[2020.12.21 Vol.84] 不同生育期微咸水滴灌和淡水淋洗土壤盐分动态评价研究

微咸水灌溉是一种缓解干旱和半干旱地区淡水短缺的解决办法。然而，根区积累的盐分需要滤出，这可以通过地表灌溉使用淡水淋洗来实现，但需要优化以提高淋洗效率。在2017年和2018年进行了田间微咸水滴灌试验，以确定玉米伸长(T1)、抽雄(T2)和灌浆(T3)阶段的淋洗(或不淋洗(T0))效果。HYDRUS (2D/3D)模型分别使用2017年和2018年收集的实验数据进行了校准和验证。数值模拟的结果与实测值非常一致，在验证期间，T1、T2、T3和T0处理的平均相对误差分别为11.9%、10.1%、10.6%和9.2%。玉米拔节期(T1)地面灌溉的“高盐胁迫”持续时间最短，分别为T1、T2、T3和T0的42、56、57和82天。玉米籽粒灌浆期(T3)进行地面淋洗时，根区盐分减少率最高(即脱盐率)。T1、T2和T3处理的脱盐率分别为59%、68%和69%。与T0相比，T1、T2和T3在40cm深度的盐分累计量分别增加了2.0%、16.3%和34.7%。剖面电导率显示，地面灌溉淋洗之后土壤剖面中的“高盐胁迫”区域，T0分别比T1、T2和T3高4%、48%和92%。模拟结果表明，最佳淋洗时间为播种后41天左右，这导致“高盐胁迫”期持续时间最短，脱盐率相对较高，为59%。

实验站位于中国西北黄河流域(北纬40° 41′，东经107° 18′)河套灌区的中部。试验过程中微咸水(滴灌)和淡水(地面灌溉)结合使用。当用微咸水灌溉田地时，评价了通过地面灌溉以淡水进行淋洗的不同时间的不同情景。试验包括四个处理，采用三个重复进行完全随机设计。这四种处理包括伸长期(T1)、抽雄期(T2)和灌浆期(T3)的地面灌溉淋洗，或不淋洗(T0)。土壤平均盐度为2.54g·kg^-1，滴灌的水源平均盐度为0.54 g·kg^-1。地面灌溉的淋洗定额(整个生长季节仅一次)为112.5mm。此外，在2017年和2018年分别于10月16日和20日收获后，采用大规模灌溉(每年约225毫米，称为秋季灌溉)，以将季节期间积累的盐分从土壤剖面中淋出。

  滴灌条件下土壤电导率变化很大。在2017年和2018年两个季节，在漫灌淋洗的不同时期伸长期(T1)、抽雄期(T2)和灌浆期(T3)以及无淋洗条件下(T0)，对不同土层的值进行了分析(图4)。在生长期间，0-40cm土层的电导率平均为6.2 dS·m^-1。用微咸水灌溉后，0-20和20-40cm土壤层的电导率先降低(图4)，然后逐渐增加。深层土壤(40-100cm)中的电导率几乎不受滴灌的影响。总的来说，每个土层的电导率在整个生长阶段逐渐增加，当电导率迅速增加到5.9 dS·m^-1以上时，玉米产量预计比最佳产量减少约50%。此外，2017年和2018年，浅层土壤层(0-40米)的最大电导率值分别达到9.0和12.1 dS·m^-1，而在生长阶段不进行淋洗时，深层土壤层(40-100cm)的最大电导率值分别达到6.5和7.0 dS·m^-1。因此，在玉米生长季节，延长“低盐胁迫”条件(电导率低于5.9 dS·m^-1)的持续时间很重要。漫灌淋洗之后，所有土壤层的电导率都显著下降。平均电导率下降到2.4 dS·m^-1，这意味着在这两年的三次淋洗处理中，浅层和深层土壤的平均电导率分别下降了74%和52%。漫灌淋洗的时间对电导率的影响是不同的。两年的玉米生长季中，T1、T2、T3和T0方案中0-100cm土层的平均电导率分别为5.3、5.4、5.5和6.9 dS·m^-1。低盐胁迫的平均持续时间分别为83、69、68和43天。0-40cm土层的平均电导率分别为6.1、6.2、6.3和7.8 dS·m^-1，低盐胁迫的平均持续时间分别为69、56、55和41天。然而，后来漫灌淋洗导致在生长季节结束时电导率降低。在这两年的T1、T2、T3和T0处理中，浅层土壤中的电导率分别为10.2、10.2、8.6和13.1 dS·m^-1，深层土壤中的电导率分别为6.7、6.2、5.3和8.6 dS·m^-1。与T2、T3和T0方案中的漫灌淋洗相比，T1的漫灌淋洗使低盐胁迫的持续时间延长了21%、19%和45%，尽管生长季结束时的电导率略高于T2和T3。在任何生长阶段漫灌淋洗都能显著降低所有土层土壤中的电导率。处于伸长阶段的漫灌淋洗能产生最低的平均土壤盐分和最长的低盐胁迫持续时间。

图4 2017年(左)和2018年(右)0–20厘米(上)、20–40厘米、40–60厘米和60–100厘米(下)土壤深度滴头位置的模拟和观测电导率

用HYDRUS (2D/3D)对玉米伸长(T1)、抽雄(T2)、灌浆(T3)或未淋溶(T0)阶段用微咸水和LFSI滴灌试验田的土壤盐分动态进行了实验和数值评估。该模型分别使用2017年和2018年观测到的土壤盐分浓度进行了校准和验证。验证期间的准确度符合标准要求，RMSE、MAE、MRE和R2的准确度分别为0.02–0.13mg·cm-3、0.0465–0.0801mg·cm-3、8.7–11.1%和0.88–0.92%。淋洗之后，土壤电导率在浅层(0-40厘米)和深层(40-100厘米)土层中都急剧下降。淋洗时间越早，“高盐胁迫”持续时间越短(ECe高于5.9 DSM 1，HSS)。在T1、T2、T3和T0方案中，HSS的持续时间分别为42、56、57和82天。然而，越晚淋洗，根区的盐分就越多。T1、T2和T3的脱盐率分别为297%、410%和431%。当后来进行淋洗时，在100厘米深度以下可以浸出更多的盐，而在40厘米深度以下盐浸出的差异要小得多。T1、T2和T3在40厘米深度的累积盐通量与T0相比分别增加了36.7%、66.7%和80%。二维电导分布显示，在T0方案中，淋洗之后土壤剖面中的“盐胁迫”面积分别比T1、T2和T3方案中的高4%、48%和92%。在T0方案中，浅层土壤中的土壤盐只被输送到深层土壤。淋洗后，土壤剖面中的高盐区完全消失了。虽然在生育后期淋洗提高了脱盐率，但是盐胁迫持续时间较长。根据HYDRUS (2D/3D)的情景模拟确定的淋洗最佳时间是播种后约41天。