地下滴灌土壤濕潤(rùn)體內(nèi)水鹽空間分布規(guī)律

朱珠，王世昌，文豪，李男 ，張旭賢*

（1塔里木大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300）

（2新疆維吾爾自治區(qū)教育廳普通高等學(xué)?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 阿拉爾 843300）

新疆南疆地區(qū)屬溫帶極端大陸性氣候，夏季炎熱干燥，冬季漫長(zhǎng)嚴(yán)寒，降水量少，日照豐富。應(yīng)對(duì)南疆水資源短缺與土壤鹽漬化制約農(nóng)業(yè)可持續(xù)化發(fā)展的問(wèn)題，發(fā)展節(jié)水灌溉技術(shù)能夠有效節(jié)水控鹽。地下滴灌技術(shù)以其精準(zhǔn)灌溉和施肥、減少地表蒸發(fā)、減少農(nóng)藥施用、促進(jìn)根系深扎等優(yōu)勢(shì)逐漸發(fā)展起來(lái)［1?2］。滴灌帶埋深小于20 cm為淺埋式地下滴灌，相較于傳統(tǒng)地下滴灌，其具有布設(shè)成本低、埋深淺、滴灌帶鋪設(shè)后易于維修和回收等優(yōu)點(diǎn)［3］。土壤水鹽是影響作物生長(zhǎng)的主要因素，而室內(nèi)土柱模擬試驗(yàn)將土壤水分運(yùn)動(dòng)可視化成為可能。MOHAMMED A K［4］通過(guò)室內(nèi)土柱試驗(yàn)研究了在地下滴灌不同滴水方式條件下的分層土壤濕潤(rùn)峰形態(tài)。王榮蓮等［5］針對(duì)地下滴灌玉米出苗問(wèn)題，采用內(nèi)蒙古3種典型土壤，用土箱開(kāi)展毛管鋪設(shè)參數(shù)及灌水定額對(duì)地下滴灌濕潤(rùn)半徑的影響規(guī)律試驗(yàn)。王炳堯等［6］開(kāi)展室內(nèi)土柱試驗(yàn)，研究了2種不同土質(zhì)，濕潤(rùn)鋒運(yùn)移距離與灌水時(shí)間和滴頭流速間的量化關(guān)系。劉子尚等［7］針對(duì)埋深和流量?jī)梢蛩?，通過(guò)室內(nèi)淺埋式滴灌入滲試驗(yàn)，設(shè)置三個(gè)滴頭埋深與不同滴頭流量處理，得出淺埋滴灌入滲條件下土壤濕潤(rùn)鋒發(fā)展規(guī)律。陳小三［8］研究了不同土壤容重、不同滴頭流量、不同土壤初始含水率三因素對(duì)濕潤(rùn)峰運(yùn)移規(guī)律的影響，得出滴灌結(jié)束時(shí)和滴灌結(jié)束24 h后土壤含水率變化規(guī)律。近年來(lái)，科研工作者通過(guò)大量研究，針對(duì)地下滴灌對(duì)土壤濕潤(rùn)峰及土壤水分影響規(guī)律，取得諸多研究成果。然而，對(duì)于淺埋式地下滴灌在土壤濕潤(rùn)體內(nèi)部土壤水分和鹽分的分布規(guī)律探究較少。本試驗(yàn)以地下滴灌不同埋深為研究因素，探討滴頭在不同埋深條件下，濕潤(rùn)體內(nèi)部土壤水分和鹽分分布規(guī)律，以期為南疆淺埋式地下滴灌技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

試驗(yàn)區(qū)位于塔里木大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院節(jié)水灌溉試驗(yàn)基地溫室內(nèi)。采用室內(nèi)土柱模擬試驗(yàn)，土柱長(zhǎng)50 cm、寬50 cm、高50 cm，由5 mm厚亞克力板制成。供試土壤取自節(jié)水灌溉試驗(yàn)基地表層0～20 cm原狀土，土壤類(lèi)型為砂壤土，pH為7.34，電導(dǎo)率為1 605μS/cm，容重為1.38 g/cm3。用于地下滴灌裝置為滴箭，由中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所研發(fā)［9］。試驗(yàn)裝置由馬氏瓶、土柱、滴箭組成。為研究地下滴灌不同埋深對(duì)濕潤(rùn)體內(nèi)土壤水鹽空間分布規(guī)律，將原狀土風(fēng)干，過(guò)1 mm土篩，以5 cm分層，按容重1.38 g/cm3分層裝填土柱，層間打毛，土柱裝好后自然沉降24 h。設(shè)置三個(gè)試驗(yàn)處理，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，土壤初始條件相同、容重相同、滴頭流量相同，滴頭空氣中流量為0.7 L/h，滴頭埋深不同，T1處理埋深0 cm（滴頭位于地表）、T2處理埋深10 cm、T3處理埋深15 cm。為達(dá)到較一致的土壤濕潤(rùn)深度，T1處理滴灌510 min，T2、T3處理滴灌300 min。馬氏瓶恒定供水，一維垂直定水頭法測(cè)定土壤水平和垂直入滲過(guò)程。灌水結(jié)束后土鉆取土，試驗(yàn)裝置示意圖與取樣點(diǎn)示意圖如圖1，沿取樣點(diǎn)向下每5 cm土壤深度取土，直至干土位置，得出濕潤(rùn)峰邊界空間坐標(biāo)?？臻g取樣兩個(gè)斷面，命名為D1（土柱邊界斷面）與D2（濕潤(rùn)體1/2斷面）。烘干法測(cè)定土樣質(zhì)量含水量，DDSJ?308A電導(dǎo)率儀測(cè)定土樣電導(dǎo)率值。Origin 2020數(shù)據(jù)分析與作圖，SPSS 20.0單因素方差分析。

圖1 試驗(yàn)裝置與取樣點(diǎn)示意圖

2 結(jié)果與分析

2.1 不同滴頭埋深對(duì)土壤水分空間分布的影響

土壤濕潤(rùn)體水分含量是影響作物根系的重要因素。圖2依據(jù)測(cè)定的濕潤(rùn)峰處坐標(biāo)，繪制土壤質(zhì)量含水量在濕潤(rùn)峰剖面二維空間分布圖，剖面土壤水分分布與土壤濕潤(rùn)峰運(yùn)動(dòng)形狀較一致。隨滴頭淺埋深度增加，土壤水分向下運(yùn)移深度越深。滴頭位于地表時(shí)，入滲510 min后，水分垂直入滲至36 cm深度；滴頭埋深15 cm，入滲300 min后，水分垂直入滲至36 cm深度；而滴頭埋深10 cm，土壤水分垂直入滲至30 cm。滴頭位于地表，土壤水分水平入滲濕潤(rùn)峰大；滴頭淺埋，土壤水分水平入滲濕潤(rùn)峰小。這是由于滴頭位于地表，開(kāi)始時(shí)水分運(yùn)動(dòng)主要受土壤基質(zhì)勢(shì)驅(qū)動(dòng)水平運(yùn)動(dòng)接近于垂直運(yùn)動(dòng)，水平濕潤(rùn)峰較大；滴頭淺埋，水分開(kāi)始運(yùn)動(dòng)時(shí)主要受土壤基質(zhì)勢(shì)與重力勢(shì)共同作用，水平濕潤(rùn)峰較小［10］。各處理土壤水分空間分布圖，表現(xiàn)出在滴頭附近區(qū)域土壤質(zhì)量含水率較大，接近田間持水率22.69%［11］。單因素方差分析各處理的D1和D2剖面，土壤水分含量不存在顯著性差異。但在單個(gè)剖面內(nèi)比較D1和D2剖面，距離滴頭不同水平距離縱向一維土壤質(zhì)量含水量均存在顯著差異（P＜0.05）。T1處理滴頭下方土壤質(zhì)量含水量均值為13.75%，距離滴頭15 cm一維縱深土壤質(zhì)量含水量均值為11.31%，濕潤(rùn)峰邊界距離滴頭30 cm一維縱深土壤質(zhì)量含水量均值為7.43%。T2處理剖面滴頭下方土壤質(zhì)量含水量均值為18.25%，距離滴頭10 cm一維縱深土壤質(zhì)量含水量均值為16.62%，濕潤(rùn)峰邊界距離滴頭21 cm一維縱深土壤質(zhì)量含水量均值為12.38%。T3處理剖面滴頭下方土壤質(zhì)量含水量均值為17.22%，距離滴頭10 cm一維縱深土壤質(zhì)量含水量均值為16.99%，濕潤(rùn)峰邊界距離滴頭21 cm一維縱深土壤質(zhì)量含水量均值為12.26%。綜上，滴頭位于地表時(shí)，地表水分含量較高，根系層水分含量較低。滴頭淺埋可在作物根系層產(chǎn)生高水分含量區(qū)，利于作物根系吸收利用。

圖2 不同滴頭埋深處理下水分空間分布

2.2 不同滴頭埋深對(duì)土壤水分均值含量影響差異比較

為探討滴頭埋深對(duì)土壤水分含量是否有影響，對(duì)三個(gè)處理濕潤(rùn)體內(nèi)土壤質(zhì)量含水量作單因素方差分析。由表1得出不同埋深處理間存在顯著性差異（P＜0.01），進(jìn)一步做多重比較，滴頭位于地表與兩個(gè)淺埋處理存在顯著性差異，滴頭淺埋濕潤(rùn)體水分高于滴頭位于地表濕潤(rùn)體水分，地下滴灌較地表滴灌在濕潤(rùn)體內(nèi)水分平均增加3.82%至4.46%。但滴頭埋深10 cm與埋深15 cm處理不存在顯著差異。

表1 各處理土壤水分均值多重比較

2.3 不同滴頭埋深對(duì)土壤鹽分空間分布的影響

圖3依據(jù)測(cè)定的濕潤(rùn)峰處坐標(biāo)，繪制土壤電導(dǎo)率在濕潤(rùn)峰剖面二維空間分布圖，剖面土壤鹽分分布與土壤濕潤(rùn)峰運(yùn)動(dòng)形狀較一致。滴頭埋深10 cm與15 cm處理土壤鹽分淡化區(qū)大于滴頭位于地表處理。滴頭埋深15 cm處理濕潤(rùn)體內(nèi)部鹽分淡化區(qū)橫縱方向均最大。由單因素方差分析可知，三個(gè)處理土壤濕潤(rùn)體內(nèi)土壤鹽分平均值不存在顯著差異。但在單個(gè)剖面內(nèi)距離滴頭不同距離一維縱深土壤間存在顯著差異。滴頭位于地表濕潤(rùn)體內(nèi)鹽分含量最大；與滴頭埋深10 cm處理比較，滴頭埋深15 cm處理土壤電導(dǎo)率值減少16.54%。與土壤水分分布規(guī)律相似，在滴頭附近產(chǎn)生鹽分淡化區(qū)，在濕潤(rùn)峰處存在鹽分累積區(qū)。由土壤脫鹽率表征灌水對(duì)土壤鹽分淋洗作用，土壤脫鹽率為土壤初始鹽分與灌水結(jié)束鹽分差值與土壤初始鹽分的比值。T1處理滴頭下方0～30 cm土壤脫鹽率達(dá)54.34%，35～36 cm濕潤(rùn)峰處積鹽率達(dá)125.23%；距離滴頭15 cm一維縱深土壤脫鹽率達(dá)42.77%，35 cm濕潤(rùn)峰處積鹽率達(dá)143.21%；距離滴頭30 cm，0～20 cm一維縱深土壤平均積鹽率達(dá)51.65%。T2處理滴頭下方土壤脫鹽率達(dá)59.86%，距離滴頭10 cm一維縱深土壤脫鹽率達(dá)54.26%，距離滴頭21 cm，0～25 cm一維縱深土壤平均積鹽率達(dá)39.05%。T3處理滴頭下方土壤脫鹽率達(dá)76.32%，距離滴頭10 cm一維縱深土壤脫鹽率達(dá)56.71%，距離滴頭21 cm，0～25 cm一維縱深土壤平均積鹽率達(dá)28.93%。T3處理較T1與T2處理，濕潤(rùn)體內(nèi)脫鹽區(qū)土壤脫鹽率平均增加18.29%與9.45%。

圖3 不同滴頭埋深處理下鹽分空間分布

3 討論

開(kāi)展淺埋式地下滴灌對(duì)南疆綠洲灌溉農(nóng)業(yè)具有重要意義［12］。本研究通過(guò)分析三個(gè)不同滴頭埋深對(duì)濕潤(rùn)體內(nèi)土壤質(zhì)量含水量與土壤電導(dǎo)率值的影響，量化了在土壤濕潤(rùn)體內(nèi)部土壤水分和鹽分的分布以及脫鹽率變化。地下滴灌不同埋深對(duì)土壤水分的影響存在顯著差異，滴頭淺埋滴灌濕潤(rùn)體內(nèi)水分大于滴頭位于地表滴灌。地表滴灌直接將水分滴入地表，以滴頭為中心緩慢入滲，在地表形成飽水區(qū)，增加地表蒸發(fā)損失。而地下滴灌則通過(guò)灌水器內(nèi)供水壓力將水分滴入作物根系層土壤，在土壤中依靠土壤毛管力及重力作用擴(kuò)散到周?chē)寥溃黾痈鶎油寥浪?，顯著降低地表蒸發(fā)損失［13］。土壤鹽分在濕潤(rùn)體內(nèi)部表現(xiàn)出三個(gè)明顯分區(qū)，即鹽分淡化區(qū)、過(guò)渡區(qū)和積鹽區(qū)。滴頭埋深不同對(duì)濕潤(rùn)體內(nèi)鹽分影響不存在顯著差異。但滴頭埋深15 cm，會(huì)獲得更大范圍脫鹽區(qū)，脫鹽率高，在濕潤(rùn)峰處積鹽率較低。與肖娟等［14］研究結(jié)果一致，濕潤(rùn)體內(nèi)土壤質(zhì)量含水率和電導(dǎo)率的分布與濕潤(rùn)峰形狀相關(guān)，近似為一組同心橢球面，隨濕潤(rùn)體半軸增加，土壤含水率逐漸減小，直至濕潤(rùn)峰處；而土壤電導(dǎo)率則逐漸增加。地下滴灌以滴頭為中心在土壤濕潤(rùn)體內(nèi)呈現(xiàn)高水分含量區(qū)及鹽分淡化區(qū)，能夠節(jié)水抑鹽、在作物根區(qū)提供較好的生境［15?17］。在試驗(yàn)影響因素中，本研究?jī)H考慮了滴頭埋深單因素影響，應(yīng)根據(jù)作物根系分布深度不同，調(diào)整滴頭埋設(shè)深度，增加影響土壤水分和鹽分運(yùn)動(dòng)的其他因素，研究在不同滴頭流量、灌水量、土壤初始含水率、土壤容重、土壤分層等多因素影響下［18?19］，地下滴灌土壤濕潤(rùn)體內(nèi)土壤水鹽分布及脫鹽率變化規(guī)律，為地下滴灌應(yīng)用提供更全面參考。

4 結(jié)論

淺埋式地下滴灌在濕潤(rùn)體內(nèi)呈明顯三個(gè)分區(qū)，土壤水分高含量區(qū)、過(guò)渡區(qū)和干濕分隔區(qū)。以滴頭埋深處呈現(xiàn)土壤水分高含量區(qū)。滴頭淺埋與滴頭位于地表處理，土壤濕潤(rùn)體內(nèi)水分差異顯著，而滴頭埋設(shè)深度不同對(duì)土壤水分影響差異不顯著。地下滴灌較地表滴灌在濕潤(rùn)體內(nèi)水分平均增加3.82%至4.46%。滴頭埋深15 cm較滴頭埋深10 cm可縱向擴(kuò)大土壤濕潤(rùn)體，在作物根系層增加土壤水分。

淺埋式地下滴灌在濕潤(rùn)體內(nèi)水鹽分布特征與濕潤(rùn)峰形狀相關(guān)，兩個(gè)取樣剖面土壤鹽分不存在顯著差異，剖面內(nèi)鹽分存在顯著差異。土壤水分隨濕潤(rùn)峰運(yùn)移位置增加而減小，土壤鹽分隨濕潤(rùn)峰運(yùn)移位置增加而增加。地下滴灌較地表滴灌鹽分淋洗效果好，脫鹽率高。滴頭埋深15 cm可橫向和縱向擴(kuò)大鹽分淋洗范圍，土壤濕潤(rùn)體內(nèi)脫鹽區(qū)脫鹽率高于地表滴灌與滴頭埋深10 cm處理，而積鹽區(qū)積鹽率則較低。