秦顯艷，王春霞，何新林

(石河子大學(xué) 水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832000 )

鹽堿地在世界范圍內(nèi)廣泛存在，是一個(gè)世界的問(wèn)題[1]。根據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織2000年統(tǒng)計(jì)，我國(guó)有各類(lèi)鹽堿土約7 500 萬(wàn)hm2，占世界的8.96%，排名第2[2]，其中有利用潛力的鹽堿荒地面積近1 300 萬(wàn)hm2，潛力巨大[3]。新疆是中國(guó)最大的土壤鹽堿地區(qū)，鹽堿地面積1 100 萬(wàn)hm2，約占全國(guó)鹽堿土面積的1/3和新疆土地面積的66%[4]。鹽堿地造成大量土地低產(chǎn)甚至無(wú)產(chǎn)、農(nóng)民收入降低、可用土地資源減少，更甚還會(huì)成為限制新疆農(nóng)業(yè)發(fā)展和土地資源可持續(xù)利用的關(guān)鍵。鹽堿地的改良問(wèn)題由來(lái)已久，目前最普遍的方法是以排為主，即結(jié)合灌溉沖洗，依靠水分入滲運(yùn)動(dòng)移走一部分可溶性鹽[5]，或者種植耐鹽作物[6]。中國(guó)鹽堿土地面積大，水資源缺乏，推行此辦法來(lái)改良鹽堿地顯然非常不合理。針對(duì)干旱和土壤鹽堿狀況，新疆地區(qū)自20世紀(jì)80年代起就開(kāi)展了膜下滴灌技術(shù)的研究和推廣[7]，并推廣了膜下滴灌水肥一體化技術(shù)，通過(guò)精準(zhǔn)滴灌施肥將定量的溶解態(tài)肥料直接輸送到作物根部，提高了肥料利用效率，農(nóng)作物產(chǎn)量基本持平甚至略高[8]。但是農(nóng)民為了在有限的土地上創(chuàng)造出更多的經(jīng)濟(jì)效益，只能通過(guò)加大施肥量來(lái)獲得。相關(guān)研究表明氮肥施用過(guò)量可導(dǎo)致土壤硝態(tài)氮積累[9]，西歐從環(huán)境保護(hù)角度提出，保證地下水不受硝酸鹽污染的土壤無(wú)機(jī)肥最高殘留水平，允許淺根性蔬菜收獲后土壤最低肥不得超過(guò)90 kg/hm2[10]，這也表明不合理施肥會(huì)使氮肥利用率下降，并有可能增加土壤的污染及鹽漬化的風(fēng)險(xiǎn)[11]。

無(wú)論是采用大水壓鹽還是利用膜下滴灌開(kāi)發(fā)治理新疆鹽堿地，都需要掌握鹽堿地土壤的入滲參數(shù)[5]。王全九等研究了一維土柱在淡水與微咸水連續(xù)入滲條件下的入滲參數(shù)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明采用微咸水入滲可以改變土壤的結(jié)構(gòu)參數(shù),從而增大土壤的入滲能力[12]。羅朋等研究了入滲水頭對(duì)土壤入滲參數(shù)的影響，結(jié)果表明濕潤(rùn)鋒與入滲歷時(shí)擬合良好，累積入滲量與時(shí)間符合Kostiakov公式[13]。吳爭(zhēng)光等研究了土質(zhì)對(duì)入滲參數(shù)的影響，結(jié)果表明隨土樣黏性顆粒含量的增加,入滲率逐漸減小[14]。由以上可見(jiàn)，以往的試驗(yàn)研究多是針對(duì)滴灌水質(zhì)(淡水、微咸水、咸水等)、入滲水頭以及土質(zhì)進(jìn)行的，研究其入滲參數(shù)，而關(guān)于施氮量對(duì)鹽堿土入滲特征影響的研究相對(duì)較少。為了研究施氮量對(duì)鹽堿土入滲特征的影響，本文對(duì)施加氮肥條件下的室內(nèi)一維鹽堿土土柱的入滲進(jìn)行觀測(cè)，為鹽堿土上氮肥的科學(xué)施用提供參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

1.1 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)土樣

試驗(yàn)裝置如圖1所示，主要包括馬氏瓶供水裝置和試驗(yàn)土柱，該試驗(yàn)裝置均為透明的有機(jī)玻璃制作而成。采用馬氏瓶定水頭供水，截面面積45 cm2，高度1.2 m，外標(biāo)刻度用于讀取入滲水量。試驗(yàn)土柱半徑7.5 cm，兩側(cè)每隔2.5 cm有一小孔，用于取土分析，土柱外標(biāo)刻度用于記錄濕潤(rùn)鋒讀數(shù)。土柱上方放有燈泡，用于布置后期研究關(guān)照對(duì)入滲的試驗(yàn)。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Sketch map of experiments

本試驗(yàn)供試土壤經(jīng)測(cè)為黏性砂土，土壤容重1.4 g/cm3，土壤質(zhì)量飽和含水量45%，田間持水量32%，土樣風(fēng)干后經(jīng)2 mm篩備用。本次試驗(yàn)入滲方式為連續(xù)入滲，按土壤容重1.4 g/cm3，每10 cm分層裝入，并用夯土器夯實(shí)，然后進(jìn)行下一層的裝土，直至裝到試驗(yàn)設(shè)計(jì)高度。

1.2 試驗(yàn)方法

馬氏瓶中裝氮肥溶液，為保證均勻入滲，表層土壤保持積水深度3.5 cm。試驗(yàn)開(kāi)始后觀測(cè)濕潤(rùn)鋒及馬氏瓶讀數(shù)并記錄，入滲12 h后停止供水，倒出土柱表面積水并用量筒稱量，吸干表標(biāo)積水，用土鉆取土進(jìn)行分析，分別測(cè)定了其含水量，含鹽量以及氮素含量。研究因子包括氮肥濃度、鹽堿土鹽分含量。其中鹽堿土鹽分含量根據(jù)鹽堿土分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為0.3%、0.9%、1.2%三個(gè)水平，氮肥濃度根據(jù)新疆棉田施氮量設(shè)置為0、300、600、900 mg/L，將其進(jìn)行正交組合，共計(jì)11個(gè)不同的試驗(yàn)組合(由于含鹽量1.2%上施肥300 mg/L和600 mg/L時(shí)，效果相差不大，因此無(wú)鹽1.2%肥900 mg/L的試驗(yàn)組合)，每個(gè)組合設(shè)置2個(gè)重復(fù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 施氮量對(duì)累積入滲量的影響

圖2分別顯示了不同鹽-氮組合條件下累積入滲量隨時(shí)間的變化曲線。由圖2可見(jiàn)，累積入滲量隨時(shí)間的延長(zhǎng)而增加。各個(gè)鹽-氮組合的累積入滲量曲線總體上呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，前期上升較快，后期上升較慢。這是因?yàn)樵谠囼?yàn)初期，土柱入滲主要依靠基質(zhì)勢(shì)和重力，入滲較快。隨著入滲時(shí)間的延長(zhǎng)，入滲界面以上的土壤不斷密實(shí)，土體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致入滲較慢；當(dāng)土壤鹽分含量≤0.9%時(shí)，施氮對(duì)含鹽量為0.9%土壤的累積

圖2 累積入滲量曲線Fig.2 Curve of soil cumulative infiltration

入滲量變化影響最大；當(dāng)土壤鹽分達(dá)到1.2%時(shí)，增加施氮量對(duì)累積入滲量影響很小，這說(shuō)明施氮量對(duì)含鹽量較高鹽堿土的入滲影響較小；當(dāng)土壤鹽分含量相同時(shí)，相同時(shí)間內(nèi)累積入滲量大小順序?yàn)椋? mg/L>600 mg/L>300 mg/L>900 mg/L。這表明在土壤鹽分含量相同的情況下，施氮量為0 mg/L即不施氮只灌水時(shí)，鹽堿土入滲最好，同時(shí)也說(shuō)明了施氮有降低鹽堿土入滲性能的效果，但是在施氮的條件下，施氮量為600 mg/L時(shí)鹽堿土入滲最好，施氮量300 mg/L和施氮900 mg/L次之，并且施氮量900 mg/L對(duì)鹽堿土入滲性能的降低效果最顯著。這表明施氮量對(duì)鹽堿土入滲有影響；當(dāng)施氮量相同時(shí)，相同時(shí)間內(nèi)累積入滲量大小順序?yàn)椋?.3%>0.9%>1.2%。在施氮量為0 mg/L入滲結(jié)束時(shí)，含鹽量為1.2%的累積入滲量為9.3 cm，含鹽量為0.3%的累積入滲量為20.6 cm，為含鹽量1.2%的2倍多。這表明在施氮量相同的情況下，含鹽量較低的累積入滲量大，土壤入滲性能較好。而含鹽量較高的累積入滲量小，土壤入滲性能較差。這是由于含鹽較高的鹽堿土孔隙度較小，透氣透水性較差，所以累積入滲量較小。

2.2 施氮量對(duì)濕潤(rùn)鋒的影響

圖3分別顯示了不同鹽-氮組合條件下濕潤(rùn)鋒深度隨時(shí)間的變化曲線。由圖可見(jiàn)，濕潤(rùn)鋒深度同樣隨時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，各個(gè)鹽-氮組合的濕潤(rùn)鋒深度曲線總體上呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，前期上升較快，后期上升較慢。這與圖2中累積入滲量曲線趨勢(shì)產(chǎn)生的原因一致；當(dāng)土壤鹽分含量≤0.9%時(shí)，施氮對(duì)含鹽量為0.9%土壤的累積入滲量變化影響最大；當(dāng)土壤鹽分達(dá)到1.2%時(shí)，增加施氮量對(duì)濕潤(rùn)鋒影響很小。當(dāng)土壤鹽分含量相同時(shí)，相同時(shí)間內(nèi)濕潤(rùn)鋒深度大小順序?yàn)椋? mg/L>600 mg/L>300 mg/L>900 mg/L，同樣地表明了施氮有降低鹽堿土入滲性能的效果，并且在施氮的條件下，施氮量為600 mg/L時(shí)鹽堿土入滲最好，施氮量300 mg/L和施氮量900 mg/L次之。當(dāng)施氮量相同時(shí)，相同時(shí)間內(nèi)濕潤(rùn)鋒深度大小順序?yàn)椋?.3%>0.9%>1.2%。在施氮量為0 mg/L入滲結(jié)束時(shí)，含鹽量為1.2%的濕潤(rùn)鋒深度為16.6 cm，含鹽量為0.3%的濕潤(rùn)鋒深度為32.5 cm，大概為含鹽量1.2%的2倍，這表明在施氮量相同的情況下，土壤鹽分含量高濕潤(rùn)鋒深度小。這一結(jié)果與圖2中累積入滲量的結(jié)果一致，其產(chǎn)生的原因也相同。

圖3 濕潤(rùn)鋒曲線Fig.3 Curve of wetting front distance

2.3 施氮量對(duì)入滲率影響

圖4分別顯示了不同鹽-氮組合條件下入滲率隨時(shí)間的變化曲線。由圖可見(jiàn)，入滲率在入滲初期出現(xiàn)峰值，入滲時(shí)間在100 min以內(nèi)時(shí)，各組合的入滲率在這一階段與時(shí)間呈現(xiàn)出明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，該階段的入滲率曲線為斜率很大的非線性曲線。當(dāng)入滲時(shí)間大于100 min時(shí)，隨著時(shí)間的推移，迅速衰減為斜率較小的曲線，衰減幅度減小并趨于穩(wěn)定；這是由于隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，土柱中土體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，土壤入滲較慢，因此導(dǎo)致土壤入滲率逐漸降低。當(dāng)土壤鹽分含量相同時(shí)，由圖可見(jiàn)，不同施氮量下的入滲率曲線相差較小，并且接近重合，這是由于土壤入滲率較小，故差異不明顯；當(dāng)施氮量相同時(shí)，土壤含鹽量≤0.9%時(shí)，入滲率最終穩(wěn)定在0.02 cm/min左右,而土壤含鹽量為1.2%時(shí)，入滲率最終穩(wěn)定在0.01 cm/min左右。這也同樣說(shuō)明了圖2所表明的結(jié)果，即含鹽量較高的累積入滲量小，土壤滲水性能較差。

圖4 入滲率曲線Fig.4 Curve of infiltration rate

3 結(jié) 論

(1)累積入滲量與濕潤(rùn)鋒均隨時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，各個(gè)鹽-氮組合的累積入滲量與濕潤(rùn)鋒深度曲線總體升呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，并且前期上升較快，后期上升較緩慢。

(2)土壤入滲率與時(shí)間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，且在100 min處為分界點(diǎn)，100 min之前，入滲率曲線斜率很大的非線性曲線，100 min之后，入滲率曲線為斜率較小的曲線。

(3)施氮有降低鹽堿土入滲性能的效果。施氮量為600 mg/L時(shí)，輕、中度鹽堿土入滲效果最好，過(guò)高或過(guò)低都會(huì)降低鹽堿土的入滲性能，且施氮量為900 mg/L時(shí)對(duì)鹽堿土入滲性能的降低效果最顯著。施氮量對(duì)重鹽堿土入滲影響很小。

(4)在施氮量相同的情況下，含鹽量0.3%的土壤入滲性能最好，含鹽量1.2%的土壤入滲性能最差。