引黃灌區不同灌溉強度和灌溉方式對土壤水分和成分的影響

李東陽

（河南黃河勘測規劃設計研究院有限公司，鄭州 450003）

經過60多年的發展，中國引黃灌溉工程取得了顯著的成效，各項基礎水利設施陸續建造。在黃河流域沿線，引黃灌溉成為當地居民農業灌溉的主要方式。但是黃河水中泥沙含量較多，容易導致渠道堵塞，不得不使用大量的人力、物力、財力來進行河道 的 清 淤 工 作［1，2］，這 也 制 約 了 引 黃 灌 區 農 業 發展［3］。因此使用科學的手段促進引黃灌區灌溉效率的提升成為研究的熱點。

甘肅省位于中國西北部地區，是中國西北大開發涉及的重要省份。甘肅省也是土壤鹽漬化程度較高的地區，其存在大量的鹽漬化的土地無法有效利用［4，5］，水資源的嚴重缺乏也制約了鹽堿地農業利用，甘肅省雖然存在100多處沿黃灌區的大中小高揚程提灌工程，但水資源的短缺依然是制約土地利用的主要因素［6］。灌溉總量不足、灌水時間錯位、灌溉方式落后以及灌溉成本較高成為引黃灌區不可忽視的問題［7］。對灌溉方式以及土地利用現狀進行分析，對引黃灌區的灌溉方式進行優化尤為重要。

針對甘肅省引黃灌區的農業土壤的現狀展開研究，采用實地試驗方法，對比不同灌溉強度下土壤的基本性質以及泥沙輸送規律，提出了波涌灌溉的灌溉模式，并對比了波涌灌溉與傳統灌溉的差別，突出了波涌灌溉的優越性，旨在明確灌區土壤的基本性質，提出灌溉方式，為甘肅省引黃灌溉中存在的問題提供解決辦法。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于甘肅省白銀市靖遠縣北灘鄉，海拔1 385～1 705 m，屬于興電灌區的中游地帶，黃河水經過9級泵站的提升引入該灌區內，黃河水提升高度為480 m。興電灌區的面積約為21 000 hm2，大部分土地為鹽堿性土地，約占總耕地面積的30%。研究區土壤類型大部分為灰鈣土質，成土母質為黃土。該區域屬于黃土丘陵溝壑干旱區，受青藏高原和騰格里沙漠的影響，氣候類型為大陸性干旱荒漠氣候，年降雨量較少，平均年降雨量僅為200～300 mm，平均氣溫約為7℃，年日照時間約為3 000 h。

1.2 試驗設計

為研究不同灌溉條件下土壤的入滲規律，設計了土壤入滲規律試驗研究。試驗區分布見圖1。試驗區設立4個試驗小區，分別編號為0、1、2以及3。每個試驗小區為2.5 m×2.5 m的正方形，小區間隔1.5 m。0區域為對照組，不進行灌溉處理。而1、2、3區域的灌溉量分別為600、900及1 200 m3/hm2。設置3個重復試驗。

試驗區大部分土地為干旱鹽堿質土地，年降水小，蒸騰量大，不利于農作物生長［8-10］。探究土壤含水率情況，對比傳統灌溉以及波涌灌溉對土壤含水率的影響。波涌灌溉是新型地面灌溉技術［11-13］，具有灌水時間短，灌溉均勻［14］，符合引黃灌區的實際情況的特點［15］。不同灌溉方式對土壤含水率的試驗設計見圖2。設置2個試驗區A及B，試驗區長80 m，寬2 m，A采用傳統灌溉，B采用波涌灌溉。為減少試驗誤差，試驗前將試驗田平整，2個試驗區用保護行隔開。試驗灌溉參數見表1。

表1 灌溉方式的技術參數

由表1可知，灌溉時的灌水流量為8.0 L/（m·s），傳統灌溉的放水總時間為20 min。當田地長度在200 m以下時，波涌灌溉的周期數一般選擇2～3；當田地的長度大于200 m時，波涌灌溉的周期數一般選擇3～4。試驗區的長度為80 m，因此選擇灌溉周期數為2。由于灌流水量較大，水流速度較快，選取循環率為1/3。

1.3 指標計算

選取灌溉參數、土壤含水率、土壤顆粒泥沙含量作為評價指標，其中灌溉參數包括灌溉水量以及灌溉均勻度。

1）灌溉水量的計算如式（1）。

灌溉水量=灌溉流量×灌溉時間×田地寬度

式中，灌溉流量使用電磁流量計測定；灌溉時間使用秒表測定。

2）灌溉均勻度用于評價灌溉質量，灌溉均勻度可評價作物的生長效果以及產量［16］。灌溉均勻度計算如式（2）。

式中，S為灌溉均勻度；Hi為第i點的灌溉入滲量，Ha為灌溉的平均入滲量，N為試驗點數。

3）土壤含水率測定。以試驗區0～10 cm表層土為研究對象，將表層土壤分為0～2、3～5及6～10 cm試驗，分別取樣置于烘干鋁盒中，準確稱取重量，記為土樣的濕重；烘箱中恒溫烘干8 h后稱重記為土樣的干重［17］。

式中，m濕為土樣的濕重；m干為土樣的干重；m盒為鋁盒的質量。

4）按照土壤粒徑的分布規律，將土壤分為砂粒（0.050～2.000 mm）、粉粒（0.002～0.050 mm）以及黏粒（<0.002 mm），研究不同灌溉強度土壤泥沙粒徑的分布。土壤中入田泥沙質量根據灌水前后土壤顆粒分配及灌溉水中泥沙顆粒分配計算［18］。

式中，m沙為入田泥沙的質量；m土為土壤的質量；ai為灌水后土壤中某粒徑的沙重百分數；bi為灌水前土壤中某粒徑的沙重百分數；ci為灌溉水中泥沙中某粒徑的沙重百分數。

式中，ρ為田泥沙的質量比重。

由于一次灌水的泥沙量較小，可以忽略不計，因此，得出某一田地中的各點的泥沙含量算式。

式中，f為田地中的各點的泥沙含量。

2 結果與分析

2.1 土壤含水率

不同深度土壤在不同灌溉強度時的含水率變化見圖3。灌溉前的含水量0～2、3～5、6～10 cm分別為9.51%、9.34%及10.18%。灌溉水量為600 m3/hm2時，土壤含水率在18%左右。灌溉水量為900 m3/hm2時，土壤含水率在21%左右，灌溉水量為1 200 m3/hm2時，土壤含水量在23%左右，6～10 cm土壤含水量大。

2.2 土壤泥沙顆粒分布

土壤泥沙粒徑的分布規律見圖4。土壤灌溉前0～2 cm土壤砂粒、粉粒以及黏粒的占比分別為2.59%、80.37%及17.04%。隨灌溉強度的增加，土壤砂粒含量先增加后減少，而粉粒含量逐漸減少。3～5 cm及6～10 cm土壤表現出相同的規律。可以看出，在同一灌溉強度下，隨土層厚度增加，砂粒含量增加，粉粒含量則呈下降趨勢。

2.3 波涌灌溉灌水強度

波涌灌溉模式灌溉水量為61.61%，灌溉均勻度為88.39%。波涌灌溉的灌溉均勻度較高，且灌溉水量較少。

2.4 波涌灌溉土壤含水量

研究不同灌溉方式下0～10、11～20及21～30 cm土壤含水率情況見圖5。

傳統灌溉0～10、11～20及21～30 cm土壤含水率分別為23.45%、26.39%以及29.47%，波涌灌溉0～10、11～20及21～30 cm土壤含水率分別為27.58%、29.31%及32.52%。波涌灌溉可提高土壤含水率，從而保證農作物的正常生長。同時也證明波涌灌溉的優越。

3 小結與討論

對甘肅省引黃灌區的實際情況展開針對性研究，實地取樣探究土壤基本情況及泥沙顆粒輸送規律。

1）不同灌溉強度土壤含水率的變化。0～2、3～5、6～10 cm土壤含水率分別為9.51%、9.34%、10.18%。灌溉水量為600、900及1 200 m3/hm2時，土壤中含水率分別為18%、21%及23%左右。

2）泥沙顆粒分布規律。灌溉前，占比為砂粒<黏粒<粉粒，隨灌溉強度及土層厚度增加，砂粒先增加后減少，粉粒減少。

3）波涌灌溉應用效果良好。波涌灌溉灌溉水量為61.61%，灌溉均勻度為88.39%，好于傳統灌溉。波涌灌溉0～10、11～20及21～30 cm土壤含水率分別為27.58%、29.31%及32.52%，相同土層深度，波涌灌溉的土壤含水量均高于傳統灌溉。

4）研究探究了灌區土壤的物理性質，提出了科學的灌溉方式，具有實際應用價值。但僅對表層土壤展開研究，后續研究將進一步擴大土壤范圍，充實研究內容。