交替滴灌對(duì)土壤水鹽分布規(guī)律影響研究

郭力瓊，畢遠(yuǎn)杰，馬娟娟，郭向紅，孫西歡,3，魏 磊

(1.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024；2.山西省水利水電科學(xué)研究院，太原 030002； 3.山西水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 運(yùn)城 044004)

采用微咸水灌溉時(shí)，供水方式一般有2種形式：一種是將地下賦存的微咸水與淡水資源按本次灌水周期要求的灌溉水礦化度按一定比例混合后，引入田間進(jìn)行灌溉的方式，稱(chēng)為咸淡水混灌；另外一種是按本次灌水周期要求的灌溉水礦化度及水量計(jì)算出所需微咸水及淡水的量后，分別將2種水引入田間進(jìn)行灌溉的方式，稱(chēng)為咸淡水交替灌溉。采用同一種礦化度的微咸水進(jìn)行灌溉，供水方式不同，灌溉水分及鹽分在土壤中的分布不同，對(duì)作物生長(zhǎng)及產(chǎn)量的影響亦不同[1]。

利用微咸水進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉，其成功的關(guān)鍵在于是否能夠控制土壤中的鹽分累積達(dá)到限制作物生長(zhǎng)的水平，以盡量減輕鹽分對(duì)作物的危害程度。大量研究結(jié)果表明采用滴灌的方式進(jìn)行微咸水灌溉比傳統(tǒng)的地面灌溉在減少水資源消耗的同時(shí)可獲得更高的產(chǎn)量。一方面滴灌能夠適時(shí)適量地進(jìn)行灌溉，在作物根區(qū)創(chuàng)造出適宜的水、肥、氣、熱條件；另一方面由于淋洗作用，鹽分向濕潤(rùn)鋒附近積累，因而滴頭下土壤含鹽量比較小，有利于作物生長(zhǎng)。但長(zhǎng)期的微咸水滴灌很可能造成鹽分的表聚，這些鹽分會(huì)隨著灌溉水或降水向下移動(dòng)到作物根區(qū)，從而抑制作物對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收，影響作物的生長(zhǎng)和產(chǎn)量[2]。

交替滴灌是在同一灌水周期內(nèi)，交替使用咸水和淡水進(jìn)行灌溉的一種滴灌灌水方法。與傳統(tǒng)的微咸水滴灌相比，交替滴灌通過(guò)調(diào)節(jié)咸淡水交替次序可以有效調(diào)節(jié)水鹽在土壤中的分布特征，因此根據(jù)土壤質(zhì)地、作物品種、生育階段、作物根系分布等選擇適宜的灌溉水礦化度、咸淡水交替次序及交替滴灌參數(shù)，在淡水資源有限的情況下，一方面可以提高微咸水資源的利用率并最大程度地減小微咸水對(duì)作物的不利影響，另一方面可以有效緩解土壤鹽漬化危機(jī)，進(jìn)而提高土地資源的利用率。

本文通過(guò)室內(nèi)物理試驗(yàn)?zāi)M一定灌水量、一定滴頭流量條件下，不同的咸淡水交替模式對(duì)土壤水鹽分布規(guī)律的影響，探求咸淡水交替灌溉的合理順序，為科學(xué)利用微咸水資源提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

為了研究咸淡水不同交替模式對(duì)土壤水鹽分布特性的影響，在室內(nèi)進(jìn)行了二維滴灌入滲試驗(yàn)。圖1顯示了該試驗(yàn)系統(tǒng)裝置，包括試驗(yàn)土箱和供水系統(tǒng)。試驗(yàn)時(shí)利用馬氏瓶供水以維持恒定水頭，用注射器針頭模擬滴頭，為了繪制濕潤(rùn)鋒的推進(jìn)過(guò)程，在土箱兩側(cè)貼上透明紙以便記錄。

1-灌水口；2-馬氏瓶；3-進(jìn)氣口；4-輸液管；5-土箱圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

1.2 試驗(yàn)土壤與水質(zhì)

試驗(yàn)土壤取自山西省水利水電科學(xué)研究院節(jié)水高效示范基地0～110 cm土層，土壤質(zhì)地為黏壤土。土壤經(jīng)風(fēng)干、碾壓、混合、過(guò)篩(篩孔徑為2 mm)后備用。土壤初始含水率為3%，初始電導(dǎo)率為1.75 mS/cm。

試驗(yàn)用水取自該基地地下水，其中淡水為深層地下水，礦化度為1.75 g/L，電導(dǎo)率為2.96 mS/cm；咸水為淺層地下水，礦化度為5.02 g/L，電導(dǎo)率為7.27 mS/cm，試驗(yàn)所需水質(zhì)由淡水與咸水按不同比例配置。

1.3 試驗(yàn)方法

將風(fēng)干的供試土樣按1.35 g/cm3的密度(每層5 cm)均勻地裝入試驗(yàn)土箱，調(diào)節(jié)馬氏瓶進(jìn)氣口及注射器針頭，進(jìn)行試驗(yàn)。在試驗(yàn)過(guò)程中按照先密后疏的時(shí)間間隔觀測(cè)記錄濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離。試驗(yàn)結(jié)束后沿水平方向和垂直方向分別取土，取土位置見(jiàn)圖2。將取得土樣裝入鋁盒，測(cè)鮮重，采用烘干法測(cè)土樣含水率；用DDS-308電導(dǎo)率儀測(cè)定水土比為5∶1的土樣浸提液電導(dǎo)率。

圖2 測(cè)點(diǎn)示意圖

1.4 試驗(yàn)方案

以咸淡、淡咸、咸淡咸、淡咸淡4種交替模式進(jìn)行點(diǎn)源入滲試驗(yàn)，并設(shè)咸淡水混合滴灌(混灌)為對(duì)照組。試驗(yàn)咸水礦化度為5.02 g/L，淡水礦化度為1.75 g/L，混灌水樣礦化度為3.93 g/L，滴頭流量為7 mL/min，灌水總量為1 260 mL。每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)。

2 結(jié)果和分析

2.1 交替模式對(duì)濕潤(rùn)體的影響

濕潤(rùn)鋒能夠直觀反映出水分在土壤中的運(yùn)移狀況，將各處理實(shí)測(cè)的濕潤(rùn)鋒隨時(shí)間的變化過(guò)程繪于圖3。由圖3可知，在滴頭流量、灌水總量相同的情況下，濕潤(rùn)體均呈1/4球體狀，隨著灌水時(shí)間增加，咸淡水不同交替模式下的濕潤(rùn)體均越來(lái)越大，但濕潤(rùn)鋒的推進(jìn)速率不同?？傮w上，推進(jìn)速率隨時(shí)間增大逐漸減小，水平推進(jìn)距離大于垂直推進(jìn)距離。

在灌水初期，咸淡水不同交替模式對(duì)濕潤(rùn)鋒的推進(jìn)速率有明顯影響，如圖4所示。灌水0～30 min，水平方向上淡咸、淡咸淡交替方式的推進(jìn)距離大于咸淡、咸淡咸，說(shuō)明先滴淡水比先滴咸水在水平方向上推進(jìn)速率快。而垂直方向上咸淡、咸淡咸的交替方式入滲速率比淡咸、淡咸淡的交替方式更快。這主要是因?yàn)榈苁雇寥鲤ちU(kuò)散，降低土壤的入滲性能，從而加快水分在水平方向的運(yùn)動(dòng)，而咸水由于含有較高的鹽分濃度，增加了土壤的有效孔隙，改善了土壤的導(dǎo)水性能，因此增加土壤的垂直入滲，減小水平入滲[3,4]。

圖4 濕潤(rùn)鋒隨時(shí)間的變化過(guò)程

表1對(duì)比了咸淡與淡咸模式在各時(shí)間點(diǎn)水平濕潤(rùn)距離和垂直濕潤(rùn)距離的比值(d/Z)。由表1可知，隨著灌水時(shí)間的增加，比值(d/Z)呈減小趨勢(shì)。在試驗(yàn)前60 min，灌淡水(處理2)的水平濕潤(rùn)距離和垂直濕潤(rùn)距離的比值較灌咸水(處理1)明顯增加，30 min時(shí)兩處理的比值分別為1.94、2.89；60 min時(shí)為1.82、2.85。60 min后處理1開(kāi)始灌淡水，120 min后處理2開(kāi)始灌咸水，從90、120、180 min的比值可以看出，雖然呈減小趨勢(shì)但是淡咸的值較咸淡的大，這說(shuō)明第1單項(xiàng)滴灌水的水質(zhì)對(duì)土壤大孔隙的形成起決定性的作用，比值之差在逐漸減小，說(shuō)明后續(xù)灌水對(duì)土壤入滲性能的影響受該種水質(zhì)的灌水時(shí)間影響較大。

表1 不同處理濕潤(rùn)體的寬深比

2.2 交替模式對(duì)土壤含水率的影響

將各處理測(cè)得的土壤含水率值繪制二維等值線圖，見(jiàn)圖5。由圖5可知，咸淡水不同交替模式下土壤含水率的分布大致呈相似狀態(tài)，在靠近滴頭處，含水率較大，距離滴頭越遠(yuǎn)含水率越小，在濕潤(rùn)鋒邊緣突降為土壤初始含水率。

圖6為不同交替模式下水平方向上含水率的變化。由圖6(a)知，在表層同一位置處最后灌淡水的含水率值略大于最后灌咸水的含水率值，這是因?yàn)楸韺邮茏詈笠豁?xiàng)灌溉水水質(zhì)影響較大，由于咸水中的鹽分離子與土壤膠體及土壤中原有的離子發(fā)生了交換，使原來(lái)吸附在土壤膠體上的鈉離子被鈣鎂離子置換，改變了土壤原有團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，使得土壤中大孔隙數(shù)量增加，水分垂直入滲快，而淡水卻使土壤黏粒擴(kuò)散，降低土壤的入滲性能，因此最后灌淡水有利于水分在土壤表層保持。

圖5 含水率等值線圖

進(jìn)一步分析各處理，咸淡水不同交替模式對(duì)含水率的影響主要體現(xiàn)在距離滴頭2 cm深度層、4 cm深度層，如圖6(b)、圖6(c)所示。同一位置處先灌咸水比先灌淡水的含水率值偏大，土壤含水率基本呈以下規(guī)律變化：咸淡咸>咸淡>混灌>淡咸>淡咸淡。如前所述，第1單項(xiàng)灌水水質(zhì)對(duì)土壤大孔隙的形成起決定性的作用，因此先灌咸水使土壤入滲性能增強(qiáng)，而后續(xù)灌水隨時(shí)間增加才能有效改變土壤結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響入滲性能。

圖6 水平方向含水率變化

對(duì)比處理1(咸淡)和處理2(淡咸)，由于灌水順序不同，處理2第2單項(xiàng)灌120 min咸水，因此土壤結(jié)構(gòu)可能被改變，垂直入滲能力增強(qiáng)，相對(duì)于處理1(第2單項(xiàng)灌60 min淡水)水分不能在濕潤(rùn)體上層大部分保留，故相同位置處含水率值：咸淡>淡咸。對(duì)比處理1(咸淡)和處理3(咸淡咸)，同理在120～180 min灌咸水較灌淡水使得水分垂直運(yùn)動(dòng)加快，因此含水率值呈規(guī)律：咸淡咸>咸淡。對(duì)比處理4(淡咸淡)和處理2(淡咸)，處理4(淡咸淡)由于最后一項(xiàng)淡水灌溉歷時(shí)30 min，灌水量較少，可能并未有效改變土壤結(jié)構(gòu)。而混灌入滲能力較咸水弱淡水強(qiáng)，其含水率值：咸淡>混灌>淡咸。

在垂直方向上，不同交替模式下含水率均隨深度的增大而減小，在濕潤(rùn)鋒邊緣突降為初始含水率，圖7(a)、(b)、(c)分別為含水率在滴頭下剖面處、距滴頭4、8 cm剖面處的分布。由圖7可以看出在2～6 cm深度處不同交替模式對(duì)含水率的分布有明顯影響：咸淡及咸淡咸的交替模式比淡咸及淡咸淡的交替模式在相同位置處的含水率大，混灌介于二者之間。這也證明先灌咸水增加了水力傳導(dǎo)度，入滲速率增加，表層含水率減小較快，后灌淡水又使土壤黏粒擴(kuò)散，降低了土壤的入滲性能，水分容易在土壤表層保持[5]。

圖7 垂直方向含水率變化

2.3 交替模式對(duì)電導(dǎo)率的影響

電導(dǎo)率能夠直觀反映土壤鹽分含量的高低，圖8為各處理下電導(dǎo)率值的二維等值線圖。從總體上看，電導(dǎo)率值在濕潤(rùn)鋒邊緣處較大，但不同的交替模式對(duì)鹽分分布影響不同。

圖9表示電導(dǎo)率在水平方向上的變化規(guī)律。在表層同一位置處理2(淡咸)、處理3(咸淡咸)的電導(dǎo)率值較大，處理1(咸淡)、處理4(淡咸淡)的電導(dǎo)率值較小，見(jiàn)圖9(a)。這是因?yàn)樽詈笠豁?xiàng)灌咸水，咸水帶入土壤中的鹽分離子在土壤表層積聚，而最后灌淡水有一定的淋洗作用，鹽分會(huì)隨灌溉水下滲[5,7]。但由于淡水灌溉歷時(shí)較短，導(dǎo)致淋洗的鹽分沒(méi)有完全到達(dá)濕潤(rùn)鋒邊緣，而是分布在表層下方，因此在距滴頭2 cm深度層同一位置處淡咸淡(處理4)、咸淡(處理1)交替模式下電導(dǎo)率值較其他2種交替模式大，見(jiàn)圖9(b)。

圖10表示電導(dǎo)率在垂直方向上的變化規(guī)律。由圖10可知，表層附近最后灌淡水比灌咸水電導(dǎo)率值明顯較小，說(shuō)明最后灌咸水極有可能形成鹽分的表聚。處理4(淡咸淡)在2～3 cm深度處電導(dǎo)率值有一個(gè)拐點(diǎn)，這可能是因?yàn)榈?項(xiàng)灌淡水，土壤中的鹽分隨水分向下遷移，并在濕潤(rùn)鋒附近積累，這樣土壤將出現(xiàn)上層脫鹽下層積鹽的現(xiàn)象；第2項(xiàng)灌咸水，鹽分積累在表層，最后灌淡水又是一個(gè)淋洗的過(guò)程，使得表聚的鹽分下移。處理1(咸淡)相較于處理4(淡咸淡)淡水連續(xù)灌溉60 min，淋洗起到很大的作用，鹽分向下遷移，在6～7 cm深度處存在一不明顯的拐點(diǎn)，整體上土壤中鹽分含量隨深度增加均勻增大。處理2(淡咸)在表層與濕潤(rùn)鋒邊緣鹽分集聚較多，處理3(咸淡咸)3項(xiàng)各灌水60 min，最終與處理2(淡咸)呈相似規(guī)律。

圖8 電導(dǎo)率等值線圖

圖9 水平方向電導(dǎo)率變化

圖10 垂直方向電導(dǎo)率變化

與混灌相比，處理2(淡咸)與處理3(咸淡咸)在2～6 cm深度層更能形成有效的脫鹽區(qū)，說(shuō)明合理的咸淡水交替滴灌模式有利于土壤鹽分淋洗。一些灌溉實(shí)踐也證明不能連續(xù)使用微咸水灌溉，最好采用交替灌溉的方式，以減少鹽分對(duì)作物根系的危害[8]。

3 結(jié)論與討論

通過(guò)對(duì)微咸水二維入滲的試驗(yàn)結(jié)果分析，研究了4種交替模式及混灌條件下的濕潤(rùn)鋒、含水率、電導(dǎo)率的變化規(guī)律。

(1)點(diǎn)源滴灌條件下，咸淡水不同交替模式濕潤(rùn)體的形狀大小基本一致，推進(jìn)速率隨時(shí)間增大逐漸減小，水平推進(jìn)距離大于垂直推進(jìn)距離。對(duì)濕潤(rùn)鋒推進(jìn)的影響主要體現(xiàn)在灌水初期0～30 min，淡水水平推進(jìn)速率快，咸水垂直入滲速率快。黏壤土入滲能力較差，因而采用一定的咸水滴灌能夠增加土壤的垂直入滲。

(2)咸淡水不同交替模式對(duì)土壤含水率的影響主要分布在2～6 cm層。咸淡咸的交替模式在該層含水率最大，咸淡模式次之，說(shuō)明第1單項(xiàng)滴灌水的水質(zhì)對(duì)大孔隙的形成起決定性的作用，后續(xù)灌水對(duì)土壤水分分布的影響受灌水時(shí)間影響較大。

(3)不同交替模式在土壤中均產(chǎn)生一定范圍的脫鹽區(qū)，主要在2～6 cm深度。咸淡咸、淡咸的交替模式在2～6 cm層含鹽率較小，淡咸淡的交替模式在2～6 cm層含鹽率值出現(xiàn)了一個(gè)突變，最后灌淡水能夠有效淋洗咸水聚集在表層的鹽分。

分析結(jié)果表明，咸淡水交替滴灌能夠有效調(diào)整土壤中水鹽的分布，結(jié)合實(shí)際應(yīng)當(dāng)考慮作物耐鹽程度及不同生育期的需水量采用不同的咸淡水交替滴灌模式。

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