滯后連續滴水的自動化三管對北疆棉田濕潤體鹽分的影響

阿依波爾·達吾列提開來得，董文明，葉爾古麗·奴爾沙哈提，穆哈西

(新疆農業大學水利與土木工程學院/新疆水利工程安全與水災害防治重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830052)

土壤鹽堿化是在干旱、半干旱條件下，不合理灌溉及管理不當所造成的土壤退化(鹽堿化)問題，也是世界關注的焦點。近年來，地下水源的礦化度增大，導致鹽堿地的面積不斷擴大，隨著鹽堿化面積的擴大，采用大水漫灌控制鹽分的壓鹽用水量也增多。目前使用滴灌技術可節約了部分灌溉用水量，但是滴灌條件下鹽分積累在濕潤鋒邊緣，由于單個滴灌滴頭流量及濕潤體較小，無法淋洗作物根系發育范圍內的鹽分，所以土壤的鹽堿化日益加劇直接影響作物根系，導致作物的產量降低甚至絕產(如圖1所示)，因而研究作物根系發育范圍內鹽分的意義很大。

目前國內外改良鹽堿地的研究成果以下幾個方面：(1)土壤鹽堿化與地下水位的關系研究；(2)大型工程對于土壤鹽堿化發生的季節性和梯度表現的研究；(3)秸稈條件下土壤水鹽的變化規律研究；(4)大水壓鹽對水鹽的變化趨勢研究等；(5)新疆許多學者的研究主要集中在對滴灌條件下水分在土壤中的入滲規律及濕潤體的變化，有些研究者采用數值計算的方法模擬計算了單個滴頭對土壤濕潤體水鹽的分布情況，證明了土壤鹽分積累在濕潤體邊緣，但是作物根系范圍內積累的鹽分仍然存在(如圖2所示)。由于滴灌條件下土壤鹽分積累在濕潤體邊緣，所以新疆采用每年2～3次大水漫灌壓鹽的方法控制鹽分(如圖3所示)，秋季一次平均壓鹽用水定額為3000～4500 m/hm甚至更多。近年來，由于新開墾面積增大，水資源短缺和土壤的鹽堿化已成為新疆農業可持續發展的障礙。

圖1 鹽堿化的滴灌棉田

圖2 滴灌濕潤體邊緣積累的鹽分 圖3 漫灌的核桃地

新疆降雨稀少、蒸發量大、水資源短缺，在滴灌時不僅鹽分積累在濕潤鋒邊緣，而且滴灌淋洗鹽分的范圍小。因而作者以滴灌條件下鹽分積累在濕潤體邊緣為切入點，采用三條管滯后連續滴水的方法擴大濕潤體的脫鹽范圍，淋洗根系發育范圍內積累的鹽分，降低根系發育范圍內積累的鹽分對作物的影響。根據滴灌條件下鹽分積累在濕潤體邊緣的情況，將現有的滴灌改為滯后連續滴水的自動化裝置，即“一種追壓濕潤鋒邊積累鹽分的自動化三管裝置”。根據濕潤體內檢測的鹽含量來確定毛管間距及滴水時間間隔。在此基礎上，采用滴頭錯位布置的三管滯后連續滴水的方法，灌水4次后濕潤體的40 cm處取土檢測鹽分，從而揭示其淋洗作物根系發育范圍內的鹽分，為節水淋洗毛根系發育范圍內的鹽分提供科學和實踐依據。

1材料與方法

1.1水樣和土樣的取樣及測定方法

試驗于2019年4月至2021年9月新疆農業大學實驗室進行，最高溫度25℃，最低溫度20℃。試驗土取自呼圖壁縣二十里店棉花地，試驗土為以硫酸根離子為主的鹽土。土樣不同深度平均初始鹽量(離子總量)為10.53 g/kg，取土深度為0～60 cm，pH=8.52(如表1所示)，初始含水率為6%，土壤容重為1.25 g/cm，水樣的pH=8.62，灌溉水源初始含鹽量(離子總量)9.5 g/kg(當地的水做灌溉水源)。試驗設備有環刀、土鉆、尺子、烘干箱、鋁盒、電子秤、水箱、滴灌管、毛管及滴頭。

對試驗土進行碾壓、曬干、粉碎、過篩后，分層夯實裝在土箱內，土壤容重調節為1.25 g/cm，試驗土箱的長度和寬度為2 m，深度為1 m，試驗5個土箱內分別進行(重復一次)。土壤含水量采用烘干法，土壤容重采用環刀法，水樣和土樣鹽分測定采用溶液法。

表1 灌溉水源和試驗地土樣的初始狀況(g/kg)

1.2試驗參數的選定

1)毛管間距的確定。根據土壤對水分的吸濕能力和土壤參數(包括土壤性質、容重、初始含鹽量及土壤含水量)的基礎上，毛管直徑為φ16、滴頭間距為20 cm，滴頭流量為3 L/h，中心的1號毛管為基準，中心的1號管滴水2 小時后結束試驗，采用曬干濕潤體的方法和濕潤體內水平和垂直不同梯度取土檢測含鹽量的方法，然后根據試驗的結果進行比較確定毛管間距，也就是確定1號毛管左右兩側的2號毛管和3號毛管的安裝位置。

表2 三種1號管兩側毛管間距方案的濕潤體和脫鹽半徑比較

2)最優方案的確定(如表2所示)。方案1是在毛管間距為10 cm，滴頭流量3 L/h的條件下，當滴灌滴頭滴水時間2 小時時，不僅土壤濕潤體半徑較小，而且出現地面積水的現象，濕潤體曬干7天后，在濕潤體邊緣積累的鹽分反彈后脫鹽半徑變小；方案2是在滴頭流量和滴水時間不變，毛管間距為15 cm的條件，可避免地面積水，濕潤體曬干7天后，在濕潤體內的鹽分反彈后的脫鹽半徑較大，可覆蓋根系的發育范圍，因此，毛管間距適當；方案3是滴頭流量和滴水時間不變，毛管間距為20 cm的條件，滴水后，土壤濕潤體和脫鹽半徑都大，但是中心1號管與左右兩側毛管(1號和2號)濕潤體間產生交匯鋒，淋洗濕潤體交匯鋒之間鹽分的能力降低，淋洗鹽分的效果不理想。因此，中心管左右兩側的毛管分別安裝在中心1號毛管的15 cm處最合適。

1.3自動化三管滴水概況

1)基本思路。自動化三管滴水由兩個部分組成：一是中心1號毛管滴水2 小時后結束試驗，采用濕潤體內取土和曬干剖面法，以滴灌濕潤體的大小和含鹽量及剖面鹽分的反彈足跡為依據，確定中心1號毛管兩側的2號和3號毛管的安裝位置；二是根據試驗1的結果，另一土箱內1號毛管的左右兩側安裝2號和3號毛管，中心1號毛管滴水2小時后，2號和3號毛管開始滴水，這時三支毛管同時滴水，且同時滴水2小時后停水，這樣灌水4次后三條毛管的濕潤體曲線如圖4所示。

2)自動化過程。自動化裝置由支管、3條毛管、機電箱、繼電器、時間繼電器及1和2號球閥組成(如圖5所示)。繼電器和時間繼電器安裝在機電箱內，繼電器的一邊與電源相連，另一邊與1號和2號球閥相連；其中1號球閥來控制總灌水量、停水時間及灌水周期， 2號球閥來控制2號毛管和3號毛管的滴水時間。用繼電器檢測電源開關及電磁閥的正常狀況，然后自動開啟1號球閥，設定的2小時(可調節)滴水時間作業完工后，2號球閥自動開啟，這時三支毛管同時滴水，且滴水2小時后自動停水。

3)滯后連續滴水。中心的1號毛管滴水2小時后2號和3號毛管開始滴水，這時三條毛管同時滴水2小時后同時停水。如1號毛管從8:00開始滴水12:00停水，2號和3號毛管從10:00開始滴水12:00停水(如圖6所示)。

圖4 三管灌水4次后的濕潤體

圖5 三管的自動化示意圖 圖6 三管的滴水規律

1.4數據的測定方法

1)確定濕潤體含鹽量檢測點的方法。根據已確定的參數，滴頭間距為20 cm，滴頭流量為3 L/h，毛管間距為15 cm，滴頭錯位布置的條件下灌水4次(如圖7所示)。在此基礎上，以濕潤體曬干7天后的鹽分反彈足跡為依據，滴灌的濕潤體內每10 cm和不同深度取土檢測含鹽量(如圖8所示)，共取土檢測10個點的含鹽量(八大離子)。由于檢測鹽分的點數和數據多, 為清楚地解釋植物根系發育范圍內鹽分的變化情況，選擇檢測鹽分分析點的位置是非常重要。

2)檢測鹽分分析點位置的選擇。檢測結果表明：濕潤體隨灌水次數的增多而變大，濕潤體內鹽分也向濕潤體邊緣方向運移(積累)，濕潤體脫鹽邊界線內的鹽分逐漸降低，鹽分積累在濕潤體邊緣；濕潤體剖面曬干7天后鹽分的反彈距為5 cm，濕潤體內的鹽分只反彈在過渡區內(如圖7和8所示)；棉花根系的發育范圍主要分布在10～40 cm的深度,水平分布在距主干0～40 cm的范圍。綜合上述3種原因，對濕潤體40 cm處檢測的含鹽量進行分析(如圖8所示)。在此基礎上，以土樣初始含鹽量的均值為依據，與檢測鹽分的均值進行對比，計算濕潤體含鹽量的降低量。

2結果與分析

2.1濕潤體的40 cm處不同深度鹽分的變化過程

三管滯后連續滴水所產生濕潤體如圖8所示。灌水4次后濕潤體的40 cm處不同深度取土檢測鹽分(如表3所示)。結果表明：濕潤體內的鹽分隨灌水次數的增多而降低，濕潤體內鹽分逐漸向濕潤體邊緣積累，深度為60 cm以上的鹽分呈降低趨勢，脫鹽效果很明顯；含鹽量的平均值按大小排為：SO>K+Na>Cl>Ca>HCO>Mg。

表3 灌水4次后土壤不同深度的含鹽量(g/kg)

2.2濕潤體水平40 cm處不同深度鹽分的降低量

不同深度的土樣初始含鹽量減去灌水4次后不同深度的含鹽量可獲得鹽分降低量(如表4所示)。土壤不同深度的鹽分降低量按大小排為：SO>K+Na>Ca>HCO>Mg> Cl。

2.3總體分析

土樣初始含鹽量均值和灌水4次后的含鹽量均值繪制濕潤體鹽分的垂直及平均方向的運移過程(如圖9所示)。結果表明：土壤初始含鹽量均值B曲線(來自表1的最后一列)，灌水4次后鹽含量的均值A曲線(來自表3的最后一列)，A和B曲線的差值表明含鹽量的降低量；在濕潤體的水平40 cm處不同深度含鹽量的降低量有所不同，易溶鹽含量多降低量也多，反之相反(如圖10所示)；濕潤體的30 cm以內的淋洗鹽分的效果好，30 cm以外降低的含鹽量少。這進一步表明鹽分積累在濕潤體邊緣的原理。

表4 灌水4次后土壤不同深度的鹽分降低量(g/kg)

圖9 灌水前后含鹽量的變化

圖10 不同深度含鹽量的低過程線

不同深度鹽分的降低量不僅跟灌水次數有關，而且跟不同深度土壤容重及易溶鹽的多少也有關系。在三管滯后連續滴水的條件下，灌水4次后深度為0～50 cm之間的鹽分呈不斷降低趨勢，尤其是深為0～30 cm處的降低量最多。SO在土深為0～40 cm范圍內的降低量較大，其余的鹽分逐漸降低向濕潤體邊緣運移。說明濕潤體內的含鹽量隨灌水次數的增多而向濕潤體邊緣運移，逐步積累在濕潤體邊緣。

3討論與結論

植物根系的發育范圍因種類不同而有差異，寧夏1號枸杞垂直根系主要分布在20～40 cm的深度,水平根系主要分布在距樹干0～14 cm的范圍；玉米80%的毛根系垂直分布在50 cm的深度以內,水平根分布在距玉米干的35 cm范圍之內；葡萄80%的垂直根系主要分布在60 cm的深度以內,水平根系主要分布在距葡萄干的40 cm范圍。本研究結果表明：在三管滯后連續滴水的條件下，濕潤體40 cm的鹽分滿足密植作物棉花、玉米、枸杞、葡萄等作物毛根系的發育范圍的淋洗要求，這與土壤水鹽隨水運移的規律一致。

為摸清呼圖壁縣二十里店棉花地的鹽堿化原因，以當地的土壤和水源為材料，在土壤容重和滴水量已定的條件下，采用滴頭錯位布置的三管滯后連續滴水的方法，灌水4次后，滴灌的濕潤體內每10 cm和不同深度取土檢測含鹽量(八大離子)。根據棉花毛根系的發育范圍及鹽分的運移過程進行分析，揭示其淋洗根系發育范圍內的鹽分變化，為節水洗鹽提供科學和實踐依據。

本研究表明：在三管滯后連續滴水的條件下，濕潤體曬干7天后，鹽分的反彈距為5 cm，濕潤體40 cm的鹽分隨灌水次數的增多而降低，離滴頭越遠濕潤體邊緣積累的鹽分越多，鹽分積累在濕潤體邊緣；采用三管滯后連續滴水的方法，可以擴大脫鹽范圍、降低鹽分對作物根系的影響；采用三管滯后連續滴水4次后，土壤含鹽量降低，不同深度鹽分的降低量不僅跟灌水次數有關，而且跟不同深度土壤容重及易溶鹽的多少有關；通過三管滯后連續滴水的方法針對性滴水把濕潤體內積累的鹽分往外追壓，從而擴大濕潤體脫鹽范圍。