交替滴灌对土壤水盐分布规律影响研究

郭力琼，毕远杰，马娟娟，郭向红，孙西欢,3，魏 磊

(1.太原理工大学水利科学与工程学院，太原 030024；2.山西省水利水电科学研究院，太原 030002； 3.山西水利职业技术学院，山西 运城 044004)

采用微咸水灌溉时，供水方式一般有2种形式：一种是将地下赋存的微咸水与淡水资源按本次灌水周期要求的灌溉水矿化度按一定比例混合后，引入田间进行灌溉的方式，称为咸淡水混灌；另外一种是按本次灌水周期要求的灌溉水矿化度及水量计算出所需微咸水及淡水的量后，分别将2种水引入田间进行灌溉的方式，称为咸淡水交替灌溉。采用同一种矿化度的微咸水进行灌溉，供水方式不同，灌溉水分及盐分在土壤中的分布不同，对作物生长及产量的影响亦不同[1]。

利用微咸水进行农业灌溉，其成功的关键在于是否能够控制土壤中的盐分累积达到限制作物生长的水平，以尽量减轻盐分对作物的危害程度。大量研究结果表明采用滴灌的方式进行微咸水灌溉比传统的地面灌溉在减少水资源消耗的同时可获得更高的产量。一方面滴灌能够适时适量地进行灌溉，在作物根区创造出适宜的水、肥、气、热条件；另一方面由于淋洗作用，盐分向湿润锋附近积累，因而滴头下土壤含盐量比较小，有利于作物生长。但长期的微咸水滴灌很可能造成盐分的表聚，这些盐分会随着灌溉水或降水向下移动到作物根区，从而抑制作物对水分和养分的吸收，影响作物的生长和产量[2]。

交替滴灌是在同一灌水周期内，交替使用咸水和淡水进行灌溉的一种滴灌灌水方法。与传统的微咸水滴灌相比，交替滴灌通过调节咸淡水交替次序可以有效调节水盐在土壤中的分布特征，因此根据土壤质地、作物品种、生育阶段、作物根系分布等选择适宜的灌溉水矿化度、咸淡水交替次序及交替滴灌参数，在淡水资源有限的情况下，一方面可以提高微咸水资源的利用率并最大程度地减小微咸水对作物的不利影响，另一方面可以有效缓解土壤盐渍化危机，进而提高土地资源的利用率。

本文通过室内物理试验模拟一定灌水量、一定滴头流量条件下，不同的咸淡水交替模式对土壤水盐分布规律的影响，探求咸淡水交替灌溉的合理顺序，为科学利用微咸水资源提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验装置

为了研究咸淡水不同交替模式对土壤水盐分布特性的影响，在室内进行了二维滴灌入渗试验。图1显示了该试验系统装置，包括试验土箱和供水系统。试验时利用马氏瓶供水以维持恒定水头，用注射器针头模拟滴头，为了绘制湿润锋的推进过程，在土箱两侧贴上透明纸以便记录。

1-灌水口；2-马氏瓶；3-进气口；4-输液管；5-土箱图1 试验装置示意图

1.2 试验土壤与水质

试验土壤取自山西省水利水电科学研究院节水高效示范基地0～110 cm土层，土壤质地为黏壤土。土壤经风干、碾压、混合、过筛(筛孔径为2 mm)后备用。土壤初始含水率为3%，初始电导率为1.75 mS/cm。

试验用水取自该基地地下水，其中淡水为深层地下水，矿化度为1.75 g/L，电导率为2.96 mS/cm；咸水为浅层地下水，矿化度为5.02 g/L，电导率为7.27 mS/cm，试验所需水质由淡水与咸水按不同比例配置。

1.3 试验方法

将风干的供试土样按1.35 g/cm3的密度(每层5 cm)均匀地装入试验土箱，调节马氏瓶进气口及注射器针头，进行试验。在试验过程中按照先密后疏的时间间隔观测记录湿润锋运移距离。试验结束后沿水平方向和垂直方向分别取土，取土位置见图2。将取得土样装入铝盒，测鲜重，采用烘干法测土样含水率；用DDS-308电导率仪测定水土比为5∶1的土样浸提液电导率。

图2 测点示意图

1.4 试验方案

以咸淡、淡咸、咸淡咸、淡咸淡4种交替模式进行点源入渗试验，并设咸淡水混合滴灌(混灌)为对照组。试验咸水矿化度为5.02 g/L，淡水矿化度为1.75 g/L，混灌水样矿化度为3.93 g/L，滴头流量为7 mL/min，灌水总量为1 260 mL。每个处理设3个重复。

2 结果和分析

2.1 交替模式对湿润体的影响

湿润锋能够直观反映出水分在土壤中的运移状况，将各处理实测的湿润锋随时间的变化过程绘于图3。由图3可知，在滴头流量、灌水总量相同的情况下，湿润体均呈1/4球体状，随着灌水时间增加，咸淡水不同交替模式下的湿润体均越来越大，但湿润锋的推进速率不同。总体上，推进速率随时间增大逐渐减小，水平推进距离大于垂直推进距离。

在灌水初期，咸淡水不同交替模式对湿润锋的推进速率有明显影响，如图4所示。灌水0～30 min，水平方向上淡咸、淡咸淡交替方式的推进距离大于咸淡、咸淡咸，说明先滴淡水比先滴咸水在水平方向上推进速率快。而垂直方向上咸淡、咸淡咸的交替方式入渗速率比淡咸、淡咸淡的交替方式更快。这主要是因为淡水能使土壤黏粒扩散，降低土壤的入渗性能，从而加快水分在水平方向的运动，而咸水由于含有较高的盐分浓度，增加了土壤的有效孔隙，改善了土壤的导水性能，因此增加土壤的垂直入渗，减小水平入渗[3,4]。

图4 湿润锋随时间的变化过程

表1对比了咸淡与淡咸模式在各时间点水平湿润距离和垂直湿润距离的比值(d/Z)。由表1可知，随着灌水时间的增加，比值(d/Z)呈减小趋势。在试验前60 min，灌淡水(处理2)的水平湿润距离和垂直湿润距离的比值较灌咸水(处理1)明显增加，30 min时两处理的比值分别为1.94、2.89；60 min时为1.82、2.85。60 min后处理1开始灌淡水，120 min后处理2开始灌咸水，从90、120、180 min的比值可以看出，虽然呈减小趋势但是淡咸的值较咸淡的大，这说明第1单项滴灌水的水质对土壤大孔隙的形成起决定性的作用，比值之差在逐渐减小，说明后续灌水对土壤入渗性能的影响受该种水质的灌水时间影响较大。

表1 不同处理湿润体的宽深比

2.2 交替模式对土壤含水率的影响

将各处理测得的土壤含水率值绘制二维等值线图，见图5。由图5可知，咸淡水不同交替模式下土壤含水率的分布大致呈相似状态，在靠近滴头处，含水率较大，距离滴头越远含水率越小，在湿润锋边缘突降为土壤初始含水率。

图6为不同交替模式下水平方向上含水率的变化。由图6(a)知，在表层同一位置处最后灌淡水的含水率值略大于最后灌咸水的含水率值，这是因为表层受最后一项灌溉水水质影响较大，由于咸水中的盐分离子与土壤胶体及土壤中原有的离子发生了交换，使原来吸附在土壤胶体上的钠离子被钙镁离子置换，改变了土壤原有团粒结构，使得土壤中大孔隙数量增加，水分垂直入渗快，而淡水却使土壤黏粒扩散，降低土壤的入渗性能，因此最后灌淡水有利于水分在土壤表层保持。

图5 含水率等值线图

进一步分析各处理，咸淡水不同交替模式对含水率的影响主要体现在距离滴头2 cm深度层、4 cm深度层，如图6(b)、图6(c)所示。同一位置处先灌咸水比先灌淡水的含水率值偏大，土壤含水率基本呈以下规律变化：咸淡咸>咸淡>混灌>淡咸>淡咸淡。如前所述，第1单项灌水水质对土壤大孔隙的形成起决定性的作用，因此先灌咸水使土壤入渗性能增强，而后续灌水随时间增加才能有效改变土壤结构，进而影响入渗性能。

图6 水平方向含水率变化

对比处理1(咸淡)和处理2(淡咸)，由于灌水顺序不同，处理2第2单项灌120 min咸水，因此土壤结构可能被改变，垂直入渗能力增强，相对于处理1(第2单项灌60 min淡水)水分不能在湿润体上层大部分保留，故相同位置处含水率值：咸淡>淡咸。对比处理1(咸淡)和处理3(咸淡咸)，同理在120～180 min灌咸水较灌淡水使得水分垂直运动加快，因此含水率值呈规律：咸淡咸>咸淡。对比处理4(淡咸淡)和处理2(淡咸)，处理4(淡咸淡)由于最后一项淡水灌溉历时30 min，灌水量较少，可能并未有效改变土壤结构。而混灌入渗能力较咸水弱淡水强，其含水率值：咸淡>混灌>淡咸。

在垂直方向上，不同交替模式下含水率均随深度的增大而减小，在湿润锋边缘突降为初始含水率，图7(a)、(b)、(c)分别为含水率在滴头下剖面处、距滴头4、8 cm剖面处的分布。由图7可以看出在2～6 cm深度处不同交替模式对含水率的分布有明显影响：咸淡及咸淡咸的交替模式比淡咸及淡咸淡的交替模式在相同位置处的含水率大，混灌介于二者之间。这也证明先灌咸水增加了水力传导度，入渗速率增加，表层含水率减小较快，后灌淡水又使土壤黏粒扩散，降低了土壤的入渗性能，水分容易在土壤表层保持[5]。

图7 垂直方向含水率变化

2.3 交替模式对电导率的影响

电导率能够直观反映土壤盐分含量的高低，图8为各处理下电导率值的二维等值线图。从总体上看，电导率值在湿润锋边缘处较大，但不同的交替模式对盐分分布影响不同。

图9表示电导率在水平方向上的变化规律。在表层同一位置处理2(淡咸)、处理3(咸淡咸)的电导率值较大，处理1(咸淡)、处理4(淡咸淡)的电导率值较小，见图9(a)。这是因为最后一项灌咸水，咸水带入土壤中的盐分离子在土壤表层积聚，而最后灌淡水有一定的淋洗作用，盐分会随灌溉水下渗[5,7]。但由于淡水灌溉历时较短，导致淋洗的盐分没有完全到达湿润锋边缘，而是分布在表层下方，因此在距滴头2 cm深度层同一位置处淡咸淡(处理4)、咸淡(处理1)交替模式下电导率值较其他2种交替模式大，见图9(b)。

图10表示电导率在垂直方向上的变化规律。由图10可知，表层附近最后灌淡水比灌咸水电导率值明显较小，说明最后灌咸水极有可能形成盐分的表聚。处理4(淡咸淡)在2～3 cm深度处电导率值有一个拐点，这可能是因为第1项灌淡水，土壤中的盐分随水分向下迁移，并在湿润锋附近积累，这样土壤将出现上层脱盐下层积盐的现象；第2项灌咸水，盐分积累在表层，最后灌淡水又是一个淋洗的过程，使得表聚的盐分下移。处理1(咸淡)相较于处理4(淡咸淡)淡水连续灌溉60 min，淋洗起到很大的作用，盐分向下迁移，在6～7 cm深度处存在一不明显的拐点，整体上土壤中盐分含量随深度增加均匀增大。处理2(淡咸)在表层与湿润锋边缘盐分集聚较多，处理3(咸淡咸)3项各灌水60 min，最终与处理2(淡咸)呈相似规律。

图8 电导率等值线图

图9 水平方向电导率变化

图10 垂直方向电导率变化

与混灌相比，处理2(淡咸)与处理3(咸淡咸)在2～6 cm深度层更能形成有效的脱盐区，说明合理的咸淡水交替滴灌模式有利于土壤盐分淋洗。一些灌溉实践也证明不能连续使用微咸水灌溉，最好采用交替灌溉的方式，以减少盐分对作物根系的危害[8]。

3 结论与讨论

通过对微咸水二维入渗的试验结果分析，研究了4种交替模式及混灌条件下的湿润锋、含水率、电导率的变化规律。

(1)点源滴灌条件下，咸淡水不同交替模式湿润体的形状大小基本一致，推进速率随时间增大逐渐减小，水平推进距离大于垂直推进距离。对湿润锋推进的影响主要体现在灌水初期0～30 min，淡水水平推进速率快，咸水垂直入渗速率快。黏壤土入渗能力较差，因而采用一定的咸水滴灌能够增加土壤的垂直入渗。

(2)咸淡水不同交替模式对土壤含水率的影响主要分布在2～6 cm层。咸淡咸的交替模式在该层含水率最大，咸淡模式次之，说明第1单项滴灌水的水质对大孔隙的形成起决定性的作用，后续灌水对土壤水分分布的影响受灌水时间影响较大。

(3)不同交替模式在土壤中均产生一定范围的脱盐区，主要在2～6 cm深度。咸淡咸、淡咸的交替模式在2～6 cm层含盐率较小，淡咸淡的交替模式在2～6 cm层含盐率值出现了一个突变，最后灌淡水能够有效淋洗咸水聚集在表层的盐分。

分析结果表明，咸淡水交替滴灌能够有效调整土壤中水盐的分布，结合实际应当考虑作物耐盐程度及不同生育期的需水量采用不同的咸淡水交替滴灌模式。

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