沙管深度對鹽堿土膜孔灌土壤水鹽運移的影響

劉思琦，程東娟，費良軍

(1.河北工程大學水電學院，河北 邯鄲 056021；2.西安理工大學水資源研究所，西安 710048)

間接滴灌是由普通地表滴灌系統與布置在滴頭下方土壤當中的導水裝置組成，導水裝置常采用沙溝或沙洞形式，即將滴頭下方的土壤用工具挖成洞狀或溝狀，將等體積的粗沙回填至洞或溝中，是一種高效節水的新型灌溉技術[1-3]。膜孔灌是覆膜灌溉中最先進的灌溉方式之一，是充分供水條件下的空間三維入滲，投入低、產出高，不僅具有覆膜的保墑、保溫等特點，還具有灌水均勻度高、灌溉水利用率高、節水、節肥等特點[4-6]。將間接灌溉與膜孔灌相結合，可有效的結合兩種灌溉方式的優點。當前，在鹽堿地開發利用中，采用的灌水技術原理多數是將鹽分離子淋洗至作物根系范圍外，以保證作物的正常生長。綜合考慮以上因素，可在鹽堿土上實施膜孔灌時，在膜孔處施用沙管等以發揮間接灌溉與膜孔灌的優點。本文研究施用沙管下的間接膜孔灌溉，即沙管膜孔灌，以期沙管膜孔灌溉能為研究鹽堿土改良措施提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

為了研究沙管膜孔灌灌施條件下鹽堿土水鹽運移、分布規律，在室內利用膜孔點源入滲裝置進行了不同沙管深度的蒸餾水膜孔灌入滲試驗。膜孔點源入滲裝置由土箱和供水裝置組成，如圖1所示：試驗土箱采用5 mm厚的有機玻璃板制作而成，試驗土箱尺寸為25 cm×25 cm×30 cm，為了便于觀測濕潤鋒的發展過程,將膜孔裝置置于土箱一角，在膜孔下方設置沙管,如圖1所示。供水裝置為馬氏瓶，馬氏瓶采用透明的有機玻璃制作而成，瓶身帶有刻度，截面積為30.5 cm2。

圖1 膜孔灌點源入滲裝置

試驗土壤采用堿土，土壤初始重量含水率為8.0%，密度為1.3 g/cm3，土壤含鹽量本底值為1 800 μS/cm，土樣經過碾壓、粉碎、風干，過2 mm篩子，按照預定的土壤密度分層(5 cm厚)裝入試驗土箱。膜孔直徑為5 cm，沙管深度設置4個水平，分別為：0、2、4、6 cm。

1.2 試驗過程

試驗時將裝有蒸餾水的馬氏瓶裝置置于實驗臺上并固定，并將馬氏瓶調整至略高于土箱頂部位置。對試驗土樣在不同沙管深度條件下進行蒸餾水膜孔灌自由入滲試驗。試驗灌水時間為180 min，試驗過程中由密到疏觀測馬氏瓶水面下降刻度并描繪濕潤鋒曲線。試驗結束后，在土壤剖面沿水平和垂直兩個方向按網格(2.5 cm×2.5 cm×2.5 cm)取土。每個取土點取一個土樣，將土樣分為兩份，一份采用烘干法測定土壤含水量，另一份采用電導率儀測定土壤含鹽量。測定電導率時，土水比為1∶5，將土與蒸餾水混合后充分攪拌，靜置至土液分層，用上海雷磁牌電導儀測定土樣含鹽總量。

2 結果分析

2.1 沙管深度對鹽堿土膜孔灌累計入滲量的影響

沙管深度對沙管膜孔灌累計入滲量的影響如圖2所示，由圖2可知，不同沙管深度的膜孔灌累積入滲量隨時間的延長而增加；相同入滲時間時，累積入滲量隨著沙管深度的增加而增加，這種趨勢隨著時間變化而更明顯。將累積入滲量與入滲時間進行冪函數擬合，由實測資料可得擬合結果，如下所示。

圖2 沙管深度對沙管膜孔灌累積入滲量的影響

沙管深度0 cm：I=4.134 2t0.257 3R2=0.950 8

(1)

沙管深度2 cm：I=18.558t0.1641R2=0.986 9

(2)

沙管深度4 cm：I=24.78t0.229 4R2=0.980 1

(3)

沙管深度6 cm：I=25.193t0.292 1R2= 0.991 1

(4)

式中：I為累計入滲量，mL；t為入滲時間，min。

2.2 沙管深度對鹽堿土沙管膜孔灌濕潤鋒運移距離的影響

圖3和圖4分別為不同沙管深度時，鹽堿土沙管膜孔灌水平濕潤鋒和垂直濕潤鋒運移距離隨時間變化曲線。由圖3和圖4可知，在水平和垂直方向，濕潤鋒運移距離均隨時間延長而增大；相同入滲時間，隨著沙管深度的不斷增加，濕潤鋒距離運移距離不斷增大。

圖3 不同沙管深度對鹽堿土沙管膜孔灌 水平濕潤鋒運移距離的影響

圖4 不同沙管深度對鹽堿土沙管膜孔灌 垂直濕潤鋒運移距離的影響

根據實測資料，對不同沙管深度沙管膜孔灌入滲的水平濕潤鋒和垂直濕潤鋒運移距離與時間之間用冪函數進行擬合，擬合結果見表1。

表1 不同沙管深度膜孔灌入滲的濕潤鋒運移距離與時間關系

注:Rz是水平濕潤鋒運移距離；Rx是垂直濕潤鋒運移距離；t是入滲時間。

由表1可得：施用沙管與不施用沙管時，濕潤鋒運移距離與入滲時間均呈現良好的冪函數關系。由圖3和圖4可得：沙管深度對水分入滲有較大影響，這可能是因為，水分與土壤的接觸面隨著沙管深度的增加而增大，入滲率隨之增大，相同入滲時間，進入土壤的水量隨沙管深度的增加而增大，故濕潤體范圍隨之增大。

2.3 沙管深度對鹽堿土沙管膜孔灌水分分布的影響

圖5是鹽堿土沙管膜孔灌條件下，沙管深度分別為0、2、4、6 cm的土壤含水率分布等值線圖(x表示水平方向，y表示垂直方向)。由圖5可以看出，土壤含水率分布等值線圖在垂向上近似為橢圓形；在沙管附近等值線分布較稀疏，在濕潤鋒附近等值線圖分布較密集；沙管附近，土壤含水率近似為飽和含水率，其余位置，土壤含水率隨著距沙管距離的增大而減小。

對比圖5可知，隨著沙管深度的增加，土壤的濕潤范圍越來越大，濕潤體內相同位置土壤的含水率增大。不施用沙管時，土壤水平濕潤距離為8 cm，垂直濕潤距離為8 cm。施用沙管時，隨著沙管深度的增加，水平和垂直濕潤距離明顯增大：沙管深度為2 cm時，水平和垂直濕潤距離均增大約20%；沙管深度為4 cm時，水平和垂直濕潤距離均增大約50%；沙管深度為6 cm時，水平濕潤距離增大約62.5%，垂直濕潤距離增大約100%。

2.4 沙管深度對鹽堿土沙管膜孔灌鹽分分布的影響

圖6為膜孔直徑為5 cm時，沙管深度分別為0、2、4、6 cm的條件下，土壤鹽分分布等值線圖(土壤鹽分含量以電導率值表示)。

由圖6可知，不同沙管深度條件下膜孔灌土壤鹽分分布等值線呈橢圓形，等值線在沙管處分布較稀疏，在濕潤鋒附近分布較密集；沙管處土壤電導率值最小，隨著距沙管距離的增加，土壤電導率值增大。

由圖6可知：不施沙管和施用沙管時，水分在膜孔灌條件下對土壤鹽分均有淋洗作用，且膜孔附近土壤的含鹽量明顯低于土壤初始含鹽量(1 800 μS/cm)，形成了明顯的脫鹽區。與不施沙管相比，施用沙管的脫鹽區范圍明顯大于不施沙管的脫鹽區范圍。這可能是因為，隨著沙管深度的增加，相同入滲時間，進入土壤的水量越大，對沙管附近的土壤淋洗時間越長、淋洗范圍越大，導致沙管附近的土壤含鹽量越低，脫鹽區范圍不斷增大。

圖6 沙管膜孔灌條件下不同沙管深度的土壤含鹽量分布等值線圖

3 結 語

(1)施用沙管與不施用沙管時，膜孔灌土壤水分運移規律一致，均表現為：相同入滲時間，隨著沙管深度的增加，累積入滲量增大，且累積入滲量與入滲時間符合冪函數關系；濕潤鋒運移距離隨著沙管深度的增加而增大，不同沙管深度的濕潤鋒水平、垂直運移距離與入滲時間均符合良好的冪函數關系。

(2)不同沙管深度對土壤含水率的分布趨勢影響一致，均表現為：以沙管為中心，土壤含水率隨著距沙管中心位置距離的增大而減小；隨著沙管深度的增加，濕潤體內相同位置的土壤含水率增加。

(3)施用沙管與不施用沙管，膜孔灌對鹽堿土土壤鹽分均有淋洗作用，均在沙管附近形成明顯的脫鹽區。與不施用沙管相比，施用沙管時，隨著沙管深度的增加，脫鹽區范圍明顯增大，說明沙管膜孔灌可有效地增大鹽堿土土壤淋洗范圍。

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