膜下滴灌结合暗管技术土壤水盐特性研究

高金花，张礼绍，廉冀宁，柏 宇，郭 奇

(1.长春工程学院 水利与环境工程学院，长春 130012；2.吉林省水工程安全与灾害防治工程实验室，长春 130012)

吉林省西部松嫩平原苏打盐碱地作为世界三大盐碱土地区之一，也是中国盐碱土面积最大的地区，该地区碱化程度大，土壤含盐量高、渗透性较弱[1]。松原、白城地区粮食增产潜力巨大，但是位处吉林省西部盐碱地区，严重制约了粮食增产。由于存在不合规的灌溉、施肥、植被遭到破坏等原因，土壤盐碱化日趋恶劣，农业可持续发展严重滞后。因此，研究盐碱地区不同灌溉技术土壤水盐变化特征，对治理土壤盐碱化和农业可持续发展具有重要意义。

覆膜种植与滴灌相结合的技术是膜下滴灌技术。研究表明，膜下滴灌能使作物主根系区形成脱盐区，为作物生长提供良好的水盐环境，提高作物产量，对盐碱地区水土资源开发利用提供新的研究思路和方法；膜下滴灌实现了膜内液-汽-液的循环模式，进而减少水分的蒸发和灌溉水的深层渗漏[2-5]。该技术不仅能提高灌溉用水利用率、节约能耗，还能起到抑盐、改良土壤的作用[6-10]。

暗管排水技术是一种利用埋设在地下的管道(管壁有多孔或缝隙)来排除土壤中多余“水”和“盐”的技术。研究表明，暗管排水技术能有效降低地下水位、改善根层土体的理化性质、抑制矿化潜水运动到表土参加土体积盐的过程，对防治土壤次生盐渍化有显著作用，为作物创造良好的生长环境，提高作物产量[11-15]。

根据以上研究成果，本研究结合膜下滴灌技术和暗管排水技术，以吉林省西部苏打盐碱地为研究对象，通过实验探求该区域土体水盐运动迁移过程，为该地区盐碱地治理提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于吉林省前郭县前诸尔钦村，平均海拔为134 m，呈南高北低地势。该地区受大陆性季风气候影响，具有春季雨水稀少，夏季降雨强度大且集中，约为年降水总量的2/3，秋季昼夜温差大，冬季空气干燥降雪强度低等特点。据统计，年均日照达2 879.8 h，年均气温在4.5 ℃左右，降霜期约225～230 d。年均风速达3.4 m/s，年均降水量400～500 mm，多年平均蒸发量1 379 mm。试验区占地面积约658 m2，土体质地为砂壤土，土壤重度1.53 g/cm3，土壤初始含盐量0.02%，土壤田间持水量24%。

1.2 试验设计

本实验分为三个试验小区，每个小区大小为14×23.5 m，试验小区一为膜下滴灌结合暗管排水(T1)；试验小区二为膜下滴灌(T2)；试验小区三为传统种植(T3)。该试验于2015年5月2日开始，10月1日结束。

T1与T2所采用的膜下滴灌系统由PE干管、PE支管、毛管和地膜等组成，干管内外径分别为34 mm、40 mm；支管内外径分别为28.8 mm、32 mm；滴灌带长度与直径分别为23.5 m、16 mm；配置额定流量2.1 L/h的滴头，滴头与滴灌带间距分别为0.3 m、0.6 m，滴灌带沿小区东西方向布置。种植作物为玉米，采用一管一垅、两垅一膜的种植方法，膜宽1.2 m。T1、T2、T3各方案垄向、株距和行距均相同，株距与行距分别为20 cm、60 cm。玉米播种前不同方案各进行一次性施入等量底肥复合肥，在拔节期和灌浆期分别追一次等量的肥。T1、T2、T3不同小区之间采用隔水塑料进行防渗处理。

暗管埋深和间距均采用经验数据法确定，分别为0.8 m、8 m。吸水管和集水管的管径(内径)都采用Φ100。吸水管采用PVC双壁波纹管，在管壁波谷位置打直径为6 mm的椭圆形洞口，同一圆周均匀分布8个进水孔，上下两排成“品”字形错开，管壁外包滤料采用无纺布包裹，坡降0.7%。集水管采用PE管，无孔隙，起收集吸水管中水的作用，集水管中的水汇入人工湿地，坡降0.1%。三条吸水管南北方向布置，东西方向布置一条集水管。

2015年4月29日完成暗管埋设，按设计要求，由人工同步完成开沟与暗管的铺设。暗管埋设成功后，紧接着深耕松土，平整土地。试验区布置图见图1。

图1 试验区布置图Fig.1 Layout of test area

1.3 测试项目

取作物耕层20、40、60 cm土层深度的土体，在实验室测定土壤含水率、含盐量、有机质、速效氮、速效磷以及pH值。

土壤含水率测定：采用烘干法。将已知质量的称量盒内放入50 g土样，同时盖上盒盖，称量，得到湿土质量。揭开盒盖，将试样连盒放入烘箱，烘箱温度设置为105 ℃，烘试样6～8 h。试样烘干后连盒取出，置于干燥器内冷却30 min。冷却后盖上盒盖，称量，准确至0.01 g。按下式计算土壤含水率：

(1)

式中：w为土壤含水率，%，计算至0.001；m为湿土质量质量，g；ms为干土质量，g。

土壤含盐量测定：采用烘干法。分别取不同方案不同土层深度的土样，按水土比5∶1混合、震动、离心、过滤，用移液管抽取浸出液50 mL，注入提前在105～110 ℃烘至定量的瓷蒸发皿中，盖上表皿，于沸腾水浴上架空蒸干。若蒸干后残渣表现为黄褐色，说明土壤中含有机质，则应加入15%H2O21～3 mL，在水浴锅上继续蒸干,反复处理至黄褐色消失。将蒸发皿放入105～110 ℃的烘箱中烘4～8 h后取出，放置干燥器中冷却0.5 h，称量；再烘 2～4 h，冷却0.5 h，称量。反复进行至定量结束操作。土壤含盐量按下式计算：

(2)

式中：m2为蒸发皿与蒸干残渣质量之和，g，精确至0.001；m1为蒸发皿质量，g；ms为相当于50 mL或者100 mL浸出液的干土样质量，g。

土壤有机质、速效氮和速效磷的测定：用TPY-7PC土壤养分速测仪进行测定。

pH值的测定：不同土层土壤与水按1∶5混合，用土壤pH计测定。

1.4 研究方法

本文主要以大田试验为基础，结合土壤水动力学与节水灌溉理论，对试验区土壤水盐及有机质变化特征进行研究。应用HYDRUS-1D、SPSS、EXCEL等软件对试验数据进行处理分析，最终得出吉林省西部地区膜下滴灌结合暗管系统条件下土壤水盐及有机质变化特征。为该地区治理盐碱地及提高作物产量提供参考。

2 结果分析

2.1 土壤水盐及有机质随时间变化特征分析

灌溉水来自渠道引水，2015年5月1日渠道开始供水，9月1日渠道停水，T1与T2在玉米全生长期灌溉水量相同，且在相同的时间进行灌溉，T3不进行灌溉。玉米生长阶段，土壤含水率随降雨、灌溉、暗管埋设方式以及地下水位的变化而变化，土壤含盐量主要受土壤含水率变化的影响，因此，该地区会有不同于其他地区的土壤水盐变化特征。

2.1.1 土壤含水率

灌水前先测定土壤含水率再进行试验，整个试验过程中，共获取试验地区11次试验数据。为方便对比实测含水率与模拟含水率差异，将所测土壤质量含水率转换成土壤体积含水率，其分布见图2。

由图2可见，同一土层深度，T1、T2土壤含水率随时间变化呈上升趋势；20 cm、40 cm土层深度范围内，T1含水率上升量较T2大；T3同一土层深度土壤含水率随时间变化呈下降趋势。同一土层深度土壤含水率T1、T2、T3变化幅度分别为9.46%、15.35%、23.49%，即T1

图2 同一土层深度不同方案土壤含水率分布情况Fig.2 Distribution of soil moisture content in the same soil depth in different schemes

2.1.2 土壤盐分

同一方案不同土层深度土壤含盐量分布如图3，由图3可见，T1作物生长期结束时的各层土壤盐分均要小于初始土壤盐分，说明整个生长期土壤盐分有所下降，膜下滴灌结合暗管系统能够有效地降低土壤盐分，这是由于暗管排水的同时排出了土壤盐分。比较初始盐分与生长期结束时的盐分可知，整个生长期内各土层深度土壤含盐量变化趋于一致，各层土壤都有一定的脱盐，20 cm土层脱盐率为40.5%，40 cm土层脱盐率为38.8%，60 cm土层脱盐率为27.9%。

图3 同一方案不同土层深度土壤含盐量分布情况Fig.3 Distribution of soil salinity in different soil layers in the same scheme

由T2土壤盐分在各土层随时间变化关系可知，中层土壤盐分随时间变化较表层和深层土壤波动激烈。整体来看，深层土壤盐分呈先降后升的趋势。玉米生长后期出现深层土壤积盐，积盐率为95.2%。这是由于覆膜遏制了土壤水量蒸发，而在滴灌作用下土壤水分以向下层运动为主，土壤表层盐分随着水分向深层土壤运动，从而出现深层土壤积盐现象。

T3各层土壤的土壤盐分在玉米全生长期表现为在苗期到灌浆前期呈现下降的趋势，在灌浆后期到乳熟期呈现持续上升的趋势。可见T3玉米生长前半期，由于降水的因素，也可以达到淋盐洗盐的效果，表层土壤含盐量降低的同时，深层土壤盐分有所上升，这说明表层土壤淋洗脱盐，而深层土壤积盐。在玉米生长后半期，土壤蒸发量大而降雨少，土壤水分主要向上层运动，深层土壤盐分随水分运移向上层土壤积累，从而出现表层土壤返盐现象[17-19]。

2.1.3 土壤有机质

土壤属于松散多孔体系，由“固、液、气”三相物质组成的。一般情况下，土壤中固相物质的体积分数约为50%，其中包含矿物质土粒和有机质，有机质体积分数约为12%。虽然土壤有机质含量较少，但它却是体现土壤养分的重要标准。

0～20 cm表层土壤的水、气、热状况易随外界气候等要素的变化而变化，影响有机质分解的主要因素是土壤含水量；0～60 cm耕作土壤是作物生长的主要区域，有机质的含量需满足作物生长期对养分的必要需求。因此，本研究于2015年6月到2015年10月对T1、T2、T3三个方案实验小区进行了土壤有机质分析。各区域土壤有机质分析成果如图4。

图4 同一方案不同土层深度土壤有机质分布图Fig.4 Soil organic matter distribution in different soil depths of the same scheme

由图4可见，T1不同深度土层土壤有机质含量随时间变迁不断增长，在玉米生长后期，20、40、60 cm土壤有机质含量分别增长了123.13%、39.13%、27.26%；T2、T3不同土层深度有机质含量随时间变化趋于一致，在玉米生长前期有所增加，是因为在拔节期和灌浆期向玉米施肥，增加了土壤有机质含量；在玉米生长后期土壤有机质含量较播种时呈下降的走向。主要因为铺设暗管导致土壤容重下降，土壤通透性能上升，为分解动植物残体创造了适宜的条件[16]，提高了土壤有机质含量；未铺设暗管小区，玉米在整个生长期内不断消耗土壤内的有机质，而土壤的通风透气性较差，土壤内动植物残体不能及时转化补充有机质，使得土壤有机质降低。

2.2 土壤盐分与土壤属性的相关性分析

对T1玉米生长期土壤含盐量与pH值、速效氮、速效磷、有机质指标之间的相关性进行分析，以20 cm土层深度为例，得到表1的结果。

可以看出，T1即地下暗管结合滴灌处理下，表层土壤的含盐量与土壤pH值、速效氮、速效磷、有机质含量有相关关系。其中含盐量与有机质呈弱负相关关系，与土壤pH值、速效氮、速效磷呈显著负相关关系。说明埋设暗管不仅降低了土壤盐分，而且在优化了土壤通风透气性的基础上，同时增加了有机矿化物含量；有机质分解，导致速效氮、速效磷含量有所增长。虽然这些指标与土壤含盐量均有极显著的相关性，但相关系数均较小，属中或弱相关。

表1 20 cm土壤指标相关性分析矩阵Tab.1 20 cm soil index correlation analysis matrix

注：* 在α(双测)为0.05 时，呈显性相关。N=8。

3 膜下滴灌结合暗管下Hydrus-1D土壤水分运移模拟

现已通过田间试验得到了膜下滴灌结合暗管排水系统下土壤水分运移规律，但仅仅从大田试验分析不能得到普遍的规律，且受到区域限制，使得试验成果具有限制性。因此，结合软件模拟的方法，可以使试验数据更具有说服力，使实验成果具有普遍性。

3.1 模型的概化

水流模型概化为各向同性的非均质土壤垂直方向上的非稳定流。模拟范围为地表到60 cm土层深度，土壤为一种岩性并将其分为三层，等间隔离散成60个单元，模拟时段为99 d。上边界条件设置为大气边界条件，考虑降雨、引水及蒸发。由于试验区地下水埋深较深，故不考虑地下水的影响，将下边界概化为自由排水边界。

3.2 基本方程

(1)土壤水分运动基本方程。以地表为基准，在应用连续性方程和非饱和达西定律的前提下，同时考虑作物根系吸水作用，垂向一维土壤水分运动的定解问题可用下式表示(坐标轴向下为正)：

(3)

式中：θ为体积含水率，cm3/cm3；K(θ)为水力传导度，cm/d；z为土壤深度，向下为正，cm；t为时间，d；S(z，t)为单位时间单位体积土壤中根系吸水率，d-1。

土壤水力函数采用 Van Genuchten-Mualem 公式，其表达形式如下：

(4)

(5)

m=1-1/n,n>1

(6)

式中：θs为土壤饱和含水率，cm3/cm3；θr为土壤残余含水率，cm3/cm3；Ks为土壤饱和导水率，cm/d；θe为有效含水率(饱和度)；n和α是决定土壤水分特征曲线的形状经验参数；l为孔隙关联度参数，一般取平均值0.5。

根系吸水率定义为由于植被根系吸水，单位体积土壤在单位时间内流失的水分体积，本文采用Feddes提出的根系吸水模型：

S(z,t)=γ(h)Sp

(7)

(8)

式中：Sp为最大根系吸水速率，d-1；h1、h2、h3和h4分别为根系吸水不需氧点土壤基质势、根系吸水最适点开始和结束土壤基质势、根系吸水萎靡点土壤基质势。

3.3 初始条件和边界条件

初始条件：

θ(z,0)=θ0(z)-60≤z≤0,t=0

(9)

上边界条件：

(10)

下边界条件：

(11)

3.4 模型参数率定

土壤水分特性参数有残余含水率、饱和含水率、饱和导水率以及经验拟合参数α、n、l。

土壤残余含水率、饱和含水率及饱和导水率在实验室内进行测定，经验拟合参数α、n由Hydrus软件自带的rosetta模型进行预测，并在模拟过程中进一步调整确定，l取平均值0.5。土壤具体参数见表2。

表2 土壤参数表Tab.2 Soil parameter table

控制作物生长要素的参数主要有三点：玉米根系吸水参数及株高、叶面积指数，将Feddes模型用于根系吸水模型，并运用Hydrus-1D模型数据库中的玉米根系吸水参数作为试验的吸水参数。玉米株高、叶面积指数通过实测数据进行二次多项式拟合得到。膜下滴灌不同覆膜条件下的日蒸发量计算采用下列[20]公式：

E=(0.416u0.101 9+0.308 6)AE,100t0.5

(12)

式中：E为累计蒸发量，mm；u为覆膜开孔率，试验覆膜开孔率根据玉米不同生长时期进行估算；AE,100为不覆膜时的蒸发量，mm；t为蒸发时间，这里蒸发t取1 d。不覆膜时的日蒸发量采用Hargreaves公式计算即：

(13)

式中：ETH表示H公式计算的ET0，mm/d；Tmax、Tmin分别为一日最高、最低温度(从中国气象数据共享服务网获得)，℃；C、E、T为H公式的3个参数(东北地区C=0.000 8，E=0.74，T=37.9)[21]；Ra为与外空辐射等价的水量，mm/d。

3.5 软件模拟结果论证

模拟过程中，在20、40、60 cm处分别设置一个观测点，模拟结果及各观测点水分模拟值与实测值比较见图5、图6及图7。

从各图中模拟值与实测值对比可以看出，模拟效果较好。为验证模型的精度，利用SPSS软件对土壤含水率的模拟值与实测值进行配对样本T检验，配对样本T检验为10个样本检验，T检验结果中显著性指标即sig值均大于0.05时，说明模拟值与实测值基本一致，模拟成效较好。检验结果见表3。

表3 模拟值与实测值配对样本T检验结果Tab.3 The paired sample T test results of simulated and measured values

图5 模拟期20 cm土层土壤含水量模拟值与实测值对比图Fig.5 Comparison of simulated and measured values of soil water content in 20 cm soil layer during the simulation period

图6 模拟期40 cm土层土壤含水量模拟值与实测值对比图Fig.6 Comparison of simulated and measured values of soil water content in 40 cm soil layer during the simulation period

图7 模拟期60 cm土层土壤含水量模拟值与实测值对比图Fig.7 Comparison of simulated and measured values of soil water content in 60 cm soil layer during the simulation period

4 结 论

(1)膜下滴灌结合暗管排水处理能够抑制土壤蒸发、减少水分散失、优化土壤理化特性；提高土壤通透性，使得土壤保水能力增强，有助于土壤保水性的改善。

(2)膜下滴灌结合暗管排水处理表现为各层土壤脱盐。膜下滴灌处理表现为深层土壤积盐，这是由于铺设覆膜，使得土壤蒸发水量降低，同时在滴灌作用下土壤水分以向深层运动为主，土壤表层盐分在水分运移作用下，向深层土壤运动，从而出现深层土壤积盐现象。普通种植处理表现为当雨水降落或者灌溉时，土壤表层出现淋洗脱盐同时深层土壤出现积盐现象；当降雨量小于土壤蒸发量时，土壤水分主要向表层运动，盐分随水分运动从土壤深层向表层积累，从而出现表层土壤返盐现象。

(3)暗管铺设小区，由于土壤的通透性能较好，为动植物残体的分解提供了良好的条件，土壤有机质含量随时间变化呈上升趋势；而未铺设暗管小区，土壤有机质含量被玉米不断地消耗，动植物残体转化不及时，土壤有机质含量随着时间变化呈下降趋势。

(4)Hydrus-1D土壤水分运移模拟值与实测值无显著性差异，模拟效果较好，说明模型可靠，试验数据具有说服力，实验成果具有普遍性。