than in Treatment B，and varied sharply between the treatments. The higher the proportion of fresh water，the higher the soil desalinization rate，the more favorable the salt-water environment for the crop to grow in. Significance tests of the effects of Treatments ICI on soil desalinization rate show that all the treatments reached significant levels，regardless of combination ratio and length of interval，indicating that the parameters of ICI have important on soil salt movement.【Conclusion】Intermittent combined irrigation is more conducive than other irrigation modes to the formation of a good soil water-salt environment for crops to grow. In actual productive application，a proper combination（fresh water and brackish water ratio and interval）should be designed and used in the light of crop salt tolerance and depth of the main root system active zone，so as to minimize damage of salt stress to crops.

Intermittent combined irrigation；Irrigation uniformity；One-dimension vertical water infiltration experiments；Soil desalinization rate

S275.8

A

10.11766/trxb201705090207

* 国家水体污染控制与治理科技重大专项（2015ZX07203-007）、国家自然科学基金项目（41402208）和山东省自然科学基金项目（ZR2016EEM34）资助 Supported by the National Major Science and Technology Program for Water Pollution Control and Treatment（No.2015ZX07203-007），the National Natural Science Foundation of China（No.41402208）and the Natural Science Foundation of Shandong Province（No.ZR2016EEM34）

† 通讯作者 Corresponding author，E-mail：gaoplxj@163.com

刘小媛（1991—），女，山东青岛人，硕士，主要从事农业水土工程研究。E-mail：402983329@qq.com

2017-05-09；

2017-07-23；优先数字出版日期（www.cnki.net）：2017-08-18