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河套灌区暗管排水排盐有效性评价与土壤水肥盐时空变异规律研究

窦旭  
【摘要】:河套灌区作为我国重要的粮食产区,土壤盐渍化是灌区可持续发展的关键影响因素。农业的快速发展过程中人们产生了重灌轻排的思想,土壤次生盐渍化对农田具有较大的威胁,因此农田排水技术的应用与发展至关重要。暗管排水技术作为最直接、最有效的改良盐渍化土壤的措施,对作物生长和农业增收起着重要作用,因此了解暗管排水过程中土壤水盐运移规律以及土壤改良效果,对灌区盐渍化土壤的防治与治理具有重要意义。以土壤盐渍化程度严重的河套灌区下游为背景,本论文开展了田间定位监测以及小区试验,研究试验区土壤水肥盐时空变异规律,运用主成分分析评价影响土壤盐渍化的主导因子,利用暗管排水技术改良和防治盐渍化土壤,研究土壤水盐运移规律以及土壤盐渍化程度改良效果。采用DRAINMOD模型对暗管和明沟排水方式的排水过程以及作物产量进行了模拟。主要研究结果如下:(1)表层土壤(0-20、20-40cm)含水率变异系数除6月份0-20cm(9.779%)均为12.384%~19.667%,属于中等变异性,深层土壤(40-100cm)含水率变异系数为3.513%~9.757%,属于弱变异性。表层土壤盐分变异系数为100.845%~129.279%,属于强变异性,深层土壤变异系数均为83.685%~98.853%,属于中等变异性。土壤养分的变异系数均为32.954%~69.869%,均属于中等变异性。随着土层的增加,土壤水、肥、盐的变异性减弱。研究区各层土壤水、肥、盐空间变异半方差函数拟合性较好,空间相关度为0.038%~20.408%,均小于25%,说明具有强烈的空间相关性,可以认为主要是受结构性因素的影响,随机因素占总变异很小,自相关引起的空间变异性较强。(2)利用主成分分析方法对土壤盐渍化的主导因子进行了分析,结果表明,前2个主成分的累积方差贡献率为86.44%。与第一主成分密切相关的是Na+、Cl-、TS、Ca2+、Mg2+,这5个指标与土壤盐渍化关系密切,可代表了试验区土壤盐渍化状况;在第二主成分因子变量中,K+与HCO3-具有较其他变量更高的载荷,K+与HCO3-通过影响土壤碱度进而在一定程度上影响土壤盐渍化。因此降低土壤盐渍化程度,采取适当的按方法减少土壤中的Na+、Cl-、Mg2+和Ca2+。其中重点减少Na+、Cl-含量。(3)利用暗管排水技术改良盐渍化土壤,土壤“高盐异质性-低盐均质性”转化过程的定量分析结果显示:经过一个淋洗周期后,春灌和秋浇排盐效果明显,分别脱盐量分别为743.59、904.65t,生育期属于积盐状态,积盐1527.84t。整年属于脱盐状态,总体脱盐120.39 t。平均脱盐量为408.1kg/hm2。重度盐渍化土壤和盐土类型面积均有所下降,重度盐渍化土壤面积下降为30.62%,盐土面积下降为2.39%,轻度和中度分别增加为14.83%和52.15%。重度盐渍化土壤对试验区土壤脱盐率贡献最大,为91.57%,由于灌溉后盐分降低,轻度盐渍化土壤和中度盐渍化土壤面积增加,贡献率分别为-3.24%和-31.48%。土壤各盐分离子脱盐率大小表现为Cl-Na+SO42-Mg2+Ca2+HCO3-K+。其中Cl-和Na+含量分别由7.43、4.66g/kg下降为3.68、2.58g/kg,分别降低50.67%、44.68%,K+下降程度最小,仅下降7.14%。试验中Cl-、Na+离子含量较多,淋洗后土壤盐分离子向均匀方向发展。试验区灌溉淋洗后土壤以中度盐渍化为主,土壤盐渍化程度仍较严重,Cl-、Na+易溶于水且和土壤亲和性较弱,在后续试验中,应当增加灌水周期和次数来淋洗盐分,降低土壤盐渍化程度。(4)采用DRAINMOD模拟了不同排水方式地下水埋深和排水量的变化,模拟精度较高,相对误差RE为6.02~11.15、相关系数R高达0.89~0.99、效率系数NS为0.87~0.96,且暗管排水的模拟效果略好于明沟排水。田间地下水波动主要在灌溉和降水时期,地下水埋深在1~1.8m之间,模型模拟略微高估了地下水埋深,相对误差较大,影响了整体的相关性。因此,DRAINMOD模型可以作为该研究区内田间水文过程的模拟工具。(5)0-40cm 土层为作物主要根系分布层,暗管处理与明沟处理春灌后土壤含水率分别为22.08%、23.31%,二者春灌后均能满足使作物正常生长发育需要的水分,生育期灌水后明沟处理含水率为22.77%,暗管处理含水率为21.36%,虽然暗管处理含水率低于明沟处理,但不影响为作物生长后期提供有效的水分,而不影响最终产量。暗管排水处理土壤脱盐率显著优于明沟排水(P0.05)。春灌和秋浇灌水量相对较大,脱盐率较高,0-100cm暗管排水和明沟排水春灌脱盐率分别为57.96%、36.57%,秋浇脱盐率分别为63.54%、38.37%。生育期灌溉将一部分盐分淋洗到60~100cm 土层,暗管排水和明沟排水60-100cm 土层土壤脱盐率分别为-2.6%、-3.09%。距暗管(明沟)水平距离越近土壤脱盐率越高,中间点位置土壤脱盐率最小,暗管排水差异性较大。春灌、生育期、秋浇暗管排水在暗管水平距离0m处土壤脱盐率分别高达 61.94%、4.47%、67.77%,暗管中间点土壤脱盐率分别为 57.96%、3.54%、63.54%。明沟排水在水平距离0.4m处土壤脱盐率分别高达40.01%、4.27%、39.91%,明沟中间点土壤脱盐率分别为33.8%、2.55%、36.22%。


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