初始含水率對微潤灌土壤水鹽運移的影響

張強偉 亢勇

摘要 為探明微潤灌對土壤水鹽運移的影響，以南疆鹽堿土為研究對象，采用室內模擬試驗，分析了不同初始含水率（0%、4%、8%、12%）條件下微潤灌土壤水鹽分布特征。結果表明，土壤累計入滲量及平均入滲率均隨著土壤含水率的升高而逐漸下降，成負相關關系；不同初始含水率濕潤體在垂直方向上均處于微潤帶埋設位置偏下，水平方向上成左右對稱關系；土壤初始含水率對濕潤鋒運移距離及濕潤體的大小影響較小；隨著初始含水率的逐漸增大，等值線圖逐漸變疏，土壤水勢梯度降低；初始含水率對濕潤體內平均含水率影響較小；土壤脫鹽區范圍及脫鹽率隨著初始含水率的增大逐漸降低，兩者成負相關關系。

關鍵詞 鹽堿土；初始含水率；微潤灌；土壤水鹽

中圖分類號 S274.2；S152.7 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2018）13-0183-04

Effect of Soil Initial Water Content on Soil Water and Salt Movement of Moistube-Irrigation

ZHANG Qiang-wei KANG Yong

（College of Water Resource and Architectural Engineering，Tarim University，Alar Xinjiang 843300）

Abstract In order to identify the effect of moistube-irrigation on water and salt movement，the saline-alkali soil irrigated by moistube was selected as the research object，the soil water and salt distribution characteristics were analyzed under different initial water content（0%，4%，8%，12%）by laboratory simulation test. The results showed that soil cumulative infiltration rate and the average infiltration rate were decreased with the increase of soil water content；each horizontal distribution of moisture was symmetric about the center of buried moistube. Each vertical distribution of moisture area under different buried depths was under the buried depths. Soil wetting pattern was under the embedding position and symmetric about the center of buried moistube. The size of the wetting front transport distance and wetting body changed small. Contour map was gradually sparse，soil water potential gradient was reduced.The average water content in the soil wetting pattern was small changed with initial soil water content.The range of soil desalting and desalting rate were decreased with the increase of initial soil water content.

Key words saline-alkali soil；initial water content；moistube-irrigation；soil water and salt

鹽分是影響作物生長的重要因子，鹽分分布與水分入滲、作物蒸騰和土壤蒸發作用有著密切的關系。生產實際中，一般利用灌溉技術對土壤鹽分進行調控，為作物生長創造適宜的低鹽環境。不同的灌溉方式，土壤水分運移差異較大，進而影響土壤鹽分分布狀況[1]。

微潤灌溉是近年來發明的一種應用半透膜技術的全新地下精準微灌技術。該技術將利用功能性半透膜制成的微潤帶埋設在作物根系附近，以膜內外水勢梯度為驅動，根據作物需水需求，以緩慢出流的方式為作物根區輸送水分。微潤帶出水孔均勻密集，水分出流可以看作“線源”狀，可有效防止地表蒸發、減少深層滲漏，其抗堵塞性能強、運行成本低，是一種省水、高效的連續地下灌溉技術[2-3]。微潤灌與傳統灌溉方式的差異導致作物根區保持土壤水分的狀態也不盡相同，進而對土壤水分和鹽分的運移產生影響。目前已有研究表明，微潤灌土壤累積入滲量與水頭壓力成正相關，且水頭壓力越大，土壤水分分布范圍越廣，土壤平均含水率越高[4]。微潤帶埋深顯著影響土壤濕潤體的形狀，土壤累計入滲量與埋深成負相關關系，土壤濕潤均勻系數與埋深成正相關[5]。微潤灌土壤濕潤體是以微潤帶為軸心的柱狀體，黏壤土為近似圓柱體，砂土濕潤體橫剖面為“倒梨”形，砂土的濕潤范圍最大，壤土次之，黏土最小[6-7]。微潤灌條件下壓力水頭是影響流量的主要因素，土壤含水率和水勢呈對稱分布，濕潤面積略大于地下滴灌[8]。微潤帶埋深15 cm時，土層平均脫鹽率和土壤平均含水率分別達到26.05%、25.1%，為番茄生長創造了一個良好的水鹽環境[9]。

已有的研究成果為微潤灌技術的推廣和應用提供了一定的技術支撐，但針對南疆地區特殊氣候和土壤條件下的微潤灌研究，目前鮮有報道。微潤帶可適應土壤含水率調整微孔出流量，土壤初始含水率必將對微潤灌溉土壤水分運移及鹽分遷移產生較大的影響。本文以南疆鹽堿土為研究對象，設定不同的土壤初始含水率，分析其對微潤灌溉土壤水鹽運移的影響，以期為微潤灌技術在南疆鹽堿地上的推廣和應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2016年3—5月在塔里木大學節水灌溉試驗基地（東經80°51′、北緯40°37′）進行。該區處于塔克拉瑪干沙漠南緣，多年平均氣溫10～11 ℃，年平均降水量50～70 mm，全年蒸發量1 400～1 700 mm。

1.2 試驗材料

試驗土壤取自塔里木沙漠邊緣未開墾的荒地，取土深度從表層至40 cm，土壤類型為砂壤土，土壤體積質量為1.4 g/cm3，田間持水率為24%。將取得的土壤經風干、碾壓、均勻混合、過2 mm篩后制成試驗土樣，混合后土壤中主要含有鈉離子、氯離子和硫酸根離子，其初始含鹽量為29.5 g/kg。將處理好土樣按照原始體積質量分層裝入土槽（120 cm×60 cm×60 cm）內，每1層高為5 cm，裝土高度為50 cm，層間打毛，以利于充分結合。

1.3 試驗方法

試驗共設計4個土壤初始含水率，分別為0%、4%、8%、12%，利用馬氏瓶提供恒定水頭，水頭壓力1.5 m。灌水試驗開始后用秒表記錄灌水時間，對馬氏瓶水位刻度進行讀數。3～12 h內每隔3 h測定1次，24 h測定1次，24～36 h內每隔6 h測定1次，36～72 h內每隔12 h測定1次。當馬氏瓶水位降至1/3處添加水量，灌水時間控制在72 h。最終根據不同時間對應的灌水量計算累計入滲量及入滲速率。灌水結束后，沿微潤帶方向上選取3個斷面，斷面間距為25 cm。在每個斷面上以微潤帶鋪設位置為參考位置0 cm，沿垂直于微潤帶方向向兩側5、10、15、20、25 cm處取樣，每個位置取樣深度分別為0、5、10、15、20、25、30、35、40 cm（圖1）。樣品土壤含水率、土壤含鹽量分別利用烘干法、電導法測定。

2 結果與分析

2.1 土壤不同初始含水率對累計入滲量的影響

土壤不同初始含水率對土壤累計入滲量及微潤帶出流量具有明顯作用。由圖2可知，在整個灌水時間內，初始含水率為0%的土壤累計入滲量最大，達到13.266 L，平均入滲率為184 mL/h；初始含水率為12%的土壤累計入滲量最小，僅為3.63 L，平均入滲率為50 mL/h。累計入滲量及平均入滲率均隨著初始含水率的升高逐漸下降，尤其土壤含水率達到12%，土壤累計入滲量及平均入滲率急劇下降，僅是初始含水率為0%的27%。分析認為，土壤初始含水率直接影響微潤帶出流量。由于微潤帶流量的大小可根據膜內外水勢梯度自行調節，在水頭壓力及微潤帶埋深一致的條件下，土壤初始含水率是影響膜內外水勢梯度的唯一因素。微潤灌流量微小，直接將水輸送到土壤中，入滲主要受土壤含水率的影響，當初始含水率較低時，入滲速率主要靠基質勢和毛管力驅動，入滲界面土壤水勢較低，土壤入滲能力強，當土壤有一定初始含水率時，土壤團聚體遇水則會膨脹崩解，土壤孔隙度降低，形成不透水的結皮，土壤入滲速率較低。總體表現為土壤累計入滲量與土壤初始含水率成負相關關系。

2.2 土壤不同初始含水率對濕潤體內水分分布及均勻度的影響

土壤不同初始含水率對累計入滲量影響較大，進而影響土壤濕潤區范圍及濕潤體內土壤含水率。由圖3可知，其中（0，15）為微潤帶埋設位置。不同初始含水率濕潤體在垂直方向上均處于微潤帶埋設位置偏下，水平方向上呈左右對稱關系。不同初始含水率濕潤鋒距離在水平方向上為均為0～15 cm、垂直方向上為0～35 cm土層，相差不大，說明土壤初始含水率對濕潤體的大小影響較小。

從濕潤體內土壤含水率等值線圖疏密程度可以看出，土壤初始含水率越低，等值線越密，土壤水勢梯度較大；隨著初始含水率的逐漸增大，等值線圖逐漸變疏，土壤水勢梯度降低。分析認為，土壤含水率越低，吸水能力越強，水分運移速率越快。初始含水率為0%時，土壤水勢梯度達到最大值，微潤帶流量較高，水分運移速率較快，土壤含水率增幅較大。初始含水率為12%時，由于土壤有一定的含水率，吸水能力下降，土壤之間水勢梯度相對降低，土壤含水率增幅較小，該現象與土壤累計入滲量呈對應關系。灌水結束后，初始含水率為0%、4%、8%、12%的濕潤體內平均含水率分別為16.35%、16.53%、16.31%、16.87%，初始含水率對濕潤體內平均含水率影響較小。計算發現，微潤灌溉濕潤均勻程度隨著初始含水率的增大而增大，當初始含水率分別為0%、4%、8%和12%時，濕潤體灌水均勻度分別為87.23%、90.41%、92.53%和94.10%，濕潤體內含水率多為10%～20%，能為作物生長提供適宜的水分環境。

2.3 土壤不同初始含水率對土壤鹽分的影響

土壤鹽分遷移一般隨著土壤水分的運動而遷移。水分運移特性不同，必然導致土壤鹽分呈現不同的空間分布特征。由圖4可知，不同初始含水率條件下，微潤帶土壤鹽分再分布均以微潤帶為中心，形成脫鹽區。

土壤初始含水率為0%和4%條件下，土壤脫鹽區范圍較大，水平方向為0～10 cm，垂直方向上為10～25 cm土層，土壤鹽分主要集中在30 cm土層。土壤脫鹽區范圍隨初始含水率的增大而降低，土壤初始含水率為8%條件下，土壤脫鹽區范圍水平方向為0～5 cm，垂直方向為10～25 cm；土壤初始含水率為12%條件下，土壤脫鹽區范圍最低，垂直方向上僅為10～20 cm。土壤鹽分的運移與水分密切相關，不同含水率條件下，微潤帶自動調節出水量，即土壤含水率越低，出流量越大。最終灌水結束后，不同處理下濕潤體內平均含水率相差不大，說明在水頭壓力和微潤帶埋深一致條件下，微潤帶可根據土壤含水率狀況自行調節出水量，使土壤含水率處于平衡狀態；但從對鹽分淋洗效果來看，不同含水率處理對土壤脫鹽區影響較大，土壤含水率較高狀態下，土壤脫鹽區范圍較小。因此，在土壤含水率較高條件下，需提高水頭壓力，增大微潤帶出流量，才可對土壤鹽分形成有效淋洗。

經計算，在初始含水率為0%、4%、8%、12%的條件下，脫鹽區內土壤平均含鹽量分別為14.42、16.57、21.63、23.38 g/kg，平均脫鹽率為51.90%、43.80%、26.68%、20.75%。說明土壤初始含水率越高，微潤灌對土壤鹽分淋洗效果越差，脫鹽率越低。

3 結論與討論

土壤累計入滲量及平均入滲率均隨著含水率的升高逐漸下降，之間成負相關關系。在水頭壓力及微潤帶埋深一致條件下，土壤初始含水率是影響膜內外水勢梯度的唯一因素。初始含水率較低，入滲速率主要靠基質勢和毛管力驅動，入滲界面土壤水勢較低，土壤入滲能力強，初始含水率較高，土壤團聚體遇水則會膨脹崩解，土壤孔隙度降低，形成不透水的結皮，土壤入滲速率降低。

不同初始含水率濕潤體在垂直方向上均處于微潤帶埋設位置偏下，水平方向上成左右對稱關系。土壤初始含水率對濕潤鋒運移距離及濕潤體的大小影響較小。土壤初始含水率越低，等值線越密，土壤水勢梯度較大；隨著初始含水率的逐漸增大，等值線圖逐漸變疏，土壤水勢梯度降低。初始含水率為0%、4%、8%、12%的濕潤體內平均含水率分別為16.35%、16.53%、16.31%、16.87%，初始含水率對濕潤體內平均含水率影響較小。濕潤體內含水率多為10%～20%，能為作物生長提供適宜的水分環境。

在水頭壓力和微潤帶埋深一致條件下，微潤帶可根據土壤含水率狀況自行調節出水量，使土壤含水率處于平衡狀態。不同初始含水率處理對土壤脫鹽區影響較大，土壤含水率較高狀態下，土壤脫鹽區范圍及脫鹽率較低，脫鹽效果較差，兩者成負相關關系。因此，在土壤含水率較高條件下，需提高水頭壓力，增大微潤帶出流量，才可對土壤鹽分形成有效淋洗。

4 參考文獻

[1] 鄭曉輝，巴特爾·巴克，李宏，等.不同灌水方式下干旱區鹽堿地土壤水鹽運移特征分析[J].東北農業大學學報，2011，42（5）：95-98.

[2] 楊文君，田磊，杜太生，等.半透膜節水灌溉技術的研究進展[J].水資源與水工程學報，2008，19（6）：60-63.

[3] 竇超銀，李春龍，李光永.吸力式微潤灌水器水力特性試驗研究[J].灌溉排水學報，2012，34（4）：83-87.

[4] 薛萬來，牛文全，張俊，等.壓力水頭對微潤灌土壤水分運動特性影響的試驗研究[J].灌溉排水學報，2013，32（6）：7-11.

[5] 牛文全，張俊，張琳琳，等.埋深與壓力對微潤灌濕潤體水分運移的影響[J].農業機械報，2013，44（12）：128-134.

[6] 張俊，牛文全，張琳琳，等.微潤灌溉線源入滲濕潤體特性試驗研究[J].中國水土保持科學，2012，10（6）：32-38.

[7] 吳衛熊，張廷強，何令祖，等.微潤灌條件下廣西山區主要土壤水分運移規律研究[J].中國農村水利水電，2016（12）：8-11.

[8] 張珂萌，牛文全，薛萬來，等.間歇和連續灌溉土壤水分運動的模擬研究[J].灌溉排水學報，2015，34（3）：11-16.

[9] 張子卓，牛文全，許建，等.膜下微潤帶埋深對溫室番茄土壤水鹽運移的影響[J].中國生態農業學報，2015，23（9）：1112-1121.