绿洲灌区春灌效应及定额研究

杨鹏年，孙珍珍，汪昌树，魏光辉

(新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆乌鲁木齐 830052)

春灌是干旱灌区一种常规的水盐管理措施，在西北及河套灌区广泛采用。在2010年之前，新疆灌区在作物生育期内以常规地面灌溉为主，灌区内地下水埋深较浅从而导致在生育期结束后表层土壤积盐程度较高，调控的方式主要是以冬春灌溉的方式进行。随着灌区内以膜下滴灌为代表的高效节水措施的实施，灌溉方式转变产生的节水效果转化为灌溉面积的同步增大，使得农业用水总量难以下降甚至还有所增加，用水矛盾不断加剧。2012年1月国务院提出的最严格水资源管理制度正切合了这种形势的需要，成为破解，“节水不见水”这一“节水悖沦”的突破口。总量控制下的定额管理将成为今后的常态化措施，同时也将对干旱内陆灌区用水理念与方式的转变起到促进作用。在这种管理模式，可用于淋洗盐分的水量将越来越有限，而春灌由于水量小且效率高而逐渐成为灌区重要的储水降盐与播前备耕的用水方式［1～2］。

1 材料与方法

1.1 试验站简介

试验地点位于新疆农业大学库尔勒灌溉试验站内，地处库尔勒市西尼尔镇。区域内光热资源丰富，降雨少，温差大，多年平均降水量53.3～62.7 mm，多年平均蒸发量2 273～2 788 mm(φ 20 cm蒸发皿)，蒸降比达43.6，地表高程在895～903 m之间，属暖温带大陆性荒漠气候。试验区土壤质地为粉土，土壤肥力较低。

1.2 试验方法

春灌试验于2014年3月8日—2014年3月26日进行，共设计了3种灌水梯度，分别为1 350 m3/ha、1 800 m3/ha、2 250 m3/ha(90 m3/亩、120 m3/亩、150 m3/亩)。春灌用水的电导率为457μs/cm。冬灌地的样方为5 m×8 m的矩形，灌水时间为3月10日—11日。分别于灌前及灌后进行取样测试质量含水率及表征土壤盐分的电导率值。取样深度为1.0 m，累计取样3次，时间为3月10日、3月18日及3月23日。为避免土壤的空间差异性，取样时采用井径(φ=3.0 cm)较小的圆凿钻取样，可以得到相应层位的连续样而不产生弃土;同时增加取样的数量，取样的重复数量为6组。土壤含水率与盐分的取样层次从地表开始，每10 cm钻取一个样品。春灌试验区域的土壤剖面具有二元结构的特征，通过颗粒分析表明:表层至60～80 cm深为粉土，60～80 cm以下过渡为粉砂。土壤田间持水量(质量)为16.0%～18.0%，0～100 m土层的平均容重为1.58g/cm3。土壤含水率用烘干法测定;电导率值则按1∶5水土比配制水溶液，使用雷磁DDS-307型电导仪测定。2014年3月9日测定的地下水埋深为4.6 m，试验期间地下水位变化不大。

2 结果与分析

2.1 春灌的储水效应

试验区域种植的作物为棉花，从8月底最后一次滴灌结束至翌年3月春灌前处于没有水分输入的状态。土壤水分以垂向的腾发消耗为主。经过近6个多月的休耕期后，灌前土壤含水率非常接近于自然条件下的稳定分布状态。不同春灌定额灌溉前后1.0 m深度内土壤剖面质量含水率的变化情况，见图1。不同处理灌前曲线形态具有一定的相似性，即在50～60 cm处有一个峰值，而表层与深层值均较低。灌后剖面各层含水率均有一定程度的增加，尤其以表层含水率增加最为显著。考虑到灌后土壤水分从表层运移到深层需要一定的时间，因此灌后第11天(3月23日)较灌后第6天的剖面含水率有了一定程度的下降。若不考虑试验期间蒸发的影响，以1.0 m深土体为水均衡计算单元，灌溉水的转化途径主要是补充土壤水与深层渗漏，由图中的数据可以计算出灌溉水量的转化特征，见表1。

从水分利用角度看，灌水量主要转化为土壤水以便被作物利用。若以1.0 m土层内增加的含水率为作物可利用水量，渗流到1.0 m的以下区域则为难利用水量，以此可作为判断适宜春灌定额的一项指标。至灌后第11天，此时重力水分的运移已较充分，土壤水分接近于田间持水量，从表1中数据的计算结果可以看出:1 350 m3/ha处理的水分保持率最高，达87.3%;1 800 m3/ha处理的水分保持率为46.3%;2 250 m3/ha处理的水分保持率为51.1%，深层渗漏水量最大。上述事实表明受田间持水量的制约，即使灌溉了较多的水量也无法使土壤保持水分的能力随之增大，过量灌溉导致了深层渗漏水量的增加，作物很难利用这部分水量。但另一方面，渗漏的水量可将盐分带入深层，有利于土壤盐分的淋洗，这对中、重度盐渍土的改良却是必要的。

图1 春灌前后土壤剖面含水率变化特征Fig．1 Characteristics of soil water content before and after spring irrigation

表1 灌前后1.0 m剖面土壤含水率及灌水量转化表Table 1 The profile soil water content and water transformation before and after spring irrigation

2.2 春灌的降盐效应

春灌前后土壤含盐量的变化，见图2。从图中可以看出:灌前剖面含盐量具有表层(0～10 cm)最高、中部(10～60 cm)次之和下部(60～100 cm)最小的三级递减特征;春灌后土壤剖面含盐量则呈现出了表层下降，中部凸起而深层略增的形态。呈现出灌水定额越大，盐分淋洗深度越低的特征。随着灌水定额的增加，表层盐分分别被淋洗到了10～50 cm、30～60 cm、40～80 cm的深度。按照盐分淋洗率的计算方法，即以灌前与灌后电导率差与灌前的比值，可分别计算出各层的淋洗效果，若结果为正则为脱盐，反之则为积盐，见表2。

图2 春灌前后土壤剖面含盐量变化特征Fig．2 Characteristics of soil salt before and after spring irrigation

表2 不同春灌定额下土壤盐分淋洗率Table 2 Soil Salt leaching rate after different spring irrigation quota /%

不同定额对土壤的脱盐主要体现在表层，且效应基本一致;10 cm以下的区域均呈现出积盐的特征，这是水分将表层盐分带入下层造成的。随春灌定额的增加，10～50 cm深度的平均积盐率分别为-80.6%、-65.1%、-44.2%，表明该层的积盐程度随灌水量的增加而降低;70～100 cm深度的平均积盐率为-129.2%、-129.3%、-211.1%，表明定额越大，将盐分带入深层的作用越强。因此针对不同的土壤盐渍化程度可以采用不同的淋洗水量［1～3］。

2.3 春灌的降氮效应

旱地土壤中的无机氮主要以硝态氮和铵态氮的形态存在，但以硝态氮为主。硝态氮属氧化态氮，在水中电离为阴离子，不易被土壤胶体吸附，易随水移动而流失;铵态氮属还原态氮，在水中可电离为阳离子，易被土壤胶体吸附固定，移动性差，但在通气良好的土壤中可以转化成硝态氮。这两种形态的氮均是作物吸收氮肥的主要来源，而过量灌溉则会造成土壤中硝态氮淋失。春灌前后土壤中硝态氮的变化参见图3。灌前剖面硝态氮在0～30 cm的含量较高，以下则变化不大;灌后这一峰值则消失。图3(a)、(b)中灌水前后两条曲线在60 cm处有交叉，图3(c)没有，表明前两个定额下水分对60 cm以下的硝态氮淋洗的程度较低，而2 250 m3/ha对整个剖面的硝态氮均具有淋洗作用。参照前述计算土壤盐分淋洗率的公式，可以计算出不同定额下硝态氮的淋洗率［3～5］，见表 3。

表3 不同春灌定额下土壤硝态氮淋洗率Table 3 Leaching rate of nitrate nitrogen after different spring irrigation quotas /%

在0～50 cm范围内，不同灌溉定额下硝态氮的淋洗程度较接近;在60～100 cm深度内，1 350 m3/ha处理为轻度淋洗，1 800 m3/ha处理为轻度积累;2250 m3/ha处理为中等程度的淋洗，表明春灌定额越大，对硝态氮的淋洗程度越强，这与盐分的运移特征相似［6～12］。

图3 春灌前后土壤硝态氮含量变化特征Fig．3 Characteristics of soil nitrate nitrogen before and after spring irrigation

3 结论与讨论

从本次试验结果看:春灌具有增墒降盐与降氮的多种效应。春灌后土壤中增加的水量以田间持水量为上限，超出土壤持水能力的水量则向深层渗漏，起到了淋洗土壤盐分与硝态氮的作用。其中前者对改良土壤有利，而后者则在降低土壤肥力的同时，将硝酸盐带入了深层甚至地下水中，从而导致养分流失与地下水污染，不利于灌区地下水环境的保护。春灌定额应与土壤的实际条件相结合而并非越大越好。从春灌后增墒降盐的效应看，1.0 m深土体内保持的水量以田间持水量为上限。对于轻度盐渍化土壤，1 350 m3/ha的定额是合适的，灌溉水量的87.3%保持在1.0 m的深度内，可将表层盐分淋洗至10～50 cm;对于中度盐渍化，可采用1 800 m3/ha的定额，灌水量的46.3%可保持在土体内，表层盐分被淋洗至30～60 cm;对于重度盐渍化土壤可采用2 250 m3/ha的定额，灌水量的51.1%保持在土体内，表层盐分被淋洗至70 cm以下，其对盐分的淋洗作用在三个处理中最高。

本次试验中三种灌溉定额均会对表层30 cm土层的硝态氮产生较强的淋洗作用，0～50 cm的淋洗率分别为49.9%、43.2%、54.6%。土壤硝态氮的运移特征与盐分的运移相似，定额越大，下移的深度也越大。从保持土壤硝态氮，避免其随水下移入渗补给地下水后，造成水质污染这一角度来看，小定额的灌水量更为有利。从保持土壤肥力的角度看，对于非盐渍化或轻度盐渍化的土壤，可以考虑采用替代常规春灌的一些新方法，如干播湿出、滴水春灌等近年来兴起的播种方式，灌水定额为450～900 m3/ha，是常规春灌定额的50%左右，但作物出苗率较常规春灌并未降低甚至还有所提高。既缓解了春灌争水的矛盾，同时又可避免硝态氮的淋失，提高氮肥的利用率，有利于绿洲水环境的维系与改善。

从干旱绿洲灌区内多年生产实践中形成的观念认为春灌定额越大越好，但这一做法在当前最严格水资源管理制度下不仅难以维系，同时在理论上也缺乏依据。从灌溉策略讲:不同的土壤可采用不同的灌水量。较经济的方法是将盐分淋洗至土壤中的某一深度(如60～80 cm)，在这一深度下，不会造成作物生长期内的快速返盐，同时可以维持耕作层内盐分的年度均衡。与盐分具有相似运移特征的硝态氮也可保持在土壤中，这样既可避免盐分过多对作物的胁迫，作物还可以再次利用这一深度内的养分，同时也避免了过度淋洗造成的养分流失与下水环境问题。当耕作层盐分呈现出一定程度的积累并达到预警值时，可通过大定额的春灌将表层盐分淋洗至深层，这一改变不仅避免了过量春灌造成的不利影响，更重要的是改变了人们对春灌作用的传统认识，洗盐效率也要高于常规春灌，这在当前水土资源矛盾突出的干旱灌区具有重要的现实意义。

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