水源短缺是制約干旱和半干旱區生態環境和農業可持續發展的主導因子，而在這些區域灌溉水質多劣于濕潤地區，質量較高的水資源缺乏，很多地區為了發展生產，不得不采用咸水灌溉［１－２］。滴灌是一種高效的節水灌溉方式，具有對灌水時間、灌水量和土壤濕潤范圍高度控制的特點，可以根據土壤基本性質、作物根系分布和耗水狀況來調節土壤水分［３］。咸水滴灌將鹽分帶入土壤，可能導致土壤含鹽量不斷增加，對植物造成危害，降低土壤環境質量［４－６］。在干旱半干地區，咸水灌溉后強烈的蒸發作用使得很大一部分灌溉水被無效損耗掉，而造成可溶性鹽分在表層積聚形成高含鹽量分布層［７－８］。如果管理不當，極容易引起次生鹽漬化，危害區域生態環境和農業的可持續發展。灌溉淋洗是防治土壤鹽漬化發生的通用方式，如果方法得當，咸水淋洗可有效控制土壤鹽分，防治植物鹽害。李取生等［９］的研究結果表明，微咸地下水淋洗在中度蘇打鹽堿化旱地土壤改良中是可行的，經過２ａ淋洗即可完全改良，改良后的土壤生產能力可以達到當地非鹽堿土的水平。張建國等［１０］通過模擬試驗研究了高礦化度咸水滴灌對風沙土表層鹽分的三維淋洗效果，并確定了防止防護林植物鹽害的淋洗水量。滴灌連續滴水，可以將鹽分向外推進集中到濕潤峰邊沿，在多滴頭情況下濕潤峰相互重疊，可以形成一個平面整體向下洗鹽，使上部土層變成“淡化脫鹽層”［１０－１１］。雖然對于咸水灌溉淋洗土壤鹽分的研究已有相關報道，但主要關注最終的淋洗脫鹽效果，而對于不同礦化度水對咸水滴灌不同區域土壤鹽分咸水淋洗過程及淋洗效果差異的研究卻很少涉及。本文通過室內土柱模擬試驗，將咸水、淡水對高礦化度咸水滴灌條件下不同區域土壤鹽分的淋洗過程、淋洗效果進行對比研究，以期為干旱半干旱區咸水資源的開發利用和土壤次生鹽漬化的防治提供理論基礎和技術指導。
１材料與方法
１．１研究區概況
試驗于２０１３年８月份在位于塔克拉瑪干沙漠腹地的中國科學院新疆生態與地理研究所塔克拉瑪干沙漠研究站／塔中植物園（地理坐標３９°０１′Ｎ，８３°３６′Ｅ，海拔１１００ｍ左右）內進行。據塔中氣象站資料，該區年平均氣溫１２．４℃，７月份平均氣溫２８．２℃，沙面最高溫度７５．３℃；１２月份平均氣溫－８．１℃，極端最高氣溫４５．６℃，極端最低氣溫－２２．２℃，≥１０℃的活動積溫為４６１８．６℃，年降水量２４．６ｍｍ，蒸發量為３６３８．６ｍｍ，年平均相對濕度２９．４％，≤３０％的低濕日數２４６．６ｄ，平均風速２．５ｍ／ｓ，年起沙風日數１３０ｄ以上。土壤類型為流動風沙土（理化性質見表１），鹽分含量為１．２６～１．６３ｇ／ｋｇ。淋洗試驗所用淡水為去離子水；咸水為試驗站防護林灌溉用水，礦化度為４．０４ｇ／Ｌ，電導率為６．０６ｄＳ／ｍ，離子組成以Ｃｌ－、ＳＯ２－４和Ｎａ＋為主。
試驗取土區域的防護林始建于２００３年，灌溉方式為滴灌，滴頭間距為１ｍ×１ｍ（同防護林行間距），滴頭流量為１．２５Ｌ／ｈ；３－５月份、９－１０月份１５ｄ灌水１次，６－８月份１０ｄ灌水１次，每次灌水量為３０Ｌ／株，１１月至次年２月免灌。土柱填裝完畢后即帶入試驗站內的實驗室進行淋洗試驗。
１．２試驗方法
１．２．１土柱裝置及準備土壤樣品
以滴頭為中心，分別選取濕潤區（滴頭附近）、濕潤鋒（距離滴頭３５ｃｍ）和濕潤區外圍（距滴頭５０ｃｍ），將內徑為１８ｃｍ，高度為５５ｃｍ的ＰＶＣ管垂直壓入土壤５０ｃｍ取原狀土，然后挖出削平底部，放至鋪好石英砂的底座上（厚度為５ｃｍ），帶到實驗室以備淋洗試驗所用。此外，為了降低土壤鹽分和水分狀況對不同水質淋洗過程和效果的影響，挖取咸水滴灌下的淺層土壤進行風干過篩，充分混合后填裝土柱。采用連續供水將填裝好的土柱進行淋洗，用馬氏瓶均勻供水，使土柱表層的淋洗水層穩定在２ｃｍ，在出水口處用量筒測定濾出液體積，同時記錄開始供水、濾出液開始流出和試驗結束時間。鋪有石英砂的底座留有出水口，以備土壤淋洗濾出液流出。同時，在土柱取樣點按照０－１ｃｍ，１－５ｃｍ，５－１０ｃｍ，１０－１５ｃｍ，…，４５－５０ｃｍ分層取樣，所有樣品一式兩份。１份采用１０５ ℃，２４ｈ烘干法測定土壤含水量；另１份風干過２ｍｍ篩，采用ＳＹ－３型電導－溫度計測定土壤電導率（水∶土＝５∶１），同一深度土壤充分混合后采用馬爾文激光粒度儀測定機械組成（測定結果見表１）。
１．２．２模擬淋洗試驗
從濾出液流出開始一直到體積至２Ｌ，每流出２５ｍｌ即用體積為２５ｍｌ的小燒杯接濾出液１次；從２Ｌ至３Ｌ每７５ｍｌ接濾出液１次；３～４．５Ｌ每１２５ｍｌ接濾出液１次；４．５Ｌ后每５００ｍｌ接濾出液１次。每次接到濾出液后立即用ＳＹ－３型電導—溫度計測定其電導率，再將濾出液倒回試驗裝置中的大量筒，以便記錄濾出液總體積。當前后２次濾出液電導率基本沒有變化時淋洗試驗結束，然后將土柱靜置至沒有濾出液流出時拆除土柱，按照０－１ｃｍ，１－５ｃｍ，５－１０ｃｍ，１０－１５ｃｍ，…，４５－５０ｃｍ分層取樣，風干后用ＳＹ－３型電導－溫度計測定其電導率（水∶土＝５∶１），用于對比淋洗前后土壤鹽分的差異。淋洗水質分為去離子水和咸水２個梯度，每個梯度２個重復，所有測定結果均為２個重復的平均值。
２結果與分析
２．１土壤水分的入滲速率
淡水淋洗條件下，濾出液開始流出時間濕潤區為６５０ｓ，濕潤鋒為６６０ｓ，濕潤區外為７２０ｓ，咸水滴灌風干混合土為８４０ｓ；而咸水淋洗條件下，４種土柱濾出液開始流出時間分別為６８０，７４０，８１０，８９０ｓ。通過對比可知，咸水在不同區域土柱的下滲速率明顯低于淡水，而與肖娟［１２－１３］等報道的咸水入滲速率要明顯高于淡水入滲的結果恰好相反，這可能與供試土壤的顆粒組成、鹽分含量等因素有關。而在相同水質條件下，不同區域土柱的下滲速率均表現為濕潤區＞濕潤鋒＞濕潤區外圍＞咸水滴灌風干混合土，這主要與不同區域土壤含水量有關，因為濕潤區的整體含水量最高，濕潤鋒和濕潤區外圍次之（圖１），風干混合土最低，僅為０．０７８％。此外，風干土在填裝過程經過了簡單的壓實處理，土壤結構比原狀土更為緊實，從而影響了土壤的入滲速率。
２．２淋洗脫鹽前后土壤鹽分的變化
由圖２可以看出，咸水滴灌條件下，濕潤區外整體含鹽量要高于濕潤鋒，濕潤區土壤剖面整體含鹽量最低；土壤鹽分從表層向下呈逐漸降低趨勢，表層含鹽量遠高于下層。之所以會呈現這種分布趨勢，是由于長期滴灌淋洗和蒸發積鹽共同作用的結果［１０，１４］。而不同水質淋洗后，不同土柱均表現出良好的脫鹽效果，但整體表現為淺層土壤含鹽量高于深層（圖２），這說明隨著淋洗過程的不斷進行，淺層鹽分逐漸被淋洗至深層土壤。其中淡水淋洗后不同區域土柱整體電導率值介于０．２４ｄＳ／ｍ左右，比流沙的電導率（０．４３７ｄＳ／ｍ）［６］還要低；而咸水淋洗后不同區域土柱整體電導率值介于０．７３５ｄＳ／ｍ左右，含鹽量略高于淡水淋洗和流沙地。這說明２種不同水質淋洗后的土壤含鹽量均達到了很低水平，不會對作物造成危害和影響作物的正常生長［４，６，１５］。從水資源的合理利用的角度考慮，可以根據不同地區的實際情況選擇相應的水源來淋洗土壤鹽分。
２．３淋洗脫鹽過程中濾出液的動態變化
２．３．１咸水滴灌不同區域土柱濾出液的動態變化
由不同水質對咸水滴灌不同區域土壤濾出液電導率變化曲線（圖３）可以看出，無論是咸水還是淡水淋洗，咸水滴灌濕潤區、濕潤鋒和濕潤區外土壤均表現出相似的脫鹽軌跡，主要經歷３個階段：（１）電導率快速上升階段。由圖３可以看出，對于咸水滴灌濕潤區土壤，在濾出液體積達到２５０ｍｌ之前，咸水淋洗濾出液電導率由１１．９４ｄＳ／ｍ增加到１２．０６ｄＳ／ｍ，而淡水淋洗濾出液由６．８７ｄＳ／ｍ增加到最高電導率值７．９８ｄＳ／ｍ時的體積為２７５ｍｌ，兩者濾出液體積差異較??；對于濕潤鋒而言，在濾出液體積達到５２５ｍｌ之前，咸水淋洗濾出液電導率由１４．８０ｄＳ／ｍ增加到５４．８０ｄＳ／ｍ，而淡水淋洗濾出液由９．２９ｄＳ／ｍ增加到最高電導率值３８．３ｄＳ／ｍ時的體積為１１００ｍｌ，這說明在初始階段淡水淋洗過程進行得更為緩慢；對于濕潤區外而言，在濾出液體積達到５２５ｍｌ之前，咸水淋洗濾出液電導率由１７．２８ｄＳ／ｍ增加到５９．６ｄＳ／ｍ，而淡水淋洗濾出液由１２．６７ｄＳ／ｍ增加到最高電導率５４．１ｄＳ／ｍ時的體積為６００ｍｌ，這也充分說明淡水淋洗過程更為緩慢。這是可能是由于沙土顆粒間的孔隙較大，水分入滲速度快，而土壤鹽分溶解于水分需要一個過程，咸水滴灌不同區域土壤剖面的鹽分又存在很大差異，最易溶的離子率先溶解，所以開始階段濾出液電導率呈逐漸升高趨勢，不同區域土壤濾出液電導率到達最高值的體積存在較大差異，也就是說在這個階段“鹽鋒”的運動速度要明顯滯后于濕潤鋒，這種變化過程與質地粘重的粘土和壤土存在很大差異［１３］。由此可以推斷，在這一階段，淺層土壤溶液電導率會快速降低，整個土壤剖面的脫鹽速率呈快速增加的趨勢，至濾出液電導率為最高值時脫鹽速率達最高值。（２）電導率快速下降階段。隨著淋洗不斷進行，土壤剖面整體含鹽量下降到一定程度，必然出現濾出液電導率下降的趨勢。此時，土壤上層的鹽分大部分已經移入下層或被淋洗出土壤剖面?？梢酝茢?，上層土壤電導率迅速下降。濕潤區土壤咸水淋洗濾出液體積達到１．１Ｌ時，電導率值達到較低，且逐漸趨于平穩的７．６４ｄＳ／ｍ，而淡水淋洗濾出液電導率達到較低且趨于穩定的１．７８８ｄＳ／ｍ時的體積為１．４Ｌ；濕潤鋒土壤咸水和淡水淋洗濾出液體積分別達到１．９Ｌ和２．４Ｌ時，電導率值達到較低，且逐漸趨于平穩的９．２１ｄＳ／ｍ和３．５ｄＳ／ｍ；而濕潤區外土壤咸水、淡水淋洗濾出液達到趨于穩定值９．８３ｄＳ／ｍ和２．５３ｄＳ／ｍ的體積分別為２．６Ｌ和２．６７Ｌ。從濾出液達到較低且趨于穩定電導率值的濾出液體積來看，咸水淋洗效果優于淡水。（３）電導率趨于穩定階段。當大部分可溶性土壤鹽分隨濾出液排出后，土壤整體含鹽量已經降低至相對較低的水平，濾出液的電導率變化也逐漸趨于平緩。淋洗穩定后，咸水和淡水淋洗濾出液電導率值大小順序均表現為濕潤鋒＞濕潤區外＞濕潤區；對于同一區域土壤，咸水淋洗濾出液的電導率值明顯高于淡水淋洗濾出液，兩者差值基本為淋洗所用咸水的電導率值。在生產實際當中，可以根據作物的耐鹽情況及根系分布狀況，結合土壤鹽分動態來確定適宜的淋洗水量。
圖４不同水質對咸水滴灌風干土鹽分淋洗過程曲線
２．３．２咸水滴灌風干混合土濾出液的動態變化從圖４可看出，無論是咸水還是淡水淋洗，濾出液電導率均呈先快速降低后逐漸趨于穩定的變化過程，而沒有出現圖３所示的初始階段的快速上升階段。濾出液ＥＣ（ｙ）與體積（ｘ）呈良好的冪函數關系（ｙ咸 ＝１０．５４７ｘ－０．３８６，Ｒ２＝０．９０７３；ｙ淡 ＝３．４２６９ｘ－０．９９４，Ｒ２＝０．９５９６）。究其原因，因風干土的含水量極低，可能受土壤入滲速率的影響，淋洗水分運動速度較緩，能夠充分溶解土壤中的鹽分，使“濕潤鋒”和“鹽鋒”運動同步，所以濾出液ＥＣ值在開始流出時最高。咸水、淡水淋洗濾出液達到基本穩定值８．５１ｄＳ／ｍ和１．８３ｄＳ／ｍ時濾出液體積分別為１．４Ｌ和１．６Ｌ，也充分說明咸水淋洗效果優于淡水。
３結 論
（１）咸水在不同區域土柱的下滲速率明顯低于淡水，而在相同水質條件下，不同區域土柱的下滲速率均表現為濕潤區＞濕潤鋒＞濕潤區外圍＞咸水滴灌風干混合土。
（２）不同水質淋洗后，咸水滴灌不同土柱均表現出良好的脫鹽效果。咸水淋洗后不同區域土柱整體含鹽量略高于淡水淋洗，淡水淋洗后不同區域土柱整體含鹽量甚至低于流沙地。
（３）咸水和淡水對咸水滴灌不同區域土壤淋洗的濾出液ＥＣ均呈“快速上升－快速下降－趨于穩定”的變化趨勢，而對咸水滴灌風干土淋洗的濾出液ＥＣ卻呈先快速降低后逐漸趨于穩定的變化過程。從淋洗濾出液到達穩定電導率的體積來看，咸水對咸水滴灌土壤鹽分整體淋洗效果優于淡水。
（４）影響土壤鹽分淋洗過程和效果的因素較多，本試驗結果是對咸水滴灌不同區域土壤的淋洗效果得出的，對我國西北干旱區咸水灌溉技術的應用和鹽漬化的防治具有重要的參考價值。從水資源的合理利用的角度考慮，可以根據不同地區的實際情況選擇相應的水源來淋洗土壤鹽分。
參考文獻：
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