暗管排水條件下南疆農田排水礦化度和電導率的動態變化研究

塔吉姑麗·達吾提，羅 浩，呂雙慶，本秋平

(塔里木大學植物科學學院，新疆 阿拉爾 843300)

0 引 言

新疆是我國鹽堿土分布面積最大、鹽堿威脅最嚴重的省份[1,2]。目前，新疆耕地面積約416 萬hm2，鹽漬化面積約占31%，兵團耕地面積105 萬hm2，鹽堿化面積占51.52%[3]。耕地土壤鹽漬化是制約新疆農業生產高效發展的重要限制因素，兵團南疆墾區這一問題更為突出。在新疆南疆鹽堿地改良領域如何實現快速降低土壤含鹽量、節地節水、提高耕地質量、提升土地綜合生產能力、促進土地集約化發展、實現農業可持續發展成為亟須解決的重要問題[4]。

改良鹽堿地方式眾多，目前運用大水漫灌結合明溝排水是兵團南疆墾區鹽堿地改良的主要方式，但明溝排水存在占用耕地、溝坡不穩定、溝道淤積需經常清理、易生雜草及脫鹽效果不佳等諸多問題[5,6]。運用大水漫灌配合暗管排水排鹽是鹽堿地改良占地面積小、最直接、最快捷、最有效的方式[7]。具有提高土地利用率、減少清淤、方便田間機械作業、增產增收等優點[8]。在世界各國鹽漬土改良過程中暗管排水發揮了極其重要的作用[9]。目前研究重點在不同土壤特性、氣候條件、水文地質、鹽漬化類型及程度條件下，暗管布設參數及排鹽效果，還需考慮當地經濟條件和農業生產特點，因此其技術實施具有地域性。暗排工程技術參數的確定及條件優化，特別是暗管的埋深、間距及管徑的確定，是改良效果的關鍵[10,11]。我國自20世紀80年代開始研究暗管排水方面，并取得了一些成果[12,13]。在天津濱海新區進行暗管排鹽的技術參數進行了系統研究，提出了不同暗管間距對土壤淋洗脫鹽效果的影響[14]，為暗管排鹽技術的推廣起到重要推動作用[15]。景清華等[16]在寧夏銀北灌區暗管排水進行了全面監測，監測結果表明，典型區內暗管排水礦化度遠大于灌溉水，表明暗管排鹽作用明顯，強排區尤為突出。張蘭亭[17]在山東省打魚張灌區利用不同管材(陶管、礫石水泥濾水管和波比水泥管)，設計2種間距(100、200 m)、3種埋深(1.3、1.8、2.5～2.6 m)、4種管徑(0.1、0.15、0.2、0.3 m)的田間暗管排水試驗，認為100 m間距、1.8 m埋設深度、0.3 m管徑相較其他布設參數脫鹽效果最明顯。在江蘇沿海新墾區設計了3種(10、15、20 m)的間距和3種(0.6、0.9、1.2 m)的埋深暗管排水組合，研究沿海新墾區暗管排水效果及排水含鹽量變化情況，認為在間距相同的條件下，暗管埋深越大，暗管排水的礦化度、排水流量、電導率也越大[18]。現有研究表明，暗管排水[19,20]可以有效增加耕地面積、控制農田地下水埋深[21]、加速土體脫鹽、提高鹽堿土淋洗改良效率，對提高作物產量均具有顯著效果[22,23]。

新疆生產建設兵團第一師二團是新疆南疆土壤鹽漬化代表性地區，本研究選擇該區域典型鹽漬化地塊，研究排水暗管不同管徑及間距對鹽漬化耕地脫鹽效果，為運用暗管排水排鹽技術促進兵團南疆墾區鹽漬化耕地改良提供重要的理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

新疆生產建設兵團第一師二團位于塔里木盆地西北邊緣，天山支脈喀拉鐵克山山前沖洪積平原下部中段，地理坐標：東經79°49′52″，北緯40°35′30″，海拔1 053.52 m。二團屬于暖溫帶大陸性干旱荒漠氣候，年均降水量114.3 mm，平均年蒸發量2 615 mm；晝夜溫差大，日照充足，年均溫度11.5 ℃，1月份平均氣溫-8.4 ℃，7月份平均氣溫26.2 ℃，極端最高氣溫42.3 ℃，極端最低氣溫-25.0 ℃；平均日照時數2 448 h，≥10 ℃有效積溫4 400 ℃，無霜期23 d；年太陽輻射總量61.0 萬J/cm2, 最大凍土深度87 cm。二團地貌為山前沖洪積平原，地勢平坦，地形為西北高東南低，土質黏重，土壤通透性極差，土壤次生鹽漬化嚴重。二團始建于1956年，團域面積4.01 萬hm2，現有耕地1.81 萬hm2，其中大田種植面積1.48 萬hm2，林果業0.3 萬hm2，其中輕鹽化面積1.07 萬hm2，中鹽化面積0.41 萬hm2，重鹽化面積500 hm2。

1.2 試驗設計

暗管于2015年12月25日-2016年1月5日進行布設。試驗設置2種暗管管徑(φ50 mm、φ60 mm)及3種暗管間距(6、8、10 m)6個暗管排水處理。吸水暗管埋深0.8 m，比降為0.5%。每個小區長寬為120 m×100 m，小區四周設田埂(見圖2)。田間吸水管采用PE打孔單壁波紋管，吸水管周圍包裹8 cm砂濾料，以防止泥沙入管造成淤堵和改善排水管周圍水流入管條件。集水管是匯集吸水管的水流，并將其排走的管道。集水管采用直徑為200 mm的PVC管材。集水管的深度通過連接的集水井的高程控制，坡度為1%，集水管末端與集水池泵站相連。集水井位于吸水管水流方向的末端，田間吸水管中的含鹽水匯入集水井中，集水井由集水管連接，最后由集水管匯入到集水井泵站中，經泵站排出試驗區。

1.3 樣品的采集及測定

對每次農田進行灌水時，分別采集灌溉水樣、農田排水水樣。灌水后，從集水管出水開始連續采集排水水樣，每間隔3 h采集1次，直至集水管無水排出。本試驗于2016年6月、8月、10月灌水3次，總共采集水樣3次，第一次采集水樣時間為2016年6月7-11日9∶00開始；第二次采集水樣時間為2016年8月10-13日9∶00開始；第三次采集水樣時間為2016年10月20-25日9∶00開始。

測定指標：對灌、排水水樣依據電導法測定電導率；依據烘干法測定礦化度[24]。

2 結果分析

2.1 暗管排水與灌溉水的礦化度及電導率變化

圖2結果表明，6、8、10月3次灌溉水的礦化度分別是0.75、0.86和0.63 g/L，暗管排水的平均礦化度分別是6.427、7.382、6.781 g/L，為灌溉水礦化度的8.57、8.58倍和10.76倍。暗管排水和灌溉水電導率變化與礦化度變化一致，結果表明，6月、8月、10月3次灌溉水的電導率分別是0.61、0.59、0.49 mS/cm。暗管排水的平均電導率分別是4.833、6.222、5.379 mS/cm，為灌溉水電導率的7.92、10.55倍和10.98倍。暗管排水中的礦化度、電導率都遠高于灌溉水，表明暗管排水大量溶解了土壤中的鹽分，土壤鹽分隨暗管水排出，有利于洗鹽、降低土壤鹽分。

2.2 不同暗管管徑對暗管排水礦化度和電導率的影響

2.2.1 不同暗管管徑對暗管排水礦化度的影響

研究結果表明(圖3)，相同間距條件下，暗管管徑為60 mm處理區農田排水礦化度始終高于暗管管徑為50 mm處理區農田排水礦化度，兩種管徑農田排水礦化度差異從6月至8月至10月差異減小。在埋設暗管間距為6 m時，在6月份灌水階段，管徑為60 mm處理農田排水礦化度平均為6.701 g/L，50 mm為3.829 g/L；在8月份灌水階段，管徑為60 mm排水礦化度平均為6.992 g/L，50 mm為6.023 g/L；在10月份灌水階段，管徑為60 mm處理農田排水礦化度平均為5.918 g/L，50 mm為5.501 g/L。在三次灌水階段內，當間距6 m時，管徑60 mm處理農田排水礦化度是50 mm的1.3倍。同樣以8 m間距為例，在間距8 m時，在6月份灌水階段，管徑60 mm處理農田排水礦化度平均值為8.298 g/L，50 mm為4.473 g/L；在8月份灌水階段，管徑為60 mm處理農田排水礦化度平均為8.532 g/L，50 mm為6.271 g/L；在10月份灌水階段，管徑60 mm處理農田排水礦化度平均為7.903 g/L，50 mm為5.692 g/L，在三次灌水階段內，當間距8 m時，管徑60 mm處理農田排水礦化度是50 mm的1.5倍。同樣埋設暗管間距為10 m時，6月份灌水階段，管徑60 mm處理農田排水礦化度平均為8.562 g/L，50 mm為6.701 g/L。8月份灌水階段管徑60 mm處理農田排水礦化度平均為9.070 g/L，50 mm為6.023 g/L；在10月份灌水階段，管徑為60 mm處理農田排水礦化度平均為8.807 g/L，50 mm為6.900 g/L。在3次灌水階段內，間距為10 m時，管徑為60 mm處理農田排水礦化度是50 mm的1.3倍。總結來看，暗管管徑的大小明顯影響農田排水排出來的礦化度含量。

圖1 二團鹽土灌排改良田間試驗平面圖(單位：m)

圖2 灌溉水與暗管排水礦化度和電導率的比較

圖3 相同間距條件下不同管徑暗管排水礦化度的變化

2.2.2 不同暗管管徑對暗管排水電導率的影響

農田排水電導率與礦化度變化規律基本一致，研究結果表明(圖4)，相同間距條件下，暗管管徑60 mm處理農田排水電導率高于50 mm，從6-10月差異逐漸減小。以間距6 m為例，在間距6 m時，6月份灌水階段管徑60 mm處理農田排水電導率平均為4.673 mS/cm，50 mm為3.020 mS/cm；8月份灌水階段管徑60 mm處理農田排水電導率平均為6.138 mS/cm，50 mm為4.721 mS/cm；10月份灌水階段管徑60 mm處理排水電導率平均為4.652 mS/cm，50 mm為4.658 mS/cm。三次灌水階段內，間距6 m時，管徑60 mm處理農田排水電導率是50 mm的1.2倍。同樣以8 m間距為例，在間距8 m時，6月份灌水階段管徑60 mm處理農田排水電導率平均為6.165 mS/cm，50 mm為3.470 mS/cm；8月份灌水階段管徑60 mm處理農田排水電導率平均為7.555 mS/cm，50 mm為5.076 mS/cm；10月份灌水階段管徑60 mm處理排水電導率平均為6.229 mS/cm，50 mm為4.365 mS/cm。三次灌水階段內間距8 m時，管徑60 mm處理農田排水電導率是50 mm的1.5倍。以間距10 m為例，在間距10 m時，6月份灌水階段管徑60 mm處理農田排水電導率平均為6.670 mS/cm，50 mm處理農田排水電導率平均5.002 mS/cm。8月份灌水階段管徑60 mm處理排水電導率平均為7.910 mS/cm，50 mm為5.766 mS/cm；10月份灌水階段管徑60 mm處理農田排水電導率平均為7.364 mS/cm，50 mm為4.985 mS/cm。三次灌水階段內間距10 m時，管徑60 mm處理農田排水電導率是50 mm的1.39倍。

圖4 相同間距條件下不同管徑暗管排水的電導率變化

2.3 不同暗管間距對暗管排水礦化度和電導率的影響

2.3.1 不同暗管間距對暗管排水礦化度的影響

淋洗期間各處理的農田排水礦化度變化特征研究結果表明(圖5)，管徑相同條件下，暗管間距10 m處理農田排水礦化度高于間距6 m和8 m。以管徑50 mm為例，6月份排水礦化度在間距6 m時平均為3.829 g/L，8 m時平均為4.473 g/L，10 m時平均為6.701 g/L。在第一次灌水階段，間距為10 m處理農田排水礦化度分別是6 m、8 m的1.8倍和1.5倍。在8月份，其排水礦化度在間距6 m時平均為6.023 g/L，8 m時平均為6.271 g/L，10 m時平均為7.302 g/L。在第二次灌水階段，間距為10 m處理農田排水礦化度分別是6 m、8 m的1.21倍和1.16倍。在10月份，其排水礦化度在間距為6 m時的平均數值為5.918 g/L，在間距為8 m時的排水礦化度平均數值為5.692 g/L，在間距10 m時的排水礦化度的平均數值為6.900 g/L。在第三次灌水階段，間距為10 m的農田排水的礦化度分別是間距為6 m、8 m的1.17倍和1.21倍。當管徑60 mm為例，6月份的排水礦化度在間距為6 m時的平均數值為6.701 g/L，在間距8 m時的排水礦化度的平均數值為8.298 g/L，在間距為10 m時的排水礦化度的平均數值為8.562 g/L。在第一次灌水階段，間距為10 m的農田排水的礦化度分別是間距為6 m、8 m的1.03倍和1.28倍。在8月份，其排水礦化度是在間距為6 m時的平均數值為6.992 g/L，在間距為8 m時，排水礦化度平均數值為8.532 g/L，在間距10 m時，排水礦化度平均數值為9.070 g/L。在第二次灌水階段，間距為10 m處理農田排水礦化度分別是間距6 m、8 m的1.3倍和1.06倍。在10月份，排水礦化度在間距為6 m時平均為5.501 g/L，8 m時平均為7.903 g/L，10 m時平均為8.807 g/L。在第三次灌水階段，間距為10 m的農田排水礦化度分別是間距為6 m、8 m的1.6倍和1.1倍。

圖5 不同間距暗管排水的礦化度隨時間變化

2.3.2 不同暗管間距對暗管排水電導率的影響

淋洗期間各處理農田排水電導率變化特征研究結果表明(圖6)，相同管徑條件下，暗管間距10 m處理農田排水電導率高于6 m和8 m。以管徑50 mm為例，6月份農田排水電導率在間距6 m時，平均為3.020 mS/cm，8 m時平均為3.470 mS/cm，10 m時平均為5.002 mS/cm。第一次灌水階段，間距為10 m處理農田排水電導率分別是6 m、8 m的1.7倍和1.4倍。在8月份農田排水電導率在間距6 m時平均為4.721 mS/cm，8 m時平均為5.076 mS/cm，10 m時平均為5.766 mS/cm。在第二次灌水階段，間距為10 m處理農田排水電導率分別是6 m、8 m的1.2倍和1.1倍。在10月份農田排水電導率在間距6 m時平均為4.658 mS/cm，8 m時平均為4.365 mS/cm，10 m時平均為4.985 mS/cm。在第三次灌水階段，間距為10 m處理農田排水的電導率分別是6 m、8 m的1.07倍和1.1倍；當管徑60 mm時，6月份農田排水電導率在間距6 m時平均為4.673 mS/cm，8 m時平均為6.165 mS/cm，10 m時平均為6.670 mS/cm。在第一次灌水階段，間距為10 m處理農田排水電導率分別是6 m、8 m的1.7倍和1.4倍。在8月份農田排水電導率在間距6 m時平均為6.159 mS/cm，8 m時平均為7.555 mS/cm，在間距為10 m時排水電導率的平均為7.910 mS/cm。在第二次灌水階段，間距為10 m處理農田排水電導率分別是6 m、8 m的1.3倍和1.05倍。在10月份農田排水電導率在間距6 m時平均為4.652 mS/cm，8 m時平均為6.229 mS/cm，10 m時平均為7.364 mS/cm。在第三次灌水階段，間距為10 m處理農田排水電導率分別是6 m、8 m的1.6倍和1.2倍。

圖6 不同間距暗管排水的電導率隨時間變化

3 討 論

3.1 暗管排水與灌溉水的礦化度及電導率變化

暗管排水主要取決于受暗管控制耕地的土壤含鹽量。由于土壤鹽分是通過暗管排水排出土體，暗管出水水質間接反映了暗管排鹽效果。本實驗通過6月、8月、10月三次灌水，分析不同時期灌溉水和暗管排水的礦化度含量和電導率的變化狀況，暗管排水的礦化度和電導率遠大于灌溉水，暗管排水的礦化度分別是灌溉水的8.57倍、8.58倍和10.76倍；電導率分別是灌溉水的7.92、10.55倍和10.98倍。這表明暗管排水大量溶解了土壤中的鹽分，土壤鹽分隨暗管水排出，有利于洗鹽、降低土壤鹽分。景清華等[16]在寧夏銀北灌區暗管排水進行了全面監測，監測結果顯示典型區內暗管排水礦化度遠大于灌溉水，表明暗管排鹽作用明顯，強排區尤為突出，與其結論一致。張金龍[25]在研究了暗管排水技術改良對濱海鹽土的治理效果，研究結果表明，淋洗改良幾天后，暗管排水礦化度明顯增加，這表明暗管排水改良技術改良濱海鹽土效果較好，與本論文結論一致。蘇挺[26]在新疆南疆第三師紅旗農場土壤不同埋深暗管排鹽效果研究，研究結果表明，在每次灌水結束后，排水礦化度首先下降，隨之升高，又表現出逐漸降低趨勢，這主要原因是，鹽分在土壤中需要一定的溶解時間，當灌水初期，由于時間短溶解鹽分較少，隨著時間的增加，鹽分逐漸被溶劑充分溶解后，暗管排水礦化度有所增加，隨著排水時間推移，鹽分被排出的快，又呈現下降趨勢。

3.2 最佳洗鹽效果的暗管管徑和間距

對暗管不同管徑及間距不同時期的灌、排水數據進行分析，相同間距條件下，暗管管徑大的處理排水礦化度、電導率高于小的處理，從6月至8月至10月差異逐漸變小。從暗管管徑對暗管排水礦化度含量、電導率的影響來看，60 mm管徑的洗鹽效果優于50 mm管徑。衡通等[1]研究得出其他的暗管布設參數合理的條件下，暗管管徑越大，改良鹽漬土效果越好。李曉華等[27]研究表明暗管排出水的礦化度在暗管間距相同的條件下，埋設暗管管徑大的處理區域的農田排水的礦化度明顯高于暗管管徑小的處理區，本實驗礦化度和電導率的大小呈現50 mm<60 mm，與其結論一致；相同管徑條件下，暗管間距大的處理排水礦化度高于小的處理。王振華[10]、朱海波[18]等研究沿海新墾區暗管排水效果及排水含鹽量變化情況，認為在埋設深度相同條件下，暗管間距越小，初始排水的礦化度、電導率也越大。本實驗研究表明，在暗管管徑相同，從暗管間距對暗管排水礦化度、電導率的影響來看，間距10 m礦化度及電導率雖大于間距6 m、8 m，但因該區土壤質地黏重，暗管間距大的處理會因排水量小，而影響暗管洗鹽效果。總體來看，以暗管埋設間距為6 m，管徑60 mm對新疆生產建設兵團第一師二團土壤洗鹽效果較好。

4 結 論

不同暗管間距對水樣礦化度及電導率有顯著的影響，不同時期排出來的鹽分差距較大，暗管排水平均礦化度隨暗管管徑的減小而減小，為了保證灌溉水洗鹽條件下暗管排鹽效果，并在實際工程中提高鹽漬土改良效果，可在已知管徑可選范圍的情況下選擇管徑大、間距小的設置。這對改良土壤鹽漬化具有重要意義，今后還應在暗管設計中多采用大的暗管管徑，小的暗管間距研究地下水位的變化，配合長期灌水，達到暗管排水改良土壤鹽分的目的。

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