插入式地下滴灌對土壤入滲和水鹽分布的影響

朱 珠,張旭賢,王世昌,文 豪,蔡桂香

(1.塔里木大學水利與建筑工程學院,新疆阿拉爾 843300;2.新疆維吾爾自治區教育廳普通高等學校現代農業工程重點實驗室,新疆阿拉爾 843300)

0 引 言

【研究意義】準確估計地表和地下灌溉系統的濕潤面尺寸,及其影響水鹽運移規律的探究,對于水資源的優化管理和提高灌溉系統的性能具有重要意義[1-5]。研究不同滴頭流量與滴頭埋深對濕潤體入滲深度、寬度、入滲速率、水鹽分布特征和土壤脫鹽情況的影響規律,對插入式滴灌的應用有實際意義。【前人研究進展】不同灌水時長及滴頭流量對濕潤體大小、形狀、濕潤鋒運移范圍等開展室內外試驗研究[6-10],認為濕潤體的形狀一般近似為半橢圓形、半圓形及拋物線形;濕潤鋒垂向深度和水平入滲距離分別與入滲時間存在極顯著冪函數關系,濕潤體特征值與土壤含水量呈極顯著相關關系。而在水分與鹽分的關系中,基本呈鹽隨水動、鹽隨水聚與水去鹽存運行規律,是否能將鹽分推移淋洗至根區耐鹽范圍外,是重點研究問題[11-15]。【本研究切入點】點源地表與地下滴灌的研究成果主要集中于土壤質地、初始含水率、滴頭流量、灌水時間、壓力等不同因素對濕潤鋒及濕潤體含水率的影響,而插入式地下滴灌在不同埋深和滴頭流量條件下,隨水分推進過程中鹽堿土壤鹽分的變化規律研究較少。【擬解決的關鍵問題】研究采用室內土柱試驗,分析不同滴頭流量與滴頭埋深對濕潤體入滲深度、寬度、入滲速率、水鹽分布特征和土壤脫鹽情況的影響規律,為插入式地下滴灌應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

供試土壤取自新疆塔里木大學水利與建筑工程學院節水灌溉試驗基地,土壤類型為砂壤土,初始電導率為3 050 μS /cm,依據當地土壤水溶性鹽含量與土水比1∶5的土壤溶液電導率EC1∶5換算關系,土壤水溶性鹽含量(g/kg)= 0.003 15EC1∶5(μS/cm)+0.377 13。供試土壤屬重度鹽化土。土壤容重為1.35 g/cm3,土壤田間持水量為22.69%[16]。

1.2 方 法

采用室內土柱試驗,選取濕潤體的1/4作為研究對象,滴頭流量也為實際滴頭流量的1/4。以地表滴灌且滴頭流量為0.3 L/h為對照處理,滴頭流量和滴頭埋深為影響因素,兩個因素分別有兩個水平,共5個處理,每個處理3個重復。探討插入式地下滴灌在不同滴頭流量和不同埋深條件下,對鹽堿土壤水分入滲過程和土壤水分、鹽分分布的影響規律。李久生等[17]研究認為地下滴灌的滴頭流量比在空氣中減少,通過預實驗發現由恒流泵供水6 h,在單位時間內累積入滲量不減少。采用恒流泵供水。由BT100-02恒流泵(精確控制水壓和流量)、土柱和插入式滴頭組成,滴頭由中國農業科學院農田灌溉研究所研發[18]。土柱由亞克力板制成,長50 cm、寬50 cm、高50 cm。取灌溉試驗基地0～20 cm春季返鹽土壤,風干后,過1 mm 篩,以5 cm分層,按容重1.35 g/cm3裝填土柱,層間打毛,土柱裝好后自然沉降24 h,以供滴水試驗。滴水開始,秒表記錄土壤水平和垂直入滲長度數據。每次記錄濕潤鋒運移位置時,沿土柱兩側測定,取平均值。灌水時間為6 h,灌溉水取自自來水,電導率為510 μS/cm。灌水結束后,立即在土壤濕潤體內以距離滴頭位置水平方向10 cm間隔布設取樣點,每個取樣點處以向下5 cm深度為間隔取土樣,直至濕潤鋒處。由烘干法測定土壤質量含水量,土壤電導率值由DDSJ-308A電導率儀測定。表1,圖1

1.3 數據處理

應用CAD2011繪制濕潤峰并計算濕潤面面積,Origin 2019分析數據與作圖。土壤脫鹽率由下式計算。

土壤脫鹽率(積鹽率)(%)=

(1)

其中:“+”為脫鹽率,“-”為積鹽率

表1 試驗方案Table 1 Experiment treatments

1.量筒;2.恒流泵;3.土柱;4.濕潤鋒運移曲線

2 結果與分析

2.1 水平、垂直入滲速率與濕潤面變化特征

研究表明,在點源滴灌作用下,初始狀態的水通過非飽和土壤被吸收,逐漸擴散形成濕潤體。濕潤體的大小和范圍是影響作物根系吸收水分的關鍵因素。插入式滴灌在地下施水時,濕潤鋒輪廓線近似為橢圓形,當水分入滲至地面后濕潤輪廓線近似呈窄深拋物線形。T1處理在灌水60 min后,水分入滲至土壤表面,入滲結束后水平方向濕潤鋒最大運移長度為19.1 cm,垂直方向濕潤鋒最大運移深度在土壤表面以下27.2 cm;T2處理在灌水210 min后,水分入滲至土壤表面,入滲結束后水平方向濕潤鋒最大運移長度為17.8 cm,垂直方向濕潤鋒最大運移深度在土壤表面以下32.8 cm;T3處理在灌水50 min后,水分入滲至土壤表面,入滲結束后水平方向濕潤鋒最大運移長度為23.7 cm,垂直方向濕潤鋒最大運移深度在土壤表面以下34.6 cm;T4處理在灌水150 min后,水分入滲至土壤表面,入滲結束后水平方向濕潤鋒最大運移長度為23.3 cm,垂直方向濕潤鋒最大運移深度在土壤表面以下38.1 cm。CK處理土壤濕潤面面積為403.936 cm2,與CK處理相比較T1處理土壤濕潤面積增加了18.01%;T2處理土壤濕潤面積增加了19.06%;T3處理土壤濕潤面積增加了66.99%;T4處理土壤濕潤面積增加了81.82%。土壤表面以下水分入滲深度和濕潤面面積隨滴頭流量增大和滴頭埋深增加而增大。圖2

圖2 不同滴頭流量與埋深處理濕潤面變化特征

各處理水平入滲速率略大于垂直入滲速率。整體趨勢表現為,從灌水開始時至滴水后120 min入滲速率快速下降,為土壤基質吸力和重力作用下的瞬變階段。水分入滲120 min后入滲速率逐漸趨于穩定,水分充滿土壤孔隙,為重力起主導作用的穩滲階段。比較各處理垂直和水平入滲速率大小,表現為T4>T3>CK>T2>T1,與CK處理相比較,T1處理平均入滲速率減幅為7.98%,T2處理平均入滲速率減幅為28.17%,T3處理平均入滲速率增幅為0.46%,T4處理平均入滲速率增幅為10.33%。當滴頭流量較小時,地下滴灌的入滲速率小于地表滴灌,且隨著滴頭埋深增加,入滲速率降低;當滴頭流量增加1倍時,地下滴灌的入滲速率大于地表滴灌,且隨滴頭埋深增加,入滲速率增大。圖3

圖3 各處理垂直與水平入滲速率隨時間變化特征

2.2 不同滴頭流量與埋深對土壤水分空間分布的影響

研究表明,濕潤體水分分布呈現出三個區域:滴頭區域飽和區、含水量隨深度增加而減少的過渡區及濕潤峰處的干濕交界區。滴灌結束時,土壤含水率以滴頭為中心,隨距滴頭水平距離和深度增加而減小。CK處理土壤含水量平均值為20.21%。與CK處理相比較,T1處理土壤含水量平均值增加2.48%,T2處理土壤含水量平均值增加1.37%,T3處理土壤含水量平均值增加5.72%,T4處理土壤含水量平均值增加8.94%。各處理在濕潤峰處的土壤含水量均大于田間持水量的60%(即13.61%)。濕潤體內水分含量能夠滿足作物生長所需水分。

各處理土壤水分含量峰值均在距離滴頭0～10 cm水平半徑范圍,而深度峰值范圍有所變化。CK處理在土層深度0～15 cm土壤含水量達到峰值;T1處理在土層深度0～20 cm含水量達到峰值;T2處理在土層深度0～25 cm土壤含水量達到峰值;T3處理在土層深度0～30 cm土壤含水量達到峰值;T4處理在土層深度0～35 cm范圍土壤含水量達到峰值。當滴頭流量相同時,增加滴頭埋深能夠增加土壤水分峰值范圍;當滴頭埋深相同時,土壤水分峰值范圍隨滴頭流量增加而增加。

圖4 各處理水分空間分布特征

CK處理土壤濕潤深度為22.5 cm。T1處理土壤持水效率為2.56%,T2處理土壤持水效率為3.82%,T3處理土壤持水效率為9.81%,T4處理土壤持水效率為13.35%。隨滴頭流量和滴頭埋深增加,土壤持水效率增加。圖4

2.3 不同滴頭流量與埋深對土壤鹽分的影響

研究表明,各處理水平方向鹽分淡化區范圍均在距離滴頭水平方向0～15 cm水平半徑范圍。CK處理土壤電導率由滴頭處279 μS/cm增加至濕潤峰處10 120 μS/cm,脫鹽區深度為0～10 cm;T1處理土壤電導率由滴頭處294 μS/cm增加至濕潤峰處10 300 μS/cm,脫鹽區深度為0～20 cm;T2處理土壤電導率由滴頭處276 μS/cm增加至濕潤峰處10 720 μS/cm,脫鹽區深度為10～25 cm;T3處理土壤電導率由滴頭處279 μS/cm增加至濕潤峰處10 800 μS/cm,脫鹽區深度為0～25 cm;T4處理土壤電導率由滴頭處266 μS/cm增加至濕潤峰處10 970 μS/cm,脫鹽區深度為0～30 cm。圖5

圖5 各處理鹽分空間分布特征

土層深度土壤脫鹽率CK處理0～5 cm為81.85%,5～10 cm為55.56%,土層深度土壤積鹽率10～15 cm為5.88%,15～20 cm為30.25%,20～22.5 cm為141.64%;土層深度土壤脫鹽率T1處理0～5 cm為45.98%,5～10 cm為73.83%,10～15 cm為70.68%,15～20 cm為54.35%;土層深度土壤積鹽率20～25 cm為43.49%,25～30 cm為84.92%;土層深度土壤積鹽率T2處理0～5 cm為67.98%,土層深度土壤脫鹽率5～10 cm為66.37%,10～15 cm為74.51%,15～20 cm為63.56%,20～25 cm為23.57%;土層深度土壤積鹽率25～30 cm為110.62%;30～32.8 cm為251.48%;土層深度土壤脫鹽率T3處理0～5 cm為46.1%,5～10 cm為56.64%,10～15 cm為71.96%,15～20 cm為45.11%,20～25 cm16.97%;土層深度土壤積鹽率25～30 cm為45.65%;30～34.6 cm為254.1%;土層深度土壤脫鹽率為T4處理0～5 cm為20.54%,5～10 cm為72.96%,10～15 cm為78.34%,15～20 cm為79.15%,20～25 cm為75.95%;25～30 cm為68.04%;土層深度土壤積鹽率30～35 cm為59.89%;35～38.1 cm為208.03%。滴灌結束時,土壤鹽分以滴頭為中心,滴頭區域飽和區呈現顯著脫鹽區,濕潤峰處呈現顯著積鹽區。當滴頭流量為0.3 L/h,隨滴頭埋深增加,脫鹽區下移,表層積鹽,下層積鹽率也增加,滴頭埋深15 cm處理,在灌水時間內所施入的水量驅動力只能夠將土壤鹽分向滴頭上方運移,因此使土壤鹽分呈表聚現象。而當滴頭流量增加至0.6 L/h,隨滴頭埋深增加,土壤脫鹽區和脫鹽率增加,土壤積鹽區的積鹽率減小。圖6

圖6 各處理不同土層深度土壤平均脫鹽(積鹽)率變化

3 討 論

地表滴灌受蒸發耗水較大,地表濕潤范圍大,含水率較高,地下滴灌更具有節水和降耗的優點[19-20]。與楊明達等[21]研究結果一致,地下滴灌增加了土壤濕潤峰深度、濕潤面積、濕潤體內土壤平均含水量、濕潤體內含水量峰值區域以及土壤持水效率。研究地下施水過程中,濕潤面未入滲至地表時,濕潤鋒輪廓線近似為橢圓形,當水分入滲至地面后濕潤鋒輪廓線近似呈窄深拋物線形。與王炳堯等[22]研究中濕潤面為上小下大紡錘型結果不一致,可能是因為滴頭裝置不一致,且土壤初始含鹽量和土壤性質差異較大。滴頭埋深不同,影響水分入滲至地面的時間和土壤表層含水量。研究中滴頭流量0.3 L/h,即為田間滴頭流量1.2 L/h,滴頭埋深10 cm,灌水60 min后,水分入滲至土壤表面。而當滴頭流量和滴頭埋深均增加,滴頭流量增加至0.6 L/h,即為田間滴頭流量2.4 L/h,滴頭埋深增加至15 cm,灌水150 min后,水分入滲至土壤表面。增加滴頭流量和埋深能夠減少土壤表層蒸發量。滴頭流量和滴頭埋深也是影響土壤入滲速率的重要因素,與白丹等[19]對土壤入滲速率的研究結果一致,研究中地下滴灌土壤入滲過程以120 min為時間節點歷時快速下降瞬變階段和穩定入滲階段。當滴頭流量較小時,地下滴灌的入滲速率小于地表滴灌,且隨著滴頭埋深增加,入滲速率降低。應增大滴頭流量,當滴頭流量增加一倍時,地下滴灌的入滲速率大于地表滴灌,且隨滴頭埋深增加,入滲速率增大。地面滴灌與地下滴灌均以滴頭為中心形成水分含量峰值區和鹽分淡化區,而地下滴灌增加了土壤脫鹽深度和脫鹽區的脫鹽率,與李顯溦等[23]研究結果一致,當大田實際滴頭流量為2.4 L/h,地下滴灌滴頭埋深15 cm為宜。當大田實際滴頭流量為1.2 L/h,地下滴灌滴頭埋深15 cm,土壤表層和深層積鹽顯著增加,如若實際生產中滴頭流量較小,因耕作等原因需埋深15 cm,應考慮表層除鹽措施和作物苗期地下滴灌的灌溉制度,如增加灌水時間和灌水頻次,防止土壤表層積鹽。影響插入式地下滴灌鹽堿土壤入滲特性和水分分布的影響因素較多,研究只考慮了滴頭流量與埋深兩個影響因素,后續研究中需考慮土壤容重、壓力水頭、初始含水率、不同土壤質地、不同土壤初始含鹽量等多變量影響,以及灌水后水分和鹽分再分布狀況。

4 結 論

4.1相同入滲時間和滴頭流量條件下,地下滴灌比地表滴灌濕潤峰深度、濕潤面積、濕潤體內土壤平均含水量、濕潤體內含水量峰值區域、土壤持水效率和脫鹽深度增加。當滴頭流量較小時,地下滴灌的入滲速率小于地表滴灌,且隨著滴頭埋深增加,入滲速率降低;當滴頭流量增加一倍時,地下滴灌的入滲速率大于地表滴灌,且隨滴頭埋深增加,入滲速率增大。

4.2插入式滴灌在地下施水時,濕潤鋒輪廓線近似為橢圓形,當水分入滲至地面后濕潤鋒輪廓線近似呈窄深拋物線形。試驗條件下,滴頭流量相同時,增加滴頭埋深能夠增加土壤水分峰值范圍和持水效率;當滴頭埋深相同時,土壤水分峰值范圍和持水效率隨滴頭流量增加而增加。

4.3滴灌結束時,土壤鹽分以滴頭為中心,在滴頭區域飽和區呈現顯著脫鹽區,濕潤峰處呈現顯著積鹽區。當滴頭流量為0.3 L/h,滴頭埋深由10 cm增加至15 cm,土壤表層和深層積鹽率增加。滴頭流量為0.6 L/h,隨滴頭埋深增加,土壤脫鹽區和脫鹽率增加。