基于不同供水压力不同土壤添加物的暗管灌溉特性研究——以吉林西部苏打盐碱土为例

朱振学，徐 航，张礼绍，高金花

（1.吉林省水利水电勘测设计审查总站，长春130033；2.长春工程学院水利与环境工程学院，长春130012；3.吉林省水工程安全与灾害防治工程实验室，长春130012）

0 引 言

吉林西部是我国粮食主产区，是中国盐碱土面积最大的地区，盐碱土面积为213 万hm2，属于世界三大盐碱土地区之一。该地区具有碱化程度高、土壤渗透性弱的特点，对作物生长不利，制约了吉林省西部粮食增产及农业可持续发展，故增加农田土壤水分入渗及降低土壤含盐量是亟待解决的问题[1-3]。

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。其主要原理是将暗管埋设于作物根层土壤以下，当降雨或者地下水位上升时，排除土壤中的过多水分，以防渍涝灾害；还可以通过灌水等淋洗手段去除土壤中过多的盐分[4-8]。目前国内外学者围绕暗管排水技术与水盐运移特性做了一系列研究。王洪义[9]等人对大庆地区的苏打盐碱地进行田间试验，研究排盐暗管不同间距与埋深下的盐碱地土壤脱盐效果，得出暗管采用“浅、密”式布置排水排盐效果最好。王振华[10]等研究了在滴管淋洗条件下暗管不同埋设间距对土壤剖面盐分分布及脱盐淋洗效果的影响，结果表明暗管间距越小则暗管排水阶段排水流量越大。衡通[11]等研究了滴管条件下排水暗管不同管径和不同埋深对土层含盐量分布及脱盐效果的影响，表明暗管管径越大、埋深越浅则暗管排水排盐效率越高。

综上所述，国内外学者针对利用暗管系统进行灌溉的研究较少。因此本研究根据前期试验结论选用3%稻壳与5%玉米秸秆作为添加物，从不同供水压力下湿润锋水平向右、竖直向上、竖直向下运移距离随灌水历时的变化规律，累计入渗量以及土壤剖面水盐分布状况3个方面，研究暗管系统灌溉时土壤水盐运移特性。分析不同供水压力下苏打盐碱土水盐运移特性，探究暗管灌溉机理，为灌溉工程的规划设计提供参考依据与理论基础。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

吉林西部位于松嫩平原的西南部，东北地区中部，属半干旱半湿润的大陆性季风气候区。全年温差较大，年平均气温在4.9 ℃，年均降水量350～500 mm，主要集中在6～8月，年均蒸发量1 500～1 900 mm，年均蒸发量与降水量的比值约为3.4～4.9，降水少、蒸发强。受降雨、气温及植被等条件的影响，形成了东南到西北土壤质地由砂土到黏土的变化趋势，土壤碱性逐渐变大。由于土壤水分入渗能力差，天然降雨及灌溉水入渗浅，不能满足作物根系吸水的需要，导致农作物减产。近年来不合理的灌溉、施肥，使植被遭到破坏，土壤盐碱化趋势越来越严重，土地盐碱化已经对该区的生态环境与经济发展构成严重威胁[12-15]。本试验用土为吉林省西部洮南市安定镇内苏打盐碱土，安定镇地处东经122°15′37″～122°29′52″，北纬45°02′24″～45°19′46″。本研究通过室内暗管系统灌溉试验，从不同供水压力下湿润锋水平向右、竖直向上、竖直向下运移距离随灌水历时的变化规律、累计入渗量以及土壤剖面水盐分布状况3个方面，初步探明不同供水压力对暗管系统水盐运移特性的影响。

试验土壤所含盐分类型为碳酸氢盐，初始含盐量在3.0～4.5 g/kg 之间，依照吉林西部平原盐碱化土壤的分级指标可知试验土壤为中盐碱土，按国际制土壤质地分类标准可知土壤质地为砂质壤土。采用环刀法测定土壤饱和含水量及田间持水量，用Eye Tech 激光粒度粒型分析仪测定土壤颗粒组成，土壤基本物理性质指标如表1所示。

表1 土壤基本物理性质指标

1.2 试验装置与方法

根据前期试验结论，本试验选取3%稻壳与5%玉米秸秆作为土壤混掺添加物。若供水压力太小则水流渗透不出去，供水压力太大则会形成管涌，因此结合根系层深度以及经验参数，暗管系统灌溉时供水压力设置3 个水平，分别为60、80、100 cm。试验方案如表2所示。

表2 试验方案

试验在长春工程学院水利馆实验中心进行，试验装置主要由供水系统、有机玻璃箱和暗管组成，如图1所示。供水系统为恒压供水马氏瓶。马氏瓶直径50 cm、高100 cm，底部安装智能计量系统。有机玻璃箱壁厚为10 mm，尺寸为120 cm×60 cm×170 cm。为了防止气阻，在有机玻璃箱靠近底部设置3个半径2 cm 的排气孔。暗管采用PVC 双壁波纹管，管径为10 cm，埋深60 cm，坡降为1/400，采用透水性无纺布为暗管外包料。暗管进水端位于靠近有机玻璃箱边壁40 cm 处。暗管滤层结构铺设在暗管一周，厚度为20 cm，滤层采用细沙垫层，平均粒径为0.1～2 mm。暗管上开孔径为5 mm 的圆形孔，呈“品字形”分布，如图2所示。

图1 试验装置图（单位：cm）

图2 单位暗管结构图

采用暗管系统灌溉试验，具体操作过程为：有机玻璃箱最下层铺设厚度为10 cm 的强透水材料（直径5～10 mm 的砾石），目的是为底部出流提供良好条件。强透水材料顶部放置尼龙丝网作为支撑网，防止上方土体流失。将添加物均匀混掺后的土壤分层装入有机玻璃箱内，每层厚度为5 cm。每装一层在箱体内壁涂一圈凡士林，避免边际效应产生，层间刮毛以防产生明显的土层分离。

试验开始后每隔1 h 记录一次马氏瓶水位变化用以计算累计入渗量及入渗速率，并且每小时记录一次各方向上的湿润锋运移距离。湿润锋竖直向上运移距离从暗管滤层顶端开始记录，以湿润锋竖直向上运移至土壤表面为试验结束时间。暗管埋深为60 cm，滤层厚度为20 cm，因此湿润锋竖直向上运移距离为40 cm 时到达土壤表面，此时结束灌溉。灌溉结束后，采用烘干法测定土壤含水量，采用烘干残渣法测土壤含盐量[16-20]。各处理进行三组重复试验，取均值作为分析计算结果。

1.3 数据分析方法

利用Microsoft Excel 2016 对原始数据进行整理与分析，使用Origin软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 不同供水压力湿润锋运移特性

湿润区前缘即为湿润锋，湿润锋的移动和变化可以反映暗管灌溉时水流的运动。湿润锋随着灌溉历时不断向暗管四周运移，湿润锋的运移距离决定暗管周围湿润区范围的大小，湿润锋向下运移距离过大则可能导致深层渗漏，向上运移距离过小则不能满足作物根区需水要求，达不到暗管灌溉的目的。因此，研究暗管灌溉时各方向上的湿润锋运移距离对利用暗管灌溉实现暗管灌排一体功能至关重要[21-23]。

混掺稻壳、玉米秸秆在不同供水压力下对竖直向上、竖直向下、水平向右方向上湿润锋运移距离随灌溉历时的关系分别如图3和图4所示，符合幂函数关系。灌溉结束时，同一供水压力下各方向上湿润锋运移距离大小关系为：竖直向上＞水平向右＞竖直向下。从添加物不同种类下比较湿润锋运移距离，同一时刻下湿润锋运移距离的关系为玉米秸秆＞稻壳。从不同供水压力下比较湿润锋运移距离，同一时刻下湿润锋运移距离的关系为100 cm＞80 cm＞60 cm。由图3和图4可知各方向上湿润锋运移距离均随灌溉历时延长而增大，同一时刻下湿润锋竖直向上运移距离差距较大，竖直向下与水平向右运移距离差距相对较小。

图3 混掺稻壳在不同供水压力下各方向湿润锋运移距离与灌溉历时的关系

图4 混掺玉米秸秆在不同供水压力下各方向湿润锋运移距离与灌溉历时的关系

各处理灌溉历时与各方向湿润锋运移距离如表3所示。由表可知供水压力越大，灌溉历时越短，运移速度更快，湿润锋竖直向下运移距离受灌溉历时的影响较大。农作物根系深度约在30～40 cm，供水压力为100 cm 时混掺玉米秸秆土壤湿润锋向上运移历时最短，水分入渗速度最快，可以较快速地浸润作物根系，增加根层土壤的水分，为作物提供足够的根系吸水量，增加作物产量。

表3 各处理灌溉历时与各方向湿润锋运移距离

2.2 不同供水压力累计入渗量变化特性

累计入渗量是指入渗开始后一段时间内入渗到土壤中的总水量。累计入渗量定量的反映了土壤的入渗情况，对农田灌溉、水资源有效利用以及盐碱土改良具有重要意义[24,25]。

混掺稻壳、玉米秸秆下累计入渗量与灌溉时间的关系如图5所示。在相同累计入渗量下，入渗时间由快到慢的顺序是：100 cm＞80 cm＞60 cm。从添加物不同种类下比较累计入渗量，同一时刻下累计入渗量的关系为玉米秸秆＞稻壳。由图可知各处理累计入渗量随着灌溉历时的增加不断增大，说明暗管在土壤中不断的出流，暗管供水压力对累计入渗量有明显的作用。灌水初期，暗管周围土壤孔隙较大，土壤水吸力较大，暗管内外压力差很大，故土壤入渗较快，累计入渗量增幅较大，暗管周围的土壤含水率随之迅速增高。随着灌溉历时的增长，暗管外部周围土壤水吸力随着含水率的升高而逐渐减小，土壤基质势增大，暗管内外压力差越来越小，故暗管周围土壤能在短时间内趋近饱和，累计入渗量稳定增加[26]。

图5 混掺稻壳、玉米秸秆下累计入渗量与灌溉时间的关系

各处理累计入渗量与平均入渗速率如表4所示。由表可知不同暗管供水压力在灌溉结束时累计入渗量差距不大。混掺玉米秸秆土壤在供水压力为100 cm 时，水分到达农作物根系的速度最快，可以快速为农作物根系补充足够水分，对农作物生长有利。

表4 各处理累计入渗量与平均入渗速率

2.3 不同供水压力土壤剖面水分分布特性

添加物混掺层土壤剖面含水率的多少直接影响到作物根系的吸水状况，进而影响到作物的产量，分析暗管上方混掺层各方向上土壤剖面含水率的分布及其变化规律可以为暗管灌排系统的应用提供一定的参考依据[27-29]。

暗管灌溉结束后，以暗管上方滤层顶端为原点，水平向右为x，竖直向上方向为y，暗管平行方向为z，在x、y两个方向上每隔10 cm 设为一个取样点，在z方向取3 个样点重复点，取至湿润锋位置处，测定土壤剖面含水率，得到土壤剖面含水率分布状况。不同供水压力下不同土壤添加物在灌溉结束后土壤剖面含水率分布状况如图6所示。供水压力的大小影响湿润锋运移的形状和快慢，决定土壤水分水平方向和竖直方向运移的快慢，从而影响土壤水分分布。由图可知：湿润体内部竖直向上、水平向右两个方向的土壤剖面含水率均随着与暗管滤层顶端的距离增大而减小。在方向相同的情况下，不同暗管供水压力相同距离的土壤含水率表现为：60 cm＞80 cm＞100 cm。在距离相同的情况下，相同供水压力在不同方向的土壤含水率表现为：水平向右＞竖直向上。由图6可以看出，添加物混掺下混掺层湿润体呈半椭圆形状，靠近暗管滤层顶端的土壤体积含水率在46%左右，水平向右方向从暗管滤层顶端开始至40 cm 距离土壤含水率变化不大，而40 cm 至湿润锋附近土壤含水率有明显降低趋势，湿润锋附近土壤含水率在15%左右；竖直向上距离暗管滤层顶端20 cm内土壤含水率变化幅度较小，20 cm 至土壤表面土壤含水率明显降低，土壤表面含水率在11%左右。

图6 不同供水压力下不同土壤添加物在灌溉结束后土壤剖面含水率分布状况

2.4 不同供水压力土壤剖面盐分分布特性

“盐随水来，盐随水去”，土壤盐分运动受到土壤水分运动的影响。随着不同暗管供水压力下土壤水分运动，盐分会随着水分被带到湿润锋附近，使得湿润锋附近含盐量较大[30-32]。

不同供水压力下不同土壤添加物在灌溉结束后土壤剖面含盐量分布状况如图7所示，土壤盐分随着水分向着湿润锋附近运动。混掺稻壳土壤在60 cm、80 cm、100 cm 供水压力下表面含盐量分别为0.522%、0.482%、0.494%；混掺玉米秸秆土壤在60 cm、80 cm、100 cm 供水压力下表面含盐量分别为0.493%、0.473%、0.495%。混掺稻壳土壤在60 cm、80 cm、100 cm 供水压力下水平向右方向上湿润锋附近土壤含盐量分别为0.547%、0.512%、0.495%；混掺玉米秸秆土壤在60 cm、80 cm、100 cm 供水压力下水平向右方向上湿润锋附近土壤含盐量分别为0.489%、0.502%、0.517%。土壤表面以及水平向右方向上湿润锋附近含盐量皆大于0.45%，说明暗管灌溉时湿润体湿润锋附近土壤积盐超过了中盐土壤阀值。暗管灌溉过程中土壤盐分随着水分向湿润锋附近运移，导致土壤表面出现积盐现象。

图7 不同供水压力下不同土壤添加物在灌溉结束后土壤剖面含盐量分布状况

因此，利用暗管系统进行灌排时，应遵循先排后灌的原则，制定合理的暗管系统灌排制度。根据暗管系统灌排的特点，地表灌溉水可以将上层土壤盐分淋洗至暗管排出，从根本上降低暗管上方土壤盐分，减少土壤盐分反复积盐返盐的过程。

3 结 论

（1）供水压力越大，各方向上湿润锋运移距离越远，灌溉历时越短。同一供水压力下各方向上湿润锋运移距离大小关系为：竖直向上＞水平向右＞竖直向下。玉米秸秆作用效果强于稻壳。

（2）供水压力越大，累计入渗量越大，平均入渗速率越快。

（3）湿润体内部竖直向上、水平向右两个方向的土壤剖面含水率均随着与暗管滤层顶端的距离增大而减小。

（4）土壤盐分随着水分向湿润锋附近运移。土壤表面以及水平向右方向上湿润锋附近含盐量皆大于0.45%。

综上所述，在供水压力为100 cm，5%玉米秸秆与土壤混掺的情况下，湿润锋运移距离较远，灌溉历时较短，累计入渗量较大，平均入渗速率较快。该方案可以为农作物提供足够的根系吸水量，加快水分到达农作物根系的速度，增加农作物产量，对治理土壤盐碱化和农业可持续发展具有一定意义。