基于兩種不同質(zhì)地土壤淺溝排鹽效果分析

虎膽·吐馬爾白，胡鉅鑫，米力夏提·米那多拉，楊未靜

（1.南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210029；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊830052）

滴灌引起的土壤積鹽問(wèn)題早已引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，為了尋找改良鹽堿土壤及預(yù)防土壤的次生鹽漬化問(wèn)題的方法，國(guó)內(nèi)學(xué)者展開(kāi)了各種研究。國(guó)內(nèi)學(xué)者如李顯溦等人研究了新疆膜下滴灌下的暗管排鹽技術(shù)[1-6]，優(yōu)化了暗管排鹽模式效率不高的問(wèn)題；周和平[7-10]等人提出的“土壤鹽分定向遷移”的排鹽理論；Phogat V[11]等人對(duì)滴灌條件下柑橘樹(shù)的水鹽運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，針對(duì)土壤中過(guò)量氮肥的淋洗進(jìn)行模擬研究；Ajdary K[12,13]等人通過(guò)11年的研究對(duì)比了氮素淋洗后的土壤的含氮量與普通沙壤土的氮素含量；Jacques D[14]等人對(duì)包氣帶中水分中有機(jī)物和無(wú)機(jī)物的不同污染進(jìn)行模擬，對(duì)土壤中污染物的變化和遷移進(jìn)行預(yù)測(cè)。本文選擇了兩種干旱地區(qū)常見(jiàn)的土壤類型，通過(guò)田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值模擬。旨在通過(guò)研究不同類型土壤水鹽運(yùn)動(dòng)規(guī)律的差異，根據(jù)土壤不同的物理組成成分資料對(duì)比分析不同類型土壤對(duì)排鹽溝排鹽效果的影響。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

田間試驗(yàn)于2017年在新疆維吾爾自治區(qū)石河子市現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點(diǎn)試驗(yàn)室試驗(yàn)基地暨石河子節(jié)水灌溉試驗(yàn)站中進(jìn)行。試驗(yàn)站位于新疆維吾爾自治區(qū)石河子市西郊大學(xué)農(nóng)試場(chǎng)二連，年均蒸發(fā)量1 660 mm，多年平均降水量為207 mm。

1.2 田間試驗(yàn)

田間試驗(yàn)共為兩個(gè)測(cè)坑（A 和B），排鹽淺溝上口寬度分別設(shè)置為40 cm，底寬均為25 cm，高為30 cm。觀測(cè)點(diǎn)分別為滴灌帶、排鹽溝溝坡及排鹽溝溝底下方10、20、30、40、60、80、100 cm。試驗(yàn)測(cè)坑示意圖見(jiàn)圖1，土壤初始含水量及含鹽率見(jiàn)表1，灌水量見(jiàn)表2。

表1 土壤剖面初始含水量和含鹽量的分布Tab.1 Distribution of initial water content and salt content in soil profile

表2 實(shí)際灌水量Tab.2 Actual irrigation amount

1.3 土壤顆粒分析

試驗(yàn)土壤取自新疆石河子節(jié)水灌溉試驗(yàn)站，并帶到河海大學(xué)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室中采用LS I3 320 型號(hào)的顆粒分析儀進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn)。田間土壤的試驗(yàn)結(jié)果按照卡慶斯分類法所得土壤的顆粒分析如表3所示。

表3 土壤顆粒分析結(jié)果Tab.3 Resultsofsoilparticleanalysis

1.4 數(shù)值模型

根據(jù)田間測(cè)坑尺寸在HYDRUS-2D[15-17]模型中進(jìn)行模型構(gòu)建。測(cè)坑長(zhǎng)寬均為2 m，以排鹽溝中心線為軸，左右呈現(xiàn)對(duì)稱，為了減少模型運(yùn)算可以簡(jiǎn)化模型。將試驗(yàn)區(qū)域根據(jù)中心線進(jìn)行劃分，數(shù)值模擬時(shí)間確定為一個(gè)或兩個(gè)灌水周期，灌水前為初始條件，灌水后至下一個(gè)或再下一個(gè)灌水前為模擬時(shí)間段進(jìn)行數(shù)值模擬的，模擬區(qū)域以及有限元?jiǎng)澐忠?jiàn)圖2。根據(jù)實(shí)際情況以及模型區(qū)域的劃分，分別對(duì)圖中各個(gè)邊界進(jìn)行邊界條件設(shè)定。

在HYDRUS中根據(jù)圖2建立模型，并根據(jù)實(shí)際田間情況設(shè)置各邊界的水分運(yùn)動(dòng)條件。其中BC 邊界處中間位置設(shè)立2 cm滴灌管入滲區(qū)域，其邊界條件為變流量邊界條件，流量設(shè)置與實(shí)際灌溉一致。上邊界BC 處為變流量邊界條件，變量情況結(jié)合氣象站觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)定；因?qū)嵉赜^測(cè)地下水埋深超過(guò)3 m，即下邊界AF處設(shè)為自由排水邊界，左右邊界AB、EF處為零通量邊界條件，DE、CD 邊界處為大氣邊界條件，根據(jù)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)設(shè)定[18-22]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同類型土壤膜下滴灌棉田淺溝排鹽土壤水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律

圖3～圖6 顯示的是兩種不同類型土壤含水率在不同生育期的剖面分布圖。土壤類型分別為壤土及粉壤土，其具體物理組成成分見(jiàn)表3。兩組模擬所選擇的土壤初始含水率、降雨、蒸發(fā)、邊界條件及根系吸水模型均相同。

圖3 顯示的是5月10日土壤剖面含水率，為播種后第21天，氣象站記錄環(huán)境平均溫度為21.6 ℃，且有少量降雨。從圖3 可以看出，土壤中整體含水率較大，主要是由于2016年冬季降雪量較大，導(dǎo)致春季播種時(shí)土壤含水率較高。播種之后，土壤中水分隨著下方自由排水邊界遷移，土壤中水分呈現(xiàn)水平方向上的下降趨勢(shì)，同時(shí)由于當(dāng)?shù)馗稍锏臍夂?，土壤表層的水分發(fā)生了較為均勻的蒸發(fā)現(xiàn)象。對(duì)比圖3，粉壤土的土壤整體含水率高于壤土的含水率，且其排鹽溝和底部自由排水界面土壤含水率變化量明顯小于壤土。綜合圖3 和圖4、圖（a）中壤土的含水率小于圖（b）中粉壤土含水率，這是由于在相同含水率條件下，粉壤土的非飽和導(dǎo)水率小于壤土，體現(xiàn)為粉壤土的持水性能較好。因此，在蒸發(fā)條件相同的情況下，粉壤土中的水分蒸發(fā)速度小于壤土，同理，粉壤土的下滲速度緩于壤土，導(dǎo)致粉壤土中整體含水率高于壤土。

圖5為6月4日的土壤含水率圖，需結(jié)合6月3日為第一次灌水日作為條件進(jìn)行分析。灌水后，相比與壤土，粉壤土中水分運(yùn)動(dòng)速率較慢，土壤含水率在水平方向和豎直方向上變化較為緩慢。且粉壤土由于其物理性質(zhì)，其飽和土壤含水率較高，則灌水后最大含水率能達(dá)到0.28 cm3/cm3。因此，灌水及降雨的水分能夠在粉壤土表層中停留較長(zhǎng)時(shí)間。

圖6顯示的8月31日的土壤剖面含水率，為吐絮期最后一次灌水后2日。此時(shí)，土壤中含水率分布受到排鹽淺溝影響較為明顯，整體土壤含水率等值線偏向豎直分布，并且在排鹽溝底出現(xiàn)明顯的集中。

2.2 不同類型土壤膜下滴灌棉田淺溝排鹽土壤鹽分運(yùn)動(dòng)規(guī)律

由于粉壤土的性質(zhì)，導(dǎo)致其中的水分運(yùn)動(dòng)能力比壤土差，也使水中的溶質(zhì)運(yùn)動(dòng)能力相較于壤土更差。圖7～圖10 顯示的是不同類型土壤在生育期內(nèi)土壤鹽分電導(dǎo)率的分布情況以及變化情況。生育期內(nèi)，土壤中的鹽分受到蒸發(fā)作用向大氣邊界移動(dòng)；受到灌溉水的影響，滴灌帶下方的鹽分隨著每次灌水不斷向周邊土壤區(qū)域中運(yùn)動(dòng)，使得土壤根系范圍的鹽分受到了淋洗作用；同時(shí)，作物根系在生長(zhǎng)過(guò)程中不斷吸收水分及鹽分以供作物生長(zhǎng)。三種運(yùn)動(dòng)共同作用了生育期內(nèi)土壤鹽分的運(yùn)動(dòng)和變化。

圖7 及圖8 顯示的5月10日及6月2日土壤電導(dǎo)率的分布情況，即灌溉初期未灌水時(shí)土壤中鹽分分布的基本規(guī)律。圖片顯示，土壤中的鹽分水平方向上呈現(xiàn)出較為均勻地分布，在排鹽溝溝底部有少量的積聚現(xiàn)象，但是在排鹽溝溝坡附近，呈現(xiàn)的是較為均勻的水平分布。此階段未灌水，但會(huì)出現(xiàn)部分少量降雨，因此，土壤邊坡的土壤鹽分可能較滴頭下方略小，但排鹽溝底部隨著蒸發(fā)導(dǎo)致的水分上升，其下方鹽分存在一定的積聚現(xiàn)象。

對(duì)比分析圖7～圖10，顯示的是壤土和粉壤土的在生育期不同時(shí)期土壤剖面電導(dǎo)率的分布情況。土壤中鹽分分布與水分分布基本一致。圖9 至圖10 分別是灌水后1 天、3 天后土壤中鹽分的分布情況。通過(guò)對(duì)比（a）、（b）圖，粉壤土土壤電導(dǎo)率在水平方向上的變化小于壤土，滴頭正下方處集中部位的土壤鹽分淋洗效果不明顯，而壤土滴灌帶下方有明顯的折線，表面此部位電導(dǎo)率下降明顯。對(duì)比（a）、（b）兩圖，壤土土壤電導(dǎo)率在排鹽溝附近未能呈現(xiàn)較好的積聚現(xiàn)象，而粉壤土電導(dǎo)率在水平方向上整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，且在排鹽溝邊坡處有明顯的積聚現(xiàn)象。則對(duì)于分析可得，由于粉壤土對(duì)水分的黏滯性，土壤中鹽分不易通過(guò)水分沖刷而進(jìn)行排鹽，但其鹽分主要集中于排鹽溝坡及排鹽溝底部，因此，可以主要選擇排鹽溝溝坡較陡的排鹽溝，并且考慮通過(guò)機(jī)械刮土的方式進(jìn)行排鹽。

3 討論與結(jié)論

（1）根據(jù)壤土及粉壤土土壤組成及土壤性質(zhì)可以看出，粉壤土黏粒及粉粒含量較高，導(dǎo)致土壤的非飽和導(dǎo)水率較差，相對(duì)于壤土，其持水性能更好；根據(jù)土壤導(dǎo)水率及模擬對(duì)比結(jié)果可以看出，粉壤土中鹽分積聚相對(duì)于壤土較強(qiáng)，導(dǎo)致各土層土壤鹽分在水分變化邊界積聚較明顯，土壤鹽分淋洗效果略差。

（2）對(duì)比壤土和粉壤土在不同時(shí)期的水分變化情況及鹽分變化情況可以得出：相對(duì)于壤土，粉壤土的鹽分更偏向于積聚在土壤邊坡上，且其鹽分積聚效果比壤土更為明顯；相對(duì)于壤土，淺溝排鹽的模式更適用于粉壤土，且粉壤土而更適合采用機(jī)械刮土的方式對(duì)排鹽溝溝壁進(jìn)行排鹽。對(duì)于水資源緊缺的干旱地區(qū)，相對(duì)于傳統(tǒng)春澆、秋澆等方法，鹽堿度較高的粉壤土地區(qū)，可以利用淺溝排鹽及機(jī)械刮土的方式進(jìn)行土壤鹽分的排除，避免大面積土壤鹽漬化。