咸水结冰灌溉对盐化潮土盐基离子剖面迁移规律的影响.docx

1、Vol.25No.4Aug.,2011水土保持学报JournalofSoilandWaterConservation咸水结冰灌溉对盐化潮土盐基高子剖面迁移规律的影响车升国。林治安】，赵秉强。左余宝I,夏雪(1.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京100081;2.山东东明县农业局，山东东明274500)摘要：利用土柱模拟试验.设置淡水、咸水灌溉、咸水结冰和威水结冰覆盖4个灌溉方式.研究咸水结冰灌溉条件下盐分运移及盐基离子、S()、HC()、Na+、M/+、K*和Can的土层剖面迁移规律。结果表明：成水直接浇灌使各土层土壤盐度提高且盐分具有明显表层聚集特性而咸水结冰后灌溉则显著降低表层0

2、40cm土层的盐分盐度，配合秸秆覆盖措施则使表层的脱盐率进一步提高.特别是010cm土层,土壤盐度仅为0.15dS/m,与淡水处理尚未达显著性差#(P>0.05).成水结冰灌溉显著改变盐基离子Cl-、SO厂、HCO：、Na+、Mg"、K*和Ca:+的土壤剖面分布特征.但不同离子的响应方式和影响程度存在差异。咸水结冰灌溉显著(PV0.05)降低表层危害性较高的Na'、SO厂和C浓度.而对危害性较小的Mb+'K*和Ca&副影响较小。咸水结冰灌溉可促进表层土壤的脱盐作用.淋洗主要危害性离子Na”、C等，保持土壤根系分布密集层较低盐分水平和盐基离子平衡，缓解或消

3、除盐分和盐基离子对作物生长的危害配合秸秆覆盖则效果更加明显.关键词：土壤盐分；离子；咸水灌溉；咸水结冰灌溉；带秆覆盖中图分类号：S153.6；S275.3文献标识码：A文章编号：1009-2242(2011)04-0088-06EffectsofAgriculturalIrrigationbyMeltingSalineWaterIceonSoilSaltandIonMovementUnderFluvo-AquicSoilsCHESheng-guo1,LINZhi-an1,ZHAOBing-qiang1,ZUOYu-bao1,XIAXue2(1.InstituteofAgriculturalRe

4、sourcesandRegionalPlanning,ChineseAcademyofAgriculturalSciences.Beijing100081j2.DongmingAgriculturalBureauofShandongProvince*Dongming,Shandong274500)Abstract:Thecontroltreatment(irrigationwithfreshwaterCK)irrigationwithsalinewater(SW),irrigationwithsalinewaterice(MI),andirrigationwithsalinewatericea

5、ndwheatstrawmulch(MH-SW)wasconductedtostudythemechanismofsoilwater,saltandionmovementusingsoilcolumnmodelingexperimentbasedonthemeltingprocess.Theresultsshowedthatcomparedtoirrigationwithfreshwater,soilsalinitywasmoreunderthesalinewatertreatmentwiththesaltaggregationinthesurface.However,irrigationwi

6、thsalinewatericethesaltcontentin040cmdecreasedsignificantly,withthevalueof0.28dS/m,whilemakingwheatstrawmulchingthesaltrejectionrateimprovedespeciallyinthe010cmdepth,wherethesalinitywasonly0.15dS/m»andhadnosignificantdifferenceobservedwithfreshwatertreatment.Meanwhile,irrigationwithsalinewateri

7、cesignificantlyaffectedtheverticaldistributioncharacteristicofionconcentration,suchasCl,SO?",HCOj,Na+,Mg2+,K+andCa2+.Na+,SO厂andCl-significantlydecreasedinthesurfacelayer,whileinfluencedslightlyforMg2+,K+andCa2+.Inconclusion*irrigationwithsalinewatericecouldimprovethedesalinationinsurfacesoil*ke

8、epionicequilibrium,makethesalinityvalueinrootdistributionlayersremainlow,whichwasusefultoalleviatethesalinityandionhazards,whiletheeffectwasmuchmoresignificantwithstrawmulch.Keywords：soilsalt；ions：irrigationwithsalinewater；irrigationwithsalinewaterice；wheatstrawmulch淡水资源严重不足成为制约我国农业生产及社会经济可持续发展的突出性难

9、题F,如何解决我国水资源危机已成为一项十分迫切的任务。合理开发劣质水源，包括地下微咸水、咸水资源成为当今世界各国关注的热点，世界上许多水资源短缺而咸水水资源丰富的国家和地区都在大力发展利用微咸水、咸水资源进行农业灌溉适宜的咸水灌溉可为作物提供生长所需要的水分，淋洗掉作物根层的部分盐分，不仅有助于于作物增收稿日期：2011-03-01基金顼目，公益性行业(农业)科研专项(200903001),中央级公益性科研院所基本科研业务费专项(2011-26)作者简介：车升国(1983)，男，山东临沂人，硕士，主要从事土壤生态和盐碱土改良研究.E-mail,cheshg通讯作者:左余宝(1953-),男，山

10、东济南人，副研究员，主要从事节水漠溉、盐碳土改良研究.E-mail,ybzuo产I"】，而且有利于作物品质的提高30;但另一方面长期灌溉咸水会增加土壤和地下水中的盐分含景，引起土壤次生盐渍化，恶化农业生态环境，阻碍农业生产的持续发展E"妇，具有非可持续利用性。可持续利用咸水资源的关键技术需要控制灌溉水带入盐量的田间剖面分配，使土壤根系分布密集层保持低盐分水平，尽量降低盐分对土壤生态环境和作物生长的胁迫作用山，而相应抑制土壤根系活动密集层盐分累积的咸水灌溉措施缺乏深入探索。同时，灌溉水矿化度的提高不仅导致土壤剖面盐分总最分布差异性，也影响盐基离子组成及离子平衡程度在土壤垂直分

11、布特征的差异性口句。一般认为，土壤中单盐对作物的危害要高于复盐。可见在咸水微咸水灌溉系列研究中，不仅要探求盐分总量的危害性，更应探求盐分组成及离子不平衡的危害性。目前，在咸水、微咸水灌溉对土壤水盐分布、理化性质以及作物生长、产量与品质的影响方面，国内外已有大量资料3?报道，但在盐基离子的剖面垂直分布及相关性研究较少。因此，本文依据咸水冰盐水融离原理，利用土柱模拟试验,研究不同灌溉方式下（淡水、咸水和咸水结冰）土壤水分、土壤含盐量以及盐基离子Cl'、SOT、HC03-、Na+、Mg2+、K+、Ca*的垂直分布特征，阐明咸水结冰灌溉条件下土壤水盐、离子剖面垂直迁移机制及其相关关系，旨在为微

12、咸水农业灌溉提供新的研究思路和技术支持。1材料与方法试验于中国农业科学院农业资源与农业区划研究所德州试验站陵县试区进行。试区位于黄淮海平原中心地带（37°20'N,116°38'E）,海拔21.36m,属暧温带半湿润半干旱大陆性季风气候区，四季分明，日照时数长，光照强度大,是典型的地下微咸水型盐碱生态类型区。1.1供试土样及水质土柱模式试验的供试土样和水样均于2010年9月10日取自陵县试区。试区土壤类型为盐化潮土，盐渍化学类型以硫酸盐一氯化物盐土为主，土壤质地为轻壤土。取0-20cm土层土壤经风干、碾压、均匀混合后过1mm±筛，制备成试验土样。测

13、定土壤基本物理化学性质，初始土壤含水量为2.02%,土壤盐分含量为0.26%,土壤有机质含最8.5%,全氮含最0.6g/kg,无机态氮10.4mg/kg,有效磷9.9mg/kg,碱解氮36mg/kg,速效钾100mg/kg,pH值8。该试区地下水矿化度高达3.68g/L,超过农业灌溉用水标准2g/L,属于微咸水。地下水阴离子以Cr含量最高，达3.54cmol/L,占阴离子总量的53.76%,HC（g、，以居中，含量分别为0.50,0.66cmol/L,CCT含量最低,浓度仅为0.32cmol/L,仅占阴离子总量的8%。阳离子以Mg2+和Na+浓度最大,分别为2.25,1.95cmol/L,二者

14、占阳离子总量的93.ll%?Ca2+次之；K+最低,浓度仅为0.01cmol/L,占阳离子总量不足0.4%。1.2试验方法试验于2010年9月20日进行，首先将风干试验土样按1.35g/cn?的容重分层装入深1°。cm的土柱（内径40cm,外径42cm）中，上部预留20cm。土柱下部密封，以防大量渗漏土壤水分。模拟土柱埋入地下80cm,受自然阳光照射,但防止雨淋。然后，设置4个灌溉处理:淡水处理（对照CK）、咸水处理（SW）、咸水结冰灌溉处理（MI）和咸水结冰秸秆覆盖处理（MI+SW）,灌溉水量为200mm。淡水矿化度为0.54g/L,为更加明显体现咸水结冰灌溉与咸水直接灌溉的区别，

15、灌溉水由矿化度为3.68g/L的地下水和本地盐土配制而成，配制后咸水矿化度达4.88g/L。把MI和MI+SW处理所需的水量置于一15C条件下结冰，成冰后置于土柱上方，在自然条件下融化入渗。待入渗结束7d后（2010年9月27日）取土测定土壤含水量、含盐量及C、SO厂、HCO、Na+、Mg2+、K+、Ca*含量，取土深度为010cm,1020cm,2040cm,4060cm,60-80cm。土壤水分利用烘干法测定，土壤可溶性盐利用电导法测定（DDL-HA型电导率仪）,HCO?用双指示剂一中和滴定法;C用AgNO3滴定法；Ca2+、Mg2+、SO厂用EDTA间接络合滴定法测定,K+.Na+采用火

16、焰光度法测定（FP6410火焰光度计）。1.3数据分析采用Excel2003进行测定数据预处理和初步统计分析；应用SigmplotlO.0软件制作水分、盐分及离子含量的剖面分布图；SAS统计软件进行单因素方差分析（ANOVA）及盐分离子间的相关关系分析。2结果与分析2.1咸水结冰灌溉对土壤盐度剖面垂直分布的影响土壤电导率通常可以反映土壤盐度的变化情况。图1显示不同灌溉方式对土壤盐度垂直剖面分布的影各灌溉处理土壤盐度垂直分布特征图1£哩响。0-40cm±壤，咸水灌溉(SW)盐分浓度EC.$明显高于淡水灌溉(CK)和咸水结冰灌溉(MI和MI+SW)的，而MI处理的则高于CK和M

17、I+SW处理的，处理间差异达显著水平(PV0.05)；40cm以下土层，MI和MI+SW处理显著高于SW处理和CK处理。淡水灌溉(CK),0-60cm±层的土壤盐分浓度EClt5分布相对稳定，约为0.14dS/m,而60-80cm土层的土壤盐分浓度显著增加(0.42dS/m),是060cm土层的2.53.5倍。这主要是由于淡水的淋溶作用，使盐分淋洗下移*0-60cm土层处于脱盐状态。咸水灌溉(SW),0-10cm土层的土壤盐度EC”5最高，为0.62dS/m；10cm以下，各土层盐分含量较为一致，约为0.460.51dS/m,这表明由于土柱内土壤水分蒸发，土壤盐分开始向地表聚集。成水

18、结冰灌溉(MI和MI+SW),土壤盐度EC*随土壤深度逐渐升高，010cm土层，MI处理盐分浓度为0.19dS/m,秸秆覆盖处理的则仅为0.15dS/m,降低16.9%；1020cm土层，MI和MI+SW处理土壤盐分浓度EC分别为0.28,0.29dS/m,分别约为。一10cm土层的1.5倍和1.9倍；2040cm土层的则较0-10cm土层的分别提高1.0倍和1.6倍；4080cm土层，Ml和MI+SW处理的土壤盐度增幅已达4.35.4倍，分别约为0.380.86dS/m,0.400.81dS/m。这可能由于咸水结冰灌溉时，首先融化的水分盐分含量较高，在重力作用下入渗土壤，而后融化的矿化度降低

19、的融冰水，再次渗入地下将盐分淋洗下移，使土壤根系分布密集层(040cm)保持较低盐分水平。2.2咸水结冰灌溉对土壤盐分离子土层垂直分布的影响2.2.1阴离子剖面分布特征图2显示，咸水结冰灌溉显著改变阴离子Cl-'SOT'HCO；的土壤剖面分布特征,但不同阴离子的响应方式和影响程度存在差异。0-80cm土层HCO；含量，随土层深度增加淡水处理(CK)呈逐渐升高的趋势，咸水灌溉(SW)和咸水结冰灌溉(MI和MI+SW)的则呈现先升高后急剧降低，随后缓慢降低或稳定的格局。对照处理,0-60cm±层的C和SOT含量基本稳定，60cm以下土层的C和SOT含量升高；SW处理则随着

20、土层增加,C1-和SCX-含量先缓慢升高后趋于稳定；MI和MI+SW的则先缓慢升高后急剧增加，随后趋于稳定或缓慢降低。/境眼-H馥敏联引图2各濯溉处理土壤HC()r、C、SOT垂直分布特征0-20cm±层，HCO含量以结冰灌溉处理(MI和MI+SW)最高，分别为1.88,1.83cmol/kg,咸水处理(SW)次之，为1.59cmol/kg,淡水处理(CK)最低，仅为1.25cmol/kg,差异达极显著水平(PV0.05)；而C1含量则以SW最高，达1.93cmol/kg,MI(0.30cmol/kg)和MI+SW(0.29cmol/kg)居中，对照处理(CK)的Cl"含量

21、最低(0.18cmol/kg)。SW处理与SW、MI和MI+WS处理差异显著(PV0.05),其余处理差异未达显著水平。SO厂含量变化规律与Q-相似，分别为SW>MI和MI+SW>CK,处理间差异均达显著水平(PV0.05)。20-40cm±层，HCO含量仍以结冰灌溉处理(MI和MI+SW)偏高，但差异均未达显著程度(P<0.05),40-60cm土层，对照处理HCOf含量为1.38cmol/kg,较SW处理(1.14cmol/kg)高17.8%,较结冰灌溉处理(Ml和MI+SW)分别高29.9%和31.8%,差异达显著水平(PV0.05)。Cr和SO厂含鼠呈现SW

22、>MI和MI+SW>CK的趋势。C1-含量则以MI+SW处理最高，达3.25cmol/kg,显著高于MI处理(2.05cmol/kg)、SW处理(1.50cmol/kg)和对照CK(0.18cmol/kg),SO厂含量则以MI+SW处理最高，为2.84cmol/kg,MI处理和SW处理的次之，分别为2.36,1.21cmol/kg,对照处理最低，仅为0.36cmol/kg.6ocm以下土层，各处理间的ci-,sor和HCO；含髭差异均达显著程度，但SO厂和HCO7差异幅度减小,而C差异幅度增加。2.2.2阳离子剖面分布特征图3显示淡水、咸水和咸水结冰灌溉条件下阳离子Na+、Mg2+

23、、K+和Ca2+的剖面垂直分布情况。淡水灌溉处理(CK),0-60cm±层的Ca2+、MW+含量基本稳定，60cm以下土层的急剧升高；咸水灌溉处理(SWLCai+'Mg2,含量则随着土层增加呈现逐渐升高的趋势，而咸水结冰灌溉处理(Ml),Ca2+、Mg2+含量则先降低后逐渐升高，咸水结冰配施秸秆覆盖处理(MI+SW),Ca2+、Mg2+含量则先逐渐升高后降低。随着土层深度增加，对照处理CK的Na+含量逐渐升高；与CK相反，SW处理的则逐渐降低；MI和MI+SW处理的Na+含量则呈先急剧升高，随后缓慢降低的趋势。随剖面深度增加，CK处理的K*含鼓先降低后逐渐增加，随后趋于稳定$

24、SW处理的K+含量则逐渐升高.MI和MI4-SW处理的K+含量则呈现上层趋于稳定，下层逐渐升高的格局。日。、畏疑IH44E-2胡成IK-H图3各灌溉处理土壤Ca"、ML、Na+、K+垂直分布特征0-10cm土层,Ca*含量以淡水处理CK最高(0.80cmol/kg),咸水处理SW居中(0.72cmol/kg),咸水结冰灌溉处理(MI和MI+SW),分别为0.63,0.50cmol/kg,处理间差异达显著程度(PV0.05)。Mg2*含量则以MI+SW处理最高，为0.70cmol/kg,CK处理次之，为0.60cmol/kg,SW和MI处理最低，分别为0.41,0.53cmol/kg。

25、Na*含量则以SW处理最高，为21.1cmol/kg,较MI和MI+SW处理分别高54.2%和53.4%,是对照处理的4.66倍，且差异达显著水平(PV0.05)。10-20cm土层,Ca2+含量呈SW(0.76cmol/kg)>CK(0.73cmol/kg)>MI+SW(0.69cmol/kg)>MI(0.47cmol/kg)的趋势，Mg2+含量则呈SW(0.72cmol/kg)>CK(0.56cmol/kg)>MI(0.51cmol/kg)>MI+SW(0.44cmol/kg),Na+含量呈SW(21.17cmol/kg»MI(19.70cmo

26、l/kg)>MI+SW(19.65cmol/kg)>CK(5.03cmol/kg),各离子处理间差异达显著程度(PV0.05)。20-40cm±层，Ca"含量呈SW(0.99cmol/kg)>CK(0.75cmol/kg)=MI(0.75cmol/kg»MI+SW(0.53cmol/kg)»Mg2*含量呈SW(0.81cmol/kg)>MI(0.73cmol/kg)>CK(0.57cmol/kg)>MI+SW(0.36cmol/kg)»Na+含盘呈MI(19.99cmol/kg)>MI+SW(19.40

27、cmol/kg)>SW(18.64cmol/kg»CK(7.82cmol/kg),各离子处理间差异达显著程度(PV0.05)。40-60cm±层，0+含量以MI和MI+SW处理最高，分别为1.92,2.28cmol/kg,SW处理次之，为1.32cmol/kg,CK处理最低，仅为0.73cmol/kg,Mg2*和Na*含量高低规律与Ca?+离子相似，均为MI和MI+SW处理最高，SW处理次之,CK处理最低的趋势。60-80cm土层，Ca?+、Mg2+、Na+含量均呈MI和MI+WS>SW>CK的规律。咸水处理(SW)和咸水结冰灌溉处理(MI和MI+SW),

28、。一80cm±层的K*含量均显著高于淡水灌溉CK的(PV0.05),但SW、MI和MI+SW处理间的差异未达到显著水平。2.3土壤盐分离子组分间相关性分析通过分析土壤中各种离子间以及与总盐分间相关性发现(表1)，土壤盐分含扯与Hcor呈极显著负相关(PV0.01),与Cl-、Sa-、K+、Mg2+和Ca2+呈极显著正相关，除K+外，其他相关系数均超0.8以上，与Na+呈显著正相关(PV0.05)。HCO；与C、S0-、Mg*、Ca2+呈极显著负相关，与K*和Na+相关性不显著;C与SOTMLC*呈极显著正相关，与K+和Na+呈显著相关;SO：-与Mg2+,Ca2+呈极显著正相关，与K

29、+呈显著相关，而与Na，则相关性不显著；Mg2+和Ca?+相关性也达极显著程度(PV0.01)。这一研究结果表明，通过咸水结冰灌溉降低土壤盐分浓度的同时，也可降低离子对作物的危害程度，达到既控制表层土壤盐分总量，又控制离子组成和含量的目的，具有双重意义。表1淡水港溉、咸水灌溉及结冰淮溉后土壤盐分离子组分间相关性分析HCO；crS()TK+Na+Ca2+M/十总盐量Hcor1cr-0.594*1sor-0.6170.7621K+一0.1070.545"0.5211Na+0.3120.438-0.4310.633-*1Ca2b-0.8300.8390.8130.456-0.0581Mg?

30、+-0.7920.7990.8110.519"0.0700.9791总盐量-0.6020.945",0.8710.6110.517-0.852",0.8221注t*表示PV0.05表示P<0.01,«»*ife示P<0.001.3讨论与结论土壤溶液通过土壤垂直迁移，溶液中的离子和吸附在固相表面的离子之间发生动力学的相互作用，其中的离子是以对流(离子随着土壤水而移动的过程)、扩散(离子因热运动而引起的混合和分散作用)或者二者兼有的形式迁移。入渗水的矿化度不同必然导致溶液中离子和土壤固相离子之间相互作用不同，从而影响到土壤盐分和盐基离子

31、土层剖面迁移过程。本研究发现，与淡水灌溉相比，咸水直接浇灌使各土层土壤盐度提高，提高幅度为o.14.2倍，且盐分具有明显表层聚集特性，而咸水结冰后灌溉则显著降低表层040cm土层的盐分浓度，仅为0.28dS/m,配合秸秆覆盖措施则使表层的脱盐率进一步提高，特别是010cm±层，土壤盐度仅为0.15dS/m,与淡水处理尚未达显著性差异(P>0.05)0同时研究表明，不同灌溉方式显著影响盐基离子C、SOT、HCO、Na+、Mg2+、K+和Ca，+的土壤剖面分布特征，但不同离子的响应方式和影响程度存在差异。与淡水灌溉相比，咸水处理显著提高了整个土层剖面的Na+、C、SO厂和K+含最，

32、而Mg2+和Ca2+含量则表现为表层010cm降低，10cm以下升高，HCO丁含量是上层040cm升高，下层降低。与咸水直接灌溉相比，咸水结冰灌溉和咸水结冰酷施秸秆覆盖则显著降低了表层020cm的Na+和C1浓度,C1一浓度分别降低5.7,5.4倍,Na+浓度分别降低26.6%和26.7%,而对Mg?+和Ca?+等的影响较小。冰融初期，入渗土壤的融水盐分含量较高，二价阳离子Ca2+、Mg*可代换出土壤胶体上的Na+,而后低矿化度融水可使表层Na+得到及时淋洗】，从而有助于降低表层Na+的含量，降低因Na+/(Ca2+4-Mg2+)比值增大而引起离子平衡失衡和土壤碱化而导致作物体内矿物质营养平衡

33、失衡这主要由于咸水冰晶融化时，冰体内盐分在重力作用下首先析出，造成咸淡水分离，并依次入渗土壤，开始融化的高浓度咸水首先入渗土壤，而后冰融的低矿化度微咸水，甚至淡水对咸水中的盐分和土壤本身的盐分进行淋洗，使其向下迁移,进入土壤深层，从而促进土壤表层脱盐，使土壤根系分布密集层(0-40cm)保持较低盐分水平，缓解盐分对作物的危害。Li等室内土柱模拟试验小证实，利用15g/L的咸水结冰灌溉滨海盐土，可淋洗土壤表层盐分,脱盐深度与灌溉水质及灌水员密切相关。郭凯等在河北省滨海平原冬季咸水结冰灌溉研究馈显示，冬季咸水灌溉结冰、春季咸水冰融化入渗后土壤个层次脱盐效果明显,0-20cm±层脱盐效率达

34、43.5%。同时本研究发现,咸水结冰灌溉配合秸秆覆盖虽未降低80cm土体的盐分累积，但秸秆覆盖后能够抑制土壤水分蒸发，进而调节盐分及盐基离子在土壤剖面的垂直运动，加强表层土壤的脱盐效果，保持土壤根系分布密集层较低盐分水平和盐基离子平衡，缓解或消除盐分和盐基离子对作物生长的危害。逢焕成等mJ在黄淮海平原陵县试区的麦秆覆盖对微咸水灌溉下土壤盐分调控作用的微区定位试验表明，微咸水灌溉结合麦秸覆盖是防止根系密集活动层返盐和积盐的有效手段，在实践中应用效果良好。总之，咸水结冰灌溉不仅可促进表层(0-40cm)土壤的脱盐作用，而且显著降低Cl-、Na+等的危害，使土壤根系分布密集层保持较低盐分水平，维持盐

35、基离子平衡，缓解或消除盐分和离子对作物的危害，配合秸秆覆盖则效果更加明显。但考虑咸水资源化利用影响因素众多，其产生的区域水环境生态变化还需要进一步研究。参考文献：1刘毅，贾若祥，侯晓丽.中国区域水资源可持续利用评价及类型划分J.环境科学.2005,26(1):42-46.2柯兵，柳文华,段光明，等.虚拟水在解决农业生产和粮食安全问题中的作用研究J1.环境科学,2004,25(2):32-36.3 MurtazaG.GhafoorA.QadirM.Irrigationandsoilmanagementstrategiesforusingsaline-sodicwaterinacotton-whe

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