基于两种不同质地土壤浅沟排盐效果分析

虎胆·吐马尔白，胡钜鑫，米力夏提·米那多拉，杨未静

（1.南京水利科学研究院水文水资源与水利工程重点实验室，南京210029；2.新疆农业大学水利与土木工程学院，乌鲁木齐830052）

滴灌引起的土壤积盐问题早已引起了国内外学者的关注，为了寻找改良盐碱土壤及预防土壤的次生盐渍化问题的方法，国内学者展开了各种研究。国内学者如李显溦等人研究了新疆膜下滴灌下的暗管排盐技术[1-6]，优化了暗管排盐模式效率不高的问题；周和平[7-10]等人提出的“土壤盐分定向迁移”的排盐理论；Phogat V[11]等人对滴灌条件下柑橘树的水盐运动进行了数值模拟，针对土壤中过量氮肥的淋洗进行模拟研究；Ajdary K[12,13]等人通过11年的研究对比了氮素淋洗后的土壤的含氮量与普通沙壤土的氮素含量；Jacques D[14]等人对包气带中水分中有机物和无机物的不同污染进行模拟，对土壤中污染物的变化和迁移进行预测。本文选择了两种干旱地区常见的土壤类型，通过田间试验数据进行数值模拟。旨在通过研究不同类型土壤水盐运动规律的差异，根据土壤不同的物理组成成分资料对比分析不同类型土壤对排盐沟排盐效果的影响。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

田间试验于2017年在新疆维吾尔自治区石河子市现代节水灌溉兵团重点试验室试验基地暨石河子节水灌溉试验站中进行。试验站位于新疆维吾尔自治区石河子市西郊大学农试场二连，年均蒸发量1 660 mm，多年平均降水量为207 mm。

1.2 田间试验

田间试验共为两个测坑（A 和B），排盐浅沟上口宽度分别设置为40 cm，底宽均为25 cm，高为30 cm。观测点分别为滴灌带、排盐沟沟坡及排盐沟沟底下方10、20、30、40、60、80、100 cm。试验测坑示意图见图1，土壤初始含水量及含盐率见表1，灌水量见表2。

表1 土壤剖面初始含水量和含盐量的分布Tab.1 Distribution of initial water content and salt content in soil profile

表2 实际灌水量Tab.2 Actual irrigation amount

1.3 土壤颗粒分析

试验土壤取自新疆石河子节水灌溉试验站，并带到河海大学国家重点试验室中采用LS I3 320 型号的颗粒分析仪进行颗粒分析试验。田间土壤的试验结果按照卡庆斯分类法所得土壤的颗粒分析如表3所示。

表3 土壤颗粒分析结果Tab.3 Resultsofsoilparticleanalysis

1.4 数值模型

根据田间测坑尺寸在HYDRUS-2D[15-17]模型中进行模型构建。测坑长宽均为2 m，以排盐沟中心线为轴，左右呈现对称，为了减少模型运算可以简化模型。将试验区域根据中心线进行划分，数值模拟时间确定为一个或两个灌水周期，灌水前为初始条件，灌水后至下一个或再下一个灌水前为模拟时间段进行数值模拟的，模拟区域以及有限元划分见图2。根据实际情况以及模型区域的划分，分别对图中各个边界进行边界条件设定。

在HYDRUS中根据图2建立模型，并根据实际田间情况设置各边界的水分运动条件。其中BC 边界处中间位置设立2 cm滴灌管入渗区域，其边界条件为变流量边界条件，流量设置与实际灌溉一致。上边界BC 处为变流量边界条件，变量情况结合气象站观测数据进行设定；因实地观测地下水埋深超过3 m，即下边界AF处设为自由排水边界，左右边界AB、EF处为零通量边界条件，DE、CD 边界处为大气边界条件，根据气象数据进行相关设定[18-22]。

2 结果与分析

2.1 不同类型土壤膜下滴灌棉田浅沟排盐土壤水分运动规律

图3～图6 显示的是两种不同类型土壤含水率在不同生育期的剖面分布图。土壤类型分别为壤土及粉壤土，其具体物理组成成分见表3。两组模拟所选择的土壤初始含水率、降雨、蒸发、边界条件及根系吸水模型均相同。

图3 显示的是5月10日土壤剖面含水率，为播种后第21天，气象站记录环境平均温度为21.6 ℃，且有少量降雨。从图3 可以看出，土壤中整体含水率较大，主要是由于2016年冬季降雪量较大，导致春季播种时土壤含水率较高。播种之后，土壤中水分随着下方自由排水边界迁移，土壤中水分呈现水平方向上的下降趋势，同时由于当地干燥的气候，土壤表层的水分发生了较为均匀的蒸发现象。对比图3，粉壤土的土壤整体含水率高于壤土的含水率，且其排盐沟和底部自由排水界面土壤含水率变化量明显小于壤土。综合图3 和图4、图（a）中壤土的含水率小于图（b）中粉壤土含水率，这是由于在相同含水率条件下，粉壤土的非饱和导水率小于壤土，体现为粉壤土的持水性能较好。因此，在蒸发条件相同的情况下，粉壤土中的水分蒸发速度小于壤土，同理，粉壤土的下渗速度缓于壤土，导致粉壤土中整体含水率高于壤土。

图5为6月4日的土壤含水率图，需结合6月3日为第一次灌水日作为条件进行分析。灌水后，相比与壤土，粉壤土中水分运动速率较慢，土壤含水率在水平方向和竖直方向上变化较为缓慢。且粉壤土由于其物理性质，其饱和土壤含水率较高，则灌水后最大含水率能达到0.28 cm3/cm3。因此，灌水及降雨的水分能够在粉壤土表层中停留较长时间。

图6显示的8月31日的土壤剖面含水率，为吐絮期最后一次灌水后2日。此时，土壤中含水率分布受到排盐浅沟影响较为明显，整体土壤含水率等值线偏向竖直分布，并且在排盐沟底出现明显的集中。

2.2 不同类型土壤膜下滴灌棉田浅沟排盐土壤盐分运动规律

由于粉壤土的性质，导致其中的水分运动能力比壤土差，也使水中的溶质运动能力相较于壤土更差。图7～图10 显示的是不同类型土壤在生育期内土壤盐分电导率的分布情况以及变化情况。生育期内，土壤中的盐分受到蒸发作用向大气边界移动；受到灌溉水的影响，滴灌带下方的盐分随着每次灌水不断向周边土壤区域中运动，使得土壤根系范围的盐分受到了淋洗作用；同时，作物根系在生长过程中不断吸收水分及盐分以供作物生长。三种运动共同作用了生育期内土壤盐分的运动和变化。

图7 及图8 显示的5月10日及6月2日土壤电导率的分布情况，即灌溉初期未灌水时土壤中盐分分布的基本规律。图片显示，土壤中的盐分水平方向上呈现出较为均匀地分布，在排盐沟沟底部有少量的积聚现象，但是在排盐沟沟坡附近，呈现的是较为均匀的水平分布。此阶段未灌水，但会出现部分少量降雨，因此，土壤边坡的土壤盐分可能较滴头下方略小，但排盐沟底部随着蒸发导致的水分上升，其下方盐分存在一定的积聚现象。

对比分析图7～图10，显示的是壤土和粉壤土的在生育期不同时期土壤剖面电导率的分布情况。土壤中盐分分布与水分分布基本一致。图9 至图10 分别是灌水后1 天、3 天后土壤中盐分的分布情况。通过对比（a）、（b）图，粉壤土土壤电导率在水平方向上的变化小于壤土，滴头正下方处集中部位的土壤盐分淋洗效果不明显，而壤土滴灌带下方有明显的折线，表面此部位电导率下降明显。对比（a）、（b）两图，壤土土壤电导率在排盐沟附近未能呈现较好的积聚现象，而粉壤土电导率在水平方向上整体呈现下降趋势，且在排盐沟边坡处有明显的积聚现象。则对于分析可得，由于粉壤土对水分的黏滞性，土壤中盐分不易通过水分冲刷而进行排盐，但其盐分主要集中于排盐沟坡及排盐沟底部，因此，可以主要选择排盐沟沟坡较陡的排盐沟，并且考虑通过机械刮土的方式进行排盐。

3 讨论与结论

（1）根据壤土及粉壤土土壤组成及土壤性质可以看出，粉壤土黏粒及粉粒含量较高，导致土壤的非饱和导水率较差，相对于壤土，其持水性能更好；根据土壤导水率及模拟对比结果可以看出，粉壤土中盐分积聚相对于壤土较强，导致各土层土壤盐分在水分变化边界积聚较明显，土壤盐分淋洗效果略差。

（2）对比壤土和粉壤土在不同时期的水分变化情况及盐分变化情况可以得出：相对于壤土，粉壤土的盐分更偏向于积聚在土壤边坡上，且其盐分积聚效果比壤土更为明显；相对于壤土，浅沟排盐的模式更适用于粉壤土，且粉壤土而更适合采用机械刮土的方式对排盐沟沟壁进行排盐。对于水资源紧缺的干旱地区，相对于传统春浇、秋浇等方法，盐碱度较高的粉壤土地区，可以利用浅沟排盐及机械刮土的方式进行土壤盐分的排除，避免大面积土壤盐渍化。