微咸水灌溉下滴頭流量及灌水量對壓砂土壤入滲及水鹽分布的影響

譚軍利，馬永鑫，王西娜，李 淼，李存云

(1.寧夏大學土木與水利工程學院，寧夏 銀川 750021；2.旱區現代農業水資源高效利用教育部工程研究中心，寧夏 銀川 750021；3.寧夏節水灌溉與水資源調控工程技術研究中心，寧夏 銀川 750021；4.寧夏大學農學院，寧夏 銀川 750021)

合理利用微咸水灌溉農田是緩解淡水資源緊缺的重要途徑。目前，國內外在微咸水灌溉方面已經開展了大量實踐與研究。灌溉方式是合理利用微咸水灌溉的關鍵因素之一[1-2]。微咸水滴灌條件下滴頭附近土壤含水率高，鹽分含量低；而在濕潤體周圍則鹽分含量高。這種水鹽分布特征可以為作物生長創造良好的水鹽條件，使滴灌成為利用微咸水的適宜灌溉方式。滴灌條件下的水鹽分布受滴頭流量和灌水量的影響[3]，而且這兩個參數對于滴灌系統的設計具有重要意義。不合理的技術參數選擇可能會導致鹽分表聚，進而抑制作物生長[4-5]。

目前針對微咸水滴灌下滴頭流量及灌水量對土壤水鹽分布的影響已開展了大量研究。劉春卿等[6]發現大滴頭流量促進了水分的水平運動，而小滴頭流量的淋鹽效果明顯好于大滴頭流量。張志剛等[7]研究表明濕潤體的形狀大小受滴頭流量及灌水量的影響，隨著滴頭流量增加，濕潤體含水量也隨之增大且距滴頭越近含水量越大，外圍含水量則較小。土壤含水率分布同時受滴頭流量和灌水量的控制[8]。灌水量大小不僅影響濕潤體范圍，而且直接決定上層土壤鹽分含量[9-10]。

近年來壓砂地上大面積采用微咸水滴灌方式灌溉西瓜等作物，改變了壓砂地種植西瓜主要依靠天然降水的現狀。由于缺乏微咸水滴灌下滴頭流量及灌水量對壓砂地土壤水鹽分布的了解，生產實踐中滴頭流量及灌水定額的選擇具有很大的盲目性。土表覆砂改變了滴灌入滲的邊界條件，覆砂層孔隙多、入滲速率快，土壤層水分入滲速率相對較慢。邊界條件的改變也相應改變了土壤水鹽運移及分布特征。本文采用室內土槽模擬試驗，研究壓砂條件下微咸水滴灌滴頭流量及灌水量對土壤水分入滲及水鹽分布的影響，以期為壓砂地合理利用微咸水提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤采自銀川市西夏區平吉堡農場玉米地耕作層。供試土壤砂粒、粉粒、黏粒含量分別為33.6%、28.5%、37.9%，土壤質地為粉壤土(美國制)，土壤容重為1.45 g·cm-3，田間持水量為17.4%(質量)。土壤晾干后過1 mm篩備用。風干土含水率為2.0%(質量)，初始土壤浸提液(土水比為1∶5)電導率為0.21 dS·m-1。

供試覆蓋砂石取自中衛市沙坡頭區興仁鎮壓砂地中。砂石樣品取回后，用標準砂石套篩進行篩分共分6種粒徑(見表1)。不同粒徑砂石均用自來水反復清洗之后晾干備用。按照表1砂石級配重新混勻并測得砂石容重為1.9 g·cm-3。

表1 試驗砂層砂石級配

1.2 試驗方法

土槽試驗于2016年4—5月在寧夏大學土木與水利工程學院結構大廳內進行。試驗裝置示意見圖1，包括有機玻璃長方槽和馬氏瓶兩部分，有機玻璃槽(高×寬×長)70 cm×25 cm×38 cm，馬氏瓶直徑18.4 cm、高40 cm。利用馬氏瓶進行恒壓供水，滴灌流量采用1/4銅球閥控制，在進行試驗前通過測定單位時間內通過銅球閥的水流，旋轉銅球閥的旋鈕控制滴頭流量。銅球閥用夾子固定在土槽一角模擬滴灌，滴灌下土壤濕潤體形狀接近半球體，長方形土槽可以近似看作1/4的濕潤體，土槽一角看作球體的中心位置，在沿土槽長方向觀察土壤水分的水平和垂直入滲并用記號筆刻畫不同時刻濕潤鋒的位置。

圖1 試驗裝置示意圖

向有機玻璃土槽裝土時，按土壤干容重1.45 g·cm-3分層裝土，每5 cm一層，層與層之間打毛，共裝11層，之后在最上面兩層裝入不同粒徑混合的砂石混合物模擬壓砂條件，按1.9 g·cm-3裝入，土槽裝完靜置24 h后進行滴灌試驗。

試驗設置3個滴頭流量(0.85、1.70、3.40 L·h-1，灌水量為5.88 L)處理及3個灌水量(5.88、6.60、10.00 L，滴頭流量為3.40 L·h-1)處理，灌水量是根據計劃濕潤層深度分別為30、35、55 cm達到田間持水量計算獲得。灌溉水是根據壓砂地主要分布區中衛香山地區地下水的離子成分特點，用分析純NaCl、CaCl2和MgSO4按質量比2∶1∶2配置，其電導率為2.5 dS·m-1。土槽模擬試驗過程中按照預定時間記錄入滲量并在有機玻璃土槽上刻畫濕潤鋒位置，用直尺量取水平和垂直入滲距離。當灌水量達到目標灌水量時停止供水。

停止灌水后用直徑2 cm的土鉆采集距滴頭不同距離的砂層，分析砂層的含水率和砂層浸提液的電導率(砂水比為10∶1)；之后將砂層全部取出，用直徑2 cm的土鉆采集土壤樣品。在水平方向上按距滴頭5、10、15、20 cm等(根據濕潤體的大小來確定)，取樣深度以5 cm為間隔取土(實際深度依據濕潤體的大小來確定)。用烘干法測定土壤含水率(質量)，剩余土壤樣品晾干后測定土壤浸提液(土水比為1∶5)的電導率。

1.3 數據處理

試驗數據處理采用Excel和Origin 14.0進行數據整理、處理、擬合計算及繪圖，并采用Surfer14軟件繪制土壤含水率及電導率等值線圖。

2 結果與分析

2.1 滴頭流量對濕潤鋒遷移的影響

滴頭流量是影響滴灌條件下水分運動的重要因素，圖2為相同灌水量下3種滴頭流量對濕潤鋒垂直和水平運移的動態變化過程。從圖2可以看出，隨著滴頭流量增大，入滲時間縮短，導致土壤水分在垂直方向和水平方向的入滲存在較大差異(圖2a、2b)，進而改變了滴灌濕潤體的形狀(圖2c)。總體上看，增加滴頭流量促進了水分在垂直方向的運動，而小滴頭流量則有利于水分在水平方向運動。滴灌初期，同一滴頭流量下垂直入滲的距離顯著大于水平擴散距離。這可能由于覆砂的緣故，砂層大孔隙數量多，重力勢作用有利于垂直入滲，水分能夠迅速入滲。同一入滲時間下，水平擴散過程中3.40 L·h-1和1.70 L·h-1處理的濕潤鋒運移距離顯著大于0.85 L·h-1處理，但3.40 L·h-1和1.70 L·h-1處理之間無顯著差異。

滴灌過程中，濕潤體的形狀也發生了顯著變化。濕潤體垂直方向的距離/水平方向的距離可以反映濕潤體的形狀，該比值為1時表明濕潤體形狀接近球形，大于1時為橢球形。滴灌初期，垂直入滲比較快，濕潤體中垂直/水平的比值遠遠大于1。隨著滴灌時間延長，該比值急劇降低。如0.85 L·h-1處理的濕潤體垂直/水平的比值從1.75下降到1.1。滴頭流量對濕潤體垂直/水平的比值有明顯的影響，尤其是在濕潤體穩定后。從圖2c中可以看出，隨滴頭流量增大，濕潤體垂直/水平比值呈先減小后增大的趨勢，0.85、1.70 L·h-1和3.40 L·h-1流量下穩定濕潤體的比值分別為1.10、0.90和1.13。從該比值可以看出，0.85 L·h-1和3.40 L·h-1處理該比值接近于1.1，1.70 L·h-1處理該比值小于1，說明1.70 L·h-1處理在供試土壤上有利于水分在水平方向的分布。濕潤體的形狀除了與滴頭流量有關外，還與土壤質地有關，本試驗中供試土壤為粉壤土，其垂直入滲能力大于水平側滲能力。壓砂地分布區主要種植西瓜、甜瓜等瓜類，其根系分布比較淺。因此，從瓜類作物根系分布及供試土壤的特性來說，滴頭流量為1.70 L·h-1是比較適宜瓜類及粉壤土的滴頭流量。

圖2 滴頭流量對土壤水分垂直和水平方向入滲的影響

由表2可知，濕潤鋒水平入滲距離(X)、垂直入滲距離(Z)與入滲時間(t)存在顯著的冪函數關系，決定系數(R2)均大于0.95。從表2可以看出，隨滴頭流量增加，冪函數的常數項呈增加趨勢，冪指數項則呈先增加后降低趨勢。在壓砂地上滴頭流量0.85 L·h-1的水平入滲的冪指數明顯小于1.70 L·h-1和3.40 L·h-1處理。根據不同的灌水時間可以計算出3種滴頭流量在水平方向的擴散距離和垂直方向的入滲距離，可為實際工程滴頭流量、滴頭間距以及濕潤比等參數的優選提供理論依據。

表2 滴頭流量對濕潤體水平入滲及垂直入滲的影響

2.2 滴灌灌水量對濕潤鋒遷移的影響

在農業灌溉中，通過濕潤鋒與灌水量之間的關系可以調控計劃濕潤層深度[11]。圖3為相同滴頭流量(3.40 L·h-1)不同灌水量下濕潤體水平入滲距離(X)和垂直入滲距離(Z)隨入滲時間(t)的變化過程。由圖3可知，灌水量越大，持續入滲時間越長，垂直入滲距離和水平入滲距離均呈增長趨勢(圖3a、3b)，但在整個入滲過程中相同入滲時間內，無論垂直入滲還是水平入滲灌水量處理之間差異不明顯。

圖3 灌水量對濕潤體垂直入滲、水平入滲的影響

在入滲過程中，濕潤體的垂直距離/水平距離的比值先急劇降低之后趨于穩定。在滴頭流量為3.40 L·h-1時，濕潤體的垂直/水平比值從1.4下降到1.1～1.3左右，5.88 L和6.60 L處理的垂直距離/水平距離比值接近1.1，而灌水量增大后濕潤體穩定后的比值為1.3。這說明增加單個滴頭灌水量促進了水分的垂直入滲。因此，在壓砂地上滴灌設計時根據作物計劃濕潤層深度與滴頭流量確定適宜的灌水量，提高水分利用效率。

由表3可知，濕潤體水平入滲距離、垂直入滲距離與入滲時間同樣存在顯著的冪函數關系，決定系數(R2)均大于0.99。水平入滲的冪函數指數b隨灌水量增加呈先減小后增大的趨勢，而垂直入滲的冪函數指數d則隨灌水量增加則呈先增加后減小的趨勢，這表明壓砂地上相同滴頭流量條件下隨著灌水時間延長水平入滲的距離增加速率比垂直入滲的快。

表3 滴灌灌水量對濕潤體垂直入滲和水平入滲的影響

2.3 滴頭流量及灌水量對砂層水鹽分布的影響

壓砂地上水分首先要經過砂層才能達到土壤層，砂層對從滴頭出水起到了二次分配的作用。砂層含水率的分布狀況亦會影響水分向下層的運動；另外，砂層是一種多孔介質，能存儲一部分水分。圖4顯示出，砂層水分含量在沿滴頭水平方向呈現波動起伏，這反映了砂層的非均質性對砂層含水率的影響；隨距滴頭距離增加，砂層含水率呈減小的趨勢。這也反映了砂層在水平方向具有一定水分傳導的能力。

灌水量相同時，滴頭流量對砂層含水率影響較大。從圖4a可以看出，滴頭流量為1.70 L·h-1的砂層含水率大于0.85 L·h-1和3.40 L·h-1處理，0.85 L·h-1處理砂層含水率最小。這是因為相同灌水量時，滴頭流量越大灌水時間縮短，水分在砂層中擴散的時間和擴散距離縮短，而滴頭流量越小灌水時間越長，砂層中的水分在重力作用下向土壤層入滲，使得砂層含水率降低。

從圖4b可以看出，滴頭流量相同時，灌水量越大，砂層含水率反而降低，但砂層含水率沿水平方向變化幅度減小。這是因為灌水量大，入滲時間長，砂層所能保持的水分減少。對于灌水量為10.00 L的處理，距離滴頭0～20 cm范圍內的砂層含水率在3.5%～4.5%之間，而灌水量為6.60 L的處理中砂層含水率則從7%下降到3.5%。

圖4 滴頭流量及灌水量對砂層含水率的影響

從圖5可以看出，滴頭流量對砂層電導率存在一定程度的影響，0.85 L·h-1處理在距滴頭水平距離0～35 cm范圍內砂層電導率介于0.10～0.15 dS·m-1，1.70 L·h-1處理則在0.13～0.20 dS·m-1之間，3.40 L·h-1與0.85 L·h-1處理砂層電導率比較接近。相同滴頭流量下灌水量對砂層電導率影響不大，但都隨著距滴頭距離增加呈下降趨勢。

圖5 滴頭流量及灌水量對砂層電導率的影響

2.4 滴頭流量對土壤水鹽分布的影響

圖6為覆砂條件下不同滴頭流量的土壤含水率等值線圖。從圖6可以看出，水分在砂層中運移后才進入土壤，所以含水率重心點的位置并不在滴頭附近。0.85 L·h-1處理含水率為20%的范圍在水平方向0～20 cm和垂直方向0～15 cm；1.7 L·h-1處理含水率為21%的范圍在水平方向10～15 cm和垂直方向10～15 cm；3.4 L·h-1處理含水率為20%的范圍在水平方向0～15 cm和垂直方向7～17 cm左右。砂層起到了水分傳導的作用，將滴灌的點源入滲變成了部分飽和的砂層面源入滲，改變了土壤水分的分布規律。由此看出，滴頭流量小，水分在水平方向上分布范圍廣，而滴頭流量越大則越有利于在垂直方向上分布。

圖6 滴頭流量對土壤含水率分布的影響

圖7為不同滴頭流量覆砂條件下土壤鹽分等值線分布圖。從圖7可以看出，鹽分含量低的區域(即鹽分淋洗區域)并沒有分布在滴頭附近，反而是在距滴頭較遠的區域。如0.85 L·h-1處理0.15 dS·m-1包圍的范圍水平方向距滴頭11～25 cm，垂直方向在0～15 cm；1.70 L·h-1處理的范圍水平方向距離滴頭8～25 cm，垂直方向在0～12 cm；3.40 L·h-1處理的范圍水平方向距離滴頭12～27 cm，垂直方向在0～10 cm。隨著滴頭流量減小，鹽分淋洗區域的面積增大，而鹽分累積區在濕潤鋒處。

圖7 滴頭流量對土壤鹽分分布的影響

2.5 滴灌灌水量對土壤水鹽分布的影響

圖8為相同滴頭流量(3.40 L·h-1)不同灌水量條件下土壤含水率分布圖。由圖8可知，隨著灌水量增加，濕潤體中高含水率(19%～20%)的范圍無論是水平方向還是垂直方向均逐漸擴大，而且隨著灌水量增加，濕潤體土壤含水率的分布模式與裸地時滴灌下土壤含水率的分布模式一致，即土壤含水率沿著滴頭從水平和垂直兩個方向呈遞減的趨勢。這說明灌水量較低時，砂層對土壤含水率的分布影響較大，灌水量增大之后，砂層對土壤含水率分布的影響逐漸減小。

圖8 滴灌灌水量對土壤含水率分布的影響

灌水量是微咸水灌溉條件下控制鹽分分布的重要因素之一，只有達到一定的灌水量，上層土壤鹽分才會得到充分淋洗。圖9為灌水量對壓砂條件下土壤鹽分分布的影響。由圖9可知，低鹽分布區范圍隨著滴灌灌水量增大不斷擴大，并且低鹽分布區在水平方向上逐漸向滴頭靠近。由于灌水量的差異，導致進入土體的鹽分也存在差異，隨著灌水量的增加，在濕潤鋒處累積的鹽分呈增加趨勢。

圖9 滴灌灌水量對土壤鹽分分布的影響

3 討 論

3.1 滴頭流量及灌水定額對覆砂條件濕潤體特征的影響

滴灌條件下濕潤體的形狀大小和特征受眾多因素影響，如土壤質地、容重、滴頭流量及灌水定額等[11-12]，其中滴頭流量與灌水定額是影響濕潤體形狀的主要因素。因此，明確覆砂條件下微咸水滴灌滴頭流量與灌水定額對制定滴灌灌溉計劃具有重要作用。就現有的研究來看，滴頭流量對濕潤體影響的研究存在不同的結論。有研究表明[13-16]，隨滴頭流量增加濕潤鋒半徑增大，即增加了水平運移距離；也有研究認為，相同灌水量時，增加滴頭流量促進了濕潤鋒垂直方向運移[17]。本研究中，隨滴頭流量增加水分在水平方向及垂直方向運移距離均呈增加趨勢，但垂向距離/水平距離的比值表明，滴頭流量增加有利于土壤水分的垂向運移，這與魏群等[18]的研究結果一致。李道西等[19]等認為這與土壤質地關系密切，在砂土上增加滴頭流量促進了濕潤鋒垂直運移，對于輕壤土則有利于濕潤鋒水平運移。濕潤體的體積及半經與灌水量之間呈正比關系[8,20-22]。本試驗中也可以看出，濕潤鋒水平及垂直距離均隨灌水量增加而增大。

覆砂條件下，濕潤鋒的水平距離和垂直距離均與入滲時間呈顯著的冪函數正相關關系。但冪函數的常數項與指數項與裸地條件下的相應常數存在較大差異。魏群等[18]對陜北黃綿土入滲的研究結果表明，滴灌條件下水平和垂直入滲距離均與入滲時間呈顯著的冪函數關系，在滴頭流量4.0 L·h-1時，水平和垂直方向的冪函數系數為2.273和0.885，指數分別為0.449和0.646。而本研究中，3.4 L·h-1處理中水平和垂直方向的系數分別為9.69和14.15，指數分別為0.26和0.20。這表明覆砂條件下滴灌初始入滲速率較快，而在入滲過程中濕潤鋒運動速率較裸地慢。這可能是因為水分通過砂層時入滲速率快，而經過砂層后，由于砂層對水分入滲有時滯效應及二次分配作用，使得濕潤鋒運動速率變緩。

3.2 滴頭流量及灌水定額對壓砂條件下土壤水鹽分布的影響

一般而言，滴灌條件下土壤水分隨著離滴頭水平距離的增加呈減小趨勢[12]，土壤鹽分主要分布在濕潤體的邊緣。本研究中，在灌水量為5.88 L時土壤高含水率區以及低含鹽量區均沒有出現在滴頭周圍，而是出現在離滴頭較遠的位置，并隨著滴頭流量增加，土壤高含水率區以及低含鹽量區向滴頭位置靠攏。這種現象與土壤表層覆砂有關，覆砂之后改變滴灌點源入滲的方式，首先水分在砂層中向水平及垂直方向運動，滿足砂層的持水量后水分才可以通過砂層中的孔隙入滲到土壤中，從而改變了土壤水分和鹽分分布模式。砂層的這種影響隨著灌水量增加而不斷減弱(圖8和圖9)。這可能是因為灌水量增大時砂層達到飽和，砂層中水分在水平方向傳導能力降低，滴灌的水分沿著滴頭下方的飽和區進入土壤，此時砂層的效應減弱。因此，在壓砂地上滴灌帶的布置應當與作物種植行的中心位置錯開一定的距離，為作物提供較好的水鹽環境。

低含鹽量即鹽分淋洗區域的面積，在灌水量相同條件下，小滴頭流量處理下鹽分淋洗區域的面積最大，即小滴頭流量有利于土壤鹽分的淋洗，這與劉春卿等[6]、王一民等[13]、郭安安等[23]研究結果一致。土壤含水率隨著灌水量增加而增加，鹽分淋洗區的范圍不斷擴大。

4 結 論

1)滴頭流量越大，濕潤鋒在水平和垂直方向上運移距離越大，濕潤鋒的水平和垂直入滲距離與入滲時間之間存在冪函數關系。從濕潤體的垂直距離/水平距離的比值來看，滴頭流量越大越有利于水分的垂直入滲，越小則有利于水平入滲。

2)砂層覆蓋改變了微咸水滴灌條件下土壤水分、鹽分的分布規律，高含水率及低鹽分分布區出現在離滴頭較遠的區域，并隨著滴頭流量增加逐漸向滴頭附近靠攏。

3)隨滴灌灌水量增加高含水率及低鹽分分布區的范圍不斷擴大，土壤水分及鹽分分布模式越接近無覆砂條件下的分布模式。