土槽模拟开沟覆膜滴灌技术下盐分调控规律

2016-03-24叶建威刘洪光何新林阿尔娜古丽艾买提

节水灌溉 2016年10期

叶建威，刘洪光，何新林，龚萍，张杰，阿尔娜古丽·艾买提

(石河子大学水利建筑工程学院现代节水灌溉兵团重点实验室，新疆石河子 832000)

0 引言

膜下滴灌技术已经成为新疆不可替代节水灌溉技术之一。众多研究表明，膜下滴灌技术在众多盐碱地上应用显现了强大生命力和影响力，节水同时还能使作物在盐渍化土壤上获得高产，因而得到广泛应用[1-4]。自1996年以来，新疆兵团引进滴灌技术，与薄膜覆盖技术相结合形成膜下滴灌技术并开展试验示范，在盐碱地上得到了前所未有的发展，目前新疆棉田膜下滴灌面积已经突破200万hm2，成为世界上大田应用膜下滴灌面积最大地区。但膜下滴灌技术仍属于局部灌溉，仅仅在滴头作用下形成根系层脱盐区，以利于作物正常出苗，在根系吸水与蒸发作用下，根区下方盐分势必会上移，第2年耕作又会造成盐分重分布[5]。此外，许多学者研究发现，随着滴灌年限增长，覆膜间裸地盐分与农田土壤盐分含量有增加趋势[6-10]。而在一些土壤表层含盐量大于2%以上的重盐碱地上进行膜下滴灌，膜下滴灌技术在解决出苗问题和后续生长问题出现了困难[11,12]，盐分会积累在湿润区边缘，若遇小雨，盐分极有可能会被冲回到作物根部区而引起盐害[13]。因此，膜下滴灌技术适用于轻、中度盐化土壤(含盐量小于2%)，而在重度盐化土壤(含盐量大于2%)，该技术就不适用了。为了使膜下滴灌技术能够在重盐碱地中继续有效运用，需要在膜下滴灌技术基础上，增加开沟技术，原理如图1所示。

图1 开沟覆膜滴灌技术示意图

将作物种植在膜下的垄沟里面，当滴灌灌水时，滴灌湿润体随着灌水时间增加而向四周不断扩大，而滴灌湿润体内土壤盐分被溶解稀释；当滴灌灌水结束后，由于覆膜的影响，膜下部分土壤蒸发量很小，膜间裸地强烈蒸发强烈，盐分随着土壤水蒸发不断向裸地表层土埂聚集，且由于开沟形成土埂为盐碱创建一个存在空间, 将盐碱更有效的调节到作物根系区以外, 从而达到盐碱在土壤的局部分离, 满足作物生长需要目的。本文利用开沟覆膜滴灌技术，在不同灌水定额与灌水次数下，用土槽试验探讨了土壤盐分运移和再分布规律, 为该技术的应用提供了理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验在现代节水灌溉兵团重点实验室进行，供试土壤采自石河子市玛纳斯县六户地乡(147团)，经风干碾碎，过2 mm筛，采用美国Beckman Coulter公司生产的LS13320-全新纳微米激光粒度分析仪测定沙粒、粉粒和黏粒含量分别为55%、35%、10%，按美国土壤质地分类标准，该土壤为沙壤土[14]；采用环刀法测定，田间持水率为29.83%(体积含水率，下同)，饱和含水率为42.1%，密度为1.32 g/cm3；采用烘干法测定土壤初始含水率并换算得体积含水率为8.94%。

1.2 试验装置与方法

试验装置为一土槽，长×宽×高为200 cm×60 cm×120 cm，采用单翼迷宫式滴灌带，滴头间距30 cm，滴灌带间距50 cm并垂直土槽铺设在开沟中心位置，开沟深度15 cm，宽度25 cm，滴头流量控制为2.4 L/h。供试土壤按田间密度1.32 g/cm3分6层装入土槽，层与层接触面打毛。设计3个不同灌水处理，分别为225、300、450 m3/hm2，每个处理灌水连续进行2次，灌水间隔为10 d。每次灌水48 h后，待水分分布稳定，沿垂直滴灌带方向，在两滴头中间取一剖面，从滴灌带开始，每隔10 cm设置为一取样点，取至40 cm处，共计5个取样点，在取样点下，每隔5 cm取一土样，取样深度为70 cm，距滴灌带距离较远没有受滴灌水分影响的区域不设取样点(见图2)。将土样自然风干、磨碎、过2 mm筛，获得风干土样，均制备成1∶5土水比浸提液，用“FG3-ELK型”电导率仪测定其电导率。采用烘干残渣法标定，确定土样含盐量。经测定，土壤初始含盐量为2.75%，按土壤盐化程度及分级标准(如表1所示)，属于重度盐化土壤。

图2 试验装置图和取样布置图

2 结果与分析

2.1 使用开沟覆膜滴灌技术不同土层含盐量的变化

根据土壤盐分分布状况，土壤盐分分布区域可分为脱盐区与积盐区[11]，即将点源入渗过程中土壤含盐率高于土壤初始含盐率的区域称之为积盐区，将低于土壤初始含盐率的区域称之为脱盐区。

(1)灌水定额为225 m3/hm2时不同土层含盐量的变化。灌水定额为225 m3/hm2时，试验结束后其土壤剖面盐分含量变化如图3所示。第1次灌水后[见图3(a)]，整个盐分含盐在0.11%～4.00%之间变化。随着滴灌水分的扩散，地面的蒸发和地膜对蒸发的抑制，盐分随着水分运动在土壤中重新分布，这使得区域范围内土壤含盐量有升有降。在第1次经灌水与水盐重分布后，可以看出，覆膜间(距离滴头0 cm处)，样点下方0～55 cm深度为脱盐区，土壤盐分降低明显，脱盐率为16.4%～96.0%；而覆膜间(距离滴头10 cm处)，脱盐区为0～35 cm，这说明了在覆膜间，随着距滴头距离增大，盐分垂直向下随水分运移速度减小；覆膜边(距离滴头20 cm处)，10～30 cm 深度为脱盐区，其余深度为积盐区；覆膜外(距离滴头30与40 cm处)，距地表35 cm深度范围内基本上均为积盐区域，尤其距地表15 cm深度范围内增加明显，积盐率最高达到41.8%，这是因为开沟覆膜滴灌条件下，每次灌水后，覆膜间，蒸发受到抑制，覆膜外，外界条件蒸发旺盛，使得土壤基质势减小，土壤吸力变大，在水分不断向土壤湿润体周围扩散时，盐分也随着侧向运移，并在土埂表层聚集。

图3 灌水定额为225 m3/hm2时盐分空间变化

间隔10 d，再次进行灌水后，试验结束后其土壤剖面盐分含量变化如图3(b)所示。将图3两次试验进行对比发现，与第1次灌水后结果相比，无论是覆膜间，还是覆膜边或覆膜外，各样点下方土壤脱盐区、积盐区深度并无变化，但各采样点土壤含盐量有较小的变化。

(2)灌水定额为300 m3/hm2时不同土层含盐量的变化。灌水定额为300 m3/hm2时，试验结束后其土壤剖面盐分含量变化如图4所示。与灌水量225 m3/hm2相比较，覆膜间(距离滴头10 cm处)，样点下方脱盐区增大为0～60 cm，且脱盐效果显著，脱盐率高达37.1%～95.6%；覆膜边(距离滴头20 cm处)，脱盐区明显增加为5～55 cm，其中5～50 cm土层脱盐率达到27.3%～86.7%；覆膜外(距离滴头30与40 cm处)，距地表40 cm深度范围内，积盐区与脱盐区交替变换。说明了随着灌水定额增加，覆膜间、覆膜边盐分淋洗的深度增加，整体上脱盐区增加。

间隔10 d后，再次进行灌水，两次试验结果对比发现，无论是覆膜间，还是覆膜边或覆膜外，与灌水定额为225 m3/hm2相比，其各样点下方土壤盐分变化差异变化更小，说明了第1次灌水对盐分的淋洗起主要作用，盐分达到了较稳定的状态。

图4 灌水定额为300 m3/hm2时盐分空间变化

(3)灌水定额为450 m3/hm2时不同土层含盐量的变化。灌水定额为450 m3/hm2时，试验结束后其土壤剖面盐分含量变化如图5所示。从图5可以看出，与灌水量300 m3/hm2相比较，无论是覆膜间，还是覆膜边或覆膜外，各样点下方土壤盐分含盐量大部分均进一步减少。说明灌水定额的增加促进盐分随水分向远离滴头和向深层方向运移。再将两次灌水结果进行比较，发现两次灌水结果基本一致，说明在灌水定额为450 m3/hm2时，第1次灌水对盐分淋洗起决定作用，盐分达到稳定的状态。

图5 灌水定额为450 m3/hm2时盐分空间变化

2.2 不同灌水定额下土壤盐分运动盐分空间分布

王全九，王文焰等[11]学者根据土壤盐分分布状况与作物生长关系，又将是否可以满足作物正常生长, 将脱盐区分成达标脱盐区与未达标脱盐区。本试验所取土样地区，当土壤含盐量小于1.5%时，作物便可正常生长，故以含盐量1.5%为界限来判定达标与未达标脱盐区域。为了研究灌水稳定后的土壤盐分分布规律，灌水结束48 h后监测土壤含盐量分布情况，并用Sufer 8.0软件绘制土壤含盐率等值线图(如图6～图8所示)。将土壤含盐量1.5%所对应的等值线用加粗虚线表示，以便对土壤盐分分布特征进行描述。

由图6可知，灌水定额为225 m3/hm2时，第一次经灌水后，达标脱盐区类似于一个有效截面宽0～20 cm，长50 cm不规则湿润体形状，这是因为盐分随水分在灌水结束后重分布过程中，在外表蒸发条件下造成土壤基质势不均衡，表现为盐分侧向移动速度大于垂直运移速度；而经第2次灌水后，达标脱盐区变化并不明显，但盐分小于1%的区域有所增大，即由重度盐化土壤淋洗成轻度盐化土壤区域增加，因此在该灌水定额下，第1次灌水未使整个剖面盐分趋于稳定状态。

图6 225 m3/hm2灌水定额两次灌水后盐分空间分布

由图7可知，当灌水定额增加到300 m3/hm2，第1次经灌水后，达标脱盐区增加为一个有效截面宽0～23 cm，长58 cm不规则湿润体形状，说明随着灌水定额增加，土壤湿润体范围进一步扩大，盐分也随水分向水平扩散与向下迁移速度加快。而经第2次灌水后，达标脱盐区内土壤盐分变化差异性较小，故经第1次灌水后，盐分达到了相对稳定的状态。

图7 300 m3/hm2灌水定额两次灌水后盐分空间分布

由图8可知，进一步增大灌水定额为450 m3/hm2，随着水分淋洗增加，达标脱盐区继续增加一个有效截面宽0～30 cm，长60 cm不规则湿润体形状。但经第2次灌水后，达标脱盐区内土壤盐分变化差异基本一致，因而经第1次灌水定额为450 m3/hm2淋洗后，盐分达稳定状态。

图8 450 m3/hm2灌水定额两次灌水后盐分空间分布

综上所述，增加灌水定额可以较好淋洗土壤盐分，降低土壤盐化程度，但增加灌水定额势必会加大农作业投入。根据葡萄根系分布研究表明，葡萄根系大部分分布在0～40 cm深度范围内[15]。故在灌水定额为225 m3/hm2时，达标脱盐区即可满足当地葡萄正常生长要求，给作物提供一个适宜的水盐生长环境，但经第1次淋洗结果表明，盐分未达到稳定状态。故综合考虑，在重盐碱地上使用开沟覆膜滴灌技术，建议当地可选择300 m3/hm2作为第1次灌水洗盐定额。

3 讨论

膜下滴灌技术是将滴灌技术与覆膜种植相结合，通过滴灌枢纽系统将水肥等按作物不同需求时期，借助管道系统使之以滴状、均匀、定时、定量浸润作物根系发育的一种高效节水灌溉技术[16]，具有节水增产、抑盐、增温保墒、减少病虫害等优点，但随着大田膜下滴灌技术推广应用，发现该技术在轻、中度盐碱地上能取得显著经济和社会效益，而面对盐分含量过大重盐碱地时，却不能较好解决作物出苗与生长问题。开沟覆膜滴灌技术在膜下滴灌技术的基础上，增加了开沟技术，使得盐分随着土壤水蒸发不断向裸地表层土埂聚集，为盐碱创建一个存在空间, 将盐碱更有效的调节到作物根系区以外，保证作物正常生长。

开沟覆膜滴灌技术的应用使得在重度盐碱地上种植作物有了很好的出路。本试验显示，在一定灌水定额下，可以在作物根区范围内形成洗盐，为作物提供良好生长环境，这与前人研究结论[6]较为一致。与沟灌入渗相比，开沟覆膜滴灌技术增加了覆膜技术，从覆膜效果来看，地膜覆盖具有保温增温、减少水分蒸发、减少水肥流失等优点，从而到达一定的作物增产效果，这与张晓辉[17]，王怀学[18]研究结论一致。但随着膜下滴灌大面积实施，水盐平衡关系又有新的变化，农田由原有的“漫灌排水”演变成“滴灌无排”，土壤盐分始终没有离开土体，土壤次生盐碱化等治理问题面临新的风险与挑战。此外，土壤水盐运移规律不仅受土壤质地和前期含水量的影响，而且开沟设计参数(开沟沟距、沟深)也成为影响入渗量的重要因素[19]。本试验仅仅在设定的开沟参数下，分析了不同灌水定额条件下土壤盐分运移规律，在一定程度上可为重度盐碱地上开展作物种植提供依据。

4 结语

(1)利用开沟覆膜滴灌技术，第1次合适灌水定额对盐分的淋洗起主要作用，可使土体盐分达到较稳定的状态，盐分也随水分侧向运移，并在土埂表层聚集。

(2)灌水定额的增加促进盐分随水分向远离滴头和向深层方向运移，使得覆膜间、覆膜边盐分淋洗的深度增加，脱盐区增加。

(3)在灌水定额为300 m3/hm2时，可以在滴灌带横向0～23 cm，下部58 cm处迅速形成一个盐碱度小于1.5%的达标脱盐区，满足当地作物正常出苗。故建议当地可选择300 m3/hm2作为第1次灌水洗盐定额。

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