引黄灌区土壤水盐运移模式及变化特征研究

陈 诚,侯 礼 婷,汪 明 霞,姚 京 威

(1.河南省小流域生态水利工程技术研究中心,河南 开封 475003; 2.黄河水利职业技术学院,河南 开封 475003; 3.黄河水利委员会 黄河水利科学研究院,河南 郑州 450003)

0 引 言

农田生态恶化和土壤盐碱化问题对农业可持续发展带来了负面影响[1]。制定合理的灌溉策略是节约水资源和防止土壤盐碱化的重要手段。为了制定合理的灌溉策略,需要事先研究土壤水盐运移模式和变化特征,以便根据具体情况设置最合适的灌溉策略[2-3]。

土壤水盐的运移状态受到许多因素的影响,如灌溉模式、排水条件、施肥与否等。这些因素的组合关系非常复杂,在结构性和随机性因素的共同作用下,随时可能发生变化。过去对土壤水盐运移模式和变化特征的研究还缺乏深入探究。自20世纪70年代以来,中国学者从不同角度对土壤水盐运移问题进行了一些讨论,研究方法多为局部或试验小区观测,主要考虑单因素影响。例如,尹志荣等[4]研究了不同滴灌量对土壤水分运移的影响,认为减少滴灌量可以调节土壤水分运移状态;马贵仁等[5]使用ArcGIS空间插值方法分析了土壤水盐运移规律与地下水埋深之间的关系,认为通过控制灌水量可以调节地下水埋深,从而防止土壤次生盐渍化问题。

这些研究方法更注重分析单因素对土壤水盐运移状态的影响。然而,在土壤水盐运移中,除了灌溉条件外,排水和施肥因素也非常重要。因此,分析三相或多相水盐运移的相互作用和驱动过程将成为土壤水盐运移研究的重要发展趋势之一[6-8]。本文将以此问题为核心,在黄河下游开封市黑岗口引黄灌区设置不同的灌溉方案、排水方案和施肥方案条件下,研究土壤水盐运移模式和变化特征,并分析影响土壤水盐运移状态的敏感因素。

1 试验设计

1.1 研究区概况

以黄河下游开封市黑岗口引黄灌区为研究区。该区位于东经114°33′46″,北纬34°41′43″,为离黄河较近的典型引黄灌溉区,该地区主要种植小麦、水稻、花生等农作物。引黄灌溉可以有效利用黄河的水资源,推动该灌溉区的农业快速发展。灌溉条件对当地土壤水盐运移模式有着显著影响,如果不能很好地平衡这个问题,将会导致土壤盐渍化的发生[9]。因此,制定合理的引黄灌溉条件是保证土壤水盐正常运移、预防盐渍化问题的核心[10]。表1为研究区农田的土壤物理性质信息。

表1 研究区域的土壤物理性质

根据研究区域的土壤信息,设置了12个采样点,并采用对比采集的方式,筛选掉不合理的测试数据,以提高数据分析的准确性和可靠性。此外,考虑到大部分农作物的根系分布在40 cm以下的土壤层内,因此在研究土壤水盐运移模式及变化特征时,将采样深度设定为20～100 cm。使用土钻从地表开始向下进行采样。采样点布置如图1所示。

图1 采样点布置

1.2 方案设计

从灌溉模式、施肥模式、排水模式3个角度分析灌区土壤水盐聚集、运移的驱动因素,构建灌溉-排水-施肥驱动下土壤水盐运移响应的指标体系。根据研究区土壤水盐运移环境条件,在农田的四周分别布设水文、肥料、土壤监测站点[11-13],定期采集灌溉水量、排水量、土壤含水率、全盐量等关键参数。

1.2.1灌溉方案

为分析灌溉模式对土壤水盐运移模式及变化特征的影响,设计如表2所示的灌溉方案。灌溉方案中,排水条件固定为强度3 cm/d,间隔1 h排水1次,且在使用复合肥KNO3、施肥1次、施肥量1.0 kg/m3条件下,分析多因素驱动时,灌溉条件对土壤水盐运移模式及变化特征的影响。

表2 灌溉方案设计

1.2.2排水方案

为了研究排水条件对土壤水盐运移模式及变化特征的影响,在研究区域中埋设了6根PVC波纹式排水管,其埋深为110 cm。排水管之间的距离设定为500 cm。排水管采用带孔式,集水管则采用无孔式设计。为防止排水管堵塞,在排水管附近铺设了碎石。排水管出水位置配备一个流量统计表(该表由上海云鸥自动化仪表有限公司制造,型号为WREK-281),用于收集水量信息[14]。根据表3设置的条件,除了排水条件外,使用漫灌方式以795 m3/hm2的定额对研究区域的农作物进行灌溉。使用复合肥KNO3,施肥次数为1次,施肥量为1.0 kg/m3。分析在多因素驱动下,排水条件对土壤水盐运移模式及变化特征的影响。

表3 排水量设置信息

1.2.3施肥方案

使用复合肥KNO3,施肥策略依次设置为:不施肥灌溉(施肥方案I0)、施肥1次+施肥量2.0 kg/m3(施肥方案I1)、施肥1次+施肥量1.5 kg/m3(施肥方案I2)、施肥1次+施肥量1.0 kg/m3(施肥方案I3)。使用漫灌定额为795 m3/hm2的方式灌溉研究区域的农作物,设置排水条件是3 cm/d,排水周期为1 h/次。在此条件下,分析施肥条件对土壤水盐运移模式及变化特征的影响。

1.3 测定方法

1.3.1全盐量检测

采集灌溉前后的土壤样品,检测土层20～100 cm的全盐量。把采集的土壤风干后,使用孔径1.5 mm的筛子筛选,并提取15 g放在三角瓶中,倒进110 L蒸馏水,经振荡器处理4 min后静止过滤,便可获取水土比是6∶1的澄清液,放在水浴机(进口WIGGENS 超声波振荡水浴机)中烘干[15],通过质量测定方法分析土壤各个土层全盐量。

1.3.2含水率检测

在上述检测的基础上,进行含水率检测,含水率的计算公式如下:

(1)

式中:μ为土壤含水率;l为土层深度;H(μ)为土壤排水强度;t为排水周期。

1.4 评价方法

结合灌溉、排水和施肥等多个驱动因素的影响,采用灰色关联分析方法,确定各因素对灌区土壤水盐运移的主次关系。

为了确定某一要素对水盐运移的时空变化是否具有实际影响,将2022年5月、6月灌区土壤土层20～100 cm空间的总含水率、总全盐量作为参考数列yo(t),将灌溉定额、灌溉模式、排水强度、排水周期、施肥量作为比较数列yj(t),做无量纲化处理后,进行灰色关联分析。

Vj(t)=

(2)

式中:Vj(t)是时间t的总含水率、总全盐量参考数列yo(t)与比较数列yj(t)的关联系数;β是分辨系数。

确定灌溉、排水、施肥因素变化过程与土壤水盐运移状态的关联程度后,分析多因素驱动下,土壤水盐运移状态的定量响应关系:

Rm=f(Q,D,E)

(3)

式中:Rm表示灌溉Q、排水D、施肥E条件交互影响下的土壤水盐量;f表示敏感性指数。

2 结果分析

2.1 灌溉条件对土壤水盐运移模式和变化特征的影响

表4是不同灌溉模式对土壤含水率的影响测试结果。如表4所列,A1、A2、B1、B2、C1、C2方案下,随着土层深度增大,土壤含水率整体都出现先减小后增大的趋势。

表4 不同灌溉模式对土壤含水率的影响

具体变化特征是:土层20 cm的含水率处于峰值,含水率在40 cm土层处出现骤减,原因是灌溉时表层还存在水分蒸发的现象,导致灌溉水不能全面入渗至此土层。土层60～100 cm的含水率相比土层40 cm而言增多,原因是水分的入渗积累作用。从总含水率数值分析可知,相同灌溉定额下,灌溉模式的不同决定了土壤含水率的不同,浸灌模式会增加土层20～100 cm的总含水率。

表5是不同灌溉模式下土壤全盐量变化。如表5所列,随着土层深度增大,A1、A2、B1、B2、C1、C2方案下,土壤全盐量整体都出现先增大后减小的趋势。

表5 多个灌溉模式下土壤全盐量变化

具体变化特征是:相同灌溉定额下,灌溉模式的不同决定了土壤全盐量的不同,相对喷灌模式,浸灌模式减少了土层20～100 cm处的总全盐量。

2.2 排水条件对土壤水盐运移模式和变化特征的影响

不同排水量条件下,土壤水盐运移模式及变化特征如表6、表7所列。

表6 不同排水量条件下土壤含水率变化

表7 不同排水量条件下土壤全盐量变化

表6数据显示,P1、P2、P3条件下土壤含水率随着土层深度的增加而出现先减小后增大。具体变化特征是:3种排水方案下,0～40 cm土层的含水率逐渐变小,60～100 cm土层的含水率相比40 cm土层而言增多,原因是水分的积累作用。

P1方案土壤含水率小于P2、P3的原因是:虽然P2、P3单次排水量较大,但排水周期较长,会导致60～100 cm土层含水率积累骤升。将P1、P2、P3条件下的土壤含水率变化进行比较分析可知,排水周期对土壤含水率运移状态的影响更显著。

表7数据显示,P1、P2、P3条件下土壤全盐量随着土层深度的增加而出现先增大后减小的变化。

具体变化特征是:3种排水策略影响下,土层深度60～100 cm时,土壤全盐量逐渐变小。原因是P1的排水间隔时间最短,1 h排水一次,排水效率高,所以土层全盐量小于P2、P3。比较P1、P2、P3条件下的土壤全盐量变化可知,排水周期对土壤全盐量运移状态的影响更显著。

2.3 施肥条件对土壤水盐运移模式和变化特征的影响

4种施肥条件下,土壤水盐运移模式及变化特征如表8、表9所列。

表8 不同施肥条件下土壤含水率变化

表9 不同施肥条件下土壤全盐量变化

分析表8数据可知,不施肥方案I0下,各个土层含水率和施肥方案I1、I2、I3差异不大,肥料条件对土壤含水率不存在直接影响,但随着土层深度增加,各土层含水率仍是先变小后变大。

分析表9数据可知,不施肥时土壤全盐量最少,施肥后,土壤全盐量增多。各个土层的全盐量都存在先增大后减小的趋势。原因是随着施肥量变大,浅层(土层20～40 cm)土壤水盐浓度变大,而随着土层深度增加,水盐渗入至深层土壤时,水分运移、肥料浓度梯度的作用会减少深度土层的全盐量。施肥量对水盐运移状态存在直接影响,对水分运移状态影响不大。

2.4 土壤水盐运移对灌溉-排水-施肥驱动作用的响应

采用式(2)计算灌溉定额、灌溉模式、排水强度、排水周期、施肥量与土壤水盐运移状态的关联度。关联度显示每个因素对土壤水盐运移状态影响的大小排名是:灌溉模式>灌水定额>排水周期>排水强度>施肥量。

表10是土壤水盐运移对灌溉-排水-施肥驱动作用的响应结果。土壤水盐运移状态对各因素驱动作用的响应状态通过敏感性指数f体现,该指数的响应敏感性排序是:灌溉模式>灌水定额>排水周期>排水强度>施肥量,结果和关联度分析结果一致,说明该结果就是影响灌区土壤水盐运移状态的各因素参数主次关系。

表10 土壤水盐运移状态对各因素驱动作用的响应

2.5 灌溉-排水-施肥条件的显著性差异分析

依据回归模型,进一步对土壤水盐运移状态数据进行Pearson相关性分析,结果如表11所列。

表11 土壤水运移状态与各因素的相关性分析

由表11可知,土壤含水率随施肥量和排水条件增大而减小,呈现显著的负相关关系,R2值分别为0.986和0.864;土壤含水率随灌溉模式和灌水定额增加而变大,呈现显著的正相关关系,R2值分别为0.871和0.773,表明各因素下土壤水盐运移状态和变化特征的差异显著。

3 结 论

通过建立灌溉-排水-施肥驱动下土壤水盐运移响应的表征指标体系,辨识灌溉-排水-施肥多因素驱动作用下土壤水盐迁移模式、变化规律,剖析灌区土壤水盐运移状态对多种驱动因素的响应状态,明确灌溉、排水、施肥等驱动因素对土壤水盐运移状态的影响。主要结论如下:

(1) 浸灌模式会增加土层20～100 cm处的总含水率,减少土层20～100 cm处的总全盐量。

(2) 土壤含水率随着土层深度的增加而出现先减小后增大,土壤含全盐量随着土层深度的增加而出现先增大后减小,排水周期为1 h排水一次时,土层全盐量最小。

(3) 不施肥时土壤全盐量最少;施肥后,土壤全盐量增多。各个土层的全盐量都存在先增大后减小的趋势。

(4) 影响灌区土壤水盐运移状态的各因素参数主次关系为:灌溉模式>灌水定额>排水周期>排水强度>施肥量,且差异显著。