全 文 ：中国生态农业学报 2011年 3月 第 19卷 第 2期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, March 2011, 19(2): 235239


* 公益性行业(农业)科研专项经费项目(200903001)、国家自然科学基金项目(40771097)、国家科技支撑计划项目(2007BAC17B04)、新
疆自治区科技攻关重点项目(200733144-1-1)和中国科学院知识创新工程重大项目(KSCX1-YW-09)资助
** 通讯作者: 杨劲松(1959~), 男, 研究员, 博士生导师, 主要研究领域为土壤盐演化防控和盐渍土资源利用。E-mail: jsyang@issas.ac.cn
李晓明(1983~), 男, 博士研究生, 主要从事资源环境和遥感信息方面的研究。E-mail: xmli@issas.ac.cn
收稿日期: 2010-08-18 接受日期: 2010-12-07
DOI: 10.3724/SP.J.1011.2011.00235
基于电磁感应的不同膜灌模式下棉田土壤
盐分分布研究*
李晓明 杨劲松** 刘广明
(中国科学院南京土壤研究所 南京 210008)
摘 要 选择“1 膜 1 管 4 行”(114 模式)、“1 膜 2 管 4 行”(124 模式)以及覆膜漫灌 3 种不同膜灌模式下典
型棉田地块点位, 同时测定膜上宽行(W)、膜上窄行(N)以及膜间(I)3 个位置不同离地高度的大地表观电导率
(ECa), 建立不同土层深度盐分含量解译模型, 研究不同膜灌方式下盐分的垂直和水平分布特征。研究结果表
明: 水平方向上, 0~10 cm土层, 114模式下膜上窄行盐分含量高于宽行, 124模式下膜上窄行盐分含量低于宽行,
漫灌模式下膜上宽行和窄行盐分含量差异不大; 垂直方向上, 3 种模式下盐分均呈现一定的表聚趋势, 盐分最
大值出现在 10~20 cm土层, 80 cm以下土层土壤盐分含量趋于稳定。基于电磁感应建立的土壤剖面盐分解译
模型具有良好精度, 方便快捷, 可实现不同膜灌方式下棉田土壤盐分分布的快速预测, 对指导农业生产具有
重要意义。
关键词 电磁感应 膜灌方式 盐分空间分布 棉田
中图分类号: S156.4 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2011)02-0235-05
Determining soil salt distribution by electromagnetic induction of
cotton field under different film-mulched irrigation techniques
LI Xiao-Ming, YANG Jin-Song, LIU Guang-Ming
(Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China)
Abstract Specific field sites in cotton field were selected for different film-mulched irrigation techniques, including
one-mulch/one-pipe/four-row irrigation mode (114 mode), one-mulch/two-pipe/four-row irrigation mode (124 mode) and flooding
irrigation mode (FIM). Then apparent electrical conductivities (ECa) were measured at different heights and locations of the sites,
including wide-row with mulch, narrow-row with mulch and inter mulch. Soil profile salinity interpretation models were established
to evaluate the horizontal and vertical distribution characteristics of soil salt. The study showed that, in horizontal direction, soil salt
content in narrow-row with mulch was more than that in wide-row with mulch in 114 mode in the 0~10 cm soil layer. Under 124
mode, soil salt content in narrow-row with mulch was less than that in wide-row with mulch. There was no obvious difference at
different locations under FIM. In vertical direction, surface accumulation occurred in all three modes (114 mode, 124 mode and FIM).
The maximum accumulation occurred in the 10~20 cm soil layer, and soil salt content tended to be stable in layers below 80 cm. Soil
profile salinity interpretation models were not only precise in results, but also convenient in use. The models could therefore be used
to accurately predict soil salt distribution of cotton field under different film-mulched irrigation techniques. This was significant for
improving agricultural production.
Key words Electromagnetic induction, Film-mulched irrigation mode, Spatial distribution of salt, Cotton field
(Received Aug. 18, 2010; accepted Dec. 7, 2010)
我国盐渍土分布广泛, 土壤盐渍化、次生盐渍
化是制约农业生产的主要障碍因子之一 [12], 尤其
南疆干旱区, 蒸发量高达 2 000～3 400 mm, 大面积
耕地存在盐渍化和次生盐渍化问题。棉花种植对水
236 中国生态农业学报 2011 第 19卷


分的依赖性很强 [3], 膜下滴灌需水量少 , 抑制了土
壤蒸发和表面积盐 [4], 可保证短期内棉花正常生长
发育。目前关于膜下滴灌与土壤盐渍化问题研究较
多, 如膜下滴灌的盐分运移规律及水盐动态平衡问
题[3, 57]、滴灌地土壤盐渍化影响因素[2, 810]等均进行
了相关研究。传统研究需要进行剖面采样, 费时费
力, 目前基于电磁感应技术探讨土壤剖面盐分分布
国内外有少量研究[1114], 而针对不同膜灌方式下土
壤盐分分布规律的研究尚少见报道。本试验选取不
同膜灌方式下的棉田, 通过电磁感应解译不同位置
不同深度土壤盐分含量, 从而对土壤盐分垂直和水
平方向分布规律进行研究, 为促进土地可持续利用
提供依据。
1 材料与方法
1.1 研究区域概况
研究区域位于新疆南部巴音郭楞蒙古自治州水
利管理处希尼尔灌溉试验站。该州地处天山南麓 ,
气候非常干旱, 年降水量多在 100 mm以下, 而蒸发
量在 2 500 mm左右, 蒸降比约为 40[1], 高蒸降比使
该地区极易产生土壤的盐渍化和次生盐渍化问题。
研究区棉花种植模式有 3种(图 1): 1膜 1管 4行(简
称 114 模式), 即 1 膜种植 4 行棉花, 中间用一根滴
灌带为 4 行棉花供给水分; 1 膜 2 管 4 行(简称 124
模式), 即 1 膜种植 4 行棉花, 每两行棉花用 1 根滴
灌带供给水分; 漫灌模式, 即覆膜后采取漫灌方式
灌溉。研究区域灌溉水源主要为积雪融水。


图 1 试验中不同膜灌方式示意图
Fig. 1 Sketch map of different film-mulched irrigation techniques used in the experiment
W为膜上宽行, N为膜上窄行, I为膜间, 下同。左始依次为 114膜灌模式、124 膜灌模式、漫灌模式, 为滴灌带。W: Wide-row with mulch;
N: Narrow-row with mulch; I: Inter mulch. The same below. From left to right, the film-mulched irrigation techniques are
one-mulch/one-pipe/four-row irrigation mode (114 mode), one-mulch/two-pipe/four-row irrigation mode (124 mode) and flooding irrigation mode
(FIM). : Water pipe.

1.2 研究方法
大地表观电导率测定仪(EM38)主要是应用电磁
感应原理, 通过测量原生磁场和诱导出的次生磁场
的相对关系来测量大地电导率。通常可表示为:
2
0
4 1s
a
p
H
EC
H S  (1)
式中, ECa为大地表观电导率(mS·m1); Hs为次生磁
场强度; Hp 为原生磁场强度; ω=2πf, f 为发射频率
(Hz); S为接收线圈与发射线圈之间的距离(m); μ0为
空间磁场传导系数。
EM38 有水平和垂直两种测定模式, 其中水平
模式下, 感应深度约为 0.75 m, 垂直模式下感应深
度约为 1.5 m。研究时间选取在 2010 年 6 月初, 棉
花处于苗期。首先在研究区域选择 10个剖面点, 进
行电磁感应测量大地表观电导率, 每个点位同时测
量离地表高度 0 cm、10 cm、20 cm、30 cm、40 cm、
50 cm、60 cm、80 cm、100 cm、120 cm、150 cm位
置的表观电导率, 每个高度位置同时按 N、NE、E
和 SE 4 个不同方向测定, 取平均值。同时按 0~10
cm、10~20 cm、20~40 cm、40~60 cm、60~80 cm、
80~100 cm、100~120 cm、120~150 cm分层采集剖
面土壤样品, 实验室测定土水比为 1︰5的浸提液电
导率(EC1︰5)作为盐分含量指标, 建立剖面不同深
度土壤盐分与不同高度表观电导率之间的解译模型。
在 3 种不同膜灌模式的典型地块, 选择合理点
位数, 分别测定不同棉花种植位置(膜上宽行、膜上
窄行、膜间, 图 1)不同离地高度的表观电导率, 经模
型解译后取平均值, 研究不同膜灌模式下土壤盐分
在水平和垂直方向的分布特征。
2 结果与分析
2.1 土壤剖面盐分的电磁感应解译模型
在研究区域选择 10个剖面点, 测量不同高度表
观电导率, 并分层采集土壤样品, 应用 SPSS 软件,
进行逐步回归分析(Stepwise), 建立土水比为 1︰5
的各层土壤电导率(EC1︰5)与不同高度表观电导率
之间的多元线性回归解译模型。
0~10 cm: EC1︰5=0.599+0.017H1
(Sig.=0.005, F= 14.628, r=0.800) (2)
10~20 cm: EC1︰5=0.517+0.355H11
(Sig.=0.011, F= 10.930, r=0.760) (3)
20~40 cm: EC1︰5=0.084+0.023V3
(Sig.=0.006, F= 13.945, r=0.797) (4)
40~60 cm: EC1︰5=0.944+0.021V1
(Sig.=0.008, F=12.256, r=0.778) (5)
第 2期 李晓明等: 基于电磁感应的不同膜灌模式下棉田土壤盐分分布研究 237


60~80 cm: EC1︰5=0.175+0.009V1
(Sig.=0.001, F=24.300, r=0.867) (6)
80~100 cm: EC1︰5=0.036+0.006V1
(Sig.=0.003, F=18.260, r=0.834) (7)
100~120 cm: EC1︰5=0.187+0.068H11
(Sig.=0.001, F=30.429, r=0.890) (8)
120~150 cm: EC1︰5=0.194+0.035V11
(Sig.=0.000, F=47.005, r=0.924) (9)
式中 , EC1︰ 5 为 1︰ 5 土水比浸提液电导率
(dS·m1), H1 为地表水平模式下大地表观电导率,
H11为离地 150 cm 高度处水平模式下大地表观电导
率, V1为地表垂直模式下大地表观电导率, V3为离地
20 cm 高度处垂直模式下大地表观电导率, V11为离
地 150 cm高度处垂直模式下大地表观电导率。
2.2 不同膜灌模式垂直方向盐分分布特征
2.2.1 114膜灌模式垂直方向盐分分布特征
由图 2可知, 114膜灌模式下, 膜上宽行及膜间
土壤盐分随着深度增加先增大后减小, 60~80 cm深
度处盐分略增, 80 cm以下盐分含量趋于稳定, 盐分
最大值出现在 10~20 cm土层; 膜上窄行在 0~20 cm
土层土壤盐分含量差异不明显, 20~60 cm土层土壤
盐分含量随深度增加而减小, 60~80 cm深度处盐分
略增, 80 cm以下土层盐分含量趋于稳定, 盐分最大
值出现在 0~10 cm土层。
膜上宽行, 即滴头位置下方, 滴灌的下行滴水
先使滴头下土壤水分接近饱和状态, 然后缓缓向四
周扩散, 形成一个半圆锥形的浸润体(即湿润峰), 土
壤中的盐分亦随水移动而被淋洗到浸润体外缘, 起
到“驱盐”的作用[15], 导致 0～10 cm土层含盐量低,
成为盐分淡化区 [6], 浸润体外缘的盐分随滴水扩散
而慢慢积累在外缘土壤中, 故在 10～20 cm 土层处
盐分增多。20 cm深度以下土层土壤盐分含量减少,
可以推出 10~20 cm土层为土壤盐分聚集区; 滴头滴
水的湿润峰深度约为 20 cm, 20~60 cm土层土壤盐分
变化主要靠邻近土体的水盐运移, 根据剖面分析可
知, 60 cm处为犁底层, 土质坚实, 渗透性差, 60 cm
深度以下土层受上层滴灌影响很小, 土壤的水盐运
移处于一个相对稳定平衡状态, 土壤盐分含量变化
不大。
膜上窄行, 土壤盐分呈表聚状态, 在 0~10 cm
和 10~20 cm两个土层土壤盐分含量差别不大, 60 cm
深度以下土壤盐分含量变化很小。该位置相对宽行
位置水分淋洗作用较小, 棉花的蒸腾吸水作用则较
强。水分在重力、水势、毛管吸力等作用下, 做垂
直和水平运动 [5], 窄行间会受到来自滴头滴水渗透
的影响, 停水后, 由于水势逆差以及强烈蒸发和植

图 2 不同膜灌模式棉田不同位置各层土壤盐分含量
Fig. 2 Soil salt contents at different depthes and locations with
different film-mulched irrigation techniques in cotton field

物蒸腾的影响 [16], 盐随水动 , 盐分逐渐表聚 , 土壤
中盐分被灌溉水分淋洗的同时, 还随水分蒸发及棉
花蒸腾向上运移, 从而导致 0~10 cm 和 10~20 cm两
个土层土壤盐分含量相差不大。可以推断 0~20 cm
土层灌溉淋洗、蒸散作用以及地膜对水汽阻隔等作
用处于相对平衡的状态。
膜间 , 即背行裸地 , 一般而言无地膜覆盖 , 蒸
发更强烈, 会呈现表聚现象, 分析结果显示土壤盐
分在 10~20 cm土层明显高于 0~10 cm土层, 说明滴
灌水量比较充足, 湿润峰已越过地膜到达膜间裸地,
膜间表层受淋洗作用土壤盐分降低, 同时由于强蒸
发作用, 10~20 cm土层盐分最高。
2.2.2 124膜灌模式垂直方向盐分分布特征
124 膜灌模式下(图 2), 膜上宽行、窄行以及膜
间土壤盐分随深度增加变化趋势相同, 即先增大后
减小, 在 10~20 cm土层盐分含量最大, 80 cm以下盐
分含量趋于稳定。其中膜上宽行和窄行位置在 0~10
cm 和 10~20 cm 土层盐分变化相对膜间裸地小, 这
是因为膜下位置地膜覆盖, 抑制蒸发, 深层土壤盐
238 中国生态农业学报 2011 第 19卷


分表聚较轻。根据盐分分布可以推断其水分渗透如
图 3。
2.2.3 漫灌模式垂直方向盐分分布特征
漫灌方式下(图 2), 膜上宽行、窄行以及膜间土
壤盐分随深度增加仍有相同变化趋势, 即先增大后
减小, 在 100~120 cm 土层土壤盐分含量略有回升,
总体来说 80 cm以下土层土壤盐分含量差异不大。
与滴灌方式相比, 漫灌方式用水量大, 对表土的淋
洗作用更明显, 故 0~10 cm和 10~20 cm土层土壤盐
分变化明显, 盐分最大值出现在 10~20 cm土层。相
对而言, 膜间在 0~10 cm和 10~20 cm土层土壤盐分
差异更大, 膜上两位置变化趋势相近, 这是由于膜
间蒸发更强烈, 受淋洗和蒸发表聚的双重作用。
综合比较 3 种膜灌方式, 漫灌方式下土壤盐分
含量在土壤表层随深度增加变异最剧烈, 而滴灌模
式下相对较轻; 比较不同测定位置发现, 膜间位置
比膜上位置土壤盐分含量在土壤表层随深度增加变
异更剧烈。覆膜抑制蒸发以及滴灌和漫灌不同灌溉
方式和灌溉水量是影响其垂直分布的主要因素。
2.3 不同膜灌模式水平方向盐分分布特征
2.3.1 114膜灌模式水平方向盐分分布特征
114膜灌模式下(表 1), 在 0~10 cm土层, 土壤盐
分含量膜上窄行高于膜上宽行及膜间 , 其原因是
0~10 cm 3个位置均受淋洗作用, 但由于膜上宽行最
接近滴头, 淋洗作用最大, 同时由于处于棉花苗期,
植株蒸腾作用明显 [7], 蒸腾作用促进水分上移 , 造
成盐分的表聚, 窄行间受蒸腾作用的影响大于宽行
和膜间位置。另外, 棉花苗孔处的水热运动远高于
膜间裸地, 会造成苗孔处盐分累积高于裸地[7,17]。研
究表明研究区域植物蒸腾等对盐分表聚的贡献率高
于淋洗作用; 10~100 cm土层膜上宽行、膜上窄行和
膜间 3 个位置盐分含量差别不大, 尤其 80 cm 深度
以下土层盐分在水平方向差异很小, 说明滴灌对盐
分在水平方向分布影响主要集中在表层, 垂直分布
研究显示湿润峰在 10~20 cm土层, 故在深层土壤盐
分水平差异不明显。
2.3.2 124膜灌模式水平方向盐分分布特征
124 膜灌模式下(表 1), 在 0~10 cm 土层, 膜上
宽行土壤盐分含量最高 , 窄行次之 , 膜间最低 ;
10~20 cm土层膜间土壤盐分含量最高, 膜上宽行次
之, 窄行最低; 20 cm以下土层膜间土壤盐分含量最
高, 膜上宽行和窄行盐分含量相对较小, 且差异不
大。膜上窄行为滴头位置下方, 与 114 模式相比灌
溉量大, 淋洗作用更强烈, 故窄行位置盐分含量总
体表现为低于宽行和膜间位置。0~10 cm 土层由于
植株的强烈蒸腾作用 , 宽行盐分含量高于膜间 ;
10~20 cm土层膜间盐分含量高于宽行, 其主要原因
是膜间强烈蒸发作用。


图 3 不同膜灌模式水分渗透示意图
Fig. 3 Sketch map of water osmosis of soil with different film-mulched irrigation techniques

表 1 6月初不同膜灌方式下棉田各层土壤盐分状况
Tab. 1 Soil salt contents in cotton field with different film-mulched irrigation techniques in early June dS·m1
电导率 Electrical conductivity
114膜灌模式
One-mulch/one-pipe/four-row irrigation mode
124膜灌模式
One-mulch/two-pipe/four-row irrigation mode
漫灌模式
Flooding irrigation mode
深度
Depth (cm)
W N I W N I W N I
0 ~10 1.75 1.91 1.60 2.51 2.40 2.24 2.33 2.38 2.07
10~20 1.95 1.88 2.01 2.64 2.56 3.03 3.47 3.40 3.59
20~40 1.28 1.26 1.37 1.98 1.99 2.18 1.88 1.87 1.97
40~60 0.30 0.23 0.48 1.06 1.17 1.42 0.95 0.94 1.14
60~80 0.36 0.33 0.44 0.68 0.73 0.84 0.64 0.63 0.72
80~100 0.32 0.30 0.37 0.54 0.57 0.64 0.51 0.50 0.56
100~120 0.28 0.27 0.30 0.42 0.40 0.49 0.58 0.56 0.60
120~150 0.25 0.25 0.27 0.41 0.40 0.42 0.46 0.46 0.48
第 2期 李晓明等: 基于电磁感应的不同膜灌模式下棉田土壤盐分分布研究 239


2.3.3 漫灌模式水平方向盐分分布特征
漫灌模式下(表 1), 在 0~10 cm土层, 膜间盐分
含量最低, 主要是由于漫灌对膜间淋洗作用更强烈;
10 cm 以下土层膜间土壤盐分含量高于膜上, 膜上
宽行和窄行盐分含量差异不大, 膜间无膜覆盖, 蒸
发作用更强烈是主要原因。
总之, 由前文垂直方向分布研究可知, 灌溉湿
润峰在 10~20 cm土层深度, 20 cm深度以下土层盐
分水平分布受灌溉影响很小, 研究水平方向盐分分
布主要研究 0~20 cm土层。比较 3种膜灌方式, 0~10
cm 土层膜上位置土壤盐分含量均高于膜间土壤盐
分含量, 10~20 cm土层膜间土壤盐分含量高于膜上
土壤盐分含量, 膜上宽行盐分含量高于窄行。盐分
淋洗、水分蒸发以及植株的蒸腾作用是影响盐分水
平分布的主要因素。
本研究于 7月下旬对原点位进行二次调查测量,
测定了地表大地表观电导率(表 2): 114 模式下膜上
窄行土壤盐分含量高于膜上宽行, 124模式下膜上宽
行土壤盐分含量高于膜上窄行, 漫灌模式下膜上宽
行和窄行土壤盐分接近, 与 6 月份研究的规律相一
致。但滴灌模式下, 7月份研究发现膜间盐分含量明
显高于膜上盐分含量, 这与 6 月份膜间盐分相对较
低特征不一致, 充分体现了无膜覆盖条件下强烈蒸
发导致的盐分表聚现象。7 月份膜间盐分在淋洗、
渗透等水平和垂直相互作用下, 蒸发表聚对水盐运
移起了主要作用。贡献率大的因素对盐分分布产生
决定性作用, 如 7 月份膜间盐分表聚就反映了强烈
的蒸发作用, 而 6 月份膜间土壤盐分相对较低则反
映了灌溉淋洗的作用相对较强。

表 2 7月中旬不同膜灌方式下表层土壤盐分
Tab. 2 Surface soil salt contents in cotton field with
different film-mulched irrigation techniques in the
middle ten-day of July dS·m1
位置 Location W N I
114膜灌模式
One-mulch/one-pipe/
four-row irrigation mode
1.68 1.87 2.16
124膜灌模式
One-mulch/two-pipe/
four-row irrigation mode
2.57 2.00 2.63
漫灌模式
Flooding irrigation mode
2.62 2.65 2.61

3 结论
6 月份不同膜灌模式下棉田土壤盐分分布特征
研究表明, 水平方向上, 0~10 cm土层, 114膜灌模式
下膜上窄行盐分含量高于宽行, 124膜灌模式下膜上
窄行盐分含量低于宽行, 漫灌模式下膜上宽行和窄
行盐分含量差异不大, 这一规律与 7 月份研究相一
致。垂直方向上, 3种模式下盐分均呈现一定的表聚
趋势, 盐分最大值出现在 10~20 cm土层, 灌溉湿润
所达到的深度在 10~20 cm土层, 80 cm以下土层土
壤盐分含量趋于稳定。
土壤盐分分布受多种因素的综合作用, 如不同
滴灌方式、灌溉淋洗、日照蒸发、植物蒸腾等都对
盐分的运移与分布有重要影响。基于电磁感应对土
壤盐分剖面分布进行解译 , 无需采样或插入电极 ,
方便快捷, 省时省力, 可以实现对土壤盐分的快速
监测, 具有良好的精度。本研究基于多元线性回归
解译土壤剖面盐分, 只能用于特定地块或土壤性质
相近地块, 而对其他性质差异较大地块需重新建立
解译模型 [11], 为进一步提高解译精度和普适性, 需
进一步开展非线性解译模型的研究工作。
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